美國(guó)無(wú)人潛航器反制措施研究現(xiàn)狀

李曉東，胡光蘭，吳曉婧

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

自1957年Stan Murphy和Bob Francois在華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出世界上首個(gè)無(wú)人潛航器——自推進(jìn)水下研究航行器（SPURV，Self Propelled Underwater Research Vechile）以來(lái)，無(wú)人潛航器歷經(jīng)60多年的發(fā)展，已成為海軍提升和擴(kuò)大水下優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要手段。無(wú)人潛航器能夠搭載各種任務(wù)載荷快速、隱蔽地抵近敵港口水域，執(zhí)行情報(bào)監(jiān)視偵察、水雷戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)等多種任務(wù)。例如，美國(guó)在研制“虎鯨”超大型無(wú)人潛航器的同時(shí)，也為其研制配套的情報(bào)監(jiān)視偵察載荷、非殺傷攻擊任務(wù)載荷以及水下武器系統(tǒng)載荷（美國(guó)海軍，PE0604029N），美國(guó)正在研制的隱蔽投送水雷也計(jì)劃由“虎鯨”超大型無(wú)人潛航器布放（美國(guó)海軍，PE0604601N）。隨著人工智能和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人潛航器將承擔(dān)越來(lái)越多的進(jìn)攻性任務(wù)，也將使水下作戰(zhàn)環(huán)境更加復(fù)雜。美國(guó)已經(jīng)意識(shí)到這一問(wèn)題，近年來(lái)在無(wú)人潛航器反制方面做了很多工作。本文從探測(cè)識(shí)別、軟殺傷對(duì)抗、硬殺傷對(duì)抗三方面總結(jié)分析了美國(guó)無(wú)人潛航器對(duì)抗研究現(xiàn)狀。

1 探測(cè)識(shí)別

1.1 由蛙人探測(cè)聲吶構(gòu)成的水下監(jiān)視系統(tǒng)

隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用的擴(kuò)展，UUV給港口環(huán)境中的兵力保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此，需要新的或改進(jìn)的傳感技術(shù)以更好地探測(cè)在港口活動(dòng)的UUV，尤其是在艦船和潛艇附近活動(dòng)的UUV。UUV機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，傳統(tǒng)的反水雷力量有效性受限。現(xiàn)階段對(duì)UUV的探測(cè)和分類(lèi)主要采用原設(shè)計(jì)用于探測(cè)作戰(zhàn)蛙人的系統(tǒng)。下面介紹幾種正在開(kāi)展的基于蛙人探測(cè)系統(tǒng)的反UUV研究項(xiàng)目。

1.1.1 “利用 AN/WQX-2聲吶自動(dòng)跟蹤和分類(lèi)UUV”項(xiàng)目

美國(guó)目前正在開(kāi)展利用AN/WQX-2蛙人探測(cè)聲吶自動(dòng)跟蹤和分類(lèi)UUV的工作，如圖1所示。

圖1 利用AN/WQX-2聲吶自動(dòng)跟蹤和分類(lèi)UUVFig. 1 Automated tracking and classification of UUVs utilizing AN/ WQX-2

AN/WQX-2聲吶采用了最新的DDS 9000聲吶頭，使用聲吶處理器和 Defender II自動(dòng)探測(cè)和跟蹤軟件，可以探測(cè)到目標(biāo)相對(duì)于聲吶的距離和方位，通過(guò)控制臺(tái)將其轉(zhuǎn)換成 GPS方位。內(nèi)置目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，能夠?qū)⑼苋说幕芈曂Ｑ笾械聂~(yú)類(lèi)、海洋哺乳動(dòng)物、碎片和氣泡的回聲區(qū)分開(kāi)來(lái)。DDS 9000具有 256個(gè)波束，波束寬度 1.5°。系統(tǒng)最大探測(cè)距離為1 000 m，具體取決于水的溫度和鹽度，系統(tǒng)可以探測(cè)蛙人、蛙人運(yùn)載器、無(wú)人潛航器和潛艇等目標(biāo)。[1-4]

