水下無人作戰系統武器控制研究

蘇金濤

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222061)

水下無人作戰系統武器控制研究

蘇金濤

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222061)

水下無人作戰系統將是潛艇之外最主要的水下作戰平臺，但它的武器控制與傳統水下有人作戰平臺武器控制存在明顯區別，在實際使用前仍面臨諸多問題需要解決。本文從水下無人作戰系統武器控制發展現狀及其面臨的技術挑戰，水下無人作戰系統武器控制原理和關鍵技術等方面對水下無人作戰系統武器控制進行綜合分析，可為水下無人作戰系統及其武器控制系統設計和使用提供借鑒和參考。

水下；無人；武器；控制

0 引 言

智能化和無人化是未來軍事裝備發展主要方向之一，攜帶魚雷、滅雷具等武器的水下無人作戰系統（Unmanned CombatUndersea System，UCUS）[1]可實現對目標的“察打一體”和“發現即打擊”，相較于只能執行對潛偵察、探測任務的水下無人系統（Unmanned Undersea System，UUS），對于對抗潛艇、無人潛航器和水雷等以隱身見長的時敏類目標尤其具有戰術意義，因此它的發展受到各國海軍的高度重視，有望成為繼載人潛艇之后新一類的水下作戰平臺[2]。雖然在潛艇等傳統水下有人作戰平臺上，武器控制技術已經相當成熟，但對于水下無人作戰系統而言，由于水下無人作戰系統本身及其運行的特殊性，其武器控制相比水下有人作戰平臺的武器控制有顯著不同。

1 水下無人作戰系統武器控制發展現狀

鑒于水下無人作戰系統廣闊的軍事應用前景，美國、英國、挪威、法國等國家積極開展此方面的研究，世界范圍內已經開發和正在開發多型用于反潛、滅雷作戰的水下無人作戰系統，并逐步驗證了水下無人作戰系統武器控制的可行性，其中比較典型且代表當前技術發展水平的有美國的“曼塔”（MANTA）無人潛航器和英國的“護身符”（Talisman）多功能無人潛航器。

美國海軍水下作戰中心研發的“曼塔”，是其新一代無人潛航器探索型試驗平臺，可搭載于”弗吉尼亞”級潛艇，是該艇驗證利用無人潛航器進行反潛作戰的重要組成部分。“曼塔”具有2種作戰方式：一是與母艇共同執行任務，母艇直接利用“曼塔”攜載的武器與傳感器實施作戰行動；二是脫離母艇單獨遂行作戰使命，由其自主或被遙控完成各項任務，其可秘密跟蹤所發現的目標，并在適當距離時利用自身攜載的魚雷發起突然攻擊?！奥卑惭b4部魚雷發射管，可攜帶4枚重型魚雷、8枚半長魚雷或同等尺寸的其他載荷（聲吶對抗設備等），根據需要，其可遵循指令控制自身攜帶的反潛魚雷武器對特定水下目標發起攻擊，發射完所有武器后可駛回母艦重新裝填[3]。

“護身符”是英國BAE系統公司研制的一型多功能、自主式無人潛航器，主要用于近海作戰。盡管“護身符”的主要作戰任務是偵查和掃雷，但其采用開放式體系結構，可快速地裝備魚雷，擔負反潛作戰任務。“護身符”是世界上第1艘在海上成功進行武器發射和試驗控制的無人潛航器。試驗中，“護身符”發射了“射水魚”遙控滅雷具，對目標成功進行識別和定位以及模擬滅雷，顯示了其與“射水魚”滅雷具組合使用后的強大戰斗力。除“護身符”以外，BAE系統公司還推出了“護身符M”、“護身符ASW”和“護身符L”等多個改進型，對遙控和自主方式下武器發射技術進行了不斷驗證[4]。

2 水下無人作戰系統武器控制技術挑戰

水下無人作戰系統武器控制雖然可借鑒潛艇等傳統水下有人平臺武器控制的成功經驗和技術，但受水下無人作戰系統自身承載能力和控制能力、水下無人作戰系統武器適裝性、水下無人作戰系統武器使用方式和控制方式等多方面的影響，其在實際應用之前，仍面臨諸多技術挑戰，主要表現在：

