海洋论坛▏美国海军海洋环境保障业务研究

一、引言

“信息优势决定战场优势”,海军作战是在立体且具有明显时变环境特征的战场空间中进行的,空战、水面战、水下战、两栖战等海军典型作战样式对海洋环境具有很强的依赖性。为了充分认知和利用海洋环境,增强海军在动态复杂的海洋环境中遂行多样化任务的能力,世界各主要国家海军都十分重视海洋环境保障工作。

拥有全世界最强大海军力量的美国,在海洋环境保障业务领域具有明显的领先优势。早在20世纪70年代,美国海军就已经充分认识到METOC(气象与海洋)对海军作战计划和实施的价值,经过几十年的发展演变,目前美国海军已建立了完备的海洋环境保障业务体系,确立了准确性、一致性、相关性和及时性的保障原则,积累了高时效、高精度、广覆盖的海量海洋环境数据资源,研发了全球、区域和局部多尺度多要素海洋环境预测预报模型,拓展了反潜战、水雷战、特种作战等海洋环境作战应用,形成了“数据—预测—评估—决策”的海洋环境信息能力优势。

二、作战保障概念

美国海军在作战领域拥有”空海一体战”、”全域进入”、“分布式杀伤”等作战概念,在海洋环境保障领域同样也有相应的作战保障概念,称之为“按需战场空间(BonD)”,该概念于2011年提出,并作为2020年前美国海军海洋环境保障业务的指导遵循,用以推动海军海洋环境领域业务和技术体系建设发展。BonD作战保障概念的目的是在海洋环境层面确保部队安全和形成决策优势,从而提升作战效率,其内涵主要包括三个方面:一是数据的获取、转换和不同数据源的融合,进而产生相关信息和知识;二是定制化的决策支持产品,以便作战部队应用环境信息来获取战略、战役和战术优势;三是提供长远的海军海洋学战略支持,促进海洋环境信息和作战决策紧密结合。

BonD作战保障概念分为4层,呈金字塔结构,见图1。

图1 按需战场空间作战保障概念示意图

第0层为数据层,主要是通过浮标、卫星、滑翔机、无人潜器等现场和远程传感器设备来观测大气和海洋信息。这些观测数据经过同化和融合,可以准确描述当前海洋和大气环境的初始边界条件。数据层的输出是关于海洋环境状态的一个原始观测数据集合。

第1层为环境层,主要是对第0层的数据进行分析、处理和综合入库,通过运行在高性能计算机上的预测模型或系统来预测未来的海洋环境状态。环境层的输出是在时间和空间维度,对作战行动所考虑的海洋环境要素集的一个预测集合,该集合中的信息并非绝对准确,通常包含相应的置信因子。

第2层为效能层,主要是将第1层的环境预测信息和作战信息进行融合,来预测己方和敌方部队、作战平台、武器系统、传感器等在既定战场环境中的效能发挥,评估海洋环境对作战计划、力量结构、目标、时机、机动以及战术、技术和程序(TTP)的影响。效能层的输出是一组具有置信因子的预测和评估值,因其将环境影响赋予作战层面的含义,更易于作战人员对海洋环境的理解和对战场态势的感知。

第3层为决策层,主要是将第2层中海洋环境作战效能预测值和影响评估值用于决策过程,对战略、战役和战术级别的风险和机会进行量化,并向指挥员和决策人员提供方案制定、兵力部署等方面的建议。在效能层的基础上,决策层进一步了增强决策人员对战场态势的理解和对海洋环境的利用,辅助制定更为优化的作战方案,从而最大化己方环境优势和敌方环境劣势,进一步减弱行动风险,增大成功机会。

BonD作战保障概念第0层侧重于立体化的环境数据获取手段,第1层侧重于精确化的预测预报模型,第2层侧重于定制化的评估产品,第3层侧重于最优化的决策制定,层层递进,使得美国海军海洋环境保障业务与作战紧密结合,形成了从数据获取,到模型预测,再到影响分析,最后实现辅助决策的完整链条。

