淺析美軍水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)及其關鍵技術

聶衛(wèi)東，馬 玲，張 博，張 龍

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淺析美軍水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)及其關鍵技術

聶衛(wèi)東，馬 玲，張 博，張 龍

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077)

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)以其成本低廉、機動能力和滲透能力強、安全性和適應性高等優(yōu)勢, 已日益發(fā)展為水下作戰(zhàn)的主要力量。文章通過對美軍發(fā)布的相關文獻的整理和解讀, 提出了水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的基本功能性概念。簡要介紹了美軍當前已部署和正在發(fā)展的可部署分布自主系統(tǒng)(DADS)、近海水下持續(xù)監(jiān)視網(PLUSNet)、分布式敏捷反潛系統(tǒng)(DASH)、先進水下武器系統(tǒng)(AUWS)、浮沉載荷(UFP)以及“海德拉”(Hydra)等水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)項目情況, 分析了能源與動力技術、水下傳感器網絡技術、通信技術、水下組合導航技術以及多傳感器信息融合技術等關鍵技術領域的發(fā)展現(xiàn)狀, 并對未來水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)在技術和裝備兩方面的發(fā)展前景進行了展望。旨在引起同行研究者的關注, 促進開展更為深入和廣泛的研究。

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng); 關鍵技術; 裝備

1 概述

傳統(tǒng)意義的水下戰(zhàn)指潛艇戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)和水雷戰(zhàn)。隨著水下戰(zhàn)略戰(zhàn)術和水下武器裝備技術的不斷發(fā)展, 推動著水下戰(zhàn)向立體化、體系化、智能化、信息化、網絡化和無人化方向發(fā)展。面對水下惡劣、危險和信息不暢的復雜作戰(zhàn)環(huán)境, 與有人系統(tǒng)相比較, 具備成本低廉、機動能力和滲透能力強、安全性和適應性高的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)日益發(fā)展成為水下作戰(zhàn)的主要力量, 極大地拓展了海軍的作戰(zhàn)能力, 未來或將取代有人系統(tǒng)執(zhí)行主要的水下作戰(zhàn)使命。

迄今, 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)還沒有一個明確而嚴謹?shù)膶W術定義, 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的“無人”僅指運動載體上不載人, 并非是全系統(tǒng)中無人[1]。一般來講, 它是由水下無人作戰(zhàn)平臺、傳感器或武器載荷、任務規(guī)劃與指控系統(tǒng)、支援保障設施設備、發(fā)射(布放)及回收裝置, 以及將它們連接起來的信息網絡等組成, 以自主工作或遙控方式完成特定作戰(zhàn)使命的綜合系統(tǒng)。這些作戰(zhàn)使命包括: 情報搜集與監(jiān)視、目標識別與指示、作戰(zhàn)網絡信息處理、反水雷作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、反無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)作戰(zhàn)、水下信息作戰(zhàn)、封鎖與阻斷等[2]。就目前的水下作戰(zhàn)思想、作戰(zhàn)需求和技術支撐而言, 能夠完成警戒、反潛、反水雷以及對空或對陸封鎖打擊等綜合作戰(zhàn)使命的水下無人作戰(zhàn)體系還遠未發(fā)展起來, 下面僅以美軍若干執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務的簡單水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)為例, 分析其發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。

2 美軍典型水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)

美國是最早開展水下作戰(zhàn)系統(tǒng)研究的國家, 其歷史可追溯到冷戰(zhàn)時期。為了有效地對前蘇聯(lián)潛艇進入大西洋和太平洋的通道實施監(jiān)視, 美國自20世紀50年代起, 開始發(fā)展海底聲吶監(jiān)視系統(tǒng)(sound surveillance system, SOSUS)[3]。隨著作戰(zhàn)需求和支撐技術的不斷發(fā)展, 上世紀90年代, 美國開始研制和部署具有水下監(jiān)測、水聲通信、水下導航及自組網等功能的水聲傳感器網絡系統(tǒng)——“海網”(Seaweb)[4], 用于廣域反潛預警。

從美軍1997年提出“網絡中心戰(zhàn)”[5]的概念開始, “水下網絡中心戰(zhàn)”計劃就在美海軍內部受到高度重視。美海軍意識到強大的水下支配地位能為美國的國防安全提供戰(zhàn)略和戰(zhàn)爭優(yōu)勢, 為了維持美國水下戰(zhàn)的主導地位, 充分利用新技術, 美國高度重視以水下戰(zhàn)術網絡為基礎的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展, 美國國防部于2007~2013年間前后發(fā)布了4版《無人系統(tǒng)路線圖》, 為美軍各類無人系統(tǒng)制定了頂層發(fā)展規(guī)劃[6]。

