潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

張鑫明, 韓明磊, 余益銳, 黃田力, 陳 謙, 吳 銘

潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

張鑫明, 韓明磊, 余益銳, 黃田力, 陳 謙, 吳 銘

(中國艦船研究院, 北京, 100101)

潛艇和無人水下航行器(UUV)協(xié)同作戰(zhàn)是現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)能力的重要組成部分, 也是海軍裝備中新式作戰(zhàn)理念、新技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。文章介紹了國內(nèi)外潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)研究的發(fā)展現(xiàn)狀, 主要分析了美國、俄羅斯和英國等國家在水下作戰(zhàn)體系、協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)和新質(zhì)水下作戰(zhàn)力量等方面的發(fā)展思路; 重點研究了水下協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù), 涉及水下多介質(zhì)傳輸、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同探測、多源異構(gòu)信息融合等裝備體系技術(shù), 以及控制體系結(jié)構(gòu)、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與分配、貧弱信息下的自主決策等作戰(zhàn)應(yīng)用技術(shù), 以期為裝備技術(shù)和作戰(zhàn)應(yīng)用協(xié)調(diào)發(fā)展、水下新質(zhì)作戰(zhàn)力量的快速形成提供技術(shù)參考。

潛艇; 無人水下航行器; 協(xié)同作戰(zhàn)

0 引言

隨著水下無人系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展, 未來水下戰(zhàn)的形態(tài)將更加多樣化, 傳統(tǒng)以單一平臺為核心的對抗模式將逐漸喪失優(yōu)勢, 未來海上戰(zhàn)爭將以體系對抗為主, 其作戰(zhàn)模式的主要特點是體系化、無人化、智能化、分布式和集群化[1]。加快構(gòu)建以平臺為中心的水下作戰(zhàn)體系, 并作為作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參與陸、海、空、天、潛的跨域作戰(zhàn)體系, 形成與強敵在海上體系對抗中的相互制衡, 同時大力發(fā)展水下隱蔽攻擊等非對稱作戰(zhàn)樣式, 對提升我國海軍整體作戰(zhàn)效能、形成非對稱作戰(zhàn)優(yōu)勢具有重要的軍事意義。

潛艇和無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)組成的異構(gòu)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng), 是水下作戰(zhàn)體系的核心部分。其以各類功能型UUV無人系統(tǒng)為前出力量, 以潛艇為后方遙控指揮及遠程打擊核心, 通過水下或跨域通信進行信息傳輸和指揮控制, 可充分發(fā)揮UUV的“倍增器”效能, 大幅提升潛艇綜合作戰(zhàn)能力, 并可降低艦艇裝備損失和人員傷亡。潛艇和UUV協(xié)同作戰(zhàn), 既可發(fā)揮人的決策經(jīng)驗優(yōu)勢, 又可發(fā)揮無人平臺的機動自主能力, 將成為未來水下作戰(zhàn)的主要樣式。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 美海軍水下作戰(zhàn)體系和協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)

美海軍的水下作戰(zhàn)體系建設(shè)處于世界領(lǐng)先水平。為了應(yīng)對前蘇聯(lián)不斷增長的潛艇威脅, 美海軍從1949年起先后開始了固定式水下監(jiān)視系統(tǒng)(sound surveillance system, SOSUS)、固定式分布系統(tǒng)(fixed distributed system, FDS)和先進可部署系統(tǒng)(advanced deployable system, ADS)等3項水下固定監(jiān)視系統(tǒng)和艦載監(jiān)視拖曳陣傳感器系統(tǒng)(surveillance towed array sensor system, SURTASS)的研制工作, 構(gòu)建了“固定與機動相結(jié)合”的綜合水下監(jiān)視系統(tǒng)(integrated undersea surveillance system, IUSS), 大幅提高了美海軍的體系化反潛能力[2]。隨著遙控聲吶水聲調(diào)制解調(diào)器技術(shù)的快速發(fā)展和海底無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步成熟, 美海軍從1994年起又推動發(fā)展了可部署自主分布式系統(tǒng)(deployable autonomous distributed system, DADS)、廣域海網(wǎng)(Seaweb)和瀕海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)(persistent littoral undersea surveillance network, PLUSNet)等多個項目, 基本建成了“以力量網(wǎng)(ForceNet)為核心”、“有人與無人相結(jié)合”、“多域協(xié)同”的網(wǎng)絡(luò)化水下作戰(zhàn)體系, 以期在水下攻防中獲得不對稱優(yōu)勢。

DADS由美國海軍研究辦公室(office of naval research, ONR)資助, 在1994年由空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(space and naval warfare systems command, SPAWAR)和洛克希德馬丁公司等多家公司和院所共同研發(fā)[3]。DADS是一套由14個固定節(jié)點和多個移動節(jié)點組成的瀕海防雷反潛作戰(zhàn)項目。其中固定節(jié)點包括2個傳感器節(jié)點、2個浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點和10個遙控聲吶中繼節(jié)點, 潛艇、自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)和蛙人等充當(dāng)移動結(jié)點。岸基指揮中心通過固定網(wǎng)關(guān)節(jié)點和AUV移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點獲取水下態(tài)勢數(shù)據(jù), 并通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點與其他移動節(jié)點進行通信, 從而實現(xiàn)對敵反潛作戰(zhàn)[4]。

