“水下域”作战仿真技术在提高水下作战效能中的应用

顾云涛，李 斌，李 彦

“水下域”作战仿真技术在提高水下作战效能中的应用

顾云涛，李 斌，李 彦

（海军装备部，西安 710068）

分析了海军水下作战面临的挑战和新需求，提出作战仿真技术作为水下作战效能提升的“倍增器”，进一步加强复杂水下环境和目标特性的建模与仿真研究，充分发挥水下作战装备在复杂战场环境中的协同作战能力，利用水下作战仿真技术和成果，从作战使用角度提升水下作战总体作战效能，赢得未来可能在水下发生的协同化、体系化的高强度对抗。

水下作战；复杂海洋环境；作战仿真

0 引言

作为现代海战的重要组成部分，水下作战是综合运用探测、指控、打击、保障等作战要素，形成执行水下攻防作战任务的有机整体[1]。水下战场环境复杂多变，探测、搜索、协同、打击密不可分，水下攻防作战依托多个作战平台完成作战任务。水下作战是物理域（武器+传感器）、信息域（态势生成+综合控制）、认知域（人或人工智能）全面对抗，是典型的战术、技术与程序（Tactics，Techniques and Procedures，TTPs）紧密结合的作战应用场景[2]。水下作战按照统一作战策略，统筹规划运用探测、指控、武器、保障等要素，执行水下战场感知、信息传输、指挥控制、攻防交战等全过程作战任务，从发现跟踪到攻击，作战流程需无缝衔接。

1 水下作战能力分析

为了有助于高级军事指挥官在联合作战中更好地认识和利用水下理论，2013年9月，美海军作战部通过了“水下域作战”概念[3-4]，概念中描述了未来使用“水下域”提高协同作战的能力。

针对海军“近海防御、远海防卫”的军事需求，需要围绕信息控制、精确打击、快速反应、灵活机动、综合保障五个核心要素的全面提高，形成复杂环境下的从近岸到远海的综合对水下作战能力。

