水面舰艇水下防御任务系统研究＊

2012-10-16李莉丽邵红伟

舰船电子工程 2012年2期

李莉丽邵红伟潘俊

（中国舰船研究设计中心武汉 430064）

1 水下防御作战需求

水面舰艇面临的水下威胁通常有三种：潜艇、鱼雷、水雷，因此，水面舰艇对水下防御任务主要有三方面：消灭来袭敌潜艇、拦截来袭鱼雷和清除威胁舰艇航行安全的水雷［1］。

潜艇与水面舰艇相比，具有较远的探测能力和良好的隐身性。水面舰艇自噪声大，目标特征明显，易被潜艇发现，另外，海洋水文条件复杂性和多变性也降低了水面舰艇声纳设备对潜艇的探测性能，使得水面舰艇在对潜艇作战中往往处于劣势。我水面舰艇编队面临的潜艇威胁主要有台湾“海象”级、“海龙”级潜艇，日本“亲潮”、“春潮”级潜艇等常规动力潜艇和美国“洛杉矶”级、“弗吉尼亚”级核动力潜艇。

以日本最新型潜艇“亲潮级”为例［2］，水面航速12kn，水下航速20kn，具有较强隐蔽能力。该艇装备了综合舰壳声纳、舷侧阵及拖曳被动声纳，被动探测距离可达50n mile。该潜艇装备89型轻型智能化鱼雷，适合浅海作战使用，制导方式为线导＋主动／被动声自导，航速40kn／70kn，航程30km／46km。

目前鱼雷发展趋势是远航程、高航速、破坏力强、智能化程度高。随着鱼雷辐射噪声的降低和抗干扰能力的提高，鱼雷对水面舰艇的威胁将日趋严重。当前水面舰艇自身防御体系中，对于水线以下部分的防御能力相对薄弱，影响水面舰艇作战能力和生存能力。在未来可能发生的海上战争中，我国水面舰艇可能面临来自敌方水下潜艇和鱼雷的多批次、多方位的攻击。

水雷是一种低成本、破坏威力大的水下兵器，水下防御作战中更加重视对水雷的应用。由于水雷武器目标小，隐蔽性强，效费比高，严重威胁水面舰艇航行安全。

从装备发展角度看，水面舰艇水下防御能力必须达到探测更远、攻防更强、反应时间更短、信息多元化等要求，具体体现在以下几点：

1）利用舰、机、岸等组成情报信息监测网络，全面了解敌方信息，获取信息优势；

2）利用机载、舰载的反潜武器对潜艇进行多层次拦截；

3）防御时，能够生成多种干扰和对抗手段，以提高对潜艇和其发射的鱼雷目标的抗饱和攻击能力；

4）做到远程告警、自动决策、快速发射武器，缩短武器通道的反应时间；

5）具备对水雷探测、清除能力。

2 国外水下防御装备的发展趋势

AN／SQQ－89综合反潜作战系统是美海军水面舰艇完成水下反潜任务装备的代表。AN／SQQ－89系统由AN／SQS－53舰壳声纳、AN／SQR－19战术被动拖曳阵声纳、AN／SQQ－28LAMPSⅠ／Ⅲ直升机信号处理机、MK116反潜火控设备和UYQ－25水声传播预报数据处理设备五个主要部分构成［3］。该系统按照完整的传感器—武器通道思路，把机载和舰载的各型声纳、信号处理机和机载／舰载攻潜武器综合起来，自动进行水下目标探测、识别、跟踪、定位以及目标攻击。该系统装备在“阿利·伯克”级导弹驱逐舰、“佩里”级导弹护卫舰以及“提康德罗加”级导弹巡洋舰上。为了满足网络中心战的作战需求，提高水下防御作战能力，美海军成立了作战系统集成项目执行办公室组织相应工业部门开展了开放式体系结构项目的研制，就是把现役驱逐舰按照方面作战系统组织研制的设备，进行一体化设计，提高资源共享利用程度。例如通过开发开放式体系结构，采用模块化的信号处理器和标准显控台。

