薛春祥,黃孝鵬,朱咸軍,蔣瑩瑩
(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153;2.南京大學 控制與系統(tǒng)工程系,南京 210093)
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外軍無人系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
薛春祥1,黃孝鵬1,朱咸軍2,蔣瑩瑩1
(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153;2.南京大學 控制與系統(tǒng)工程系,南京 210093)
摘要:總結歸納外軍無人機、無人地面車輛、無人水面艇和無人潛航器等四類無人系統(tǒng)的發(fā)展概況和現(xiàn)有典型系統(tǒng),著重研究無人水面艇的現(xiàn)有狀態(tài)和作戰(zhàn)能力,分析外軍無人系統(tǒng)的發(fā)展思路和特點。研究了美軍聯(lián)合作戰(zhàn)能力領域與美軍未來無人系統(tǒng)典型關鍵技術的映射關系,并追蹤了美國海軍無人系統(tǒng)近期關鍵技術進展。提出無人系統(tǒng)的多功能一體化、武器化、智能化和成組編隊能力等發(fā)展趨勢,為無人系統(tǒng)與技術的發(fā)展提供支撐。
關鍵詞:無人系統(tǒng);無人系統(tǒng)技術;聯(lián)合作戰(zhàn)能力;成組編隊
0引言
無人系統(tǒng)通常包括無人機、無人地面車輛、無人水面艇和無人潛航器等四類,可遂行情報-監(jiān)視-偵察、排爆、城市反恐、反水雷、反潛、反水面艇、追蹤敵方威脅、核生化探測、武裝打擊等多種任務,其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在物理環(huán)境適應能力強、風險小、代價低、非接觸、無人傷亡、長續(xù)航、多功能、自主可控、可成組編隊等方面,將擴展有人平臺的作戰(zhàn)能力,成為信息化、網絡化戰(zhàn)爭的重要節(jié)點,改變傳統(tǒng)戰(zhàn)爭模式[1]。
近年來,無人系統(tǒng)的發(fā)展受到各軍事強國尤其是美國的高度重視,經費投入持續(xù)增加,裝備數量大幅增加,任務領域進一步擴展,遂行任務能力進一步增強,作戰(zhàn)效能在伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭以及利比亞戰(zhàn)爭等信息化局部常規(guī)戰(zhàn)爭中得到充分體現(xiàn)。值得一提的是,無人海上裝備與技術是美國海軍研發(fā)的重點,除執(zhí)行傳統(tǒng)的情報、監(jiān)視與偵察等任務外還執(zhí)行戰(zhàn)術打擊任務。這將成為未來美國海軍裝備發(fā)展的新亮點。美國海軍也大力發(fā)展云計算、大數據等新興技術在無人系統(tǒng)中的應用。如2013年7月,美海軍無人機通用控制系統(tǒng)演示了其最新集成的海軍云計算能力,為無人艦載空中偵-打系統(tǒng)和指控系統(tǒng)項目提供支撐[2]。美軍正積極探索無人系統(tǒng)“蜂群作戰(zhàn)”等新概念。如2015年8月,美海軍演示了50架無人機通過無線鏈路信息交換技術實現(xiàn)主-從式協(xié)同飛行;2014年10月,驗證了無人水面艇蜂群作戰(zhàn)技術。同時,無人系統(tǒng)與有人系統(tǒng)協(xié)同技術也取得新進展。無人系統(tǒng)加速融入主戰(zhàn)裝備體系。如X-47B可作為航母艦載機聯(lián)隊編成與有人機協(xié)同、“弗吉尼亞”級潛艇可布放和回收無人潛航器等。