三、组织架构

美国海军海洋环境保障业务为3级组织架构,见图2,涵盖了海洋环境数据获取、信息生成、作战辅助、能力培训等各方面,体系完备、配置科学。

图2  美国海军海洋环境保障组织架构示意图

海军气象海洋司令部隶属于舰队司令部,是统领美国海军海洋环境保障业务的指挥机关,负责指挥协调所属部门和单位为海军和联合作战中目标达成、行动安全及科学决策提供海洋环境保障产品和服务。所属部门包括1个作战机关、3个产品中心和1个培训机构。

海军海洋学办公室、舰队数值气象海洋中心和海军天文台是3个产品中心,其中海军海洋学办公室侧重于海洋产品,舰队数值气象海洋中心侧重于大气产品,海军天文台则负责提供天文数据和授时产品。对照BonD作战保障概念,海军海洋学办公室、舰队数值气象海洋中心处于第0层和第1层,其核心能力集中在数据获取和处理分析。天、空、岸、海、潜全方位海量海洋环境数据获取是其数据获取能力的集中体现。全域化精确化的模型和高性能的计算是其处理分析能力的集中体现。这两个部门拥有一系列模型和系统,能够对各类海洋环境要素进行预测预报,例如用于流预测的混合坐标海洋模式(HYCOM),区域海军近海海洋模式(RNCOM),海岸海军近海海洋模式(CNCOM);用于波浪预测的海军标准化海浪模式(NSSM);用于潮汐预报的潮汐评估模型(PCTides);用于冰预测的海冰模型(CICE),用于大气预报的海军业务化全球大气预测系统(NOGAPS)等。

海军海洋学作战司令部处于BonD作战保障概念的第2层和第3层,主要是根据海军作战需求,指导和协调海军海洋环境保障业务提供进一步贴近作战的嵌入式人员支持和定制化产品支持。其下属的7个部门分别具有不同的保障方向,如两个舰队气象中心主要保障水面作战;两个海洋学反潜战中心主要保障反潜作战;海洋学特种作战中心主要保障两栖登陆作战;海洋学水雷战中心主要保障水雷与反水雷作战;联合台风预警中心则负责向海军提供热带气旋预警保障。

海军气象和海洋学专业发展中心作为培训机构,主要为美国海军海洋环境保障业务提供人员和技术培训支持。

四、保障内容

美国海军海洋环境保障业务主要围绕舰队作战、空中作战、特种作战、反潜战、水雷战、设施保护、情报侦察监视、海洋调查、气旋海啸等方面开展,提供人员和信息产品支持,对应的部分保障内容见表1。

表1  美国海军海洋环境保障内容

保障对象 保障部门 保障内容
舰队作战 舰队气象中心、舰队数值气象海洋中心 岸基提供气象海洋预报产品,航线优化等;配备的海洋学编组提供(嵌入式支持)提供航行途中的气象观察、感知和分析,及针对作战计划和战术行动的战场环境评估和预测等。
空中作战 舰队气象中心 飞行天气简报、场站预报、航空气象报告等。
特种作战 海洋学特种作战中心、海洋学办公室、舰队数值气象海洋中心 岸基提供大气、海洋及其衍生产品。派驻人员提供环境监视、信息融合、预报分析和辅助决策。
反潜战 支持海洋学反潜战中心 海洋特征(锋、涡)位置报告;定制化和区域性的海洋模型;特定区域的海洋动态分析;战区和编队反潜战计划研究;潜艇搜救支持等。
水雷战 海洋学水雷战中心 利用UUV在浅水和限制水域进行扫雷和海洋学调查;岸基提供作战区域海洋环境数据和预测(流、投放窗口、漂移模型)评估;派驻人员提供声纳图像、模型及空间剖面分析等。
情报侦查监视(ISR) 海洋学办公室、舰队数值气象海洋中心等 提供图像分析、ISR传感器环境信息预测、海洋环境情报融合等。
海洋调查 海洋学办公室 利用T-AGS多用途海洋调查船执行开放海域海洋环境调查任务;利用机载测量装备执行海岸带测量任务。
设施保护 舰队气象中心、海洋学反潜战中心 针对机场、舰队聚集区、区域作战中心等提供雷暴、大风、冰雹、降雨、降雪等预报产品和决策咨询。
气旋海啸 联合台风预警中心 发布太平洋、印度洋、大西洋热带气旋产品;根据国家大气海洋管理局发布的海啸公告和产品,提供决策支持。

