自主飛行聲吶浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)及作戰(zhàn)樣式分析

孫寧，馬沙沙

江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061

0 引 言

在現(xiàn)代潛艇減振降噪、消聲瓦、消磁等技術(shù)不斷發(fā)展和完善的情況下，探測(cè)潛艇變得越來越困難。而航空布設(shè)聲吶浮標(biāo)具有投送速度快、覆蓋范圍廣、搜潛效率高、不易被水下潛艇發(fā)現(xiàn)和攻擊等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前最有效的反潛探測(cè)手段之一，因此，配備反潛直升機(jī)和航空布設(shè)聲吶浮標(biāo)成為現(xiàn)代水面艦艇拓展對(duì)潛探測(cè)范圍和強(qiáng)化反潛戰(zhàn)能力的有效途徑。然而，作為聲吶浮標(biāo)重要投送平臺(tái)的反潛直升機(jī)，其對(duì)載艦空間及相關(guān)維護(hù)保障能力的要求非常高，中小型水面艦艇因不具備搭載反潛直升機(jī)實(shí)施中、遠(yuǎn)程聲吶浮標(biāo)布放的能力，使得常規(guī)聲吶浮標(biāo)的應(yīng)用受到限制，而無人艇等新型作戰(zhàn)平臺(tái)尤其如此。

作戰(zhàn)單元數(shù)量是比作戰(zhàn)單元能力更重要的決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的因素[1]，故在未來的對(duì)水下作戰(zhàn)中，將功能高度集成、造價(jià)高昂的多任務(wù)武器系統(tǒng)分解為若干低成本的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺(tái)，可以有效提升作戰(zhàn)行動(dòng)的效費(fèi)比。與此同時(shí)，借助快速發(fā)展的無人機(jī)小型化技術(shù)，特別是管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)技術(shù)，聲吶浮標(biāo)有機(jī)會(huì)擺脫來自昂貴的航空平臺(tái)的制約，而以更加獨(dú)立、靈活和智能化的方式來完成中、遠(yuǎn)程布放作業(yè)。所謂管內(nèi)發(fā)射并可自主飛行的聲吶浮標(biāo)，其融合了現(xiàn)有的水下探測(cè)技術(shù)與小型化無人機(jī)技術(shù)，具有低耗高效的特點(diǎn)，具備了智能組網(wǎng)、集群控制、廣域覆蓋的優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)的航空平臺(tái)搭載以及部署投放聲吶浮標(biāo)的模式，自主飛行的聲吶浮標(biāo)有著更為廣泛的水面平臺(tái)適裝性以及更高的環(huán)境適應(yīng)性，尤其適合在各類水面作戰(zhàn)平臺(tái)上批量搭載和使用。而且，在未來對(duì)水下作戰(zhàn)中，自主飛行聲吶浮標(biāo)可以支持水面艦艇以較低的成本快速執(zhí)行廣域水下探測(cè)任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊。

本文將提出自主飛行聲吶浮標(biāo)的總體設(shè)計(jì)思路和集群作戰(zhàn)樣式。首先，概述無人機(jī)管內(nèi)發(fā)射技術(shù)和聲吶浮標(biāo)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出自主飛行聲吶浮標(biāo)的設(shè)計(jì)思路。然后，總結(jié)自主飛行聲吶浮標(biāo)集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而分析自主飛行聲吶浮標(biāo)集群作戰(zhàn)概念和典型作戰(zhàn)樣式。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 無人機(jī)管內(nèi)發(fā)射技術(shù)

長(zhǎng)久以來，小型化是無人機(jī)的發(fā)展目標(biāo)之一，而管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)是無人機(jī)小型化發(fā)展過程中的重要成果，使得無人機(jī)能夠通過多樣化的空中和水面平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)輸和部署。管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)的成本低廉、運(yùn)輸和部署方式靈活，可以根據(jù)需要執(zhí)行各類任務(wù)，尤其是在敵對(duì)的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下可有效替代傳統(tǒng)的更大、更昂貴的平臺(tái)來開展戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、偵察等活動(dòng)，從而避免了危及平臺(tái)的安全，故有著廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)、意大利、以色列等國(guó)在管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)方面廣泛開展了論證、開發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作[2]，形成了如圖1所示的一些代表性的產(chǎn)品[3]，其具體特點(diǎn)描述如下：