以下簡要介紹美軍目前發(fā)展的一些典型水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)。

2.1 可部署分布自主系統(tǒng)

可部署分布自主系統(tǒng)(deployable autonomous distributed system, DADS)是在Seaweb的支持下, 由美國海軍研究局(office of naval research, ONR)和空間及海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部研發(fā)的近海水下導航、通信和反潛監(jiān)視系統(tǒng)[7], 可由潛艇、水面艦、飛機或UUV布設, 通過中繼浮標或UUV、岸基站點、有線或衛(wèi)星中繼鏈路等與指揮中心相連。DADS是一種靈活機動、布設方便的水下監(jiān)視系統(tǒng), 通常隨海上作戰(zhàn)編隊協(xié)同行動, 使編隊有能力在對方國家的沿海布設水下信息探測系統(tǒng), 有效對付低噪聲潛艇和水雷的威脅, 并且可以為艦隊指揮中心提供威脅位置、海洋圖像等重要作戰(zhàn)信息。DADS未見實際部署的報道, 可能已被近海水下持續(xù)監(jiān)視網(persistent littoral undersea surveillance network, PLUSNet)計劃所取代。

2.2 近海水下持續(xù)監(jiān)視網

PLUSNet是一種半自主控制的海底固定+水中機動的網絡化設施, 由攜帶半自主傳感器的多個UUV組成[8]。這些UUV能夠互相通信, 并在沒有人為指令的情況下做出基本決策, 從而執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務。包括海洋環(huán)境檢測、水下威脅監(jiān)視跟蹤、水中兵器中繼制導以及水下/水面信息傳輸?shù)取LUSNet于2008年進行了首次演示, 2015年左右具備完全作戰(zhàn)能力。目前, PLUSNet采用的某些關鍵系統(tǒng)和技術已取得重要突破, 如“金槍魚”UUV、“X射線”水下滑翔機、高速水聲調制解調技術、自主探測及決策技術、自主導航定位技術和水下作戰(zhàn)局域網動態(tài)組網技術等。

2.3 分布式敏捷反潛系統(tǒng)

美國國防高級研究計劃局(defense advanced research projects agency, DARPA)投資的分布式敏捷反潛系統(tǒng)(distributed agile submarine hunting, DASH)項目欲研發(fā)深海和淺海2套子系統(tǒng)[9]。深海子系統(tǒng)由海底固定聲吶節(jié)點和數(shù)十個UUV構成, 創(chuàng)新采用自下而上的探測方式, 避免了艦艇聲吶橫向探測常遇到的由海底和海面聲波折射造成的目標信息模糊問題, 有效降低了海底地形對聲學探測的影響。淺海子系統(tǒng)由搭載非聲傳感器的無人機構成, 從高空自上而下監(jiān)測淺海潛艇, 搜集潛艇尾流等非聲學特征。目前, 深海子系統(tǒng)已取得重大進展, 而淺海子系統(tǒng)受制于復雜環(huán)境因素, 導致其探測技術瓶頸無法突破, 進展并不順利。

2.4 先進水下武器系統(tǒng)

ONR正在開發(fā)一套先進水下武器系統(tǒng)(ad- vanced undersea weapon system, AUWS), 這是一種將水下裝備技術和水下網絡技術相結合的作戰(zhàn)系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)集成了大型UUV、智能深彈、小型魚雷和水下傳感器等, 主要運用于美海軍沒有空中優(yōu)勢的近岸海域。它通常預先布放在指定位置, 在己方選擇的特定時間和地點, 具有監(jiān)視、跟蹤和打擊水下目標的能力, 可以遂行反潛、反艦等作戰(zhàn)使命。AUWS具有3個主要特質: 靈活性、可擴展性和可定制性。1) 靈活性——系統(tǒng)可選擇部署和回收平臺、通信網絡和自動化水平; 2) 可擴展性——可根據作戰(zhàn)區(qū)域和威脅環(huán)境調整系統(tǒng)規(guī)模, 作戰(zhàn)指揮員能夠根據特定任務覆蓋區(qū)域的大小選擇部署裝置的數(shù)量; 3) 可定制性——根據任務需求安排系統(tǒng)能力, 無論是早期預警還是主動迎戰(zhàn), 作戰(zhàn)指揮員都可通過更改系統(tǒng)配置, 取得戰(zhàn)術優(yōu)勢, 擊敗敵人的對抗裝置。AUWS可以實施多種水下戰(zhàn)形式, 如港口/航道封鎖、隱蔽反水雷、海上基地保護等。目前對AUWS的研究處于系統(tǒng)工程分析階段, 論證了系統(tǒng)的結構和一些作戰(zhàn)概念, 并對4種系統(tǒng)方案進行了重點分析。AUWS有望在2030年形成戰(zhàn)斗力。