美国海军海洋环境业务保障内容具有如下特征:

⑴高时效保障

为了使部队能够及时获取海洋环境信息并采取应对措施,美国海军海洋环境信息产品具有明确的时效性要求,大多数保障产品都能每天发布,其中一些保障产品甚至达到了小时级,例如,空中作战海洋环境保障产品中的航空气象报告要求为每小时一次,并且报告间隔时间内,如有重大气象变化,则即时发布特殊报告;再如,当热带气旋威胁到部队设施时,联合台风预警中心要求每3h发布关于预测台风路径和当前位置评估的信息产品。

⑵差异性保障

为了充分利用海洋环境保障资源,美国海军对于不同的海洋环境状态、保障对象、保障区域,设置了不同的标准和等级,采取差异性保障。例如,对于潜艇航路天气预报产品,当潜艇处于常态海洋环境状态时,每天发布一次,而当潜艇接近或处于不利的海洋环境状态时,则每天发布两次;对于大风和海浪警告产品,通常是一天一次,而当风速大于35kn、浪高大于12英尺时,一天两次;对于不同区域的热带气旋保障产品,西北、中北和东北太平洋区域是当风力大于25kn时发布,6h一次,北印度洋区域风力大于35kn时发布,6h一次,南太平洋是当风力大于35kn发布,12h一次;对于反潜战海洋环境保障,按照实战、演习、培训的顺序进行保障,并且对于不同舰队,其保障等级也不相同。

⑶协同化保障

美国海军海洋环境保障并非依赖孤立单一的保障源,而是以体系化协同化为基础的,主要表现在两个方面:一是回传式和嵌入式协同,回传式主要依赖岸基保障中心,如海洋学办公室、舰队数据气象中心等,嵌入式主要是结合兵力部署和行动,派驻人员以进一步提供海洋环境数据获取和信息分析处理保障,并与作战紧密衔接。两者之间密切协同,例如,对于反水雷战海洋环境保障,回传式支持提供基本海洋环境数据和模型,而嵌入式支持则通过水下滑翔机、流分析仪等设备现场获取关键的反水雷海洋学参数;二是军地协同,在美国海军海洋环境保障业务单位之外,还有一些国家海洋环境保障机构,如国家海洋和大气管理局(NOAA)、国家地理空间情报局(NGA)等,这些单位机构间有着深入的业务联系,当协同保障过程中出现信息差异时,美国海军通常采用军方的保障信息。

例如,对于中北部和东北部太平洋区域气旋保障,通常而言,联合台风预警中心收到国家海洋和大气管理局中太平飓风中心(CPHC)和国家飓风中心(NHC)的预报产品后,会即刻发布,而当两者的结果不一致或没有相应的产品时,联合台风预警中心会发布自己的产品;再如,作为海图官方机构,NGA与NOAA合作共同完成美国海洋测绘主要工作,其中NGA负责生产境外海图,NOAA负责美国专属经济区以内水域的测绘工作。

海军海洋学办公室承担部分海道测量工作,向NGA和NOAA提供测量数据。用于海图生产和更新。另外,NGA、NOAA、海军海洋学办公室、美国海岸警卫队等单位之间建立了完善的数据和信息共享机制,实现了海洋测绘和导航的高质量协调发展。

⑷全面化保障

海军战场空间的一个重要特征是岸海空天潜五位一体,涉及的海洋环境要素众多,因此需要提供全方位立体化的海洋环境保障。美国海军海洋环境保障在实施过程中,对影响作战的海洋环境要素保障非常全面。例如在特种作战海洋环境保障过程中,针对空中支援作战需要保障云、风、能见度、大气湍流等要素;针对登陆行动需要保障水深、温度、底质、潮汐、流、波浪谱、拍岸浪、海岸坡度和构成、植被、水下能见度等要素。上述要素信息可以通过测量设备进行获取,或通过相应的模型进行预测预报。为了更好的与作战全面契合,美国海军结合作战行动和平台武备详细分析了满足作战需求的海洋环境要素临界阈值。此外,美国海军海洋环境保障中的嵌入式人员具有非常全面的能力,能够布放无人潜器、浮标、水位监测仪和隐蔽天气观测传感器等设备来获取限制区域的海洋环境信息,能够预测影响人员、平台、武器和传感器系统的环境信息,并向决策人员提供路径优化、平台武备选择和使用建议等,这些能力覆盖了BonD作战保障概念的各个层级。

