氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰影響仿真模型設計研究?

李海燕 柳 強 徐建忠 毛 杰 張 昊

（海軍指揮學院 南京 210016）

1 引言

航母編隊是海上強國遂行實施海上戰役戰斗的主要作戰力量，通常由多個水面戰斗艦艇、潛艇和航空兵組成。航母編隊體積龐大，隱蔽性相對較差，很容易成為潛艇攻擊的對象。因此，反潛作戰對于航母編隊保持生存和戰斗力起到決定作用［1］。氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰產生重要的影響，環境影響要素多，影響效果也很復雜［2］。氣象海洋環境首先影響武器裝備的作戰性能，繼而制約水面艦艇、潛艇、飛機等作戰平臺的效能發揮，最終在航母編隊整體反潛效能上有所體現。因此，氣象海洋環境對任意武器裝備的影響都會對航母編隊的作戰效能產生不同程度的制約。運用作戰仿真手段研究氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰的影響［3］，對航母編隊利用氣象海洋環境實施作戰運用具有重要意義。

2 氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰影響分析

航母編隊反潛作戰涵蓋了水面艦艇反潛、航空兵反潛、潛艇反潛及多兵力合同反潛等諸多問題。為達到消滅敵潛艇或者阻止其進行各項行動的目的，航母編隊中的反潛艦艇、核動力潛艇、艦載直升機以及加強的岸基固定翼反潛巡邏機等組成特定的隊形，主要使用平臺配載的聲吶（包括主動聲吶、被動聲吶、吊放式聲吶、聲吶浮標等）、雷達、磁探儀、紅外、光電等裝備對水面、水下可疑目標或指定海上區域實施搜潛。當發現潛艇目標時，航母編隊將根據具體情況和決策指示，使用反潛魚雷、反潛導彈、深水炸彈等攻潛武器對目標進行攻擊。根據航母編隊作戰行動和反潛階段［4～6］，主要從航母編隊搜潛階段使用的各種傳感器、攻潛階段使用的不同反潛武器，以及作戰平臺自身機動和安全等方面闡述氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰的影響。

2.1 氣象海洋環境對搜潛的影響

水面艦艇、潛艇、反潛直升機以及固定翼反潛巡邏機在搜潛時主要使用的是聲吶，而聲吶探測距離與海水溫度、鹽度、密度和海況等海洋環境密切相關［7～9］。聲波在不同類型的聲場的傳播過程中能量衰減狀況有所不同。在海表面附近的均勻層，聲線基本呈直線傳播，聲強較強，聲傳播距離較遠，有利于聲吶探測潛艇。在溫躍層處，聲線向上、向下發散，聲強減弱，且產生聲影區，有利于潛艇、魚雷隱蔽接敵，不利于反潛探測。在海洋聲道內，聲強較大，有利于水聲探測與水聲對抗，而在聲道以下，會形成聲影區，使得聲吶探測較深水域中的目標變得極為困難。由此可以看出，海洋環境對聲吶探測的影響主要體現在兩個方面：一是對聲吶探測距離的影響，二是探測盲區范圍的影響。

雷達除了受到海浪、海雜波的影響，大氣環境產生的大氣波導現象對雷達的探測性能也有重要的影響。當雷達天線和目標均處于大氣波導中，在遠大于正常折射定義的水平距離上仍可檢測到目標，即處于大氣波導中的雷達可以實現超視距探測［10～12］。

對于紅外、光電及目力探測而言，主要受大氣環境影響嚴重，降水等氣象因素會造成其探測距離與識別分辨率的降低。除此之外，晝夜條件對直視能見度也有影響，從而影響光電及目力探測的性能。

與水聲探測設備相比，磁探儀受海區磁力異常影響較大，與水聲設備相比，具有不受水文氣象條件限制的優勢。

2.2 氣象海洋環境對攻潛的影響

在攻潛階段，主要是各型武器受到氣象海洋環境的影響很大［13］。如魚雷發射對海水深度和海況都有著嚴格的要求。海流會影響線導魚雷的位置坐標，對魚雷的航行路線與航行姿態也有影響。海面風、海浪會影響空投魚雷的入水姿態，進而影響魚雷命中精度等等。

