万字长文！美海军《作战平台和作战系统概述》

空中和导弹防御是一个复杂的过程，涉及设备和计算机程序的协调运作。最有效的防御通常是多层防御，每层使用不同的技术，如远程硬杀伤，其次是硬杀伤区域防御，然后是硬杀伤和软杀伤（电子战）自卫。一个作战系统必须合并、融合和消除许多来源的传感器数据的冲突，以产生一个单一的可用的轨迹图供决策使用。在整个过程中，传感器被控制，传感器资源的使用被管理，以满足整体防御的需要。作为许多作战系统要素的技术指导者和技术顾问，约翰-霍普金斯大学应用物理实验室（APL）进行系统工程、分析和实验，帮助海军以可承受的成本选择最强的作战系统能力。

大多数海军战舰都有能够进行空中和导弹防御的作战系统。这些作战系统可以用 "探测-控制-交战"的模式来很好地描述；也就是说，作战系统的各个组成部分在概念上可以归类如下：

• 发现和跟踪空中和导弹目标的探测部件
• 控制部件：识别目标并作出交战的决定
• 交战部件：安排和执行交战，目的是摧毁或以其他方式否定目标。

这些部件的能力范围随舰级的不同而有很大的差异，导致了图1中所示的整体防空和导弹防御能力的变化。

图1. 不同作战系统的防空和导弹防御能力的比较。(顶部的图表未按比例绘制)。

宙斯盾驱逐舰和巡洋舰是海军最有能力的防空单位，因为它们拥有远程、多功能相控阵雷达；拥有许多不同的反空战、弹道导弹防御和电子战武器；以及处理传感器数据、做出交战决定和控制这些武器的复杂控制程序。宙斯盾驱逐舰和巡洋舰可以在弹道导弹飞行的中途阶段用外大气层的标准导弹-3（SM-3）系列击败它们，也可以在弹道导弹的末端阶段用内大气层的SM-6系列击败它们，从而防御大片地区的弹道导弹。部署在欧洲的 "宙斯盾 "岸上作战系统在陆地上使用相同的探测-控制-接触组件的一个子集，为美国部署的部队、他们的家人和我们在欧洲的盟友提供外大气层防御。宙斯盾弹道导弹防御系统（BMD）舰艇和宙斯盾岸上系统是更大的弹道导弹防御系统（BMDS）的一部分，该系统本身是一个全球作战系统，整合了海军、陆军和空军的探测、控制和接触组件。宙斯盾驱逐舰和巡洋舰也能击败来自飞机和巡航导弹的攻击。宙斯盾系统能够使用SM-6地对空导弹在海上和陆地上对飞机和巡航导弹进行远距离交战。在综合火控支持下，SM-6提供了一个更大的战斗空间来对付地平线上的威胁。在地平线内，宙斯盾可以使用SM-2导弹系列和进化型海麻雀导弹（ESSM）保卫自己（自卫）和其他单位（区域防御）。宙斯盾还可以使用电子战措施，如干扰和诱饵来击败威胁。合作交战能力（CEC）和战术数据链（TDL）网络使宙斯盾和其他单位能够作为一个协调的力量进行战斗。

美国海军祖姆沃尔特号驱逐舰（DDG 1000）为海军带来了一套独特的火力和精确打击能力，目前已接近部署。祖姆沃尔特号驱逐舰拥有先进的火炮系统，其远程对地攻击弹丸能够在更远的距离发射制导弹药。它的防空和导弹防御能力介于 "宙斯盾 "舰队与航空母舰和两栖舰之间。祖姆沃尔特拥有与 "宙斯盾 "类似的垂直发射系统，并具有发射自卫导弹以及SM-2导弹的控制能力。

航空母舰和两栖舰能够投射进攻性力量（海军航空和岸上的海军陆战队）。然而，这些舰艇上的防空和导弹防御探测-控制-交战组件通常仅限于自卫。自卫是通过电子战、短程导弹系统如ESSM和滚动机体导弹（RAM）或火炮（如Phalanx近程武器系统，或CIWS）来实现的。这些舰艇的作战系统是舰艇自卫系统（SSDS）。

