图为SV-5绘制了满足作战要求的系统职能。 图为濒海战斗舰远洋反潜战。 图为成本估算流程。 图为传统反潜战战术。 图为各探测要素相互影响示意图。 图为功能划分。 图为功能要求分解。 图为拱顶石规划阶段和分析工具。 图为舰队护航布局。 图为进度摘要。 图为利用形态盒对可能的备选方案组合进行成本分析。 图为美国“自由号”（LCS-1）军舰和美国“独立号”军舰（LCS-2）。 图为任务包定义。 图为设计特性与资产对比的皮尤矩阵。 图为探测目标的主要结果图示。 图为系统功能架构。 图为向美国政府责任办公室（GAO）出示的反潜战示意图。 图为性能衡量标准。 图为综合定义模型关系图。 图为濒海战斗舰部署变深声纳成本估算概要。 图为濒海战斗舰部署变深声纳成本估算投入。 图为濒海战斗舰部署的变深声纳描述。 图为濒海战斗舰部署拖曳式阵列成本估算概要。 图为濒海战斗舰部署拖曳式阵列成本估算投入。 图为濒海战斗舰部署拖曳式阵列描述。 图为濒海战斗舰舰载精确探测雷达成本估算概要。 图为濒海战斗舰舰载精确探测雷达成本估算投入。 图为濒海战斗舰舰载精确探测雷达描述。 图为垂直起飞的飞行器成本估算概要。 图为垂直起飞的飞行器成本估算投入。 图为垂直起飞的飞行器描述。 图为垂直起飞的无人飞行器描述。 图为垂直起降战术无人飞行器成本估算概要。 图为垂直起降战术无人飞行器成本估算投入。 图为多舰随机搜索结果。 图为列装进度设想。 图为水面反潜战成本估算概要。 图为水面反潜战成本估算投入。 图为水面反潜战作战系统描述。 图为速度和距离变量。 图为随机搜索结果。 图为无人水下航行器（UUVs）描述。 图为无人水下运载器成本估算概要。 图为无人水下运载器成本估算投入。 图为无人艇（UUVs）描述。 图为无人艇成本估算概要。 图为无人艇成本估算投入。 图为鱼雷反制措施成本估算概要。 图为鱼雷反制措施成本估算投入。 图为鱼雷反制措施描述。 本拱顶石项目系统地研究了濒海战斗舰（littoral combat ship，LCS）及其在远洋为高价值资产护航过程中遂行反潜战（anti-submarine warfare，ASW）任务的可能性。本文采用系统工程学方法研究需求，通过一套清晰界定的基本原则和作战设想、效果衡量标准和性能衡量标准实施建模与仿真。本项目所做的工作主要集中在反潜战任务杀伤链的探测、识别和追踪等变量上，重点是主动声纳。在分析可行性方案的过程中，将各备选方案的数据输入兹维基形态盒（Zwickymorphological box）和皮尤矩阵（Pugh matrix）进行评估。为了解决国防部财政紧缩的问题，从理论上来说，相较于传统的核潜艇，濒海战斗舰是一种能够用于对付各种反潜战威胁的低成本平台。文章编译如下：摘要本拱顶石项目系统地研究了濒海战斗舰（littoral combat ship，LCS）及其在远洋为高价值资产护航过程中遂行反潜战（anti-submarine warfare，ASW）任务的可能性。我们采用系统工程学方法研究需求，通过一套清晰界定的基本原则和作战设想、效果衡量标准和性能衡量标准实施建模与仿真。我们的工作主要集中在反潜战任务杀伤链的探测、识别和追踪等变量上，重点是主动声纳。在分析可行性方案的过程中，将各备选方案的数据输入兹维基形态盒（Zwicky morphological box）和皮尤矩阵（Pugh matrix）进行评估。为了解决国防部财政紧缩的问题，从理论上来说，相较于传统的核潜艇，濒海战斗舰是一种能够用于对付各种反潜战威胁的低成本平台。在目前和可预见的未来，美国海军能否维持远洋优势地位，取决于是否能够开展新型且具有创新性的威胁能力设计。濒海战斗舰平台模块化的概念及其灵活的性能使它成为满足低成本反潜战任务平台的备选方案之一，虽然我们还要解决探测、识别与追踪敌军水下威胁不断变化的复杂性。为了满足反潜战平台的可靠性要求，可能会综合应用网络融合与连接、传感器一体化的能力以及水下与空中监视相结合的怪异组合。濒海战斗舰可以在反潜战行动中提供护航能力，保障高价值单位或非作战舰艇在远洋航行的安全。缩略语AoA：Analysis of alternatives——备选方案分析AOR：Area of operation——作战地域ASOE：Affordable system operational effectiveness——经济适用的系统作战效能 ASW：Anti-submarine warfare——反潜战AWCS：Anti-Submarine Warfare Control System——反潜战管控系统BMS：Battle management system——作战管理系统BY：Base year——基准年C4I：Command， control， communications， computers， intelligence——指挥、控制、通信、计算机与情报CAIV：Cost as an independent variable——独立核算成本CAPTAS：Combined active and passive towed array sonar：联合主动与被动拖曳阵列声纳CDD：Capabilities description document——功能描述文件CDS：Combat Direction System——作战指挥系统CJCSI：Chairman of the Joint Chiefs of Staff Instruction——参谋长联席会议主席指示CONOPS：Concept of operations——作战设想COP：Common operating picture——通用作战图CSG：Carrier strike group——航母战斗群CVN：Nuclear-powered aircraft carrier——核动力航母DOD：Department of Defense——美国国防部DoDAF：Department of Defense Architectural Framework——国防部体系架构框架DOE：Design of experiments——实验设计ESR：Estimated sonar range——估算声纳距离FOM：Figure of merit——性能系数FTI：Frontier Technology， Incorporated——前沿科技股份有限公司FY：Fiscal year——财政年度GAO：Government Accountability Office——美国政府责任办公室HEFR：Hold enemy forces at risk——在危机时刻掌控敌人HVU：High value unit——高价值单位ICE：Integrated cost estimation——综合成本估算IDEF：Integrated definition model——综合定义模型ISR：Intelligence， surveillance， and reconnaissance——情报、监视和侦察JCIDS：Joint Capabilities Integration and Development System——联合能力集成开发系统JFC：Joint functional concept——联合功能方案KPP：Key performance parameter——关键性能指标KSA：Key system attribute——关键系统属性LCC：Life cycle cost——生命周期成本LCCE：Life cycle cost estimate——生命周期成本估算LCS：Littoral combat ship——濒海战斗舰LHA：Landing ship， helicopter assault——直升机登陆突击舰LHD：Landing ship， helicopter dock——直升机船坞登陆舰LLA：Limiting lines of approach——航向限制性航道MS：Modeling and simulation——建模与仿真MCM：Mine countermeasures——反水雷措施MFTA：Multi-function towed array——多功能拖曳阵列声纳MM：Mission module——任务模型，任务模块MP：Mission package——任务包MOE：Measure of effectiveness——效果衡量标准MOP：Measure of performance——性能衡量标准MOS：Measure of suitability——适应性标准MS：Microsoft——微软公司NAVSEA：Naval Sea Systems Command——美国海军海上系统司令部NPS：Naval Postgraduate School——美国海军研究生院OS：Operations