2.5 浮沉載荷

由于要在全球海洋區(qū)域的作戰(zhàn)前沿部署海軍艦艇和武器的成本極高, 后續(xù)的物流補充又很困難, 因此為了增加海上作戰(zhàn)系統(tǒng)的靈活性和適應性, 2013年, DARPA啟動了浮沉載荷(upward falling payloads, UFP)項目[11], 旨在研發(fā)一種可提前部署至熱點海域、長時間置于深海密閉艙內的水下分布式無人系統(tǒng)(可在4 km深海底待機5年), 一旦需要時, 就可以被遠程激活, 這時UFP將迅速上升到水面, 并迅速部署自身攜帶的有效載荷, 包括發(fā)射小型無人機或小型UUV、或不同的偵察和干擾裝置, 甚至充當通信中繼站。UFP本身包括3個主要的子系統(tǒng): 能遠程激活UFP的設備、使UFP從海底迅速升到海面的提升器, 以及自身攜帶的能夠很快在海洋或空中投入應用的有效載荷。美國為了應對“區(qū)域拒止”武器的威脅, 加大了對水下艙體的投資, 旨在發(fā)展可長時間部署于深海密閉艙內的無人分布式系統(tǒng)。UFP的作戰(zhàn)思想是在和平時期長期潛伏, 戰(zhàn)時遠程遙控啟動, 執(zhí)行應急偵察、中繼導航與通信以及干擾或誘騙等任務, 未來或可能配置武器載荷, 如魚水雷或潛空導彈等。

2.6 “海德拉”

“海德拉”(Hydra)是DARPA自2013年開始研發(fā)的一種淺海隱蔽部署的無人分布式系統(tǒng)[12],旨在借助成熟技術和新的構件技術研發(fā)和演示一種高效費比的模塊化水下發(fā)射平臺。Hydra不同于UFP, UFP沒有動力系統(tǒng), 只能從投放點浮出海面, 而Hydra自身具備動力, 既能在海底靜止不動, 也可在海下機動潛行。Hydra可在水下待機數(shù)月, 可混合搭載無人機、UUV、反艦導彈、對陸攻擊巡航導彈、魚雷等多種載荷, 一旦發(fā)現(xiàn)周圍有敵方潛艇或艦船駛過, Hydra將自動激活, 根據需要發(fā)射小型無人機和UUV, 跟蹤或打擊敵方目標。Hydra也能夠快速將無人設備隱蔽地運送到戰(zhàn)場范圍內部署和回收。Hydra與UFP最重要的區(qū)別是智能化, 前者是一種完整的自主作戰(zhàn)系統(tǒng), 而后者目前來看只是充當潛伏信息節(jié)點, 因此Hydra將更具威脅。預計Hydra將于2018年完成演示驗證。

3 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)關鍵技術

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制和部署需要一系列支撐技術, 其中的關鍵技術包括: 能源與動力技術、水下傳感器網絡技術、水下及跨介質通信技術、水下組合導航技術以及多傳感器信息融合技術等。

3.1 能源與動力技術

目前具有較高發(fā)展?jié)摿Φ乃履茉磩恿ο到y(tǒng)主要包括: 燃料電池能源動力系統(tǒng)、先進的安全鋰離子電池能源動力系統(tǒng)、新型熱機動力系統(tǒng)以及核電池動力系統(tǒng)等。利用波浪能、溫差能等海洋能源的動力系統(tǒng)也將得到更多研究和應用。

3.1.1 高比能燃料電池技術

美海軍正在開發(fā)大容量、高功率密度的燃料電池技術, 其制定的中遠期UUV動力系統(tǒng)(含氫源和氧源)功率密度發(fā)展目標將達500 Wh/L和500 Wh/kg[13]。燃料電池能源公司、Sierra Lobo公司、Hamilton Sundstrand公司、Lynntech公司、NexTech、通用原子公司、UTC公司、通用汽車公司等多個機構參與了技術研發(fā), 這些機構采用技術路線各不相同。燃料電池類型包括質子交換膜型、固態(tài)氧化物型和金屬燃料型, 氫源包括液氫、鈉金屬氫化物儲氫、鋁水反應制氫、JP-10燃油重整制氫等。

