基于信息量的海洋環(huán)境與潛艇信息化作戰(zhàn)

江禪志,李 寧,高國(guó)興

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266042)

近 30年來(lái),在西方國(guó)家發(fā)動(dòng)的幾場(chǎng)現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)中,采用空中作戰(zhàn)力量——隱形戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行低空突防的戰(zhàn)例,應(yīng)用信息作戰(zhàn)達(dá)到“出其不意,攻其不備”作戰(zhàn)效果的突出表現(xiàn)[1]。值得一提的是“英阿馬島海戰(zhàn)”。英國(guó)“征服者”號(hào)核潛艇在成功擊沉阿根廷海軍“貝爾格拉諾將軍”號(hào)巡洋艦以后,迫使阿根廷海軍退出戰(zhàn)斗。這是潛艇利用自身優(yōu)勢(shì)對(duì)敵施加的一種潛在的威懾。盡管當(dāng)時(shí)英國(guó)海軍在該海域布置了為數(shù)不多的核潛艇,但正是這種潛在的威懾力量構(gòu)成了迫使阿海軍不敢進(jìn)行參戰(zhàn)的重要因素之一。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下阿海軍并不具備有效的反潛能力或力量,而英國(guó)海軍潛艇的隱蔽性是使己方在馬島附近海域出現(xiàn)的位置和時(shí)間的不確定性達(dá)到最大！在戰(zhàn)爭(zhēng)中,將戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)相結(jié)合形成的“出其不意”的“不確定性”構(gòu)成了對(duì)敵的強(qiáng)大威懾。

現(xiàn)代軍事科技的進(jìn)步使得“不確定性”處在動(dòng)態(tài)變化中,具有相對(duì)性。目前,隨著海洋探測(cè)技術(shù)和潛艇消聲技術(shù)的不斷發(fā)展,潛艇被發(fā)現(xiàn)和潛艇隱蔽性這一“矛”和“盾”的性能指標(biāo)提高可謂并駕齊趨。一方面,敵對(duì)雙方反潛能力較之以前有了很大的提高。從大洋深處到瀕海海底、海峽水道甚至可能的港口航道等所謂的重點(diǎn)區(qū)域都布設(shè)或正在布設(shè)的各種聲納基陣,正逐漸形成“水下前哨”。一直向上延深至天空、太空等的衛(wèi)星或反潛飛機(jī)的不間斷偵察監(jiān)控等手段也正趨于完善?？傊?一張張以現(xiàn)代軍用信息技術(shù)為支撐的立體反潛網(wǎng)正在形成,這極大削弱著潛艇水下航行的隱蔽性。但另一方面,潛艇的靜音能力也不可小覷。各種消音設(shè)備的應(yīng)用,潛艇動(dòng)力設(shè)備、螺旋槳性能等的不斷改進(jìn),使?jié)撏У撵o音性能得到很大提高。加之在某些特定海區(qū),人們也能夠應(yīng)用海洋與大氣環(huán)境變化形成的復(fù)雜水聲環(huán)境,改善潛艇隱蔽效果。發(fā)生在2009年2月的英、法兩國(guó)的核潛艇在大西洋海域的相撞事件也充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。

潛艇的隱蔽性產(chǎn)生的對(duì)敵威懾效應(yīng)是明顯的,但是在現(xiàn)代信息戰(zhàn)條件下信息作戰(zhàn)潛艇對(duì)敵方的信息優(yōu)勢(shì)變得不再那么顯現(xiàn)。那么如何應(yīng)對(duì)信息戰(zhàn)條件下對(duì)潛艇作息戰(zhàn)提出的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)？本文采用信息論的觀點(diǎn),通過(guò)理論模型簡(jiǎn)要分析了潛艇在現(xiàn)代信息戰(zhàn)條件下信息作戰(zhàn)中保持信息優(yōu)勢(shì)的可能性,如何避繁就簡(jiǎn)地定量分析潛艇信息化作戰(zhàn)中的不確定性,進(jìn)而根據(jù)理論模型中信息量與信息熵的關(guān)系,提出信息優(yōu)勢(shì)獲取的不對(duì)稱性、加強(qiáng)一體化研究以及前沿或先導(dǎo)技術(shù)研究以保持信息優(yōu)勢(shì)的觀點(diǎn)。

2 基本原理

2.1 信息量的定義

信息量及信息熵的概念是 Shannon在 20世紀(jì)40年代提出的,他將熵的概念引入到信息論,并將其作為隨機(jī)變量不確定度的度量開(kāi)始的,并逐漸在通信領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。其形式直觀,便于理解。目前信息熵、信息論的基本原理在眾多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,如通信,經(jīng)濟(jì)、生物工程等[3]。在 20世紀(jì)80年代國(guó)外將其應(yīng)用于系統(tǒng)的效能評(píng)估[4],國(guó)內(nèi)也有研究者將其應(yīng)用于武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評(píng)估。