圖1 國(guó)外管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)產(chǎn)品[3]Fig.1 Foreign products of tube-launched UAV[3]

Coyote無人機(jī)——由美國(guó)先進(jìn)陶瓷公司開發(fā)，是最成功的聲吶浮標(biāo)管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)之一[4]。該無人機(jī)重約5.44～6.35 kg，翼展約1.47 m，可收納在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的a級(jí)聲吶浮標(biāo)筒中，最高速度85 kn，巡航速度60kn，續(xù)航時(shí)間90min。

Cutlass無人機(jī)——由美國(guó)L-3無人系統(tǒng)公司開發(fā)。該無人機(jī)采用通用聲吶浮標(biāo)管從空中或地面系統(tǒng)發(fā)射，地面站可實(shí)時(shí)控制無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)[5]，機(jī)重約5.44 kg，翼展約1.4 m，最高速度75 kn，巡航速度55～60 kn，使用鋰電池供電，續(xù)航時(shí)間可達(dá)40～60min。

Horus無人機(jī)——由意大利OTO Melara公司開發(fā)。該無人機(jī)由手動(dòng)彈射器或120 mm的發(fā)射管內(nèi)發(fā)射后自主飛行（也可由地面控制飛行），機(jī)重約2 kg，機(jī)長(zhǎng)約0.98 m，采用鴨翼布局，翼展1.65 m，巡航航速31 kn，沖刺速度58 kn，續(xù)航時(shí)間60 min。

SkyLite A無人機(jī)——由以色列Rafael公司開發(fā)。該無人機(jī)采用一對(duì)X型可折疊機(jī)翼及一對(duì)雙尾翼設(shè)計(jì)，可從發(fā)射管發(fā)射，機(jī)重約6.02 kg，翼展約1.5 m，巡航速度37～55 kn，續(xù)航時(shí)間90 min。SkyLite最新型號(hào)SkyLite B的飛行性能更強(qiáng)，續(xù)航能力更優(yōu)[6]。

隨著管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)技術(shù)的成熟，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，很多小型無人機(jī)都具備了適應(yīng)從聲吶浮標(biāo)管發(fā)射的能力，發(fā)展前景越來越廣闊。

1.2 聲吶浮標(biāo)技術(shù)

聲吶浮標(biāo)是探測(cè)水下目標(biāo)的浮標(biāo)式水聲遙感器材。自1940年代初誕生以來，經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，聲吶浮標(biāo)給反潛戰(zhàn)帶來了深刻影響。圖2所示為典型的聲吶浮標(biāo)。

圖2 美軍裝備的聲吶浮標(biāo)Fig.2 U.S. military aviation sonobuoy

聲吶浮標(biāo)外形呈圓柱形，頂部有可分離的旋葉和天線護(hù)罩，殼體內(nèi)安裝有可折疊的傘狀天線、超高頻無線電發(fā)射機(jī)、聲信號(hào)放大器、聲吶基陣、電池和浮標(biāo)自沉裝置等。聲吶浮標(biāo)功能各異，約有20種類型。其中，按工作方式可分為主動(dòng)和被動(dòng)式聲吶浮標(biāo)，按定向方式可分為定向和全向式聲吶浮標(biāo)，例如全向被動(dòng)浮標(biāo)、定向被動(dòng)浮標(biāo)、全向主動(dòng)浮標(biāo)、定向主動(dòng)浮標(biāo)、溫度?深度浮標(biāo)、擴(kuò)展回聲測(cè)距浮標(biāo)、通信浮標(biāo)等。

聲吶浮標(biāo)在長(zhǎng)期發(fā)展過程中逐漸形成了標(biāo)準(zhǔn)化的A，G，F(xiàn)這3種類型尺寸[7]，具體如表1所示。

表1 聲吶浮標(biāo)類型及其尺寸Table1 Types and size of sonobuoys

不同類型的聲吶浮標(biāo)作用距離差異較大。例如，主動(dòng)式聲吶浮標(biāo)對(duì)大中型潛艇目標(biāo)的作用距離一般約1.5 n mile，被動(dòng)式聲吶浮標(biāo)對(duì)核潛艇目標(biāo)的作用距離一般為1～5 n mile，而利用線譜檢測(cè)可達(dá)10 n mile。聲吶浮標(biāo)的最大工作深度達(dá)數(shù)百米，可穿過躍變層進(jìn)行探測(cè)。這些功能各異的聲吶浮標(biāo)在現(xiàn)代反潛戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。