3.1.2 海底微生物燃料電池技術

海底無人值守傳感器或其他裝置目前存在的最大問題在于電源需要經常維護, 成本高、隱蔽性不好。為此, 人們開始研發(fā)能夠提供穩(wěn)定能量的海底微生物燃料電池[14]。微生物燃料電池利用海底沉積物中富含的希瓦氏菌或地桿菌等厭氧微生物的呼吸作用直接產生電能, 陽極一般放置在養(yǎng)分充足但氧氣不足的環(huán)境中(一般埋在海底沉積物中), 陰極則放在富含溶解氧的海水中。2007年, 美國海軍研究實驗室首次驗證了微生物燃料電池在實際環(huán)境中的使用情況, 可為海底傳感器、通信系統(tǒng)、氣象浮標供電, 最高電壓能達到約1.2 V。

3.1.3 新型水下熱機技術

國外正在研究的水下熱機系統(tǒng)主要是熱芯燃燒室與斯特林發(fā)動機組合而成的系統(tǒng)[15], 具有體積小、效率高的優(yōu)點, 它可提供相當于銀鋅電池10倍的能量。有關專家認為, 該動力系統(tǒng)技術將是提高水下無人作戰(zhàn)平臺動力性能的極具潛力的突破性技術。

3.1.4 核電池技術

有望成為水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)動力源的另一種電池為放射性同位素電池, 即核電池[16]。這種電池具有質量輕、壽命長、無須修理或補充等優(yōu)點, 是維持UUV長期航行非常理想的能源。核電池的能量密度比鋰電池高數(shù)千倍, 可連續(xù)使用幾年到幾百年(取決于放射性同位素半衰減期)。

3.1.5 新型蓄電池技術

目前UUV普遍采用鋰離子電池作為水下動力。鋰電池具有容量大, 穩(wěn)定性及充放特性好等優(yōu)點, 但易形成枝晶, 引起短路著火, 存在一定安全隱患, 包括耐壓、耐溫、耐穿刺特性較差, 容易短路和過熱引發(fā)起火、爆炸等事故。為此, 各國正在研發(fā)鋰離子電池的替代器, 主要包括鋰硫電池、鋰空氣電池[17]等等。

3.1.6 利用溫差能發(fā)電技術

溫差能系統(tǒng)一方面可利用海洋垂直溫差為浮標提供電力, 延長使用壽命; 另一方面可建造海洋溫差能供電的充電站, 為蓄電池儲存電能。據推測, 這種無須維護且壽命極長的電源可與UUV水下充電站相結合, 形成海上無人充電網絡。

3.2 水下傳感器網絡技術

3.2.1 傳感器

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)依賴于傳感器獲取戰(zhàn)場信息, 以執(zhí)行各種任務, 傳感器技術主要包括傳感器自身算法和傳感器硬件, 其進步有賴于理論方法的創(chuàng)新和器件設計制造水平的提升。對于水下作戰(zhàn)環(huán)境, 還要求傳感器本身擁有一定的數(shù)據融合和自處理能力, 使之能夠有效壓縮數(shù)據傳輸量, 從而提高數(shù)據實時性。另外, 如何確保傳感器在體積、質量及能耗盡可能小的前提下在水下復雜環(huán)境中正常穩(wěn)定工作, 是水下傳感器技術的特殊需求。

3.2.2 水下傳感器網絡架構

隨著技術的進步與軍事需求的推動, 水聲通信網絡逐步發(fā)展出4種網絡拓撲結構[18-20]:

1) 2D靜態(tài)網絡結構。在這種結構中, 傳感器節(jié)點被固定在海底。

2) 3D靜態(tài)網絡結構。在這種結構中, 傳感器節(jié)點部署在海底、水中及海面, 可以應用于海洋現(xiàn)象檢測、水下監(jiān)視等。

3) 3D動態(tài)網絡結構(ad hoc網絡)。這種網絡由固定傳感器和移動節(jié)點(如潛艇、UUV等)組成, 是實現(xiàn)水下戰(zhàn)術組網最合適的網絡體系結構。

