AUV在反水雷作戰(zhàn)中的應(yīng)用與展望

【摘要】隨著海上無(wú)人智能作戰(zhàn)平臺(tái)水平的快速發(fā)展，將自主水下航行器（AUV）與反水雷技術(shù)相結(jié)合已成為該作戰(zhàn)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。本文針對(duì)航行器關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展全面研究，深入挖掘其在反水雷任務(wù)規(guī)劃及作業(yè)流程中的應(yīng)用手段，并結(jié)合新型智能水雷性能特征充分考慮未來(lái)對(duì)抗模式及發(fā)展方向，以期為我海軍作戰(zhàn)體系能力建設(shè)提供支撐和保障。

【關(guān)鍵詞】AUV|無(wú)人系統(tǒng)|反水雷作戰(zhàn)

隨著具備遠(yuǎn)程控制、隱蔽投送、時(shí)敏打擊等作戰(zhàn)能力的新型水雷裝備不斷研制和投入使用，未來(lái)反水雷呈現(xiàn)出體系對(duì)抗升級(jí)、能量致勝向信息致勝轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。而水下無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)因遂行任務(wù)多樣、潛伏性能上佳、決策控制靈活的特點(diǎn)，相對(duì)于依靠有人艦艇為主的傳統(tǒng)獵掃雷方式其應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，安全性和智能化水平均有提升。而AUV則由于其全面與多用途性、環(huán)境適應(yīng)性好、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)在該體系中扮演了重要角色。

一、AUV關(guān)鍵技術(shù)研究

AUV的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海洋探索和利用的基礎(chǔ)。這些技術(shù)包括總體設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)，動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)，導(dǎo)航與控制，以及探測(cè)與通信技術(shù)?？傮w設(shè)計(jì)涉及到AUV的整體性能，如耐壓殼體的最終深度與重新浮出比率的關(guān)系，以及高維代理模型預(yù)測(cè)技術(shù)的HDMR-RBF方法。結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)不僅要考慮到機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性，還要考慮到材料的輕量化，以提高AUV的機(jī)動(dòng)性和耐久性。動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)是AUV能夠在水下長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行的關(guān)鍵，這包括電池技術(shù)，以及更高效的推進(jìn)器設(shè)計(jì)。導(dǎo)航與控制技術(shù)確保AUV能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)，包括使用聲納和其他傳感器進(jìn)行定位，以及復(fù)雜的算法來(lái)處理數(shù)據(jù)和控制AUV的運(yùn)動(dòng)。探測(cè)與通信技術(shù)則涉及到AUV如何收集數(shù)據(jù)并將信息傳回控制中心，這對(duì)于深海探測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)任務(wù)至關(guān)重要。這些技術(shù)的發(fā)展不僅推動(dòng)了AUV在科學(xué)研究和商業(yè)應(yīng)用中的使用，也為海洋戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了支持。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)的AUV將更加智能化，能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，同時(shí)也將更加集群化和體系化，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

目前任何單一的反水雷手段，都難以獨(dú)自應(yīng)對(duì)先進(jìn)水下武器系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。為此必須充分運(yùn)用海陸空三軍力量構(gòu)建無(wú)人作戰(zhàn)體系，其包括由無(wú)人機(jī)、探測(cè)傳感系統(tǒng)等組成的無(wú)人空中系統(tǒng)、無(wú)人艇、布放回收系統(tǒng)等構(gòu)成的無(wú)人水面平臺(tái)以及包含水下航行器、無(wú)人預(yù)置系統(tǒng)的無(wú)人水下裝備等，并有效結(jié)合獵、掃、炸等多種方式共同完成作戰(zhàn)任務(wù)。其中AUV作為典型的無(wú)人水下裝備，集成了總體設(shè)計(jì)、導(dǎo)航通信、航行控制、能源動(dòng)力及綜合保障等多項(xiàng)技術(shù)，在水下戰(zhàn)場(chǎng)的偵察監(jiān)視、感知識(shí)別及應(yīng)急預(yù)警等領(lǐng)域已廣泛使用。