上世纪90年代初，美海军设立了专门主管机构负责SC21（面向21世纪开发的水面作战舰艇的计划代号）项目技术开发工作。研制系列水面战舰以代替现役的驱逐舰、护卫舰以及巡洋舰。其中DD（X）代替斯普鲁恩斯级驱逐舰，由于美海军战略及经费调整，2006年4月，DD（X）项目代号改为DDG1000。DDG1000计划分为系统设计和10个工程开发模块（Engineering Development Module，EDM）。美国海军在DDG1000上营造了全舰计算机网络环境（Total Ship Computing Environment，TSCE），其特点是全舰所有作战设备、平台设备由网络连接，尽可能采用民用成熟技术和标准化软件，这也是美国海军开放式结构策略的首次大规模应用［4～5］。据报道，美海军新一代航母CVN－21也将采用DDG1000计划的全舰计算网络环境先进技术。

为了提高水下防御作战能力，DDG1000在舰艏装备了中、高频工作的双波段舰壳声纳，每个阵元可应对两个不同频率，中频声纳用于探测潜艇，高频声纳用于探测水雷。舰艉可拖放多功能拖曳阵。三联装鱼雷发射装置布置在舰体内部，配备MK50／54轻型鱼雷。4座MK57舷侧导弹垂直发射装置，可装载80枚“阿斯洛克”反潜导弹。舰载直升机和无人机将进一步提高反潜作战能力。由于具备了TSCE技术，美海军可方便地在DDG1000上集成防御鱼雷任务系统［6］。该系统主要由拖曳式鱼雷主被动探测声纳阵列、火控计算机、水声对抗器材和反鱼雷鱼雷等组成，具备与多枚鱼雷交战能力，可有效地拦截直航鱼雷、声自导鱼雷和尾流自导鱼雷。

从美国水面舰艇水下防御装备发展路线可以看出，以前的美国水面舰艇研制思路是按照方面作战划分系统并组织工程实施的，对反潜作战有AN／SQQ－89综合反潜作战系统，对空作战有“宙斯盾”防空作战系统，不同的方面作战系统由不同的公司进行承包研制。在一定程度上形成了系统内“烟囱”现象，不利于实现信息全面共享，增加使用费用和维护费用，这种研制思路，势必造成行业壁垒和技术体制的不一致，不符合美海军以“网络中心战”为核心的装备发展思路。因此，美海军在新一代水面舰艇设计中，摒弃了以前的研制思路，以满足未来网络中心战的需求为目的，强调装备在体系中发挥的重要作用，注重经济可承受性。建立全舰计算机网络环境，合理划分功能模块化，进行通用功能模块和特有功能模块的集成，提升了水面舰艇作战能力，便于进行升级维护，降低舰船全寿命周期费用，减少人员编制，适应现在和未来作战任务。

3 构建水面舰艇水下防御任务系统的设想

水面舰艇装备的声纳、武器系统独立进行设计研制，探测性能或武器攻击性能可达到局部最优，但未能达到水下作战能力整体最优。如武器打击距离与声纳探测距离的匹配性差，软硬武器同时使用时相互之间可能存在不良影响等。要解决这些问题，必须采用系统工程管理方法，依据水面舰艇水下作战需求，开展作战系统顶层设计，构建水下防御任务系统，以达到减少硬件设备，合理划分软件模块，减少战位人员，提高平台有效载荷的目的。这里值得说明的是，水下防御任务系统不是一个实体系统，而是一个逻辑系统或者功能系统。

3.1 水下防御任务系统功能模块划分

功能模块划分的主要原则有：模块内部组成部分执行的功能明确、单一；不同的模块不应该有重复功能；不同模块间低耦合度；模块间采用统一的接口标准；模块能融入作战系统集成环境。

结合网络中心战的思想，从功能层面看，水下防御作战任务主要通过感知功能、决策功能、交战功能三个大模块［7］实现，再将这三大模块进行细分，提出若干个对应具体可实现功能的模块。感知功能可分解为声纳基阵、发射信号模块、接收信号模块、A／D转换模块、目标信号处理模块、目标识别模块、目标分发模块、接口控制模块等多个模块。由于潜艇、鱼雷、水雷在水下目标特性差别很大，鱼水雷反射强度远远低于潜艇，因此，上述模块还可以继续细化为感知不同目标的模块，以目标信号处理模块为例，可再细分为潜艇目标信号处理模块、鱼雷目标信号处理模块、水雷目标信号处理模块。其它模块也可同理细分。从众多模块中提取共性部分进行整合，保留特性部分模块，当模块整合为适合的“粒度”后，考虑哪些模块用软件来实现，哪些模块用硬件来实现，主要从硬件类的共用性、兼容性以及软件类的通用性、重用性、开放性方面进行挑选。决策功能和交战功能模块划分方法与感知功能模块相同，这里不再详述。功能模块划分的基本步骤如图1所示。