and support——运行和维护OODA：Observe， orient， decide， act——观察、调整、决策、行动OPNAV：Office of the Chief of Naval Operations——海军作战部长办公室OV：Operational view——作战视图PEO：Program Executive Office——项目执行办公室PMP：Project Management Plan——项目管理计划QFD：Quality function diagram——质量功能图RMMV：Remote multi-mission vehicle——遥控多任务航行器ROE：Rules of engagement——交战规则RTVM：Requirements traceability verification matrix——需求跟踪验证矩阵SA：Situational awareness——态势感知SAR：Selected acquisition report——选择性采购报告SE：Systems engineering——系统工程SEER-H：Systems engineering evaluation and research—hardware——系统工程评估与研究——硬件SLOC：Sea lines of communication——海上交通线SME：Subject Matter Expert——主题问题专家SFMA：Secure friendly maneuver area——保护友军的机动区域SSBN：Ballistic missile submarine (nuclear)——弹道导弹潜艇（核动力）SSGN：Guided missile submarine——巡航导弹潜艇SSN：Submarine (nuclear)——核潜艇SubDNS：Subsurface distributed netted sensors——水下分布式网络传感器SurDNS：Surface distributed netted sensors——表面分布式网络传感器SurRE/SubRE：Surface and subsurface range extender——水面和水下增程器SUW：Surface warfare——水面作战SV：System view——系统视图TDC：Torpedo danger zone——鱼雷危险区TMA：Target motion analysis——目标运动分析TOC：Total ownership cost——总体成本TTP：Tactics， techniques， and procedures——战术、技术和程序UISS：Unmanned Influence Sweep System——无人影响扫雷系统UJTL：Universal Joint Task List——通用联合任务列表U.S.：United States——美国USCG：United States Coast Guard——美国海岸警卫队USN：United States Navy——美国海军UAV：Unmanned surface vehicle——无人艇USW：Undersea warfare——水下海战UUV：Unmanned undersea vehicle——无人水下航行器VDS：Variable depth sonar——深度可调声纳VTAV：Vertical take-off aerial vehicle——垂直起飞的飞行器VTAUV：Vertical take-off aerial unmanned vehicle——垂直起飞的无人飞行器WBS：Work breakdown structure——工作细分结构WSO：Weapon and sensor optimization——武器与传感器优化执行摘要美国海军濒海战斗舰是一型用于在近岸或沿海地区作战的小型水面舰艇。本研究课题探索了利用该平台在护航行动行中执行远洋反潜战任务的可行性；以及假如有这样的一项任务，在该模型里可能会包括哪些资产组合。远洋反潜战任务要求濒海战斗舰能够搜索、识别整个水域的潜艇威胁并对其分类，而且可能会以一种初始参考资料之外的方式使用船体。事实上，本研究团队认为该平台能够提供这一功能，而且出于进一步研究的需要，探索了任务包配置。美国海军对于濒海战斗舰项目倾注了大量精力，由于采用模块化的设计理念，该型舰艇能够根据不同的任务加以重新配置。这种模块化概念能够支持大量角色，从而降低了在特定任务领域应用专业化舰艇的成本。目前，利用专门的任务模块，濒海战斗舰计划用于支持水面作战、反雷措施和反潜战任务。联合出版物Joint Publication 3-32《联合海上作战的指挥与控制》（Command and Control for Joint Maritime Operations）认为：控制作战海域的水下部分对于联合作战的成功至关重要。首要威胁来自于敌军的潜艇。仅仅一艘未被锁定的潜艇就有可能制造影响广泛的作战、外交或经济效应。为了对付这种威胁，联合功能方案（Joint Functional Concept，JFC）将协调并在必要时整合联合部队的资产，在战役联合作战的各个阶段实施反潜战。反潜战是旨在阻止敌人有效应用潜艇而采取的行动。为了确定濒海战斗舰平台利用舰上和舰下资产是否能够执行远洋反潜战任务，我们利用建模与仿真工具进行了分析，重点是主动声纳。如果能够成功找到满足功能需求的各要素的结合方式，选择的模型最终能够降低对于现有潜艇部队的要求，长此以往，就会降低国防部的财政负担。威胁环境包括几种安全情况。美国《2010年海军作战设想》（Naval Operational Concept 2010）一书中阐释了这些情况和危机领域，指出：具备“蓝水海军”能力的敌人可能会对那些自前沿基地、前沿存在的作战地域或美国大陆的部署点出发，驶行目标战区的作战和支援部队构成威胁。尽管美国海军在远洋航行时遭遇这种情况可能会令人吃惊，因为在目前的安全环境下，很少有威胁能够在远洋实际挑战美国的作战力量。因此，敌方很有可能会侧重于封锁海上运输、拦截远征打击力量、阻止商船部署和为联合部队提供补给。此外，或者说同时，敌方可能会选择拦截商业运输，削弱美国的经济实力和支撑战争的能力。无论在哪种情况下，都要求美国海军部队采用标准护航、区域防御、综合防空和导弹防御、反潜战等战术、技术和程序，在高价值资产航行途中削弱或摧毁空中、水面和水下威胁。（《2010年的美国海军、美国海军陆战队和美国海岸警卫队》）（United States Navy， United States Marine Corps and United States Coast Guard 2010）为了切实保护高价值单位，濒海战斗舰必须能够在水下威胁对美国或盟军正在海上航行的高价值资产构成真正的威胁之前探测、识别和追踪这些目标。为消灭水下威胁而采取的必要的战术、技术和程序可能是复杂且经过精心设计的。通过基本的干预手段，只能预防敌人发射武器，而阻止一次袭击，就需要有高水平的协调能力和战术专业知识。成功对其实施打击取决于传感器的探测距离、敌军传感器反制探测的距离以及双方作战力量导弹/鱼雷的射程。基于各种方案和变量进行建模与仿真，在此次实验中我们能够看到，要想成功完成任务，影响最大的因素是搜索区域内濒海战斗舰平台的数量，随后是传感器的能力、速度和搜索时间。探测距离、传感器能力和武器包线等属性用于确定传感器和武器的最佳组合方式，以便防御反潜战中遇到的威胁。此外，正如《21世纪的反潜战作战设想》（ASW Concept of Operations for the 21st Century）一书中所述，我们用两个重要的战役水平的目标做为确定最佳解决方案的变量：在危机时刻掌控敌人（hold enemy forces at risk）和保护友军的机动区域（secure friendly maneuver area）。这些附加的重要目标体现在各种辅助属性中，支持在各种方案中应用的濒海战斗舰数量极为重要这一论点。在一套合理的系统工程流程之内，我们利用建模与仿真的结果推断：对于远洋护航任务中的反潜战来说，濒海战斗舰是一种可行的解决方案。成本分析附录中包含了关于舰上和舰下资产具体技术组合成本评估的更多信息，就一次业务案例分析而言，初步评估结果认为：利用濒海战斗舰这一平台执行反潜战任务，要优于之前传统的潜艇部队。参考文献美国参谋长联席会议（Joint Chiefs of Staff）。2013年。联合出版物Joint Publication 3-32，《联合海上作战的指挥与控制》（Command and Control for Joint Maritime Operations）。美国国防技术信息中心（Defense Technical Information Center）。