对水下作战任务类型主要包括遂行反舰、反潜、水下近程防御、水下封锁与反封锁等多种作战任务。在典型的对水下作战中，近些年呈现如下趋势：

1）潜艇隐身及降噪技术取得了突飞猛进的发展，大大降低了声纳、鱼雷自主探测的作用距离；

2）潜艇、舰艇水下防御系统可在更远的距离发现并跟踪来袭鱼雷，水声干扰技术和对抗器材的智能化水平在不断提高，博弈对抗行为更为复杂；

3）基于水下信息网络的远程预警系统逐步发展完善，可能在敌方水下平台刚刚进入作战警戒区域时进行告警并提供指挥决策；

4）无人舰艇、无人潜航器、深海预置武器等无人系统逐步融入体系。

为完成上述作战任务，在与新型水面舰艇、潜艇的对抗中，面临更为复杂的、未知的作战环境，信息化和智能化已成为必然趋势[5]。如图1所示。

图1 水下全链路作战能力量化图

按照装备能力框架进行分析，水下作战的主要能力可包括：

1）态势感知能力（Situation Awareness，SA）：对水下目标的探测感知、理解和预测；

2）决策能力（Decision Making，DM）：水下目标搜潜方案、目标对抗作战方案；

3）打击能力（Offensive Firepower，OF）：对潜艇目标的打击范围、打击效果；

4）防御能力（Defensive Quality，DQ）：对来袭鱼雷的防御范围，防御效果；

5）协同能力（Coordinated Capability，CC）：本舰武器之间的协同以及编队兵力及武器的协同；

6）进化能力（Training & Battling Evolution，TE）：支持作战能力持续提高的演习、模拟训练方案、作战模型与数据。

当前，水下作战的新需求[6-7]主要表现在：

1）提高外部信息及情报的处理能力；

2）提高声纳探测等信息的融合处理和分析能力；

3）加强地理信息的综合应用能力；

4）提高水中兵器远程精确打击能力；

5）加强信息化条件下复杂作战环境中的反潜决策能力；

6）完善水下防御综合决策能力；

7）完善水下作战区域预警能力；

8）加强水下作战模拟训练能力。

2 水下作战建模与仿真发展情况

美国、意大利、英国、日本等都相继建立起水下作战仿真试验室，建立了满足多种应用场景仿真需求的大量模型，指导水下作战装备研制和作战使用。

水下作战建模及仿真包括了环境、装备、战术行为的建模及仿真。复杂的海战场环境一般包括地理环境、水文环境、气象环境和电磁环境，由于水下作战平台声纳系统、水中兵器等主要依赖声音作为信息的传输手段，海水作为水声传播的媒介，水文环境和地理环境尤为重要。由于海洋环境的复杂性，造成了声波在海洋中传播的多途现象和能量分布的复杂性，极大地影响包括水下作战平台、声纳、鱼雷、对抗器材在内的水下作战装备在实战条件下的性能。诸如海水严重的介面反射、折射干扰和介质的吸收，声波水下传输的低数据传输率，使水下探测的透明度差；浅海水域海底海面的高混响干扰和浅海复杂声信道的时空特性带来声影区、多途效应等不确定性，使声纳系统、鱼雷自导跟踪性能出现严重的起伏现象和不稳定性。水下作战能力受作战海洋环境的严重制约，在不同海区、不同时段、不同海况条件下差别很大。国内学者在声场计算及性能预报[8]等方面有一定研究，采用Bellhop等模型进行声场计算并进行声纳探测装置的性能预报。

美国开展了多项研究和试验计划进行海上反潜战支持研究，主要包括针对主动声纳的关键海上试验和低频主动计划、针对水声散射基本特性研究的水声混响特别研究计划、基于地理信息的水下声纳仿真系统、针对水下作战的水下战训练场仿真系统等。其海军水下作战中心的水下战训练场仿真系统提供了复杂的环境声学模型，模拟一些不可实航试验的区域和态势特征，进行了动力学建模、声学建模（主动响应/被动辐射）、阵元级真实时频信号建模等，使用实装+仿真的方式对交战战术、鱼雷性能、对抗器材性能进行高效费比的评估。

德国阿特拉斯公司英国分部开发的水下作战仿真工具软件Odin，法国的仿真工具Atanor以及荷兰TNO公司的水下战测试床，都是能够用于设计、评估以及确定海军需求的作战仿真工具。这些工具可模拟完整交战想定，模拟作战实体之间的交互过程，实体包括鱼雷、对抗器材、舰船和海底物体（如岩石、暗礁等），可用于新概念水下作战装备评估、水下作战系统协同部署研究、多平台作战计划和评估等。

从国外水下作战建模与仿真发展和应用情况可以看出，建模与仿真技术是水下作战装备研制、训练和使用的重要支撑，已经广泛地应用于水下作战装备全链路全寿命周期的各个方面，包括研究与开发、试验与鉴定、作战分析与使用训练等领域。

国内，在水下作战的各方面，声纳系统、指火控系统、鱼雷、鱼雷防御等的研制和使用都很大程度地应用了仿真技术[9]，开展了声纳仿真、系统宽频带制导半实物仿真、复杂水声多干扰和多目标仿真研究，建立了宽带水声制导半实物/数学仿真系统，应用于声纳产品[10]、鱼雷产品、反鱼雷鱼雷[11]、水声对抗器材[12]等。

总体上，水下作战全链路仿真研究较少，水下作战仿真的要素不足，模型粒度偏粗；单一水下装备的仿真与实战场景贴合不紧密。

3 水下作战仿真关键技术发展方向

基于实际作战海区的实测数据建立仿真环境模型，基于各水下装备系统构建精细化装备仿真模型，将其加入到多平台、多武器交互式水下体系作战仿真中，完成不同粒度等级的协同水下作战仿真。水下作战仿真技术在落实水下装备性能匹配性，复杂作战环境下的适应性，提高水下作战效能等方面可以发挥重要作用。