Seaweb由ONR資助, 在1995年由海軍研究生院(naval postgraduate school, NPS)等多家高校和院所開始聯(lián)合研制[5], 是一種具有通道自適應(yīng)、情境自適應(yīng)、自我配置和自我修復(fù)功能的自主海底水聲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以水下遠程聲吶調(diào)制解調(diào)器為固定節(jié)點, 以艦船、潛艇、飛機、衛(wèi)星或岸基為指揮節(jié)點, 并以潛艇或AUV為水下移動節(jié)點。該系統(tǒng)以固定節(jié)點為中繼, 向移動節(jié)點提供多域網(wǎng)絡(luò)接口和來自指揮節(jié)點的指揮、控制、通信和導(dǎo)航(command, control, communications, and navigation, C3N)信息。Seaweb的成功部署推動了跨系統(tǒng)、跨平臺和跨任務(wù)的水下反潛體系發(fā)展[6]。

PLUSNet由ONR資助, 在2005年由華盛頓大學(xué)等多個高校和公司開始聯(lián)合研發(fā), 是一種半自主控制的“海底固定＋水中機動”的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)施。該系統(tǒng)以俄亥俄級戰(zhàn)略核潛艇為母船, 以多型UUV/AUV為活動節(jié)點, 并以水下潛標(biāo)、浮標(biāo)和水聲探測陣為固定節(jié)點。潛艇通過攜帶半自主傳感器的UUV實施水下反潛、水面目標(biāo)攻擊等任務(wù), 為水下作戰(zhàn)提供支撐, 其項目部署如圖1所示。該項目的試驗系統(tǒng)分別于2006年和2007年進行第1次和第2次海上試驗, 并于2015年形成作戰(zhàn)能力[7]。

圖1 PLUSNet項目部署示意圖

美海軍在持續(xù)推進水下攻防體系建設(shè)的同時, 還重點發(fā)展了包含分布式敏捷獵潛(distributed agile submarine hunting, DASH)系統(tǒng)和移動舷外保密通信與方法(mobile offboard clandestine com- munications and approach, MOCCA)在內(nèi)的多種協(xié)同作戰(zhàn)項目, 成立了“UUVRON 1”部隊, 初步具備了潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)的能力, 并持續(xù)通過2016年和2019年等年度先進海軍技術(shù)演習(xí)(advanced naval technology exercise, ANTX)對協(xié)同作戰(zhàn)能力進行了驗證。

DASH項目由美國國防高級研究計劃局(de- fense advanced research projects agency, DARPA)在2010年提出[8], 旨在研發(fā)能夠在淺水和深水環(huán)境中大面積探測和定位柴電潛艇的先進無人系統(tǒng)感知能力, 以對抗安靜型潛艇的不對稱優(yōu)勢。該系統(tǒng)由可靠聲學(xué)路徑轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(transformational reliable acoustic path system, TRAPS)和潛艇風(fēng)險控制系統(tǒng)(submarine hold at risk, SHARK)組成, 前者是用于大面積覆蓋和探測潛艇的海底被動式聲吶節(jié)點, 后者是用于發(fā)現(xiàn)后跟蹤潛艇的搭載主動聲吶的UUV。DASH首創(chuàng)自下而上的探潛模式, 可克服海面、海底聲散射的影響, 能發(fā)現(xiàn)并跟蹤大片區(qū)域的潛艇。該項目在2013完成了SHARK系統(tǒng)的深潛試驗, 并于2017年完成驗收[9]。

MOCCA項目由DARPA在2016年1月提出, 旨在尋求研發(fā)突破性潛艇聲吶概念與技術(shù)。該項目以主動聲吶和被動聲吶相互補充為核心思路, 通過研究潛艇與搭載主動聲吶的UUV間的保密通信技術(shù)、協(xié)同探測和追蹤技術(shù), 實現(xiàn)潛艇與UUV的協(xié)同作戰(zhàn)[10]。該項目在低截獲率和低檢測率的保密通信信號方面取得突破, 其原型系統(tǒng)已集成在潛艇艦載聲吶系統(tǒng)中, 并于2020年完成驗收[11]。

美海軍在2016年8月于紐波特市的水下聲學(xué)實驗室舉行主題為“跨域指揮、控制與通信(command, control and communications, C3)”的年度海軍技術(shù)演習(xí)(ANTX 2016), 展示了通用動力公司研制的“潛艇-UUVs-UAV”子母式協(xié)同作戰(zhàn)能力。該演示通過潛艇發(fā)射攜帶子UUV和UAV的母UUV, 實現(xiàn)跨域C3以及母平臺(潛艇)對二級子平臺(小型UUV)的直接指揮[12], 其具體指控關(guān)系如圖2所示。