图2. 计划中的宙斯盾作战系统空中和导弹防御（AMD）演变和潜在能力权衡的例子。VLS，垂直发射系统。

舰艇作战系统是重大投资，随着时间的推移不断发展以实现新的能力。宙斯盾和SDS舰正在进行重大的能力升级，包括重要的新传感器能力。宙斯盾作战系统将从基线9发展到基线10（图2）。这一演变具有许多新的能力。AN/SPY-6防空和导弹防御雷达（AMDR）将提供多任务能力，同时支持对弹道导弹的远程、外大气层探测、跟踪和识别，以及对空中和地面威胁的区域和自我防御。对于BMD能力，需要比目前的雷达系统有更高的灵敏度和带宽，以探测、跟踪和支持在所需范围内对先进弹道导弹威胁的交战，同时对空中和地面威胁进行区域和自卫。对于区域防空和自卫能力来说，需要提高灵敏度和杂波能力，以便在严重的陆地、海洋和雨天杂波的情况下探测、反应和对付紧张的威胁。在控制和交战领域，宙斯盾基线10包括功能升级，以利用AMDR提供的更丰富的数据，如宙斯盾BMD 6在交战弹道导弹时利用AMDR增加的雷达灵敏度和带宽。宙斯盾基线10将利用主动式导弹的持续发展，对不断发展的反舰巡航导弹提供更有效的防御。部署在宙斯盾基线10中的AN/SLQ-32(V)7包括水面电子战改进计划第3块，提供机载电子攻击。软杀伤协调员（SKC）能力是AN/SLQ-32的一个指挥和控制子系统，将被扩展到包括协调机载电子攻击和改进的诱饵库存。

图3. 计划中的航空母舰SSDS作战系统的演变和潜在能力权衡的例子。(两栖舰，也有SSDS作战系统，也在进行相关的改进和能力权衡）。CATC，航母空中交通控制。

航空母舰和两栖舰上以SSDS为基础的作战系统历来依赖一套较老的传感器（有些最初设计于1960年代），这些传感器经历了定期的现代化改造。雷达监视和目标跟踪由AN/SPS-48G、AN/SPS-49A和AN/SPQ-9B雷达提供。额外的监视和跟踪以及半主动导弹定位的照明由Mk9火控系统提供。航母空中交通控制由SPN-43支持。在新的杰拉尔德-R-福特号航空母舰（CVN78）上，这些功能将被新的双波段雷达（DBR）取代（图3）。正在为CVN 78开发的这种新的多功能雷达是X波段AN/SPY-3和S波段AN/SPY-4的组合。然而，正在考虑为后续的CVN 79和CVN 80航空母舰以及新的两栖舰艇设计替代雷达。多功能雷达将完成AN/SPS-48和AN/SPS-49雷达的远程监视和跟踪功能，为航母空中交通管制提供数据（目前由AN/SPN-43提供），并提供SPQ-9B雷达的地平线监视和跟踪能力以及Mk 9跟踪器/发光器的火控功能。多功能雷达将能够更好地控制ESSM导弹的弹道，更准确地移交给ESSM寻的器，提高ESSM对付反舰巡航导弹的能力。

在任何新的作战系统基线的发展中，以可承受的成本选择最大的能力是一个挑战。图2和图3分别显示了 "宙斯盾 "和SSDS未来基线的候选系统和能力。APL进行建模和模拟以及关键的实验，为选择这些系统和能力中可负担的子集作为新的基线提供信息。除了主要的基线升级外，海军继续探索根据需要快速部署新能力的技术。宙斯盾和SSDS分别利用宙斯盾的速度能力和火控环路改进计划来应对舰队的紧急需求。

图4. 一个通用作战系统。实际的作战系统有图中组件的一个子集。成功的交战需要许多作战系统组件的协调运作。IFF，识别朋友或敌人。

防空和导弹防御是一个复杂的过程，涉及设备和计算机程序的协调运作。图4显示了一个普通的舰艇作战系统。舰上传感的主力是其舰载雷达，特别是多功能雷达。这些雷达得到了其他舰载雷达的补充，这些雷达有特定的用途。此外，舰艇可以通过安全通信访问位于其他舰艇、飞机、陆地站点和太空的舰外传感器。传感器被控制，传感器资源的使用被管理，以满足整体防御需求。由整个传感器组进行的个别测量与其他传感器数据相关联，在某些情况下还会融合。在所有情况下，都会产生轨迹。每条轨迹应该对应于一个物理对象。轨迹是作战系统对单个物体的总认识，包括其运动学--例如，矢量位置和速度；物体的分类（飞机、巡航导弹、弹道导弹、杂波、碎片等）；目标的类型（例如，如果是巡航导弹，它是哪种巡航导弹）；以及在适用时，目标的身份（例如，友军或敌军）。

图5说明了关联和跟踪问题。在世界任何地方的任何一天，作战人员一般都有一个先验的背景信息可用。这种背景将定义谁是可能的敌人，他有什么样的威胁，以及，一般来说，他可能如何攻击。在今天的作战系统中，这些信息被视为 "理论"，是定义作战系统如何应对传感器信息的规则集合。例如，今天的识别理论定义了，考虑到背景，哪些额外的传感器证据对于最终识别目标是必要的。下一个可能输入作战系统的是来自ISR（情报、监视和侦察）的一些早期指示，即攻击即将来临；这种早期指示提醒作战系统注意物体的存在，并经常识别目标，但它不一定提供精确的运动学或低延迟。今天，几乎没有将背景数据和ISR数据与有机传感器进行定量整合。先验背景和ISR的定量整合是新作战系统设计的一个挑战和增长点。