1.1.2 SeaShield遠(yuǎn)程水下預(yù)警系統(tǒng)

SeaShield是一種針對(duì)潛艇和小型潛航器威脅的遠(yuǎn)程水下預(yù)警系統(tǒng)，部署于重要的海岸線、海上邊界和港口入口處，如圖2所示。該系統(tǒng)采用主動(dòng)和被動(dòng)聲吶組合陣列，提供水下保護(hù)區(qū)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)圖像。SeaShield由 1個(gè)主動(dòng)發(fā)射陣列、多個(gè)大型被動(dòng)接收陣列和 1個(gè)安裝在海床上的電子單元組成。該系統(tǒng)的 2個(gè)長(zhǎng)接收陣列串由多個(gè)水聽(tīng)器組成，接收從水下物體返回的信號(hào)。SeaShield自動(dòng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)，區(qū)分潛艇和其他水下物體。該系統(tǒng)在探測(cè)到潛艇或微型潛航器并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)會(huì)持續(xù)跟蹤水下威脅，并在屏幕上顯示其準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)[5]。

圖2 SeaShield水下預(yù)警系統(tǒng)Fig. 2 Seashield underwater coastal surveillance system

1.1.3 Stiletto海洋演示計(jì)劃

Stiletto是一個(gè)海上演示平臺(tái)，是工業(yè)、政府和學(xué)術(shù)屆的技術(shù)演示工具，其基礎(chǔ)設(shè)施包括Stiletto高速艇（含指揮信息中心）、11 m海軍特種作戰(zhàn)剛性充氣艇的布放回收裝置、安裝傳感器的拱形空間、布放回收無(wú)人機(jī)的飛行甲板、具有寬帶衛(wèi)星通信的電子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以及具有無(wú)人駕駛能力的11 m海軍特種作戰(zhàn)剛性充氣艇。[6-7]

2016年9月14日，海軍海上系統(tǒng)司令部發(fā)布公告，尋求主動(dòng)/被動(dòng)聲傳感器探測(cè)、分類(lèi)和跟蹤UUV的系統(tǒng)，在Stiletto海洋演示計(jì)劃中進(jìn)行演示，評(píng)估商用聲探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)成熟度，這些系統(tǒng)將用作港口和水邊設(shè)施保護(hù)系統(tǒng)的一部分，以應(yīng)對(duì)UUV威脅違法入侵。

2017年1月，STILLETO海洋演示項(xiàng)目在弗洛里達(dá)基韋斯特島海軍航空站靠近碼頭的水域開(kāi)展了反UUV能力演示。試驗(yàn)以Stiletto為指控平臺(tái)和潛航器布放回收平臺(tái)，使用REMUS 100、Bluefin 9和REMUS 600等3型UUV作為威脅目標(biāo)（3型UUV基本參數(shù)見(jiàn)圖3），對(duì)來(lái)自4家商業(yè)供應(yīng)商和3家政府機(jī)構(gòu)的7個(gè)系統(tǒng)（包含主動(dòng)和被動(dòng)系統(tǒng)）進(jìn)行評(píng)估。

圖3 反UUV能力演示項(xiàng)目使用的UUV目標(biāo)Fig. 3 UUV targets used in counter-UUV capability demonstration

試驗(yàn)通過(guò)主動(dòng)/被動(dòng)聲吶查找定位跟蹤目標(biāo)（F2T2），包括：1）向懸浮于水中的岸基傳感器開(kāi)放，以查找定位跟蹤來(lái)襲UUV或在碼頭設(shè)施附近UUV威脅。2）向?；鶄鞲衅鏖_(kāi)放，如浮標(biāo)、海底傳感器、拖曳傳感器、UUV、USV或上述傳感器的組合，以查找定位跟蹤UUV威脅。

