美国航母编队反潜作战效能评估方法研究

杜易洋，李彦庆，史文强

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.中国船舶信息中心，北京 100012)

美国航母编队反潜作战效能评估方法研究

杜易洋1，李彦庆2，史文强2

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.中国船舶信息中心，北京 100012)

航母编队反潜作战效能评估对于信息化海战场中编队兵力的战术运用和合理配置极为重要，当前还处在探索阶段。本文研究美国航母编队构成和反潜装备配置，在讨论编队作战效能评估方法现状的基础上，介绍美国航母编队反潜作战效能评估案例，讨论方法存在的不足与改进措施，可为我国航母编队反潜作战效能的评估提供参考。

航母编队；反潜作战；效能评估

0 引 言

二战以来，航母编队作战成为海上作战的主要方式，航母成为海上及跨洋兵力投送的主要工具。作为海军的核心兵力，游弋在大洋上的航母及其编队受到的主要威胁来自空中和水下，其中，潜艇兵力日益成为航母编队遂行作战使命的主要对手，反潜作战能力已成为决定航母编队生存及海战胜负的关键[1]。为提高航母编队应对水下威胁的能力，在缺少实战检验的情况下，对多种反潜作战想定进行训练及评估十分必要。问题的关键在于如何评估日常训练中反潜作战的效果或者效能。一般定义，作战效能是系统在规定的条件下和规定的时间内，满足一组特定任务要求的程度[2]，对航母编队反潜作战效能的评估是要通过一定方法衡量编队与假想敌之间对抗程度，从而达到对作战方案、反潜力量编成、装备配置提出改进的目的。美国海军十分重视日常训练中的对抗评估，认为评估作战效能是指挥决策中的关键环节，甚至影响作战结果。

目前，国内对航母编队反潜作战的研究较少，多数工作集中于应用传统理论方法评估单舰、武器及舰载设备对效能的影响。本文主要针对美国航母编队的典型配置及反潜能力进行分析，探讨航母编队反潜作战效能评估方法。

1 美国航母编队及反潜能力

1.1 航母编队构成

航母编队是以航空母舰为核心，搭载舰载机联队，并配备若干水面舰艇、潜艇的机动作战兵力群。美国航母编队经历了从航母战斗群向航母打击群的转变。2003年伊拉克战争之后，美国海军将原来以大洋对抗为主要作战任务的航母战斗群改为重点针对对陆打击的航母打击群[3]，这一改变，反映了美国海军对作战对象与作战对抗环境的准确判断。与航母战斗群相比，航母打击群在舰艇配备的数量上有所减少，但更强调作战机动性，各平台任务分工更加明确。母舰与属舰配备的传感器、数据链、通信设备等，能够及时准确地探测到敌方舰船，并且精确识别、跟踪、打击来袭目标。根据2005年美国政府问责署的一份报告[4]，美国航母打击群的标准配置如表1所示。在此打击群配置中，航母编队反潜作战能力主要由舰载机、水面舰及潜艇提供。

表1 美国航母打击群配置Tab.1 The mode of U.S.navy carrier group

1.2 反潜装备

美国航母编队执行反潜作战任务时，“从发现到作战”的整个作战链可以概括为：由卫星、飞机和水下固定式预警系统进行战略预警后，由航母编队内各个反潜作战平台进行探测和打击。因此，对于单个航母编队而言，表征其反潜作战能力的指标可分解为空中反潜能力、水面反潜能力和水下反潜能力3个方面，如图1所示。

美国航母编队中反潜装备主要有水面舰艇、反潜直升机、攻击型核潜艇。表2给出了2011年美国海军反潜装备配置情况。

图1 反潜作战能力分解图Fig.1 ASW ability hierarchy

表2 2011年美国海军反潜装备Tab.2 The U.S.navy anti-submarine equipment by 2011

2 编队作战效能评估方法

评估编队作战效能的方法可分为传统评估法和作战模拟法。目前，国内学者多采用传统理论方法评估编队作战效能，而美军则大多应用作战模拟方法评估航母编队反潜作战效能。

由于舰艇编队作战需要考虑的因素较多[5]，因此能够用于评估这种复杂系统作战效能的传统理论方法比较少，近些年，国内一些学者对指数法[6]、数学解析法[7]、模糊综合评估法[8]等传统方法进行改进，并应用于编队反潜作战效能的评估研究，取得了一定的成果。对于传统评估方法，其核心是评估指标的选取和权重系数的确定。这类方法可以对难以量化的复杂问题进行评估，条理清晰，但缺点是存在一定的主观成分，人的主观判断、选择和偏好对结果影响较大，这类评估方法在应用到航母编队作战评估时，还存在较多的局限性。

