針對(duì)持續(xù)性跟蹤無人艇的探測(cè)技術(shù)

田 軍，佘亞軍，蔡 龍

(1.中國人民解放軍海軍裝備部，北京100071;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九所，湖北 武漢430064)

0 引 言

環(huán)視中國周邊，從東北亞、東部沿海到南海已成為各國艦艇數(shù)量最為密集的區(qū)域，其中不乏“弗吉尼亞”等代表世界最高技術(shù)水平的核潛艇。這些艦艇長期監(jiān)視我海軍行動(dòng)，扼守我海軍進(jìn)出島鏈的各個(gè)關(guān)口，對(duì)我海軍部隊(duì)構(gòu)成直接威脅。同時(shí)，我國潛艇部隊(duì)還受到他國反潛偵察部隊(duì)的特殊關(guān)照，美國部署大量間諜船、遠(yuǎn)洋勘測(cè)艦、P-3C 反潛機(jī)、EP-3 偵察機(jī)等監(jiān)控我潛艇部隊(duì)動(dòng)向，日本裝備HSS-2B、P3-X 等多種反潛機(jī)來監(jiān)視我水下艦隊(duì)［1］。據(jù)報(bào)道，最近DARPA 提出ACTUV 項(xiàng)目，計(jì)劃開發(fā)一種具有先進(jìn)的反潛搜索能力、可以獨(dú)立部署的無人艇，用于對(duì)他國潛艇進(jìn)行長期監(jiān)視和跟蹤，ACTUV 的出現(xiàn)將會(huì)對(duì)我國潛艇部隊(duì)安全形成重大挑戰(zhàn)［2］。

1 ACTUV 簡介

ACTUV 屬于反潛無人艇技術(shù)的一種。2008年5月，通用公司曾向美國海軍交付1 艘艦隊(duì)級(jí)反潛無人艇，可執(zhí)行海上防御、保護(hù)航線、港口監(jiān)測(cè)等反潛戰(zhàn)任務(wù)，為美國海軍水面艦艇戰(zhàn)斗群提供有力保護(hù)。2010年3月，DARPA 正式啟動(dòng)了ACTUV 項(xiàng)目(見圖1)，計(jì)劃建造100 艘持續(xù)性跟蹤無人艇，部署于第一島鏈和第二島鏈之間的廣大海域，密切注視我潛艇部隊(duì)的舉動(dòng)。ACTUV 的主要特征有:

1)針對(duì)我國核潛艇和常規(guī)潛艇的噪聲、外形等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì);

2)排水量157 t，艇長19 m，航速27 kn，續(xù)航力3 000 km 以上;

3)裝配聲吶超過3 部，能將監(jiān)控所得信息實(shí)時(shí)發(fā)送到美軍指揮中心;

4)具有強(qiáng)大的推進(jìn)功能、優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性能、持續(xù)跟蹤目標(biāo)能力，突破了隱身技術(shù)難題，具有先進(jìn)的總體性能和改變反潛模式的能力。統(tǒng)計(jì)信息是目標(biāo)的重要特征，得到了目標(biāo)特征之后可采用最大相關(guān)分類器和歐氏距離最近分類器對(duì)測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別(見圖2)。

圖1 ACTUV 模型Fig.1 The model of ACTUV

圖2 SAR 技術(shù)目標(biāo)識(shí)別模型Fig.2 The model of SAR technology on target identifiction

2 常規(guī)探測(cè)方法

如何結(jié)合ACTUV 的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行反制，是海軍亟需解決的問題。針對(duì)艦艇的探測(cè)方法通常有以下三類:

1)天基探測(cè)

衛(wèi)星探測(cè)是指利用光學(xué)遙感衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星等對(duì)敵艦艇進(jìn)行搜索，近年來我國在衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得重大突破，可應(yīng)用于監(jiān)視ACTUV。

光學(xué)遙感衛(wèi)星通過對(duì)目標(biāo)的方向角進(jìn)行測(cè)量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，測(cè)量精度受到透視投影、攝影軸傾斜、大氣折光等因素的影響，因此必須建立起精確的幾何成像模型。對(duì)于高分辨率衛(wèi)星遙感成像而言，建立嚴(yán)格幾何定位模型時(shí)，必須考慮遙感成像過程中造成影響變形的各種物理因素，如衛(wèi)星位置、傳感器姿態(tài)、相機(jī)參數(shù)等，利用這些幾何條件建立起幾何模型。

雷達(dá)衛(wèi)星技術(shù)分真實(shí)孔徑雷達(dá)成像和合成孔徑雷達(dá)成像。以合成孔徑雷達(dá)為例，其性能穩(wěn)健，不受天氣、光照等條件限制，具有全天候的作戰(zhàn)能力、廣泛應(yīng)用于艦船目標(biāo)識(shí)別，適合對(duì)敵水面艦船搜索與跟蹤，但合成孔徑雷達(dá)圖像中包含有大量的海雜波，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以削弱雜波的影響。在進(jìn)行目標(biāo)特征提取時(shí)，形狀信息、輪廓信息、

