多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)支持的潛艇協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用研究＊

程相東 馮金富 杜文紅

（空軍工程大學(xué) 西安 710038）

1 引言

潛艇具有隱蔽性好，突擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期潛伏在水下，具有較強(qiáng)的突擊作戰(zhàn)能力［1］。但潛艇在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，主要依靠自身偵查設(shè)備獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息，這些設(shè)備作用距離較近，使用時(shí)易暴露目標(biāo)，使?jié)撏ё鲬?zhàn)半徑受到限制［2］。為提升潛艇作戰(zhàn)效能，潛艇應(yīng)當(dāng)融入戰(zhàn)場(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò)，具備與空天地形成一體化的協(xié)同作戰(zhàn)（CE，Cooperative Engagement）能力。

協(xié)同作戰(zhàn)是指戰(zhàn)斗群中各戰(zhàn)斗單元以極短的延時(shí)共享其他單元獲取的目標(biāo)信息，發(fā)射武器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊，協(xié)同抵御各目標(biāo)的威脅［3］。隨著自主式水下航行器［4］（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的發(fā)展，尤其是潛射無(wú)人機(jī)（Submarine－launched Unmanned Aerial Vehicles，SUAV）的出現(xiàn)，使得這些無(wú)人平臺(tái)與潛艇協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)成為可能。

2 無(wú)人機(jī)支持潛艇協(xié)同作戰(zhàn)的數(shù)據(jù)鏈體系結(jié)構(gòu)

潛艇在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)可作為一種場(chǎng)外傳感器為其提供所需的戰(zhàn)場(chǎng)信息。無(wú)人機(jī)可在敵反潛體系外發(fā)射，具有體積小、隱身性能好、航程遠(yuǎn)的特點(diǎn)［2］。其機(jī)載設(shè)備可覆蓋較廣的區(qū)域，可擴(kuò)大潛艇的搜索范圍，延長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間，提升潛艇的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力。建立潛艇與無(wú)人機(jī)間的信息鏈接，是潛艇能否實(shí)現(xiàn)與空中單元協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)乾F(xiàn)代信息技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)理念相結(jié)合的產(chǎn)物，是為了適應(yīng)機(jī)動(dòng)條件下作戰(zhàn)單元共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和實(shí)時(shí)指控的需求，采用標(biāo)準(zhǔn)化消息格式、高效組網(wǎng)協(xié)議、保密抗干擾數(shù)字信道而構(gòu)成的一種戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)［5］。以實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)為前提，以提升作戰(zhàn)效能為需求，數(shù)據(jù)鏈可將潛艇與無(wú)人機(jī)平臺(tái)鏈接起來(lái)形成一個(gè)有機(jī)整體。支持潛艇協(xié)同作戰(zhàn)的數(shù)據(jù)鏈體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)鏈裝備

數(shù)據(jù)鏈裝備是數(shù)據(jù)鏈功能和技術(shù)的物化載體。為實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)信息和控制指令的收發(fā)，無(wú)人機(jī)以及潛艇等數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)應(yīng)裝載數(shù)據(jù)鏈裝備，它的一般工作過(guò)程是：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將無(wú)人機(jī)獲取的戰(zhàn)場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)格式，經(jīng)過(guò)接口處理轉(zhuǎn)換后，由端機(jī)按照組網(wǎng)通信協(xié)議處理，最后通過(guò)數(shù)據(jù)鏈終端完成發(fā)送；接收方（可以為一個(gè)或多個(gè)）由其端機(jī)接收到信號(hào)后，由端機(jī)按組網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行接收處理，在經(jīng)過(guò)接口處理及轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行格式化消息的解讀。

圖1 多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)

2.2 水聲網(wǎng)絡(luò)

水聲網(wǎng)絡(luò)是基于聲信號(hào)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，由水聲數(shù)據(jù)鏈將水下節(jié)點(diǎn)（包括AUV、潛艇、水下傳感器節(jié)點(diǎn)等）有機(jī)聯(lián)合，是戰(zhàn)場(chǎng)信息在水下空間的傳輸鏈路［6］。水聲數(shù)據(jù)鏈可使?jié)撏г诎踩疃韧瓿赏ㄓ崳员ＷC潛艇戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和對(duì)敵打擊的突然性。

