2024, Vol. 46
美国海军海洋学家Ellis认为“作战优势将不仅取决于谁拥有最昂贵和最先进的武器平台，更取决于谁占有对物理环境充分了解而获得的自然优势”。海洋环境作战能力的差距，实质上是海洋科学对作战保障能力的差距。美国海军海洋环境信息化保障系统是海军C4ISR系统中的一个子系统，经过多年的发展，已形成覆盖多个层级、全面完善的环境信息保障系统。具体而言，可分为海洋基础环境数据库支持系统、典型海洋环境信息保障综合应用系统到面向各类作战任务的专用系统等完备的信息化保障体系。随着我海军不断走向远海，相关发展理念值得参考借鉴。
1 气象海洋基础环境数据库支持系统 1.1 气象海洋主库早在1984年，美国海军就开发了气象海洋主库（OAML），并一直沿用至今天，气象海洋主库的目的是为美国海军所有气象学、海洋学项目提供数据库、模型、算法等方面的持续性、标准化支持，OAML产生后有效解决了舰队不同环境学类别计算机系统输出结果的巨大差异。
目前，美国海军海洋局负责OAML的模型和数据库维护，并负责对外发布，OAML的数据库和模型在战术环境支持系统（TESS）、机动海洋环境保障系统（IMOSS）、气象海洋集成数据可视化系统（MIDDS）以及舰队上应用的其他环境预测系统中均有应用，如表1、表2所示。美国海军一直在持续对OAML进行升级改进，根据美国海军预算文件的公开信息，2019财年，海军完成了将OAML的管理手段升级为基于云计算的方法。
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表 1 OAML主要包含的模型 Tab.1 Models in US Navy METOC |
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表 2 OAML主要包含的数据库 Tab.2 Database in US Navy METOC |
与OAML类似，地球舰队任务程序库（GFMPL）一方面是一个气象、海洋软件应用集合，它为舰队空中、水面、两栖、水下作战行动提供气象学、电磁学、海洋学、灾害规避和声学软件。另一方面，它也是气象海洋司令部发起和指导的一个项目，旨在收集、评估、集成新的软件开发成果，应用于所有气象海洋类项目。GFMPL包含面向许多不同种类计算机系统应用的软件，包括TESS、IMOSS和MIDDS。
GFMPL是一个快速响应，现场的环境预测系统，可用于快速确定环境对舰队平台、传感器和武器系统的影响效果，本地收集的环境信息是用于准备分析当前大气和电磁 （EM）传播条件。本地收集的海洋学信息与存档相结合，准备对现有海洋学和声学条件进行分析。分析和预测需基于现场数据、历史数据、平台特性和武器/传感器特性。
GFMPL主要包括4个基本功能。
1）环境数据同化
GFMPL将多种来源、类别的信息纳入本地环境数据，处理后将数据写入可用文件，供多种程序使用。这些数据包括无线电探空仪、折射率、深海温度测量仪和近岸水深测量数据。该项功能还集成了环境数据输入的质量控制检查。
2）环境分析
GFMPL可生成现有环境条件对空中、水面、两栖、水下作战的影响。这些分析是由大气、气象和海洋应用类项目提供。分析数据以图表和表格的形式呈现，可被复制和用于性能分析及简报。
3）传感器探测距离/范围预测
GFMPL基于海洋学和气象学环境剖面，计算声学和电磁学（EM）传感器探测距离。输出是用于对威胁/兵力平台进行探测/反探测。平台和传感器数据库参数可根据需要进行修改（包括声学和大气）。输出可以采用电子表格和图形的形式。
4）数据文件维护
此功能提供了创建、维护和删除数据文件的功能。该功能还可确保数据文件的完整性，并为文件中的任何机密信息提供足够保障。
地球舰队任务程序库中的具体项目可分为6个类别：
环境。该类别包含通用性程序，如历史电磁传播条件（HEPC）和传播条件汇总（PCS），还包含1个海洋声速剖面（SSP）程序。
气象学。该类别包含计算压力高度和密度高度数据，风寒指数和热应力值，以及天文数据的程序（如日出、黄昏）。
电磁学。该类别包含预报雷达性能和计算雷达距离的程序。电磁程序包括对海搜索雷达搜索距离预报和电子对抗效能显示。电磁路径损耗曲线和雷达覆盖图也可生成。
海洋学。该类别包含潮汐预报和分析（TIDES）、冲岸浪预报（SURF）和海滩测量图（BSC）等程序。BSC程序允许创建、显示和编辑由特战人员测绘形成的数字海滩图。