作战实验是作战开发及验证的重要手段[13]，而作战仿真实验作为作战实验的重要组成部分，通过设计水下作战想定，梳理评价指标体系，优化水下作战战术，是水下作战装备使用的必要条件，采用实兵参与更可对装备应用战术进行提前演练和评估。

要实现可提升水下作战指挥和火控水平，满足可训练水下作战指挥军官和士兵，需重点研究并突破以下关键技术：

1）典型海区环境对水下作战装备作战性能的仿真预测与评估技术

典型作战海区的环境数据积累、实测和预报对预估水下作战装备在实际战场环境下的性能具有非常重要的意义，如图2所示，为南海某作战海域的典型声场预报，通过预报信息可辅助指挥员进行目标潜在区域预判，反潜武器战术使用提供支撑条件。同时大量实测数据的积累，才能实现预估模型的校核验证。

图2 某水文和地理环境下探测性能预报

2）水下全链路装备模型构建联合仿真

水下作战仿真是全链路的作战装备联合仿真，包括平台、声纳、指火控系统、武器、防御器材等，搜潜、防御、反潜打击等密不可分，需要梳理建模体系，专业联合构建水下作战仿真装备模型、环境模型并进行联合仿真评估。

3）水下作战仿真决策支持系统技术

通过开展多种态势条件下的并行大样本仿真，进行反潜打击、鱼雷防御的仿真试验，以反潜打击为例，可通过仿真数据支持，进行深度学习，形成在各种态势下的反潜打击决策支持模型，如图3所示，可支持指挥员在各种态势下的打击效能预估和打击方式选择。后续仍需通过持续进行样本空间仿真，积累仿真试验数据，实现水下作战仿真决策支持系统的持续升级。

图3 反潜实时态势打击效能预报及辅助决策

4）水下作战全链路模拟训练仿真技术

传统模拟训练系统不注重作战环境对水下作战装备的影响，主要侧重人员的操控流程训练，对技战术应用和复杂对抗态势下的仿真数据真实性考虑欠缺。构建水下作战仿真支撑系统，与水下作战指挥控制系统形成闭环仿真模拟训练条件，给指挥员和武器操控员提供逼真度较高的模拟训练环境，实现人在回路的模拟训练，实现更接近真实作战行为的水下作战模拟场景和对抗行为。

5）蓝军精细化建模仿真技术

水下作战蓝军作战行为复杂多变，以潜在作战假想国为前提，在想定作战海域，构建蓝军战术行为模型包括机动、主被动探测、反舰/潜打击等战术模型，探测声纳等探测性能模型，敌方鱼雷、对抗器材性能模型等，用于支撑对抗条件下的水下作战全链路效能综合评估，支持作战试验[14]。

4 结论

水下作战的复杂性，决定了“水下域”作战仿真技术在加强战场环境建模、攻防策略优化、武器效能预估等方面将能发挥巨大作用，解决在真实作战环境下的装备效能评估问题，为战争决策提供技术支撑。

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Application of Underwater Combat Simulation in Improving Effectiveness of Underwater Warfare

GU Yuntao, LI Bin, LI Yan

The challenges and demands of underwater war in navy is analyzed in the paper. It is proposed that simulation technology, as the "multiplier" of underwater combat efficiency improvement, should further strengthen the modeling and simulation research of complex underwater environment and target characteristics, give full play to the cooperative combat capability of underwater weapons in complex battlefield environment, with combat simulation technology results and improve the overall operational efficiency of underwater weapons from the perspective of combat use, support army to win the collaborative and systematic high-intensity confrontation that may occur in the underwater domain in the future.

Underwater Combat; Complex Marine Environment; Combat Simulation

TJ391

A

1674-7976-(2022)-02-153-04

2022-03-21。顾云涛（1975.08—），山东荣成人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为水中兵器。