海域環(huán)境艦船應對異構(gòu)無人集群防御構(gòu)想*

張耀華，袁俊，楊小艷，宋申民

(哈爾濱工業(yè)大學 控制理論與制導技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

近年來，針對無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)集群技術(shù)的研究尤為引人注目。為遏制中、俄等國日益崛起的軍事力量，美國于2014年推出以“創(chuàng)新驅(qū)動”為核心的第三次“抵消戰(zhàn)略”，基于國防預算倍受限制的現(xiàn)狀，美軍在作戰(zhàn)概念方面進行創(chuàng)新，力求獲取強軍事對抗環(huán)境下的非對稱優(yōu)勢，在這一背景下，誕生了集群式無人機作戰(zhàn)概念[1]。無人機集群作戰(zhàn)概念可以追溯到人類對仿生學的研究，蟻群、蜂群、鳥群、魚群等群體在運動過程中能夠?qū)崿F(xiàn)避撞，進行信息交流，協(xié)同完成任務。隨著科技的進步，無人機集群融合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，形成“群體智能”(swarm intelligence，SI)技術(shù)。無人機集群作戰(zhàn)，不僅可以在空中進行，還可以在水下開展。水下無人潛航器(unmanned underwater vehicle,UUV)的應用還未同空中無人機一樣為人所熟知，但在軍事領(lǐng)域，針對UUV的研究一直未曾止步。UUV集群作戰(zhàn)或集群探測、協(xié)同作戰(zhàn)的研究[2-3]正逐步由理論向?qū)嵺`邁步，未來研究空間巨大。在未來戰(zhàn)爭中，無人系統(tǒng)集群技術(shù)可能引發(fā)戰(zhàn)爭技術(shù)的革命，是具有改變戰(zhàn)爭形態(tài)能力的顛覆性技術(shù)。正因如此，應引起足夠重視，并開展對反無人系統(tǒng)集群作戰(zhàn)的研究，探究應對具有智能行為的無人系統(tǒng)集群威脅的策略。

隨著海洋開發(fā)的深入發(fā)展，世界各國對海域領(lǐng)土的爭端時有發(fā)生。面對新型無人系統(tǒng)集群威脅，有必要展開海域艦船防御體系的研究。海域環(huán)境作戰(zhàn)情況復雜多變，具有覆蓋范圍廣、涉及領(lǐng)域?qū)?、時空變化大等特點[4]。除了傳統(tǒng)的地理、水文、氣象等條件對艦船作戰(zhàn)較大影響外，海域艦船面臨的復雜水聲環(huán)境和電磁環(huán)境對探測預警系統(tǒng)帶來了極大挑戰(zhàn)。著手建立海域艦船應對UAV群與UUV群防御體系，對于未來的海軍防御體系建設(shè)具有重要意義。

1 無人系統(tǒng)集群研究現(xiàn)狀及軍事需求

1.1 無人系統(tǒng)集群研究現(xiàn)狀

目前世界上研究無人系統(tǒng)集群技術(shù)成熟度高的國家是美國，可預見美軍未來會將無人系統(tǒng)集群技術(shù)用于實戰(zhàn)當中。此外，中國對無人系統(tǒng)集群技術(shù)的研究在飛速發(fā)展當中，也處于世界前列，下文重點對美國和中國無人系統(tǒng)集群研究現(xiàn)狀展開探討[5-6]。

美國國防部高級研究計劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)、海軍研究局、眾多實驗室及高校等組織機構(gòu)，對于UAV集群的概念驗證進行了很多研究。美國曾于2001年發(fā)布《無人機系統(tǒng)路線圖2005—2030》，將“全自主集群(人類對無人機的工作幾乎不作指導，但仍然擁有最高權(quán)限)”定義為無人機自主控制的最高等級，預計2025年后無人機將具備全自主集群能力[7]，圖1為美國空軍2030年集群作戰(zhàn)概念圖。