2014年3月13日访问该网页。http://www.dtic.mil/doctrine/new_pubs/jp3_32.pdf《2010年的美国海军、美国海军陆战队和美国海岸警卫队》（United States Navy， United States Marine Corps and United States Coast Guard）。2010年。《海军作战设想》（Navy Operations Concept），2014年4月13日访问该网页，www.navy.mil/maritime/noc/NOC2010.pdf。美国海军。2009年。《21世纪的反潜战作战设想》（Anti-Submarine Warfare Concept of Operations for the 21st Century）。2014年4月13日访问该网页。http://www.navy.mil/navydata/policy/asw/asw-conops.pdf 第一章 导言 一、背景美国、友邦和盟国的安全与繁荣依赖于在海上自由航行，尤其是在具有战略意义的海上十字路口。濒海战斗舰平台，如图1所示，被设计为快速、灵活且网络互联的水面作战舰艇，用于在沿海地区作战。濒海战斗舰的实力在于其可重新配置的设计方法，采用模块化以实现作战上的灵活性。这种设计方法的基础是能够在舰上快速安装和集成模块化的任务包（mission packages，MPs）。根据濒海战斗舰作战设想（Concept of Operations，CONOPS），濒海战斗舰主要的任务包可分为反潜战（ASW）、反雷措施（mine countermeasures，MCM）和水面作战（surface warfare，SUW）等三种类型。一套任务包由任务模块、任务船员分遣队和支援飞机构成。任务模块（mission module，MM）结合了单独的任务系统（船身、传感器、通信和武器系统）、辅助设备和指挥、控制、通信、计算机与情报（C4I）组件。美国海军目前正在研发和采办各种任务包以满足联合战争的作战需求，美国海军在《基准型濒海战斗舰功能描述文件》（Flight 0+ LCS Capabilities Description Document）中提出了这一观点。图2展示了一组理论上设想的在沿海地区采用的反潜战任务包。在评估为沿海地区准备的反潜战任务包时产生了这样一个问题，即它在远洋反潜战用途中的适用性如何。在远洋深水环境下，要想有效探测、识别和追踪威胁我方高价值资产的敌军潜艇，以濒海战斗舰反潜战任务模块为基础，生产最合适的主动声纳需要具备哪些必须的要求和能力？二、目标此项课题之所以非同寻常，在于濒海战斗舰设计之初并不是用来作为远洋反潜战平台的。如果研究分析的结果倾向于濒海战斗舰能够执行反潜战任务，则意味着这种新型能力能够使濒海战斗舰成为一种多用途舰种，可能会缩减代价高昂的潜艇的工作量，最终降低水面战争中反潜战的成本。图3展示了理论上可能的反潜战任务系统的作战模式。值得注意的是，本课题是由濒海战斗舰项目执行办公室（Program Executive Office Littoral Combat Ship，PEO LCS）独立进行的。本团队开展的研究仅限于能够从互联网或其他非保密开源媒介检索到的开源信息。远洋反潜战职责有几个组成部分：为高价值单位（high-value units，HVUs），如战斗群（事实上是航母）等护航；为行动扫清海域；监视和追踪潜艇威胁。用到的传感器主要但不限于主被动声纳、雷达和红外传感器的组合。主要的研究问题是：濒海战斗舰执行远洋反潜战任务有什么要求？从这个问题引申而来另一个问题：现有任务包能否支撑远洋任务？成本如何？三、方法远洋反潜战发挥何种作用是受威胁驱动的。为了确定威胁的范围，我们探索研究了关于各种潜艇的开源信息，这有助于我们了解目前高价值资产都面临哪些威胁。毫无疑问，敌军潜艇发射的鱼雷和反舰导弹是最为突出的威胁。公开的研究资料表明，敌方潜艇发射导弹的平均射程是44海里（约合81.5千米），鱼雷的平均射程是10.65海里（约合19.7千米）。从非保密和开源文件中获得的其他指标包括敌方潜艇的工作深度、航程和持久力。掌握敌军能力的这些指标为创造可行的建模与仿真，评估需求和能力提供了必要的数据。一旦基本原则、威胁、要求和体系架构明确，我们会再次利用相关开源信息，产生濒海战斗舰一系列可行的功能和相关成本。当这些能力综合到一起，就会生成适应远洋护航任务要求和架构的濒海战斗舰反潜战任务模块。后续分析过程按照如下内容组织实施：系统工程流程、需求分析，了解必要性、建模与仿真、在分析备选方案过程中减少要考虑的排列数量、成本比较以及结论。第二章 系统工程流程此次研究的目标是提出系统需求，解决利益相关者的需要，推动系统在成本、计划和合理性能的范围之内发展。利用濒海战斗舰执行远洋反潜战任务的可行性是一项复杂的问题，需要采取某种结构化的流程模型和设计方法。问题的解决是一种迭代过程。当问题由一个团队着手解决时，有必要就各项活动开展沟通和协调。对于处理规模庞大而复杂的设计问题来说，设计流程的安排决定了问题的解决过程。在濒海战斗舰项目团队看来，系统工程“V字形”模型是最适合于解决问题的流程。之所以有这种认识在于它提供了结构化、可重复的设计流程，使研究团队能够分析和设计一套与系统理论和系统工程流程相一致的系统。在此次研究过程中，分析工作采用“V字形”模型，最终目标是实现经济适用的系统作战效能（affordable system operational effectiveness，ASOE）。最初的工作集中在“V字形”模型的左半边，或者说是“用户需求/必要事物），包括系统需求定义、架构开发和建模与仿真（modeling and simulation，MS）。然后对“V字形”模型的右半边开展工作，对满足要求、适合成熟架构的潜在能力进行定性分析。最终，对备选解决方案开展生命周期成本（life cycle cost，LCC）评估。 一、分析流程和工具本报告采用系统工程流程，各阶段应用的分析流程和工具如图4所示。使用的分析工具包括：用于仿真和建模的ExtendSim（ExtendSim）和Minitab软件（ExtendSim系统仿真软件是由美国Imagine That公司开发的通用仿真平台。Minitab软件是全球领先的质量管理和六西格玛实施软件工具，更是持续质量改进的良好工具软件。译者注）。由微软公司开发，用于形态盒、质量功能图（quality function diagram，QFD）和皮尤矩阵（Pugh matrix）的Excel电子表格。由前沿科技股份有限公司（Frontier Technology， Incorporated，FTI）出品的综合成本估算（Integrated Cost Estimation，ICE）软件。Vitech公司开发的CORE软件，主要用于需求和架构研究。二、基本原则和系统工程流程本次研究系统工程流程的起点始于需要对濒海战斗舰平台执行反潜战任务的需求进行一次独立、客观的系统工程分析。完成的分析与正在进行的濒海战斗舰项目反潜战采购活动以及相关反潜战任务模块的研发无关。濒海战斗舰研究小组根据基本原则开展分析，以确定高价值、非作战性商船在易受攻击的作战责任区（areas of operation，AORs）航行时，利用濒海战斗舰平台探测、定位和追踪对这些商船构成威胁的敌方潜艇的可行性。因此，系统工程流程最初侧重的是需求，而非濒海战斗舰反潜战任务模块所需的具体子系统和硬件。基本原则完善之后，我们研究制订了初始作战设想（concept of operations，CONOPS），以便为系统工程工作提供支持。本文件描绘了濒海战斗舰反潜战任务模块是如何在预期的作战环境中发挥作用的。对于功能体系框架，本研究小组使用了国防部体系架构框架（Department of Defense Architecture Framework，DODAF）和Vitech公司的CORE软件。这些图形化视图有助于确保某些需求不会被遗漏或忽略。效果衡量标准（Measures of effectiveness，MOEs）、性能衡量标准（measures of performance，MOPs）和作战需求来源于体系架构和作战设想。CORE软件用于论证和分配需求，以便维持需求和功能架构之间的可追溯性。在研究需求的过程中，我们利用建模与仿真做为补充，以确定性能衡量标准对于系统效果衡量标准的重要性和统计学意义。最后，开展一次详细的备选方案可行性分析（analysis of alternatives，AoA），利用了系统需求、建模与仿真工作、适用能力的定性分析以及生命周期成本评估等手段。三、体系架构本次研究计划在体系架构上划分为两部分，一是组件，二是两种能力之间的关系，即被认为是濒海战斗舰固有能力与做为此次工作一部分进行研究的部分能力之间的关系。