偵察衛(wèi)星采用無源定位法對(duì)地面電磁波輻射源進(jìn)行定位［6］，主要有測(cè)向定位和測(cè)時(shí)差定位2種技術(shù)。由于軌道高度已知，偵察衛(wèi)星利用單站二維測(cè)向法即可完成目標(biāo)定位。二維測(cè)向過程如下:令cosβx和cosβy分別為視線方向的2 個(gè)方向余弦，視線方向的第3 個(gè)方向余弦值為

可以得到目標(biāo)相對(duì)星下點(diǎn)軌跡的方位角為

目標(biāo)與星下點(diǎn)之間的地心張角

這里RL是地球本地半徑，RS是地心與衛(wèi)星之間的距離。為解決星載二維偵察設(shè)備較為復(fù)雜的問題，有學(xué)者提出在高速自旋衛(wèi)星上進(jìn)行一維測(cè)向，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位，且測(cè)試設(shè)備復(fù)雜度降低一半，但一維測(cè)向法獲得的定位數(shù)據(jù)精度有所下降。

遙感衛(wèi)星和雷達(dá)衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)存在著目標(biāo)姿態(tài)敏感性、目標(biāo)平移敏感性、目標(biāo)強(qiáng)度敏感性、目標(biāo)位置精確性等問題，而偵察衛(wèi)星不受目標(biāo)狀態(tài)和外界因素的影響，可以快捷地獲得地面目標(biāo)的大體位置信息，因此適宜監(jiān)測(cè)目標(biāo)的活動(dòng)情況?？紤]到探測(cè)結(jié)果傳遞、后方信息辨識(shí)、制定反擊方案的實(shí)時(shí)性問題，偵察衛(wèi)星適宜探測(cè)ACTUV 的活動(dòng)區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位需要結(jié)合其他技術(shù)。

2)?；綔y(cè)

聲吶在探測(cè)敵方艦艇方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可借鑒美國在全球重點(diǎn)海域?qū)嵤┥詈陕牭慕?jīng)驗(yàn)，在重要海域布置分布式被動(dòng)聲吶基陣，基陣之間采用高速通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)時(shí)向岸上基地或部隊(duì)反饋監(jiān)視信息，探測(cè)ACTUV 行蹤?；蛘呃醚b配有主動(dòng)拖曳聲吶的聲吶監(jiān)測(cè)船進(jìn)行重點(diǎn)海域的搜索巡邏(見圖3)。2 種方法各有優(yōu)勢(shì)，分布式聲吶基陣具有較好的隱蔽性，部分基陣失效后，剩余基陣能自動(dòng)握手并重新組網(wǎng)，繼續(xù)實(shí)施對(duì)敵偵聽;而聲吶監(jiān)測(cè)船可以靈活地選擇偵察區(qū)域，提高探測(cè)的針對(duì)性。

圖3 聲吶陣列監(jiān)測(cè)示意圖Fig.3 The sketch map of interception sonar array

對(duì)分布式聲吶基陣探測(cè)方法而言，由于陣元布置在不同的位置，目標(biāo)的聲傳播路徑各異，降低了目標(biāo)反射信號(hào)的信道衰減效應(yīng)，有效減少了探測(cè)盲區(qū)，提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率。分布式基陣數(shù)目越大，目標(biāo)越容易進(jìn)入基陣的探測(cè)區(qū)域，同時(shí)可探測(cè)識(shí)別的目標(biāo)數(shù)量越大。相比衛(wèi)星技術(shù)，聲吶技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)方位定位和距離定位。方位定位能力依賴基陣的布陣大小，基陣布陣越大，波束越窄，指向性越好，對(duì)應(yīng)方位分辨率越高;距離定位可以采用幾何定位方法實(shí)現(xiàn)(見圖4)，根據(jù)多基地探測(cè)的距離矢量值，進(jìn)行后方交匯計(jì)算目標(biāo)的真實(shí)距離。分布式聲吶基陣探測(cè)方法的不足之處在于:受基陣布置位置及數(shù)量的限制、被動(dòng)聲吶實(shí)際探測(cè)距離較小等因素的影響，這種方式的實(shí)際探測(cè)效果較為有限。

圖4 分布式基陣目標(biāo)定位Fig.4 Target orientation by distributed array

聲吶監(jiān)測(cè)船可以通過裝配主動(dòng)聲吶獲得較大的探測(cè)距離，但主動(dòng)聲吶的探測(cè)距離取決于實(shí)際的發(fā)射功率，只有采取較大功率發(fā)射模式才能獲得較大的視域，而增加發(fā)射功率的同時(shí)增大了聲吶監(jiān)測(cè)船暴露自身位置的危險(xiǎn)性。而且聲吶監(jiān)測(cè)船的活動(dòng)區(qū)域較為有限，監(jiān)測(cè)區(qū)域只能覆蓋局部海域。

