無人集群協(xié)同反潛應用研究

蘇金濤，張 華，肖自兵，姚運啟

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

水面艦艇、反潛直升機、固定翼反潛機等傳統(tǒng)有人反潛作戰(zhàn)平臺，以及水下對潛警戒網絡和天基對潛警戒網絡，共同構筑了當前最普遍的反潛作戰(zhàn)體系[1]。但潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)歷來是不對稱作戰(zhàn)，現有反潛作戰(zhàn)體系仍存在高成本、效率低、制海力不足等諸多短板。無人作戰(zhàn)系統(tǒng)及無人集群技術發(fā)展，為開發(fā)新的反潛作戰(zhàn)模式提供了基礎。國內外近年來開發(fā)了反潛無人水面艇（USV）、無人潛航器（UUV）和無人機（UAV），并進行了單系統(tǒng)和集群搜潛、攻潛試驗，積極開發(fā)新的反潛作戰(zhàn)模式，快速推動無人作戰(zhàn)系統(tǒng)及無人集群在反潛戰(zhàn)中的應用。

1 典型無人反潛系統(tǒng)

構成無人反潛集群的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)主要有UUV，USV和UAV等。這些無人作戰(zhàn)系統(tǒng)通過搭載反潛戰(zhàn)載荷（載荷組成一般包括探潛設備、處理設備和攻潛武器等），形成反潛型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，感知水下環(huán)境信息和潛艇目標信息，對潛艇目標實現定位、識別、跟蹤和打擊。

1.1 UUV反潛系統(tǒng)

UUV的類型很多，用途也很廣泛，反潛是其主要用途之一。UUV反潛系統(tǒng)應用模式主要包括：1）掌控風險；2）海戰(zhàn)場防護；3）航道保護。掌控風險指的是利用UUV對敵方潛艇基地、港口內的或通過其必

經之地的所有潛艇進行監(jiān)視和跟蹤，即所謂的“源頭監(jiān)視”，能防患于未然，發(fā)揮很好的預警作用；海戰(zhàn)場防護指的是對航母編隊或大型遠海打擊編隊的作戰(zhàn)區(qū)域進行水下反潛，保持水下安全；航道保護則是對上述編隊從一個作戰(zhàn)區(qū)域向下一個作戰(zhàn)區(qū)域轉移時，航道的水下反潛和保護[2]。這3種應用模式中，第1種被認為最有效，它不僅在戰(zhàn)時可使用，戰(zhàn)前也可獲取敵方潛艇情報，為作戰(zhàn)做好準備。典型的UUV反潛系統(tǒng)，如美軍的“曼塔”[3]如圖1所示。

圖1 美軍UUV反潛系統(tǒng)“曼塔”Fig. 1 The anti-submarine system MANTA

為了執(zhí)行反潛任務，UUV—般都裝有聲吶傳感器或磁異探測器，典型的由前視聲吶、側掃聲吶。為提高遠程探測能力，中、大型UUV還可裝備水平拖曳線列陣聲吶或在UUV漂浮、坐底情況下使用垂直線列陣聲吶。除了應用自身的傳感器外，UUV還可以借助水下傳感器場或母船的支持執(zhí)行反潛任務。為對付隱身型潛艇目標，可與水下傳感器場或母船，以及USV等其他無人作戰(zhàn)系統(tǒng)構成多基地主動探測方式。中、大型UUV可搭載魚雷武器，根據作戰(zhàn)態(tài)勢遙控或自主對潛艇目標進行攻擊[4]。

1.2 USV反潛系統(tǒng)

反潛是USV最有前途的任務領域，USV用于反潛，一是中、小型USV作為水面艦船舷外反潛手段或作為近岸反潛手段，可由母船或基地遙控，以及采用自主/半自主方式工作；二是正在開發(fā)的大型反潛USV，可在廣闊海域、較長時間內獨立執(zhí)行搜索、跟蹤、識別、攻擊潛艇目標的任務[5-6]。其中隨艦艇編隊作戰(zhàn)時，USV可作為重要反潛方向上前出兵力，彌補艦艇水下探測距離不足的短板，彌補艦載反潛直升機留空時間短的短板，改善編隊反潛機資源有限的窘境，拓展艦艇水下探測范圍和攻擊范圍，對確認目標及時進行誘騙和首輪打擊，在這種任務中，USV可擔負應招搜潛、巡邏搜潛、檢查搜潛等具體反潛任務。大型USV執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務時，可不受限于母艦的束縛，成為一個完全獨立的反潛作戰(zhàn)平臺，在海戰(zhàn)場作戰(zhàn)體系的支撐下，完成水面艦艇、潛艇、反潛機等原

