【指挥控制】美国海军水下战决策支持系统（USW-DSS）发展研究
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简介
水下战决策支持系统（USW-DSS）是美军水下战辅助决策支持的典型代表系统，它将各种反潜装备纳入统一作战指挥体系，利用网络中心战的分布式网络框架，分享潜艇跟踪图像、生成通用战术图像（CTP），改进反潜战术决策支持、优化反潜搜索计划，为海战指挥官、战区反潜战（ASW）指挥官提供规划、执行和协调所有ASW平台水下战作战的能力，使系统操作指挥官、舰艇指挥官以及其他参与水下作战的指挥人员随时掌握反潜态势以及整个战场的情况。本文将从功能、子系统、版本更新情况以及最新发展等角度分析该系统。
系统功能
USW-DSS可实现有效的水下战作战规划和任务执行，优化环境传感器部署，管理可用资源，平衡作战风险，提供清晰的作战环境脆弱性评估，缩短从探测到交战的跨平台指挥控制决策过程。轨迹、环境、传感器处理数据等战术数据通过平台特定接口，输入到USW-DSS，涉及系统包括AN/SQQ-89(V)水面舰反潜战作战系统、海上全球指挥控制系统（GCCS-M）和航母战术支援中心（CV-TSC）。USW-DSS处理战术数据后，支持数据向分队级和战区级平台分发，便于提升水下战战术图像质量。
从功能来说，USW-DSS主要具有任务规划辅助和任务执行管理两类功能。
图1 任务规划能力
1.1 USW-DSS的水下战任务规划辅助能力包括：
提供最合适的基于目标/威胁的资产配置、COA和机动方案；
基于威胁的探测概率、声学干扰、脆弱性和过往搜索结果等，提供增强的水面战多资产（如水面、空中和水下）搜索计划；
使己方部队能够利用计量学和海洋学（METOC）环境优势；
使指挥官能够在配置潜艇兵力的同时消除相互干扰和降低误伤风险。
图2 任务执行管理能力
1.2 USW-DSS的任务执行管理能力包括：
战术数据的实时（in-situ）交换，使部队能够更加迅速地同步行动；
提供执行情况的实时评估，使指挥官能够更迅速地调整计划；
为指挥官提供关于敌方、蓝军和关键警戒线的态势感知能力。
部署情况
USW-DSS系统部署在大量的海上机动平台和岸基节点上。岸基节点包括指挥官特遣部队（CTF）/战区水下战作战中心（TUSWOC）、海军海洋信息处理设施（NOPF）、战术作战中心（TOC）、海上作战中心（MOC）和驱逐舰中队参谋部等节点。海上节点则包括航母打击群平台（航母、巡洋舰、驱逐舰）、海底综合监视系统（IUSS）（包含海底固定预警监视系统SOSUS、拖曳阵列监视传感器系统SURTASS）等。
硬件环境和性能
图3 USW-DSS系统硬件
目前，水面平台安装的USW-DSS处理软件托管在统一海上网络和企业服务（CANES）系统中，采用面向服务的体系结构（SOA），是虚拟化且可移植的，由USW-DSS硬件提供显示生成和操作员界面。岸基及相关保障节点的USW-DSS软件则托管在商用现货硬件中。
标准的USW-DSS系统硬件使用12单元设备机柜，装有4个虚拟化/计算节点，每个节点采用32核处理器，521GB RAM，4TB固态内存。系统采用RHEL操作系统和Kernel虚拟机（KVM），具有虚拟组网能力。系统配置的24端口的10G Base-T交换机支持虚拟局域网（VLAN）和路由能力。每套系统配有2台55寸触摸屏和4个操作员工作站，每个工作站使用6核处理器，拥有16GB RAM和27寸显示屏，支持OpenGL图形功能。
USW-DSS子系统
由于公开渠道信息较少，目前掌握的USW-DSS子系统主要有数据融合引擎（DFEN）、作战路线规划器（ORP）、任务优化web服务、网络中心数据融合（NCDF）、多传感器数据融合系统（MSDFS）以及协调的反潜战任务规划器（CAMP）等。
4.1 数据融合引擎（DFEN）
图4 2014年进攻性蜂群演示活动
DFEN由Wagner公司开发，是USW-DSS和SQQ-89A（V）系统的鱼雷防御功能段（TDFS）的子系统，主要用于关联和融合声学和非声学数据。在2014年8月举行的CNO进攻性蜂群演示活动期间，DFEN根据5台自主水面舰艇（ASV）提供的传感器数据生成了通用作战图（COP）。
4.2 作战路线规划器（ORP）
图5 作战路线规划器