五、信息系统

从作战层面而言,海洋环境数据直接对指挥员起到的辅助决策作用是有限的,当海量海洋环境数据直接推送给指挥员时,所起到的作用甚至是负面的。战场态势瞬息万变,决策指挥者没有太多的时间精力和专业的知识去分析海洋环境要素的具体数值和含义,其对海洋环境的需求往往直接明了,即时间(when)、地点(where)、影响因素(withwhat)和影响程度(how)。为了迎合这种需求,美国海军研发了相应的信息系统来发挥海洋环境辅助决策作用。

海军综合战术环境系统(NITES),是美国海军将海洋环境信息与指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察(C4ISR)进行整合的一套软件系统。该系统主要目标是以分布式海洋环境数据库和可视化仿真为基础,通过使用决策辅助工具来分析海洋环境对武器和作战系统的影响,进而为指挥员提供战场空间表征和态势感知。其主要功能涵盖了数据管理、可视化、环境信息分析、传感器性能预测、兵力环境阈值评估、危险预测等。对于这样一个贯通海洋环境与作战单元及战术决策的关键系统,美国海军对其升级改造不遗余力,最新的NITES-Next由美国的GeoCent公司研发,耗资数千万美元。

海军综合战术环境系统有3个较为重要的子系统,分别为阈值评估工具集(threshold evaluation tools)、高级折射效应预测系统(AREPS)和目标获取武器软件(TAWS)。

阈值评估工具集主要将作战样式、平台、武器装备海洋环境要素阈值与任务区域海洋环境观测预测值进行关联分析,在此基础上,给出定性的影响评估,例如,某一海洋环境条件下某型武器装备是否适用等。评估结果通常为一个环境影响矩阵,横向是环境要素,纵向是作战行动、平台和装备,影响程度划分为处于不利条件、处于不利边缘和处于有利条件3个等级。

高级折射效应预测系统侧重于传感器性能环境影响预测,输入为传感器电磁参数、大气环境信息和地形信息,计算模型采用高级传播模型(APM),输出包括高度、方位和范围等信息。该系统主要用于雷达目标探测,电磁战场监视、超高频/甚高频通信等方面的辅助决策,例如,通过该系统分析可以得出大气波导通信工作频率10.5GHz、天线高度4m时最适合于利用蒸发波导实现远距离海洋通信。

目标获取武器软件侧重于武器性能环境影响预测,主要功能是通过接收当前或预测的环境数据,通过相应的可见光、激光和红外物理模型,定量确定目标探测和锁定范围。该系统的基础支撑为目标数据库、武器传感器数据库、海洋环境数据库、物理模型等,其输出可以辅助作战人员在对海对陆打击、近距离空中支援、空中拦截、搜救、目标识别等任务中进行攻击方案制定、战术机动规划和武备选择。

六、结束语

随着UUV、UAV等新装备的不断发展,使我们对海洋环境数据的获取趋向于无人化、隐蔽化和简易化;大数据、云计算、人工智能等新兴技术的涌现使得海洋环境信息保障趋向于智能化和精细化;透明海洋、智慧海洋的不断具化让我们对海洋的认知也越来越深入和全面。美国海军海洋环境保障业务经过几十年的发展,尽管技术装备不断更迭,但满足海军作战需求的目的和初衷始终没有改变,这也是BonD作战保障概念中决策层处于金字塔顶端的原因所在。美国海军海洋环境保障业务始终以海军作战需求为牵引,以作战保障问题为导向,通过研发新的装备、技术和系统来支撑和服务作战,使得海洋环境信息高度融入作战链和决策链,充分发挥了海洋环境信息作战支撑作用,取得了战场空间信息优势。美国海军海洋环境保障业务的先进经验做法,对我海军海洋环境保障领域的建设发展具有一定的启示和借鉴作用。

2020-08-26智邦网

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