舰船水下自防御系统及其指挥控制功能设计

2020-05-11陈颜辉王元斌强超超

火力与指挥控制 2020年3期

陈颜辉，王元斌，强超超

（中船重工集团公司第七○九研究所，武汉 430205）

0 引言

“自防御系统（Self-Defense System）”的概念由美国海军首先提出，特指装备于非“宙斯盾”级舰艇上的一种近程防空系统——SSDS（Ship Self-Defense System），该系统采取开放式的体系架构，能对相关传感器资源、软硬武器资源和指挥控制单元进行系统集成［1］。其中“自身防御”和“自动化、智能化防御”是SSDS 中“自防御”概念的两项基本特征，以此为基础可实现对来袭反舰导弹的快速、分层、优化的多种武器综合防御拦截。随着SSDS 的研制成功和大量列装，其先进的设计理念也影响到了水下作战领域，水下自防御系统的研发成为当前舰船水下装备建设中的一项全新概念，下面将探讨水下自防御系统及其指挥控制（以下简称指控）功能设计中的几个重要问题。

1 水下自防御系统研究范畴的界定

将自防御概念从SSDS 中引入到水下作战领域并不是简单的机械式套用，而应与舰船水下防御的基本特征相结合，形成对这一领域变革式发展阶段的形象描述。下面从舰船水下作战中两项最主要任务——反潜和鱼雷防御的角度来探讨水下自防御系统的研究范畴。

水面舰艇反潜作战可分为搜潜、攻潜和防潜3个任务方向，也可分为单舰反潜、编队反潜两个组织层面，单舰对潜防御相对而言更能体现“自身防御”的某些特征。但是无论从哪种组织层面或任务方向来讲，反潜作战都主要侧重于对反潜兵力的部署、探潜器材的运用以及反潜武器的使用。“自动化、智能化”的防御需求既不突出也不迫切，人员指挥艺术在低效的反潜行动中始终扮演着决定性作用。因此，将反潜作战视为水下自防御系统所要解决的核心内容有些牵强。

水面舰艇鱼雷防御与导弹防御存在较多相似性，两者均强调对紧迫态势的快速反应、对多种手段的综合运用、对防御决策的优化制定，也都具备实现“自身防御”与“自动化、智能化防御”的基本条件，因此，可将水下自防御系统视为是对综合防御鱼雷技术智能化水平发展到一定阶段的定性描述。需要说明的是，SSDS 中“自防御”的概念主要是相对于编队区域防空而言的，而鱼雷防御技术长期以来都是聚焦于单平台作战层面，要体现出与传统鱼雷防御系统的区别，就要在水下自防御系统设计中更加突出“自动化、智能化防御”的基本特征，包括实现对威胁态势快速可靠的感知与生成能力、对多手段综合运用的相干性处理与自动优化能力等等。

基于以上理解，可界定现阶段水下自防御系统的主要研究范畴是：从系统科学角度对探测、决策和交战控制的相关技术进行顶层设计，建立具有较高智能化水平和快速反应能力的多手段综合防御鱼雷系统。当然，水下自防御系统目前还是一个全新的概念，不排除随着技术的发展和观念的更新，其外延的拓展会覆盖到全部水下作战任务的可能，甚至可能与对空自防御系统相集成并发展为真正意义上的“舰艇自防御系统”。

2 综合防御鱼雷技术的现状与发展

多手段综合防御鱼雷技术是水下自防御系统的内核，综合防御理念的提出是针对水下防御的诸多不确定性因素而言的。水面舰船对潜射鱼雷的防御手段主要包括规避机动、软杀伤和硬杀伤3 类，在第二次世界大战结束后的相当长时期内，欧美各国曾一度把鱼雷防御器材的研发重点放在软杀伤方面，推出了拖曳声诱饵、火箭助飞声诱饵、火箭助飞噪声干扰器等各种水声对抗器材；原苏联海军则把鱼雷防御器材的研发重点放在硬杀伤方面，最具代表性的就是UDAV1-M（RKPTZ-1）型火箭深弹反鱼雷系统。进入21 世纪，世界主要海军国家均将研发重心转向了悬浮深弹、超空泡射弹、反鱼雷鱼雷（ATT）方面，从而将鱼雷防御器材的发展推向了快速、精确、智能化硬杀伤拦截的新高度。