ORP由Wagner公司于1992年研制，是一种最先进的反潜战 (ASW) 搜索规划工具，用于为使用无源和单基地有源传感器的多个搜索器以及配备磁异常检测（MAD）系统的飞机生成接近最优的搜索路径。ORP使用遗传算法（GA）来生成整体的联合搜索计划，并针对多个搜索者进行了联合优化，其生成的搜索路径完整且考虑深度变化。此外，ORP还能够评估用户自定义搜索路径的有效性。近期，Wagner公司与Neptune科学公司合作对ORP进行了升级，将包括空基声呐浮标在内的双基地系统纳入ORP的搜索计划，并增强了其他功能。
ORP是在Windows系统中独立运行的控制台应用程序（console applicaiton），因此大部分版本没有图形界面（GUI），与ORP的通信主要通过基于文档的接口（file-based）来完成。只有在少数大型任务规划系统中使用的ORP会提供有限的GUI能力。
4.3 任务优化web服务
图6 任务优化web服务所使用的的非高斯跟踪引擎组件
该能力使用由海军标准 STAPLE 系统、非高斯跟踪算法和非高斯资源优化算法生成的非同类环境数据来预测高关注度目标的未来位置并优化针对这些目标的搜索，使用户能够决定应当何时使用哪些资产（舰船、潜艇和飞机）在关注区域的何处具体位置进行搜索。
图7 使用任务优化web服务生成水面战搜索效率图
4.4 网络中心数据融合（NCDF）能力
图8 网络中心数据融合能力
NCDF是一种低成本数据融合子系统，使用所有联网传感器数据生成精确通用战术图（CTP），并为USW-DSS提供了具有高鱼雷攻击探测概率（PD）和低虚警率（FAR）的自动化多传感器能力。
USW-DSS B2R3版集成了NCDF、接触到航迹多假设数据关联和融合模块（contact-to-track multiple hypothesis data association and fusion module，CTAM）以及航迹到目标多假设数据关联和融合模块（TOAM）等能力，能够自动生成跨平台航迹关联建议和通用战术图。
4.5 多传感器数据融合系统（MSDFS）
图9 多传感器数据融合系统（MSDFS）
MSDFS采用多假设、高斯和跟踪和非高斯跟踪技术，以及计算资源优化算法，能够精确融合大量传感器提供的所有反潜战和水面战信息。
4.6 协调的反潜战任务规划器（CAMP）
图10 CAMP生成的舰船（红色）、MH-60R（蓝色和绿色）优化搜索方案
CAMP模块采用创新性的搜索优化技术和算法，能够为异类水面和空中平台生成经协调的联合优化反潜战搜索方案，并可以近实时修正方案。该模块提高了用户的态势感知和威胁评估能力，有效缩短了搜索区域所需的实践。该模块计划部署到CV-TSC、和濒海战斗舰的反潜战任务包中。
版本升级情况
图11 B2R3与B3版对比
海军当前使用的先进能力2.3版（B2R3）于2013年完成初始作战测试和评估，截止2019年已按计划部署至65艘水面舰艇，以及3个岸基司令部和5个训练中心。2.3版主要托管在舰艇内部硬件环境中，为用户提供战斗群水面战规划和执行等联网化指挥控制能力。而新研制的第3版（B3）是一种硬件独立的虚拟化版本，将采用一种新的体系结构，能够快速增量交付战区级和战斗群级的水下战指挥控制能力。
5.1 B2R3版
图12 B2R3版系统界面
指挥控制能力：B2R3版能够为水下战指挥官和平台提供共享的态势感知能力，其战术态势显示器具有航迹管理和融合，以及战术图像和战术决策辅助能力。该版本实现了与其他USW-DSS节点的跨平台数据共享功能，可共享航迹和TDA数据、传感器性能预测、环境、任务计划、以及（部队传感器/武器/C2）电子状态板等内容。通信方面主要采用IP通信模式在USW-DSS网络中共享数据。
任务规划/执行监控能力：实现水面战传感器平台的“最佳匹配”，提高目标接触探测概率。任务规划方面可为区域/障碍/基准搜索的传感器设置和路线规划提供“最佳匹配”建议，计算累积探测概率（CDP），基于传感器参数、当前/历史环境数据和威胁参数预测传感器性能。执行监控方面，能够评估传感器的实时性能以及对预期性能的覆盖程度，并使用实时传感器数据升级CDP。
图13 B2R3版的系统接口示意图
5.2 B3版
图14 B3版系统界面
指挥控制能力：与B2R3版相比，B3版可将态势感知数据共享给战区级的水下战单位，战术态势显示器新增了水面战接触目标管理功能。
任务规划/执行监控能力：传感器性能预测功能可以获取并显示气候和环境预测数据，支持传感器性能预测和未来任务规划。区域计划改进方面，可支持水域分配和干扰检查，并给予传感器性能、目标威胁概率和其他风险因素开发区域配属建议。使用远程虚拟桌面并开发了基于web的UI，用于TACSIT和规划工作。
