潛艇作戰系統能力提升技術途徑分析

張加林，司廣宇

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

現代潛艇建造是一項非常復雜的系統工程，涵蓋了電子信息、儀器儀表、新材料、加工工程、機械裝置等主要工業技術領域，潛艇總體性能全面反映國家綜合工業水平。潛艇各系統之間密切關聯，相互影響，任何分系統關鍵技術得到突破、能力得到相應提升，都會對其他系統造成或多或少的影響，從而提高整體作戰性能。作戰系統性能重點反映觀通、導航、指控、計算機、武器等領域的經驗和技術水平。一方面，潛艇作戰系統希望能夠盡可能多的獲取目標、戰場環境等信息，為正確指揮決策、精確武器控制、快速實施攻擊或防御創造條件；另一方面，潛艇需要盡可能發揮自身特點，保持高度的隱蔽性。雖然國外先進國家的工業水平、建造水平、作戰理念各不相同，其潛艇作戰系統設計方面也各具特色，但為作戰服務這一根本宗旨均一致。因此，借鑒國外先進潛艇發展理念，從作戰需求出發，全面分析潛艇作戰系統能力提升技術途徑，對于指導裝備建設等具有重要意義。

本文通過綜合對比分析，在國外先進作戰系統的體系結構、設備組成、研究方向、指揮手段等方面，概括了代表當前先進水平的技術要點，提煉了影響潛艇作戰系統能力的關鍵因素，并提出潛艇作戰系統能力提升的主要技術途徑。

1 潛艇作戰任務及對作戰系統能力要求

1.1 潛艇典型作戰任務

由于受國際環境影響，不同歷史階段，各國海軍對潛艇提出了不同的作戰需求。一般美國攻擊型核潛艇的使命任務側重于航母編隊護航、反潛和對陸打擊，而俄羅斯攻擊型核潛艇或常規潛艇使命任務側重于反艦。盡管各國潛艇作戰使命任務各有側重，但普遍具備多任務作戰能力，典型作戰任務有：

1）隱蔽攻擊

潛艇作為威力最大、最有效的水下武器平臺，隱蔽攻擊是其最主要、最經典的作戰任務，包括隱蔽反艦、反潛2種任務樣式。通常潛艇利用自身傳感器（聲吶、雷達、潛望鏡等）探測并獲取目標信息，或利用艇載無人作戰平臺，發現目標后使用魚雷或導彈打擊敵水面艦船及編隊、潛艇，必要時應防御敵艦機聯合對潛搜索和攻擊。

2）遠程打擊

遠程打擊是隨著遠程武器裝備而出現的潛艇作戰樣式，主要包括巡航導彈對海、對陸精確打擊和戰略導彈核打擊等任務。潛艇作戰系統根據上級指揮所目標指示或命令，使用巡航導彈遠距離打擊敵海上目標（水面艦船及編隊）或陸上重要目標，或使用戰略導彈攻擊敵陸上戰略目標。

3）護航警戒

護航警戒任務包括2種情況，根據護航對象不同，可分為2種，一種是潛艇為航母編隊護航，即擔任航母編隊的對潛警戒、搜索和攻擊任務；另一種是潛艇為彈道導彈核潛艇護航警戒，擔任對敵反潛兵力的警戒和攻防任務。根據護航方式不同，又可以分為伴隨護航和區域護航2種。