一旦目标进入传感器范围，作战系统就会收到传感器的测量数据（例如，机载或非机载雷达），以低延迟显示更精确的运动学，但这些数据可能包括也可能不包括用于识别物体的特征。挑战之一是如何将所有这些数据正确地关联到 "轨迹"。当测量结果被关联起来以形成轨迹时，轨迹运动学状态被计算出来（并用于后续的关联）。轨迹过滤指的是将测量序列转化为这种轨迹状态的算法，在本期S. A. Hays和M. A. Fatemi的文章中进行了讨论。图6显示了通过关联和过滤图5中的测量值而计算出的名义轨迹状态。在这幅图中，跟踪过程运行良好。图6中轨迹的数量等于物体的数量，轨迹状态随着时间的推移收敛到实际的目标位置，来自不同传感器的测量值被正确地关联起来，而且轨迹可以被推断到未来以准确预测目标位置。然而，跟踪过程在所有这些方面都会受到大传感器测量精度、低传感器更新率、高度不可预测的物体运动和物体间距的挑战。在多个传感器的情况下，测量偏差和不同的传感器测量尺寸也是挑战。克服这些挑战仍然是作战系统设计中的一个研究课题。

图5. 一个多维跟踪问题的二维表示（x，y）。在这个例子中，三个目标离得很近，足以挑战关联和过滤算法。

一个作战系统必须合并、融合和解除许多来源的跟踪数据，以产生一个单一的可用的跟踪图片，供决策使用。这包括所有的本地传感器，以及来自战术数据链路（如Link 16/11）的轨迹数据和来自传感器网络（如CEC）的测量和轨迹数据。主要的挑战是所收到的数据的多样性，以及需要使一个单位的轨迹管理过程与多个单位的轨迹管理过程具有互通性。例如，每个来源通常有不同的方式来描述运动轨迹数据的准确性，一些来源可能提供不完整的描述。类似的多样性也存在于对目标身份和类型的描述中。在不同的时间框架内设计的不同单位和不同的任务将有不同的规则和算法来支持建立一个共同的轨迹编号和识别系统。此外，网络可能提供具有不同时间延迟、偏差和数据丢失的数据。将所有这些来源的数据调和成一个单一的可用轨迹图的过程通常被称为轨迹管理，多年来一直是APL的一个活跃的研究和发展领域。

由联合军种（陆军、海军、空军和海军陆战队）为空中轨迹（副弹道导弹）跟踪制定的《单一综合空中图像指标》给出了单一轨迹图像指标的一个好例子（图7）。请注意，这些指标包括轨迹运动学和属性。此外，这些指标还衡量了不同舰艇和飞机上的跟踪图片之间的共同程度。这种共性对共享交战和识别数据至关重要。

图6. 作战系统计算出代表目标运动学的最佳估计的轨迹。该图描述了环境和ISR数据与有机传感器跟踪的定量整合--这是新作战系统设计中的挑战。

图7. 作战系统空中轨迹图的典型指标。

一旦有了轨迹，它们就成为交战序列的组织工具。交战的成功取决于对被交战目标的跟踪的保真度。当目标接近其目标范围时（图8a），更多的传感器进行测量，使跟踪运动学（如位置、速度和加速度）的准确性（图8b）以及目标身份和特征的确定性（图8c）不断提高。然而，大多数武器要求应用额外的传感器资源（例如，不同的雷达波形、更高的更新率、雷达调度中的高优先级，或在某些情况下，额外的传感器），以实现 "火控质量跟踪"（图8d），能够支持以下所有或部分内容：

• 意图的确定
• 决定交战
• 确定可接受的武器发射时间和拦截点（调度）。

图8. 一个典型的针对突袭威胁的交战序列。一旦探测到目标，就开始收集传感器数据，最终达到足够的运动学准确性和身份及特征的确定性，以实现成功交战。在整个交战过程中，满足这些阈值的传感器资源需求是不同的。

作战系统的设计是使用其关键功能的误差预算。这些预算确定了每个作战系统功能所能容忍的最大误差，并将最大误差的一部分分配给许多因素中的每一个。运动学轨迹状态误差通常是最大误差的重要贡献者。为了满足挑战性的误差预算分配，大多数作战系统对不同作战系统功能的测量数据进行不同的过滤（图9）。这些差异的一个例子是过滤的程度。较重的过滤（较小的过滤增益）将使新的测量数据相对于当前轨迹状态的权重降低，产生的运动学估计值由于测量噪声而具有较小的差异。然而，这些过滤器对不可预知的目标运动（机动）的容忍度不高。较轻的滤波（较大的滤波增益）将使新的测量值相对于当前的轨迹状态有更大的权重，并产生由于测量噪声而产生较大方差的运动学估计值。尽管这些滤波器对不可预测的目标运动（机动）的容忍度更高，但它们的方差使它们对于需要长期时间预测的功能来说不太理想。