声学。该类别包含通用声学预报（GAP）程序和战术海洋学/声学电子表格（TOAS）计划。GAP用于产生海洋温度、声速和盐度的水平轮廓，也提供声波射线图和传播损失曲线。TOAS通过使用操作员输入数据和传感器/平台数据库开展主动和被动水下战范围预报。
危险规避。该类别包含海军搜救（NAVSAR）计划和热带气旋计划。NAVSAR为海上搜救事件提供信息和规划协助，如搜索概率图。热带气旋程序在操作员指定的地图上，跟踪热带气旋的移动和状况，输入数据为热带气旋信息。
2 海洋典型环境信息保障综合应用系统 2.1 战术环境保障系统战术环境保障系统（TESS）旨在提供定制化的气象、海洋、电磁传播、声学和卫星产品。来自TESS的分析和预报主要基于从各种通信信道、现场报告和环境软件程序获得的信息。TESS安装有各种各样的环境应用软件，其中，大部分来自于OAML和GFMPL的模型和数据库。
1）最佳航线选择（OTSR）分析软件。该软件根据海上风暴路径、大风等危险天气范围，海况以及舰艇情况给出最佳航线选择，即气象定线。
2）舰艇反应战术决策辅助（SRTDA）软件。该软件能根据定时海洋环境数据，及时预测出舰艇可能的反应和舰艇反应对舰载系统的影响。通过该系统，舰艇指挥员可选择允许舰载系统充分发挥其作战性能的最佳航向和航速。
3）环境攻击计划辅助软件（ESPA）。该软件提供海军航空兵力使用精确制导武器，对海（地）面目标实施精确打击时的海洋气象环境保障。ESPA中包括光电辅助决策系统（EOTDA）和综合折射影响预测系统（IREPS）。其中，IREPS用于预测、评估电磁波在大气环境中的传播情况，并用于制作电子支援措施（ESM）、雷达、通信等电磁波系统的电磁波有效覆盖图，评估受敌导弹或空中武器的威胁程度（易受攻击性）以及评估电子系统的探测能力。
4）弹道风修正计划和软件。主要用于支援5～6英寸舰炮射击的弹道风和密度修正因素的计算。
5）无源电子干扰（箔条）预测和计划软件（CHAPPS）。无源电子干扰场（主要是人工布放的金属箔条）在空中移动轨迹以及其在水平及垂直方向的扩散，对于战术决策有极其重要的指示意义。CHAPPS软件能确定以何种方式投放何种箔条，计算箔条干扰的投放位置，预测箔条的质心轨迹、扩散、及其雷达反射截面以及对用于对付反舰导弹的快速扩散箔条弹的战术应用提供建议。
6）光电系统性能评估软件（PREOS）。主要用于评估大气环境对舰载光电武器系统性能的影响。
7）海军战术水声软件。用于声速剖面、声传播损失、环境噪声、声道以及声呐系统使用性能等全面的分析预报。
战术环境保障系统中的主要应用软件列表3所示。
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表 3 主要应用软件列表 Tab.3 List of major applications |
战术环境保障系统（TESS）在升级改造过程中，已逐步纳入海军战术环境辅助决策系统（NITES）的一部分。NITES由美国PMW 120项目管理办公室发起，是美国海军将海洋环境信息与C4ISR进行整合的一套软件平台系统。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。
NITES采用了面向对象的体系架构，包括JAVA技术和“数据存取层——域服务器层——数据处理层——辅助决策层”多层架构，其生成产品可适用于海军、海军陆战队和北约成员国。
NITES目前安装部署在多个岸基机构和海基、空基平台上，其中，岸基机构包括印太司令部、欧洲司令部、南方司令部及其他多个战区，海基平台主要包括航母、两栖攻击舰及其他主战舰艇，空基平台主要包括P-8A反潜机及其他空军平台，NITES可支持岸基远程回传保障力量和现场嵌入式保障力量协同作业和遂行保障任务。由此可见，NITES实际部署和使用范围早已超出海军单个兵种。
NITES是基于UNIX操作系统的工作站，通过舰载和特高频（SuperHigh Frequency，SHF）卫星通信连接到SIPRNET上。NITES 提供模块化的、互动的气象海洋分析和预测系统，以接收、处理、显示和分发气象海洋数据。
NITES是基于UNIX操作系统的工作站，该系统既可独立运行，也可与全球指挥和控制系统（GCCS-M和GCCS-J）集成。其中岸基和海基平台上采用了与全球指挥和控制系统集成的方式，P-8A反潜机采用了独立运行的方式。