图1 功能模块划分步骤图

3.2 水下防御任务系统的体系结构

为了以最低的全寿命周期成本保证长期的先进性能，要强调水面舰艇水下防御任务系统体系结构的开放性。体系结构的重要开放特性包括［8～9］：提供功能模块和作战系统集成环境之间完善的接口规范和标准；具有故障状态下的动态重构能力；能适应增加新功能的要求；功能／性能升级能与旧的系统组件兼容工作；支持新技术支持下的功能要素的分化和归并。

图2给出了水面舰艇水下防御任务系统体系结构示意图，图中标准显控台、标准机柜均直接接入作战系统以太网，实现信息交换。满足开放式体系结构要求的功能模块才能进入作战系统集成环境，多个功能模块可部署在一个标准机柜或者标准显控台内，标准机柜和标准显控台的最终数量取决于各功能模块数量及功能聚合的合理性。这种体系结构能够通过无线网络接口融入更高层次的作战体系中，共享战场信息，把信息优势变为作战优势，最大限度地发挥作战效能。使水面舰艇成为我方作战体系中的一个基本作战单元。这种“融入”主要是由无线网络接口和相应软件实现，无需增加硬件设备。

图2 水面舰艇水下防御任务系统体系结构示意图

4 水面舰艇编队水下防御作战想定

从研究国外海军水下防御作战特点，可以看出未来水面舰艇水下防御作战不再是单平台的任务，而是集整个水面舰艇编队所辖舰船、飞机以及岸基支援之力才能完成的作战任务［10］。因此本文给出水面舰艇编队进行水下防御的作战想定。

水面舰艇编队在某海区航行过程中执行护航反潜任务，使得这一海区成为海上编队和运输船队安全航行的海区。水面舰艇编队的指挥舰负责编队作战指挥与决策，统一协调、指挥编队内的舰船进行反潜作战。若需要编队以外的兵力支援，则由编队指挥官向上级指挥中心提出申请，通过上级指挥中心与友邻支援协调解决联合兵力协同反潜的问题。如岸基直升机起飞、反潜、降落是受岸基航空兵指挥，当执行搜潜和攻潜任务时与海上水面舰艇编队存在协同关系。

舰载直升机是水面舰艇编队反潜的主力，作为本舰的一个武器系统，直升机搜潜、攻潜均置于编队指挥官的领导之下。编队指挥官命令2～3架反潜直升机执行反潜任务，反潜直升机飞抵预定海区后，测定该区域海水温度分布情况，使用机载传感器（如机载声纳浮标、吊放主被动声纳、磁探仪、搜索雷达等设备）搜索潜艇，发现潜艇目标后，将目标信息通过机载数据链传送给编队指挥舰［11］。编队指挥舰结合编队可用反潜资源、战场态势和目标威胁判断情况，制定对潜艇目标的作战计划，提供给编队指挥官决策。由编队指挥官向反潜直升机或者某一舰船发送攻潜命令，使用机载反潜武器或者舰载反潜武器完成对潜攻击。编队内各舰艇应接受编队指挥官的指挥，在各自负责的区域实施反潜和防御鱼雷，并将探测到的目标信息及时上报编队指挥舰。编队内舰艇的间隔应保持在舰载声纳的有效作用距离内，相邻舰艇的反潜防雷区域有部分重叠。由于鱼雷目标反射面积小，航速快，防御鱼雷过程应该是自动快速反应的。当潜艇突入编队内发射鱼雷，使用编队内多艘水面舰艇拖曳的被动鱼雷报警声纳进行交叉定位或者使用主被动鱼雷报警声纳，获取鱼雷目标准确的距离和方位信息，防御鱼雷软件自动完成编队内软硬武器资源协调，自动控制发射防雷武器。当舰艇在航行过程中发现水雷，可遥控无人扫雷设备完成对水雷的清除。