随着计算机技术的发展，作战模拟已经发展成为现代海军作战效能分析的最基本方法[9]，它的优点在于能够在考虑对抗的条件下，以具体作战环境和一定兵力编成背景来评价效能，生动形象，但要想得到理想的仿真结果或数据，需要有可靠的原始资料和基础数据作为依托。美军运用航母编队作战的历史长、经验多，积累大量的数据，利用作战模拟法进行作战效能评估具有较好的基础。下文选取的评估案例就在数学解析交战过程的基础上，运用了作战模拟方法[10]来评估反潜作战效能。

3 美国航母编队反潜作战效能评估案例

美国历来重视对航母编队反潜作战的研究，在反潜效能评估领域开展了大量工作，其中James等应用系统工程方法分析了美国航母编队反潜作战过程，提出了关于编队配置的改进方案，并利用层次分析法建立效能评估指标体系，结合解析法和作战模拟法评估了航母编队的作战效能。

3.1 作战想定与方案设计

James等描述了作战想定并提出2种配置方案来评估反潜作战效能。

1)想定描述

红方情况：某时某分，红方航母编队在(100×100)平方海里的海域内执行反潜任务，搜索并消灭敌方潜艇，编队航速为15 kn，并认为以航母为中心(30×30)平方海里的海域为航母编队作战区域。

蓝方情况：某时某分，蓝方1艘常规潜艇驶入红方航母编队所在(100×100)平方海里的海域进行侦察，并对进入射程的红方航母发起鱼雷攻击，潜艇航速为10 kn(警戒状态下为5 kn)，下潜深度为300 m，探测依靠的是艇壳声呐。

2)方案设计

① 标准配置方案

标准配置方案中的航母编队包括1艘航母、4艘水面护卫舰艇、1艘战斗支援舰、舰载机。编队内反潜力量为驱逐舰和巡洋舰，它们利用舰首声呐探测跟踪潜艇，打击武器为“阿斯洛克”反潜火箭，各个作战平台的位置分布如图2所示。

图2 航母编队标准配置俯视图Fig.2 The plan view geographic depiction of the baseline alternative

② 反潜巡逻机方案

此方案在标准配置方案的基础上，在航母编队作战区域外围增派反潜巡逻机，巡逻机配备光电被动反潜系统(EPAS)，能够独立探测并消灭潜艇，巡逻机防御层示意图如图3所示。

3.2 建立效能评估指标体系

根据层次分析法中评估指标体系的建立原则，综合考虑与航母编队反潜作战相关的作战能力，建立了航母编队反潜作战效能评估指标体系，由于案例选用航母存活概率来衡量作战效能，在结果有明显差异的情况下，不需对比底层指标。所构建的指标体系如图4所示。

图3 反潜巡逻机方案示意图Fig.3 The plan view of MPA alternative

图4 反潜作战效能评估指标体系Fig.4 ASW effectiveness objectives hierarchy

3.3 计算各方案反潜作战效能

对航母编队反潜作战方案进行评估计算的过程中，标准配置方案反潜作战效能的评估计算利用作战模拟的方式进行，其余方案由于是在标准配置的基础上进行改进，利用几何解析的方法计算改进部分所提升的反潜作战效能。

1)标准配置方案评估

图5 标准配置方案交战模型基本流程Fig.5 Baseline engagement model block diagram

利用数学解析法对航母编队反潜作战过程中武器特性与作战效能指标之间存在的函数关系做出分析，得到包括位置移动、目标探测、攻击决策等环节的数学模型，并利用建模工具进行建模仿真，从而得到各底层指标的数值，以及对抗的总效果，即航母编队反潜作战系统成功阻止敌方潜艇向航母发射鱼雷的概率。

模拟对抗过程的基本流程如图5所示，航母编队中各水面舰艇和敌方潜艇位置信息的求取是模型的核心。计算公式如下：

X(I)=X(I)+V(I)cos(φ(I))ΔT，

(1)

Y(I)=Y(I)+V(I)sin(φ(I))ΔT。

(2)

式中：X为作战平台的横向坐标；Y为作战平台的纵向坐标；I为各个作战平台的名称(潜艇、航母、驱逐舰、巡洋舰)；V为各作战平台的航速；T为时间间隔。

当平台位置随时间发生改变时，航母编队中各作战平台与敌方潜艇之间的距离也相应变化，这个距离的计算方法为：

(3)

式中：I为平台名称(航母、驱逐舰或巡洋舰)；R为平台I与敌方潜艇之间的距离；X(I)为平台I的横向坐标；Xs为敌方潜艇的横向坐标；Y(I)为平台I的纵向坐标；Ys为敌方潜艇的纵向坐标。

标准配置方案中，驱逐舰和巡洋舰利用主动球首声呐探测目标，敌方潜艇利用艇壳被动声呐探测目标，探测模型需要用到的声呐方程如下：

FOM(背景为混响时)=SL+TS-RL-DT，

(4)

SE=SL-2PL-RL-DT。

(5)