NITES有多个较为重要的子系统，如水声预测模块、阈值规则编辑器（threshold rule editors）、高级折射效应预测系统（AREPS）、目标获取武器软件（TAWS）。
水声预测模块可从非公开的传感器数据库、气候学数据库调取数据，利用MODAS系统开展数据同化，具备水声传递损失、背景噪声等多种水声特性参数以及特定区域水声装备性能预测功能。
阈值规则编辑器主要将作战样式、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等３个等级，如图1～图2所示。
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图 1 特定区域气象海洋条件对任务影响评估结果可视化示意 Fig. 1 Visualization of mission impact assessment results of meteorological and oceanographic conditions in a specific region |
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图 2 特定区域气象海洋条件对航线影响结果可视化示意 Fig. 2 Visualization of shipping routes impact assessment results of meteorological and oceanographic conditions in a specific region |
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图 3 特定区域气象海洋信息数据的可视化示意 Fig. 3 Visualization of meteorological and oceanographic information data in a specific region |
高级折射效应预测系统主要用于雷达、光电类别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，计算模型采用高级信号传播模型（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。面向武器环境影响评估和作战辅助决策，高级折射效应预测系统的典型产品包括3种：雷达波折射效应预测图、无线电通信效应预测图、通用作战图下的平台/装备/传感器高级折射效应预测嵌入式产品。
1）雷达波折射效应预测图
针对某小型喷气式飞机在美国西海岸附近（经纬度坐标117°40′00″W，32°00′00″N），在舷角60°方向对空搜索雷达探测效能，运用AREPS针对该剖面给出雷达作战辅助决策图产品，即雷达波折射效应预测图，如图4所示。在考虑西海岸地形条件下，给出海拔高度0～7620 m，探测范围0～100 n mile范围的雷达波探测概率，该图展示了在高度5791 m附近的大气波导效应，飞机在该高度作业可极大提升雷达探测效能，相关产品为作战指挥人员提供决策支持。
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图 4 AREPS在空基平台对空搜索方面的应用 Fig. 4 Application of AREPS in aerial-based platform for aerial-based search |
2）无线电通信效应预测图
高级折射效应预测系统还可针对无线电通信效能提供辅助决策支撑，针对某空基平台在经纬度坐标116°54′32″W，32°36′20″N，舷角60°剖面条件下的甚高频通信效能给出辅助决策图产品，不仅展示基于实际条件下适于通信的空间范围，还进一步给出高度952.5 m，通信距离73.41 n mile的条件下，传递损失为130.5 dB，辅助作战指挥人员判断空基平台甚高频通信效果。
3）通用作战图下的平台/装备/传感器高级折射效应预测嵌入式产品
随着美国海军作战流程网络化、信息化程度的不断提升，AREPS可视化产品的展现形式也在不断发展变化，如图5所示。目前AREPS已成为海军集成战术环境子系统（NITES）的一个子模块，AREPS输出的评估产品可作为战术图层加入NITES的通用作战图（COP）中，而NITES可与海上全球指挥和控制系统（GCCS-M）集成，使气象海洋产品能在跨全球信息栅格（global information grid，GIG）的联合作战环境中使用和展示。