傳統(tǒng)反潛作戰(zhàn)體系兵力完成的任務。典型的USV反潛系統(tǒng)，如以色列的“海鷗”無人艇[7]如圖2所示。美國的長航時海上無人跟蹤艇[8]如圖3所示。

圖2 以色列Seagull USV反潛作戰(zhàn)試驗Fig. 2 The anti-submarine war experiment of the Seagull USV

圖3 美國長航時海上無人跟蹤艇反潛作戰(zhàn)概念Fig. 3 The anti-submarine war concept of the ACTUV

為執(zhí)行反潛任務，USV一般都裝有拖曳線陣陣聲吶、吊放聲吶和舷外聲源、聲吶浮標、磁探儀等聲學及非聲學反潛設備。同時使用多艘USV時可進行多基地主動探測，USV與水下傳感器場、母船，以及UUV等也可構成多基地主動探測方式。此外，USV與UAV等也可構成異構集群反潛系統(tǒng)。中、大型USV還可搭載魚雷、深水炸彈等反潛武器，根據作戰(zhàn)態(tài)勢遙控或自主對潛艇目標進行攻擊。

1.3 UAV反潛系統(tǒng)

UAV成本低、留空時間長、機動性能好、搜索范圍廣等特點，使其在反潛戰(zhàn)領域具有廣闊的應用前景[9-10]，目前及今后一段時間內，UAV可執(zhí)行的反潛戰(zhàn)任務主要包括：1）潛艇等水下目標信息收集和分發(fā)；2）反潛器材布放和潛艇等水下目標信息收集；3）反潛器材和反潛武器投放。用于潛艇等水下目標信息收集和分發(fā)時，由反潛作戰(zhàn)體系中其他兵力（例如反潛機、反潛直升機等）布放聲吶浮標，利用UAV長航時留空特點，進行聲吶浮標探測信息收集和處理，并將信息分發(fā)至反潛作戰(zhàn)指揮控制中心及其他反潛作戰(zhàn)平臺；用于反潛器材布放和潛艇等水下目標信息收集時，UAV自身攜帶聲吶浮標，可長航時留空，根據反潛作戰(zhàn)指揮控制中心指令或自主在既定海域布放浮標，并進行浮標探測信息收集處理，然后將信息分發(fā)至反潛作戰(zhàn)指揮控制中心和其他反潛作戰(zhàn)平臺；用于反潛器材和反潛武器投放時，UAV攜帶深彈、輕型魚

雷、誘餌等攻潛武器或對抗器材，根據反潛作戰(zhàn)指揮控制中心指令或根據自身布放的聲吶浮標探測的潛艇目標信息，投放攻潛武器或對抗器材，協(xié)同對既定潛艇目標進行驅離、攻擊或干擾、欺騙。典型的UAV反潛系統(tǒng)，如美國的MQ-9反潛無人機[11]如圖4所示。

圖4 美國MQ-9反潛無人機Fig. 4 The MQ-9 anti-submarine UAV

UAV用于獲取水下信息時，主要使用磁傳感器、電場傳感器或聲吶浮標，利用磁異常探測、電場探測、聲探測可以發(fā)現水下的潛艇目標。此外，UAV可與水面艦艇、USV等構成異構有人-無人協(xié)同反潛系統(tǒng)，對潛進行多基地主動探測。UAV用于攻擊、對抗?jié)撏r，主要使用深彈、輕型魚雷、誘餌等攻潛武器或對抗器材。

2 典型無人反潛系統(tǒng)特點分析

2.1 UUV反潛系統(tǒng)特點

UUV反潛系統(tǒng)的特點主要有：

1）UUV與潛艇工作于同一介質中，通過UUV姿態(tài)的調整，使得其自身處于最有利的對潛探測深度，從而使得其所攜帶的探測器處于最佳工作深度，最大可能的發(fā)揮探測裝備的性能。