4）布雷和反水雷

通過布放水雷，完成對敵港口、重要水道進行區域封鎖，同時，潛艇可通過攜帶無人作戰平臺進行水雷偵察，并將雷場信息通報給己方艦隊。

5）隱蔽偵察

利用艇上的先進電子傳感器能收集重要情報，可對敵方雷達、導彈部隊和指揮部的位置進行定位，監視敵方通信和艦艇的活動，或監視其他威脅目標。

6）特種作戰

可作為特種作戰力量搭載平臺，進行搜索、營救、偵察、破壞、火力支援等秘密作戰行動。

1.2 對作戰系統能力要求

為了完成上述作戰使命任務，要求潛艇作戰系統總體上具備“先敵發現，快速反應，武器強大，防御有效”的能力，具體要求包括：

1）綜合探測能力

具備遠距離、大范圍、抗干擾、高分辨、高精度自主綜合探測能力，發展及利用浮標、潛標、UUV、水聲探測網等舷外探測手段。

2）態勢生成能力

具備多源探測信息的綜合處理能力，可快速、準確生成戰場態勢，必要時能夠通過接收外部信息，實現對廣域水下戰場的有效感知。

3）快速反應能力

及時有效地輸出作戰指揮所需的各類信息，保證指揮員正確選擇作戰方案、快速進行戰術決策、準確把握武器使用時機、及時準確設定/修正武器控制參數。

4）精確打擊能力

裝備遠程、精確、智能武器，具備準確計算目標運動要素及武器控制參數、靈活組織武器通道能力，綜合控制對海/對陸巡航導彈、魚雷等多種武器，對遠、中、近多個目標實施精確打擊。

5）綜合防御能力

裝備潛艇自衛防空導彈、反魚雷魚雷、戰役/戰術水聲對抗器材、UUV等武器，建立綜合防御功能體系，具備綜合應用海洋環境、主/被動防御等多種手段，能夠對魚雷、飛機等高威脅目標的綜合防御。

6）適應作戰任務快速轉換能力

要求作戰系統采用更加靈活的功能體系架構，支持快速完成任務轉換。

2 典型潛艇作戰系統組成及體系結構

作戰系統組成與功能及能力密切相關，體系結構與指揮控制理念也密切相關，能直觀反映系統能力。自20世紀90年代起，國外海軍建造了多型先進的潛艇，其中以美國“弗吉尼亞”級核潛艇C3I系統、法國“蚰魚”級常規潛艇SUBTICS系統、俄羅斯“阿穆爾”級常規潛艇Litiy系統最為典型[2]，這些系統普遍采用先進的設計理念、組成及體系結構，具有較大的借鑒意義。

2.1 國外先進典型潛艇作戰系統簡介[1-4]

1）美國“弗吉尼亞”級核潛艇C3I系統

“弗吉尼亞”級潛艇是首型考慮“網絡中心戰”要求的潛艇，其C3I系統是美國海軍第1個全綜合的潛艇作戰系統，集成了潛艇上的4類23個電子系統和設備，其傳感器配置、信息處理能力、作戰指揮能力、武器及控制能力較強，系統及設備不斷進行升級改造，設計理念和方法十分先進。

圖1 美國“弗吉尼亞”級核潛艇Fig.1 U.S.Virginia-class nuclear submarine

2）法國“鲉魚”級常規潛艇SUBTICS系統

“鲉魚”級潛艇SUBTICS系統是目前歐洲最典型的潛艇作戰系統，基于先進的傳感器和武器而設計，廣泛應用于“阿古斯塔90B”、214等型潛艇，其作戰系統規模與國內接近，采用模塊化設計方法，易于進行系統更新和改造，其作戰系統信息處理層次優，系統靈活重組能力強，具有一定的參考價值。

圖2 法國“鲉魚“級潛艇SUBTICS系統Fig.2 French Scornet class submarine SUBTICS system

3）俄羅斯“阿穆爾”級常規潛艇Litiy系統

俄羅斯潛艇裝備的聲吶、導航等傳感器具有較高的精度，武器控制裝備實用、高效，指控系統與包括平臺在內的各系統結合緊密，系統及設備間匹配性好，大量工程實施過程中積累下的集成設計經驗和方法值得研究借鑒。

圖3 俄羅斯“阿穆爾”級常規潛艇Litiy系統Fig.3 Russian Amour Class conventional submarine Litiy system