图1 鱼雷防御实施过程

水面舰船对来袭鱼雷的防御并不仅仅是投放鱼雷防御器材那么简单，而是如图1 所示包含对鱼雷探测/识别/定位、信息综合处理和决策、软硬杀伤的实施等一系列对抗过程［2］。鱼雷防御系统的研发正是将这些对抗功能融为一体，实现对来袭鱼雷从探测识别到软硬杀伤的快速反应和综合防御。目前，综合防御鱼雷技术正在成为水面舰船鱼雷防御领域的重点发展方向，也就是通过合理规划软杀伤、硬杀伤以及规避机动等多种对抗形式，建立多层次、多手段的综合防御鱼雷对抗体系。前面提到，水下自防御系统是对综合防御鱼雷技术智能化水平发展到一定阶段的定性描述，而这种智能化发展水平在很大程度上就体现在水下自防御指控功能的研发中。

3 自防御指控功能设计中主要难点

作为性能先进的鱼雷防御系统的控制中枢，自防御指控技术的研发除了要面对信息少、精度差、态势紧迫等传统鱼雷防御技术所面临的共性难题外，还需要面对一些深层次上的技术问题——尤其是防御对象的多样性和防御手段的相干性，并由此引出了鱼雷制导类型识别、多手段相干性处理两项关键技术。

3.1 防御对象的多样性

现代水面舰船所面对的鱼雷威胁主要来自于敌方水下潜艇，尽管潜射鱼雷技术性能已经有了较大发展，但直航B1、声自导B2、尾流自导B3和线导鱼雷B4依然是现代潜艇反舰作战的主战武器。水面舰船在防御潜射鱼雷过程中，只有识别出鱼雷制导类型，才能更有针对性地确定规避机动策略并投放软硬杀伤器材。如果不进行鱼雷制导类型识别或错误地估测来袭鱼雷制导类型，轻则会降低对抗鱼雷效果——例如针对直航鱼雷或尾流自导鱼雷投放声诱饵是毫无意义的；严重的则可能会加速本舰被鱼雷命中——例如针对线导鱼雷来袭而采取了防御尾流自导鱼雷时的向雷转向规避策略［3］。

关于如何判断来袭鱼雷制导类型问题，文献［4-6］中构建了基于战技特征层信息的DS 证据推理模型，这是一种基于知识和经验的专家推理系统。其中为了降低DS 合成算法的复杂度和运算量，将传统制导类型的识别空间简化为{直航鱼雷B1，声自导鱼雷B2，尾流自导鱼雷B3，线导鱼雷B4，未知Θ}，同时还引入了基于否定概念的确定性推理技术用于预先淘汰识别空间中的假设命题，从而实现了将识别结果中的确定性信度与不确定性信度分开表述。为了降低实际作战中对鱼雷制导类型识别存在遗漏、误判的风险，还可进一步剥离输出结果中的不确定信度表述，则实际输出结果可分为图2 所示的单选、双选、三选和全选4 组共计15 种确定性组合形式。

图2 制导类型识别输出的确定性组合结果

在自防御指控技术研发过程中，要求针对图2所示的每种识别结果都能形成相应的综合防御策略，例如：在判断来袭鱼雷肯定不是直航鱼雷B1和线导鱼雷B4，但无法确定是尾流自导鱼雷B3还是声自导鱼雷B2时，就需要制定针对尾流自导鱼雷和声自导鱼雷的组合情形（B2B3），同时有效综合防御策略，这样才能确保综合防御鱼雷决策适用范围的完整性。

3.2 防御手段的相干性

多种防御鱼雷手段的综合运用是水下自防御系统的一个突出特征，自防御指控功能研发的一个主要任务，就是有效把握多种防御手段之间的相干影响，通过合理规划来降低不同防御手段之间的相互冲突，从而实现综合防御鱼雷效能的最大化。这些相干影响主要体现在工程设计和作战运用两个方面［7］。