2018年5月，“Stiletto海洋演示項(xiàng)目”又邀請(qǐng)DSIT Solutions公司在美國(guó)某海軍基地演示其水下安防系統(tǒng)，主要演示反UUV作戰(zhàn)能力。演示過(guò)程中，DSIT公司在美國(guó)海軍基地附近的碼頭部署了其 AquaShield遠(yuǎn)程蛙人探測(cè)聲吶（DDS）和PointShield便攜式蛙人探測(cè)聲吶（PDDS），并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以支持自動(dòng)探測(cè)、跟蹤、分類(lèi)和威脅預(yù)警。演示期間，采用了不同類(lèi)型和尺寸的 UUV從不同角度和不同下潛水深靠近 DSIT公司的系統(tǒng)。在為期4天的演示中，DSIT公司成功對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并在UUV進(jìn)入防護(hù)區(qū)時(shí)進(jìn)行了預(yù)警。其中，Aquashield潛水員探測(cè)聲吶，專(zhuān)用于保護(hù)沿海和近海重要資產(chǎn)免受各種水下威脅，系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離水下威脅自動(dòng)探測(cè)、跟蹤、分類(lèi)和報(bào)警功能，采用全自動(dòng)操作，配置靈活。PointShield是一種小型便攜式潛水員探測(cè)聲吶（PDDS），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下威脅的全自動(dòng)探測(cè)、跟蹤、分類(lèi)和警報(bào)。該型聲吶尺寸小、重量輕，易于安裝和部署[8-11]。

1.2 海洋哺乳動(dòng)物

美國(guó)海軍是世界上少數(shù)利用海洋動(dòng)物進(jìn)行海上作戰(zhàn)的軍隊(duì)，如利用海豚反水雷、反蛙人等。其“海洋哺乳動(dòng)物系統(tǒng)”曾經(jīng)在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中使用過(guò)。21世紀(jì)初，美海軍曾在海灣部署“海豚反蛙人系統(tǒng)”，保護(hù)海軍軍艦。2017年1月9日-23日，美海軍將來(lái)自航空與海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)太平洋中心的經(jīng)過(guò)特殊培訓(xùn)的海獅部署到基韋斯特海軍航空站，探索如何利用海獅來(lái)攔截可能對(duì)海軍艦艇和水邊設(shè)施構(gòu)成威脅的無(wú)人水下航行器。海洋哺乳動(dòng)物在檢測(cè)、定位和反水下威脅領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

1.3 DARPA“持久海洋生物傳感器“項(xiàng)目

美國(guó)海軍現(xiàn)有水下探測(cè)與監(jiān)視方法是以硬件為中心、資源密集型的，無(wú)法滿足全部的探測(cè)與監(jiān)視需求。因此，DARPA聯(lián)合諾斯羅普·格魯曼、雷聲BBN技術(shù)公司共同研究使用海洋生物在全球廣闊海域探測(cè)并跟蹤潛艇和無(wú)人潛航器的方法。

圖4 “持久海洋生物傳感器”（PALS）概念圖Fig. 4 Concept of Persistent Aquatic Living Sensors（PALS）

2018年11月和12月，DARPA分別授予雷聲BBN技術(shù)公司和諾斯羅普·格魯曼公司640萬(wàn)美元和510萬(wàn)美元的合同，用于開(kāi)展“持久海洋生物傳感器”（PALS）項(xiàng)目研究，旨在利用海洋生物增強(qiáng)現(xiàn)有海上反潛聲吶性能。該項(xiàng)目將利用海洋生物自身的感知能力，探測(cè)潛艇和無(wú)人潛航器在水下產(chǎn)生的異常，監(jiān)視敵軍潛艇、無(wú)人潛航器在海峽、近海等戰(zhàn)略水域的活動(dòng)。由于海洋生物是一種無(wú)處不在、自主繁衍、自持性好的感知系統(tǒng)，將它們用于持久水下監(jiān)視具有隱蔽性好、性價(jià)比高、后勤補(bǔ)給需求小等優(yōu)勢(shì)。其構(gòu)想是研發(fā)一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)，第一級(jí)能感知、探測(cè)水下平臺(tái)的存在，并輸出響應(yīng)信號(hào)或其他可觀測(cè)的行為變化；第二級(jí)能觀測(cè)、記錄、解釋海洋生物的反應(yīng)，并上報(bào)分析結(jié)果。完整的PALS系統(tǒng)還應(yīng)區(qū)分目標(biāo)平臺(tái)和其他刺激源，如碎片、其他海洋生物，以降低虛警率。