目前,世界軍事強國紛紛開始制定戰(zhàn)略規(guī)劃、明確發(fā)展目標、加強技術開發(fā)。各國也在根據本國戰(zhàn)略需求發(fā)展無人系統(tǒng)與技術。未來無人系統(tǒng)將成為信息化武器裝備體系的重要組成,并和有人系統(tǒng)形成編隊協(xié)同作戰(zhàn)能力,在信息支援、特種支援及武器打擊等領域發(fā)揮重要作用。
1無人系統(tǒng)發(fā)展概況與典型裝備
歷經多年發(fā)展,無人系統(tǒng)已經具備較強的實戰(zhàn)能力,并在戰(zhàn)爭中發(fā)揮作用。其中無人機方面已基本形成大中小型結合、遠中近程搭配的無人機體系,除了在情報、監(jiān)視與偵察等方面能力較為突出外,部分具備對地打擊能力。無人車可執(zhí)行排爆、路線偵察、部隊防護、后勤保障以及城市反恐作戰(zhàn)等任務,也發(fā)展了大、中、小型車輛,任務領域也不斷擴展。無人水下系統(tǒng)和無人水面艦艇主要執(zhí)行反水雷、情報監(jiān)視偵察、反潛、港口保護等任務,服役數量正在增加,目前正在發(fā)展精確打擊、編隊蜂群作戰(zhàn)等能力。總體而言,在四類無人系統(tǒng)中,無人機系統(tǒng)和無人地面車輛最為成熟,已大量投入使用,僅美軍就裝備了6000架以上的無人飛機。無人水面艦艇和無人潛航器已開始有一定的應用,但整體上處于快速發(fā)展階段[1]。
當前,無人系統(tǒng)的發(fā)展已經得到軍事強國的高度重視,美國和歐洲遙遙領先其他國家,總體上引領著無人系統(tǒng)的發(fā)展方向。美國國防部自2000年起先后發(fā)布了6份無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖,2013年12月發(fā)布的《2013-2038年無人系統(tǒng)綜合路線圖》,系統(tǒng)描述了空中、海上、地面無人系統(tǒng)發(fā)展趨勢與特點,提出了未來25年美軍無人系統(tǒng)發(fā)展的總體思路和具體構建。
目前,無人機、無人地面車輛、無人水面艦艇和無人潛航器等四類無人系統(tǒng)有:(1)典型無人機有“蜂鳥”無人機、RQ-4A/B全球鷹無人機、MQ-9A死神無人機、MQ-4廣域海上監(jiān)視無人機、MQ-X無人機、美洲豹水陸無人機、RQ-7B影子無人機、X-47B隱性無人轟炸機等;(2)典型地面車輛有角斗士戰(zhàn)術無人車、MV-4B遠程控制無人地雷清除系統(tǒng)、ARV武裝機器人車、SUGV小型無人地面車等;(3)典型水面無人艇有“斯巴達偵察兵”無人水面艇、通用USV、旗魚、FAST、哨兵、海貂魚、水虎魚、維納斯、海星、保護者等;(4)典型無人潛航器有ACTUV反潛戰(zhàn)持續(xù)追蹤無人潛航器、BPAUV戰(zhàn)場準備無人潛航器、LDUUV大直徑無人潛航器、ECHO游俠、半自主水文偵察設備等。下面著重總結分析X-47B、角斗士戰(zhàn)術無人車、斯巴達人無人水面艇、ACTUV等典型無人系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務、戰(zhàn)技性能。
1.1典型無人機——X-47B項目
X-47B于2013年成功完成了一系列地面及艦載測試。2015年4月美國海軍完成X-47B驗證機的首次空中加油試驗,表明該無人機未來完全可作為航母艦載飛行聯(lián)隊的一部分,執(zhí)行空中加油、與有人機無縫協(xié)同等任務。它是第一架能夠從航母上起飛并自行回落的隱形無人轟炸機,其最高速度為高亞音速,巡航速度為0.9 M,實用升限為12190 m,航程為3889 km,作戰(zhàn)半徑為1600 n mile。主要傳感器包括電子監(jiān)視傳感器、動目標指示合成孔徑雷達、光電/紅外等[3]。它可進行波譜分析的偵察工作,及時發(fā)現(xiàn)全球各地的危機和沖突,并可進行空軍的導彈導引,使誤擊概率降低。本型機無武器,但有兩個任務艙,最多可搭載2 t,后繼型號X-47C將正式搭載精確制導導彈。