式中：FOM为优质因数；SE为信号余量；SL为发射声源级；PL为传播损失；TS为目标强度；RL为混响级；DT为检测阈。

探测过程假定为在一个固定的、区域独立的、等速的声速剖面内发生。

攻击过程分为规划武器路径、决定攻击及确定结果3个阶段。

在规划武器路径阶段，攻击目标的非瞄准线方向速度和武器航向的计算方法为：

VTy=VT(CSET-BT)，

(6)

(7)

式中：VTy为目标非瞄准线方向速度；VT为目标航速；CSET为目标航向；BT为目标方位；CSEW为武器航向；VW为武器航速。

攻击目标和武器在瞄准线方向的速度以及武器航程计算方法为：

VTx=VTcos(BT-CSET)，

(8)

VWx=VWcos(CSEW-BT)，

(9)

(10)

式中：VTx为目标瞄准线速度；VT为目标速度；VWx为武器瞄准线速度；DW为武器航程；RT为目标航程。

决定攻击的过程主要考虑目标是否在射程内，以及是否收集到足够数据支持精确发射武器。如果红方潜艇在发射武器前被击中，则认为蓝方胜；若红方潜艇在被击中前向航母发射了武器，则认为红方胜。

采用作战模拟工具，对交战过程进行模拟试验，可求得标准配置方案下航母编队的反潜作战效能。

2)反潜巡逻机方案评估

反潜巡逻机方案是在标准配置的基础上增派了配备光电被动反潜系统(EPAS)的反潜巡逻机，相当于在航母编队外围增加了防御层。假设反潜巡逻机在发现目标后有足够能力消除威胁，则可以将衡量此方案作战效能的指标设定为探测到敌方潜艇的概率。

在此方案中，反潜巡逻机探测到敌方潜艇的概率取决于敌方潜艇处于潜望状态的时间、光电被动反潜系统(EPAS)扫探宽度及反潜巡逻机的航行特点等因素。

计算方法为：

(11)

式中：P(d)为反潜巡逻机探测到敌方潜艇的概率；P(exposure)为潜艇在潜望状态下被反潜系统探测到得概率；tt为潜艇驶过战区所用时间；tc为反潜巡逻机巡航1周所需时间。

将相关数据代入公式中，可求得反潜巡逻机探测并消灭敌方潜艇的概率，再与标准配置方案的结果相结合，便得到该方案总的作战效能。

3.4 评估方法总结

通过以上分析可看出：

1)案例在评估过程中主要应用了解析方法，对武器特性与给定条件之间的函数关系进行描述，建立数学模型，求解效能指标值，这种方法计算思路清晰，容易使人理解，操作简单，结果直观。但传统的解析法在评估作战效能时无法考虑对抗条件，标准配置方案的评估中在解析法的基础上，又应用作战模拟法，将交战过程动态化，解决了这一问题。

2)案例中使用航母编队反潜作战的总体效果来衡量作战效能，即以敌方潜艇被消灭的概率表示反潜效能，弱化了层次分析法的作用，考虑的影响因素不够全面，没有考虑海上作战复杂的环境因素以及作战人员的因素等，因而应该建立一个新的效能评估指标体系，将一些需要定性分析的因素考虑进来，并引入新的方法对这些因素进行分析，如模糊综合评估法、德尔菲法等。

3)限于建模工具的功能，在作战模拟的过程中设定的限制条件较多，例如不考虑航母自身防御能力、作战平台的机动路径单一等，这一问题可以考虑通过引入功能更强、更专业的建模仿真系统，对作战过程进行更精确的模拟。

4 结 语

航母编队反潜作战效能的评估涉及较多影响因素，具有非线性、多层次、协同化等特点，使用单一评估方法进行评估不能满足要求，传统方法虽然在评估过程中存在一定的主观成分，但在一定程度上解决了编队反潜作战效能评估中遇到的问题。因此，应该根据航母编队反潜作战特点，综合运用各种效能评估方法。此外，还应加强对新方法的探索及应用，更好满足航母编队反潜作战效能评估的要求。

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Research on the evaluation method for anti-submarine warfare effectiveness of US aircraft carrier strike group

DU Yi-yang1，LI Yan-qing2，SHI Wen-qiang2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China; 2.Shipbuilding Information Center of China，Beijing 100192，China)

The anti-submarine warfare operational effectiveness evaluation for aircraft carrier group is extremely important for tactics in the war, and it is currently under discussion.This paper analyzes the structure of US aircraft carrier fleet and anti-submarine equipment configurations.The paper illustrates the anti-submarine warfare effectiveness evaluation method which has been used by US researchers and discusses the disadvantages of methods.It can be used as a reference for China carrier group anti-submarine warfare effectiveness evaluation.

aircraft carrier；anti-submarine warfare；effectiveness evaluation

2015-07-10

杜易洋(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。

U661.4

A

1672-7649(2015)10-0165-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.035