2）UUV可以利用其自身機動性，抵近水下傳感器場，利用水聲通信方式，方便與水下固定式聲吶陣列、磁陣列，以及反潛浮標等節(jié)點構成水下網絡戰(zhàn)體系。

3）UUV可工作于一定水深處，受海面惡劣海況影響較小，可保證在一定海況下的任務適應性。

4）為保證一定的續(xù)航力，UUV一般工作航速較低，不能快速覆蓋大范圍區(qū)域，對潛艇的持續(xù)跟蹤能力較弱。

5）小型UUV雖然隱蔽性較好，適合遂行抵近探測任務，但探測載荷搭載能力有限，搭載的反潛傳感器性能較低，大型UUV探測載荷能力高，但隱蔽性上相對較差；

6）由于水下通信距離短、通信效率低下，UUV探測信息的“上岸”問題依然是實戰(zhàn)應用上的瓶頸，不能與母艦指揮控制系統(tǒng)進行及時有效的信息交互，大部分情況下只能采用 “事后處理”的方式進行探測信息處理和分析，極大地限制了作戰(zhàn)響應和作戰(zhàn)應用場景，多UUV集群協(xié)同的問題同樣受通信鏈路的限制，不能實現大范圍廣域控制。

2.2 USV反潛系統(tǒng)特點

USV反潛系統(tǒng)的特點主要有：

1）USV可以攜帶拖曳線列陣聲吶、拖曳變深聲吶、主動聲源、聲吶浮標、磁探儀等多種反潛載荷，甚至比較容易攜帶魚雷、深彈等攻潛武器，帶載能力強，可針對不同的反潛任務適配不同的反潛戰(zhàn)載荷，任務適應性高。

2）USV一般航程較遠，工作時間有保障，可在任務海區(qū)形成較長時間的對水下控制力，適合對抗以慢速、隱蔽見長的潛艇目標。

3）一般小型、中型USV由于尺寸和排水量限制，海況適應性較差，對反潛工作的海況環(huán)境條件要求比較高。

4）雖然與其他的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)相比，具有較長的自持力，但仍需要母艦保障，一般大型USV才具備獨立、遠距離遂行反潛任務的能力。

5）USV的對外通信也受到諸多限制，依靠自身攜帶的通信手段，并不能有效地與母艦或岸基進行直接、高帶寬、任務級通信；通過衛(wèi)通等手段進行信息傳遞，又需要大幅提高USV的反潛自主處理能力；在實際作戰(zhàn)任務中USV可通過UAV進行中繼通信。

2.3 USV反潛系統(tǒng)特點

UAV反潛系統(tǒng)的特點主要有：

1）UAV是航空反潛平臺在無人反潛系統(tǒng)領域的延伸，其飛行安全要求較有人駕駛飛機大幅降低，不但可以比有人駕駛飛機更低的高度上穩(wěn)定飛行，而且還可在高海況等復雜氣象條件下使用，從而實現更佳的反潛效果。

2）快速性是UAV較其他無人反潛系統(tǒng)最主要的特點，UAV可以以較快的速度抵達任務海域，而且能在較短的時間內覆蓋較大的海域，可較好地對抗機動能力強的潛艇目標。

3）UAV具有一定的工作高度，可以比較容易地與母艦和（或）岸基進行相互通信，不僅可形成較大的反潛任務半徑，而且為實現“人在回路”掃除了技術障礙，保證了UAV用于反潛任務的實戰(zhàn)化。

4）UAV用于反潛的短板是帶載能力有限，其對起飛重量要求嚴格，相對于重量、尺寸都較大的反潛設備，一般微小型UAV不具備搭載能力，中型UAV帶載能力也較弱，所攜帶的反潛器材覆蓋海域面積有限。

5）同時UAV在艦上起飛、降落仍存在著較大的技術風險，使得當前UAV隨艦艇（編隊）遂行反潛任務的可能性較小，一般以岸基為中心進行作戰(zhàn)。

3 無人反潛集群構成分析

基于對各型無人反潛系統(tǒng)特點分析，可以發(fā)現，由于當前USV/UUV/UAV本身固有的不足，單USV/UUV/UAV反潛作戰(zhàn)效能有限，這與傳統(tǒng)有人反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展相似，只有所有的反潛作戰(zhàn)元素構成體系，相互配合，才能充分發(fā)揮各個反潛作戰(zhàn)元素的長處，取長補短，最大程度地發(fā)揮反潛體系作戰(zhàn)效能。

