美國無人潛航器反制措施研究現(xiàn)狀

李曉東，胡光蘭，吳曉婧

（中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

自1957年Stan Murphy和Bob Francois在華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出世界上首個無人潛航器——自推進(jìn)水下研究航行器（SPURV，Self Propelled Underwater Research Vechile）以來，無人潛航器歷經(jīng)60多年的發(fā)展，已成為海軍提升和擴(kuò)大水下優(yōu)勢的一個重要手段。無人潛航器能夠搭載各種任務(wù)載荷快速、隱蔽地抵近敵港口水域，執(zhí)行情報(bào)監(jiān)視偵察、水雷戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)等多種任務(wù)。例如，美國在研制“虎鯨”超大型無人潛航器的同時(shí)，也為其研制配套的情報(bào)監(jiān)視偵察載荷、非殺傷攻擊任務(wù)載荷以及水下武器系統(tǒng)載荷（美國海軍，PE0604029N），美國正在研制的隱蔽投送水雷也計(jì)劃由“虎鯨”超大型無人潛航器布放（美國海軍，PE0604601N）。隨著人工智能和遠(yuǎn)程自動控制技術(shù)的發(fā)展，無人潛航器將承擔(dān)越來越多的進(jìn)攻性任務(wù)，也將使水下作戰(zhàn)環(huán)境更加復(fù)雜。美國已經(jīng)意識到這一問題，近年來在無人潛航器反制方面做了很多工作。本文從探測識別、軟殺傷對抗、硬殺傷對抗三方面總結(jié)分析了美國無人潛航器對抗研究現(xiàn)狀。

1 探測識別

1.1 由蛙人探測聲吶構(gòu)成的水下監(jiān)視系統(tǒng)

隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用的擴(kuò)展，UUV給港口環(huán)境中的兵力保護(hù)帶來了挑戰(zhàn)，因此，需要新的或改進(jìn)的傳感技術(shù)以更好地探測在港口活動的UUV，尤其是在艦船和潛艇附近活動的UUV。UUV機(jī)動性強(qiáng)，傳統(tǒng)的反水雷力量有效性受限。現(xiàn)階段對UUV的探測和分類主要采用原設(shè)計(jì)用于探測作戰(zhàn)蛙人的系統(tǒng)。下面介紹幾種正在開展的基于蛙人探測系統(tǒng)的反UUV研究項(xiàng)目。

1.1.1 “利用 AN/WQX-2聲吶自動跟蹤和分類UUV”項(xiàng)目

美國目前正在開展利用AN/WQX-2蛙人探測聲吶自動跟蹤和分類UUV的工作，如圖1所示。

圖1 利用AN/WQX-2聲吶自動跟蹤和分類UUVFig. 1 Automated tracking and classification of UUVs utilizing AN/ WQX-2

AN/WQX-2聲吶采用了最新的DDS 9000聲吶頭，使用聲吶處理器和 Defender II自動探測和跟蹤軟件，可以探測到目標(biāo)相對于聲吶的距離和方位，通過控制臺將其轉(zhuǎn)換成 GPS方位。內(nèi)置目標(biāo)識別系統(tǒng)，能夠?qū)⑼苋说幕芈曂Ｑ笾械聂~類、海洋哺乳動物、碎片和氣泡的回聲區(qū)分開來。DDS 9000具有 256個波束，波束寬度 1.5°。系統(tǒng)最大探測距離為1 000 m，具體取決于水的溫度和鹽度，系統(tǒng)可以探測蛙人、蛙人運(yùn)載器、無人潛航器和潛艇等目標(biāo)。[1-4]

1.1.2 SeaShield遠(yuǎn)程水下預(yù)警系統(tǒng)

SeaShield是一種針對潛艇和小型潛航器威脅的遠(yuǎn)程水下預(yù)警系統(tǒng)，部署于重要的海岸線、海上邊界和港口入口處，如圖2所示。該系統(tǒng)采用主動和被動聲吶組合陣列，提供水下保護(hù)區(qū)的實(shí)時(shí)態(tài)勢圖像。SeaShield由 1個主動發(fā)射陣列、多個大型被動接收陣列和 1個安裝在海床上的電子單元組成。該系統(tǒng)的 2個長接收陣列串由多個水聽器組成，接收從水下物體返回的信號。SeaShield自動對目標(biāo)進(jìn)行分類，區(qū)分潛艇和其他水下物體。該系統(tǒng)在探測到潛艇或微型潛航器并對其進(jìn)行分類時(shí)，會自動發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)會持續(xù)跟蹤水下威脅，并在屏幕上顯示其準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)[5]。

圖2 SeaShield水下預(yù)警系統(tǒng)Fig. 2 Seashield underwater coastal surveillance system