本研究小组侧重于负责在水线上下进行探测的作战管理系统功能、作战系统以及欺骗对抗措施等功能。图5以图形的形式说明了濒海战斗舰远洋反潜战任务分解后的关系。该图可以进一步提炼为如图6所示的探测、控制和欺骗三大主要功能。该架构为系统提供了组件与功能之间的可追溯性。它提供了正在CORE软件评估中的各要素之间的关系描述。第三章 需求分析 一、基本原则基本原则是要分析重要的非作战商船在作战责任区（areas of operation，AORs）航行过程中，此时它们最为脆弱，利用濒海战斗舰平台探测、定位和追踪对这些商船构成威胁的敌方潜艇的可行性。为确定之前各章节所述项目的军事用途，本小组开展了研究。根据目前美国国防部的指挥体系，反潜战工作组是负责反潜战能力短期和长期转型发展的统率机构。美国海军反潜战工作组在《21世纪的反潜战作战设想》一书中认为，保护友军的机动区域和能够在危机时刻掌控敌人二者对于实现基本原则至关重要。 二、濒海战斗舰反潜战作战任务当高价值的非作战商船航行在作战责任区易受攻击的时候，对其提供保护的核心是能够开展防御和进攻性行动，实现之前所述的各项功能。具体来说，作战任务包括有能力保护友军的机动区域（secure friendly maneuver area，SFMA）和能够在危机时刻掌控敌人（hold enemy forces at risk，HEFR）。图7展示了有代表性的反潜战部队。为了保护部队或船队，麦克唐纳认为：水面反潜战部队在“被保护部队”周围提供反潜战掩护，防止发动攻击的潜艇获得适合发射鱼雷的攻击阵位。这种反潜战掩护的主要目的是在潜艇占据攻击位置之前对其定位、报告、阻止其发动攻击并予以摧毁。担负掩护任务的水面和空中部队在靠近部队或船队的附近水域活动，针对敌方潜艇提供最后一波保护的机会。濒海战斗舰远洋反潜战作战设想研究提出的高级作战任务与彼得•麦克唐纳定义的任务十分类似。濒海战斗舰反潜战作战任务如下所示： 1、保护友军的机动区域保护友军的机动区域是指有能力控制某一责任区，维护在该区域内的机动自由。这种行动包括采取进攻性和防御性战术，威慑或摧毁敌军的作战力量。美国海军反潜战工作组在《21世纪的反潜战作战设想》一书中将保护友军的机动区域描述和提炼为：这是一片美国和盟军部队能够在利益相关点自由航行的海域，尤其是航行经过重要的海上航线时。 2、在危机时刻掌控敌人反潜战工作小组不久前把“在危机时刻掌控敌人”详细定义为敌我双方的一种态势，确保敌军潜艇认识到美军部队可能的作战反应。持久进攻能力迫使敌军作战力量不断采取防御性活动，从而削弱敌人开展进攻性行动的能力。3、搜索根据《濒海反潜战设想》（Littoral Anti-Submarine Warfare Concept），一旦作战地域已经明确，就可以实施一次搜索行动。搜索的约束性条件由任务决定。 4、探测根据《濒海反潜战设想》的定义，探测是一种从舰上或舰下传感器接收未知信号的简单活动。探测并不等同于主动识别一艘敌军潜艇。5、分类分类是指有能力辨别接触对象是潜艇还是非潜艇，或者，如果接触的对象是一艘潜艇，确定它的身份。6、目标选定一旦目标已经被确定为敌军潜艇，友军部队就可以开始着手制定射击方案。为了得到有效的解决方案，目标必须位于《濒海反潜战设想》限定的特定距离、深度和其他标准的范围之内。7、武器与传感器优化武器与传感器的优化依赖于在作战区域内有较好的适用资产。为了进一步明确该术语的含义，《濒海反潜战设想》补充认为，武器和传感器应针对敌军的某型潜艇进行调整，以获得特定的结果。8、设计作战空间设计作战空间包括广泛规划，利用各种资产、传感器和各个领域以达成更加切实有效的计划。根据《濒海反潜战》设想，合理设计作战空间会阻制敌军潜艇进入作战地域。三、作战设想1、背景该作战设想可以追溯到2009年出版的《21世纪的反潜战作战设想》，该书为美国国防部提供了指导方针，确保海军降低或消灭敌方潜艇威胁。该发展框架划分为近期反潜战能力的研发和长期反潜战能力的研发两类，反映美国海军理想中的部队应具备“坚韧不拔、感知全面、反应迅速、作战灵活、技术灵敏（persistence， pervasive awareness， speed and operational agility， and technological agility）”等特征。《反潜战作战设想》以一些篇幅进一步详述了反潜战近期目标和长期目标的区别。这些目标侧重于水下海战的转型，范围从拖曳式阵列资产到更为先进的传感器与武器系统。近期反潜战转型强调改善包括拖曳式阵列和声纳浮标在内的当前技术水平。长期反潜战转型关注于利用近期转型的发展成果，确立必要的基础设施和力量体系，以缩短从传感器到射手的反应时间，通过利用先进的传感器、武器和中继等资产，达到前文所述的理想部队的特征。 2、作战设想濒海战斗舰远洋反潜战作战设想符合《21世纪的反潜战作战设想》一书中提出的目标，依靠优化一系列资产着手处理反潜战威胁。在这种优化过程中，传感器和网络被置于武器和平台之上，确保其能力得到优先发展。根据作战原则和正在研发的相关能力（如反潜战作战设想中提出的那些），水下作战空间能够被监控并得到保护。在战术应用上，濒海战斗舰远洋反潜战系统与由高价值的作战和非作战船只组成的舰队部署在一起。濒海战斗舰的任务是在高价值单位航行通过责任区的过程中，为其提供保护（high value units，HVUs），并且保护海上交通线。在抵达预定的责任区之后，依靠监控、巡逻，濒海战斗舰要为部队提供防护，并为战斗群提供外围防御。成功保卫战斗群为应用海上防御、海上打击和海上部署（Sea Shield， Sea Strike， and Sea Basing）提供直接支持。有两种行动模式。第一种行动模式是护航模式，当高价值单位向预定责任区航行时，濒海战斗舰执行护航行动。在这种模式下，濒海战斗舰的主要任务是确保海上航线不受潜艇威胁。第二种行动模式发生在高价值单位处于指定责任区的情况下。在该模式下，濒海战斗舰的主要任务是为部队提供保护，通过在战斗群或被护送船队的外围巡逻，确保其在责任区内的行动自由。护航模式需要采用机动掩护。由于在机动过程中濒海战斗舰位于受掩护船队的前方，所以需要部署舰载声纳探测系统。远洋声纳环境不如沿海地区嘈杂，所以优先选择基于被动声纳的探测系统。声纳探测的有效工作距离用于确立濒海战斗舰所能提供的掩护空间，还用于确定航空增程系统（aviation range extender systems）提供掩护的位置。航空增程系统有能力通过各种传感器的组合、覆盖一组频谱并通过舰载系统或先进的可部署系统进一步扩展探测的范围。随着船队和濒海战斗舰驶向这些可部署的系统和传感器，这些可部署的系统和增程器可由濒海战斗舰人员收集、重新加注燃料并准备用于下一个可部署的区域。两套自成体系的系统提供必要的轮换，防止船队停航。在这两种行动模式下，舰外传感器在船队前方移动，做好战斗准备，监控作战空间。舰外传感器包括表面分布式网络传感器（surface distributed netted sensors，SurDNS）和水下分布式网络传感器（subsurface distributed netted sensors，SubDNS），它们通过卫星通信连接起来。源于这些传感器的数据通过卫星通信链路上传，传回位于陆地和濒海战斗舰的数据处理中心，由作战管理系统（battle management system，BMS）生成通用作战图（common operating picture，COP）。表面分布式网络传感器和水下分布式网络传感器都提供不间断地探测和引导。水面和水下增程器（Surface and subsurface range extender，SurRE/SubRE）同样会前置部署，以扩展探测和交战的范围。无论是水面还是水下增程器都有能力参战，并为濒海战斗舰和责任区的友军部队提供防御。无论这些系统是防区内还是防区外的武器系统，无论是有人操纵的还是无人驾驶的，都能够以综合方式追踪武器装备。这些非传统的系统和方法提供了较高的搜索和杀伤概率，从而可以摧毁更多数量的敌军潜艇。濒海战斗舰舰载感器和武器系统提供另外的进攻和防御能力。图9采用了综合计算机辅助制造，对整个从搜索到打击序列的功能转型进行定义。美国海军反潜战工作组《21世纪反潜战作战设想》是本次研究计划的基本需求文件。通过在国防部体系结构框架（Department of Defense Architectural Framework，DODAF）的第5号军种视图（Service View-5）下绘制作战要求的系统职能，我们研究制订了切实可行的效果衡量标准（measures of effectiveness，MOEs）。表1的系统视图说明了本小组采用的定性处理过程，用于确定最为合适的效果衡量标准。