此外，反潛體系所發(fā)揮的作戰(zhàn)效能，不僅與反潛兵力相關，還與反潛兵力所絞聯(lián)的指揮控制和作戰(zhàn)保障相關，反潛兵力只有在得到指揮控制系統(tǒng)和作戰(zhàn)保障系統(tǒng)的強力支撐下，才能更好地發(fā)揮固有的能力，這就需要建立反潛兵力與指揮控制系統(tǒng)和作戰(zhàn)保障系統(tǒng)之間的可靠交互鏈路，對于無人反潛系統(tǒng)而言，這一點尤為重要。

同構無人集群執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務，雖然能夠擴大任務區(qū)域覆蓋率和降低任務響應時間，但固結于單無人作戰(zhàn)系統(tǒng)上的短板并沒有得到本質改善，或者改善的費效比太高。例如，USV反潛集群并不能改變其作戰(zhàn)半徑的限制。提高UAV反潛集群的反潛載荷帶載量，需要UAV集群中UAV的數量達到一定的規(guī)模，單機、單次任務執(zhí)行的效率太低，必然帶來費用的提升，這顯然不是明智之舉。同時，無人集群的構建，與特定的反潛應用場景也有必然的相關性，隨艦作戰(zhàn)與近岸作戰(zhàn)場景下的不同反潛任務，對無人集群的支持和限制也會有所不同。

無人集群的構成與其作戰(zhàn)對象之間是最直接的關系，無人集群中各無人作戰(zhàn)系統(tǒng)帶載的反潛載荷直接作用于海洋環(huán)境和潛艇目標?，F代潛艇技術的發(fā)展很快，隱身性在不斷提高，使得反潛也變得越來越困難，特別是對低噪聲隱身潛艇，必須采取新的措施來應對。例如，采用低頻主動聲吶探測潛艇，并結合使用其他非聲探測手段[12]。但是，收發(fā)合置式低頻主動聲吶尺寸、重量、系統(tǒng)復雜度、工作能源需求等方面的要求都使得其安裝于無人系統(tǒng)存在很大困難。如何發(fā)揮各種無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的特點，構成收發(fā)分置的多基地主動反潛聲吶系統(tǒng)，不僅是裝備技術方面的問題，也是反潛戰(zhàn)術上的問題，對于開發(fā)無人集群反潛作戰(zhàn)概念與系統(tǒng)至關重要。

通過對各型無人反潛系統(tǒng)特點的分析，合理地配置一個無人反潛集群，應綜合以下因素：

1）無人反潛集群所搭載的反潛載荷對潛探測的有效性；

2）無人反潛集群對作戰(zhàn)海域控制的廣域性和持久性；

3）無人反潛集群的任務響應性；

4）無人反潛集群作戰(zhàn)半徑、作戰(zhàn)環(huán)境等任務適應性；

5）無人反潛集群與指揮控制和作戰(zhàn)保障的匹配性。

4 無人集群協(xié)同反潛作戰(zhàn)概念開發(fā)

4.1 近岸無人集群協(xié)同反潛作戰(zhàn)概念

近現代以來的局部戰(zhàn)爭表明，利用潛艇從水下發(fā)射導彈進行對陸攻擊是最主要的作戰(zhàn)模式之一。近年來，隨著無人技術和水下運載技術的發(fā)展，UUV等水下作戰(zhàn)平臺和蛙人的作戰(zhàn)能力得到快速提升，通過潛艇輸送將UUV和蛙人輸送到近岸距離內，利用UUV和蛙人進行滲透作戰(zhàn)，也對一個國家的海軍基地和重要經濟設施構成很大威脅。有效地控制近岸海域水下空間，不僅能遏制敵對國家潛艇的活動，而且能夠大大拓寬己方對海防御的空間。

