UUV與潛艇協同作戰模式及關鍵技術研究

黃波，常金達，丁浩，劉啟軍

1.海軍潛艇學院，山東 青島 266199 2. 92196部隊，山東 青島 266011

潛艇憑借自身特有的隱蔽作戰模式長期稱霸水下戰場，近年來世界強國均將其作為海上重要遏制力量加以發展，現代新型潛艇的生命力和作戰能力大幅提升[1]。同時，美國國防預先研究計劃局(DARPA)聯合海軍不斷推進水下無人潛航器(UUV)及相關技術的研發和作戰實踐，并成立水下無人系統編隊執行各類任務，重點加強水下搜索能力。伴隨各種反潛技術和兵力戰法的研究應用，潛艇水下行動和作戰運用面臨更加復雜的形勢，傳統的潛艇作戰運用模式面臨諸多挑戰。

顯而易見，未來潛艇兵力的高效運用首要解決的仍是隱蔽前提下的戰場感知能力，這必須加強其外圍的信息支援保障。傳統的對潛信息支援保障存在被動性、非實時性和有限性，不利于潛艇水下行動的自主性和應對突發情況。為此，本文研究UUV伴隨保障潛艇水下行動的協同作戰模式，以有效改善潛艇對水下環境及敵情實時感知能力。國內關于這方面的研究，主要側重協同決策、仿真方法、潛載UUV和相關技術等方面[2]，而面向任務需求和協同指揮則缺乏系統深入的研究。

1 潛艇水下行動面臨的問題

潛艇非編隊執行任務較為普遍，這種情況下主要是依靠前期情報研判和自身偵測手段，再結合有限的外部信息指令開展水下行動[3]。基于潛艇常規裝備技術和作戰需求，目前主要面臨下述4個突出問題。

1)復雜情形下的水下航行安全存在隱患

長時間的水下航行是潛艇最基本的作戰運用模式，其安全問題則首當其沖。一方面由于海洋環境的復雜性和多變性，水下自主導航勢必存在不確定的偏差，潛艇水下持續長航存在較大的定位誤差[4]；另一方面水下反潛預置裝備和人類海洋活動遺棄物對潛艇水下航行構成嚴重威脅。

2)近程立體警戒偵查手段匱乏

為降低暴露概率，潛艇水下行動時的偵查手段仍是被動聲吶和潛望鏡。潛艇被動聲吶一方面存在一定的盲區，另一方面對靜音目標“束手無策”；而潛望鏡也只能在特定條件下對有限范圍進行粗略偵查。潛艇對近程敵情態勢缺乏全面、及時掌控，嚴重影響其應急處突能力。

3)目標定位和識別的精準度不高

潛艇對目標的探測主要依靠被動聲吶，而目標噪聲信號和水聲環境的復雜性嚴重制約目標定位和識別的準確度，影響潛艇的指揮決策和作戰系統的實際效能，潛艇中遠程自主攻防能力存在突出問題。

4)水下通信嚴重受限

傳統的潛艇無線電通信一般是單向定時通信，時效性差。潛艇收發信時都要進行上浮機動到天線可用深度，且無法進行大量或實時信息傳輸。此外，水聲通信存在易暴露和距離較近的缺點，潛艇使用風險較大。潛艇的水下通訊現狀嚴重影響其作戰運用和作戰效能。

2 UUV與潛艇的協同作戰模式

搭載相關功能模塊的UUV，借助一定的技術手段與潛艇保持高效通信，可以充當潛艇水下探測和通信的外圍節點，為獨自執行任務的潛艇提供所需的支援保障[5]。針對潛艇獨立執行任務時的戰場環境和信息保障需求，其協同作戰模式主要為以下4種。

2.1 UUV保障潛艇水下安全航行模式

潛艇水下航行安全主要面臨的威脅有：1)長航導致的定位偏差；2)水下不明障礙物；3)復雜航道或水文情況。為此，UUV與潛艇之間保持如圖1所示的編隊航行模式，一方面充當水下航道情況的“探路者”，另一方面根據指令上浮校準地理坐標。