四、效果衡量标准美国国防军需大学（Defense Acquisition University，DAU）把效果衡量标准定义为：在预期应用环境中，源于系统应用过程，用来衡量军事效果（任务完成度）的数据。这里所说的环境包括正进行测试的系统和所有相关系统，也就是说，计划或预期的环境跟武器、传感器、指挥与控制以及平台有关，适当时，需要在作战中完成一项首尾衔接的任务。另一种定义源于参谋长联席会议主席指示（CJCSI 3170.01F），该份文件提出的效果衡量标准侧重于结果。效果衡量标准进一步分解为性能衡量标准（MOPs）和适应性标准（measures of suitability，MOSs）。性能衡量标准强调性能参数。适应性标准源于作战环境的要求。在本次研究中，作战环境应包括远洋运输区，濒海战斗舰将在该区域与盟军战舰一起行动，为高价值单位提供保护。效果衡量标准回答了有关一套系统能够干什么的问题。对于反潜战作战设想来说，其在危机时刻掌控敌军这一目标的核心是濒海战斗舰能够阻止敌军潜艇发起攻击，它要符合《21世纪海上力量》一书中的海上打击和海上掩护设想。然后，《21世纪海上力量》一书中提到的第三个支撑点，海上部署（Sea Basing）要与海军部队网相结合，并供其使用，确保资产得到有效管理，打击反潜战威胁。1、保护高价值单位网络化、分散式的作战部队提升了非聚合式架构的弹性，从而当作战能力集中到一艘船体上时降低了关键战力的损失。分散和非聚合的方式对于降低战斗力和作战能力损失的贡献只有这么多。高价值单位提供了大部分功能和战斗力。海军作战部长在《海军作战部长办公室指令3380.5》中就高价值单位护航行动定义了若干高价值单位。根据该项指令，美国海军和美国海岸警卫队政策优先把弹道导弹战略核潜艇（SSBNs）、航空母舰、巡航导弹潜艇（SSGNs）、核攻击潜艇（SSNs）、两栖突击舰（LHAs/LHDs）以及军用海上补给船做为高价值单位。因此，把对高价值单位提供保护做为效果衡量标准是合适的。2、保护海上交通线对于许多世界强国来说，保护海上交通线至关重要。美国海军约翰•摩根上校认为：反潜战是一项集体行动，在一个复杂多变的作战环境中需要有多种多样的平台和能力参与其中。水下环境，其范围从沿海浅滩到巨大的大洋盆地的深处以及冰雪覆盖下的极地区域，需要采用多个领域的方法，包含情报学、海洋学、监视与引导、多种传感器与传感器技术、协调一致的多平台行动以及水下武器的应用等。着眼于保护海上交通线，使得我们可以有效运用水面作战力量，特别是濒海战斗舰，打击水下威胁。摩根上校同样强调利用新兴技术，结合对于需求的理解，确保美军在反潜战竞赛中赢得制高点。 五、性能衡量标准性能衡量标准和适应性标准应结合起来支持一项或多项效果衡量标准。相较于效果衡量标准回答有关系统能够干什么的问题，性能衡量标准由关键性能指标（key performance parameters，KPPs）构成，解决系统能够提供什么样的能力问题。虽然由于本课题研究范围的关系，并没有提供与各性能衡量标准相关的性能指标，但本文提供了性能衡量标准的列表，并在前文所述之作战设想的背景下对其进行了解释。本课题采用质量功能图（Quality function diagram，QFD）明确各性能衡量标准，并根据它们对之前确定的两项效果衡量标准的贡献大小进行排序。图10表明质量功能图把用户的定义转化为设计质量。1、速度作战设想设定濒海战斗舰在某舰队的编成内执行护航行动，该舰队由作战与非作战的高价值单位构成。如图11所示，舰队护航队形安排要求濒海战斗舰位于舰队限制性航道（limiting lanes of approach，LLA）的前方，把探测范围最大化，迫使攻击潜艇处于鱼雷危险区之外。这会防止潜艇从舰队的前方潜航靠近，从而保护整个舰队。如果攻击潜艇的速度远大于舰队的速度，则它就能够从舰队的后方接近。据海军作战部长办公室介绍，一艘潜艇必须要保持隐蔽并且维持对自身的防御，以便以适当方式对水面船舶发动攻击。这项说明强调了速度的重要性。而潜艇需要隐蔽接敌，这限制了它的速度，因此，它必须缓慢靠近。如果潜艇缓慢靠近目标，水面作战力量则可以利用提高航速的方法予以反制。虽然目前濒海战斗舰平台的最大速度仍然保密，不过，根据美国海军研究所的说法，第5艘濒海战斗舰“密尔沃基号”将是首艘因装备了新型轴流式喷水发动机MK-1而获益的美国军舰，该型发动机可以推动濒海战斗舰以超过40节的航速前进。在舰队中有一艘航空母舰的情况下，整个舰队的速度是由航空母舰的航速来决定的。美国“尼米兹”级航母可以维持大于30节的航速。 2、持久力通用联合任务列表（Universal Joint Task List，UJTL）规定了不同种类任务的持续时间，从持续时间非常短，不足30天的任务，到时间跨度非常长，期限超过一年的任务。据洛克希德•马丁公司介绍，“自由”级濒海战斗舰能够以大于40节的航速行驶超过1，000海里的航程，或者以巡航速度航行3，500海里。在为高价值单位护航的背景下，当作战力量和非作战力量必须在大洋上航行时，一组濒海战斗舰前置部署，做好战斗空间准备，同时，另一组濒海战斗舰在舰队的编成内部署，执行护航任务。虽然囿于本课题的研究范围，不对确切的战术做深入分析，但实际持久力是濒海战斗舰远洋反潜战系统的一个关键属性，需要加以考虑。比照前文提出的作战设想，持久力影响的不仅仅是濒海战斗舰自身，而且会影响到濒海战斗舰部署的舰外传感器和水面与水下系统。前文作战设想中提到的先进的可部署系统需要长时间驻留在责任区内，监控作战空间，做好战斗准备。为了与平台结构上的传感器保持一致，及时提供重要的态势感知（situational awareness，SA），对于情报、监视和侦察（intelligence， surveillance， and reconnaissance，ISR）来说，持久力是一项重要的能动因素。较长的持久力使规划作战行动的人员能够“安排后不管”（drop and forget）这些系统，从而铺设一套网络化的工具监控、报告和引导其他资产。这些可部署系统（包括水面、水下系统和防区外武器）的任务期限不同，这取决于冲突类型和战争规模。无论如何，需要有一定的作战持久力显然是一项重要的系统参数，而且是众多因素的函数。全面分析这些因素不在本文的研究范围之列，但显而易见，这些系统在责任区持续运行需要能源。备用能源是持久力的一个驱动因素，而持久力能够使《21世纪的反潜战作战设想》一书中所倡议的平台上的传感器设想成为现实，并为其提供支持。3、及时濒海战斗舰远洋反潜战系统由传感器和平台构成，在舰上或舰下运行。先进的可部署的水面和水下系统在濒海战斗舰远洋反潜战体系中自成系统。这些系统结合在一起，要应对远洋反潜战威胁，就要根据作战设想中规定的作战方式协调一致开展行动。这种模块化设计需要建立严格定义和标准化的接口，确立互操作性，便于在各套系统间开展协调。为了共享数据，协调工作十分必要，这需要有强大而可靠、安全且及时的通信和数据中继通道。鉴于护航的布局安排（如，相对于高价值单位的护航间距），结合迅速发展的鱼雷技术，如鱼雷射程的提高，应高度压缩从传感器到射手的反应时间。源于传感器的数据必须及时传递，以便提供决策所需的情报，闭合观察、调整、决策、行动（observe， orient， decide， and act，OODA）圆环。4、互操作性正如《21世纪的反潜战作战设想》一书中的范例描述的那样，数据跨平台迁移需要融合多个渠道来源的数据。此外，美国国防部将继续在资源和预算紧缩的环境下运转，同时，由于技术扩散，别国对世界格局的现状发起挑战，必要的作战任务会继续增加。为了应对这样的状况，需要所有的资源共同努力。这种从平台的特定能力向联合作战的迁移越来越多，需要各平台能力参与其中，从而需要共享数据和信息，导致互操作性对于达成任务目标至关重要。与《21世纪的反潜战作战设想》相一致的是《21世纪的海军部队网功能构想》（the FORCEnet Functional Concept for 21st Century）。海军部队网被定义为“信息时代用于海军作战的军事架构和体系框架，把作战人员、传感器、指挥与控制、平台和武器整合为一支网络化、分布式的作战力量”。此外，在濒海战斗舰远洋反潜战系统的背景下，濒海战斗舰、舰载传感器、舰外传感器以及先进的水面和水下可部署系统之间有必要实现互联互通。濒海战斗舰被设想为一个不断移动的控制节点，管理舰载/舰外传感器和水面与水下可部署的先进系统，对其下达指令并进行操作。源于这些系统的数据回传给濒海战斗舰，利用舰载作战管理系统生成通用作战图。作战管理系统将提供指挥与控制体系，建立可供作战决策使用的通用作战图，并且使信息能够与濒海战斗舰远洋反潜战系统以外的平台共享。5、水下探测范围对于潜艇来说，隐蔽接敌是其成为有效战争工具的首要优势。广阔的海洋使潜艇能够自由活动，在海平面以下不被察觉地开展进攻和防御性活动。不过，一旦暴露，潜艇的作战效果就会荡然无存。因此，在反潜战中，探测和定位至关重要。