氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)影響仿真模型設(shè)計研究?

李海燕 柳 強 徐建忠 毛 杰 張 昊

（海軍指揮學(xué)院 南京 210016）

1 引言

航母編隊是海上強國遂行實施海上戰(zhàn)役戰(zhàn)斗的主要作戰(zhàn)力量，通常由多個水面戰(zhàn)斗艦艇、潛艇和航空兵組成。航母編隊體積龐大，隱蔽性相對較差，很容易成為潛艇攻擊的對象。因此，反潛作戰(zhàn)對于航母編隊保持生存和戰(zhàn)斗力起到?jīng)Q定作用［1］。氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)產(chǎn)生重要的影響，環(huán)境影響要素多，影響效果也很復(fù)雜［2］。氣象海洋環(huán)境首先影響武器裝備的作戰(zhàn)性能，繼而制約水面艦艇、潛艇、飛機等作戰(zhàn)平臺的效能發(fā)揮，最終在航母編隊整體反潛效能上有所體現(xiàn)。因此，氣象海洋環(huán)境對任意武器裝備的影響都會對航母編隊的作戰(zhàn)效能產(chǎn)生不同程度的制約。運用作戰(zhàn)仿真手段研究氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)的影響［3］，對航母編隊利用氣象海洋環(huán)境實施作戰(zhàn)運用具有重要意義。

2 氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)影響分析

航母編隊反潛作戰(zhàn)涵蓋了水面艦艇反潛、航空兵反潛、潛艇反潛及多兵力合同反潛等諸多問題。為達到消滅敵潛艇或者阻止其進行各項行動的目的，航母編隊中的反潛艦艇、核動力潛艇、艦載直升機以及加強的岸基固定翼反潛巡邏機等組成特定的隊形，主要使用平臺配載的聲吶（包括主動聲吶、被動聲吶、吊放式聲吶、聲吶浮標(biāo)等）、雷達、磁探儀、紅外、光電等裝備對水面、水下可疑目標(biāo)或指定海上區(qū)域?qū)嵤┧褲摗．?dāng)發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)時，航母編隊將根據(jù)具體情況和決策指示，使用反潛魚雷、反潛導(dǎo)彈、深水炸彈等攻潛武器對目標(biāo)進行攻擊。根據(jù)航母編隊作戰(zhàn)行動和反潛階段［4～6］，主要從航母編隊搜潛階段使用的各種傳感器、攻潛階段使用的不同反潛武器，以及作戰(zhàn)平臺自身機動和安全等方面闡述氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)的影響。

2.1 氣象海洋環(huán)境對搜潛的影響

水面艦艇、潛艇、反潛直升機以及固定翼反潛巡邏機在搜潛時主要使用的是聲吶，而聲吶探測距離與海水溫度、鹽度、密度和海況等海洋環(huán)境密切相關(guān)［7～9］。聲波在不同類型的聲場的傳播過程中能量衰減狀況有所不同。在海表面附近的均勻?qū)樱暰€基本呈直線傳播，聲強較強，聲傳播距離較遠，有利于聲吶探測潛艇。在溫躍層處，聲線向上、向下發(fā)散，聲強減弱，且產(chǎn)生聲影區(qū)，有利于潛艇、魚雷隱蔽接敵，不利于反潛探測。在海洋聲道內(nèi)，聲強較大，有利于水聲探測與水聲對抗，而在聲道以下，會形成聲影區(qū)，使得聲吶探測較深水域中的目標(biāo)變得極為困難。由此可以看出，海洋環(huán)境對聲吶探測的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是對聲吶探測距離的影響，二是探測盲區(qū)范圍的影響。

雷達除了受到海浪、海雜波的影響，大氣環(huán)境產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象對雷達的探測性能也有重要的影響。當(dāng)雷達天線和目標(biāo)均處于大氣波導(dǎo)中，在遠大于正常折射定義的水平距離上仍可檢測到目標(biāo)，即處于大氣波導(dǎo)中的雷達可以實現(xiàn)超視距探測［10～12］。