DARPA資助多個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)或應(yīng)用技術(shù)來(lái)記錄觀察到的生物的刺激反應(yīng)，并開(kāi)發(fā)硬件和軟件系統(tǒng)來(lái)解釋這些反應(yīng)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。具體如下：

1）諾斯羅普·格魯曼：記錄和分析鼓蝦的聲學(xué)特性以及發(fā)光生物的光學(xué)特性；

2）海軍研究實(shí)驗(yàn)室：將微生物有機(jī)體整合到一個(gè)傳感平臺(tái)中，以探測(cè)和表征微生物對(duì)潛航器磁場(chǎng)響應(yīng)的生物信號(hào)；

3）佛羅里達(dá)亞特蘭大大學(xué)：記錄和分析熱帶和亞熱帶環(huán)境中巨人石斑魚(yú)的發(fā)聲線索；

4）雷聲BBN技術(shù)公司：利用鼓蝦進(jìn)行潛航器遠(yuǎn)距離探測(cè)、分類(lèi)和跟蹤；

5）馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心：用傳感器標(biāo)記黑鱸魚(yú)，以跟蹤受潛航器干擾的魚(yú)群的深度和加速行為。

此外，DARPA還贊助了水下作戰(zhàn)中心紐波特分部的海底系統(tǒng)研究，采用水聽(tīng)器陣和聲矢量傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)礁石環(huán)境中生物的環(huán)境聲異常，并分析珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中生物群躲避捕食者所產(chǎn)生的輻射聲信號(hào)的變化，該系統(tǒng)有可能提供一種近實(shí)時(shí)探測(cè)和分類(lèi)無(wú)人潛航器的方案[12-15]。

2 軟殺傷對(duì)抗

軟殺傷指的是讓UUV喪失作戰(zhàn)能力或活動(dòng)能力，主要的方法有捕獲、欺騙、干擾、以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的滲透、壓制等。

2.1 無(wú)人潛航器捕獲技術(shù)

UUV捕獲技術(shù)是對(duì)抗UUV的一種重要技術(shù)。捕獲UUV的目的是在不損傷其結(jié)構(gòu)和內(nèi)部裝置的前提下，使其浮出水面或沉入海底，便于將其整體打撈起來(lái)。

2.1.1 UUV網(wǎng)袋式捕獲技術(shù)

始于民用或警用的網(wǎng)袋式捕獲技術(shù)，主要用于對(duì)小型UUV進(jìn)行非殺傷性網(wǎng)捕。正在開(kāi)展的項(xiàng)目如Maritime Arresting技術(shù)公司的“黃貂魚(yú)”攔截網(wǎng)（Stingray Net）。

“黃貂魚(yú)”攔截網(wǎng)（Stingray net）是一種非致命的反UUV的效應(yīng)器，用于部署在敵UUV（最快20 kn）的必經(jīng)之路上。攔截網(wǎng)采用尼龍單絲，下連下沉纜沉至水底，上面連接浮繩，在海面到海底間形成一道不可穿透的屏障。由于其在水中是看不見(jiàn)的，因此敵UUV幾乎不可能避開(kāi)。敵UUV一旦撞上攔截網(wǎng)便會(huì)被纏住，捕獲UUV后，將其拖離被保護(hù)資產(chǎn)附近。該系統(tǒng)在NUWC試驗(yàn)的成功率為100%?！包S貂魚(yú)”攔截網(wǎng)系統(tǒng)可重復(fù)使用。

“黃貂魚(yú)”攔截網(wǎng)系統(tǒng)重約41 kg，配備有存儲(chǔ)箱尺寸為58.4 cm×68.6 cm×121.9 cm，攔截網(wǎng)尺寸為 61 m×（6.1～12.2 m）。

圖5 “黃貂魚(yú)”攔截網(wǎng)存儲(chǔ)箱Fig.5 Storage box of Stingray Net

“黃貂魚(yú)”系統(tǒng)安裝在巡邏艇的橫梁上。航速20 kn時(shí)，攔截網(wǎng)6 s的時(shí)間就可以展開(kāi)，部署過(guò)程如下所述[16]。