圖1 美國空軍2030年集群作戰(zhàn)概念Fig.1 U.S.Air Force 2030 Cluster Operations Concept

美國近幾年大力推進系列化集群項目發(fā)展，如“小精靈”(Gremlins)項目、“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”(collaborative operations in denied environments,CODE)項目、“灰山鶉”(Perdix)項目、“進攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)”(offensive swarm-enabled tactics,OFFSET)項目、“低成本無人機集群技術(shù)”(low-cost UAV swarming technology,LOCUST)項目、“自主集群彈性戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)”(elastic network of autonomous SWARMS)項目等。美國投入巨大人力、物力和財力發(fā)展UAV集群項目，開展多次集群飛行試驗，驗證了無人機在發(fā)射、回收、集群控制等方面的能力，達到世界領(lǐng)先水平。美國對UUV的研究也很重視，UUV在海洋測量、ISR(intelligence,surveillance,and reconnaissance)、反潛、防水雷對抗及攻擊等方面具有可挖掘應用價值，多個UUV組成集群在母船附近海域探測可起到很好的輔助作用。未來UUV集群探測將會在敏感海域發(fā)揮巨大作用，尤其是和平時期進行情報偵測工作令人防不勝防，針對UUV集群的應對方式值得進行深入研究[8]。

中國對UAV集群技術(shù)的研究已取得一定成果。中國電子科技集團在2016年和2017年分別進行的67架、119架固定翼無人機集群飛行試驗，前者進行了集群編隊連續(xù)起飛、降落試驗，后者進行了密集彈射起飛、自主編隊、集群飛行的演示試驗。未來中國對UAV集群技術(shù)的研究將致力于UAV群的實用化，并提升集群智能的水平[9]。中國對于UUV的研究一直都很重視，尤其是對海洋權(quán)益重視程度提升之后，相關(guān)研究的投入隨之增加?？梢灶A見的是，隨著對UUV的研究與應用程度逐步加深，UUV群化研究會提上日程[10-11]。

1.2 軍事需求

目前中國與周邊國家發(fā)生潛在軍事沖突的區(qū)域主要是海洋，因此海洋方向的安全問題將更受重視。隨著世界科技的飛速發(fā)展，建立新型防御體系顯得尤為重要。未來中國海軍艦船將面對來自敵方空中與水下無人系統(tǒng)集群協(xié)同攻擊，現(xiàn)有防御系統(tǒng)面對密集空中UAV集群與隱蔽UUV群協(xié)同攻擊，很難全部消滅目標，可能會使部分敵方目標突防，威脅我方安全。面對新型威脅，中國為維護自己的邊疆、海疆安全，很有必要展開應對空中與水下無人系統(tǒng)集群威脅的防御研究。

2 防御方案描述

2.1 問題剖析與現(xiàn)有防御手段

2.1.1 問題剖析與初步設(shè)想

本文設(shè)想將基于海基空天防御展開，并將近年來備受關(guān)注的UAV集群作為威脅對象，展開防御體系構(gòu)想。此外，考慮所處防御區(qū)域為海洋環(huán)境，將UUV也考慮在內(nèi)。以空中多個UAV和水下多個UUV構(gòu)成異構(gòu)無人集群系統(tǒng)，并以此作為防御對象展開研究。

現(xiàn)有防御體系難以對抗空中與水下無人系統(tǒng)集群。UAV集群作戰(zhàn)通常具有機動、快速、密集等特點[5]，對于防御一方而言，UAV群相對一般來襲目標(如飛機、導彈等)具有目標數(shù)量多、突防能力強等特點，往往需要花費更大代價才能攔截成功，效費比低，不符合經(jīng)濟效益需求。UUV具有良好的隱蔽性與對惡劣環(huán)境的適應性，未來一旦在大范圍水域形成集群作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，在水下探測、協(xié)同攻擊方面將對現(xiàn)有防御體系帶來極大挑戰(zhàn)。此外，未來隨著水下平臺與空中平臺之間的實用通信技術(shù)的突破，以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，軍事強國針對無人系統(tǒng)集群展開的智能化研究可以賦予UAV與UUV智能協(xié)作能力，這無疑會進一步增大防御方的應對難度。

