潛艇與UUV 協(xié)同解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素方法研究

王天忠，王 威，江 蓮

（中國人民解放軍第92337 部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

0 引言

伴隨新型無人武器平臺(tái)的大量應(yīng)用，有人–無人協(xié)同作戰(zhàn)已成為未來體系作戰(zhàn)的必然趨勢(shì)[1]。近年來，美、俄等軍事強(qiáng)國在有人–無人協(xié)同作戰(zhàn)方面開展了多項(xiàng)演示驗(yàn)證，并取得了階段性成果[2-4]。UUV 是當(dāng)今世界海軍國家重點(diǎn)發(fā)展的水下作戰(zhàn)裝備，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水下戰(zhàn)場(chǎng)。隨著人工智能、導(dǎo)航控制、有效載荷等技術(shù)的突破性進(jìn)展，潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)會(huì)成為全新的水下作戰(zhàn)樣式，必將推動(dòng)水下戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)發(fā)生革命性變化。

1 協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)

美國智庫研究報(bào)告《水下戰(zhàn)新紀(jì)元》指出：水下作戰(zhàn)樣式向潛艇–無人平臺(tái)體系化轉(zhuǎn)變，潛艇需要從類似于飛機(jī)的前沿戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴诤侥傅膮f(xié)同平臺(tái)[5]。潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)的根本在于減少“有人”增加“無人”，以更經(jīng)濟(jì)的成本取得最大的作戰(zhàn)效果[6]。

傳統(tǒng)水下作戰(zhàn)，潛艇作為獨(dú)立的作戰(zhàn)單元，基本自主完成“觀察–判斷–決策–行動(dòng)”整個(gè)作戰(zhàn)過程，作戰(zhàn)效能關(guān)鍵取決于平臺(tái)能力。而潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)，潛艇成為指揮控制平臺(tái)，組織協(xié)調(diào)水下作戰(zhàn)體系的運(yùn)行，核心職能在于“判斷–決策”2個(gè)環(huán)節(jié)，而“觀察”“行動(dòng)”的職責(zé)大多由UUV擔(dān)負(fù)。潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)，UUV 可隱蔽航行至潛艇難以抵達(dá)的危險(xiǎn)海域，在大范圍、大深度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行抵近偵察、隱蔽突襲和快速打擊，使水下作戰(zhàn)行動(dòng)更加自由，且更加難以防范。

潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)主要可分為以下幾種。

1.1 協(xié)同探測(cè)

潛艇水下作戰(zhàn)時(shí)通常使用聲吶系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行被動(dòng)探測(cè)，受海洋環(huán)境背景噪聲、目標(biāo)輻射噪聲水平及自身聲吶設(shè)備工作能力等因素影響，對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力有限，特別是對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)更為困難，嚴(yán)重影響交戰(zhàn)對(duì)抗。而UUV 隱蔽性良好，作戰(zhàn)使用方式也非常靈活，可對(duì)潛在作戰(zhàn)海域進(jìn)行大范圍機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)。潛艇與UUV 協(xié)同探測(cè)，不僅實(shí)現(xiàn)了潛艇的隱蔽，更為關(guān)鍵的是增強(qiáng)了對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力，提高了隱蔽探測(cè)效率，進(jìn)而提高潛艇在對(duì)抗中的獲勝概率。

1.2 協(xié)同攻擊

潛艇對(duì)目標(biāo)的攻擊空間受探測(cè)能力的制約，即使武器具備中遠(yuǎn)距離攻擊能力，當(dāng)探測(cè)能力弱時(shí)，作戰(zhàn)中也無法達(dá)成遠(yuǎn)程攻擊。由于潛艇攻擊距離較近，攻擊后即意味著平臺(tái)暴露，可能會(huì)遭到對(duì)手的快速反擊，潛艇安全受到嚴(yán)重威脅。潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)，發(fā)揮整體優(yōu)勢(shì)可取得先敵攻擊的機(jī)會(huì)。UUV 作為突前攻擊兵力，位中遠(yuǎn)距離對(duì)目標(biāo)實(shí)施突襲，潛艇可視攻擊效果接續(xù)抵近攻擊；兩者也可協(xié)同位目標(biāo)兩側(cè)內(nèi)外夾擊，攻擊效能會(huì)大幅提高。