聲吶浮標(biāo)經(jīng)歷了從被動(dòng)到主動(dòng)、從高頻到低頻、從全向到定向、從單陣元到多陣元、從單基地到多基地、從模擬到數(shù)字控制的發(fā)展過程[8]。例如，最新型的第4代空投式主動(dòng)接收聲吶浮標(biāo)采用多基地探測(cè)方式，可充分發(fā)揮主、被動(dòng)探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，通過收發(fā)分置降低主動(dòng)探測(cè)的混響干擾、增大基陣孔徑、優(yōu)化波束形成等方式提高探測(cè)距離和定位精度，使之具備了多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤能力。為了有效應(yīng)對(duì)水下威脅，未來聲吶浮標(biāo)還將朝著網(wǎng)絡(luò)化和集群化應(yīng)用的方向發(fā)展，從而對(duì)平臺(tái)的攜載和快速部署能力都提出了更高要求。

1.3 小型無人機(jī)對(duì)水下探測(cè)

BAE系統(tǒng)公司正在為美軍研發(fā)一種從P-8A“海神”海上反潛巡邏機(jī)上發(fā)射的小型無人機(jī)——無人瞄準(zhǔn)航空系統(tǒng)（ unmanned targeting air system，UTAS）[9]。該系統(tǒng)配備了類似Coyote無人機(jī)搭載的磁異常探測(cè)器（magnetic anomaly detector, MAD），從P-8A反潛巡邏機(jī)上的發(fā)射管發(fā)射后，通過檢測(cè)地球磁場(chǎng)的微小變化來探測(cè)和定位潛艇目標(biāo)。圖3所示為UTAS作戰(zhàn)示意圖。

圖3 美軍無人瞄準(zhǔn)航空系統(tǒng)[9]Fig.3 U.S. military unmanned targeting air system[9]

UTAS通過搭載磁異常探測(cè)器的無人機(jī)集群，彌補(bǔ)了P-8A反潛巡邏機(jī)無法配備內(nèi)置式磁探儀的不足，并可為其配備的遠(yuǎn)程滑翔魚雷（即“高空反潛戰(zhàn)武器（HAAWC）”系統(tǒng)）提供目標(biāo)數(shù)據(jù)。

運(yùn)用管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)技術(shù)與磁異常探測(cè)器結(jié)合的發(fā)展思路對(duì)于開發(fā)自主飛行聲吶浮標(biāo)具有重要的借鑒意義。

2 自主飛行聲吶浮標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

自主飛行聲吶浮標(biāo)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將無人機(jī)與傳統(tǒng)聲吶浮標(biāo)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，使之可置入聲吶浮標(biāo)管內(nèi)，經(jīng)由管內(nèi)發(fā)射技術(shù)賦予聲吶浮標(biāo)自主飛行的能力。對(duì)于基于小型化無人機(jī)及聲吶浮標(biāo)成熟技術(shù)的自主飛行聲吶浮標(biāo)，組件復(fù)用、機(jī)翼折疊以及展開機(jī)構(gòu)是其關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。

在組件復(fù)用方面，小型化無人機(jī)與聲吶浮標(biāo)有諸多組件的功能及結(jié)構(gòu)類似，故可通過復(fù)用設(shè)計(jì)來減少組件的數(shù)量。小型無人機(jī)系統(tǒng)的部件一般分為機(jī)體結(jié)構(gòu)、航電、動(dòng)力、起降等。其中，機(jī)體結(jié)構(gòu)由機(jī)身、機(jī)翼等組件組成；航電系統(tǒng)由處理器、傳感器、有效載荷、天線、電池等組件組成，負(fù)責(zé)飛行控制；動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力電池、螺旋槳、動(dòng)力電機(jī)等組件組成，負(fù)責(zé)提供飛行所需的動(dòng)力；起降系統(tǒng)由彈射繩、彈射架、降落傘等組件組成，負(fù)責(zé)彈射起飛和傘降著陸。

聲吶浮標(biāo)一般由天線、控制器、電池、水聽器、電纜和減振機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、漂浮機(jī)構(gòu)、筒體等組件組成[10]。