潜艇能够在未被察觉的情况下保持静默，这使它能够发动一次秘密袭击。根据《海军武器系统基本原理》第8章中关于“水下声音原则”的论述，在对潜艇的探测中能量操作扮演着重要角色。当濒海战斗舰执行远洋反潜战任务时，它可能采取的战术是冲击接敌和漂移机动，同时在高价值资产前方前置部署以便搜索威胁。它可能会向前冲击，在此阶段打开主动声纳搜索，然后减速至舵效航速状态，或干脆双车停，任船漂移，将其噪音特征最小化。声能是主动搜索潜艇的主要方法。它使潜艇能够通信和导航，对它的操作极大地改变了潜艇的性能。不过，海洋温度、盐度和压力的不断变化限制了以声学为基础的探测系统的工作范围和精度。要克服这些限制性条件，有必要了解责任区内的作战环境。必须预先部署先进的可部署系统和传感器，提供现场的环境测量结果。例如，掌握压力、盐度和温度将有助于计算性能系数（figure of merit，FOM），这是一种用于确定声纳有效范围的测量指标。性能系数指仍能生成50%的探测概率时声音信号的传输损失。环境测量结果的非一致性会影响声音的传播特征，进而根据当前的作战环境，性能系数可以确定声纳工作的有效距离。麦克唐纳提出：因为环境影响，反潜战部队收发信息的能力会降低，这进一步支持了环境的重要性。探测距离的提高与反潜战采取的战术和行动紧密相关。在掩护和护航行动中，掩护空间是根据声纳工作的有效距离确立的。通过提高声纳工作的有效距离，护航部队的间隔和队形能够扩大，这有效提高了扫描的宽度。这种扩展延伸了探测敌方潜艇的距离，从而提高了水下探测的范围。 6、水下探测精度要确定水下探测精度不仅需要了解声纳性能，而且要熟悉预期作战环境。例如，海洋温度、盐度和压力的不断变化限制了以声学为基础的探测系统其探测的精度和距离。在了解即时环境方面的任何提高都会改善包括探测精度在内的传感器性能。因此，提高探测精度从而为环境监控提供所需的支持，这正是《21世纪的反潜战作战设想》一书中所呼吁的。除了基于声纳的探测方法，探测精度还可以通过非传统的方法得到提高。人们应该研究非传统的技术（如天基系统和激光技术）以提高水下探测的精度。7、作战系统安全可靠作战系统安全可靠是消灭敌方作战力量的必要条件。正如作战设想中提到的那样，在需要多方作战力量协作、时间敏感或者有某些目标线索的环境中，作战系统安全可靠绝对是至关重要的。护航舰队的队形安排决定了护航舰艇与高价值目标之间距离较短，从而缩短了从传感器到射手之间的反应时间。最靠近探测区域的武器系统将承担打击敌军的任务，而且我们期望每次都能成功、可靠地对敌实施打击。作战系统的可靠性与武器配对之间有独特的关系，也受其影响，而武器配对反过来又受到作战系统传感器性能的推动。8、舰外传感器解决方案传感器解决方案明确了传感器的技术性能。通常，传感器的解决方案与传感器的性能有直接关系，传感器解决方案得到改进会提升传感器的性能。不过，比照作战设想中提出的系统思维和协调方法，两者之间的这种关系可能并不反映实际情况。具体到反潜战任务，必须要确定利用自然现象的算法。传感器解决方案的改善可能会也可能不会提高数据的质量。在濒海战斗舰远洋反潜战中，各系统传感器解决方案可以通过采购获得，以满足任需要。对于适合任务需要的传感器解决方案，无论传感器的性能水平如何，在确定系统特征时，传感器解决方案总会占有一席之地，从攻防两方面成为反潜战解决方案空间的组成部分。9、监视范围我们成功夺取作战空间优势的关键是在敌军探测到我们之前，或在其进入能够有效部署武器的范围之前，探测到敌人的动向。因此，持续监视战场环境对于探测、识别、定位和追踪潜艇至关重要。根据特定的声纳音响特征持续监视指定的频率，会为高价值资产带来最优化的保护效果。无论是濒海战斗舰还是先进的水面与水下可部署系统，舰身内外的传感器将构成一套传感器的混合体，利用一系列的监视频谱检测自然现象。技术上的进步使潜艇能够长时间停留在水下。不过，为了执行任务，潜艇必须相对于目标确定自己的位置，还要与其指挥和控制节点通信。随着潜艇移动，它可能会对自然环境造成影响，此时组网的传感器就可以利用不同的频率对其实施探测。此外，潜艇利用甚低频、极低频、视觉或其他可能不同寻常的技术与其指挥和控制节点通信。广泛利用频谱有利于识别、定位和追踪潜艇。总之，可部署的先进系统上的传感器将弥补当前和未来国家情报资产的不足，提供覆盖整个战场的持久监视能力。10、隐蔽潜艇之所以成为如此高效的战争武器，除了其他特点，主要是它能够利用海洋这一作战环境，秘密执行任务。静音技术的发展进一步提高了现代潜艇的隐蔽性和隐身性。而且，经过改进的壳体技术和涂层材料使潜艇的作战深度提高到前所未有的水平，探测潜艇的活动变得更加困难。濒海战斗舰远洋反潜战必须利用自身的隐身性打败潜艇的隐蔽性。在航行过程中濒海战斗舰自身不可避免会产生嘈音。因此，随着隐身技术逐渐发挥作用，大量工作应集中在制造传感器和可部署的先进水面与水下系统上。11、通信的可靠性作战设想中构想的协调一致行动需要各类传感器和平台融合在一起，这要求有可靠的通信保障。能够操作和维持一支潜艇部队的国家很有可能拥有削弱和破坏各种通信方式的能力。无论数据是用于指挥与控制、引导还是态势感知，通信都处于作战设想的中心地位。在对抗性的环境中，可靠的通信至关重要。除了多个特定区域和严格限制的作战区域之外，应该采用功能强大、抗干扰、可靠的通信和数据中继系统负责战区广阔战场空间的通信联络。六、功能要求功能要求配置被细分为4大主要系统任务。这些功能被定义为确立搜索计划（establishing a search plan）、进行搜索（running the search）、管控接敌（managing contacts）和与敌交战（engaging the enemy）。这些功能与《反潜战功能分析》白皮书中的内容一致。交战部分只进行了部分探索，包括分配某个目标和管理航线，但剩余涉及射击解决方案的部分并未包括在本文的研究范围之内。图12描绘了较低层次的功能分解。 第四章建模与仿真性能衡量标准在确定效果衡量标准以后出台。两套系统层面的效果衡量标准是对高价值单位和对海上交通线的保护。在确定系统架构与要求的阶段，本研究团队合并了一系列的性能衡量标准，并利用定性的质量功能图流程，生成了支持两种效果衡量标准的性能衡量标准。为了提供定量方法，本研究团队利用ExtendSim构建了一套模型，提供对于系统性能衡量标准的直观认识。具体来说，我们决定采取建模、仿真和实验设计等方法定量获得性能衡量标准，这有助于保护高价值资产，因为21世纪海上力量的支柱，如海上部署、海上掩护和海上打击是以核动力航母等资产为核心的。同样，本研究过程中对建模和仿真的应用侧重于濒海战斗舰对高价值单位（如核动力航母）的保护，使其在远洋环境下不受潜艇威胁。与其说模型的构建受整个作战设想的驱使，倒不如说由系统水平的性能衡量标准决定。之所以出现这种结果，部分原因是无论在何种作战场景下，未被发现的潜艇都构成了最严重的威胁，而且，更为重要的是任务成功与否是由能否及时发现潜艇决定的。不仅如此，在确定需求阶段开展的杀伤链分析提出：需要及时探测、识别和追踪潜艇目标，消灭其对高价值单位构成的威胁。因此，在本项研究的案例中，对于高价值单位的保护是一项实际的任务，需要在远洋环境下探测、识别和追踪潜艇威胁。当涉及到消灭潜艇威胁时，有可能探测到敌军潜艇是最为重要的阶段。一旦敌方潜艇被锁定，成功对其实施打击取决于武器系统的效能，如捕获和击沉的概率，即由性能系数和性能组成的函数。成功对潜艇实施打击取决于若干因素，而建模与仿真工作的重点是探测到潜艇的概率，决定这一结果的因素包括范围（扫描宽度的函数）、速度和持久力（搜索时间的函数）。同样需要着重指出的是，建模并不是要确定及格/不及格的标准，或成功执行任务的可能性。它的目的是对濒海战斗舰是否能够成为执行反潜战任务的可行方案提供直观的认识，并且说明如果可行的话，濒海战斗舰需要具备哪些通用的标准，如航程、速度和持久力。根据《海军作战分析》（Naval Operations Analysis）介绍，发现潜艇的距离随潜艇的相对移动而不同。一旦目标在传感器的工作范围之内，用于确定传感器效果的性能衡量标准即为传感器探测到目标的概率。探测概率设想在一个指定的时间段内至少有一次发现目标。在探测概率中使用的参数之一是扫描宽度。扫描宽度被定义为“在特定的环境条件下，针对给定的一类目标，测定传感器效能的一个数值。各种探测设备（雷达、声纳、眼睛等）应以具有实际意义的唯一数值做为其性能的特征”。与扫描宽度相一致的是扫描速度（sweep rate）。由于“许多安装在移动平台上的传感器其探测效果会随着平台速度的提高而降低，也就是说扫描宽度是速度的递减函数”，所以扫描速度是一个关键要素。之所以与此性能衡量标准有关，是因为切实有效地搜索一个目标需要在多个区域进行。增加搜索区域需要搜索人员不断移动，这使得扫描速度成为探测概率中的一个重要因素。