1.3 協(xié)同防御

潛艇受自身機(jī)動(dòng)規(guī)避能力弱、對(duì)來襲武器預(yù)警能力不足的影響，當(dāng)發(fā)現(xiàn)武器來襲時(shí)難以快速形成有效防御；當(dāng)通過水雷威脅海域時(shí)，由于水雷難以被探測(cè)到，潛艇面臨的威脅也很大。潛艇與UUV協(xié)同防御，可提高對(duì)來襲武器的威脅告警能力，有利于及時(shí)采取相關(guān)防御措施，必要時(shí)還可以控制UUV 機(jī)動(dòng)航行作誘餌，誘騙來襲武器，從而對(duì)潛艇形成保護(hù)。面臨水雷威脅時(shí)，UUV 可以前出充當(dāng)“獵雷先鋒”，為潛艇安全航行開辟通道。

2 協(xié)同解算分析

在探測(cè)、攻擊與防御等作戰(zhàn)任務(wù)中，往往要求協(xié)同作戰(zhàn)體系在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后有效評(píng)估戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，為后續(xù)作戰(zhàn)行動(dòng)決策與開展提供依據(jù)。其中，兼顧快速性、隱蔽性與安全性開展目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算是戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估的重要環(huán)節(jié)。

在傳統(tǒng)的獨(dú)立作戰(zhàn)模式中，潛艇基于聲吶設(shè)備的目標(biāo)探測(cè)信息，結(jié)合自身導(dǎo)航信息，解算目標(biāo)的航速、航向、方位與距離等運(yùn)動(dòng)要素。其解算收斂速度會(huì)受到2 方面制約：1）考慮到隱蔽性問題，潛艇會(huì)盡量避免采用外露性探測(cè)設(shè)備同時(shí)獲取方位與距離，而是主要依靠被動(dòng)聲吶探測(cè)的連續(xù)方位信息；2）為滿足目標(biāo)可觀測(cè)性條件，潛艇自身需要完成至少1 次機(jī)動(dòng)過程，才能夠使解算結(jié)果收斂[7-9]。

在潛艇與UUV 的協(xié)同作戰(zhàn)中，可以利用UUV使用靈活、行動(dòng)隱蔽、風(fēng)險(xiǎn)承受能力強(qiáng)、使用成本低等特點(diǎn)。由UUV 作為前置兵力同步偵察，并將目標(biāo)跟蹤探測(cè)信息匯總至潛艇完成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算，通過發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢(shì)縮短解算收斂時(shí)間，從而提升作戰(zhàn)響應(yīng)速度。

從實(shí)現(xiàn)性角度出發(fā)，潛艇與UUV 協(xié)同解算過程應(yīng)考慮水聲通信的速率與帶寬等限制，不宜要求過高的交互頻率以及過大的交互數(shù)據(jù)量。此外，考慮到發(fā)信過程中產(chǎn)生的暴露性風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)盡量降低潛艇的主動(dòng)發(fā)信次數(shù)，以提升有人平臺(tái)的隱蔽性與安全性。

因此，提出基于目標(biāo)位置線的協(xié)同解算方法，UUV 根據(jù)目標(biāo)探測(cè)信息推算目標(biāo)位置線，并將其參數(shù)通過低頻次低容量的水聲通信上報(bào)，由潛艇接收匯總后解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素。

3 基于目標(biāo)位置線的協(xié)同解算方法

假設(shè)在偵察階段目標(biāo)保持勻速直航狀態(tài)，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)如圖1 所示。

圖1 方位示意圖Fig. 1 Orientation diagram

UUV 或潛艇以勻速直航狀態(tài)進(jìn)行接敵跟蹤，在t1、t2、t3時(shí)刻分別位于W1、W2、W3點(diǎn)，利用被動(dòng)聲吶探測(cè)目標(biāo)方位為F1、F2、F3。