對于紅外、光電及目力探測而言，主要受大氣環(huán)境影響嚴(yán)重，降水等氣象因素會造成其探測距離與識別分辨率的降低。除此之外，晝夜條件對直視能見度也有影響，從而影響光電及目力探測的性能。

與水聲探測設(shè)備相比，磁探儀受海區(qū)磁力異常影響較大，與水聲設(shè)備相比，具有不受水文氣象條件限制的優(yōu)勢。

2.2 氣象海洋環(huán)境對攻潛的影響

在攻潛階段，主要是各型武器受到氣象海洋環(huán)境的影響很大［13］。如魚雷發(fā)射對海水深度和海況都有著嚴(yán)格的要求。海流會影響線導(dǎo)魚雷的位置坐標(biāo)，對魚雷的航行路線與航行姿態(tài)也有影響。海面風(fēng)、海浪會影響空投魚雷的入水姿態(tài)，進而影響魚雷命中精度等等。

對于反潛導(dǎo)彈，空中飛行時主要受到風(fēng)和氣流的影響，飛行彈道會發(fā)生一定程度的變化，水下飛行階段會受到海況、海流等因素的影響。

艦載深彈主要受到水深、潮汐、海流、海浪等水文環(huán)境的影響，影響深彈下沉的速度和水下分布的位置。機載深彈的空中彈道飛行主要受到風(fēng)等氣象環(huán)境的影響，海浪也會影響其入水姿態(tài)，入水之后同樣受到水文環(huán)境的影響。

2.3 氣象海洋環(huán)境對作戰(zhàn)平臺機動和安全性的影響

在反潛作戰(zhàn)中，反潛機受海面天氣和海況的限制，當(dāng)海況較為惡劣，出現(xiàn)較大降水或低能見度時，特別是出現(xiàn)雷雨等強對流天氣時，反潛機的機動能力和生存能力大大降低。影響反潛機安全起降的因素主要包括風(fēng)、海浪、云、能見度等。

水面艦艇航行時，海水水深要滿足吃水深度，當(dāng)在淺水區(qū)航行時還需考慮潮高的影響，否則水面艦艇將會擱淺。海浪和海霧會嚴(yán)重影響水面艦艇的航行安全。而風(fēng)、海浪、海流對水面艦艇的航向航速也會產(chǎn)生一定的影響。

潛艇航行時，除受限于海水水深之外，還受海洋水色和透明度的影響，潛艇活動在透明度深度內(nèi)，極容易被光學(xué)儀器偵察到，隱蔽性較差。海洋內(nèi)波、中尺度渦都嚴(yán)重影響著潛艇的航行安全，海水躍層對潛艇機動也有影響，如潛艇可以利用聲躍層隱蔽自己或探測敵潛；可利用密度躍層產(chǎn)生液體海底的效果等。

3 氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)影響仿真模型體系

根據(jù)氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)影響的分析，建立航母編隊反潛作戰(zhàn)的氣象海洋環(huán)境影響仿真模型體系，如圖1 所示。整個仿真模型體系的設(shè)計，是運用作戰(zhàn)仿真技術(shù)，采用面向?qū)嶓w的建模方法，構(gòu)建一系列氣象海洋環(huán)境影響模型，用來描述反潛作戰(zhàn)過程中所涉及的氣象海洋環(huán)境對作戰(zhàn)平臺、搜潛傳感器材、攻潛武器裝備工作效能的影響效應(yīng)。主要包括氣象海洋環(huán)境對搜潛的影響模型、對攻潛的影響模型、對平臺實體機動的影響模型和對平臺安全性的影響模型。