1.2典型無人地面車輛——角斗士戰(zhàn)術無人車
“角斗士”是面向美國海軍陸戰(zhàn)隊的第一種戰(zhàn)術無人地面車輛,在任何天氣與地形下都可遂行偵察、核生化武器探測、突破障礙、反狙擊手和直接射擊、城市巷戰(zhàn)等任務?!敖嵌肥俊狈从沉嗣儡姛o人地面裝置的輪式化趨勢,與世界輕型裝甲車輛輪式化發(fā)展態(tài)勢相呼應。其有效負載能力約為181 kg,持續(xù)作戰(zhàn)能力為實戰(zhàn)條件下24 h,遙控作用距離為1 n mile,現(xiàn)有任務載荷為可旋轉、可伸縮、可調焦的晝夜攝像機,綜合定位系統(tǒng),多用途運載平臺等。計劃安裝的任務載荷為地雷探測系統(tǒng)、防地雷(反步兵地雷)系統(tǒng)、通信中繼系統(tǒng)等[3-4]。
1.3無人水面艇作戰(zhàn)能力及典型裝備無人水面艇——“斯巴達偵察兵”
1.3.1無人水面艇作戰(zhàn)能力
自20世紀90年代以來,美國、以色列、法國、英國、德國等在研發(fā)無人艇方面大力投入,新船型、新動力、信息技術、自動控制技術、導航技術及新材料等不斷涌現(xiàn),無人艇的任務領域也得到明顯拓展。目前已有十幾個國家在研制和部署無人水面艇。縱觀當前世界在研和現(xiàn)役的無人水面艇,主要包括88型,其中在研25型、現(xiàn)役或即將服役的63型,作戰(zhàn)能力主要體現(xiàn)在:(1)反水雷戰(zhàn),(2)情報、監(jiān)視和偵察,(3)火力支援,(4)反潛作戰(zhàn),(5)反恐及港口安保,(6)海岸設施的監(jiān)管和檢查,(7)構建網絡或與其他有人/無人平臺協(xié)同作戰(zhàn),(8)水面活動靶標[5,8]。
美、以兩國憑借在無人系統(tǒng)領域強大的技術優(yōu)勢開發(fā)出多種型號的無人艇。新一代無人水面艇將是一種高度集成化的平臺,攜載有各種傳感器、通信設備、武器和機械裝置等,航速和自主控制能力將不斷提高,并且具有突出的隱身性能等。根據近期的發(fā)展動向,國外海軍無人水面艇的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在新船型應用增多、新型動力日趨成熟、功能多樣化、自主性進一步增強、傳感器先進化、武器小型化、形成編隊蜂群作戰(zhàn)能力等[5-8]。
1.3.2典型無人水面艇——“斯巴達偵察兵”無人水面艇
“斯巴達偵察兵”無人艇是由模塊化組件構成,可進行多功能動態(tài)可重組的高速半自動水面無人快艇。其航速(3級海情下)為28 kn(最大50 kn),續(xù)航力8 h(最大48 h),航程150 n mile(最大1000 n mile),可在夜間行動,可攜載1350~2300 kg的有效載荷,既可遙控操作也可自主活動。其標準配置包括無人駕駛系統(tǒng)、控制用視頻攝像機、導航雷達、水面搜索雷達、光電系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)接收機和視距/超視距通訊系統(tǒng)。
目前,已經或正在開發(fā)的任務模塊有4種:(1)情報、監(jiān)視與偵察、兵力保護模塊,(2)反水雷戰(zhàn)模塊,(3)精確打擊/反艦作戰(zhàn)模塊,(4)反潛戰(zhàn)模塊。
1.4典型無人潛航器——反潛戰(zhàn)持續(xù)追蹤無人潛航器(ACTUV)
美、英、法、德、挪威、瑞典等國的無人潛航器的技術和研制水平處于領先地位。它主要用于遂行海上及水下的情報/監(jiān)視/偵察、水雷對抗、反潛戰(zhàn)、檢測/識別、海洋探測、通信/導航網絡節(jié)點、有效荷載投送、信息戰(zhàn)、時敏目標打擊等任務[5,8]。
美國海軍發(fā)展ACTUV項目的原因,一是反潛任務加重與反潛平臺數量減少所產生的矛盾,二是實現(xiàn)“空海一體戰(zhàn)”理論構想的需要。