“UUVRON 1”部隊在2017年9月正式組建, 成為美國海軍歷史上第1支UUV戰(zhàn)斗單位。根據(jù)美海軍的設(shè)想, 該部隊將具備在無人協(xié)助的情況下長時間操作和使用全級別無人水下航行裝備的能力, 能夠配合有人平臺進行探測偵察等戰(zhàn)術(shù)行動, 并對戰(zhàn)略海洋學(xué)檢測和戰(zhàn)區(qū)反潛戰(zhàn)原型系統(tǒng)等提供情報支持[13]。

圖2 “潛艇-UUVs-UAV”子母式協(xié)同作戰(zhàn)中通信和指控關(guān)系示意圖

美海軍在2019年8月于紐波特市的水下聲學(xué)實驗室舉行了主題為“準(zhǔn)備作戰(zhàn): 水下安全”的年度海軍技術(shù)演習(xí)(ANTX 2019), 展示了通用動力公司的“有人-無人系統(tǒng)跨域C3和多層級C3能力”。該演示通過兩棲戒備小組(ARG)對搭載無人水面航行器(unmanned surface vehicle, USV)的瀕海戰(zhàn)斗艦和搭載UUV的弗吉尼亞級潛艇進行集中指揮, 實現(xiàn)了海上多有人平臺與多無人平臺的協(xié)同探測和打擊, 構(gòu)建了多層級任務(wù)指揮結(jié)構(gòu)[14]。

此外, 美國國防部(department of defense, DoD)、美國國防科學(xué)委員會(defense science board, DSB)、美國海軍部(department of navy, DON)、美國海軍水下作戰(zhàn)總體技術(shù)辦公室(undersea warfare chief technology office, USW CTO)、美國海軍潛艇部隊司令部(commander submarine forces, COMSUBFOR)和美國戰(zhàn)略預(yù)算評估中心(center for strategic and budgetary assessments, CSBA)等多家機構(gòu)還發(fā)布了許多諸如第2版《無人水下航行器主計劃》[15]、《水下戰(zhàn)綱要》[16]、《下一代水下無人系統(tǒng)》[17]、第3版《水下戰(zhàn)科學(xué)與技術(shù)目標(biāo)》[18]、第2版《水下戰(zhàn)科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略》[19]、第8版《無人系統(tǒng)綜合路線圖》[20]、《海軍無人系統(tǒng)目標(biāo)》[21]、《海軍無人系統(tǒng)戰(zhàn)略路線圖》[22]、《水下戰(zhàn)新紀(jì)元》[23]和《海軍無人作戰(zhàn)框架》[24]等綱要性文件。這些文件與項目、演習(xí)相結(jié)合, 分別從任務(wù)使命需求、總體戰(zhàn)略規(guī)劃、核心技術(shù)梳理、關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)和作戰(zhàn)技術(shù)演習(xí)這5個層面推動美海軍水下有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)和水下作戰(zhàn)體系的研究與發(fā)展。

1.2 俄羅斯海軍新質(zhì)水下作戰(zhàn)力量

俄羅斯自2008年開始實施第3輪名為“新面貌”的軍事改革, 力求讓各兵種力量煥然一新。根據(jù)俄國防部制定的海軍改革方案, 俄海軍在裁員的同時將裝備8艘戰(zhàn)略核潛艇、12艘常規(guī)潛艇和41艘水面艦艇, 并推進新型UUV的研制與列裝, 以此重振俄海上力量。

俄海軍北方艦隊在2018年1月將其第29潛艇旅重組為“深水師”, 旨在聚焦先進水下武器平臺的試驗和新型裝備的研發(fā)。該師目前擁有包括“卡沙洛特”、“帕爾圖斯”和“卡利特卡”在內(nèi)的多種小型深水核動力工作臺及具有運載功能的“波德莫斯科維”號核潛艇。根據(jù)俄海軍計劃, “貝爾戈羅德”號核潛艇也將入列該“深水師”, 成為“深水師”的又一利器[25]。

“波塞冬(2M39)”號核動力UUV(自主核魚雷)在2018年3月于普京發(fā)表的國情咨文中被正式提出。該型UUV是一種帶有熱核彈頭或常規(guī)載荷的高速核動力洲際自主水下航行器, 能夠在距離目標(biāo)數(shù)千英里外由母艇發(fā)射, 可自主導(dǎo)引和避障, 且難以攔截, 預(yù)計將在2027年服役[26]。2019年7月, 俄羅斯新型特種核潛艇“貝爾格羅德”號亮相。該型潛艇先按949A“安泰”級方案鋪設(shè)龍骨, 后按09852新方案進行升級, 將具備搭載和運送6枚“波塞冬”核魚雷和1艘“大鍵琴”UUV的能力, 具體布局如圖3所示。根據(jù)俄海軍的計劃, “貝爾格羅德”在2021年上半年將繼續(xù)進行服役之前的各種試驗, “哈巴羅夫斯克”號特種核潛艇在改裝完成后將成為第2艘“波塞冬”運載艇[27]。