1.1.3 Stiletto海洋演示計(jì)劃

Stiletto是一個海上演示平臺，是工業(yè)、政府和學(xué)術(shù)屆的技術(shù)演示工具，其基礎(chǔ)設(shè)施包括Stiletto高速艇（含指揮信息中心）、11 m海軍特種作戰(zhàn)剛性充氣艇的布放回收裝置、安裝傳感器的拱形空間、布放回收無人機(jī)的飛行甲板、具有寬帶衛(wèi)星通信的電子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以及具有無人駕駛能力的11 m海軍特種作戰(zhàn)剛性充氣艇。[6-7]

2016年9月14日，海軍海上系統(tǒng)司令部發(fā)布公告，尋求主動/被動聲傳感器探測、分類和跟蹤UUV的系統(tǒng)，在Stiletto海洋演示計(jì)劃中進(jìn)行演示，評估商用聲探測系統(tǒng)的技術(shù)成熟度，這些系統(tǒng)將用作港口和水邊設(shè)施保護(hù)系統(tǒng)的一部分，以應(yīng)對UUV威脅違法入侵。

2017年1月，STILLETO海洋演示項(xiàng)目在弗洛里達(dá)基韋斯特島海軍航空站靠近碼頭的水域開展了反UUV能力演示。試驗(yàn)以Stiletto為指控平臺和潛航器布放回收平臺，使用REMUS 100、Bluefin 9和REMUS 600等3型UUV作為威脅目標(biāo)（3型UUV基本參數(shù)見圖3），對來自4家商業(yè)供應(yīng)商和3家政府機(jī)構(gòu)的7個系統(tǒng)（包含主動和被動系統(tǒng)）進(jìn)行評估。

圖3 反UUV能力演示項(xiàng)目使用的UUV目標(biāo)Fig. 3 UUV targets used in counter-UUV capability demonstration

試驗(yàn)通過主動/被動聲吶查找定位跟蹤目標(biāo)（F2T2），包括：1）向懸浮于水中的岸基傳感器開放，以查找定位跟蹤來襲UUV或在碼頭設(shè)施附近UUV威脅。2）向?；鶄鞲衅鏖_放，如浮標(biāo)、海底傳感器、拖曳傳感器、UUV、USV或上述傳感器的組合，以查找定位跟蹤UUV威脅。

2018年5月，“Stiletto海洋演示項(xiàng)目”又邀請DSIT Solutions公司在美國某海軍基地演示其水下安防系統(tǒng)，主要演示反UUV作戰(zhàn)能力。演示過程中，DSIT公司在美國海軍基地附近的碼頭部署了其 AquaShield遠(yuǎn)程蛙人探測聲吶（DDS）和PointShield便攜式蛙人探測聲吶（PDDS），并對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以支持自動探測、跟蹤、分類和威脅預(yù)警。演示期間，采用了不同類型和尺寸的 UUV從不同角度和不同下潛水深靠近 DSIT公司的系統(tǒng)。在為期4天的演示中，DSIT公司成功對水下環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測，并在UUV進(jìn)入防護(hù)區(qū)時(shí)進(jìn)行了預(yù)警。其中，Aquashield潛水員探測聲吶，專用于保護(hù)沿海和近海重要資產(chǎn)免受各種水下威脅，系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離水下威脅自動探測、跟蹤、分類和報(bào)警功能，采用全自動操作，配置靈活。PointShield是一種小型便攜式潛水員探測聲吶（PDDS），能夠?qū)崿F(xiàn)對水下威脅的全自動探測、跟蹤、分類和警報(bào)。該型聲吶尺寸小、重量輕，易于安裝和部署[8-11]。

1.2 海洋哺乳動物

美國海軍是世界上少數(shù)利用海洋動物進(jìn)行海上作戰(zhàn)的軍隊(duì)，如利用海豚反水雷、反蛙人等。其“海洋哺乳動物系統(tǒng)”曾經(jīng)在伊拉克戰(zhàn)爭中使用過。21世紀(jì)初，美海軍曾在海灣部署“海豚反蛙人系統(tǒng)”，保護(hù)海軍軍艦。2017年1月9日-23日，美海軍將來自航空與海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)太平洋中心的經(jīng)過特殊培訓(xùn)的海獅部署到基韋斯特海軍航空站，探索如何利用海獅來攔截可能對海軍艦艇和水邊設(shè)施構(gòu)成威脅的無人水下航行器。海洋哺乳動物在檢測、定位和反水下威脅領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