（一）總體設(shè)計(jì)技術(shù)

在AUV進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮流體計(jì)算和線性優(yōu)化、艙體結(jié)構(gòu)與設(shè)備布局、載荷配置及低磁降噪等各方面要求，為設(shè)備提供安裝空間和接口、實(shí)現(xiàn)電氣及通信信號(hào)的傳輸和中繼、航行所需的浮力調(diào)節(jié)、偵察探測(cè)、攻擊對(duì)抗等任務(wù)載荷投送后的浮力補(bǔ)償、應(yīng)急釋放壓載或注水自沉等功能。目前航行器的總體多采用模塊化、仿生學(xué)設(shè)計(jì)。

（二）新材料技術(shù)

新型材料也為AUV的發(fā)展帶來(lái)更多的可能性。在總體結(jié)構(gòu)方面，如高性能復(fù)合材料和陶瓷復(fù)合材料，不僅減輕了AUV的重量，還提高了其在極端海洋環(huán)境下的耐壓和耐腐蝕性能。這些材料的應(yīng)用，使得AUV能夠承受更深的潛水深度，延長(zhǎng)了任務(wù)持續(xù)時(shí)間，并增強(qiáng)了其在復(fù)雜海底地形中的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。動(dòng)力與推進(jìn)技術(shù)方面，新材料的使用也大大提高了AUV的能效比。例如，通過(guò)使用高能密度的電池材料，AUV可以在不增加體積的情況下，存儲(chǔ)更多的能量，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的自主操作。此外，新型涂層材料的開(kāi)發(fā)，如防生物附著涂層，減少了AUV在水下長(zhǎng)期作業(yè)時(shí)的維護(hù)需求，提高了其在全生命周期內(nèi)的應(yīng)用效率。

（三）導(dǎo)航通信技術(shù)

安全穩(wěn)定的定位與航行能力是AUV實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)的重要基礎(chǔ)，而能夠?qū)崟r(shí)提供精確航行器位姿信息的導(dǎo)航系統(tǒng)成為了達(dá)到目標(biāo)的關(guān)鍵因素。該系統(tǒng)主要由高信息輸出頻率導(dǎo)航元件與多普勒測(cè)速儀等輔助設(shè)備組成，可以有效地修正或抑制累積誤差，良好地克服了水下場(chǎng)景中電磁波傳輸距離較短、無(wú)法采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位等問(wèn)題，同時(shí)還決定了航行器水面校準(zhǔn)對(duì)隱蔽性帶來(lái)的影響。慣性導(dǎo)航技術(shù)、地球物理場(chǎng)導(dǎo)航技術(shù)以及水下聲學(xué)定位與導(dǎo)航技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)將其結(jié)合水聲通信組網(wǎng)的協(xié)議機(jī)制能夠從水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獲得與主節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)協(xié)同導(dǎo)航增強(qiáng)效果，用于為AUV編隊(duì)提供可靠的通信保障。

（四）航行控制技術(shù)

惡劣多變的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件針對(duì)AUV的決策規(guī)劃、感知分析和自主行動(dòng)等能力制造了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，而航行控制技術(shù)則是提高其空間適應(yīng)性并確保完成預(yù)定任務(wù)的前提。在通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)獲得當(dāng)前平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和完成期望路徑規(guī)劃后，需要依靠控制算法模型與分配策略迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷與處理、模擬行動(dòng)流程并計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，增強(qiáng)實(shí)際軌跡誤差的收斂性的同時(shí)視情況做出航路變更、避障、應(yīng)急上浮等動(dòng)作。目前滑?？刂?、自適應(yīng)控制、反步控制和模糊控制算法以及直接分配法、最優(yōu)分配法與偽逆法的運(yùn)用較為常見(jiàn)。