可以預(yù)見, 隨著深水部隊的成立以及“波塞冬”號核魚雷的服役, 俄海軍將擁有水下有人-無人協(xié)同核威懾和深水UUV隱秘水下核打擊等非對稱作戰(zhàn)樣式, 從而顯著提升俄海軍的整體作戰(zhàn)效能。

圖3 搭載“波塞冬”核魚雷和“大鍵琴”UUV的“貝爾格羅德”號巡航導(dǎo)彈核潛艇布局圖

1.3 英國海軍水下作戰(zhàn)體系構(gòu)想

英皇家海軍海上項目規(guī)劃團隊(maritime enterprise planning group, MEPG)在2020年12月發(fā)布了一份詳細闡述“亞特蘭蒂斯2040”概念的文檔[28], 構(gòu)想了一種使用半自主潛艇作為母艇,利用遠程、自主和無纜水下平臺協(xié)同作戰(zhàn)的混合水下能力。這些有人-無人平臺協(xié)同作戰(zhàn), 共同構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化的水下戰(zhàn)空間。

“亞特蘭蒂斯2040”主要兵力構(gòu)想如圖4所示, 其目標(biāo)是構(gòu)建包含如下作戰(zhàn)能力的水下戰(zhàn)體系布局:

1) 半自主潛艇提供發(fā)射下一代輕型和重型魚雷以及自主掃雷的能力, 能夠?qū)UV部署到其他平臺無法到達的位置;

2) UUV提供遙感、反潛戰(zhàn)(anti-submarine warfare, ASW)屏障和區(qū)域拒止的能力;

3) 超大型UUV或XLUUV提供遠程水下作戰(zhàn)的能力;

4) 水下滑翔機具備環(huán)境分析的能力;

5) 近地軌道衛(wèi)星充當(dāng)水下平臺與水面平臺的通信中繼節(jié)點。

表1梳理了近年來外軍在潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)方面的項目, 可以看出, 美國與俄羅斯在潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)的理念與裝備研制方面走在前列。美國更注重體系建設(shè), 在“空、海、陸、天、網(wǎng)”實施跨域作戰(zhàn), 并不斷加快水下作戰(zhàn)的理論與技術(shù)創(chuàng)新, 大力發(fā)展以UUV為主體的水下作戰(zhàn)無人裝備。而俄羅斯則大力發(fā)展“貝爾戈羅德”核潛艇、“波塞冬”核魚雷等殺手锏式的新質(zhì)作戰(zhàn)力量。

圖4 “亞特蘭蒂斯2040”項目構(gòu)想圖

表1 國外潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)典型研究項目

1.4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

從公開資料看, 國內(nèi)對UUV與潛艇的協(xié)同作戰(zhàn)以理論研究居多。陶偉等[31]分析了水下有人-無人集群的傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu), 并基于DARPA的馬賽克戰(zhàn)概念提出了新的接替式控制結(jié)構(gòu)。吳超等[32]對有人與無人平臺協(xié)同偵察、反潛、反艦和布雷4種典型運用方式進行深入探討, 為未來海戰(zhàn)場“平臺無人、系統(tǒng)有人, 前線無人、后方有人, 行動無人、指控有人”的新型作戰(zhàn)樣式設(shè)計提供參考。王圣杰等[33]提出將人的智能引入智能 UUV 編隊, 形成一種潛艇與智能 UUV 結(jié)合的協(xié)同系統(tǒng), 能夠有效地實現(xiàn)避障并能躲避突發(fā)威脅, 具備應(yīng)急能力。隨著理論研究的逐漸深入以及UUV研制和列裝的逐步推進, 國內(nèi)潛艇與UUV的協(xié)同作戰(zhàn)將獲得長足發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)是多學(xué)科交叉、融合的綜合系統(tǒng), 以能源動力、自主控制、載荷設(shè)計、減振降噪(艇)等單平臺技術(shù)為基礎(chǔ), 以協(xié)同探測、組網(wǎng)通信、傳感信息融合等多平臺集群技術(shù)為支撐, 以作戰(zhàn)模式設(shè)計、作戰(zhàn)任務(wù)分配、指揮流程控制等作戰(zhàn)技術(shù)為牽引, 最終實現(xiàn)遂行特定作戰(zhàn)任務(wù)的目標(biāo)。

文中重點研究了潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)裝備技術(shù)中存在的較大難點和創(chuàng)新性強的前沿技術(shù), 并對以作戰(zhàn)應(yīng)用為目標(biāo)的相關(guān)作戰(zhàn)應(yīng)用技術(shù)進行了探討, 對基礎(chǔ)支撐性技術(shù)也進行了簡述。裝備技術(shù)中的短板和熱點主要在水下組網(wǎng)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同探測技術(shù), 包括以水聲為主的多介質(zhì)傳輸、自組織組網(wǎng)與保密通信、異構(gòu)多源傳感信息融合、多目標(biāo)協(xié)同跟蹤等; 作戰(zhàn)技術(shù)中的短板和熱點主要在作戰(zhàn)樣式設(shè)計和分布式智能協(xié)同指揮控制, 包括作戰(zhàn)任務(wù)與樣式設(shè)計、控制體系結(jié)構(gòu)、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與分配、貧弱信息下的自主決策等, 基礎(chǔ)支撐性技術(shù)包括編隊集群控制、UUV布放和回收等, 如圖5所示。