在信息論理論中,信息量的高低反映的是一種不確定性,具有概率性質(zhì);主要是指接收者得到信息后能夠?qū)?wèn)題解除存在疑慮的程度。這種不確定性可以通過(guò)(1)式進(jìn)行量化:

顯然,在這個(gè)模型中,iP實(shí)際上是一個(gè)多變量聯(lián)合概率密度函數(shù),反映了多種事件或因素對(duì)共同對(duì)iP構(gòu)成的影響,當(dāng)然這些因素對(duì)其貢獻(xiàn)量可能是不同的。本文暫不分析 CCOM 的建模計(jì)算過(guò)程(對(duì)于具體的問(wèn)題這是可行的,我們將在后續(xù)文章中給出,這不是本文的目的),而是應(yīng)用這一原理討論架構(gòu)層次上的問(wèn)題。

2.2 信息熵的定義及性質(zhì)

根據(jù)Shannon提出的信息熵的概念[3],這里不妨定義為敵對(duì)雙方(也可以是多方)應(yīng)用不同途徑獲取的信息熵并用Ξa(chǎn)表示。

這個(gè)量在分析具體問(wèn)題時(shí)可以表示為對(duì)研究論題的“了解程度”或“把握程度”。例如對(duì)于潛艇作戰(zhàn)而言,可以將其描述為一次作戰(zhàn)行動(dòng),或偵察行動(dòng)中“態(tài)勢(shì)的透明度”程度;又如以潛艇的隱蔽性或不被暴露的可能性為研究對(duì)象,這個(gè)量的變化又可以反映敵方對(duì)我方可能的探測(cè)信息量的總和。因而對(duì)于不同的問(wèn)題均可以考慮一種適合的描述方式。Ξa(chǎn)是一個(gè)多元變量函數(shù),反映多種要素影響下的潛艇的隱蔽性函數(shù)。該值越大反映隱蔽性越高。

根據(jù)完備性條件,可以得出式(3)具有的一個(gè)顯著特點(diǎn),即當(dāng)某一個(gè)為 1時(shí),其它 Pj且(j≠i)時(shí)Ξa(chǎn)=0,即在此條件下的不確定性為0。

另外,根據(jù)信息熵的定義可知,當(dāng)信息熵最大時(shí),Pi=1/N。圖1給出了一維情況下平均信息熵與檢測(cè)概率密度函數(shù)之間的關(guān)系,這里的檢測(cè)概率指的是某種CCOM?？梢?jiàn)信息熵在P=0.5達(dá)到最大。

圖1 檢測(cè)概率與平均信息熵的關(guān)系示意圖

3 應(yīng)用實(shí)例及分析

我們將信息量、信息熵的理論觀點(diǎn),應(yīng)用于潛艇信息作戰(zhàn)過(guò)程中增強(qiáng)隱蔽性,提高不確定性,獲取更大信息優(yōu)勢(shì),進(jìn)而形成對(duì)敵最大威懾作用的分析。這也是其基本原理在指導(dǎo)潛艇作息作戰(zhàn)中信息優(yōu)勢(shì)獲取方面的具體應(yīng)用。

3.1 主動(dòng)與被動(dòng)信息優(yōu)勢(shì)獲取

考慮潛艇航行的隱蔽性與信息優(yōu)勢(shì)的關(guān)系。根據(jù)信息論觀點(diǎn),對(duì)于完全確定性的事件,其概率為 1,表示其含有的信息熵為零;實(shí)際上反映了我方在信息優(yōu)勢(shì)的獲取方面占有優(yōu)勢(shì),并且是對(duì)所需信息的全部掌握,對(duì)我方而言“戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)”處于完全透明。通過(guò)式(3)不難發(fā)現(xiàn),要達(dá)到這樣的目標(biāo)可能相對(duì)“容易”。事實(shí)上,由于可以應(yīng)用多個(gè)變量中 x1,x2,...,xni中的任何一種CCOM進(jìn)行信息優(yōu)勢(shì)的獲取。在現(xiàn)實(shí)中可以應(yīng)用任何手段對(duì)敵方潛艇施行跟蹤、監(jiān)視等作業(yè),因而在這些手段中只要存在一種組合 CCOM 的情況,并取得成功則可以使我方的信息熵為零,即不確定性為轉(zhuǎn)化為零,從而形成我方戰(zhàn)場(chǎng)的信息優(yōu)勢(shì)。具體而言,對(duì)應(yīng)于式(3),當(dāng)能夠確定存在一種情況,使得=1時(shí),而對(duì)其它的j≠i,Pj= 0成立。對(duì)于潛艇隱蔽性對(duì)敵形成的不確定性而言,當(dāng)存在一種CCOM的組合,使不確定性度量為1時(shí),其它有CCOM組合已不再具有實(shí)際的意義,因而其它的CCOM組合使 Ξa(chǎn)=0是成立的。這一點(diǎn)可由信息熵的完備性得到的。