1）存儲(chǔ)箱的蓋子變成發(fā)射斜槽，引導(dǎo)傘被彈出，開(kāi)始部署；

2）引導(dǎo)傘將網(wǎng)拉出存儲(chǔ)箱；

3）網(wǎng)自動(dòng)形成從海底到海面的屏障。

2.1.2 UUV泡沫捕獲技術(shù)方案

泡沫捕獲UUV的基本原理是通過(guò)發(fā)射一種高分子物質(zhì)（這種物質(zhì)能在海水中迅速膨脹硬化），擊中UUV時(shí)能迅速粘附在其表面上，然后膨脹硬化將其包裹住，從而使UUV喪失工作能力。

2.2 欺騙、干擾及網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗

美國(guó)十分重視人工智能在無(wú)人潛航器上的應(yīng)用。五角大樓在2020年的預(yù)算要求增加對(duì)自動(dòng)武器計(jì)劃的預(yù)算，其中無(wú)人系統(tǒng)申請(qǐng)總額為37億美元，在人工智能上的投入為9億美元。但與任何基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)一樣，人工智能 UUV也存在固有的漏洞，可以尋找這些漏洞，更改、破壞或欺騙UUV系統(tǒng)，從而控制UUV或使之轉(zhuǎn)頭與其所有抗衡。

此外，反UUV不僅是反UUV本身，更重要的是反與UUV相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，包括利用強(qiáng)聲源對(duì)敵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓制、利用水聲病毒對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊、攔截?cái)乘戮W(wǎng)絡(luò)情報(bào)等。但這些只有在己方網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作效率足以戰(zhàn)勝敵方網(wǎng)絡(luò)的情況下才能發(fā)揮作用。建立針對(duì)無(wú)人潛航器威脅的有效水下網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗成功的關(guān)鍵[16-17]。

3 硬殺傷對(duì)抗

硬殺傷，又稱直接殺傷，是以破壞、摧毀無(wú)人潛航器為目的處置手段。目前公開(kāi)報(bào)道的對(duì) UUV采取的硬殺傷辦法主要是超空泡子彈。

美國(guó)的PNW Arms公司和挪威的DSG技術(shù)公司生產(chǎn)的超空泡子彈可以作為打擊AUV的潛在武器。超空泡是利用空化效應(yīng)在液體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)氣泡，該氣泡大到足以容納通過(guò)液體的物體，從而大大降低物體的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)高速打擊。

理論上，可以從空中探測(cè)和打擊無(wú)人潛航器。通過(guò)直升機(jī)裝備藍(lán)綠激光探測(cè)靠近水面的無(wú)人潛航器，然后采用 DSG技術(shù)公司的跨介質(zhì)子彈（4.5～155 mm）從空氣飛入水中摧毀無(wú)人潛航器。此外，還可以在無(wú)人潛航器上配備超空泡子彈，獵殺無(wú)人潛航器、微型潛艇和蛙人。當(dāng)然，在發(fā)射超空泡子彈前，還需要開(kāi)發(fā)新的數(shù)據(jù)鑒別或圖像識(shí)別算法以區(qū)分無(wú)人潛航器和與其大小相近的魚(yú)或海洋哺乳動(dòng)物[18-23]。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人潛航器作為一種海上力量倍增器，有著廣泛而重要的軍事用途，在水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、水下搜救等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，具有增強(qiáng)水下優(yōu)勢(shì)和有效抵消對(duì)手力量的能力。但同時(shí)，無(wú)人潛航器的廣泛應(yīng)用也帶來(lái)了威脅和挑戰(zhàn)。隨著人工智能和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人潛航器探測(cè)和清除的難度也將越來(lái)越大。因此，我們?cè)诎l(fā)展無(wú)人潛航器的同時(shí)，應(yīng)抓緊研發(fā)新的方法、技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)以對(duì)抗敵無(wú)人潛航器的探測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行偵察，必要時(shí)發(fā)起攻擊。在不影響己方無(wú)人潛航器作業(yè)的基礎(chǔ)上，使敵方無(wú)人潛航器無(wú)法工作，只有這樣，才能在未來(lái)水下戰(zhàn)爭(zhēng)中獲取主動(dòng)權(quán)。