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图 5 AREPS在通信领域的应用 Fig. 5 Application of AREPS in communication |
图6为AREPS在GCCS界面下通用作战图内的嵌入式产品，用于展示雷达波在特定坐标位置及环境条件下的探测覆盖范围。
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图 6 AREPS雷达作战辅助决策图产品在GCCS系统中可视化展示 Fig. 6 AREPS radar combat aid decision diagram products visualized in the GCCS system |
目标获取武器软件主要用于武器效能环境影响预测，主要功能是通过可见光、激光或红外物理模型，定量评估目标探测和打击范围。
目前最新的NITES-next由GeoCent公司开发，它基于面向服务体系架构（Service-Oriented Architecture，SOA）设计，将融合地理信息系统（Geographic Information System，GIS），支持基于物理的建模，该系统将使气象海洋产品能在跨全球信息栅格（Global Information Grid，GIG）的联合作战环境中使用。目前已在“数字林肯”项目中得到使用，是“数字林肯”项目5个子系统之一。
3 面向各类作战任务的专用系统美国海军舰艇上搭载有面向各类作战任务的专用系统，其中，典型系统包括声呐战术决策支持系统（STDA）、水雷战环境决策支持库（MEDAL）。
3.1 声呐战术决策支持系统声呐战术决策支持系统是BQQ-10综合声呐系统的一部分，既可用于任务规划，也可用于现场分析，STDA使用内嵌的声学模型来生成预报产品，并能自动生成基于多项预报结果的环境影响评估结果，为声呐操作员提供战术辅助决策。
3.2 水雷战环境决策辅助数据库水雷战环境决策辅助数据库（MEDAL）利用历史的和现场的环境数据进行水雷战任务规划、系统性能评价、战术研发和演习评估，如图7所示。该系统集成了指挥与控制性能、性能评价模型、算法和环境数据库，以确定水雷的威胁，制定探雷和扫雷计划，确定作战部队最佳组合，推荐战术和技术。除了任务规划外，MEDAL还具备在作战过程中监测、汇集现场测量结果以便向海军海洋局提交、演习后复盘和分析等能力。MEDAL 通过使用水深、海底沉积物特征、海流数据、海水物理特性、大气数据、磁特性、水声特性等类别数据为反水雷战指挥官提供决策支持。
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图 7 水雷战司令部和海军海洋局之间的水雷战海洋数据传递 Fig. 7 Mine warfare marine data transfer between mine warfare command and naval ocean office |
美国海军气象海洋主库主要是为海军所有项目提供通用性的数据库、模型、算法的支持，地球舰队任务程序库则主要是为海军所有项目提供通用性的软件支持，通过这2个海洋环境通用基础数据支持系统，可有效保证战略、战役、战术各层级、各平台远程方便调用并采用标准化统一的数据、模型、算法、软件，从而实现在全球远海作战条件下，海洋环境保障力量和保障过程的协调统一，避免出现不同舰队、平台针对同一海洋环境条件下预报、评估结果出现巨大差异，从而难以发挥出海洋环境保障的实际重要价值。
4.2 搭建通用和专用相结合的海军作战任务环境信息化保障体系一方面，NITES等通用的海军作战任务环境保障系统能面向各作战平台，给出空中、水面、水下等典型任务场景下的环境评估结果，在舰队、编队级作战任务中可有效实现内部信息传输及视化呈现；另一方面，STDA等专用的海军作战任务环境保障系统作为单个作战装备的环境影响分析模块，能有效获取单个平台装备、单项任务战术层面上的最终评估结果。搭建通用和专用相结合的海军作战任务环境信息化保障体系，可有效形成互补，实现海军作战任务环境信息化保障体系的完备。
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