圖5 潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)體系圖

2.1 水下組網(wǎng)通信技術(shù)

2.1.1 以水聲為主的多介質(zhì)傳輸

在潛艇與UUV協(xié)同中, 數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用于潛艇與UUV之間以及UUV集群內(nèi), 各型信息對于傳輸要求差異較大。潛艇和UUV之間傳輸?shù)闹饕獮樽鲬?zhàn)指令型信息, 對實時性和可靠性要求高,UUV集群內(nèi)傳輸則以探測信息為主, 需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大。當(dāng)前水下通信以水聲通信為主, 雖然傳輸距離較遠但具有時延長、帶寬窄、速率慢的特點(10 km、10 kb/s量級), 需要大力發(fā)展補充手段, 形成穩(wěn)健可靠的通信鏈路。如水下藍綠激光通信、水下臨時光纖通信網(wǎng)(tactical undersea network architecture, TUNA)、特低頻機械天線(a mechanically based antenna, AMEBA)技術(shù)等。Hydromea公司設(shè)計開發(fā)了微型水下光學(xué)WIFI系統(tǒng)“LUMA”, 研制了超靈敏光電探測器, 利用藍綠激光低損耗窗口, 已實現(xiàn)50～100 m的10 Mb/s光學(xué)無線通信[34]。TUNA系統(tǒng)通過研制特殊光纖電纜和浮標(biāo)技術(shù), 以期在戰(zhàn)場環(huán)境下實現(xiàn)用光纖網(wǎng)替代無線射頻戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò), 其相關(guān)技術(shù)前沿如華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制的自部署波浪能浮標(biāo)和住友電氣工業(yè)株式會社研制的無鍺硅芯光纖[35]。美國SLAC國家實驗室、加州大學(xué)洛杉磯分校等機構(gòu)分別研制了鈮酸鋰壓電晶體[36]、壓電和磁性串聯(lián)多鐵特性等機械天線[37]。

2.1.2 自組織組網(wǎng)與保密通信

對于潛艇與UUV協(xié)同, 為提高編隊通信效率, 提升網(wǎng)絡(luò)通信容量, 進行拓撲機動適變, 實現(xiàn)安全可靠的指揮控制, 需要加強對水下自組網(wǎng)和保密通信的研究。美歐等對水下組網(wǎng)通信和編隊作業(yè)等方面展開深入研究并進行了一定的試驗。Schneider等[38]針對多AUV 快速環(huán)境感知的任務(wù)需要, 設(shè)計了一種新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 采用新的MAC層處理信道中的各種數(shù)據(jù)包狀態(tài), 組建動態(tài)拓撲水聲通信網(wǎng)絡(luò)。Kalwa[39]對面向多UUV編隊結(jié)合信息交互過程的分層通信結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計, 處理通信中出現(xiàn)的延遲、信息損失、水聲信號發(fā)散等情況。同時, 由于偵收技術(shù)敵強我弱, 為保障指控信息安全, 還需要大力發(fā)展保密通信技術(shù), 研究低截獲率和低檢測率的水聲通信信號或是其他通信手段。我國在量子保密通信方面處于領(lǐng)先水平, 上海交通大學(xué)團隊已完成世界首個海水量子通信試驗, 國內(nèi)有關(guān)團隊對水下量子密鑰分配的誤碼率和成碼率進行了理論分析[40], 可信的通信距離和速率雖然還僅為100 m級和100 b/s量級, 但隨著理論和技術(shù)的進步, 將有廣闊的水下軍事應(yīng)用前景。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同探測技術(shù)

2.2.1 異構(gòu)多源傳感信息融合

潛艇與UUV組成的有/無人系統(tǒng)集群進行協(xié)同探測, 探測平臺可以是潛艇或UUV, 探測手段包括聲、光、電、磁、熱尾流以及重力場等[41], 其感知信息具有多源性、異構(gòu)性、非完備性和不確定性的特點。使用融合后的數(shù)據(jù)可以全面地得到目標(biāo)的多維度信息, 提升對目標(biāo)檢測、識別和跟蹤探測的性能, 但存在非同源信息融合置信度沖突等問題。解決異構(gòu)融合的問題核心在于融合算法, 當(dāng)前異構(gòu)多源傳感信息融合算法可概括為隨機和人工智能兩大類, 隨機類方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計法以及Demp- ster-Shafer(D-S)證據(jù)理論等; 而人工智能類方法則有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論以及專家系統(tǒng)等。D-S證據(jù)理論作為表征不確定、非完備、大差異性信息的重要理論, 其與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論等人工智能類方法的融合是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展熱點方向之一[42]。另一個方向則是基于深度學(xué)習(xí)框架, 與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合, 構(gòu)建相應(yīng)的模型框架和數(shù)據(jù)集等, 對數(shù)據(jù)進行深層次的挖掘, 實現(xiàn)特征提取[43]。