4) 海洋立體監(jiān)測網絡。由水面上的無線傳感器網絡和水下傳感器網絡2部分組成, 二者結合為一個統(tǒng)一的網絡。目前, 這種大規(guī)?？缃橘|網絡系統(tǒng)還處于實驗室研究階段, 許多關鍵技術有待突破, 離實際部署還有很大距離。

3.2.3 水下傳感器網絡協(xié)議棧

水下傳感器網絡所遵從的概念與常用的網絡協(xié)議棧概念相同, 網絡層次由底向上依次是物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層, 其設計主要涉及網絡層次結構中的物理層、鏈路層和網絡層。

1) 物理層。物理層是網絡的基石, 完善的水下通信技術和可靠的水下網絡節(jié)點是構建水下傳感器網絡的前提。物理層的特點影響著鏈路層以及更高層。

2) 鏈路層。鏈路層負責數(shù)據流的多路復用、數(shù)據幀檢測、媒體介入和差錯控制, 以保證水下傳感器網絡中節(jié)點之間的連接。根據信道的分配方式, MAC層協(xié)議可分為基于載波偵聽多址接入(carrier sense multiple access, CSMA)的隨機競爭式、基于時分多址接入(time division multiple access, TDMA)的時分復用固定式和混合式3種?；旌鲜礁倪M了能量有效性和其他性能, 同時也具有較好的適應性和可擴展性。

3) 網絡層。網絡層負責路由發(fā)現(xiàn)、維護和選擇, 實現(xiàn)數(shù)據融合, 使得傳感器節(jié)點可以實現(xiàn)有效的相互通信。網絡層路由協(xié)議主要可以分為3類: 平面式( flat-based)、層次式(hierarchical-based)和基于位置(location-based)。近年來, ad hoc網絡的路由技術得到迅速發(fā)展, 主要包括3種類型的路由協(xié)議: 主動式(proactive)路由、按需式(rea- ctive)路由和地理式(geographical)路由。

3.3 通信技術

3.3.1 水聲通信技術

在水下, 由于電磁頻率被大量地吸收和散射, 使得聲波通信成為最佳的選擇。上世紀80年代, 水聲通信主要以非相干的移頻鍵控(frequency- shift keying, FSK)調制等技術為主, 近十幾年來, 在高速水聲通信技術上已由非相干通信向相干通信發(fā)展。近年來, 正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)通信方式[21]也開始應用于水聲高速數(shù)據通信系統(tǒng)中, 取得了較大的數(shù)據速率與通信距離積。其他技術如多入多出(multi-input multi-output, MIMO)[22]和時反水聲通信技術[23]等也在不斷發(fā)展和完善之中。

3.3.2 水下激光通信

藍綠激光在海水中的衰減值小于10-2dB/m, 對海水穿透能力強, 能達到數(shù)米到數(shù)十米的通信距離, 因此人們很早就開始研究水下激光通信[24]。水下激光通信需要直線對準傳輸, 通信距離較短, 水的清澈度會影響通信質量, 這都制約著它在水下網絡中的應用。不過, 它適合近距離高速率的數(shù)據傳輸, 如水下平臺與UUV近距離對接定位等。

3.3.3 跨介質通信技術

1) 跨介質無線通信

a. 低頻/超低頻(very low frequency/super low frequency, VLF/SLF)無線電通信。VLF/SLF無線電通信是最典型和傳統(tǒng)的方法, 可以穿透到水下100 m左右[25], 但是該項技術的岸站生存能力差、傳輸頻帶窄、隱蔽性差, 冷戰(zhàn)后逐漸不再使用, 但提高數(shù)據率等相關技術的研究并未停止。

b. 藍綠激光通信。藍綠激光通信在海水中的穿透度可達到水下300 m, 其發(fā)射只要藍綠激光脈沖束發(fā)射器就可實現(xiàn), 通信穩(wěn)定、信息容量大, 抗干擾能力強, 但是其缺點是通信前要進行精確對準。美國海軍通過藍綠激光通信試驗, 證實了藍綠激光通信能夠在幾乎全天候氣象和各種海洋條件下高速傳輸數(shù)據。目前, DARPA認為美國藍綠激光通信的各種關鍵技術已經足以用于實際軍事系統(tǒng)中[26]。

c. 中微子通信。中微子通信是一種用中微子作為載體的通信方式[27]。研究發(fā)現(xiàn), 中微子具有穩(wěn)定的特性, 幾乎不會和外界的物質發(fā)生作用, 同時穿透能力很強, 在海水中的衰減小。與VLF/ SLF相比, 它可以使?jié)撏г谏钏胁婚g斷地實時傳輸信息, 信道穩(wěn)定, 傳輸信息容量大。近幾年來, 美國實施了以中微子為載體的通信試驗, 試驗結果表明, 必須借助類似大功率粒子加速器這樣的大型設備才能進行中微子通信, 技術要求復雜, 離實際應用還有很遠距離。

