基于信息量的海洋环境与潜艇信息化作战

江禅志,李 宁,高国兴

(海军潜艇学院,山东 青岛 266042)

近 30年来,在西方国家发动的几场现代局部战争中,采用空中作战力量——隐形战斗机进行低空突防的战例,应用信息作战达到“出其不意,攻其不备”作战效果的突出表现[1]。值得一提的是“英阿马岛海战”。英国“征服者”号核潜艇在成功击沉阿根廷海军“贝尔格拉诺将军”号巡洋舰以后,迫使阿根廷海军退出战斗。这是潜艇利用自身优势对敌施加的一种潜在的威慑。尽管当时英国海军在该海域布置了为数不多的核潜艇,但正是这种潜在的威慑力量构成了迫使阿海军不敢进行参战的重要因素之一。在当时的技术条件下阿海军并不具备有效的反潜能力或力量,而英国海军潜艇的隐蔽性是使己方在马岛附近海域出现的位置和时间的不确定性达到最大！在战争中,将战略和战术相结合形成的“出其不意”的“不确定性”构成了对敌的强大威慑。

现代军事科技的进步使得“不确定性”处在动态变化中,具有相对性。目前,随着海洋探测技术和潜艇消声技术的不断发展,潜艇被发现和潜艇隐蔽性这一“矛”和“盾”的性能指标提高可谓并驾齐趋。一方面,敌对双方反潜能力较之以前有了很大的提高。从大洋深处到濒海海底、海峡水道甚至可能的港口航道等所谓的重点区域都布设或正在布设的各种声纳基阵,正逐渐形成“水下前哨”。一直向上延深至天空、太空等的卫星或反潜飞机的不间断侦察监控等手段也正趋于完善。总之,一张张以现代军用信息技术为支撑的立体反潜网正在形成,这极大削弱着潜艇水下航行的隐蔽性。但另一方面,潜艇的静音能力也不可小觑。各种消音设备的应用,潜艇动力设备、螺旋桨性能等的不断改进,使潜艇的静音性能得到很大提高。加之在某些特定海区,人们也能够应用海洋与大气环境变化形成的复杂水声环境,改善潜艇隐蔽效果。发生在2009年2月的英、法两国的核潜艇在大西洋海域的相撞事件也充分说明了这一点。

潜艇的隐蔽性产生的对敌威慑效应是明显的,但是在现代信息战条件下信息作战潜艇对敌方的信息优势变得不再那么显现。那么如何应对信息战条件下对潜艇作息战提出的严峻挑战？本文采用信息论的观点,通过理论模型简要分析了潜艇在现代信息战条件下信息作战中保持信息优势的可能性,如何避繁就简地定量分析潜艇信息化作战中的不确定性,进而根据理论模型中信息量与信息熵的关系,提出信息优势获取的不对称性、加强一体化研究以及前沿或先导技术研究以保持信息优势的观点。

2 基本原理

2.1 信息量的定义

信息量及信息熵的概念是 Shannon在 20世纪40年代提出的,他将熵的概念引入到信息论,并将其作为随机变量不确定度的度量开始的,并逐渐在通信领域发挥了重要作用。其形式直观,便于理解。目前信息熵、信息论的基本原理在众多的领域得到了广泛应用,如通信,经济、生物工程等[3]。在 20世纪80年代国外将其应用于系统的效能评估[4],国内也有研究者将其应用于武器系统的作战效能评估。

在信息论理论中,信息量的高低反映的是一种不确定性,具有概率性质;主要是指接收者得到信息后能够对问题解除存在疑虑的程度。这种不确定性可以通过(1)式进行量化:

显然,在这个模型中,iP实际上是一个多变量联合概率密度函数,反映了多种事件或因素对共同对iP构成的影响,当然这些因素对其贡献量可能是不同的。本文暂不分析 CCOM 的建模计算过程(对于具体的问题这是可行的,我们将在后续文章中给出,这不是本文的目的),而是应用这一原理讨论架构层次上的问题。

2.2 信息熵的定义及性质

根据Shannon提出的信息熵的概念[3],这里不妨定义为敌对双方(也可以是多方)应用不同途径获取的信息熵并用Ξa表示。

这个量在分析具体问题时可以表示为对研究论题的“了解程度”或“把握程度”。例如对于潜艇作战而言,可以将其描述为一次作战行动,或侦察行动中“态势的透明度”程度;又如以潜艇的隐蔽性或不被暴露的可能性为研究对象,这个量的变化又可以反映敌方对我方可能的探测信息量的总和。因而对于不同的问题均可以考虑一种适合的描述方式。Ξa是一个多元变量函数,反映多种要素影响下的潜艇的隐蔽性函数。该值越大反映隐蔽性越高。

根据完备性条件,可以得出式(3)具有的一个显著特点,即当某一个为 1时,其它 Pj且(j≠i)时Ξa=0,即在此条件下的不确定性为0。

另外,根据信息熵的定义可知,当信息熵最大时,Pi=1/N。图1给出了一维情况下平均信息熵与检测概率密度函数之间的关系,这里的检测概率指的是某种CCOM。可见信息熵在P=0.5达到最大。

图1 检测概率与平均信息熵的关系示意图

3 应用实例及分析

我们将信息量、信息熵的理论观点,应用于潜艇信息作战过程中增强隐蔽性,提高不确定性,获取更大信息优势,进而形成对敌最大威慑作用的分析。这也是其基本原理在指导潜艇作息作战中信息优势获取方面的具体应用。