應對未來可能出現(xiàn)的異構(gòu)無人系統(tǒng)集群威脅，可以按照探測、識別和攔截3個步驟去考慮，首先要檢測到無人系統(tǒng)群；其次要對目標進行敵我識別，做出應對決策；最后，對敵方目標進行攔截打擊。本文針對集群無人系統(tǒng)的探測預警與攔截問題展開防御方案設(shè)想，并對其中涉及的相關(guān)技術(shù)進行介紹。應對空中與水下無人系統(tǒng)集群初步設(shè)想如圖2所示。

圖2 艦船反無人系統(tǒng)集群初步設(shè)想圖Fig.2 Illustration of ship againsting UAV and UUV swarms

2.1.2 現(xiàn)有防御手段

2.1.2.1 探測預警可選方式

與飛機、導彈等傳統(tǒng)威脅類似，如何盡可能早地感知到UAV群的存在，是進行有效防御的前提。

對于UAV的探測，常規(guī)方法包括雷達探測、無線電探測和光電探測等[12]。UAV群往往需要在某個平臺(如空中母機、水面艦船等)上發(fā)射，并且能夠以較低飛行高度飛行，因而具備良好的隱蔽性，這會使探測變得困難。目前雷達探測技術(shù)相對成熟，故而選用雷達作為主要探測裝置。未來UAV群可能實現(xiàn)低空或超低空飛行，加上個體體積小，UAV雷達散射截面很小，會增大雷達探測難度，現(xiàn)有的雷達探測裝置很可能無法及時發(fā)現(xiàn)目標。所以除了以雷達作為主要探測裝置，還應開發(fā)其他的輔助裝置?，F(xiàn)有的探測UAV方法除雷達外，還有借助聲音、視覺、熱量和無線電等進行探測的方式，這些可作為備選方案，如輔助以紅外多光譜技術(shù)的圖像目標檢測，彌補單一雷達檢測的不足。

對于UUV的探測，水下環(huán)境相比空中更為復雜，對于UUV的探測也很困難，目前聲納技術(shù)是最好的選擇。聲納是各國海軍進行水下監(jiān)視使用的主要技術(shù)手段，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤，滿足水下通信和導航等需求[13]。美國針對UUV的研究已開展多項計劃，美國海軍投放的UUV部分已裝備探雷聲吶，UUV編隊也在建設(shè)當中。除此之外，以微波遙感、紅外遙感、光學遙感等為代表的海洋遙感技術(shù)[14]可作為聲吶探測的補充手段。

2.1.2.2 攔截應對可選方式

當海域艦船通過探測手段獲取對方UAV群信息后，艦船指揮控制系統(tǒng)會對UAV群威脅程度作出判斷，決定采取驅(qū)離對策還是予以攔截打擊，這是防御體系中最為關(guān)鍵的部分。

(1) 反制空中無人機群可選方式：

1) 硬殺傷方式

傳統(tǒng)武器：常規(guī)的硬殺傷艦載防空武器主要是防空艦炮和艦空導彈，二者主要用來進行艦船防空反導。使用艦空導彈打擊UAV群，存在很多問題，一般導彈造價高昂且裝載量有限，單個UAV價格則相對低廉，利用導彈打UAV如同大炮打蚊子，效費比很低，此外，若敵方UAV群具備低空飛行能力，會使部分導彈喪失打擊能力。相比較而言，使用密集的防空艦炮(如密集陣系統(tǒng))攔截UAV群成本相對導彈可降低很多。

新式武器：除了傳統(tǒng)的防空武器，現(xiàn)已研制出許多新概念武器，包括激光武器、微波武器、電磁炮等。激光武器利用高能激光照射到UAV上，達到毀傷UAV的目的，具備快速、靈活、精確和抗電磁干擾等優(yōu)異性能，缺點是受限于極端天氣，不能全天候作戰(zhàn)。微波武器可借助強微波波束能量毀傷無人機，具備一定的區(qū)域殺傷能力，對高密度UAV集群具有更好的殺傷效果。電磁軌道炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)開發(fā)的高能、遠程殺傷武器，可用于水面炮火支援、防空和反艦[5]，可對UAV群造成殺傷。