如圖4所示，在自主飛行聲吶浮標(biāo)中，小型化無人機(jī)和聲吶浮標(biāo)的天線、處理器、電池、減速機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)翼等組件具備了復(fù)用條件，通過對(duì)上述組件的復(fù)用設(shè)計(jì)可降低設(shè)備復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)對(duì)自主飛行聲吶浮標(biāo)的體積及其成本的有效控制。

圖4 自主飛行聲吶浮標(biāo)的組件Fig.4 Components of autonomous flight sonobuoy

為了實(shí)現(xiàn)聲吶浮標(biāo)的管內(nèi)發(fā)射，自主飛行聲吶浮標(biāo)采用樞軸機(jī)構(gòu)和扭轉(zhuǎn)彈簧等組件來實(shí)現(xiàn)機(jī)翼管內(nèi)折疊和出管展開動(dòng)作。樞軸機(jī)構(gòu)在管內(nèi)發(fā)射無人機(jī)技術(shù)方面應(yīng)用較為成熟，是實(shí)現(xiàn)自主飛行聲吶浮標(biāo)管內(nèi)發(fā)射的重要組件。

圖5所示為典型的小型樞軸機(jī)構(gòu)。機(jī)翼通過凸耳（左耳或右耳）穿過樞軸銷，經(jīng)滾珠軸承壓入凸耳，并將結(jié)構(gòu)載荷傳遞到機(jī)翼，在樞軸銷的末端，安裝的一對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧圍繞樞軸銷纏繞和退繞，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的折疊和展開動(dòng)作[3]。圖6所示即為自主飛行聲吶浮標(biāo)的機(jī)翼在管內(nèi)以折疊形態(tài)發(fā)射出管、樞軸機(jī)構(gòu)和扭轉(zhuǎn)彈簧完成機(jī)翼折疊、展開和鎖定的過程。

圖5 樞軸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖[3]Fig.5 Illustration of pivot mechanism structure[3]

圖6 自主飛行聲吶浮標(biāo)的機(jī)翼折疊、展開和鎖定過程[3]Fig.6 The process of wing folding, unfolding, and locking for autonomous flight sonobuoy[3]

綜上所述，與依賴機(jī)載投放的傳統(tǒng)聲吶浮標(biāo)相比，自主飛行聲吶浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)發(fā)射、自主飛行，擺脫了聲吶浮標(biāo)對(duì)昂貴的空中運(yùn)載平臺(tái)的高度依賴性，可在各類水面艦艇，尤其是在不具備直升機(jī)起降能力的中小型水面艦艇、無人艇上大量存儲(chǔ)和獨(dú)立投放，可充分發(fā)揮水面艦艇的裝載優(yōu)勢(shì)，為作戰(zhàn)中不間斷投放大量聲吶浮標(biāo)的需求提供保障。

2.2 對(duì)水下作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)

相比水下作戰(zhàn)面臨的廣闊作戰(zhàn)區(qū)域，單個(gè)聲吶浮標(biāo)所能夠執(zhí)行的任務(wù)極為有限。因此，自主飛行聲吶浮標(biāo)的發(fā)展方向是構(gòu)建智能化集群，并運(yùn)用集群控制和群體智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)空中自行組織飛行和水下組網(wǎng)探測(cè)，充分發(fā)揮集群的靈活組網(wǎng)、快速部署、廣域覆蓋的優(yōu)勢(shì)，以最低代價(jià)完成高對(duì)抗環(huán)境下復(fù)雜的對(duì)水下作戰(zhàn)任務(wù)。其中，集群控制、集群智能決策、水下組網(wǎng)探測(cè)等是自主飛行聲吶浮標(biāo)集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 集群控制

集群控制是指無人集群在執(zhí)行任務(wù)過程中控制各任務(wù)節(jié)點(diǎn)，形成并保持一定的幾何構(gòu)型[11]，以適應(yīng)平臺(tái)性能、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等需求的技術(shù)。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)海域的廣域覆蓋，由大量自主飛行聲吶浮標(biāo)組成的作戰(zhàn)集群在空中飛行時(shí)必須支持空間、時(shí)間和通信拓?fù)涞臉?gòu)型優(yōu)化，通過收縮、擴(kuò)張和旋轉(zhuǎn)等方式切換隊(duì)形。若任務(wù)節(jié)點(diǎn)增加、減少或任務(wù)目標(biāo)改變，其可通過集群控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整、規(guī)避和重構(gòu)。