圖1 航母編隊反潛作戰(zhàn)的氣象海洋環(huán)境影響仿真模型體系

3.1 氣象海洋環(huán)境對搜潛的影響模型

在搜潛過程中，首先構(gòu)建氣象海洋環(huán)境對搜潛裝備使用影響模型，用于描述根據(jù)不同的氣象海洋環(huán)境條件，選擇使用不同的探測裝備進行搜潛的策略。然后，構(gòu)建海洋環(huán)境對聲吶、雷達、磁探儀、紅外探測儀、光電探測儀等各類搜潛傳感器材探測的影響模型。這類環(huán)境影響模型的輸入主要是傳感器材的工作參數(shù)以及所處氣象海洋環(huán)境的要素數(shù)據(jù)，輸出一般是傳感器材在當(dāng)前氣象海洋環(huán)境下的主要性能指標(biāo)，如探測距離、探測概率等。

3.2 氣象海洋環(huán)境對攻潛的影響模型

在攻潛時，不同的作戰(zhàn)平臺需要根據(jù)氣象海洋環(huán)境條件，選擇使用適當(dāng)?shù)奈淦餮b備進行攻擊，其影響模型主要包括氣象海洋環(huán)境對攻潛武器使用影響模型、對魚雷攻擊影響模型、對導(dǎo)彈攻擊影響模型和對深彈攻擊影響模型等。這類環(huán)境影響模型的輸入是武器裝備的主要工作參數(shù)以及所處氣象海洋環(huán)境的要素數(shù)據(jù)，輸出一般是武器裝備在當(dāng)前氣象海洋環(huán)境下的主要性能指標(biāo)，如武器發(fā)射初始機動狀態(tài)、命中概率等。

3.3 氣象海洋環(huán)境對平臺實體機動的影響模型

航母編隊作戰(zhàn)平臺和武器實體的機動空間包括空中、水面和水下，受到不同類別環(huán)境（海洋環(huán)境、大氣環(huán)境等）的影響，同時作戰(zhàn)平臺和武器實體的機動模型描述都不盡相同，因此，氣象海洋環(huán)境對平臺實體機動的影響模型，需要針對每種平臺和武器實體單獨進行建模。主要包括海洋環(huán)境對艦艇、潛艇、潛/艦射魚雷/導(dǎo)彈航行的影響模型、大氣環(huán)境對反潛巡邏機、艦載直升機、機載魚雷/導(dǎo)彈/深彈飛行的影響模型等。這類環(huán)境影響模型的輸入是上一仿真步長時刻平臺實體的機動狀態(tài)以及所處海洋環(huán)境的要素數(shù)據(jù)，輸出一般是當(dāng)前仿真步長時刻平臺實體的機動狀態(tài)，包括速度、航向、高度等。

3.4 氣象海洋環(huán)境對平臺安全性的影響模型

保證平臺安全性是作戰(zhàn)平臺具有戰(zhàn)斗能力的前提，在構(gòu)建仿真模型時需要予以體現(xiàn)［14］。氣象海洋環(huán)境對平臺安全性的影響，主要體現(xiàn)在飛機安全起降和平臺安全機動等方面，其影響模型包括大氣環(huán)境對反潛巡邏機安全起降和飛行的影響模型、海洋環(huán)境對艦載直升機安全起降和飛行的影響模型、海洋環(huán)境對艦艇、潛艇安全航行的影響模型等。這類環(huán)境影響模型的輸入是當(dāng)前作戰(zhàn)平臺所處的大氣環(huán)境或海洋環(huán)境的要素數(shù)據(jù)，輸出一般是是否適合安全起降或機動的結(jié)論。以飛機為例，若輸出為是，則飛機起飛、降落以及飛行均按兵力仿真模型正常運行；若輸出為否，則飛機起飛、降落受到限制，飛機飛行受到調(diào)整，甚至可能造成飛機毀傷。

4 氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)影響仿真建模方法

根據(jù)氣象海洋環(huán)境產(chǎn)生影響的機理不同、復(fù)雜度不同以及仿真建模需求不同、粒度不同等特點，采用不同的建模方法對氣象海洋環(huán)境影響仿真模型進行研究設(shè)計。