2.2.2 多目標(biāo)協(xié)同跟蹤

水下平臺在跟蹤目標(biāo)特別是非合作性目標(biāo)時往往會遇到復(fù)雜的多目標(biāo)環(huán)境, 例如敵方釋放誘餌進行誘騙等。為實現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同跟蹤需要對多目標(biāo)進行跟蹤任務(wù)分配, 并通過多源信息融合實現(xiàn)對單目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。在潛艇與UUV協(xié)同時, 可以采用目標(biāo)優(yōu)化分配的方法, 對于高優(yōu)先級目標(biāo), 設(shè)計合理的編成和拓撲進行協(xié)同跟蹤, 對于低優(yōu)先級目標(biāo)可派簡單功能型UUV進行跟蹤。在對單目標(biāo)進行穩(wěn)定跟蹤時, 需要解決數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)融合等問題。分布式融合濾波算法是解決上述問題的重要方法之一, 分布式融合濾波算法無需建立中心節(jié)點, 每個節(jié)點只需要和相鄰節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互, 通過設(shè)計一致性協(xié)議, 每個節(jié)點能夠得到一致的濾波值, 現(xiàn)有研究包括分布式卡爾曼濾波、貝葉斯一致性濾波、H-infinite分布式濾波算法等[44]。同時還可針對真實環(huán)境中存在信息傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)拓撲變換、通信帶寬限制等問題對分布式濾波算法進行優(yōu)化[45]。

2.3 作戰(zhàn)任務(wù)與樣式設(shè)計

在空中, 以無人機為代表的智能化分布式協(xié)同作戰(zhàn)快速發(fā)展, 已成為行之有效的作戰(zhàn)模式[46]。而在水下, 對于潛艇與UUV的協(xié)同作戰(zhàn), 智能化分布式協(xié)同也是其發(fā)展的必然方向, 但因使命任務(wù)及戰(zhàn)場環(huán)境的不同, 其作戰(zhàn)具有特殊性。針對水下作戰(zhàn)可能面臨的不確定威脅以及多樣化任務(wù)[47], 如反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、水下體系對抗、突破島鏈、要域封控等, 要開展軍事威脅分析, 對潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)樣式、潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)能力需求量化進行研究, 依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)創(chuàng)新協(xié)同作戰(zhàn)樣式、交戰(zhàn)策略和戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法, 并構(gòu)建作戰(zhàn)能力需求及效能評估指標(biāo)體系。特別是針對美國提出的水下蜂群等顛覆性作戰(zhàn)樣式, 可通過想定場景、作戰(zhàn)流程和作戰(zhàn)規(guī)則進行推演和對抗, 從而生成應(yīng)對策略, 并以創(chuàng)新作戰(zhàn)理論、戰(zhàn)法設(shè)計為導(dǎo)向牽引裝備和技術(shù)的發(fā)展。

2.4 分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)理論

2.4.1 控制體系結(jié)構(gòu)

隨著作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)樣式的確定, 控制體系結(jié)構(gòu)和控制模式就成為了關(guān)鍵問題。潛艇與智能UUV 編隊指揮控制系統(tǒng)是一個人機結(jié)合的智能系統(tǒng), 并不僅由潛艇集中完成, 而是在潛艇具有有限的中央控制權(quán)的前提下由潛艇和智能UUV 協(xié)同完成具有層次型的指揮控制結(jié)構(gòu)。成熟的協(xié)同控制系統(tǒng)包括集中式控制和分布式控制2種方式。集中式控制具有良好的全局控制能力, 但控制缺乏魯棒性, 且對通信依賴較大, 難以對環(huán)境態(tài)勢的變化做出及時有效的反應(yīng)。分布式控制沒有中央控制節(jié)點, 具有良好的容錯性和魯棒性, 但是對全局態(tài)勢把握不充分。發(fā)展的方向是集中式控制與分布式控制相結(jié)合的集散式控制, 一種典型的集散式控制模式如圖6所示。該模式由中央控制節(jié)點(有人)和具有半自主決策能力的分布式節(jié)點(無人)組成, 在保證關(guān)鍵決策由中央節(jié)點做出的同時, 賦予分布式節(jié)點最大的自主決策能力。隨著戰(zhàn)局的演化, 控制體系結(jié)構(gòu)也會隨之調(diào)整, 存在協(xié)同過程中指控權(quán)的動態(tài)分配等問題, 實現(xiàn)的關(guān)鍵是要對任務(wù)流分解并分配相應(yīng)的指揮權(quán), 實現(xiàn)指揮控制的自動化甚至智能化[32]。