適用于集群控制的方法包括行為控制法、領(lǐng)航?跟隨法、虛擬領(lǐng)航法等[12]。其中，領(lǐng)航?跟隨法[13]是較為成熟的方法，即在自主飛行聲吶浮標(biāo)集群中確立領(lǐng)航者，其他飛行聲吶浮標(biāo)作為跟隨者，而跟隨者計(jì)算與領(lǐng)航者之間的相對(duì)位置并跟隨領(lǐng)航者運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的集群控制。領(lǐng)航?跟隨法中領(lǐng)航者可能成為集群的弱點(diǎn)，一旦領(lǐng)航者出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致集群失控，而交替領(lǐng)航策略是彌補(bǔ)該弱點(diǎn)的有效手段。

2.2.2 集群智能決策

自主飛行聲吶浮標(biāo)的集群智能決策是實(shí)現(xiàn)對(duì)水下作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵，在激烈對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下其有助于提升系統(tǒng)整體生存能力，當(dāng)有可能損失部分作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)，還可確保順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。

集群智能決策涉及了環(huán)境感知、威脅判斷、航跡規(guī)劃、任務(wù)動(dòng)態(tài)分配與調(diào)度等多方面[14]，其核心內(nèi)容是按照最大益損比和任務(wù)均衡的原則實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配和沖突消解，避免對(duì)單節(jié)點(diǎn)資源的利用產(chǎn)生沖突，并在集群整體效率最優(yōu)的情況下，使完成任務(wù)的數(shù)量最大化或執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間最短，從而發(fā)揮集群協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)。

集群智能決策實(shí)現(xiàn)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配的算法主要有蟻群算法[15]、粒子群算法、遺傳算法、市場(chǎng)拍賣算法[16]等，在動(dòng)態(tài)且不確定的外部環(huán)境下，面對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的任務(wù)目標(biāo)、威脅和環(huán)境、節(jié)點(diǎn)損傷、集群規(guī)模變化等突發(fā)情況，自主飛行聲吶浮標(biāo)集群可以通過設(shè)計(jì)和選擇成熟的算法高效及合理地執(zhí)行對(duì)水下作戰(zhàn)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)最佳的作戰(zhàn)效能。

2.2.3 水下組網(wǎng)探測(cè)

水下聲信道具有長(zhǎng)時(shí)延和窄帶寬的顯著特征，受此影響水聲數(shù)據(jù)傳輸速率較低，而且還會(huì)受到諸如艦船及海洋生物活動(dòng)、風(fēng)、浪等環(huán)境噪聲的影響，信號(hào)衰減與傳播損失較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和通信誤碼的可能性大增。噪聲、溫度波動(dòng)以及嚴(yán)重的多徑衰減也會(huì)影響水下網(wǎng)絡(luò)通信鏈路[17]。自主飛行聲吶浮標(biāo)集群將浮標(biāo)獲取的水下探測(cè)信息轉(zhuǎn)換為無線電信號(hào)進(jìn)行跨域通信，運(yùn)用數(shù)據(jù)傳輸、信息分發(fā)管理、合作處理決策支持技術(shù)，可以確保浮標(biāo)入水后各節(jié)點(diǎn)的信息經(jīng)穩(wěn)定的無線通信鏈路快速準(zhǔn)確地交互，解決了水下通信的速率低、穩(wěn)定性差的問題?；谏鲜黾夹g(shù)，自主飛行聲吶浮標(biāo)集群可以實(shí)現(xiàn)廣域范圍的對(duì)水下組網(wǎng)探測(cè)，在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)可自我修復(fù)，形成穩(wěn)固的水下戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域感知能力，完成對(duì)水下作戰(zhàn)信息的交互共享和集成融合。