1）水下無人作戰系統與水下有人平臺的一個最基本的區別是“無人在現場”，由此帶來了運行方式的巨大差別，形成了水下無人作戰系統目前普遍應用的“人在回路中”和“人在回路上”控制方式[5]。水下無人作戰系統一般采用遙控、半自主或全自主方式工作。在遙控工作方式下，受制于水下通信能力的限制，操控人員對武器控制的全面性和實時性之間存在顯著矛盾；半自主工作方式，尤其是自主工作方式下，對水下無人作戰系統本身及其武器控制的智能化程度提出很高要求。目前無論水下無人作戰系統與外部的通信能力，還是水下無人作戰系統的智能化水平，均在一定程度上限制了水下無人作戰系統武器控制的可靠性。

2）從實戰化角度出發，目前對于輕型級或重型級無人潛航器，一般要求在3級～4級海況下能穩定工作。相較于高海況下傳統水下有人作戰平臺本身姿態不確定性帶來的對于武器控制的不利影響，水下無人作戰系統在此方面更加明顯。根據無人水下作戰系統的發展趨勢，今后一段時期內，其整體尺寸、排水量還都較小，如美國重點發展的4種級別的無人潛航器中的重型級無人潛航器，直徑也不過534 mm，重約1 360 kg[6]，因此其受到外部環境的影響較大。惡劣海況給水下無人作戰系統帶來的姿態難以確定的問題，直接影響到武器的目標瞄準和發射安全，極易導致武器發射無效，更嚴重的是會危及水下無人作戰系統自身的安全。

3）雖然巨型級無人潛航器是水下無人作戰系統的一個發展方向，但從所賦予的水下無人作戰系統反潛（A SW）、水雷對抗（M CM）和時敏目標打擊（TCS）等作戰使命任務，以及水下無人作戰系統布放、回收的便利性來講，重型級和輕型級水下無人作戰系統仍是很長一段時間內發展的重點。重型級和輕型級水下無人作戰系統尺寸較小，武器載荷搭載能力有限，為實現對較大作戰海域的控制和火力分布，一般采用集群化、協同化作戰。集群化、協同化等以網絡為中心的作戰模式對實現跨水下無人作戰系統與有人平臺，以及跨水下無人作戰系統之間的武器控制提出了更高要求[7]。

3 水下無人作戰系統武器控制原理

目前傳統水下有人作戰平臺武器控制是典型的人在回路（人工操作）控制，武器系統運行方式如圖3所示，虛線框內的部分為武器控制的參與方，主要包括武器控制裝備和相關裝備的操作人員。有人水下作戰平臺武器維護、武器通道構建、武器控制指令一般由操作員根據既定規則（例如操作手冊）進行。在一些自動化程度高的武器控制系統中，這些工作可以由系統自動運行，但當系統出現臨界故障或故障、故障排除、系統降功能使用等特殊情況時，需要操作員結合技術材料和既往經驗進行判別、決策。

與水下有人作戰平臺相比，水下無人作戰系統武器控制應該是一個高度自動化的過程，并隨著控制智能化程度的提高，逐漸從自動化到自主化進展[8]。水下無人作戰系統武器（載荷）控制常用的工作模式有遙控、半自主或自主。受制于智能化水平、水下通信帶寬、水下通信實時性、系統隱身性等因素的制約，目前普遍采用半自主工作模式。

在半自主工作模式下，武器控制過程如圖4所示，武器載荷控制操作員在控制環路中，可視情對水下無人作戰系統武器控制過程進行干預，即典型的“人在回路中”控制方式。人工干預可以確定，也可以自適應。確定的人工干預由操作人員判斷、制定和完成；自適應的人工干預是在水下無人作戰系統武器控制自主能力分級的基礎上，通過采用可變自主控制結構，設計“自主級別”切換機制，賦予水下無人作戰系統可變的武器控制自主能力，使其能夠實時評估自身的武器控制自主能力，并適時主動引入人工干預，在“人-機”大系統的控制環中，實現由人到機的主動交互和由機到人的主動交互，實現人機智能的最佳組合[9]。

當水下無人作戰系統處于自主工作模式下時，武器控制的決策和操作都由水下無人作戰系統任務管理系統和其自身的武器載荷控制系統自主完成，操作人員處于控制回路之上，起到監控作用，即“人在環上”控制方式，武器控制過程如圖5所示。當水下無人作戰系統集群作戰時，由集群完成集群信息自主處理、作戰自主決策、武器自主控制、平臺火力自主協同，實現多水下無人作戰系統武器協同控制，其原理如圖6所示。

4 水下無人作戰系統武器控制關鍵技術

隨著水下無人作戰系統總體技術水平的提高，使搭載武器成為可能，潛在的應用需求促進了水下無人作戰系統武器控制技術的發展。但水下無人作戰系統武器控制技術的成熟度與實際應用需求相比，仍存在著較大差距，提高水下無人作戰系統武器控制的安全性、有效性、可靠性和實用性，需要在以下幾個技術方面進行重點突破：