2) 中繼浮標跨介質無線通信

利用中繼信息浮標實現(xiàn)跨介質無線通信是目前最成熟的對潛通信方式, 它以通信浮標作為潛艇通信的中轉站, 可以使?jié)撏г谒潞叫卸恍枰细”隳芘c岸艦進行無線通信。通信浮標一般使用拖曳浮標或多功能拋棄式浮標等。美軍于上世紀60年代就進行了浮標通信的研發(fā), 70年代就已經發(fā)展得較為成熟[28]。未來浮標通信將向大深度、小型化、雙向雙工、衛(wèi)星通信等方向發(fā)展, 以適應水下戰(zhàn)系統(tǒng)的深潛及安裝要求, 功能也將由單一向通信、導航、偵察等綜合化的方向發(fā)展。

3) 水下網絡跨介質通信

無線電是空氣中通信的主要手段, 而聲波是水下通信的首選信息載體。隨著水下作戰(zhàn)網絡的發(fā)展, 依托水聲通信、水聲/無線調制解調器和各種固定或機動布放的浮標/潛標網絡建立的跨介質數(shù)據鏈路是解決水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)跨介質通信的主要方式。

3.4 水下組合導航技術

目前發(fā)展最快的水下導航技術是多傳感器配置、多信息融合的組合導航技術, 已形成以慣性導航系統(tǒng)/多普勒測速儀(inertial navigation sys- tem/Doppler velocity log, INS/DVL)導航為核心, 配置不同傳感器加以輔助。如全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)、長基線/超短基線(long base line/ultra short base line, LBL/USBL)聲學導航、水下定位應答(underwater transponder positioning, UTP)、地球物理信息導航等。針對不同應用背景需求, 水下導航系統(tǒng)配置靈活變換, 以滿足不同任務需求。

此外, 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)多實體協(xié)同導航技術日益得到重視和研究, 主要方向包括: 協(xié)同導航結構分類(主從式與并行式), 協(xié)同編隊構型(單領航與雙領航), 數(shù)據融合的分散、分層與集中處理, 多實體協(xié)同導航模型與算法, 未知環(huán)境洋流及聲學通信測距的延遲補償?shù)鹊取?/p>

3.5 多傳感器信息融合技術

信息融合是水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分, 對水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)效能的發(fā)揮起著決定性作用。信息融合是對數(shù)據進行綜合處理以改善狀態(tài)估計和預測的過程[29], 它作為一種信息綜合和處理技術, 實際上是許多傳統(tǒng)學科和新技術的集成和應用, 其中包括信號處理、估計理論、最優(yōu)化技術、模式識別、不確定性理論、決策論、計算機科學、通信、人工智能和神經網絡等。

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的信息基礎構建在水下傳感器網絡之上, 傳感器網絡融合就是將來自多個不同傳感器的數(shù)據或判決結果進行綜合, 從而形成一個更加完全、準確的判決。融合方式一般可分為集中式或分布式2種, 對于帶寬有限的水下通信系統(tǒng), 選擇分布式融合更加合理。分布式融合就是各個探測節(jié)點首先基于自己的觀測進行判決, 然后將判決結果傳輸?shù)饺诤现行? 在融合中心, 系統(tǒng)再根據所有傳感器的判決進行假設檢驗, 從而形成最終的判決。

隨著水下作戰(zhàn)環(huán)境的日益復雜, 對水下信息融合提出了更多的要求, 其中時效性(實時或近實時)、高度自動化和穩(wěn)健性是面臨的主要挑戰(zhàn)。這就需要在融合理論算法、信號處理算法和硬件, 以及人工智能應用等方面取得新的突破。

4 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

4.1 技術方面

技術發(fā)展趨勢因細節(jié)過多而預測困難, 下面僅就以下3個主要方向著手分析。

4.1.1 能源

無論是多任務趨勢、智能化還是網絡拓展, 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的能源問題始終是一個瓶頸技術難題。雖然有諸多有希望的未來能源選項, 但尋求真正安全、可靠且能夠在水下復雜環(huán)境中長時間工作的能源, 仍然是一項艱難而復雜的工作。目前接近大規(guī)模使用的能源是燃料電池, 其中金屬海水燃料電池以其較好的水下環(huán)境適應性而有望得到更廣泛的應用。