由工程设计原因所导致不同对抗器材之间的冲突与干扰是先天性的，冲突形式往往取决于不同产品在研发阶段的设计理念，一旦产品定型则难以更改。这类相干因素包括：由共架或共控技术而引起的发射器材种类与数量相冲突，因工作频域相近而导致不同对抗器材之间的声学兼容性冲突，因设计原因而导致不同对抗器材之间存在的识别与互导问题等等。其中有些相干因素可以通过技术改进措施予以解决，而有些则是技术层面难以克服的，只能从运用层面寻求解决途径。

由作战运用原因所导致不同对抗器材之间的冲突与干扰是水下自防御指控技术研究的主要内容。这类相干因素主要是指多种防御手段在综合运用时，可能会因时域或空域上运用不当而未能达到预期防御效果，导致甚至加剧不利态势的形成，具体包括：由各种对抗器材的不同对抗原理而导致对抗目的发生冲突，不同对抗手段的运用时机与次序发生冲突，不同对抗器材的布放位置形成相互干扰，以及对由规避机动所引起鱼雷弹道变化连锁效应的利用情况等等。

4 自防御指控功能设计的基本思路

相比传统的鱼雷防御系统，人工干预的减少、优化决策的生成、系统反应的加快，是水下自防御指控技术研发的3 个基本着眼点。其中，人工干预的减少是“自动化、智能化防御”特征的根本体现，而人工干预的减少程度则与系统组成和系统规模密切相关，并受水下作战环境的特殊性制约。例如：对于“报警声纳-控制设备-拖曳式水声对抗器材”这种非消耗型的简单对抗系统，构建全自主型任务通道的难度并不大；而对于包含有多种消耗型对抗器材或需以规避机动相配合的综合防御行动而言，必要的人工干预则是不可缺少的，保障系统高速运行的关键就在于能多大程度上降低人工干预的频率、减少人工干预的时间。根据鱼雷防御的一般过程分析，在整个防御系统已经具备从传感器、控制设备到各种软硬武器一体化的物理架构下，人工干预措施主要集中在图3 所示态势感知、辅助决策两个环节。

图3 水下自防御系统人工干预示意

4.1 态势感知手段

态势感知与态势生成是决策制定的基本依据，鱼雷防御过程中的具体态势感知途径主要包括图4所示的3 种：探测方式、估测方式、综合解算方式。

图4 态势感知与弱信息防御示意

所谓探测方式主要包括由被动声纳直接获取的目标方位或噪声频谱、主动声纳直接获取的目标距离或回波强度等信息，也包括由其他手段直接探测的目标声、光、磁等特征信息。直接探测所获信息是触发鱼雷防御行动的重要依据，但是由于信息少、精度差、态势紧迫，针对直接探测所获信息并利用传统意义上的目标识别方法和要素解算算法往往难以及时构造出清晰、完整的战场态势。

在直接探测所获数据本身不能提供足够支持下，试图通过对传统融合算法的改进来强制实现态势生成，则可能导致态势的失真甚至决策的失误。在这种情况下，展开合理估测就成为了信息补充的必要手段，也就是在各种探测信息的基础上通过直接估测而得出某些关键信息，例如人工估测给出目标航速、距离、自导距离等估值信息。

所谓综合解算方式也就是以探测信息和估测信息为基础构建数学模型，综合推导出关于目标的其他衍生类信息，例如根据探测和估测信息求解出目标运动要素、弹道散布［8］或制导类型［4-6］等等，进而形成对战场态势相对客观的描述。

4.2 综合防御决策

信息获取能力始终是水下攻防对抗研究的主要焦点，但即使水面舰船能对来袭鱼雷信息的获取手段发挥到极致，在紧迫态势下也往往难以确保态势生成的真实性以及决策制定的正确性，这种情况下就应将提高弱信息背景下的鱼雷防御能力作为重要突破方向。弱信息防御能力的提升应按图4 所示从战术和技术两方面着手：一是研制可满足弱信息背景下防御鱼雷作战需求的新型对抗器材，二是建立可满足弱信息背景下防御鱼雷作战需求的综合防御决策。