實(shí)現(xiàn)AUV之間的協(xié)同控制和通信是可以使其承擔(dān)更加復(fù)雜的任務(wù)，它要求高度的精確性和可靠性。首先，需要建立一個(gè)有效的通信協(xié)議，這通常涉及到水聲通信技術(shù)，因?yàn)樵谒颅h(huán)境中，無(wú)線電波的傳播受到嚴(yán)重限制。水聲通信協(xié)議必須能夠適應(yīng)水下環(huán)境的特殊條件，如信號(hào)衰減、多徑傳播和噪聲干擾。其次，AUV之間的協(xié)同控制依賴于精確的定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)的位置信息，確保AUV能夠按照預(yù)定的路徑行駛，并在必要時(shí)進(jìn)行避障。此外，任務(wù)規(guī)劃和分配算法也是實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制的關(guān)鍵，它們能夠根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和復(fù)雜性，以及各AUV的能力和狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地分配任務(wù)并調(diào)整路徑。為了提高系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)能力，通常會(huì)采用分布式控制架構(gòu)，這樣即使某個(gè)AUV出現(xiàn)故障，其他AUV也能夠繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。最后，安全性也是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素，需要確保AUV在執(zhí)行任務(wù)時(shí)不會(huì)相互碰撞，也不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成損害。

（五）能源動(dòng)力技術(shù)

AUV所搭載的獵雷裝備和通信設(shè)備需要消耗大量的能源，因此其能源動(dòng)力系統(tǒng)的性能和質(zhì)量決定了航行器的水下運(yùn)行的速度、工作范圍、續(xù)航力、負(fù)載能力等戰(zhàn)技指標(biāo)。出于安全可靠性和安裝尺寸等方面的考慮，電能依舊是目前能源系統(tǒng)的主要供給方式。其中鋰離子電池的能量密度較高，無(wú)電池記憶效應(yīng)且充電時(shí)間短，在理想的情況下無(wú)需進(jìn)行維護(hù)，近年來(lái)已被大量采用。航行器電池能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心則在于電池管理系統(tǒng)，它對(duì)延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命、提高電池的工作效率和保持電池組平衡狀態(tài)存在重要意義。

（六）綜合保障技術(shù)

AUV的布放與回收、技術(shù)狀態(tài)準(zhǔn)備、維護(hù)和保養(yǎng)及存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)設(shè)備共同構(gòu)成其綜合保障系統(tǒng)。其中布放與回收作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可分為水面和水下兩種模式，用于確保航行器能夠在任務(wù)啟動(dòng)階段平穩(wěn)入水、完成使命后順利返航檢查清理、補(bǔ)充能源并下載運(yùn)行數(shù)據(jù)等功能實(shí)現(xiàn)。AUV的水面布放通常采用其載體的傾斜滑軌或機(jī)械吊臂來(lái)進(jìn)行，回收則需要依靠機(jī)械掛鉤或滑道；水下布放與回收往往需要借助于潛艇，包括艇內(nèi)和舷外兩種發(fā)射回收方式。前者的布放技術(shù)更為成熟，更適用于仿魚(yú)雷外形的航行器，可良好地把握水下特征；后者具有較低的空間占用率，但開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較大且改變了平臺(tái)的流體特性。

二、AUV在反水雷作戰(zhàn)中的應(yīng)用

AUV結(jié)合反水雷作戰(zhàn)能顯著減少人員傷亡、降低平臺(tái)全壽期費(fèi)用、提高雷區(qū)無(wú)人化水平，其在任務(wù)生成與規(guī)劃、獵掃雷作業(yè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用（見(jiàn)圖1）。

（一）海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)視

AUV主要依靠溫鹽深儀與傳感器測(cè)定、記錄和計(jì)算海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的壓力、濁度、電導(dǎo)率、溫度、壓力及聲速等物理特性，并通過(guò)水聲信號(hào)換能器基陣采集水下噪聲，儀器內(nèi)置單元及配套軟件能夠存儲(chǔ)處理相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)借助無(wú)線電、衛(wèi)星和水聲通信等水面、水下通信方式接收導(dǎo)航信息與控制指令、準(zhǔn)確傳輸系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)以及基于無(wú)線分組服務(wù)技術(shù)所獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)視結(jié)果，保障AUV集群、其他平臺(tái)之間的協(xié)同作業(yè)并擴(kuò)大感知范圍，可用于支撐反水雷作戰(zhàn)任務(wù)生成時(shí)的海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件預(yù)捕捉和數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。