3.1 主动与被动信息优势获取

考虑潜艇航行的隐蔽性与信息优势的关系。根据信息论观点,对于完全确定性的事件,其概率为 1,表示其含有的信息熵为零;实际上反映了我方在信息优势的获取方面占有优势,并且是对所需信息的全部掌握,对我方而言“战场态势”处于完全透明。通过式(3)不难发现,要达到这样的目标可能相对“容易”。事实上,由于可以应用多个变量中 x1,x2,...,xni中的任何一种CCOM进行信息优势的获取。在现实中可以应用任何手段对敌方潜艇施行跟踪、监视等作业,因而在这些手段中只要存在一种组合 CCOM 的情况,并取得成功则可以使我方的信息熵为零,即不确定性为转化为零,从而形成我方战场的信息优势。具体而言,对应于式(3),当能够确定存在一种情况,使得=1时,而对其它的j≠i,Pj= 0成立。对于潜艇隐蔽性对敌形成的不确定性而言,当存在一种CCOM的组合,使不确定性度量为1时,其它有CCOM组合已不再具有实际的意义,因而其它的CCOM组合使 Ξa=0是成立的。这一点可由信息熵的完备性得到的。

反之,为保持潜艇隐蔽性,则需考虑更多因素。并在考虑其它因素过程中,可能会顾此失彼。需考虑在潜艇遂行作战任务的全过程的隐蔽性。对于式(3)而言,即要求考虑i=1...N时的 Pj全相等,这实际上是考虑了所有的CCOM！因而可以认为由信息熵的角度分析潜艇航行的隐蔽性,其主动信息优势的获取与被动信息优势获取的存在理论上的不对称性。这一结果进一步体现了“进攻是最好的防御”这一观点。

3.2 应用一体化思维分析潜艇信息作战

在研究潜艇航行隐蔽性问题中,由于多种因素均可能造成对潜艇隐蔽性的破坏,也就是说,这种因素可能造成使某一Pi值很大,从而使可信度下降。为保持隐蔽性需要对所有因素分析,即对每一 CCOM进行分析,力求使Pj全相等。事实上,这些事件可能彼此交叉,例如螺旋桨设计与动力系统之间的关系、海洋环境与潜艇的航行深度速度的关系、航行航路的选择与对敌情的侦察与掌握,以及潜艇的隐蔽发报通信与海洋环境等,为了实现潜艇航行的隐蔽性,可能需要就这些问题进行更为深入地交叉研究和讨论。即可能为了实现这一目标需要进行组合。

以上原因的存在,迫使我们不得不采用一体化的观点对隐蔽性进行分析;同时也需要考虑将CCOM 中相关的问题进行分离,即应用信息离散化的方法对单一事件影响下的隐蔽性问题进行分析,例如为了考虑潜艇的隐蔽性可以单独分析,例如分析潜艇的航行深度与潜艇隐蔽性的关系、海洋环境特性对声传播的影响等。不同的因素具体体现在式(2)中能够使得整体的不确定性增加。由此可见应用一体化的思想进行系统分析对于保持潜艇信息作战的优势是有利的。

3.3 潜艇信息作战的前沿或先导技术

充分研究和开发能够应用于潜艇信息作战的前沿或先导技术,在未来潜艇作战中有利于对敌保持威慑。实际上不仅是潜艇作战,对于其它武器装备的发展也是如此。随着的军事科学技术的不断进步和可能存在的未来海上不同层次对抗的升级,已往存在的威慑力量会在新的形势下变得不足以平衡敌对势力的挑衅,通过加快前沿或先导技术的研究,能够保持或创造并形成新的威慑力量。对潜艇作战而言,由于隐蔽性是其形成对敌威慑的主要因素,保持这一威慑的力量就是要保持隐蔽性。研究中,复杂海洋环境下的航行、复杂电磁环境下的通信、应用海洋环境实现的隐蔽性等依然是目前的重要研究方向,并可能保持或创造并形成新的威慑力量。

4 结束语

本文根据信息量和信息熵理论讨论了在潜艇信息化作战中充分发挥潜艇隐蔽性的重要意义,并分析为可以用信息熵表示的不确定性定量分析潜艇信息化作战中其隐蔽性作战效能。本文同时应用了信息论观点对潜艇信息化作战中的不确定性进行了理论建模研究,并由此得出了信息优势获取的不对称性观点,并认为加强一体化研究以及前沿或先导等技术的研究不仅适应于潜艇信息化作战,对于其它军事理论中军事效能评估等论题的研究也具有一定的启示作用。但需要指出的是本文的研究论题及相关结论是初步的,需要进行更为深入的建模研究,例如对不同技术条件下每一种 CCOM 对不确定性的影响还亟待进一步深入研究,并需要从敌对双方的不同视角进行分析等,这些问题我们将在后续的文章中分别给出。

[1]戴旭.C形包围―内外忧患下的中国突围[M].上海:文汇出版社,2010.

[2]编写组.20世纪以来的著名海战[M].北京:中国出版集团,世界图书出版公司, 2011.

[3]周荫清.信息论理论基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[4]原伟强,等.SEA 的侦察与监测系统效能分析[J].火力与指挥控制, 2004(8):94-96.

[5]汤琰.基于熵理论的 DQAF信息量研究[J].统计与信息论坛, 2011,26(7):15-22.

[6]Marilyn D.R., Thomas G., Sustainability Public Policy Challenges of Long-Duration Space Exploration[J],AIAA 2006-7314.

[7]Cecilia I.R., Girz A. E., Global Air-Ocean in-situ System (Gains),1995.

[8]Coughlin D.J., Alliy M., Space:The Final Business Frontier, AIAA, 19962006-7524.