水面作战力量执行反潜巡逻可能会在预定或随机出现的作战地域进行。在随机搜索中，不明威胁可能会出现在该区域的任何位置。《海军作战分析》把随机搜索过程中的探测概率描述为一个下界，平均分布在各搜索区域中。本研究团队决定在建模和仿真工作中采用随机搜索理论，具体情况见后续章节所述。此外，值得一提的是，模型中的数值是以构想的作战设想和开源信息为基础的，可能不是真实性能的数值。不过，采用的方法是合理的，如果有需要，可以利用实际的性能数值加以重复。一、模型描述和注意事项该模型对敌方潜艇威胁执行随机搜索，通过输入扫描宽度（w）和速度（v），得出在给定时间段内对某型潜艇的探测概率。1、扫描宽度（w）以海里（nm）为单位，定义为在给定时间段内，传感器能够扫描的路径的宽度。2、搜索时间（t）以小时（h）为单位，基准模型以2小时的搜索时间起算。作战设想构想运动中伴随掩护，因此，2小时的搜索时间是合适的。3、搜索区被确定为一个半径22千米（大约12海里的半径）的圆形区域。该距离是以设想潜艇发射鱼雷的最大有效射程为基础的。这一区域面积，A，在模型中被定义为：4、这些等式中的速度（v）包括先进的可部署系统与传感器平台的速度范围和持久力特征，它们可能会集成在濒海战斗舰的反潜战任务模块中。它以节、海里每小时（nm/h）来表示，持久力以海里（nm）或小时（h）来表示。速度变化的范围包括濒海战斗舰自身、传感器或增程器（如垂直起飞的飞行器[Vertical Takeoff Aerial Vehicle，VTAV]）等。该模型不区分以指定速度航行的特定目标。表2确定了建模与仿真要绑定的速度和持久力特征，其中速度以节每小时（kt/h）表示。特征 巡航速度： 最大速度 持久力@巡航速度 持久力@最大速度濒海战斗舰 18 kt/h 40 kt/h 3500 nm 1000 nm垂直起飞的飞行器（MH-60 R/S） 70 kt/h 140 kt/h 2.7 h 无数据5、此模型中采用等式2确定探测概率。该等式假设巡逻的海洋平台以速度（v）搜索通过这一区域，并没有采用与目标相关的系统性搜索方法。此外，为了生成所有模型运转的探测概率，该模型认为在护航舰队航行的区域内始终存在一个目标。6、扫描速度是探测概率的一个贡献因子，等式3表明其计算公式为速度（v）乘以扫描宽度（w）。7、不同类型的潜艇会发出不同的探测频率。不同潜艇的信号强度也各不相同，这取决于潜艇的类型。本次研究采用的模型并未考虑这些影响，认为对敌方潜艇的相关数据知之甚少。该模型设想潜艇的特征已经确定，并未采用诸如船体谐波或发动机噪音等相关特征变量。二、模型实施在建模与仿真工作中，以基准模型做为起点。基准和后续分析如表3所示。随后输入双倍的速度（v）、扫描宽度（w）和搜索时间（t）进行计算，以评估提高这些参数对探测概率的影响。当只有速度和扫描宽度影响扫描速度时，各参数对探测概率的影响效果相同。模型运行/特征 探测概率 扫描速度（nm/hr） 范围（nm） 搜索时间（hr） 扫描宽度（nm） 速度（kt/h）基准 0.043268 10 12 2 0.5 20倍速 0.084664 20 12 2 0.5 40双倍扫描宽度 0.084664 20 12 2 1 20双倍搜索时间 0.084664 10 12 4 0.5 20为了说明多艘装备了反潜战任务模块的军舰具有什么样的影响力，我们利用变量（s）表示濒海战斗舰军舰的数量。不只一艘军舰探测到潜艇目标的概率如式4定义当涉及多艘军舰时，探测到目标的概率公式如式5所示：当两艘军舰在一片均匀分布的区域随机搜索潜艇时，有可能会发生搜索重叠的现象。将方程式5中两艘装备了濒海战斗舰反潜战任务模块的军舰探测到目标的概率与一艘装备了同样任务模块，基准数据相同，只是扫描宽度、搜索速度或搜索时间加倍的军舰探测到目标的概率进行比较，我们发现，军舰数量加倍与扫描宽度、搜索速度和搜索时间加倍具有同样的效果。因此，与随机搜索模型有关的公式6把探测到目标的概率化简为：表4表明，随着越来越多的濒海战斗舰装备反潜战任务模块，在探测到目标的概率和扫描速度上，统计学意义随之提高。濒海战斗舰反潜战任务模块数量 探测概率 扫描速度（nm/hr） 范围（nm） 搜索时间（hr） 扫描宽度（nm） 速度（kt/h）基准-1 0.043268 10 12 2 0.5 202 0.084664 20 12 2 0.5 203 0.124269 30 12 2 0.5 204 0.16216 40 12 2 0.5 205 0.198412 50 12 2 0.5 206 0.233095 60 12 2 0.5 207 0.266278 70 12 2 0.5 208 0.298025 80 12 2 0.5 209 0.328398 90 12 2 0.5 2010 0.357457 100 12 2 0.5 20三、设计实验进行模拟设计实验（design of experiments，DOE）的目的是与建模相结合在模型中引入不确定性的情况下，确定哪种性能衡量标准对探测概率的影响最大。在建模过程中，就扫描宽度、搜索时间、速度以及装备的濒海战斗舰反潜战任务模块的数量为变量设计实验。在实验设计中对每个参数考虑4项因素，重复10次，生成2560种结果的混合。对于全部随机搜索模型，采用了一种类似于抛硬币的二项式方法。把这2560种结果添加到一套ExtendSim仿真工具中，其范围变为一组随机参数。对于每次实验运行的结果，目标要么被发现，要么没有找到。对于每次事件，ExtendSim仿真工具有一种解决方案，即有50%的机会发现目标。把ExtendSim仿真模拟的结果输入到实验设计软件——Minitab——之中进行分析。实验设计分析后续的结果如图13、14所示。图13展示了各要素层对于探测目标的影响程度。在各要素中，随着各数据点的升高，探测目标的概率随之提高。特别关键的要素根据曲线的陡度来确定。较陡的曲线代表关键要素。图13表明搜索时间、扫描宽度和速度的作用是相似的，几乎对探测概率有相同的影响力。这种相似性由它们的曲线有类似的陡度来表示。根据一次多层因素的设计实验，装备反潜战任务模块的濒海战斗舰数量越多，探测到目标的概率就越大。对该模型进行分析的结果也表明，各要素p值的统计学意义小于0.05。（结果的统计学意义是结果真实程度的一种估计方法。专业上，p值为结果可信程度的一个递减指标，即p值越大表明结果越不可信。在许多研究领域，0.05的p值通常被认为是可接受错误的边界水平。译者注）图14表明利用模拟仿真，不同的参数是如何彼此相互作用，对探测概率产生影响的。我们采用了一套全要素的设计方案生成示意图，确保所有的组合形式都被统计在内了。我们对搜索时间、扫描宽度、濒海战斗舰的数量和速度进行了分析，以确定彼此之间是否互相影响。根据此次仿真模拟，在比较过程中，随着各要素数量的增加，探测到目标的概率会随之提高。根据一项原则，当各曲线彼此相交时，会出现相互影响。由于各示意图的并行特性，要素组合中并没有表现出相互影响的现象。四、建模与仿真结论 1、增加濒海战斗舰的数量2、提高传感器的扫描宽度 3、提高巡逻平台的速度 4、增加搜索时间该建模与仿真很有意义，未来某些分析师很有可能会尝试利用其做出更多决策。如果此模型用于本研究之外的项目决策，我们建议利用更为详细的项目规范、非开源的性能参数对模型进行分解，然后根据个人能力，在濒海战斗舰反潜战任务模块的框架内开始实施。第五章 备选方案分析备选方案分析是基于性能建模、功能体系架构和成本分析的结果进行的。为了关联可能的解决方案，我们利用了皮尤矩阵。皮尤矩阵由斯图亚特•皮尤提出，是一种决策工具，用于提供系统工程学方法，能够对比某套系统的备选解决方案。它们通常用于主动把一系列备选方案缩小为一个子集，为下一步的评估工作筛选出更具意义的特征。为了使备选系统的对比结果切实有效，必须根据基准性能和现有系统的成本对备选系统进行比较。皮尤矩阵直观展示哪些备选系统不能满足性能和成本的要求，促进了流程的进行。这些备选系统不会包含在可能的解决方案之列，因此，只有那些性能优于基准要求的备选系统才会成为可能架构的一部分。随后利用形态盒互换后续解决方案，证明最佳的解决方案或解决方案的组合。通过这一体系，可以明确利益相关者提出的效果衡量标准要求，以及如何实现各个目标。随后在需求分析阶段利用这些效果衡量标准确定濒海战斗舰远洋反潜战任务模块的功能。一、皮尤矩阵皮尤矩阵（见图15）被用于根据远洋反潜战基准要求对备选技术进行比较。皮尤矩阵还有助于限制改变备选项，使工作的重点仍保持在确保基本原则的实现上。通过对比需求效果衡量标准，会单独以需求为基础生成一份解决方案。我们已经全面调查了当前的反潜战威胁，并对现有系统进行了研究。通过这些研究调查，我们确立了可在皮尤矩阵内进行数值对比的基准。随后根据设计特性对该基准进行衡量，把结果分别登记为较好“+”；较差“-”或相同“S”。