圖1 UUV保障潛艇水下航行編隊示意

根據不同的航道特點和作戰環境，UUV保障潛艇水下安全航行有具體的運用方式及相關要求。

2.1.1 深遠海的水下巡航保障方式

潛艇在深遠海水下航行時，海區立體空間開闊，海洋背景噪音極低，潛艇被動聲吶效果很好。這種情況下，潛艇一般都是定速、定向、定深航行，其主要威脅是水文條件的突變和航道上的大型懸浮物。為此，UUV對航道上的水文情況和障礙物進行預先查探，潛艇聲吶要時刻保持對前方UUV航行狀態的監聽。UUV在這種模式下盡量不使用暴露技術手段，一旦遇到異常情況，通過快速機動回撤的方式發出警報；在距潛艇足夠近時再進行情報信息反饋。

2.1.2 近淺海的水下航行保障方式

潛艇在近淺海水下航行時，離海岸及水面航道較近，背景噪聲會嘈雜，潛艇被動聲吶效果較差。由于近淺海的海地形起伏較大，各類海洋作業的水下遺留物復雜，潛艇會依據海圖和實際經驗規劃水下航路以確保安全。而對于不熟悉的近淺海水域，各類人工水下設施(如近岸反潛體系)對潛艇將構成直接的威脅。對于這種水下環境，要求UUV具備較強的偵測識別和對抗能力，同時對指揮協同提出較高要求。

2.2 潛艇布控UUV實施近程警戒偵查

當潛艇處于高等級作戰部署時，一是要確保自身的安全；二是需要全面掌握周圍的相關情況，對近程警戒偵查提出要求。由于潛艇的隱蔽性要求和自身偵測能力的局限性，潛艇一般通過戰術機動和等待時機等方式進行偵查，遂行應變和全方位掌控能力明顯不足。為此，潛艇通過布控具備自主偵查能力的UUV，實現近程全方位的警戒偵查，如圖2所示。3個UUV圍繞潛艇在一個水平面內成“正三角”環繞伴隨保障，根據方案或指令實現全方位立體警戒或區域重點偵查。

圖2 UUV伴隨潛艇水下近程警戒偵查示意

2.2.1 潛艇進入敏感海區的立體警戒

當潛艇進入敏感海區(敵情和水文條件較復雜)時，潛艇自身的擴展探測手段(拖曳聲吶、潛望鏡等)不便使用，全方位的警戒對潛艇隱蔽性和安全性極為重要。這種情況需要3個UUV與潛艇在一個水平面內組群(如圖2所示)，主要是對潛艇的聲吶盲區和預定航道進行伴隨警戒，也可根據需求上浮至水面對空中敵情進行偵查。

2.2.2 潛艇對水下突發情況或預定目標的偵查

潛艇水下行動突遇特殊情況(不明噪聲源或艇外異響等)時，可指揮就近的UUV抵近偵查，及時獲悉準確情況，便于采取相應措施；為獲知預定目標(港口碼頭或停泊艦艇等)的詳情，可部署具備相應自主偵查能力的UUV遠距離抵近偵查。這種UUV運用對其相關功能指標(航速、續航力、自噪聲、探測能力和自主決策能力等)提出一定的要求。

2.2.3 潛艇對水面及海底的敵情偵查

潛艇為提高行動隱蔽性和安全性，需要提前偵查相關區域的敵情或險情，包括各類反潛兵力、航道障礙物和界面情況(冰層和海底真實地貌等)。

潛艇在上浮前，為確保上浮點附近沒有危險，可指揮UUV提前上浮至預定海面對水面及空中敵情進行偵查。通過上視低功率主動聲吶判斷有無障礙物或冰層厚度；通過伸縮式攝像儀360°快速全景成像，并自動判斷目標有無和方位。

對于特定或可疑海區，可部署UUV下潛到海底進行實景地貌測繪或可疑目標探測。UUV通過主動聲吶和水下攝像等技術對水下航道和海底情況(水雷、水聽器等)進行探測和識別。