2.2 國外先進潛艇作戰系統主要設計特點

1）適應“網絡中心戰”要求，協同作戰能力強

“弗吉尼亞”級核潛艇可作為“網絡中心戰”、“空海一體戰”的重要節點，可通過數據鏈、衛通、水聲通信、UUV等渠道，實現與上一級指揮系統和協同兵力的信息鏈接，充分融入美國海軍全球信息柵格體系，實現信息共享、參與多兵種聯合作戰。

圖4 美國“弗吉尼亞”級潛艇參與協同作戰示意圖Fig.4 Schematic diagram of U.S.Virginia class submarine participating in cooperative combat

2）單項設備技術先進，自主探測能力強

“弗吉尼亞”級核潛艇艇首聲吶采用技術難度較高的球形陣方案，同時，在全世界范圍內首次采用魚雷發射管側置方案，其目的是為艇首陣提供最佳的安裝位置和最好的工作環境。正是得益于美國雄厚的工業基礎、成熟的建造工藝、領先的電子技術，再加上采用先進的設計理念和集成方法，保證了弗吉尼亞潛艇的傳感器等單項指標領先，提高了水下發現目標、跟蹤目標能力。

圖5 美國“弗吉尼亞”級核潛艇艇首聲吶Fig.5 U.S.Virginia class nuclear submarine bow sona

3）強化信息深層利用，態勢生成能力強

注重聲探測傳感器陣元信息的一體化綜合利用，信息處理質量和精度高。注重信息多層次綜合處理，實現對本艇聲傳感器、非聲傳感器、舷外探測器材/平臺的特征級、數據級和來自通信系統戰術級信息的綜合利用，輸出的戰場態勢清晰度、可信度高。

4）充分發揮武器性能，攻防對抗能力強

“弗吉尼亞”級核潛艇指控系統4臺顯控臺集中完成12管垂直發射巡航導彈及4管水平發射魚雷的發控功能，通過提高武器綜合控制集成化程度，提高武器使用效率，縮短系統反應時間，保證武器效能的發揮。適應未來發展需要，第3批次“弗吉尼亞”級核潛艇將原來的12個單獨的垂直發射單元替換為大型多用途任務模塊，該模塊可以用重量相同的功能模塊進行替換，比如攜帶大口徑無人潛航器（即LDUUV）、特種力量運載器、無人機等。

圖6 法國“蚰魚”級核潛艇作戰系統信息處理結構Fig.6 Information processing structure of the nuclear submarine operational system of the French Scorpionfish class

圖7 美國“弗吉尼亞”級核潛艇多用途任務模塊Fig.7 U.S.Virginia class nuclear submarine multi-purpose mission module

5）體系結構集成優化，系統總體效能強

俄羅斯“阿穆爾”級潛艇自動化信息系統通過總體設計，合理分配各環節精度指標，在計算機技術相對落后的條件下，使其系統的整體作戰效能依然很強，尤其將本艇操控和作戰信息控制納入一個系統通盤考慮，較好地將本艇的航行控制和武器使用所需的戰術機動有機地結合起來，從而更好地保證了本艇的航行安全與靈活機動。

法國“鲉魚”級潛艇配置的6臺多功能顯控臺，實現對聲吶、雷達、電子偵察、指控（情報處理、戰術指揮、武器控制等）顯控功能。各臺位功能可根據作戰任務、系統狀態進行靈活定義。

3 潛艇作戰系統能力影響因素分析

綜合分析國內外潛艇作戰系統特點，影響作戰系統能力的因素主要分為外部和內部2個方面。

3.1 外部因素

3.1.1 作戰體系因素

現代潛艇已逐步成為體系化作戰的重要組成力量，可以作為武器平臺角色并完成對陸、對海打擊任務，也可以作為探測平臺角色并完成重要情報的隱蔽偵察任務。體系化作戰模式下潛艇不再僅僅是“單打獨斗”，體系對潛艇作戰能力的影響越來越大[5]，主要體現在以下幾個方面：