利用皮尤矩阵对需求与现有资产进行对比得到的初步结果表明：当只考虑搜索和探测的速度与距离时，装备声纳设备的直升机或垂直起飞的飞行器对于濒海战斗舰远洋反潜战任务模块来说是一种理想的系统。当侧重于水下的敌方威胁时，濒海战斗舰部署的变深声纳具备互通性，可与直升机资产结合使用，这使它成为一种理想的解决方案。此外，我们开展了各类比较研究，对诸如由外部实体安装的舰外传感器与舰上工具进行了对比。为了给这些资产增添额外的变量，我们对无人飞行器与相应的有人飞行器进行了比较。详细的成本分析为资产提供了采办、整合、运行、保障和生命周期成本。将成本纳入评估体系，在皮尤矩阵分析阶段就会有更为详细的解决方案显现出来。确保可能的备选方案满足需求标准，而且符合基本原则，直升机与可部署的变深声纳相结合再一次提供了一种较为可行的解决方案；不过，它的整个生命周期成本代价不菲，超过24亿美元，如MH-60R，这是一种垂直起飞的飞行器；第二代联合主动与被动拖曳阵列声纳（CAPTAS 2），这是一种可部署的变深声纳，两者相结合总的生命周期成本为8.5亿美元。总的成本还包括了足以对威胁高价值单位的潜在目标进行搜索、探测和分类的成本，但是并不包括利用舰载系统处理数据的成本，如果加上这一项，需要在总成本上再加上另外的9.2亿美元。有一种可能的备选方案，把两套或三套单独的系统整合在一起以实现同样的目的。在这种备选方案中，增加能够执行搜索、探测和分类等功能且成本最低的资产，这里，成本最低的资产指无人艇（USV）、AN/SQQ-89和多功能拖曳阵列声纳的组合，其总的生命周期成本为17亿美元。在单独的解决方案和系统的组合之间进行对比，对比的结果给了利益相关者和系统工程师很实用的选择方案，可以保障基本原则得以贯彻执行。根据皮尤矩阵计算得出的结果，任何备选方案都必须包含濒海战斗舰水面反潜战作战系统，确保舰载反潜战作战系统能力。二、形态盒在形态盒内进行对比，有助于缩小设想的选择范围，收紧设计空间，显示一组合理的组合（见图16）。根据建模与仿真的结果推理发现，随着濒海战斗舰数量增加，探测到目标的概率随之提高。为了改善分析结果，在作战空间内增加更多的濒海战斗舰决取于具体的任务要求。从形态盒可能的备选方案组合来看，MH-60R直升机和第二代联合主动与被动拖曳阵列声纳以及AN/SQQ-89相结合，提供了最佳的能力组合，能够执行探测、识别、追踪和打击目标的能力。我们对濒海战斗舰的性能进行了研究和分析，描述并评估了可行性，认为应该让其执行远洋反潜战作战任务，搜索、探测目标并予以分类。我们对武器与传感器的更换进行了系统研究，确定它们二者之间的最佳组合，以提供足够的能力满足本次研究确定的需求和作战设想。我们还对商业可用系统的系统属性数据以及美国海军的项目和拱顶石文件进行了搜集。出于制订生命周期成本评估的目的，搜集的系统属性数据包括成本、工艺成熟度、基本性能、体积和物质构成。第六章 成本分析 一、成本估算方法为了获得采购项目的成本估算结果，美国国防部明确了要使用的4种主要分析方法或成本估算方法：类比（analogy）、参数（统计）（parametric [statistical]）、工程学（自下而上）（engineering [bottoms up]）和实际成本（actual cost）。由于没有可用于要分析的商业和国防部能力的明确的设计数据与工作细分结构（work breakdown structure，WBS）数据，在此次分析中，我们采用类比方法估算生命周期成本估值，而且这种方法完全与系统无关。对于个别性能，根据单位成本、重量、材质构成和预计整合的复杂度，采用参数分析的方法，以评估采购和平台整合的成本。运行和维护（Operations and support，OS，后文简称为“运维”）成本是根据类似系统的运维成本来估算的，或者利用采购成本通常占生命周期成本的平均百分比来估算，一般为28%。图17展示了成本估算的程序和该分析采用的方法。为了简化成本估算程序，分析过程中采用了由前沿科技股份有限公司（Frontier Technology， Incorporated，FTI）开发的综合成本估算（Integrated Cost Estimation®，ICETM）软件工具。综合成本估算整合了多个参数的成本数据库，提供了一套导向性驱动流程，精心估算军队具体的成本要素和系统应用。出于估算需要，Galorath公司用于硬件、电子设备和系统评估的SEER软件（ SEER for Hardware， Electronics， and SystemTM，SEER-H）与前沿科技股份有限公司的综合成本估算软件相结合，辅助研究采购与整合成本以及相关能力的分析。二、能力与类似系统根据已经进行的研究，在许多情况下，各种能力都在多项濒海战斗舰反潜战作战任务中发挥了辅助作用。随后章节分组说明用于构建成本估算分析的各种作战任务。 1、搜索、探测和分类能够有助于最初功能划分的下列系统需要满足任务的搜索、探测和分类等部分功能。表5——11描述了确定的各套任务系统。2、目标选定与武器和传感器优化作战系统（见图12）在执行任务时，出于职能需要，应满足目标选定、武器和传感器优化以及数据管理、指挥与控制等工作要求。3、作战空间的调整与自卫诱饵系统包括实现作战空间调整和自卫所需的必要能力（见图13）。三、列装计划、服役寿命、通货膨胀、人员和财政年度表14列出了基于2013年12月任务模块选择性采购报告（Selected Acquisition Report，SAR）中的参数，在成本估算中设想的列装计划。表15是综合成本估算软件工具直接生成的结果，展示了在成本分析中采用的生产和部署进度表。所有成本以2006年美元的实际购买力为基准输入综合成本估算工具。所有成本输出结果以2015财政年度美元的实际购买力为基准进行展示。总共有16套任务模块，成本估算设想在能力分析中包括一套系统（如一套无人水下运载器或一套无人艇）。四、能力成本估算后续章节介绍了各种能力成本投入和相关生命周期成本总计的结果。这些数值是近似值，基于类似系统展示了采购、整合、运行、支持和生命周期成本大概的估算结果。如果此成本模型用于决策目的，需要进一步分析与濒海战斗舰平台有关的秘密和内参级设计信息。因此，该信息可以被认为是开源的。五、生命周期成本注意事项生命周期成本注意事项对于分析备选方案流程来说是一项至关重要的因素，用于确定最实惠和最为切实有效的濒海战斗舰反潜战任务模型解决方案。无人水下运载器、垂直起飞的飞行器、垂直起降战术无人飞行器以及濒海战斗舰舰载精确探测雷达代表着濒海战斗舰项目相当大的生命周期成本投入，总的生命周期成本从10亿多美元至24亿美元。而无人艇、濒海战斗舰部署的拖曳式阵列以及变深声纳代表着更为实惠的解决方案，总的生命周期成本从1亿美元至8亿美元。相较于采购和集成的成本，由于这些系统成熟度较高，加之计划成本逐年削减，水面反潜战作战系统和鱼雷反制措施具有较低的生命周期成本。第七章结论 一、结论在远洋反潜战任务中，濒海战斗舰是一种可行的备选应用方案。通过采用改变任务模块的方法，濒海战斗舰能够扩充它的能力，使它成为一种独特的海军舰艇。为了执行远洋反潜战任务，濒海战斗舰必须认真选择模块组件和相关的主要传感器，确保反潜战任务得以顺利完成。在对之前提到的参数认真地建模与仿真之后，本研究小组利用皮尤矩阵和形态盒帮助解读数据，尝试建立一些可能具备远洋反潜战能力的推荐组合。结果发现，推荐的濒海战斗舰远洋反潜战任务模块应包括濒海战斗舰反潜战作战系统、一套空中资产，如能够搜索、探测高价值单位潜在威胁并对其分类的MH-60R和第二代联合主动与被动拖曳阵列声纳。与潜艇的成本相比，濒海战斗舰成本较低，这使得我们可以利用多艘濒海战斗舰执行此项任务。多艘濒海战斗舰联合行动可以迅速搜索大片区域，再加上垂直起飞的飞行器，更能成倍扩大搜索面积，加快搜索速度。搜索面积更大，搜索速度更快，它们带来的优势是能够更早发现目标，从而使高价值单位更能顺利航行。二、未来的工作MH-60R能够提供探测、识别和跟踪目标所需的能力，不过它在深海探测方面可靠度较差，运行成本也较高，代价不菲，因而在采购决策方面让人为难。可以考虑一些更具性价比的备选方案，包括利用无人或本身的资产，如配备无人水下航行器的多功能拖曳阵列声纳和性能堪比AN/SQQ-89的主机系统。在这一点上，需要进一步研究这些方案，这有助于根据项目管理预期，选择最佳的备选方案，在风险和预算评估间找到平衡点。此项研究可以扩展，包括评估濒海战斗舰被动声纳的性能，以及本报告并未涉及到的其他反潜战搜索能力。利用开源信息之外的其他资料能够提供另外的材料组合，或许会展现更为有效的濒海战斗舰远洋反潜战任务解决方案。拥有进攻和防御性反潜战资产与威胁的真实数据可以提供更加精确的模型，生成更加准确的结果。可以利用项目成本估算对这些结果进行比较，这有助于了解如何更好地应用舰内外的传感器和武器，对备选方案其他可能的新型组合有更加直观的认识。