1.3 DARPA“持久海洋生物傳感器“項(xiàng)目

美國海軍現(xiàn)有水下探測與監(jiān)視方法是以硬件為中心、資源密集型的，無法滿足全部的探測與監(jiān)視需求。因此，DARPA聯(lián)合諾斯羅普·格魯曼、雷聲BBN技術(shù)公司共同研究使用海洋生物在全球廣闊海域探測并跟蹤潛艇和無人潛航器的方法。

圖4 “持久海洋生物傳感器”（PALS）概念圖Fig. 4 Concept of Persistent Aquatic Living Sensors（PALS）

2018年11月和12月，DARPA分別授予雷聲BBN技術(shù)公司和諾斯羅普·格魯曼公司640萬美元和510萬美元的合同，用于開展“持久海洋生物傳感器”（PALS）項(xiàng)目研究，旨在利用海洋生物增強(qiáng)現(xiàn)有海上反潛聲吶性能。該項(xiàng)目將利用海洋生物自身的感知能力，探測潛艇和無人潛航器在水下產(chǎn)生的異常，監(jiān)視敵軍潛艇、無人潛航器在海峽、近海等戰(zhàn)略水域的活動。由于海洋生物是一種無處不在、自主繁衍、自持性好的感知系統(tǒng)，將它們用于持久水下監(jiān)視具有隱蔽性好、性價(jià)比高、后勤補(bǔ)給需求小等優(yōu)勢。其構(gòu)想是研發(fā)一個二級系統(tǒng)，第一級能感知、探測水下平臺的存在，并輸出響應(yīng)信號或其他可觀測的行為變化；第二級能觀測、記錄、解釋海洋生物的反應(yīng)，并上報(bào)分析結(jié)果。完整的PALS系統(tǒng)還應(yīng)區(qū)分目標(biāo)平臺和其他刺激源，如碎片、其他海洋生物，以降低虛警率。

DARPA資助多個團(tuán)隊(duì)開發(fā)或應(yīng)用技術(shù)來記錄觀察到的生物的刺激反應(yīng)，并開發(fā)硬件和軟件系統(tǒng)來解釋這些反應(yīng)，并對結(jié)果進(jìn)行分析。具體如下：

1）諾斯羅普·格魯曼：記錄和分析鼓蝦的聲學(xué)特性以及發(fā)光生物的光學(xué)特性；

2）海軍研究實(shí)驗(yàn)室：將微生物有機(jī)體整合到一個傳感平臺中，以探測和表征微生物對潛航器磁場響應(yīng)的生物信號；

3）佛羅里達(dá)亞特蘭大大學(xué)：記錄和分析熱帶和亞熱帶環(huán)境中巨人石斑魚的發(fā)聲線索；

4）雷聲BBN技術(shù)公司：利用鼓蝦進(jìn)行潛航器遠(yuǎn)距離探測、分類和跟蹤；

5）馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心：用傳感器標(biāo)記黑鱸魚，以跟蹤受潛航器干擾的魚群的深度和加速行為。

此外，DARPA還贊助了水下作戰(zhàn)中心紐波特分部的海底系統(tǒng)研究，采用水聽器陣和聲矢量傳感器持續(xù)監(jiān)測礁石環(huán)境中生物的環(huán)境聲異常，并分析珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中生物群躲避捕食者所產(chǎn)生的輻射聲信號的變化，該系統(tǒng)有可能提供一種近實(shí)時(shí)探測和分類無人潛航器的方案[12-15]。

2 軟殺傷對抗

軟殺傷指的是讓UUV喪失作戰(zhàn)能力或活動能力，主要的方法有捕獲、欺騙、干擾、以及對網(wǎng)絡(luò)的滲透、壓制等。

2.1 無人潛航器捕獲技術(shù)

UUV捕獲技術(shù)是對抗UUV的一種重要技術(shù)。捕獲UUV的目的是在不損傷其結(jié)構(gòu)和內(nèi)部裝置的前提下，使其浮出水面或沉入海底，便于將其整體打撈起來。

2.1.1 UUV網(wǎng)袋式捕獲技術(shù)

始于民用或警用的網(wǎng)袋式捕獲技術(shù)，主要用于對小型UUV進(jìn)行非殺傷性網(wǎng)捕。正在開展的項(xiàng)目如Maritime Arresting技術(shù)公司的“黃貂魚”攔截網(wǎng)（Stingray Net）。

“黃貂魚”攔截網(wǎng)（Stingray net）是一種非致命的反UUV的效應(yīng)器，用于部署在敵UUV（最快20 kn）的必經(jīng)之路上。攔截網(wǎng)采用尼龍單絲，下連下沉纜沉至水底，上面連接浮繩，在海面到海底間形成一道不可穿透的屏障。由于其在水中是看不見的，因此敵UUV幾乎不可能避開。敵UUV一旦撞上攔截網(wǎng)便會被纏住，捕獲UUV后，將其拖離被保護(hù)資產(chǎn)附近。該系統(tǒng)在NUWC試驗(yàn)的成功率為100%。“黃貂魚”攔截網(wǎng)系統(tǒng)可重復(fù)使用。