圖6 潛艇與UUV協(xié)同集散式控制方式拓撲圖

2.4.2 協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與分配

在多模態(tài)的控制體系結(jié)構(gòu)下, 需要對協(xié)同任務(wù)解析、協(xié)同要素生成、協(xié)同優(yōu)先級排序以及協(xié)同行動規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)理論展開研究[48]。對于潛艇與UUV協(xié)同, 為實現(xiàn)基于人機融合智能的動態(tài)任務(wù)規(guī)劃, 實現(xiàn)面向群體智能的自適應(yīng)指揮控制能力, 需要解決的一個重點問題是分布式任務(wù)分配, 即在實現(xiàn)各技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的前提下, 根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)狀態(tài)和戰(zhàn)場態(tài)勢實時將任務(wù)分配給各作戰(zhàn)智能體, 使得整個作戰(zhàn)收益最大, 付出代價最小[49]。在潛艇與UUV編組較小時, 任務(wù)分配相對簡單, 但如采用水下蜂群類作戰(zhàn)樣式時, 該問題會突顯。分布式任務(wù)分配的一類方法是建模, 典型模型主要有多智能體(Agent)決策理論、市場機制(合同網(wǎng)/競拍)、分布式馬爾科夫以及分布式約束等, 且已在無人機領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。另一類方法則是利用智能類算法, 如遺傳算法和蟻群算法等。通過這些技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用, 最終實現(xiàn)智能控制和決策, 形成相互統(tǒng)一, 時空一致, 任務(wù)優(yōu)化的自同步、自協(xié)同, 實時分配任務(wù)的方案。

2.4.3 貧弱信息條件下的自主決策

當(dāng)前UUV 的智能水平有限, 各節(jié)點態(tài)勢自主覺察、態(tài)勢自動生成、態(tài)勢互理解能力弱, 不能像空中無人作戰(zhàn)一樣獲得全域的綜合精準(zhǔn)態(tài)勢, 并且潛艇在與UUV協(xié)同時, 為保障安全, 往往處在較遠的安全區(qū)域, 而水下通信存在長時延、低帶寬、弱聯(lián)通的特點, 通信鏈路不一定能滿足指控時敏性要求。在這種態(tài)勢和指控信息貧弱的條件下, 很難實現(xiàn)統(tǒng)一集中指揮, 需要加強智能UUV的自主決策能力, 研究適于UUV自主決策的指揮控制指令集、自主決策能力構(gòu)建、對混合信息的多屬性決策等問題[50]。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展, 特別是人工智能在軍事博弈對抗方面應(yīng)用的逐漸深入, 也應(yīng)創(chuàng)新傳統(tǒng)水下作戰(zhàn)方式, 由按提前規(guī)劃的方案統(tǒng)一實施、裝訂執(zhí)行, 逐漸向一體化規(guī)劃、分布式自主實施轉(zhuǎn)變。

2.5 基礎(chǔ)支撐性技術(shù)

2.5.1 協(xié)同導(dǎo)航定位

導(dǎo)航定位的精度和準(zhǔn)度將直接影響執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量和效率。協(xié)同導(dǎo)航在單平臺導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)上, 強調(diào)傳感器信息間的判斷和決策, 包含有/無中心導(dǎo)航定位2種方式: 1) 編隊中少數(shù)平臺攜帶高精度傳感器, 并向系統(tǒng)中其他平臺提供中心位置信息和相對位置信息; 2) 編隊中所有潛艇和UUV攜帶相同的高精度傳感器, 并不斷相互通信獲得系統(tǒng)中其他位置信息。有中心的導(dǎo)航定位方式算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 需要通過中心位置信息求解得到自身位置信息, 具有低成本和高延遲的特點。無中心的導(dǎo)航定位方式算法結(jié)構(gòu)簡單, 但由于裝有大量高精度導(dǎo)航設(shè)備, 具有高成本和低延遲的特點[51]。

2.5.2 集群編隊控制

為了滿足任務(wù)的需要和保持通信的穩(wěn)定, UUV集群必須通過對編隊構(gòu)形的控制來保持系統(tǒng)各節(jié)點的相對穩(wěn)定, 以實現(xiàn)如協(xié)同探測、協(xié)同跟蹤和協(xié)同導(dǎo)航等群體功能。目前常用的編隊方法包含領(lǐng)航者?跟隨者法、基于行為法、人工勢場法等[52-53]。領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者法通過指定某一UUV為領(lǐng)導(dǎo)者, 再讓其他UUV以設(shè)定的固定距離和方向跟蹤領(lǐng)導(dǎo)者, 從而實現(xiàn)隊形控制。行為法將UUV的編隊控制看作一系列行為的組合, 通過分析各UUV的預(yù)期行為并加權(quán), 使得編隊中各UUV能夠根據(jù)環(huán)境或其他UUV行為得出最優(yōu)行為結(jié)果。人工勢場法在集群控制中引入勢能函數(shù), 通過將編隊中的某些變量用引力函數(shù)和斥力函數(shù)表示, 使得UUV根據(jù)函數(shù)求解結(jié)果保持編隊構(gòu)形。