1）情報保障及目標指示能力

實時或非實時獲取外部情報及目標指示信息，是潛艇戰場態勢感知的重要手段，可以彌補潛艇自身水下態勢感知能力的不足，同時也是潛艇對海、對陸遠程精確打擊的重要保障。

2）協同指揮能力

潛艇在遂行作戰任務過程中，還需接受體系的指揮引導，開展探測、接敵、攻防等戰術行動，實現與友鄰兵力的戰術協同，以發揮潛艇作戰威力。

3）通信保障能力

通信是潛艇獲取空中、海上、岸上等外部信息及戰術協調提供保障手段，缺乏有效通信支持，潛艇作戰行動將受到極大的限制。

3.1.2 潛艇平臺因素

潛艇平臺是作戰系統的重要支撐保障，平臺對潛艇作戰系統能力影響的主要因素有以下幾個方面：

1）噪聲水平

噪聲水平是對作戰系統影響最大的指標，一方面直接影響作戰系統聲吶探測能力，在相同海洋環境下，潛艇的自噪聲越大，作戰系統聲吶作用距離越近，越不利于聲吶的先敵發現；另一方面直接影響潛艇隱蔽性，潛艇的自噪聲越大，自身暴露的風險越大。

2）潛深

潛深對潛艇的隱蔽性和探測性能有重要影響，極限潛深越大，越有利于潛艇充分利用海洋環境進行隱蔽自己和發現探測目標。

3）機動性

機動性對潛艇快速接敵、戰術規避等行動的主要約束條件，潛艇機動性能越強，越有利于快速接敵、持續跟蹤、隱蔽撤退等戰術動作的實施。

4）總體布局

潛艇平臺為作戰系統設備提供布置安裝環境，總體安裝工藝越高，傳感器探測精度等性能越好，總體安裝位置也會影響到作戰系統設備的操作使用效能、維修保障性等性能。

3.2 內部因素

作戰系統內部制約能力提升的主要因素有：

1）傳感器性能

傳感器是潛艇作戰系統的“耳目”，其性能的好壞，直接影響作戰系統的作戰能力。目前，制約傳感器性能的因素主要有基礎元器件、基陣設計及工藝、信號處理等方面。

2）武器性能

武器是潛艇作戰系統的“拳頭”，其性能直接反映了作戰系統攻擊、防御效果。目前，制約潛艇武器性能的主要因素有航程、速度、噪聲、智能化及信息化等方面。

3）信息處理能力

信息處理是作戰系統的關鍵環節，信息處理結果是指揮決策、武器控制基礎和依據，其性能好壞直接影響系統快速反應時間等性能[6]。作戰系統信息處理包括傳感器和指控2個層面，傳感器層次側重于陣元信號處理，指控利用傳感器輸出的信號和數據并側重于多傳感器綜合處理。影響信息處理的關鍵因素包括基礎理論、計算機處理水平、信息共享程度等方面。

4）作戰指揮能力

作戰指揮是作戰系統的指揮中樞，影響作戰系統智能化水平、快速反應等能力。作戰指揮是一個人機協同的過程，制約作戰指揮能力的主要因素包括決策信息支持保障能力、輔助決策智能化程度、人機交互效率、協同指揮能力等。

5）武器控制能力

武器控制即潛艇的火力控制，是作戰系統的武器控制中心。武器控制能力主要包括武器通道靈活組織能力、多武器綜合控制能力、武器命中效果等，其主要制約因素包括武器控制算法、武器系統體系結構、武器種類及性能等。

6）體系結構

體系結構是用于定義和約束作戰系統物理實現和組織方式的邏輯結構，包括作戰系統功能體系結構、物理體系結構、網絡拓撲結構等[8]。體系結構反映作戰系統總體技術特征，良好的體系結構能有助于提升作戰系統的靈活性、可靠性、綜合效能等。作戰系統體系結構受技術體制、設計水平等技術因素影響，同時也受裝備研制模式等非技術因素影響。