1）水下無人作戰系統武器控制模型。目前大部分水下無人作戰系統武器控制模型都是從有人水下作戰平臺武器控制模型移植過來，雖然有繼承性，但有人作戰平臺的武器控制模型，還是完全按照“人在回路”和“人在現場”的思路設計，與完全無人在現場的水下無人作戰系統武器控制有本質的區別。水下無人作戰系統武器控制模型需要納入水下無人作戰系統總體指揮控制體系中，以“人在回路中”和“人在回路上”的思路進行其武器控制體系研究。

2）水下無人作戰系統武器控制自主化技術。武器控制自主化是實現水下無人作戰系統實戰化的重要組成部分，實現水下無人作戰系統武器控制自主化，需要進一步發展能適應戰場環境變化、適應己方作戰體系變化、適應作戰目標變化的武器智能控制方法。目前，采用以專家知識為基礎的人工智能專家系統來實現水下無人作戰系統武器自主控制是一種方法，但仍需要在武器資源管控、武器控制通道構建、武器控制故障診斷與容錯處理、水下無人作戰集群武器協同控制等多個方面進一步突破具備自學習能力和自適應能力的武器智能控制方法。

3）水下無人作戰系統武器控制系統定量分析技術。相比無人機、無人車等其他無人系統，雖然水下無人系統的發展并不晚，但由于技術難度大，因此進步速度滯后，在武器控制系統定量分析方面更是遠遠落后于其他無人作戰系統。水下無人作戰系統搭載武器及發射武器對系統本身安全性影響的定量分析，以及武器載荷的安全性、有效性和適應性定量分析等，是指導水下無人作戰系統設計、試驗和使用的重要依據。目前世界范圍內對水下無人作戰系統武器控制系統缺乏針對性的定量分析以及分析方法。

5 結 語

從水下有人平臺武器控制到水下無人作戰系統武器控制是從武器傳統控制領域向武器智能控制領域的轉變，將“人的行為”融合到機器中，涉及的理論和方法都有很大的不同。雖然人工智能在近些年得到了飛速發展，但要實現非結構動態復雜環境下的水下無人作戰系統武器自主控制，在今后相當長一段時間內仍存在諸多困難。但國內外近年來在水下無人作戰系統方面的實踐，逐步驗證了水下無人作戰系統武器載荷的使用價值和可實現性，隨著水下無人作戰系統武器控制關鍵技術逐步得到突破，必將促進水下無人作戰系統走向實際戰場。

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[4]殷云浩,王玉芳,等.世界無人系統大全[M].北京:航空工業出版社,2015:1032–1033.

[5]牛軼峰,沈林成,戴斌,等.無人作戰系統發展[J].國防科技,2009,30(5):1–11.NIU Yi-feng,SHEN Lin-cheng,DAIBin,et al.A survey of unmanned combat system development[J].National Defence Science&Technology,2009,30(5):1–11.

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[7]蔡立勇,韓恩權,肖斌.無人水下平臺對潛艇網絡中心戰能力的影響[J].船舶電子工程,2004,24(2):15–18.CAILi-yong,HAN En-quan,XIAO Bin.Influences of the UUV on the submarine’s NCW capability[J].Ship Electronic Engineering,2004,24(2):15–18.

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[9]張起,蘇金濤.無人反潛系統自主指揮控制研究[J].艦船電子工程,2015,35(7):40–43.ZHANG Qi,SU Jin-tao.Study on autonomous command and control of unmanned antisubmarine system[J].Ship Electronic Engineering,2015,35(7):40–43.

Research on weapon control of unmanned combat undersea system

SU Jin-tao
(Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222061,China)

Unmanned combat undersea system will be the most important undersea combat vehicle except for the submarine,and there are many visible differences of the weapon control between the unmanned combat undersea system and the submarine,which must be solved before it is practically used.It is analyzed of the development and the technical challenge of the weapon control for the unmanned combat undersea system,as well as the theory and the key technologies.It provides the reference for the design and operation of the weapon control system,as well as the unmanned combat undersea system.

undersea；unmanned；weapon；control

E920.2

A

1672–7649(2017)12–0118–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.025

2017–07–21；

2017–08–23

蘇金濤(1980–)，男，高級工程師，研究方向為反潛技術、魚雷防御技術和無人系統技術。