從成本和精確打擊角度考慮，還可以在艦上使用制導炮彈，利用先進制導技術(shù)輔助炮彈提高打擊的準確性。

2) 軟殺傷方式

除了采用硬殺傷武器攔截，還可以采用軟殺傷方式應對UAV群。軟殺傷武器通常不直接毀傷目標系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),但會使受作用后的目標系統(tǒng)功能降低或喪失?，F(xiàn)有UAV集群作戰(zhàn)要依靠通信導航技術(shù)，如無線電通信、GPS等，因此可采取電子對抗手段進行對抗，對敵方UAV群施加電子干擾或進行電子欺詐、誘騙，對其攔截和壓制，己方出動的UAV群也可安裝干擾設(shè)備進行抵近干擾攔截[15]。

3) 集群對抗方式

應對敵方空中UAV群威脅，最有效的方式是以UAV群對抗UAV群[16]。早在二戰(zhàn)時期便有戰(zhàn)斗機集群對抗的實例，現(xiàn)代UAV作戰(zhàn)也是如此。在持續(xù)顯示力量方面能夠與一個UAV集群相匹敵的唯有另一個UAV集群。建設(shè)自己的UAV隊伍，使得UAV群具備協(xié)同探測并共享探測信息、協(xié)同攔截作戰(zhàn)、態(tài)勢評估及自主決策能力，逐步提升集群對抗能力。

4) 其他方式

王虎等學者提出發(fā)展“幕”型攔截武器，提升對UAV的捕殺效能。“幕”型武器發(fā)射之后可在較大空間分散成幕狀結(jié)構(gòu)組織，可由地基或空基平臺發(fā)射，是攔截和毀傷高密度、輕質(zhì)量UAV集群的高性價比武器[1]。

由于小型無人機航程有限，需要其他搭載平臺將其運輸?shù)街付▍^(qū)域投放，所以應對UAV群還可以采取“搗毀蜂巢”策略，對UAV群搭載平臺進行精確打擊，尤其是在UAV投放前進行攔截，可作為攔截UAV群的補充措施。

(2) 反制水下無人潛航器群可選方式：

常規(guī)的水下打擊武器有魚雷、水雷、深水炸彈等，對于UUV群可造成一定的傷害。一般而言，UUV續(xù)航能力有限，對母船有較大依賴性，可通過探測技術(shù)搜尋母船予以打擊，或者采取措施迫使UUV與母船分離，使其在沒有母船支持狀態(tài)下喪失威脅。

針對多UUV集群，最好的應對方式是出動己方的UUV群去對抗，以彼之道還施彼身；此外，還可以采取水下電子戰(zhàn)，干擾UUV之間或UUV與母船之間的通信。

2.2 艦船反無人機群總體方案描述

在前述探討基礎(chǔ)上，將艦船反無人系統(tǒng)集群總體方案從被動防御和主動防御2個角度考慮。

(1) 預警后被動防御

被動防御需要及時發(fā)現(xiàn)威脅目標，以便為后續(xù)攔截手段留下足夠時間。

探測空中UAV群，采用以艦載雷達為主，以借助聲音、視覺、熱量和無線電等探測手段中的一種或幾種為輔的方式，及時獲取目標信息。

針對空中UAV群的攔截，提供2種應對方式。一是選擇以近程防空導彈/艦炮、艦載制導炮彈結(jié)合新概念武器(激光武器、微波武器、電磁炮中的一種或幾種)進行打擊，打擊之前做好火力分配計劃及獨立的應急打擊火力點，此外，艦上應配備密集陣系統(tǒng)，做好UAV群突破到艦船近程火力距離范圍的準備。二是采用UAV集群對抗敵方UAV群，UAV上可裝備制導炸彈或?qū)?，必要時也可出動有人戰(zhàn)機在保證安全的前提下與己方UAV群協(xié)同作戰(zhàn)，擊落或驅(qū)離敵方UAV群。在上述2種方式實施的同時，艦船上的電子戰(zhàn)設(shè)備(或無人機群攜帶電子戰(zhàn)設(shè)備)都應作為輔助手段配合作戰(zhàn)，進行電磁壓制或選擇性干擾，破壞敵方UAV群的通信。艦船指揮與控制系統(tǒng)還應嘗試探測敵方UAV群搭載平臺的位置，采取“搗毀蜂巢”策略，進行遠程防御。