4 潛艇作戰系統能力提升的主要技術途徑

在工業水平一定、總體條件一定的情況下，各國從不同專業、設計理念等方面入手，提高作戰系統性能，具體的技術途徑包括以下7個方面：

1）采用新材料及新工藝，研制新型傳感器，提升自主探測能力

以聲吶為例，不斷研發新型壓電、稀土等材料，利用矢量水聽器、光纖水聽器等新技術，設計工藝復雜的球形基陣、共形陣，提升聲吶濕端對弱信號、低頻信號接收方面的具體性能，同時采用高性能的信號處理機，配置高分辨率信號處理軟件，讓聲吶系統“耳目一新”，將大幅提升聲吶探測距離和多目標檢測能力。

2）創新基礎理論和方法，強化信息綜合處理體系，提升態勢生成能力

優化誤差分析、融合處理、仿真評估等領域基礎理論和方法，強化信息綜合處理體系，進一步挖掘聲吶、雷達、光電等傳感器的信號、特征級信息，將潛艇作戰系統共享水平從數據級向特征級延伸，信息處理從單平臺向多平臺拓展、從數據級向特征級轉變，充分、高效利用潛艇內外信息資源，從而大幅提升潛艇作戰系統的態勢生成能力。

3）加強信息共享與利用，引入智能化決策思想，提升快速反應能力

通過充分共享聲吶波束域信息、雷達探測目標信息、光電圖像等信息，豐富目標運動分析手段，實現處理目標信息量級由每秒幾十字節提升到每秒幾十兆、甚至上百兆字節，以“信息換時間”思路，縮短目標運動要素解算收斂時間。同時，引入智能化思想，完善攻防決策、戰術態勢判斷等功能，提高輔助決策的正確性和自動化水平，縮短決策反應時間。

4）發展智能化武器，強化武器綜合控制，提升精確打擊能力

智能化武器具有航程遠、自主作戰能力強等特點，自身具有很強的發現目標、識別目標等能力。應用艇載智能化武器是提升潛艇作戰能力的最重要途徑，也是改變未來潛艇作戰模式的重要推動力。同時，圍繞信息武器的作戰使用，進一步完善潛艇武器綜合控制功能體系，解決智能武器任務規劃等問題，將大幅增強潛艇武器精確打擊能力。

5）通過主被動防手段，完善防御功能體系，提高對抗生存能力

針對潛艇對空中反潛平臺的不對稱劣勢，以及對來襲魚雷末端防御作戰能力弱的實際情況，應用潛射防空導彈及反魚雷魚雷等主動防御武器，發展與之相適應的探測、處理、指揮與控制技術，建立對空綜合防御體系及潛艇末端自防御體系，實現主動防御與被動防御相結合，可有效提高潛艇對抗能力，保障自身的安全。

6）引入無人作戰平臺，完善協同作戰功能，提升潛艇體系作戰能力

適應戰場無人化的發展趨勢，更多地考慮應用水下智能武器/平臺等，基于水聲通信網絡，構建水下作戰體系，并同步研究提高相應作戰任務規劃、協同指揮、編隊控制、多平臺信息綜合處理等能力，彌補潛艇單兵作戰能力的不足，提升水下態勢感知、隱蔽偵察、目標打擊、反潛等綜合作戰能力。

7）加強系統頂層設計，優化系統體系結構，提升多任務適應能力

不斷改進設計思想，轉變設計思路，通過加強系統頂層設計，進一步優化作戰系統體系結構，實現多專業作戰資源的高效整合、統一管理和綜合調度，進一步提高系統的靈活性，增強不同作戰模式、作戰對象和作戰環境下的適應能力。

5 結 語

潛艇作戰使命任務的變化對作戰系統能力提出了新的要求，國外新型高性能潛艇的發展得益于其先進的設計理念和雄厚的工業基礎，制約潛艇綜合作戰能力的因素涉及體系、平臺等外部因素和作戰系統內部因素。因此，針對制約作戰系統能力的各層面關鍵因素，提出潛艇作戰系統能力提升的技術途徑，可為作戰系統裝備發展提供借鑒。