图9. 为了满足交战误差预算，大多数作战系统为不同的作战系统功能以不同的方式处理传感器测量数据。例如，较重的跟踪过滤（较小的过滤增益）将产生运动学估计，由于测量噪声而产生较小的方差，并能进行较长期的时间预测。较轻的跟踪过滤将产生对不可预测的目标运动（机动）更宽容的运动学估计。

一旦存在踪迹，就需要对其类型和身份进行定性。这个目标是攻击防御区的威胁（应该交战）还是其他物体，如商业客机或非致命的碎片（不应该交战）？此外，能够知道的目标特征（如威胁的类型）越多，交战就越有效。确定类型和确定身份一般都需要投入额外的传感器资源，以实现成功交战所需的信心。轨迹的身份和特征以及它的运动学与作战理论相比较，以作出交战决定。

交战决定的下一部分是确定哪些武器（导弹、火炮和/或电子战）有能力消除威胁，并根据其库存和预测的有效性来选择使用的武器。交战决定是促使需要精确的轨迹运动学的因素之一，因为轨迹运动学状态可能需要预测到很久以后（例如，考虑到舰载导弹飞出到预测的拦截点的时间）。

武器选择和调度的一个基本原则是 "火力深度 "的概念--范围内的多层防御。最有效的防御通常是多层防御，每层使用不同的技术，如远程硬杀伤（如海军综合火控），其次是硬杀伤区域防御，然后是硬杀伤和软杀伤（电子战）自卫。弹道导弹防御的类似物是中段防御，然后是海基终端防御。

考虑以防空为例。假设有一次NT威胁的突袭。衡量防空性能的一个典型指标是突袭歼灭的概率（PRA）。对于NL层防御，每层都有杀死目标的概率（PK），火力深度的数学优势可以很容易地在一个非常简化的分析中证明。要歼灭整个突击队，必须杀死每一个NT目标，而杀死每一个目标的机会都是NL。简化的分析假设所有这些事件在统计上是独立的，在这种情况下，PRA由PRA=[1-(1-PK)NL]NT给出。

图10是在突袭规模为5个威胁的情况下绘制的这个方程式。请注意，只用一个单层就能达到很高的防御水平（高PRA），需要在该层有很高的杀伤概率。这种高杀伤概率很难通过单一技术（如单一导弹类型或单一电子战策略）实现，因为任何防御技术都有可能被对手利用的弱点。在每一层中使用不同技术的分层防御，要求每一层的杀伤概率相对较低，通常使高PRA更容易实现。不同层中使用的不同技术使统计独立假设更有可能成立，因此更有可能出现多层的收益。因此，大多数舰艇都有硬杀伤和软杀伤的混合防御技术，以及不同类型的硬杀伤和软杀伤武器。

图10. 使用不同技术的多层防御通常使高PRA更容易实现。该图描述了对五种威胁的突袭的简化分析结果，并假设所有的交战在统计上是独立的。

此外，火力深度可以节省库存。如果第一层的交战是成功的，而且可以有把握地衡量这种成功，那么后续各层所需的资源就不需要花在这种威胁上。

随着交战的进行，一般需要更多的作战系统资源才能取得成功（图8d）。作战系统设计的一个重大挑战是决定何时使用这些武器，以及如何安排作战系统资源（例如，传感器、发射器、照明器）来完成交战。时间安排是动态的，随着新的传感器数据的提供、额外目标的披露以及最初安排的交战的执行而改变。这些挑战在本期M.R. Smouse等人的文章中讨论。

随着交战的安排，作战系统保持整体的交战时间表，并按照该时间表执行交战。大多数作战系统对传感器测量值进行自定义过滤，以获得与个别武器控制要求相匹配的轨迹状态（例如，获得稳定的速度，以便在拦截前进行长时间预测）。作战系统初始化导弹（在发射器中），以建立一个共同的时间框架和坐标框架，用于作战系统和导弹在飞行中的数据通信。一旦导弹被正确初始化，发动机就会被点燃。发射后不久，作战系统开始使用武器控制链路与可链接的导弹进行通信（图4）。根据导弹的类型和飞行阶段，它将被控制(1)自主地(发射和遗忘)；(2)通过向它提供持续的上行目标数据；或(3)通过向它提供加速指令。来自作战系统的目标数据将被导弹用来用其寻的器（通常是主动射频[RF]、半主动射频、被动射频或红外）获取目标，然后导弹可以开始对目标进行归位。