對于艦船附近海域的UUV群，主要利用聲吶設(shè)備進行探測，并結(jié)合星載雷達等海洋遙感技術(shù)作為補充手段。為攔截敵方水下UUV群，出動己方UUV群與其進行集群對抗，在己方艦船協(xié)助下(如母船發(fā)射魚雷打擊敵方UUV群)予以擊毀或捕獲。方案流程圖與設(shè)想圖如圖3所示。

(2) 預先探測主動防御

在一些特殊情境下，為保證己方安全，可采取主動防御策略。

由艦船主動派出空中UAV群與水下UUV群，在艦船附近海域活動?？罩蠻AV群攜帶機載雷達，水下UUV群攜帶聲吶等探測設(shè)備，有條件可加裝衛(wèi)星導航系統(tǒng)(北斗)，結(jié)合母船本身具備的探測設(shè)備，形成空中、水面、水下三位一體海空探測體系，在母船、空中平臺與水下平臺之間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)探測信息共享。這將增大艦船防御體系的探測范圍，有效提升整體預警能力，如圖4所示。

當發(fā)現(xiàn)敵情后，在共享探測信息的基礎(chǔ)上，由艦船指揮控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)多種攔截手段進行協(xié)同攔截。我方已出動的無人系統(tǒng)集群進行集群協(xié)同任務分配，對敵方無人系統(tǒng)集群進行驅(qū)離或發(fā)動攻擊，必要時采取自殺式攻擊手段；同時母船應予以配合，對空發(fā)射制導炮彈或采用激光、電磁炮等精確打擊武器，水下發(fā)射魚雷或制導魚雷，協(xié)助空中水下無人機群進行攔截。如能探測到敵方UAV群編隊隊形，可采取集中打擊中心區(qū)域的策略。在此過程中，前述多種攔截手段如何共享利用探測信息，如何分配任務協(xié)同攔截，是指揮控制系統(tǒng)需要著重考量的問題。

另外，無論是己方還是敵方，未來母船、空中UAV與UUV三者間進行通信、導航的需求會日益增強。如何有效干擾三者之間的信息交流、對其進行電子干擾或欺騙，同時保護己方通訊設(shè)備，是構(gòu)建防御體系的另一種思路。因此有必要進行認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)建設(shè)，并將認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)與無人系統(tǒng)集群相結(jié)合提升作戰(zhàn)能力。

然而，需要指出的是，現(xiàn)有技術(shù)手段還不足以支撐這一探測體系，存在著很多問題，比如空中與水下的跨界通信問題，如何實現(xiàn)不同介質(zhì)間的信息交流，仍需要進一步研究。此外，我方主動派出的UAV和UUV需要具備較強續(xù)航能力，戰(zhàn)后艦船需要對二者進行回收，如何實現(xiàn)UAV與UUV長航時工作,如何做好戰(zhàn)后回收，是需要解決的問題。

圖3 預警后攔截無人系統(tǒng)集群流程圖Fig.3 Flow chart of intercepting UAV and UUV swarms after detecting the goals

圖4 預先探測主動防御無人系統(tǒng)集群設(shè)想圖Fig.4 Illustration of pre-detecting UAV and UUV swarms before intercepting the goals

3 總結(jié)與展望

本文主要介紹了海域環(huán)境艦船遭遇來自空中與水下異構(gòu)無人系統(tǒng)集群威脅時應如何應對的防御構(gòu)想方案，給出了可行的探測與攔截方式，具有一定創(chuàng)新性，對于艦船防御體系建設(shè)具有一定參考意義。隨著未來軍事技術(shù)的突破，具備空中、水面、水下集群作戰(zhàn)能力的智能化艦船逐步被研制和使用，相應的艦船防御體系建設(shè)也將更加完善。