UUV的這類環境信息保障，只有在遇到險情時，才向潛艇發出定性的危險警告和進一步行動參考，通訊數據量較低。

2.3 UUV對潛艇的目標信息支援

潛艇對目標實施水下隱蔽攻擊是其典型的作戰運用模式，其傳統的目標信息保障主要來自于自身的被動聲吶系統。由于水聲環境的復雜性和潛艇被動聲吶的工作特性，潛艇本身對目標的探測及定位能力有限，影響了現代潛艇雷彈武器的指揮控制，相應的作戰效能受到制約。而其他的信息支援主要是按照預案、借助通信手段獲取的目標歷史信息，信息的局限性很大，主要服務于潛艇的戰略決策和戰術行動。

針對潛艇實施水下雷彈攻擊的目標保障需求，UUV根據作戰任務提前部署在目標區域附近，通過潛艇指令實現喚醒、任務接受、目標探測和信息回傳，如圖3所示。為達到對指定區域的全時、精準偵測能力，需要多個UUV分級、分工組網工作。其中領導級的UUV(圖3中的UUV1)負責整個UUV網群的指揮管理和情報匯總，并與潛艇保持數據通訊；其他從屬UUV根據領導級的指令，完成水下組網部署和協同偵測。

圖3 UUV對潛艇目標信息支援保障示意

2.4 UUV對潛艇的水下通訊保障

潛艇的水下通訊主要依靠其通信聲吶，與己方艦艇進行短距離、低速率通訊，滿足編隊協同指揮需求[6]。當潛艇獨自行動時，因為隱蔽性要求和實際效果較差，水聲通訊幾乎不用。為提高潛艇水下隱蔽、快速獲取情報的能力，可以采用UUV擔當“通訊使者”的方式，間接實現潛艇水下對外遠距離通信，如圖4所示。這種通信保障模式，要求UUV具有一定的戰術應對(反偵測、誘騙等)能力和自主返回能力，潛艇也應配備相應的指控系統。

圖4 潛艇“通訊使者”UUV運用示意

3 潛艇與UUV協同作戰的關鍵技術

要實現上述潛艇和UUV協同作戰模式，需要面臨相應的指揮控制和裝備技術兩大問題。指揮控制技術要求針對不同的運用模式和具體任務，實現部署和協同的自動化和智能化，這必須依托潛艇已有的技術條件和作戰指揮系統；而裝備技術則是要突破相關的“瓶頸”問題。基于上述協同模式和相關要求，主要的關鍵技術有以下幾個方面。

3.1 潛艇UUV指控技術

潛艇UUV指控技術是潛艇利用通訊手段，指揮控制UUV按照預定方案工作，達到預期的協同作戰目的。這就需要基于潛艇已有的指揮平臺開發出相應的指揮控制系統。由于UUV在體系中主要是提供保障支援，因此該指揮控制系統還要具有信息綜合顯控功能，其系統框架如圖5所示。

圖5 潛艇UUV指揮控制系統組成

該UUV指控系統需要潛艇增設相應的外圍設備，包括專門的通訊天線和布放回收平臺等。系統根據任務模式和UUV類型自動生成指控數據，依托通訊模塊實現指令下達、協同控制和信息綜合；實時分析情報信息，自動調整行動規劃，及時給出相關的決策建議。

3.2 UUV布放方案及技術

這里研究的潛艇與UUV協同作戰主要分為伴隨保障和遠程支援2類。前者是在特定的情況下潛艇遂行部署UUV，要求保持較近的距離便于通訊指揮；而后者則是任務針對性很突出，按預定計劃提前部署UUV，距離潛艇較遠。因此，就分別有潛艇布放和遠程預先布放2種方案。

3.2.1 潛艇布放UUV及技術

對于擔負遂行保障任務的UUV，由于任務的不確定性和保障的階段性，需要潛艇具備搭載和布放UUV的能力。結合UUV的伴隨運用模式，要求潛艇能安全方便地布放和可靠準確地回收，同時不能影響潛艇的外部流線型和其他原有設備。為此，潛艇外部搭載UUV已被廣泛認可，這需要專門設計潛艇外部的搭載平臺和UUV的外形結構，滿足潛艇流線外形和動態布放要求[7]。美國研發的曼塔(Manta)AUV就是潛艇外部搭載。