2.3 AUV多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)網(wǎng)關(guān)

潛艇與無(wú)人機(jī)之間的信道涉及海水和大氣兩種傳輸介質(zhì)，導(dǎo)致兩者之間存在多種數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)互操作問(wèn)題［7］。AUV多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)網(wǎng)關(guān)起到“翻譯器”的作用，支持不同種類數(shù)據(jù)鏈終端的接入，主要實(shí)現(xiàn)報(bào)文格式轉(zhuǎn)換、報(bào)文過(guò)濾、時(shí)空對(duì)準(zhǔn)、沖突消解和狀態(tài)監(jiān)視等功能。

2.4 無(wú)人機(jī)控制站

無(wú)人機(jī)控制站是潛艇實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)控制的一套軟硬件組件，在提供高效的無(wú)人機(jī)信息分發(fā)管理的同時(shí)，與指揮控制系統(tǒng)共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，直接支持作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)行動(dòng)。

3 無(wú)人機(jī)控制站設(shè)計(jì)

3.1 控制站功能

借鑒以支持和實(shí)現(xiàn)聯(lián)合無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)概念為主要目標(biāo)的美國(guó)國(guó)防部（DOD）戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)［8］（Tactical Control System，TCS），無(wú)人機(jī)控制站的作用在于對(duì)無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的控制。具體功能如下：

1）實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與潛艇作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)間的互聯(lián)互通；

2）根據(jù)需要調(diào)整無(wú)人機(jī)姿態(tài)與航路，支持任務(wù)規(guī)劃與指揮控制功能；

3）戰(zhàn)場(chǎng)信息融合及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)生成；

4）無(wú)人機(jī)載荷狀態(tài)的監(jiān)視與管理。

3.2 控制站功能邏輯結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)控制站是鏈接無(wú)人機(jī)平臺(tái)和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的橋梁，貫穿于作戰(zhàn)任務(wù)的全過(guò)程。無(wú)人機(jī)控制站接受作戰(zhàn)任務(wù)后將任務(wù)分解為無(wú)人機(jī)載荷任務(wù)和通信任務(wù)，并完成無(wú)人機(jī)平臺(tái)的航路規(guī)劃；在戰(zhàn)術(shù)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，監(jiān)視無(wú)人機(jī)載荷和數(shù)據(jù)鏈工作狀態(tài)，接收多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)傳回的戰(zhàn)場(chǎng)信息，融合處理后生成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖像，若有需要也可對(duì)任務(wù)進(jìn)行重規(guī)劃；戰(zhàn)術(shù)任務(wù)完成后，分析任務(wù)執(zhí)行情況提交任務(wù)完成報(bào)告。無(wú)人機(jī)控制站采用基于接口的模塊化設(shè)計(jì)，圖2為功能邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖2 無(wú)人機(jī)控制站功能邏輯結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈接口提供標(biāo)準(zhǔn)的信息格式，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)控制站與無(wú)人機(jī)之間的互通；人機(jī)交互接口通過(guò)控制面板實(shí)現(xiàn)操作員與無(wú)人機(jī)控制站的互動(dòng)；指揮控制接口提供連接情報(bào)信息層、指令層、應(yīng)用層的橋梁，可使?jié)撏е笓]控制系統(tǒng)接收并分析戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息和目標(biāo)狀態(tài)信息，支持作戰(zhàn)單元對(duì)目標(biāo)的打擊與監(jiān)視。

4 多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)描述

4.1 多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)功能需求

多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（multi－UAV system）是指構(gòu)成多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)、控制站以及其它實(shí)體之間邏輯上和物理上的信息關(guān)系、控制關(guān)系和時(shí)空分布模式［9］。多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)需要通信鏈路的支持，應(yīng)當(dāng)具備一定的智能性與自主性。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的不同，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)功能應(yīng)滿足如下需求：

1）自組織能力。由于操作員數(shù)量有限，以及應(yīng)對(duì)通信中斷等突發(fā)情況，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具備一定的自組織能力；

2）交互性。與無(wú)人機(jī)控制站的交互可使多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)獲得戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的授權(quán)與確認(rèn)；

3）支持動(dòng)態(tài)任務(wù)。針對(duì)不斷變化的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)無(wú)人機(jī)控制站指令完成戰(zhàn)術(shù)任務(wù)重規(guī)劃；

4）開(kāi)放性。當(dāng)系統(tǒng)成員因戰(zhàn)斗損失或故障退出時(shí)，或者有其他成員加入時(shí)，系統(tǒng)能夠保持正常運(yùn)行。

4.2 多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作流程

多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的工作流程是無(wú)人機(jī)平臺(tái)在通信鏈路的保障下，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)信息共享及協(xié)作完成戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的協(xié)同過(guò)程［11］。多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作流程如圖3所示，數(shù)據(jù)鏈支持多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的信息交互與指令接收。其中信息流是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的感知與理解，指令流是無(wú)人機(jī)控制站所下達(dá)的指令信息。