4.1 基于規(guī)則的建模方法

在海上作戰(zhàn)中，氣象海洋環(huán)境對武器裝備的影響是顯著的，對于特定氣象海洋環(huán)境下武器裝備使用必須滿足一定的環(huán)境參數(shù)的約束，例如某艦船要求其魚雷發(fā)射條件滿足5 級海況以下、艦載直升機安全起降條件滿足5 級海況以下等。這些約束可以是在武器裝備研制定型時明確規(guī)定出來，也可以根據(jù)實際作戰(zhàn)使用經(jīng)驗進行歸納提煉，形成一系列氣象海洋環(huán)境影響下武器裝備使用規(guī)則，建立相應(yīng)的規(guī)則庫。

規(guī)則庫中的知識，通常采用產(chǎn)生式規(guī)則［15］進行描述，其知識表示的基本形式是：ifPthenQ，其中P 是前提（條件），Q 是結(jié)論（動作）。前提和結(jié)論都可以是若干項目的邏輯積，其一般形式表示為

當(dāng)兵力實體所處的氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)與前提（條件）相匹配時，則按規(guī)則描述執(zhí)行相應(yīng)的結(jié)論（動作），實現(xiàn)規(guī)則的結(jié)果。

在搜潛裝備選擇、攻潛武器選擇、反潛巡邏機與艦載直升機安全起降等方面，都可采用基于規(guī)則的建模方法。這些規(guī)則是判斷氣象海洋環(huán)境是否對兵力行動和武器裝備性能產(chǎn)生影響以及影響程度如何的重要依據(jù)。

4.2 基于原理的建模方法

在航母編隊反潛作戰(zhàn)中，利用海水聲傳播特性使用聲吶裝備對水下敵潛艇進行搜索、定位和跟蹤是成功實施反潛行動的關(guān)鍵。因此，聲吶探測模型是反潛作戰(zhàn)仿真模型的重點，對模型粒度要求相對較高，可采用基于原理的建模方法進行建模［16］。由于海洋復(fù)雜的變化性，聲吶接收到的目標(biāo)信號不僅受到海洋聲場環(huán)境的制約，而且受到海洋環(huán)境噪聲的干擾。根據(jù)聲吶原理，以聲吶方程為基礎(chǔ)，綜合考慮海洋環(huán)境及目標(biāo)聲特性，分別建立主、被動聲吶探測影響模型。重點根據(jù)氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)給出聲傳播損失TL 和海洋環(huán)境噪聲級NL 的定量描述方法，然后基于聲吶方程計算出聲吶最大作用距離，從而判斷聲吶的探測效果。

聲波在海水中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸衰減，使傳播距離受到限制。造成傳播損失的原因主要有擴展損耗、吸收損耗及聲波反射、折射引起的邊界損耗。由于傳播損失的復(fù)雜性很難準(zhǔn)確描述，工程上習(xí)慣用球面擴展加吸收損失估算。即：

其中：TL為聲傳播損失（dB）；r為聲傳播距離（m）；α為海水吸收系數(shù)（dB/km）。

影響海水吸收系數(shù)的因素很多，但它與聲波頻率的關(guān)系最為密切。計算海水吸收系數(shù)可采用估算公式法或者查表法。例如，表1 給出一組可供選擇的α值，利用線性插值法可獲得其他頻率下足夠精確的α值。

表1 海水吸收系數(shù)表

海洋環(huán)境噪聲是海洋中任一特定位置以及每年任一時刻均普遍存在的、不期望的聲背景。海洋環(huán)境噪聲級可利用數(shù)值模型進行計算，也可參考實際測量曲線獲取，或者可借助經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行測算。對于淺海，海洋環(huán)境噪聲級的經(jīng)驗公式為