DARPA在ACTUV概念設計中采用了半潛無人艇設計(見圖1)。其滿載排水量157 t,艇身長19.1 m,艇寬5.8 m,艇身上部露出水面,水面部分高4.3 m,水下部分吃水深度10.1 m。它采用具有高效流體力學特性的鋁制外殼設計,最大航速27 kn,作戰(zhàn)半徑3000 km(不加油),一次部署可執(zhí)行30天巡航和30天跟蹤任務(不加油)。ACTUV項目將發(fā)展成一種全面創(chuàng)新的無人艇,具備高精確的態(tài)勢感知能力,人為干預少,可在任務區(qū)隱蔽待命,接收到指令后可自主識別跟蹤敵方潛艇,在遠程指控中斷期間仍可繼續(xù)執(zhí)行任務。在航渡期間,它能夠自主規(guī)避未識別目標,并具有重新捕獲目標的能力,可再次捕獲失跟的潛艇[5]。

圖1 美國國防部高級研究計劃局
2外軍無人系統(tǒng)的發(fā)展思路與特點
外國軍事強國無人系統(tǒng)與技術的研發(fā)時間較長??v觀無人系統(tǒng)研發(fā)方面取得顯著成就的美、英、法和以色列等國的研發(fā)歷程可以看出,不少國家的無人系統(tǒng)迅速成熟并裝備部隊,但也有部分系統(tǒng)中途進行了戰(zhàn)略調整,還有的中途放棄。這折射出管理模式、技術路線、方向重點等因素對無人系統(tǒng)的發(fā)展具有不可忽視的重要作用[1]。外軍無人裝備的發(fā)展思路和特點是:(1)從宏觀層面加強無人系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,并將其納入到裝備體系中進行整體規(guī)劃;(2)持續(xù)增加投資額度,無人系統(tǒng)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢;(3)重視標準化和模塊化,增強靈活性和通用型,提高無人系統(tǒng)的效率和效益;(4)四類無人系統(tǒng)的成熟度不盡相同,并將最成熟的無人機技術改進適用于其他無人系統(tǒng)中。
3基于能力領域的美軍未來無人系統(tǒng)關鍵技術
美軍要求裝備體系發(fā)展必先符合特定的9種一級“聯(lián)合能力領域(JCA)”。無人作戰(zhàn)平臺主要在戰(zhàn)場感知、部隊運用、防護、后勤和伙伴關系建設等5種能力領域中發(fā)揮關鍵作用。圖2給出了美軍無人平臺在各“聯(lián)合能力領域”中的型號數量分布[3]。

圖2 美軍無人作戰(zhàn)平臺在各“聯(lián)合能力
通過分析各種無人作戰(zhàn)平臺的共同能力發(fā)展規(guī)劃,美軍將互操作性、自主性、感知、通信、推進與動力、成組編隊、智能決策、武器化等關鍵技術和瓶頸技術作為未來研究的焦點?;诼?lián)合能力領域,查閱大量情報資料,下面綜合分析美軍未來無人系統(tǒng)的關鍵技術與所支持能力領域的映射關系[3,8-10]。
3.1無人機關鍵技術與所支持能力領域的映射關系
無人機關鍵技術與所支持能力領域的映射關系為如下:
(1) 三維環(huán)境建模技術可支持部隊運用、戰(zhàn)場感知能力;
(2) 自主機器人能力組合技術可支持指揮與控制、部隊運用和防護能力;
(3) 多平臺航線搜索網絡協(xié)作系統(tǒng)技術可支持戰(zhàn)場感知能力;
(4) 無人機系統(tǒng)通信網絡自動生成技術可支持戰(zhàn)場感知和網絡中心能力;
(5) 多無人機編隊協(xié)同偵察技術可支持戰(zhàn)場感知能力;
(6) 復雜地形機動匹配技術可支持部隊運用、后勤、防護和戰(zhàn)場感知能力;
(7) 微型飛行器技術可支持戰(zhàn)場感知、防護能力;
(8) 導航技術可支持指揮與控制、部隊支援和防護能力;
(9) 感知與規(guī)避技術可支持戰(zhàn)場感知、部隊運用和防護能力;
(10) 隱身持續(xù)居高監(jiān)視技術可支持戰(zhàn)場感知、部隊運用和指揮與控制能力;
(11) 中高空長航時技術可支持指揮與控制、戰(zhàn)場感知能力;
