基于UUV支持的水下戰場態勢感知研究＊

楊 波 李敬輝 吉順東

（1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）（2.92858部隊 寧波 315812）

1 引言

態勢感知（Situation Awareness，SA）指的是在廣闊的時空環境中去感知人們所關心的所有有用的元素，理解它們的意圖并且能夠以最快的速度識別出其身份。指揮員對整個戰場上作戰雙方的態勢信息的獲取和理解，這是指揮員制定作戰決策的前提。如果指揮員不能正確地把握和理解當前的戰場態勢信息，就無法制定合理的作戰計劃，也就無法贏得戰爭。

信息技術的發展，大大提高了陸地和空中戰場的透明度，為指揮員能夠實時或者近實時地“看到”戰場上的情況提供了良好的技術保障。水下戰場由于自身的特殊性，使得其與陸上、空中戰場相比具有以下特點：水下作戰平臺難以高效通信；能源極難保障；水下節點易受海水侵蝕損壞。因此，各國海軍一直夢想著真正實現對水下戰場的態勢感知，以充分發揮水下作戰平臺的作戰效能［1～4］。

由于水聲傳播的特性使得水下信息傳輸相對隱蔽，因此采用具有一定自主性的無人水下平臺（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）實現對敏感海區的情報收集、監視與偵察（ISR），并可作為水下通信網絡節點，從而實現水下戰場信息的分發，如圖1所示，具有獨特的優勢，亦是未來水下戰場態勢感知的關鍵。下面就UUV在水下戰場中運用的裨益分析。

圖1 水下戰場信息的分發

無人系統的使用越來越多，從空中到地面，直至水下，不斷展示它們著新的用途。美軍認為，UUV系統將為“部隊網”（Force Net）提供關鍵的水下能力，對戰場的完整圖像做出貢獻。針對目前海軍發展現狀，只有適當借鑒國外先進的軍事思想和成熟的技術，充分利用現有資源，著力構建基于UUV支持的水下信息網絡，才能適應未來水下戰場態勢感知的需要［5～6］。實施以UUV為關鍵節點的水下信息網絡的優勢主要有：

1）使水下戰場態勢一目了然成為可能

利用UUV對水下戰場中的傳感器進行組網，不僅可以全面獲得水下信息，綜合分析整個戰場信息，掌握敵我水下戰場態勢和敵方意圖，而且可以與水面、空中和太空其它網絡連為一體，對各方面信息進行全面分析，實現綜合評估戰場全局的目的。

2）使分散配置的武器節點易于發揮整體優勢

具有隱蔽性好，機動能力強，可攜帶不同有效載荷等特點的UUV能夠對敏感區域進行信息收集，并通過水下網絡將情報、監視、偵察信息及時傳輸，使得指揮決策網絡選擇最佳武器類型、作戰模式和攻擊時機，水下武器的作戰效能發揮將不再受地理條件的制約，使得分散配置的潛艇、魚雷、水雷、干擾器、誘餌等發揮更大的作戰效能，取得最大的作戰效果。

未來的海戰場特別是水下攻防對抗將日趨激烈，成體系發展水下聯合攻防武器裝備，擁有水下區域信息網，提高對作戰海區的情報、監視與偵察能力，全面掌控戰場，達到在潛艇戰、反潛戰、水雷戰和反水雷戰時的戰場單向透明，進而奪取水下的制海權，是形成水下戰略威懾與實戰能力，進行綜合防御不可或缺的重要手段。

2 UUV在水下作戰網絡中的研究現狀

所謂水下作戰網絡就是在一定水下區域內，通過各種傳感器節點獲取水下信息，并對水下節點進行聲學通信和組網，最終通過特定的節點向岸上、水面和空中的作戰單元進行信息分發，并可以向潛艇進行信息發送［4］。利用水下作戰網絡，指揮員對水下戰場進行態勢感知和指揮決策。

2.1 “飛行插入”概念

20世紀90年代中期，美國空間與海戰系統司令部提出“飛行插入”（Flying Plug）概念并進行了試驗。所謂“飛行插入”，就是利用一次性光纜拖曳小型UUV作為“插頭”（Plug），通過特定的“插座”（Socket），實現潛艇、UUV、水面艦艇及飛機與遙控的有線傳感器網及通信浮標的連接。潛艇等平臺通過發射帶有光纜的UUV，就可以與數據存儲節點的“插座”連接，使潛艇在防區外保持隱蔽狀態的同時，仍能進行遠程、高速率通信，從而達到水下戰場的態勢感知。圖2是“飛行插入”概念中的UUV及其“插座”，它們可以在網關浮標和分布式遙測傳感器之間構建臨時性鏈接。

圖2 “飛行插入”概念中的UUV（左）及其“插座”（右）

2.2 “海網”

“海網”（Seaweb）是目前規模最大、最成功的在研水下網絡項目，由美國海軍研究辦公室（ONR）、空間與海戰系統司令部負責研制。美國海軍自1998年起，平均每兩年進行一次海網的海底水聲通信試驗。2003年，SLOCUM UUV作為“海網”的網絡移動節點，累計工作了300小時，由6個重發器節點（Repeater Nodes）、兩個網關節點（Gateway Nodes）組成Seaweb網絡，支持與UUV的通信與導航。試驗證明了UUV在固定的自主水下網絡的支持下，可以組成自主的移動艦隊，圖3是Seaweb網絡與SLOCUM UUV的試驗的場景。