在尋求高能高效水下能源的同時, 降低水下裝置、器件、傳感器組網、信息處理與傳輸、融合與決策算法等軟硬件的能耗是另一個有效利用水下能源的重要研究領域。這一領域必須受到與能源研究同等的重視, 甚至更為優(yōu)先, 尤其是在目前能源問題較難突破的情況下。

4.1.2 自主性

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的自主性是指系統(tǒng)自身具有的探測、感知、分析、通信、規(guī)劃、決策和行動的能力, 以實現(xiàn)指揮中心為其指派的作戰(zhàn)目標[30]。

未來的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)智能化和自主性越來越高, 狹義的或程序化的人工智能技術手段無法使其自主應對復雜的作戰(zhàn)環(huán)境, 通用人工智能技術將被引入水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng), 包括日益發(fā)展的機器學習(如AlphaGo采用的深度學習)和機器決策等, 這有賴于神經和認知科學的發(fā)展以及先進算法的實現(xiàn)。未來的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將可自行導向目標而無需外部操控, 但是受到指揮其行為的規(guī)則和策略的管控。這些控制算法最初由人工操作員和軟件開發(fā)團隊編寫和測試, 但如果利用機器學習, 系統(tǒng)可自行改變策略, 從而選擇自己的行為。自主系統(tǒng)可以選擇行為模式, 將自己導向人工指定的目標。此外, 系統(tǒng)甚至可以在未知環(huán)境下以“目標導向”的方式來優(yōu)化自身行為, 即在給定態(tài)勢下, 系統(tǒng)能找到最優(yōu)解[31]。

4.1.3 互操作性

互操作性是“系統(tǒng)、單位、部隊向(或從)其他系統(tǒng)、單位、部隊提供(或接受)服務并加以利用的能力, 通過利用所交換的服務使其更有效地共同作戰(zhàn)”[6]。盡管目前已經研制和部署了多種水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng), 但除非能夠在水下無人系統(tǒng)與有人平臺(水下、水面、陸基)及其他無人系統(tǒng)之間實現(xiàn)通聯(lián), 否則這些系統(tǒng)的效能將無法得到充分發(fā)揮。

未來的水下戰(zhàn)場是一個跨越多維、多實體、多介質的網絡中心戰(zhàn)場, 平臺與武器的界限將會越來越模糊, 高效而精確的協(xié)同作戰(zhàn)需要實現(xiàn)戰(zhàn)場多實體之間的互操作, 即自主協(xié)同指揮和火力控制, 因此, 突破智能協(xié)同互操作技術將成為水下網絡中心戰(zhàn)致勝的關鍵點之一。

4.2 裝備方面

目前的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)均只能完成單一或簡單作戰(zhàn)使命, 且傾向于執(zhí)行監(jiān)視、警戒、目標探測與識別、信息中繼、獵掃水雷等被動防御性任務, 這與當前的技術發(fā)展水平相適應。未來隨著水下作戰(zhàn)思想的發(fā)展、新的作戰(zhàn)需求的提出和裝備技術的進步, 復雜的察打一體多功能的綜合水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將逐漸取代目前的簡單系統(tǒng)。系統(tǒng)的傳感器載荷及戰(zhàn)斗載荷種類也將不斷擴大, 使得系統(tǒng)各模塊功能和綜合作戰(zhàn)效能日益提高, 在某些作戰(zhàn)領域將可能完全替代現(xiàn)在的有人系統(tǒng), 實現(xiàn)自主預測、作戰(zhàn)和評估。

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將在跨介質統(tǒng)一數(shù)據鏈的支持下, 與水面、陸基、空基和天基系統(tǒng)進行無縫連接和通信, 構建三位一體化作戰(zhàn)網絡, 使協(xié)同作戰(zhàn)的廣度和深度都得到極大地拓展。

水下戰(zhàn)場也與其他戰(zhàn)場空間一樣, 越來越重視發(fā)展信息空間的攻防, 在確保自身信息安全的前提下掌握對敵信息優(yōu)勢, 是體系化作戰(zhàn)成敗的關鍵, 因此水下信息戰(zhàn)技術和裝備必將迅猛發(fā)展。