對于反潛導彈，空中飛行時主要受到風和氣流的影響，飛行彈道會發生一定程度的變化，水下飛行階段會受到海況、海流等因素的影響。

艦載深彈主要受到水深、潮汐、海流、海浪等水文環境的影響，影響深彈下沉的速度和水下分布的位置。機載深彈的空中彈道飛行主要受到風等氣象環境的影響，海浪也會影響其入水姿態，入水之后同樣受到水文環境的影響。

2.3 氣象海洋環境對作戰平臺機動和安全性的影響

在反潛作戰中，反潛機受海面天氣和海況的限制，當海況較為惡劣，出現較大降水或低能見度時，特別是出現雷雨等強對流天氣時，反潛機的機動能力和生存能力大大降低。影響反潛機安全起降的因素主要包括風、海浪、云、能見度等。

水面艦艇航行時，海水水深要滿足吃水深度，當在淺水區航行時還需考慮潮高的影響，否則水面艦艇將會擱淺。海浪和海霧會嚴重影響水面艦艇的航行安全。而風、海浪、海流對水面艦艇的航向航速也會產生一定的影響。

潛艇航行時，除受限于海水水深之外，還受海洋水色和透明度的影響，潛艇活動在透明度深度內，極容易被光學儀器偵察到，隱蔽性較差。海洋內波、中尺度渦都嚴重影響著潛艇的航行安全，海水躍層對潛艇機動也有影響，如潛艇可以利用聲躍層隱蔽自己或探測敵潛；可利用密度躍層產生液體海底的效果等。

3 氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰影響仿真模型體系

根據氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰影響的分析，建立航母編隊反潛作戰的氣象海洋環境影響仿真模型體系，如圖1 所示。整個仿真模型體系的設計，是運用作戰仿真技術，采用面向實體的建模方法，構建一系列氣象海洋環境影響模型，用來描述反潛作戰過程中所涉及的氣象海洋環境對作戰平臺、搜潛傳感器材、攻潛武器裝備工作效能的影響效應。主要包括氣象海洋環境對搜潛的影響模型、對攻潛的影響模型、對平臺實體機動的影響模型和對平臺安全性的影響模型。

圖1 航母編隊反潛作戰的氣象海洋環境影響仿真模型體系

3.1 氣象海洋環境對搜潛的影響模型

在搜潛過程中，首先構建氣象海洋環境對搜潛裝備使用影響模型，用于描述根據不同的氣象海洋環境條件，選擇使用不同的探測裝備進行搜潛的策略。然后，構建海洋環境對聲吶、雷達、磁探儀、紅外探測儀、光電探測儀等各類搜潛傳感器材探測的影響模型。這類環境影響模型的輸入主要是傳感器材的工作參數以及所處氣象海洋環境的要素數據，輸出一般是傳感器材在當前氣象海洋環境下的主要性能指標，如探測距離、探測概率等。

3.2 氣象海洋環境對攻潛的影響模型

在攻潛時，不同的作戰平臺需要根據氣象海洋環境條件，選擇使用適當的武器裝備進行攻擊，其影響模型主要包括氣象海洋環境對攻潛武器使用影響模型、對魚雷攻擊影響模型、對導彈攻擊影響模型和對深彈攻擊影響模型等。這類環境影響模型的輸入是武器裝備的主要工作參數以及所處氣象海洋環境的要素數據，輸出一般是武器裝備在當前氣象海洋環境下的主要性能指標，如武器發射初始機動狀態、命中概率等。

3.3 氣象海洋環境對平臺實體機動的影響模型

航母編隊作戰平臺和武器實體的機動空間包括空中、水面和水下，受到不同類別環境（海洋環境、大氣環境等）的影響，同時作戰平臺和武器實體的機動模型描述都不盡相同，因此，氣象海洋環境對平臺實體機動的影響模型，需要針對每種平臺和武器實體單獨進行建模。主要包括海洋環境對艦艇、潛艇、潛/艦射魚雷/導彈航行的影響模型、大氣環境對反潛巡邏機、艦載直升機、機載魚雷/導彈/深彈飛行的影響模型等。這類環境影響模型的輸入是上一仿真步長時刻平臺實體的機動狀態以及所處海洋環境的要素數據，輸出一般是當前仿真步長時刻平臺實體的機動狀態，包括速度、航向、高度等。