另外， UUV水下動基座回收技術面臨諸多問題，一方面UUV水下精確控制及對準技術，另一方面潛艇表面流場對UUV回收的影響。這些對布放平臺的結構功能設計和UUV導引控制技術提出了很高的要求。

3.2.2 遠程預先布放UUV及技術

遠程預先布放UUV根據戰略意圖可分為長期部署和戰前預先部署2類。前者是面向戰略需要、為己方提供常態的水下情報信息；后者則是針對海上可能的具體作戰需求。這類情況可以借助各種運輸工具(艦船、飛機、火箭等)進行提前布放，只需對UUV進行相應的安全投放設計，對平臺投放技術要求不高。對于有回收價值的UUV，可以在任務結束后進行水面人工回收。這類UUV要求有較強的自主工作能力、協同能力和水下自持力。

3.3 UUV組網協同體系

多個UUV組網對潛艇構成強大的保障體系，這個體系的組網協同模式決定了UUV個體的功能指標和整個體系的綜合能力。該體系一方面是UUV之間的協同關系，另一方面則是與潛艇的指揮關系。結合前面構建的潛艇與UUV協同模式，可分為集中式、分布式和集散式3類組網方式[8]，其組織關系分別如圖6所示。

圖6 UUV組網關系圖

1)集中式組網體系

該體系中的UUV均受潛艇直接指揮，并直接交互信息，UUV之間沒有任何關系。這種組網方式關系簡單，易于實現，適合于任務要求簡單、保障范圍不大的運用模式。但它對通信能力和UUV可靠性依賴度較大，系統適應性較差。

2)分布式組網體系

該體系中的UUV一方面均受潛艇直接指揮，并與其直接交互信息；另一方面UUV之間保持密切的協同關系。這種組網方式充分發揮UUV個體能力和協作優勢，適合于復雜戰場環境下的保障支援任務，具有較強的適應性。它對潛艇的綜合指控和UUV的決策協同能力要求較高，技術實現復雜；由于通信量較大，對信號處理和數據融合提出較高的要求。

3)集散式組網體系

這種組網方式是將集中式和分布式進行了整合，是基于智能UUV優秀的決策指揮能力，減少潛艇與UUV的通信量，高效發揮UUV的自主協同能力。這種組網方式要求UUV有層級限定，便于建立體系的管理機制，最高級的UUV與潛艇進行通訊，并指揮協同下級UUV開展相應的工作；同時各UUV之間保持信息交互，實現資源共享，為體系決策提供有力保障。這種體系適合于遠程、大范圍的情報支援，要求UUV本身具有較強的自主工作能力和較高的智能決策水平。

3.4 水聲通訊技術

潛艇與UUV的協同作戰，主要是讓潛艇在大深度下獲得實時的信息支援，提高潛艇的攻防能力。水聲通訊則是水下指揮協同的主要手段，一方面是潛艇與UUV的水聲通訊，另一方面是UUV之間的水聲通訊。為了確保潛艇的隱蔽性，潛艇與外界的水聲通訊受到嚴格限制[9]。為此，需要根據不同的戰場態勢，采取低暴露的通訊模式，應用先進的通信技術，確保水下信息傳輸的可靠性、高速率和遠距離。

3.4.1 潛艇與UUV的水聲通訊策略

為降低潛艇水聲通訊帶來的暴露風險，需要根據戰場環境采取適當的隱蔽通訊策略。基于水聲通訊的特點，主要采取下述策略：

1)定時、定向和短時水聲通訊

潛艇在開始部署任務時，就要明確與UUV的通訊方案，包括通訊時間、信息格式和通訊方向，這個規則是根據任務需求和戰場環境來確定和調整的。在確保實際通訊效率的前提下，降低潛艇的暴露概率。

2)UUV“擺渡”實現低功率、遠距離水聲通訊

通過指揮單個UUV抵近潛艇實現低功率、高速率數據通訊，讓潛艇水聲通訊信號的對外輻射很小；這個UUV再快速機動到其他UUV附近進行信息“擺渡”。這種模式可能會需要多個UUV進行“協同擺渡”，以確保足夠的“擺渡”距離和較高的傳輸效率。