（二）作戰(zhàn)任務(wù)自主規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃處于反水雷作戰(zhàn)指揮控制的重要階段，通常涉及到任務(wù)、環(huán)境、平臺(tái)等多方面要素，因此需作為復(fù)雜強(qiáng)耦合的多目標(biāo)優(yōu)化與決策問(wèn)題來(lái)考慮。力求在獲取作戰(zhàn)任務(wù)且滿足戰(zhàn)技指標(biāo)、使用條件、平臺(tái)性能約束的前提下進(jìn)行兵力配置和計(jì)劃制定，將任務(wù)合理分配實(shí)現(xiàn)裝備資源的優(yōu)化配置。AUV任務(wù)管理系統(tǒng)可根據(jù)航線校準(zhǔn)、目標(biāo)偵察、水雷清除等作戰(zhàn)行動(dòng)類(lèi)型提供針對(duì)性的規(guī)劃向?qū)?，支持岸基、水面、水下單體和編隊(duì)等模式的擴(kuò)展，在線路配置、獵雷機(jī)制、效果預(yù)測(cè)等方面可作為人工定制方案的參考。

（三）水雷目標(biāo)探測(cè)識(shí)別

AUV通過(guò)配置體搜索聲吶、多波速測(cè)深聲吶及合成孔徑聲吶及等聲學(xué)設(shè)備，并綜合運(yùn)用光、磁等手段，可使其水雷探測(cè)流程在一定程度上突破深度的限制，相互協(xié)調(diào)補(bǔ)充以確定掩埋情況和雷體的存在；基于聲吶圖像預(yù)處理、分割、剝離技術(shù)及水雷目標(biāo)特征提取技術(shù)與三維處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)聲吶圖像的自主識(shí)別。同時(shí)航行器系統(tǒng)可配置獵雷手段或滅雷炸彈，通過(guò)自主布放光纜與傳感器形成網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)現(xiàn)或安全制導(dǎo)靠近可疑目標(biāo)后，能夠由自主決策或己方兵力指揮控制下，對(duì)其實(shí)施快速、精準(zhǔn)打擊或相關(guān)處置工作。

三、反水雷AUV技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下通過(guò)無(wú)人平臺(tái)、水下網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為水雷武器所帶來(lái)的作戰(zhàn)性能擴(kuò)充效果，開(kāi)展水下攻防態(tài)勢(shì)分析和航行器發(fā)展趨勢(shì)探討（見(jiàn)圖2）。

（一）拓寬作戰(zhàn)海域范圍

相比依靠飛機(jī)、艦船和潛艇等傳統(tǒng)媒介執(zhí)行布雷作業(yè)流程，利用無(wú)人平臺(tái)的自由度與靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，搭載、投送水雷武器可以實(shí)現(xiàn)更好的隱蔽性能和部署效率，進(jìn)一步延長(zhǎng)了其在復(fù)雜海洋環(huán)境下的生存周期，使大型載體能夠從該領(lǐng)域成功脫離并投入到其他高優(yōu)先級(jí)的作戰(zhàn)任務(wù)之中。在未來(lái)的水下攻防對(duì)抗態(tài)勢(shì)里，需要AUV具備可靠的隱身性、遠(yuǎn)航程和大潛深等能力，從而便于在更加立體寬廣的空間內(nèi)發(fā)揮其功用。因此應(yīng)當(dāng)有效發(fā)展低目標(biāo)、噪聲及傳播途徑強(qiáng)度控制的聲隱身技術(shù)和磁、雷達(dá)、紅外等非聲隱身技術(shù)；逐步推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)從螺旋槳驅(qū)動(dòng)向浮力混合驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)變；通過(guò)基于燃料電池、水下無(wú)線充電的能源技術(shù)獲得更高的質(zhì)量比和體積比能量，以提升平臺(tái)運(yùn)行持久性和載荷擴(kuò)展能力，在導(dǎo)航定位、遠(yuǎn)距離通信等功能的支持下，完成防區(qū)外遠(yuǎn)程潛入敵布雷區(qū)域等任務(wù)。