3.4 氣象海洋環境對平臺安全性的影響模型

保證平臺安全性是作戰平臺具有戰斗能力的前提，在構建仿真模型時需要予以體現［14］。氣象海洋環境對平臺安全性的影響，主要體現在飛機安全起降和平臺安全機動等方面，其影響模型包括大氣環境對反潛巡邏機安全起降和飛行的影響模型、海洋環境對艦載直升機安全起降和飛行的影響模型、海洋環境對艦艇、潛艇安全航行的影響模型等。這類環境影響模型的輸入是當前作戰平臺所處的大氣環境或海洋環境的要素數據，輸出一般是是否適合安全起降或機動的結論。以飛機為例，若輸出為是，則飛機起飛、降落以及飛行均按兵力仿真模型正常運行；若輸出為否，則飛機起飛、降落受到限制，飛機飛行受到調整，甚至可能造成飛機毀傷。

4 氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰影響仿真建模方法

根據氣象海洋環境產生影響的機理不同、復雜度不同以及仿真建模需求不同、粒度不同等特點，采用不同的建模方法對氣象海洋環境影響仿真模型進行研究設計。

4.1 基于規則的建模方法

在海上作戰中，氣象海洋環境對武器裝備的影響是顯著的，對于特定氣象海洋環境下武器裝備使用必須滿足一定的環境參數的約束，例如某艦船要求其魚雷發射條件滿足5 級海況以下、艦載直升機安全起降條件滿足5 級海況以下等。這些約束可以是在武器裝備研制定型時明確規定出來，也可以根據實際作戰使用經驗進行歸納提煉，形成一系列氣象海洋環境影響下武器裝備使用規則，建立相應的規則庫。

規則庫中的知識，通常采用產生式規則［15］進行描述，其知識表示的基本形式是：ifPthenQ，其中P 是前提（條件），Q 是結論（動作）。前提和結論都可以是若干項目的邏輯積，其一般形式表示為

當兵力實體所處的氣象海洋環境數據與前提（條件）相匹配時，則按規則描述執行相應的結論（動作），實現規則的結果。

在搜潛裝備選擇、攻潛武器選擇、反潛巡邏機與艦載直升機安全起降等方面，都可采用基于規則的建模方法。這些規則是判斷氣象海洋環境是否對兵力行動和武器裝備性能產生影響以及影響程度如何的重要依據。

4.2 基于原理的建模方法

在航母編隊反潛作戰中，利用海水聲傳播特性使用聲吶裝備對水下敵潛艇進行搜索、定位和跟蹤是成功實施反潛行動的關鍵。因此，聲吶探測模型是反潛作戰仿真模型的重點，對模型粒度要求相對較高，可采用基于原理的建模方法進行建模［16］。由于海洋復雜的變化性，聲吶接收到的目標信號不僅受到海洋聲場環境的制約，而且受到海洋環境噪聲的干擾。根據聲吶原理，以聲吶方程為基礎，綜合考慮海洋環境及目標聲特性，分別建立主、被動聲吶探測影響模型。重點根據氣象海洋環境數據給出聲傳播損失TL 和海洋環境噪聲級NL 的定量描述方法，然后基于聲吶方程計算出聲吶最大作用距離，從而判斷聲吶的探測效果。

聲波在海水中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸衰減，使傳播距離受到限制。造成傳播損失的原因主要有擴展損耗、吸收損耗及聲波反射、折射引起的邊界損耗。由于傳播損失的復雜性很難準確描述，工程上習慣用球面擴展加吸收損失估算。即：