傳統(tǒng)反潛作戰(zhàn)模式下，在近岸海域，一般通過護衛(wèi)艦并輔以有限的海底固定反潛網絡進行反潛作戰(zhàn)，但只能對重點海域進行監(jiān)控，要達到全海域全時段水下控制，所需要付出的軍事成本異常昂貴，從效費比的觀點來看是根本不可能實現。UAV和USV技術的發(fā)展，使得UAV和USV在近岸使用條件和保障條件已經逐步成熟，為解決反潛作戰(zhàn)的難題提供了新的思路。無人集群反潛要兼顧多種制約因素，才能達到切實可行，并達到預期的反潛效果。基于此，對于近岸反潛作戰(zhàn)需求，所構想的一種基于無人集群的協(xié)同反潛作戰(zhàn)概念如圖5所示。

圖5 無人集群近岸協(xié)同反潛作戰(zhàn)概念圖Fig. 5 The concept of the near-shore unmanned cluster collaborative anti-submarine operation

無人反潛集群由無人機和無人艇組成，采用固定翼長航時無人機和中大型無人艇。其中無人機攜帶聲吶浮標載荷和通信中繼載荷，無人艇攜帶搜潛載荷和（或）反潛魚雷載荷。無人艇部署于近岸敏感海域，當需要執(zhí)行反潛任務時，無人機快速抵達任務海域投放聲吶浮標，進行對潛搜索，一旦發(fā)現可疑潛艇目標，在岸基指揮控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調下或無人集群自主協(xié)同下，指揮無人艇抵近對可疑目標進行確認、跟蹤，甚至打擊。

4.2 近岸無人集群協(xié)同反潛作戰(zhàn)概念分析

由無人艇和無人機構成的岸基無人反潛集群，其反潛作戰(zhàn)概念體現在對既有反潛作戰(zhàn)體系作戰(zhàn)能力不足的彌補，又立足于實際技術實現條件，分析如下：

1）中大型無人艇帶載能力強，可攜帶精確搜潛載荷和魚雷載荷，單次任務時間較長，航程較大，可根據反潛需要部署于某一海域范圍內，長久值班；同時又具有較高的機動性，可根據反潛需要進行快速部署和轉移，能夠有效拓展對潛確認和打擊距離，使得系統(tǒng)對海域控制范圍大大增加；

2）固定翼長航時無人機可攜帶可觀的反潛設備（主要為聲吶浮標及相應配套設備），搭載反潛設備量可滿足一定范圍內對潛警戒、探測的需求，探測器材布放及時，布放區(qū)域大；留空時間長，能長久工作于任務海區(qū)，保持對潛探測的持續(xù)性；機動性強，在對潛預警信息或情報信息支持下，可快速到達任務海區(qū)，可有效避免了由于潛艇機動帶來的目標丟失；能為無人艇提供持續(xù)目標指示；

3）中大型無人艇和固定翼長航時無人機環(huán)境適應性強，可滿足較高海況下反潛任務需求，反潛任務出勤率有保障；無人艇與無人機依托岸基碼頭和機場，布放與回收不存在相關技術問題，集群可得到較好的運行保障；

4）在集群中，固定翼長航時無人機同時作為集群元素之間，以及集群與岸基信息連通的節(jié)點，無人集群與指揮控制系統(tǒng)間的直接相互聯(lián)絡可保證反潛任務對于通信能力的要求，集群的反潛任務半徑有保證。

對比本文前述分析，該無人集群協(xié)同反潛作戰(zhàn)概念具有較高的可行性。

5 結 語

通過整合各型異構無人反潛系統(tǒng)的優(yōu)勢，形成無人集群協(xié)同反潛系統(tǒng)，可彌補現有反潛作戰(zhàn)體系對潛艇發(fā)現、跟蹤和打擊能力的不足，實現對更加廣域海區(qū)的水下控制，提高執(zhí)行反潛任務的效率和效費比，使之前不可能完成的任務變?yōu)榭赡?，充分抵消潛艇?zhàn)帶來的不對稱性，從而帶來傳統(tǒng)反潛作戰(zhàn)模式的改變，充分滿足未來反潛作戰(zhàn)發(fā)展趨勢的要求。無人集群協(xié)同反潛作戰(zhàn)概念開發(fā)仍處于起步階段，通過演示驗證試驗對無人集群協(xié)同反潛概念進行論證和完善是后續(xù)工作的重點，相應地也能牽引無人協(xié)同反潛技術、裝備的發(fā)展。