（二）加強(qiáng)協(xié)同組網(wǎng)能力

新型水雷武器通過(guò)與分布式傳感器等水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，其指揮、通信等作戰(zhàn)能力得到進(jìn)一步升級(jí)，降低裝備投入比重的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更為寬廣的海域覆蓋效果，極大地增加了反水雷任務(wù)量。為此應(yīng)基于水下空間分布和信息技術(shù)優(yōu)化AUV的網(wǎng)絡(luò)交互能力，有效地?cái)U(kuò)大平臺(tái)的感知范圍；將多航行器組成一體化探測(cè)、偵察和打擊集群，協(xié)同進(jìn)行作業(yè)和作戰(zhàn)任務(wù)以實(shí)現(xiàn)倍增器功用；同時(shí)注重開(kāi)展AUV跨域組合發(fā)展研究，推進(jìn)聲學(xué)與電磁、光學(xué)等多種通信方式并舉，進(jìn)一步加強(qiáng)其與有人裝備的協(xié)同運(yùn)用，良好地避免了單平臺(tái)在能量存儲(chǔ)水平、自主控制技術(shù)、水下傳感能力等方面所受到的限制。

（三）提升智能與自主性

自主性與遠(yuǎn)程控制能力的相互關(guān)聯(lián)會(huì)顯著提高水雷裝備的作戰(zhàn)性能和實(shí)用性，通過(guò)遠(yuǎn)距離人在回路及完全無(wú)人條件之間的配合，其打擊目標(biāo)的反應(yīng)速度、作戰(zhàn)需求靈活性、使用可靠性都有了充分的保障；而增添衛(wèi)星定位技術(shù)、加裝翼套件等措施則便于在布雷時(shí)獲取雷區(qū)位置詳細(xì)記錄，大幅地改進(jìn)了水雷投送范圍和精度。所以新一代AUV須掌握高智能化與自主化水平，積極發(fā)展面向任務(wù)的深度學(xué)習(xí)與信息處理功能，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)意圖判斷及障礙規(guī)避等作戰(zhàn)能力建設(shè)，用于降低人員操縱、監(jiān)控和通信等需求，在完成環(huán)境交互的同時(shí)能夠準(zhǔn)確探測(cè)、識(shí)別水下目標(biāo)，感知表征威脅或意外因素并做出及時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與反應(yīng)，快速分析傳感器收集的數(shù)據(jù)結(jié)果并根據(jù)任務(wù)影響程度進(jìn)行集中、評(píng)估和分類(lèi)。

四、結(jié)語(yǔ)

將傳統(tǒng)反水雷裝備與先進(jìn)的無(wú)人技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)反水雷作業(yè)無(wú)人化是目前該領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一。AUV具備隱蔽性好、安全性高、智能靈活等特點(diǎn)，可有效提升反水雷作戰(zhàn)效能并降低運(yùn)行成本。而隨著其技術(shù)不斷向成熟邁進(jìn)，使命功能從輔助到中心、作戰(zhàn)模式從單體到集群、活動(dòng)范圍也逐漸從淺海進(jìn)入深海，已成為海上作戰(zhàn)力量的重要組成部分。為此應(yīng)當(dāng)按照沿海、近海、中遠(yuǎn)海的等區(qū)域的反水雷需求，加快新型AUV的研制與前沿關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，更好地完成其所面臨的高對(duì)抗、多維度水下空間作戰(zhàn)任務(wù)。中國(guó)軍轉(zhuǎn)民

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（作者簡(jiǎn)介：高晟馨，中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，助理工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人）