在目標(biāo)方位線F1上任意位置假定目標(biāo)初始點(diǎn)，航向Hm，航速Vm。假設(shè)潛艇自身不動(dòng)，則可以根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理做出相對(duì)舷角Xx、相對(duì)航向Hx與相對(duì)航速Vx。

根據(jù)幾何關(guān)系，相對(duì)舷角為

相對(duì)速度為

式中，D1為直線長(zhǎng)度。

按照上述方法，假定探測(cè)方位一致但初始距離不同的另一個(gè)目標(biāo)初始點(diǎn)，對(duì)應(yīng)相對(duì)舷角，相對(duì)航向與相對(duì)航速。

在t4時(shí)刻位于W4時(shí)，可推算目標(biāo)方位為

將t1－t3時(shí)段內(nèi)方位測(cè)量值與測(cè)量時(shí)間作為已知量，取t為t3到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間間隔，則式（3）可理解為目標(biāo)方位F(t) 關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)，如下式：

式中：

盡管按照不同初距對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)要素，但是按照各初距點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)航向和航速進(jìn)行推算所得的各推算目標(biāo)位置點(diǎn)卻在同一條直線上，即目標(biāo)位置線。取W1為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，目標(biāo)位置線可表示為

將t1－t3時(shí)段內(nèi)UUV 或潛艇的航速、航向與位置作為已知量，則t時(shí)刻位置為

式中：Hm為航向；Vm為航速；為t3時(shí)刻位置。

整理式（10）－（12），得到目標(biāo)位置線表達(dá)式為

式中，

在作戰(zhàn)任務(wù)場(chǎng)景中，結(jié)合協(xié)同模式及兵力部署方式，可由前置UUV 與后方潛艇同步探測(cè)目標(biāo)，UUV 通過水聲通信將解算的目標(biāo)位置線發(fā)送至潛艇，潛艇匯總至少2 條不平行目標(biāo)位置線，可推算目標(biāo)軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要素解算。

4 仿真

設(shè)定我方警戒區(qū)域?yàn)?0 000 m×10 000 m 正方形海域，坐標(biāo)原點(diǎn)為西南角頂點(diǎn)，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of battlefield situation

敵方水面艦艇以航速10 kn，航向210°，從（5 000，10 000）位置進(jìn)入警戒區(qū)，位置變化如圖3 所示。

圖3 目標(biāo)位置圖Fig. 3 Target location diagram

UUV 以航速6 kn、航向45°，從（7 000，7 000）位置對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，潛艇以航速4 kn、航向315°，從（2 000，3 000）位置對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)目標(biāo)方位與舷角如圖4 所示。

圖4 目標(biāo)方位與舷角圖Fig. 4 Target azimuth and port angle diagram

300 s 時(shí)刻，UUV 通過水聲通信發(fā)送推算目標(biāo)位置線信息，潛艇匯總后推算目標(biāo)在300 s 后位置如圖5 所示。

圖5 目標(biāo)位置推算圖Fig. 5 Target location calculation chart

其中，UUV 及潛艇推算目標(biāo)位置線關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 目標(biāo)位置線關(guān)鍵參數(shù)表Table 1 Key parameters of target location line

對(duì)比圖3 與圖5，顯然潛艇推算的目標(biāo)位置信息有效，可用于指導(dǎo)協(xié)同作戰(zhàn)體系后續(xù)的偵查、攻擊或防御作戰(zhàn)行動(dòng)。

5 結(jié)束語

伴隨著反潛探測(cè)技術(shù)的不斷提升，單純依賴潛艇平臺(tái)對(duì)抗的水下作戰(zhàn)模式優(yōu)勢(shì)正逐步喪失，UUV 的作戰(zhàn)運(yùn)用能夠極大拓展水下戰(zhàn)場(chǎng)的覆蓋維度，潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)將為水下作戰(zhàn)帶來革命性變化。

本文結(jié)合協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)中潛艇與UUV 各自優(yōu)勢(shì)，圍繞“潛艇后方?jīng)Q策，UUV 前方行動(dòng)”的協(xié)同模式，針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算的快速性、隱蔽性與安全性要求，提出基于目標(biāo)軌跡線的運(yùn)動(dòng)要素協(xié)同解算方法，為后續(xù)潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究提供參考。