“黃貂魚”攔截網(wǎng)系統(tǒng)重約41 kg，配備有存儲箱尺寸為58.4 cm×68.6 cm×121.9 cm，攔截網(wǎng)尺寸為 61 m×（6.1～12.2 m）。

圖5 “黃貂魚”攔截網(wǎng)存儲箱Fig.5 Storage box of Stingray Net

“黃貂魚”系統(tǒng)安裝在巡邏艇的橫梁上。航速20 kn時(shí)，攔截網(wǎng)6 s的時(shí)間就可以展開，部署過程如下所述[16]。

1）存儲箱的蓋子變成發(fā)射斜槽，引導(dǎo)傘被彈出，開始部署；

2）引導(dǎo)傘將網(wǎng)拉出存儲箱；

3）網(wǎng)自動形成從海底到海面的屏障。

2.1.2 UUV泡沫捕獲技術(shù)方案

泡沫捕獲UUV的基本原理是通過發(fā)射一種高分子物質(zhì)（這種物質(zhì)能在海水中迅速膨脹硬化），擊中UUV時(shí)能迅速粘附在其表面上，然后膨脹硬化將其包裹住，從而使UUV喪失工作能力。

2.2 欺騙、干擾及網(wǎng)絡(luò)對抗

美國十分重視人工智能在無人潛航器上的應(yīng)用。五角大樓在2020年的預(yù)算要求增加對自動武器計(jì)劃的預(yù)算，其中無人系統(tǒng)申請總額為37億美元，在人工智能上的投入為9億美元。但與任何基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)一樣，人工智能 UUV也存在固有的漏洞，可以尋找這些漏洞，更改、破壞或欺騙UUV系統(tǒng)，從而控制UUV或使之轉(zhuǎn)頭與其所有抗衡。

此外，反UUV不僅是反UUV本身，更重要的是反與UUV相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，包括利用強(qiáng)聲源對敵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓制、利用水聲病毒對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊、攔截?cái)乘戮W(wǎng)絡(luò)情報(bào)等。但這些只有在己方網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作效率足以戰(zhàn)勝敵方網(wǎng)絡(luò)的情況下才能發(fā)揮作用。建立針對無人潛航器威脅的有效水下網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)對抗成功的關(guān)鍵[16-17]。

3 硬殺傷對抗

硬殺傷，又稱直接殺傷，是以破壞、摧毀無人潛航器為目的處置手段。目前公開報(bào)道的對 UUV采取的硬殺傷辦法主要是超空泡子彈。

美國的PNW Arms公司和挪威的DSG技術(shù)公司生產(chǎn)的超空泡子彈可以作為打擊AUV的潛在武器。超空泡是利用空化效應(yīng)在液體內(nèi)部產(chǎn)生一個氣泡，該氣泡大到足以容納通過液體的物體，從而大大降低物體的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)高速打擊。

理論上，可以從空中探測和打擊無人潛航器。通過直升機(jī)裝備藍(lán)綠激光探測靠近水面的無人潛航器，然后采用 DSG技術(shù)公司的跨介質(zhì)子彈（4.5～155 mm）從空氣飛入水中摧毀無人潛航器。此外，還可以在無人潛航器上配備超空泡子彈，獵殺無人潛航器、微型潛艇和蛙人。當(dāng)然，在發(fā)射超空泡子彈前，還需要開發(fā)新的數(shù)據(jù)鑒別或圖像識別算法以區(qū)分無人潛航器和與其大小相近的魚或海洋哺乳動物[18-23]。

4 結(jié)束語

無人潛航器作為一種海上力量倍增器，有著廣泛而重要的軍事用途，在水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、水下搜救等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，具有增強(qiáng)水下優(yōu)勢和有效抵消對手力量的能力。但同時(shí)，無人潛航器的廣泛應(yīng)用也帶來了威脅和挑戰(zhàn)。隨著人工智能和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展，無人潛航器探測和清除的難度也將越來越大。因此，我們在發(fā)展無人潛航器的同時(shí)，應(yīng)抓緊研發(fā)新的方法、技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)以對抗敵無人潛航器的探測，并對其進(jìn)行偵察，必要時(shí)發(fā)起攻擊。在不影響己方無人潛航器作業(yè)的基礎(chǔ)上，使敵方無人潛航器無法工作，只有這樣，才能在未來水下戰(zhàn)爭中獲取主動權(quán)。