其中：NL為噪聲級（dB）；f為噪聲頻率（kHz）；S為海況等級，取值1～9。

將聲吶輻射（噪聲源輻射）聲源級SL、噪聲級NL、聲吶檢測閾DT和聲吶接收指向性指數(shù)DI等參數(shù)代入主（被）動聲吶方程，可求得TL 值，從而進一步求得在該條件下聲吶的探測距離。如果該距離大于此刻聲吶到目標(biāo)的距離，則認(rèn)為聲吶以一定的探測概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，否則認(rèn)為探測不到目標(biāo)。

4.3 基于經(jīng)驗的建模方法

與聲吶探測相比，雷達、磁探儀、紅外、目力探測模型建模粒度略粗，氣象海洋環(huán)境的影響程度可采用探測距離或探測概率修正的方式進行描述。由于氣象海洋環(huán)境影響關(guān)鍵因素的選取以及修正因子的確定大多依賴于專家經(jīng)驗或者采用德爾菲法等分析方法得出，因此稱這類建模方法為基于經(jīng)驗的建模方法。

以氣象海洋環(huán)境對雷達探測距離的影響為例，主要考慮兩個影響因素：海況、降雨。海浪的波高影響雷達波的反射，海況越高，海浪就越高，對雷達探測距離影響越大。海況對雷達探測距離的修正系數(shù)示例如表2 所示，表中的經(jīng)驗值可根據(jù)建模仿真的需求進行調(diào)整。

表2 海況對雷達探測距離的修正系數(shù)表

雨水會引起電磁波的散射和吸收，降雨量越大，對電磁波的散射和吸收越大，對雷達作用距離的影響也就越大。降雨對雷達探測距離的修正系數(shù)示例如表3 所示，表中的經(jīng)驗值可根據(jù)建模仿真的需求進行調(diào)整。

表3 降雨對雷達探測距離的修正系數(shù)表

4.4 綜合建模方法

氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)影響復(fù)雜多樣，在建模過程中，為充分反映影響關(guān)系和影響程度，往往需要對實際情況進行簡化和假設(shè)。由于上述三種建模方法適用場景不同，各有優(yōu)劣，在使用過程中可針對建模對象的特點和建模粒度的需求，采取不同建模方法相結(jié)合的綜合建模方法。

例如，通過分析得知，氣象海洋環(huán)境影響魚雷聲吶作用距離、航行深度以及航行姿態(tài)等性能指標(biāo)，目前還難以建立這種影響的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，或者有些數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜難以直接應(yīng)用在仿真系統(tǒng)中。因此，考慮綜合建模方法對潛射魚雷攻擊過程進行建模。首先，根據(jù)氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)判斷是否滿足魚雷發(fā)射條件，采用基于規(guī)則的建模方法，依據(jù)事先儲備的規(guī)則庫知識來決定魚雷發(fā)射是否成功。其次，在魚雷航行過程中，可采用基于原理的建模方法，使用流向流速對魚雷機動狀態(tài)進行調(diào)整計算；然后，在魚雷使用聲自導(dǎo)捕獲目標(biāo)過程中，可采用基于原理的建模方法，使用聲吶方程計算魚雷的發(fā)現(xiàn)距離；最后，根據(jù)溫鹽梯度對導(dǎo)向精度的影響，可采用基于經(jīng)驗的建模方法對魚雷命中精度進行修正，或者對目標(biāo)位置進行矯正，并以矯正后的目標(biāo)來判斷魚雷命中與否。

5 結(jié)語

在航母編隊反潛作戰(zhàn)中，不同作戰(zhàn)平臺和武器裝備在搜潛和攻潛階段都不同程度地受到氣象海洋環(huán)境的影響。運用作戰(zhàn)仿真技術(shù)，構(gòu)建氣象海洋環(huán)境對航母編隊反潛作戰(zhàn)影響仿真模型體系，既完善了作戰(zhàn)仿真模型體系，又為作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)實現(xiàn)氣象海洋環(huán)境仿真、體現(xiàn)氣象海洋環(huán)境影響提供技術(shù)支撐，也便于后續(xù)依托作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)開展不同氣象海洋環(huán)境下航母編隊反潛作戰(zhàn)兵力運用問題的研究。