2.2.4 水下探測(cè)數(shù)據(jù)回傳

自主飛行聲吶浮標(biāo)具備無線數(shù)據(jù)收發(fā)和通信中繼的功能。多個(gè)自主飛行聲吶浮標(biāo)組成的集群可協(xié)同使用。其中，設(shè)置為探測(cè)節(jié)點(diǎn)的聲吶浮標(biāo)負(fù)責(zé)入水探測(cè)目標(biāo)，設(shè)置為通信中繼節(jié)點(diǎn)的聲吶浮標(biāo)負(fù)責(zé)在探測(cè)區(qū)域上空持續(xù)飛行，由無線電通信接收探測(cè)節(jié)點(diǎn)的水下探測(cè)數(shù)據(jù)，再經(jīng)中繼通信將這些數(shù)據(jù)回傳至水面艦艇。

3 自主飛行聲吶浮標(biāo)集群作戰(zhàn)樣式分析

自主飛行聲吶浮標(biāo)集群本質(zhì)上是一種具備快速投送能力的智能化無人系統(tǒng)，可以滿足在敵方潛艇威脅區(qū)域以外遠(yuǎn)程構(gòu)建艦艇水下傳感器覆蓋區(qū)域及感知目標(biāo)，并運(yùn)用武器實(shí)施打擊的作戰(zhàn)需求。與傳統(tǒng)上依賴昂貴的空中平臺(tái)投放吶浮標(biāo)相比，自主飛行聲吶浮標(biāo)集群適合裝備在各類中小型水面艦艇、無人艇上，可支持分散存儲(chǔ)和多任務(wù)部署的要求，符合未來分布式對(duì)水下作戰(zhàn)理念。

圖7所示為自主飛行聲吶浮標(biāo)集群作戰(zhàn)概念圖。在此作戰(zhàn)概念設(shè)想中，自主飛行聲吶浮標(biāo)集群能夠在復(fù)雜的水下環(huán)境下完成區(qū)域協(xié)同探測(cè)、多源信息保障、輔助作戰(zhàn)效果評(píng)估等多樣化的作戰(zhàn)任務(wù)，并且可提高己方的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，以及增強(qiáng)敵方的應(yīng)對(duì)難度。

圖7 自主飛行聲吶浮標(biāo)集群作戰(zhàn)概念圖Fig.7 Concept of operations for autonomous flight sonobuoy cluster

3.1 區(qū)域協(xié)同探測(cè)

水面艦艇在遂行反潛作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，通常需要在敵潛艇威脅區(qū)域以外遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)、定位作戰(zhàn)海域內(nèi)的水下目標(biāo)，以提供對(duì)水下作戰(zhàn)的信息保障。然而，面對(duì)復(fù)雜的水下作戰(zhàn)環(huán)境和廣闊的反潛任務(wù)區(qū)域，水面艦艇經(jīng)常面臨如下困難：

1) 受傳感器探測(cè)距離的限制，單純依靠本艦的聲吶設(shè)備無法對(duì)更遠(yuǎn)區(qū)域的水下目標(biāo)保持感知能力。

2) 受海況、直升機(jī)航程、機(jī)動(dòng)能力、載荷和出動(dòng)時(shí)間間隔等因素的限制，艦載直升機(jī)難以長(zhǎng)時(shí)間不間斷地留空作戰(zhàn)。

3) 平臺(tái)配備的反潛直升機(jī)數(shù)量有限，難以支持同時(shí)應(yīng)對(duì)多個(gè)方向的遠(yuǎn)程水下目標(biāo)威脅。

自主飛行聲吶浮標(biāo)集群是解決上述問題的有效解決方案之一。在水面艦艇配備大量自主飛行聲吶浮標(biāo)的情況下，水面艦艇可以輕松地突破本艦傳感器感知范圍的限制，從而可以對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)。此外，配備大量自主飛行聲吶浮標(biāo)后，水面艦艇還可以有效解決艦載直升機(jī)數(shù)量少、留空時(shí)間短的問題，在不確定的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下可以隨時(shí)向多個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域快速投送聲吶浮標(biāo)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋、協(xié)同探測(cè)，充分發(fā)揮浮標(biāo)集群的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，顯著提升對(duì)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)區(qū)域水下目標(biāo)的持續(xù)感知能力。