(12) 多無人機成組編隊技術可支持指揮與控制、網絡中心和部隊支援能力。
3.2無人地面車輛關鍵技術與所支持能力領域的映射關系
無人地面車輛關鍵技術與所支持能力領域的映射關系如下:
(1) 三維環(huán)境建模技術可支持部隊運用、戰(zhàn)場感知能力;
(2) 自動部署通信中繼技術可支持部隊運用、戰(zhàn)場感知、網絡中心能力;
(3) 自主機器人能力組合技術可支持指揮與控制、部隊運用、防護能力;
(4) 仿生技術可支持部隊運用能力;
(5) 無線電射頻壓制技術可支持防護、戰(zhàn)場感知和伙伴關系建設能力;
(6) 無線電射頻智能化頻率選擇技術可支持防護、戰(zhàn)場感知和伙伴關系建設能力;
(7) 本地可視化技術可支持防護、戰(zhàn)場感知和伙伴關系建設能力;
(8) 便攜式技術可支持戰(zhàn)場感知、防護技術;
(9) 智能控制技術可支持防護、戰(zhàn)場感知和伙伴關系建設能力;
(10) 導航技術可支持指揮與控制、部隊支援和防護能力;
(11) 抗干擾技術可支持防護能力;
(12) 中高空長航時技術可支持指揮與控制、戰(zhàn)場感知能力;
(13) 大容量-大能量密度電源技術可支持部隊運用、頂層管理與支援能力。
3.3無人水面艦艇、無人潛航器關鍵技術與所支持能力領域的映射關系
無人水面艦艇和無人潛航器關鍵技術與所支持能力領域的映射關系如下:
(1) 網絡化協(xié)同自主無人潛航器技術可支持部隊運用、指揮與控制、戰(zhàn)場感知、網絡中心能力;
(2) 通信/導航網絡節(jié)點技術可支持戰(zhàn)場感知、網絡中心能力;
(3) 極端海洋環(huán)境適應技術可支持部隊運用、戰(zhàn)場感知能力;
(4) 抗干擾技術可支持防護能力;
(5) 自主性和數據處理技術可支持戰(zhàn)場感知、指揮與控制能力;
(6) 先進傳感器技術可支持戰(zhàn)場感知能力;
(7) 微小型作戰(zhàn)載荷技術可支持部隊運用、指揮與控制能力;
(8) 有人/無人系統(tǒng)成組編隊技術可支持部隊運用、指揮與控制、網絡中心能力;
(9) 長航時新型能量技術可支持部隊運用;
(10) 多無人艇成組編隊技術可支持指揮與控制、網絡中心和部隊支援能力。
3.4美國海軍無人系統(tǒng)近期關鍵技術發(fā)展
美國海軍無人系統(tǒng)的關鍵技術主要包括協(xié)同化、自動化、結構模塊化、通信、導航與路徑規(guī)劃、能量及推進、傳感器、成組編隊、釋放回收等技術。表1為美國海軍無人系統(tǒng)近期關鍵技術進展。從表中可看出,美國海軍采用眾多新技術新概念進行無人系統(tǒng)的關鍵技術突破,以獲得優(yōu)異性能[11]。

表1 美國海軍無人系統(tǒng)近期關鍵技術進展
4發(fā)展趨勢
隨著計算機、自動控制、信息處理、通信與網絡、動力與能源、新材料、隱身等高新技術日臻成熟,無人系統(tǒng)正呈現(xiàn)出智能化、綜合化和體系化等發(fā)展態(tài)勢。未來無人系統(tǒng)將逐步實現(xiàn)同一類型不同型號之間的協(xié)同作戰(zhàn)、不同類型之間的協(xié)同作戰(zhàn)以及與有人裝備之間的協(xié)同作戰(zhàn)[12],最終融入以全球信息柵格為中心的一體化武器裝備體系,成為網絡中心戰(zhàn)體系的有機組成部分??偨Y其技術發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在:
(1) 作戰(zhàn)支援仍是主要任務領域,任務領域更加全面、綜合,攻擊型無人系統(tǒng)開始具備作戰(zhàn)效能,全天候、全頻譜信息支援與戰(zhàn)術打擊成為突出特色,并且生產、部署數量大幅增加;
(2) 新型動力能源、激光/網絡/量子通信、自主控制、載荷、新材料等關鍵技術不斷取得進展,長航時、高效能信息支援成為可能;
(3) 多樣化、知識化的探測與識別技術將提高無人平臺的態(tài)勢感知能力;