USW-DSS B3版将提供赛博安全方面和战区反潜战方面的功能，通过集成数据源和平台的输入，包括P8-A“海神”及相关空中反潜战传感器，提升和增加功能性，并改进稳定性和可靠性。USW-DSS B3版将提供通用和升级的可视化功能，实现一体化的水下战平台传感器数据共享，减少数据录入，增强传感器性能预测性和数据融合水平，降低水下战战术决策辅助（TDA）的冗余度。
图15 B3版系统接口示意图
与B2R3版相比，B3版USW-DSS能够与更多传感器及系统连接，包括固定式传感器、潜艇和岸基节点等，并能够从战术数据链接收数据。此外，根据美海军预算能力，B3版升级的能力主要包括海域空间防互扰（PMI）、通用航迹管理器、Link-16连通性、平台数据融合集成能力、跨平台数据共享、自动化资产配置、资产/威胁状态信息、漏洞分析增强、反潜战航迹管理、自动化的重新规划能力、交战目标比对能力、改进的战区反潜战（TASW）、聚焦数据的海军战术云集成（Data-Focused），以及电子总战术试点(eMTP)可视化/显示服务。
USW-DSS项目是美海军反潜战指挥控制网络中心系统列档项目。USW-DSS B3版能力将分阶段交付，即以舰队能力版（FCR）的形式向作战人员交付具有时效性和较高性价比的软件改进包。从预算文件看，B3版分成FCR1、FCR2和FCR3共3个迭代版本，B3 FCR2版预计2022财年交付海军。
最新进展
USW-DSS项目的推进，将使整个部队（航母打击群和远征打击群、战区或其他部队）在面对陌生作战空间时，能获取通用、全面的态势，从而提升对水下作战空间的理解。海军继续对USW-DSS的主要数据源列档项目进行现代化，并增加传感器能力，包括但不限于AN/SQQ-89舰船反潜战作战系统、AN/SQQ-34航母战术支援中心（CV-TSC）、GCCS-M、海军分布式通用地面站系统（DCGS-N）。随着传感器能力和系统能力的成熟，对USW-DSS有价值的战术数据都融入到未来FCR版本中。按计划实施架构升级后，之后的FCR将促进USW-DSS部分组件向美国防部商用云计算环境的迁移，从而提高软件性能和可伸缩性，同时控制未来硬件成本。此外，之后的FCR计划支持系统在不同安全飞地间以及不同的平台战术数据接口间运行，比如与P-8A“海神”、潜艇和一体化水下监视系统（IUSS）固定式传感器相关的平台和接口。
同时，由于美海军作战部长（CNO）下令实施“24小时从编译到战斗”（C2C24）软件开发流程，USW-DSS也正在采取敏捷的信息技术开发方法。USW-DSS B3 FCR 2和B3 FCR 3需要重新设计系统架构，变更“设计、开发、集成/测试和认证测试”模式，因此计划时间已修改。这也反映了海上和岸基USW-DSS系统的通用化发展，这种变化将使海军本地和战区反潜指挥官更快获取反潜战前沿工具，同时提高互操作性。
根据美海军发布的2022年SBIR/STRR项目技术指南，海军研究办公室（ONR）以SBIR/STRR的形式向海军近年来通过SBIR/STRR渠道向Wagner公司分别授出了海上智能规划和实施服务（IMPS）以及战区反潜战多目标威胁优先排序（TMTP）项目合同。
IMPS项目的目标是开发基于人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 的目标位置估计和任务有效性评估和优化服务，旨在利用最准确的环境信息来有效支持美海军水下战（USW）、水面战（SUW）和空战（AW）规划人员和操作人员（包括综合水下监视系统（IUSS）操作人员），并显著提高USW-DSS和MTC2等指挥控制以及规划和执行能力。该项目目前已经推进至第2阶段。
TMTP项目是一种辅助决策系统，主要针对当前USW-DSS系统在生成观察名单（Watch List）和监控作战态势方面存在流程繁琐、耗时较长的问题。TMTP使用高保真的风险模型，根据威胁潜艇对友军任务成功概率的影响来生成多个威胁的优先级排序，以此持续自动创建优先观察名单，并增强海军战区级水下战规划和执行能力。这种能力能够帮助海军更高效地应对强敌潜艇数量不断增长的局面。海军计划未来将TMTP系统应用到航母战术支援中心（CV-TSC）、MTC2、DCGS-N等海军主要电子系统中。具备完全能力的TMTP原型系统预计2022年12月在USW-DSS云试验台中进行演示验证。
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