3)空基探測(cè)

空基探測(cè)主要依靠反潛巡邏機(jī)實(shí)現(xiàn)，我國自行研制的運(yùn)-8 反潛巡邏機(jī)已初步滿足巡視重點(diǎn)海域的任務(wù)需求，可以應(yīng)用于對(duì)ACTUV 的探測(cè)。

反潛巡邏機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、航程遠(yuǎn)，可裝備多種搜索設(shè)備和攻擊武器，具有以下優(yōu)勢(shì):①能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)近海寬闊海域?qū)嵤┭策壦阉?，迅速集中兵力于某一海域，搜索行?dòng)具有突然性和高效性;②能夠快速與目標(biāo)建立接觸和恢復(fù)接觸，并可實(shí)施快速攻擊;③能夠?qū)撑炌?shí)施隱蔽跟蹤，反潛巡邏機(jī)在空中跟蹤飛行，不易被艦艇發(fā)現(xiàn)，降低了艦艇采取擺脫跟蹤行動(dòng)的可能性;④搜攻潛手段多、效率高，反潛巡邏機(jī)可裝備搜索雷達(dá)、聲吶浮標(biāo)、磁探儀、紅外搜索儀、反潛魚雷和深水炸彈等多種搜索和攻擊武器。

相比其他探測(cè)手段，巡邏機(jī)信息量更大，指揮員需掌握各種搜潛手段的戰(zhàn)術(shù)性能，并需根據(jù)不同的目標(biāo)情況、海域水文情況和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)選擇相應(yīng)的搜索手段。針對(duì)其戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)，可以考慮建立反潛作戰(zhàn)指揮輔助決策系統(tǒng)，根據(jù)不同任務(wù)自動(dòng)生成搜索方案并預(yù)測(cè)作戰(zhàn)行動(dòng)效果，減輕指揮員負(fù)擔(dān)，提高作戰(zhàn)效能。指揮輔助決策系統(tǒng)可以采用兩級(jí)探測(cè)方案進(jìn)行目標(biāo)搜索:第一級(jí)搜索方案選擇，解決聲吶浮標(biāo)、磁探儀、雷達(dá)、紅外搜索儀和電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等不同手段的組合問題;第二級(jí)搜索方案選擇，針對(duì)聲吶浮標(biāo)需要布陣使用的特點(diǎn)，對(duì)聲吶浮標(biāo)的布陣方案再次進(jìn)行評(píng)估決策。

空基探測(cè)的劣勢(shì)在于反潛機(jī)的航程有限，只能實(shí)施近海搜索或者特定海域的搜索。

3 多維信息聯(lián)合定位法

根據(jù)前文的分析，獨(dú)立采用天基探測(cè)、?；綔y(cè)或空基探測(cè)等常規(guī)手段可以在某些情況下探測(cè)到ACTUV的活動(dòng)海域，但并不能夠保證探測(cè)結(jié)果的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。本文提出一種結(jié)合多種探測(cè)手段建立的天基、?；⒖栈S探測(cè)系統(tǒng)，利用多維信息融合技術(shù)達(dá)到對(duì)ACTUV 目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及準(zhǔn)確定位的目的。

首先，采用偵察衛(wèi)星監(jiān)測(cè)ACTUV 與外界進(jìn)行信息交互時(shí)的電磁波信息，在監(jiān)測(cè)到目標(biāo)活動(dòng)信息時(shí)，利用無線電測(cè)向法初步計(jì)算ACTUV 活動(dòng)區(qū)域的位置信息;其后，啟動(dòng)?；綔y(cè)方案與空基探測(cè)，利用聲吶監(jiān)測(cè)船、海底聲吶基陣網(wǎng)絡(luò)或者航空測(cè)量手段，探測(cè)ACTUV 的準(zhǔn)確位置;最后，根據(jù)探測(cè)行動(dòng)獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行最優(yōu)信息融合，提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這里提出一種多維數(shù)據(jù)信息融合定位方法，提取多維探測(cè)數(shù)據(jù)中的目標(biāo)信息。

相應(yīng)得到對(duì)ACTUV 目標(biāo)的定位方程:

將上述方程組寫成矩陣形式，可得到線性方程:

式中:

由式(4)可得定位方程解為

4 結(jié) 語

本文介紹了ACTUV 的基本情況，以及給我國潛艇部隊(duì)帶來的安全問題，研究從天基、?；?、空基3 個(gè)方面進(jìn)行探測(cè)，針對(duì)3 種方案單獨(dú)實(shí)施時(shí)均存在不足的問題，提出聯(lián)合多種探測(cè)手段構(gòu)建天-海-空三維探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并提出了一種數(shù)據(jù)融合目標(biāo)定位方法。這種方法可以應(yīng)用于對(duì)外國艦艇的監(jiān)測(cè)。針對(duì)ACTUV 的干擾和打擊方法是下一步研究計(jì)劃。

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