反之,為保持潛艇隱蔽性,則需考慮更多因素。并在考慮其它因素過(guò)程中,可能會(huì)顧此失彼。需考慮在潛艇遂行作戰(zhàn)任務(wù)的全過(guò)程的隱蔽性。對(duì)于式(3)而言,即要求考慮i=1...N時(shí)的 Pj全相等,這實(shí)際上是考慮了所有的CCOM！因而可以認(rèn)為由信息熵的角度分析潛艇航行的隱蔽性,其主動(dòng)信息優(yōu)勢(shì)的獲取與被動(dòng)信息優(yōu)勢(shì)獲取的存在理論上的不對(duì)稱性。這一結(jié)果進(jìn)一步體現(xiàn)了“進(jìn)攻是最好的防御”這一觀點(diǎn)。

3.2 應(yīng)用一體化思維分析潛艇信息作戰(zhàn)

在研究潛艇航行隱蔽性問(wèn)題中,由于多種因素均可能造成對(duì)潛艇隱蔽性的破壞,也就是說(shuō),這種因素可能造成使某一Pi值很大,從而使可信度下降。為保持隱蔽性需要對(duì)所有因素分析,即對(duì)每一 CCOM進(jìn)行分析,力求使Pj全相等。事實(shí)上,這些事件可能彼此交叉,例如螺旋槳設(shè)計(jì)與動(dòng)力系統(tǒng)之間的關(guān)系、海洋環(huán)境與潛艇的航行深度速度的關(guān)系、航行航路的選擇與對(duì)敵情的偵察與掌握,以及潛艇的隱蔽發(fā)報(bào)通信與海洋環(huán)境等,為了實(shí)現(xiàn)潛艇航行的隱蔽性,可能需要就這些問(wèn)題進(jìn)行更為深入地交叉研究和討論。即可能為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要進(jìn)行組合。

以上原因的存在,迫使我們不得不采用一體化的觀點(diǎn)對(duì)隱蔽性進(jìn)行分析;同時(shí)也需要考慮將CCOM 中相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行分離,即應(yīng)用信息離散化的方法對(duì)單一事件影響下的隱蔽性問(wèn)題進(jìn)行分析,例如為了考慮潛艇的隱蔽性可以單獨(dú)分析,例如分析潛艇的航行深度與潛艇隱蔽性的關(guān)系、海洋環(huán)境特性對(duì)聲傳播的影響等。不同的因素具體體現(xiàn)在式(2)中能夠使得整體的不確定性增加。由此可見(jiàn)應(yīng)用一體化的思想進(jìn)行系統(tǒng)分析對(duì)于保持潛艇信息作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)是有利的。

3.3 潛艇信息作戰(zhàn)的前沿或先導(dǎo)技術(shù)

充分研究和開(kāi)發(fā)能夠應(yīng)用于潛艇信息作戰(zhàn)的前沿或先導(dǎo)技術(shù),在未來(lái)潛艇作戰(zhàn)中有利于對(duì)敵保持威懾。實(shí)際上不僅是潛艇作戰(zhàn),對(duì)于其它武器裝備的發(fā)展也是如此。隨著的軍事科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和可能存在的未來(lái)海上不同層次對(duì)抗的升級(jí),已往存在的威懾力量會(huì)在新的形勢(shì)下變得不足以平衡敵對(duì)勢(shì)力的挑釁,通過(guò)加快前沿或先導(dǎo)技術(shù)的研究,能夠保持或創(chuàng)造并形成新的威懾力量。對(duì)潛艇作戰(zhàn)而言,由于隱蔽性是其形成對(duì)敵威懾的主要因素,保持這一威懾的力量就是要保持隱蔽性。研究中,復(fù)雜海洋環(huán)境下的航行、復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信、應(yīng)用海洋環(huán)境實(shí)現(xiàn)的隱蔽性等依然是目前的重要研究方向,并可能保持或創(chuàng)造并形成新的威懾力量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)信息量和信息熵理論討論了在潛艇信息化作戰(zhàn)中充分發(fā)揮潛艇隱蔽性的重要意義,并分析為可以用信息熵表示的不確定性定量分析潛艇信息化作戰(zhàn)中其隱蔽性作戰(zhàn)效能。本文同時(shí)應(yīng)用了信息論觀點(diǎn)對(duì)潛艇信息化作戰(zhàn)中的不確定性進(jìn)行了理論建模研究,并由此得出了信息優(yōu)勢(shì)獲取的不對(duì)稱性觀點(diǎn),并認(rèn)為加強(qiáng)一體化研究以及前沿或先導(dǎo)等技術(shù)的研究不僅適應(yīng)于潛艇信息化作戰(zhàn),對(duì)于其它軍事理論中軍事效能評(píng)估等論題的研究也具有一定的啟示作用。但需要指出的是本文的研究論題及相關(guān)結(jié)論是初步的,需要進(jìn)行更為深入的建模研究,例如對(duì)不同技術(shù)條件下每一種 CCOM 對(duì)不確定性的影響還亟待進(jìn)一步深入研究,并需要從敵對(duì)雙方的不同視角進(jìn)行分析等,這些問(wèn)題我們將在后續(xù)的文章中分別給出。

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