4.2.1 態(tài)勢(shì)生成模塊

多無(wú)人機(jī)平臺(tái)接受無(wú)人機(jī)控制站預(yù)裝訂任務(wù)后活動(dòng)在指定區(qū)域，利用自身傳感器完成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的初步生成并不斷更新戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)具體包括目標(biāo)信息，地圖和地形數(shù)據(jù)采集、氣象數(shù)據(jù)采集、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅估計(jì)、態(tài)勢(shì)理解等，這些初步的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息需要傳回?zé)o人機(jī)控制站，進(jìn)一步處理后生成近實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖像。

圖3 多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作流程

4.2.2 任務(wù)執(zhí)行模塊

無(wú)人機(jī)控制站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈現(xiàn)場(chǎng)激活任務(wù)，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解與細(xì)化完成任務(wù)分配；通過(guò)航路規(guī)劃與資源調(diào)度，在滿足戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需求的前提下，合理配置多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)不同無(wú)人機(jī)平臺(tái)傳感器及其他設(shè)備功能上的互補(bǔ)式配置。

4.2.3 團(tuán)隊(duì)管理模塊

團(tuán)隊(duì)管理模塊是將多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)分成若干呈遞階結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)和子團(tuán)隊(duì)，是對(duì)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)細(xì)化后的具體執(zhí)行。團(tuán)隊(duì)由團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)和普通成員組成，是自上而下的分層式結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)成員行為并負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)公共事務(wù)的統(tǒng)一管理，并完成與上下級(jí)無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)的通信和指令下達(dá)。

4.2.4 對(duì)水面目標(biāo)攻擊的協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用研究

潛艇協(xié)同多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)水面目標(biāo)攻擊是一種時(shí)域、空域與頻域協(xié)同的典型作戰(zhàn)行為，作戰(zhàn)任務(wù)想定如圖4所示。作戰(zhàn)步驟如下：

1）節(jié)點(diǎn)t1：無(wú)人機(jī)控制站接收岸基／潛艇指控中心或其他上級(jí)所下達(dá)的任務(wù)后，初步裝訂戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，調(diào)試水面AUV網(wǎng)關(guān)，建立與多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的水聲／無(wú)線數(shù)據(jù)鏈鏈接，部署多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)至巡航區(qū)域；

2）節(jié)點(diǎn)t2：無(wú)人機(jī)控制站監(jiān)控?zé)o人機(jī)平臺(tái)航行、任務(wù)載荷及戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)，并搜集戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，由無(wú)人機(jī)控制站處理融合后生成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖像；

圖4 典型作戰(zhàn)任務(wù)想定圖

3）節(jié)點(diǎn)t3：無(wú)人機(jī)控制站對(duì)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)下達(dá)指令激活作戰(zhàn)任務(wù)，根據(jù)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的分解與細(xì)化，由若干無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)有效協(xié)作執(zhí)行，并將目標(biāo)信息與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息傳回?zé)o人機(jī)控制站。多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作體系結(jié)構(gòu)如圖5所示；

圖5 協(xié)同任務(wù)分配體系結(jié)構(gòu)

4）節(jié)點(diǎn)t4：決策者下達(dá)攻擊決策完成目標(biāo)打擊。攻擊決策是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，需要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的不斷決策，保證戰(zhàn)場(chǎng)信息的完備性、準(zhǔn)確性與時(shí)效性，以獲得最大的作戰(zhàn)效能；

5）節(jié)點(diǎn)t5、節(jié)點(diǎn)t6：攻擊完成后，多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及時(shí)將戰(zhàn)損評(píng)估信息傳回?zé)o人機(jī)控制站，最后返航至預(yù)定區(qū)域降落回收。

5 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與潛艇的協(xié)同作戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)控制站功能邏輯結(jié)構(gòu)，探討分析了基于戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)功能實(shí)現(xiàn)，最后從實(shí)際作戰(zhàn)使用出發(fā)，給出了一種較為典型的協(xié)同作戰(zhàn)模式，并分析其作戰(zhàn)流程。從文中可看出，潛艇與無(wú)人機(jī)平臺(tái)的信息交互是實(shí)現(xiàn)潛艇協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵，下一步應(yīng)重點(diǎn)研究潛艇協(xié)同作戰(zhàn)信息時(shí)效性需求以及典型作戰(zhàn)模式的詳細(xì)戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)流程。

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