其中：TL為聲傳播損失（dB）；r為聲傳播距離（m）；α為海水吸收系數（dB/km）。

影響海水吸收系數的因素很多，但它與聲波頻率的關系最為密切。計算海水吸收系數可采用估算公式法或者查表法。例如，表1 給出一組可供選擇的α值，利用線性插值法可獲得其他頻率下足夠精確的α值。

表1 海水吸收系數表

海洋環境噪聲是海洋中任一特定位置以及每年任一時刻均普遍存在的、不期望的聲背景。海洋環境噪聲級可利用數值模型進行計算，也可參考實際測量曲線獲取，或者可借助經驗模型進行測算。對于淺海，海洋環境噪聲級的經驗公式為

其中：NL為噪聲級（dB）；f為噪聲頻率（kHz）；S為海況等級，取值1～9。

將聲吶輻射（噪聲源輻射）聲源級SL、噪聲級NL、聲吶檢測閾DT和聲吶接收指向性指數DI等參數代入主（被）動聲吶方程，可求得TL 值，從而進一步求得在該條件下聲吶的探測距離。如果該距離大于此刻聲吶到目標的距離，則認為聲吶以一定的探測概率發現目標，否則認為探測不到目標。

4.3 基于經驗的建模方法

與聲吶探測相比，雷達、磁探儀、紅外、目力探測模型建模粒度略粗，氣象海洋環境的影響程度可采用探測距離或探測概率修正的方式進行描述。由于氣象海洋環境影響關鍵因素的選取以及修正因子的確定大多依賴于專家經驗或者采用德爾菲法等分析方法得出，因此稱這類建模方法為基于經驗的建模方法。

以氣象海洋環境對雷達探測距離的影響為例，主要考慮兩個影響因素：海況、降雨。海浪的波高影響雷達波的反射，海況越高，海浪就越高，對雷達探測距離影響越大。海況對雷達探測距離的修正系數示例如表2 所示，表中的經驗值可根據建模仿真的需求進行調整。

表2 海況對雷達探測距離的修正系數表

雨水會引起電磁波的散射和吸收，降雨量越大，對電磁波的散射和吸收越大，對雷達作用距離的影響也就越大。降雨對雷達探測距離的修正系數示例如表3 所示，表中的經驗值可根據建模仿真的需求進行調整。

表3 降雨對雷達探測距離的修正系數表

4.4 綜合建模方法

氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰影響復雜多樣，在建模過程中，為充分反映影響關系和影響程度，往往需要對實際情況進行簡化和假設。由于上述三種建模方法適用場景不同，各有優劣，在使用過程中可針對建模對象的特點和建模粒度的需求，采取不同建模方法相結合的綜合建模方法。

例如，通過分析得知，氣象海洋環境影響魚雷聲吶作用距離、航行深度以及航行姿態等性能指標，目前還難以建立這種影響的準確數學模型，或者有些數學模型過于復雜難以直接應用在仿真系統中。因此，考慮綜合建模方法對潛射魚雷攻擊過程進行建模。首先，根據氣象海洋環境數據判斷是否滿足魚雷發射條件，采用基于規則的建模方法，依據事先儲備的規則庫知識來決定魚雷發射是否成功。其次，在魚雷航行過程中，可采用基于原理的建模方法，使用流向流速對魚雷機動狀態進行調整計算；然后，在魚雷使用聲自導捕獲目標過程中，可采用基于原理的建模方法，使用聲吶方程計算魚雷的發現距離；最后，根據溫鹽梯度對導向精度的影響，可采用基于經驗的建模方法對魚雷命中精度進行修正，或者對目標位置進行矯正，并以矯正后的目標來判斷魚雷命中與否。

5 結語

在航母編隊反潛作戰中，不同作戰平臺和武器裝備在搜潛和攻潛階段都不同程度地受到氣象海洋環境的影響。運用作戰仿真技術，構建氣象海洋環境對航母編隊反潛作戰影響仿真模型體系，既完善了作戰仿真模型體系，又為作戰模擬系統實現氣象海洋環境仿真、體現氣象海洋環境影響提供技術支撐，也便于后續依托作戰模擬系統開展不同氣象海洋環境下航母編隊反潛作戰兵力運用問題的研究。