3)UUV之間同步、同制式水聲通訊欺擾

在復雜敵情環境下，潛艇與領導級UUV進行必要的遠距離水聲通訊，很容易導致潛艇暴露。為此，可以指揮從屬級UUV之間同步發出同制式的通訊信號，干擾敵方相應的偵測和判斷。

3.4.2 遠程水聲通訊和通訊組網技術

近年來，我國相關科研單位在水聲通訊技術、通訊算法、網絡協議、組網應用、協議規范制定等方面取得長足進步，相關成果已經得到實際驗證[10]。這些技術應用到UUV上，使得UUV之間的通訊距離和速率大幅提升[11]。一方面增強了UUV組網協同工作的可靠性，另一方面使得UUV組網的覆蓋范圍更廣、支援保障能力更強。

3.5 UUV相關技術的改進提升

UUV已經發展了很多年，在一些領域已取得了顯著的應用效果。但其組網協同保障支援潛艇的實際應用很少，除了指揮協同問題外，還受到UUV自身技術的限制。針對未來使用需求，應在下述技術方面有所突破：

3.5.1 UUV的動力技術

由于UUV的體積不大，其動力性能無法與艦船相比，續航力和速度都較低，無法滿足長時間的伴隨保障需求。動力性能主要取決于所帶能源，同時也受使用方案的影響。為此，在尋求大比能量能源的基礎上，考慮搭配其他自適應動力模式(如水下滑翔)；采用多速制和高效率推進器降低能耗；通過結構設計和表面工藝，減低摩擦阻力。同時，還可考慮水下中繼充電技術。

3.5.2 UUV的智能技術

UUV在本文中需要對簡單指令和復雜信息進行綜合分析，根據規則做出決策，針對實情做出響應；在組網時，要求UUV相互之間能夠密切配合，協同工作，高效完成任務指令。因此要求UUV擁有較高的智能，能自主完成相應工作。這需要加強以下方面：

1)構建完善的邏輯判斷規則和科學的行為方式。

2)不斷完善相關情報數據庫，提高對各種情況的判斷能力。

3)搭載高性能功能模塊，提高其環境感知、信息處理和水下作業能力。

3.6 UUV的導航控制技術

UUV 協同潛艇作戰，其導航定位精度十分重要，這要求配備相應的導航定位手段。小型的自主導航設備定位誤差較大，必須采用其他輔助導航定位手段(衛星、海底地形導航和地磁導航等)[12]。同時，洋流對UUV導航控制影響明顯，可采取相應技術方案和技術措施進行補償。對于具備自主返回對接和水下作業功能的UUV，還需加強其姿態控制精度[13]。

4 結束語

近年來，世界各國加大發展無人作戰力量的建設，無人裝備與有人體系的結合運用成為研究熱點。潛艇在面對復雜的水下戰場環境時，需要外圍的情報信息支援保障，以確保自身安全和戰場態勢的準確獲悉。UUV與潛艇的水下協同運用已在業內得到廣泛認同，相關領域及技術的研究已初顯成效，一些關鍵技術急需攻關。目前來看，潛艇搭載UUV是最簡便易行的一種組合方式，可以很好地解決潛艇常態遠航時UUV的維護使用問題，通過“一對一”的方式驗證水下指揮協同方案及相關技術。而UUV組網支援保障模式對UUV本身和布放回收提出較高要求，其技術實現面臨較多問題。但水下無人裝備的組網工作模式是大勢所趨，UUV組網與潛艇協同作戰將極大改善潛艇的信息保障模式，對提升潛艇執行復雜任務能力和自主攻防能力具有顯著作用。

UUV與潛艇協同運用的關鍵是通訊組網，要依托各類通訊網絡體系，涉及軟硬件通訊系統，相當部分屬于戰略建設領域(衛星、海底通訊網等)。因此，未來實現UUV與潛艇高效協同運用還需建設與之相配套的海上通訊網絡。