立足于现有装备技术水平，加强多种对抗手段综合防御鱼雷技术研究是当前提高弱信息背景下防御鱼雷作战效能的主要途径，也是自防御指控技术研发的一个核心内容。需要注意的是，图1 中防御鱼雷的5 个阶段在理论上虽然可以构成多次循环过程，但在实际对抗中应立足于一次性防御成功的理念展开技术研发和行动部署。这是因为鱼雷报警声纳在发现鱼雷来袭并持续跟踪过程中，一旦水面舰船采取了软硬杀伤或规避机动后，就可能导致目标进入报警声纳探测盲区或探测误差的增大，或者软硬杀伤器材的工作噪声干扰报警声纳对目标的跟踪，进而导致来袭鱼雷信息丢失且短时间内难以恢复声纳接触。此外，有些防御器材的重新装填也往往难以满足二次拦截的时间需求。

因此，在水下自防御指控技术研发中，要求能够提前构建出周密细致、涵盖全面的行动预案，确保一次生成的对抗方案快速、合理、可信度高。例如针对图2 中鱼雷制导类型识别的15 种结果分别构建出本舰纯机动规避、单一器材对抗和多手段综合防御等功能模块，这就形成了自防御指控功能核心的方法库、模型库、规则库，实际对抗中可根据本舰装备情况和具体战场态势调用相应模块，从而生成针对性强、可信度高的作战方案。

5 对自防御指控功能的辩证理解

自防御指控功能的设计是针对一种短暂而激烈的对抗态势展开研究，集中了从技术到战术、从理论到实践、从方法到理念等各个层面的诸多矛盾问题，其中有些问题甚至需要从辩证的角度来理解和把握，才能达到自防御指控功能设计优化的目的。

5.1 人机结合与系统时效

指挥控制系统的自动化发展水平在很大程度上取决于战场的态势感知与生成能力，例如：防空态势生成的清晰度和可信度高，具备构成全自主指控作战的条件；水下态势生成的清晰度和可信度差，则很难构建出全自动指控系统。因此，在鱼雷防御行动中指挥员的作用是必不可少的，合理设计人工干预的节点及功能才是确保鱼雷防御系统高效运行的关键。

正由于鱼雷来袭态势紧迫且信息模糊，水面舰艇不可能在有限时间内，对支持决策生成的各种因素展开深入系统的理性分析，很多本该通过定量分析和滤波解算的问题将不得不依靠经验甚至直觉来处理，因此，所执行的防御决策往往未能达到充分的成熟度。但是在涉及生死存亡的紧要关头，依据自防御指控技术快速生成及时而不太成熟的决策，要远比一个成熟但却过时的决策重要得多［9-11］。

5.2 指控功能的评价标准

在已经具备从传感器、控制设备到各种软硬武器一体化的物理架构下，鱼雷防御系统“自动化、智能化”的基本特征主要体现在指控功能的研发方面。但在指控研发过程中，不应把试图绕过指挥员的自动化、智能化作为指控研发的根本目的，确保态势生成的真实性和决策制定的正确性，才是指控技术的核心追求。

在理想的水下自防御决策过程中，指挥员的任务应在于人机结合地实现态势感知，以获得对当前态势的快速确认，而不应为决策制定的合理性投入过多额外时间和精力；指控系统在人机结合实现态势感知功能的同时，更重要的是提供可分辨态势下的精细化模型库与规则库，并能基于所确认的态势快速生成较强置信度的防御决策。要做到这一点，就必须将指挥员的“理解、信任与授权”作为评价指控功能的基本指导思想。只要态势生成的真实性和决策制定的正确性得到指挥员的充分理解与信任，指挥员才会真正放心地授予自防御系统快速组织通道和协同控制武器的权力，也才能真正体现出自防御系统快速、自主、高效的防御鱼雷能力。