3.2 多源信息保障

對(duì)水下目標(biāo)實(shí)施有效打擊需依靠精確的目標(biāo)信息保障能力的支持。水面艦艇使用本艦聲吶設(shè)備探測(cè)遠(yuǎn)程水下目標(biāo)時(shí)的誤差較大且難以測(cè)定目標(biāo)深度，直接影響了對(duì)此類目標(biāo)的打擊能力。而依靠快速投放、近距離觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，自主飛行聲吶浮標(biāo)集群可以顯著減少探測(cè)誤差、提升精度，為艦艇提供更精確的水下目標(biāo)信息。與此同時(shí)，垂直線列陣聲吶浮標(biāo)在不同深度布設(shè)多組水聽器陣列進(jìn)行垂直方向的多基地檢測(cè)，還可以獲取和估計(jì)目標(biāo)深度?？梢?，準(zhǔn)確的水下目標(biāo)深度信息保障有助于顯著提升水中兵器的打擊效能。

在水下防御方面，水面艦艇開展機(jī)動(dòng)規(guī)避是指揮員應(yīng)對(duì)來襲魚雷威脅的首選對(duì)抗手段之一，但是其實(shí)施機(jī)動(dòng)規(guī)避過程會(huì)嚴(yán)重影響魚雷報(bào)警聲吶的探測(cè)效果，而且，指揮員還需要面臨諸多選擇的困境。例如，保持持續(xù)跟蹤、精確攔截后機(jī)動(dòng)規(guī)避或立即機(jī)動(dòng)規(guī)避后擇機(jī)攔截。對(duì)于上述情況，自主飛行聲吶浮標(biāo)可以解決指揮員面臨的本艦機(jī)動(dòng)與持續(xù)探測(cè)的矛盾，在機(jī)動(dòng)過程中保持對(duì)目標(biāo)的持續(xù)探測(cè)能力，既可以緩解指揮員面臨的決策壓力，又可以確保實(shí)時(shí)提供梯次攔截所需的保障信息。可見，能夠提供多樣化的目標(biāo)信息保障能力的自主飛行聲吶浮標(biāo)集群將在未來的水下防御作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。

3.3 輔助作戰(zhàn)效能評(píng)估

水面艦艇對(duì)水下作戰(zhàn)過程需要實(shí)時(shí)的作戰(zhàn)效果評(píng)估，并基于此結(jié)果來決定是否進(jìn)行二次打擊。然而，若缺少信息支撐，指揮員將難以對(duì)作戰(zhàn)效果進(jìn)行觀測(cè)和檢驗(yàn)，評(píng)估結(jié)果的可信度也會(huì)不高。但是，通過對(duì)自主飛行聲吶浮標(biāo)進(jìn)行航路規(guī)劃，充分發(fā)揮其快速部署、抵近探測(cè)的特性，同步追蹤水中兵器的射后運(yùn)行軌跡，在武器打擊完成后近距離檢測(cè)爆炸區(qū)域，則可以為作戰(zhàn)效果提供獨(dú)立的信息支持。

4 結(jié) 語

自主飛行聲吶浮標(biāo)的平臺(tái)適裝性強(qiáng)，可作為反潛直升機(jī)的替代產(chǎn)品裝載在不具備反潛直升機(jī)搭載條件的大量中小型水面艦艇、無人艦艇上，遂行水下搜索、探測(cè)、效果評(píng)估等多樣化作戰(zhàn)任務(wù)，從而提升對(duì)水下戰(zhàn)場(chǎng)的感知能力。

自主飛行聲吶浮標(biāo)可滿足多樣化的作戰(zhàn)需求。例如，通過投放溫深梯度測(cè)量浮標(biāo)和環(huán)境噪聲測(cè)量浮標(biāo)，對(duì)反潛區(qū)域的水文環(huán)境信息進(jìn)行測(cè)量，以及部署主動(dòng)聲源浮標(biāo)進(jìn)行擴(kuò)展回聲測(cè)距等。自主飛行聲吶浮標(biāo)在集群控制、智能決策、有人/無人協(xié)同等方面仍有許多問題需要解決，但機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，自主飛行聲吶浮標(biāo)集群可適應(yīng)未來海上作戰(zhàn)需求，符合未來分布式對(duì)水下作戰(zhàn)的發(fā)展趨勢(shì)，在一定程度上可以改變對(duì)水下作戰(zhàn)的樣式，具有廣闊的發(fā)展前景。本文的研究結(jié)果有助于解決水面艦艇對(duì)遠(yuǎn)程水下目探測(cè)、感知能力不足的問題。