(4) 增強無人系統(tǒng)先進自主控制技術,具備高度智能化的自主行動能力;
(5) 發(fā)展無人系統(tǒng)協(xié)同技術,實現(xiàn)系統(tǒng)跨域同步,增強無人系統(tǒng)與有人裝備、無人系統(tǒng)間的協(xié)同作戰(zhàn)能力,將改變裝備體系構成和未來作戰(zhàn)樣式;
(6) 重視和發(fā)展無人系統(tǒng)安全防護技術。
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Status quo and development trends of foreign military′s unmanned systems
XUE Chun-xiang1,HUANG Xiao-peng1,ZHU Xian-jun2,JIANG Ying-ying1
(1.No.724 Research Institute of CSIC,Nanjing 211153;2.Department of Control & System Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093)
Abstract:The development and the existing typical systems of the foreign military's unmanned aerial vehicle (UAV),unmanned ground vehicle (UGV),unmanned surface vehicle (USV) and unmanned underwater vehicle (UUV) are discussed with an emphasis on the current situation and the operational capability of the USV.The development idea and characteristics of the foreign unmanned systems are analyzed.Moreover,the mapping relationships between the US joint operational capability area and the typical key technologies of the US future unmanned systems are studied,and the recent development of the key technologies of the US Navy's unmanned systems is discussed.Finally,the development trends of the unmanned systems are presented in terms of the multifunctional integration,weapon,intelligence and formation,providing support for the development of the unmanned systems and technologies.
Keywords:unmanned system;unmanned system technology;joint operational capability;formation
中圖分類號:TP18
文獻標志碼:A
文章編號:1009-0401(2016)01-0001-05
作者簡介:薛春祥(1977-),男,高級工程師,研究方向:智能裝備技術等;黃孝鵬(1981-),男,高級工程師,博士,研究方向:雷達總體技術;朱咸軍(1977-),男,博士研究生,研究方向:智能裝備新技術等;蔣瑩瑩(1989-),女,助理工程師,碩士,研究方向:科技情報研究與分析。
收稿日期:2015-12-01