圖3 Seaweb網絡與SLOCUM UUV的試驗

2.3 近海水下持續監視網

圖4 PLUSNet作戰使用設想圖

近海水下持續監視網（PLUSNet）是美國海軍2006年披露的。它是一種半自主控制的海底固定＋水中機動的網絡化設施，由攜帶半自主傳感器的多個UUV組成，如圖4所示。這些UUV能夠互相通信，并在沒有人為指令的情況下做出基本決策，從而履行多種功能，包括對溫度、水流、鹽度、化學成份及其它海洋元素進行取樣，密切監視并預測海洋環境。PLUSNet的關鍵系統包括裝有微型調制解調器的“海馬”、“金槍魚”自主式UUV及“奧德賽”、“海洋”、“斯洛克姆”、“X射線”等滑行式 UUV。

3 主要功能模塊及結構分析

為了實現基于UUV支持的水下戰場態勢感知，主要應包括水下傳感器協同探測、水下傳感器組網、多傳感器信息融合等功能模塊［6～7］。圖5是各主要功能模塊的信息流程圖，圖6是UUV支持的水下戰場態勢形成模型。

圖5 主要功能模塊的信息流程圖

圖6 水下戰場態勢形成的模型

3.1 水下傳感器協同探測

當探測固定目標時，由于固定目標（如聲納陣列、水雷、海底）一般不會向外發射物理場，UUV要充分利用機動性的特點，可以主動對其探測，并與其它固定節點的傳感器實現對目標的協同測繪與定位，此時的協同探測網是并列的網絡結構形式［8］。當對運動目標進行探測時，由于需要的UUV數量增多，固定節點的傳感器難以滿足要求，此時的協同探測網為主從網絡結構形式，在多UUV協同警戒探測時，可以根據任務和環境的變化自動構成分布合理、探測區域最大化的水聲探測網絡。按照多機器人系統的群體體系結構有集中式結構、分布式結構和分層式結構三種［9］，如圖7所示。

圖7 多UUV系統

3.2 水下傳感器組網

水下傳感器和水聲調制解調器（Modem）是組成水下信息網絡的基本設備，而把這些基本設備連接起來的技術稱之為水下傳感器組網技術。水下傳感器組網技術是一類技術的集合，它涉及到水聲數據的交換技術、傳輸技術、共用系統技術和寬帶接入技術等。隨著UUV技術的發展，移動設備水下組網越來越顯示出可行性［10］。如圖8所示的水聲網絡拓撲圖中將UUV與傳感器按照傳感器簇進行了劃分，因此包含UUV的水聲網絡才是一個完整的水聲網絡。UUV的移動性及水下組網的需求是兩者有效結合的一個契機。UUV可以攜帶多個水聲調制解調器或其攜帶的調制解調器具有多個頻段。由于UUV遂行任務時的移動性，使得水下網絡節點之間的間距不斷變化，雖然給水下組網的路由協議帶來挑戰，但是水下組網的可覆蓋區域大大提高。

圖8 水聲網絡拓撲示意圖

3.3 多傳感器信息融合

通過多傳感器的信息融合，可以把來自不同類型、測量同一區域的不同物理特征的傳感器的近乎同時的觀測準實時地結合起來［7，10］。環境監測UUV既可以利用自身的傳感器對周圍環境進行探測又可以通過水聲通信將區域內分布式傳感器的關鍵信息進行收集整理，再利用中繼通信UUV將其向上一級網關UUV或潛艇傳遞，如圖9所示。多傳感器信息融合技術的關鍵問題主要包括：戰場統一態勢的形成；精確標定水下傳感器位置，并進行坐標變換；統一時間標準。所以，在水聲通信網絡支持下的水下多傳感器信息融合將是水下戰場態勢感知的有力支撐。

圖9 UUV在多傳感器信息融合中作用

4 結語

從國外水下戰場態勢感知的發展來看，進行這方面的研究對提高水下戰場的態勢感知具有重要意義。UUV可以利用自身的隱蔽性進行水聲通信，通過一定規則的移動實現水下網絡的連通性。作為除潛艇之外的又一水下平臺，UUV為解決水下戰場的態勢感知開辟了有效的途徑，值得進一步深入探索。

［1］陳軍，楊致怡.未來海戰中的態勢感知［J］.雷達與對抗，2007，31（1）：4－7.

［2］劉彬，宋慶杰，徐強.信息化戰場態勢感知能力發展及其影響［J］.國防大學學報，2012，12（3）：32－35.

［3］胡悅.水下通信系統綜述［J］.探測與定位，2011，12（4）：61－68.

［4］李耐和.外軍構建水下作戰網絡［J］.現代軍事，2007，12（7）：46－50.

［5］趙良明，劉衛東.水下網絡中心戰概念與框架研究［J］.聲學技術，2009，26（12）：136－139.

［6］綦輝，蔡云祥，宋裕農.基于UUV支持的水下協同作戰研究［J］.火力與指控控制，2009，21（3）：96－101.

［7］楊露菁，余華.多源信息融合理論與應用［M］.北京：北京郵電大學出版社，2005：78－93.

［8］陳瑋，吳澤偉，吳曉峰.UUV協同探測的現狀與發展前景［J］.艦艇電子工程，2009，32（2）：6－8.

［9］譚民，王碩，曹志強.多機器人系統［M］.北京：清華大學出版社，2005：101－105.

［10］董陽澤，張剛強，印明明.網絡化水聲對抗技術［M］.北京：電子工業出版社，2012：96－98.