2.5.3 UUV布放回收

艇載UUV布放回收發(fā)生在任務(wù)完成前后, 是任務(wù)過程中最容易暴露的節(jié)點。UUV布放回收分為水上作業(yè)和水下作業(yè)。水上作業(yè)是指母船利用機械臂或起重機抓取UUV, 從而實現(xiàn)其布放和回收。水下作業(yè)主要通過潛艇搭載UUV實現(xiàn), 包括塢艙式、背負式、魚雷管式和導(dǎo)彈管式等方式。國外先進潛載UUV 技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于研究先進的傳感器技術(shù)、通信導(dǎo)航控制技術(shù)以及UUV 綜合技術(shù)等方面, 這些技術(shù)的發(fā)展有效促進了導(dǎo)引和捕獲技術(shù)的改進, 大大提高了UUV布放回收的成功率[54]。

3 結(jié)束語

潛艇與UUV協(xié)同的作戰(zhàn)系統(tǒng), 可以大大提高潛艇戰(zhàn)斗性能, 提高自身在與敵方潛艇、水面與空中力量對抗中的生存與獲勝概率, 對海上作戰(zhàn)方式和理念產(chǎn)生了革命性的影響, 當(dāng)今各軍事大國都在加緊研制和開發(fā)。我國與世界軍事強國相比, 還有一定差距, 尚需持續(xù)加強體系化建設(shè), 并加大對集群智能、大數(shù)據(jù)、量子保密通信等新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。同時, 要以作戰(zhàn)需要和技術(shù)創(chuàng)新為雙牽引, 加大軍隊單位、科研機構(gòu)、高等院校、工業(yè)部門的協(xié)同, 制定切實可行的發(fā)展規(guī)劃、技術(shù)路線, 加速形成新質(zhì)作戰(zhàn)力量。

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Development and Key Technologies of Submarine-UUV Cooperative Operation

ZHANG Xin-ming, HAN Ming-lei, Yü Yi-rui, HUANG Tian-li, CHEN Qian, WU Ming

(China Ship Research and Development Academy, Beijing 100101, China)

The cooperative operation of submarines and unmanned undersea vehicles(UUVs) is an important aspect of modern naval operational capabilities. It is also the most widely investigated field in terms of new operational concepts and new technologies in naval armaments. This study introduces the development of submarine-UUV cooperative operation, and mainly analyzes the developing strategies of undersea warfare system architecture, cooperative battle system and new undersea combat force in United States, Russia and United Kingdom; focuses on armament system technologies of undersea cooperative operation, including underwater multimedia transmission, network collaborative detection, multi-source heterogeneous information fusion, and operational application technologies, including control architecture, collaborative mission planning and allocation, autonomous decision-making with a lack of information, to provide technical reference for the coordinated development of armament technology and operational applications and the rapid formation of new underwater operational forces.

submarine; unmanned undersea vehicle; cooperative operations

TJ630.1; E925; E837

R

2096-3920(2021)05-0497-12

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.001

張鑫明, 韓明磊, 余益銳, 等. 潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2021, 29(5): 497-508.

【編者按】潛艇憑借其特有的隱蔽作戰(zhàn)模式長期稱霸水下戰(zhàn)場, 近年來世界強國均將其作為海上重要遏制力量加以發(fā)展, 使得現(xiàn)代新型潛艇的生命力和作戰(zhàn)能力大幅提升; 與此同時, 無人水下航行器(UUV)在軍事應(yīng)用方面取得豐碩成果, 一些國家已開始著手構(gòu)建相應(yīng)的水下無人作戰(zhàn)體系。伴隨各種反潛技術(shù)和兵力戰(zhàn)法的研究應(yīng)用, 潛艇水下行動和作戰(zhàn)運用面臨更加復(fù)雜的形勢, 傳統(tǒng)的潛艇作戰(zhàn)運用模式面臨諸多挑戰(zhàn), 以單一平臺為核心的對抗模式將逐漸喪失優(yōu)勢, 代之的以體系對抗為主的未來海上戰(zhàn)爭模式將會以體系化、無人化、智能化、分布式和集群化作為其主要特點。加快構(gòu)建以平臺為中心的水下作戰(zhàn)體系, 同時大力發(fā)展水下隱蔽攻擊等非對稱作戰(zhàn)模式, 對提升我國海軍整體作戰(zhàn)效能、形成非對稱作戰(zhàn)優(yōu)勢具有重要的軍事意義。潛艇與UUV組成的異構(gòu)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng), 作為水下作戰(zhàn)體系的核心部分, 既可發(fā)揮人的決策經(jīng)驗優(yōu)勢, 又可發(fā)揮無人平臺的機動自主能力, 將成為未來水下作戰(zhàn)的主要模式。

該文以詳細介紹國內(nèi)外潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)的發(fā)展現(xiàn)狀為切入點, 重點論述了潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)中水下組網(wǎng)通信、協(xié)同探測、作戰(zhàn)模式設(shè)計、分布式智能協(xié)同指揮控制以及基礎(chǔ)支撐性技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù), 內(nèi)容詳盡、分析嚴(yán)謹(jǐn), 具有較強的可讀性和借鑒價值。

2021-05-11;

2021-07-29.

張鑫明(1986-), 男, 博士, 高級工程師, 主要研究方向為水下體系對抗、信息與通信系統(tǒng).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)