5 結束語

美軍對水下作戰(zhàn)有著深刻的認識。2011年7月20日, 美海軍潛艇部隊司令部發(fā)布的《水下戰(zhàn)綱要》指出: 全球性潛艇擴散對美國海上自由產生越來越大的壓力, 同時“反介入和區(qū)域拒止(anti-access/area denial, A2/AD)”系統(tǒng)對美國水面和空中部隊構成挑戰(zhàn), 加重了水下部隊的責任, 但是在需求與日俱增的情況下, 美軍潛艇部隊的規(guī)模卻在縮小, 因此, 需要采用創(chuàng)新性的方法來建立水下優(yōu)勢, 其中一個最主要的方向就是大力發(fā)展水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)。美海軍近年來還提出了水下域作戰(zhàn)概念(undersea domain operating concept, UDOC), 由美國海軍作戰(zhàn)發(fā)展司令部(navy warfare development command, NWDC)、潛艇部隊和其他利益相關者負責發(fā)展這一概念。UDOC整合了許多作戰(zhàn)新想法, 描述了如何拓展使用水下域, 以提高跨域協(xié)同作戰(zhàn), 確保美國海軍未來水下作戰(zhàn)優(yōu)勢。為此, 美國海軍提出并努力貫徹以掌握C4ISR優(yōu)勢為核心思想的“水下網絡中心戰(zhàn)”戰(zhàn)略。借助陸、海、空、天和水下有人及無人武器系統(tǒng)構建以信息網絡為基礎的水下作戰(zhàn)體系。

美軍水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展具有典型性, 有許多可以借鑒的地方。在緊跟水下無人作戰(zhàn)先進思想和技術發(fā)展的同時, 應清楚地意識到我們與美軍在水下無人作戰(zhàn)領域的巨大差距, 這種差距不僅體現(xiàn)在理論與技術研究方面, 更體現(xiàn)在作戰(zhàn)思想和實戰(zhàn)應用上。在水下戰(zhàn)中, 處于技術劣勢的一方, 必須在做好防衛(wèi)的前提下, 利用自身不對稱的力量去反制敵方的優(yōu)勢。因此, 首先要重點考慮的問題不是追隨別人的發(fā)展步伐, 而是從自身防御戰(zhàn)略出發(fā), 發(fā)展水下反滲透、反偵察反封鎖、反部署和反破壞的無人裝備和技術, 形成水下力量抵消系統(tǒng), 盡快實現(xiàn)實戰(zhàn)化部署, 有效地遏制敵方的水下戰(zhàn)意圖。

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(責任編輯: 陳 曦)

A Brief Analysis of United States Unmanned Underwater Combat System

NIE Wei-dong, MA Ling, ZHANG Bo, ZHANG Long

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

Unmanned undersea combat system(UUCS) is becoming the main force of undersea combat because of its low cost, high maneuverability and penetration, high safety and adaptability. According to the public reports and analysis, a working definition of UUCS is presented in this paper. Some U.S. UUCS projects are introduced, such as deployable autonomous distributed system(DADS), persistent littoral undersea surveillance network(PLUSNet), distributed agile submarine hunting(DASH), advanced underwater weapon system(AUWS), upward falling payloads(UFP) and Hydra. And the development status of several key technologies involved power technology, underwater sensor networks technology, communication technology, underwater integrated navigation technology and multisensor information fusion technology are analyzed. The development prospects of UUCS from technology and equipment are discussed. We hope that UUCS should be given adequate attention and be researched more widely and deeply.

unmanned undersea combat system; key technology; equipment

聶衛(wèi)東, 馬玲, 張博, 等. 淺析美軍水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)及其關鍵技術[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2017, 25(4): 310-318.

近年來, 隨著海洋軍事戰(zhàn)略、軍事需求以及科學技術的迅速發(fā)展, 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)已成為各國海軍競相關注的熱點, 這必將引起海上作戰(zhàn)模式的巨大變革。歐美等發(fā)達國家一直對水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)保持著高度關注, 其中美國是最早開展水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)研究的國家, 已在水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)領域發(fā)布了十分全面的規(guī)劃文件。我們特邀近年來持續(xù)跟蹤國外相關領域前沿技術的聶衛(wèi)東博士及其團隊, 從美軍若干執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)入手, 分析了其關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢, 旨在拋磚引玉, 期待相關研究者開展更為深入和廣泛的研究。

TJ630; U674.941

A

2096-3920(2017)04-0310-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.002

2017-08-05;

2017-09-20.

聶衛(wèi)東(1972-), 男, 博士, 高級工程師, 主要研究方向為水中兵器總體設計.