未來大中型無人潛航器作戰問題研究

戚學文，李 慧，王 相

(1.中國人民解放軍91776部隊，北京 100161；2.復雜艦船系統仿真重點實驗室，北京 100161)

0 引 言

自20世紀80年代以來，海上戰爭形態發生了重大變化，信息化海上戰爭已由萌芽狀態趨于成熟。與以往戰爭形態相比，信息化海上戰爭具有作戰縱深擴大、作戰空間多維、作戰節奏加快等鮮明特征。作為未來海戰水下兵力的重要組成部分，大中型無人潛航器是襲擊敵方水面艦船、潛艇等兵力以及封控、破壞敵方海上交通線等軍事行動的關鍵力量，其隱蔽性好，易達成打擊行動的猝發性，能夠有效縮短對手反應時間，形成隱蔽突然的打擊效果[1 – 2]。因此，無人潛航器具有其它兵力無可比擬的優勢，將在未來信息化海戰中發揮重要作用。但同時也應看到，未來信息化海戰對無人潛航器的作戰使用也提出了更高要求。根據大中型無人潛航器裝備研究現狀及今后發展趨勢，對其在未來海戰場中信息通聯能力需求及協同作戰相關問題進行設想與探討。

1 無人潛航器作戰運用面臨的挑戰

信息化對海戰提出了新要求，無人潛航器在作戰對象、作戰運用方式以及戰場環境等多方面均與以往存在較大差異[3]。反潛武器裝備方面，隨著高新技術的發展及其在軍事領域的運用，催生了快速、遠程、高精度反潛武器的出現與列裝，實現了跨越式發展，無人潛航器一旦被發現極易受到攻擊，面臨的威脅程度加劇[4]。而對于作戰對象而言，其可能擁有全時空、全天候立體多維的天基、空中、水面以及水下綜合偵察監視系統，基于此，水下戰場模糊程度降低，趨于單向透明，無人潛航器隱蔽作戰行動難度增大。可見，無論是兵力自身防御，還是信息化海戰需求，深層次思考、研究無人潛航器的作戰運用問題顯得異常迫切。

未來信息化海戰場上，無人潛航器主要作戰對象除了包括敵護航運輸隊的大型艦艇編隊之外，還有敵方的潛艇兵力。顯然，由于單平臺作戰能力及火力限制，單個無人潛航器作戰難以達成對敵潛艇成功驅離甚至殲滅敵艦艇編隊的作戰目標。于是，以往水下兵力使用中“單平臺獨立作戰”為主的方式面臨著前所未有的挑戰，取而代之的是水下多平臺協同作戰，或與聯合作戰體系中其它兵力密切配合，水下兵力協同作戰逐步引起重視[5]。通常情況下，為了實施對敵方目標連續、大規模的集中打擊，可在對目標實施作戰行動的適宜海域，配置無人潛航器戰術群隱蔽待機。可見，未來海戰中無人潛航器主要作戰運用樣式將轉變為平臺間的協同作戰[6]，有必要立足當前，開展對于大中型無人潛航器隱蔽協同作戰相關問題的研究和探討。

2 無人潛航器信息通聯能力需求及手段

無人潛航器各平臺之間如何建立有效的通信聯絡，特別是在保持平臺隱蔽性和機動性前提下，實現通信的快速建立和有效維持，構建強韌可靠的指揮控制鏈路，是實現兵力戰術協同的前提和基礎[7]。因此，信息化條件下無人潛航器隱蔽協同作戰，必須依賴隱蔽、及時、可靠的信息通聯能力及手段。

2.1 信息通聯能力需求

信息通聯能力是無人潛航器隱蔽協同作戰的關鍵環節，對兵力協同作戰行動能否達成起著至關重要的作用，需要具備如下信息通聯能力。

2.1.1 雙向通信能力

無人潛航器具有隱蔽性好、打擊突然以及自給力強等其它平臺無可比擬的優點，為了有效發揮其作戰優勢，不僅需要具備水下及時、準確獲取作戰信息的能力[8]，還需要能夠與參與協同作戰的其它無人潛航器平臺發送收集到的戰場態勢信息、收發協同指令以及必要應答命令信息的能力，還需具備在必要時發送緊急報告與求救信息的能力。考慮到水下協同作戰中各作戰單元間距及其通聯需求，無人潛航器應具備通信距離10千米量[8]。

2.1.2 高速率可靠通信能力

隨著信息化條件下海戰對寬帶業務的需求日益增長，對無人潛航器通信系統信息化要求越來越高，要求具備更高傳輸速率、更高傳輸可靠性和更強抗干擾性能的遠距、區域通信能力，以滿足未來海戰場空間拓展需求。考慮到水下協同作戰中的信息通聯內容及數據量需求，無人潛航器應具備通信速率1.2 kbps的水下可靠通信能力[8]，以保證目標基本信息共享和作戰指令接收；若未來作戰中要實現戰場態勢完全共享，則至少需將水下通信速率提升至1 mbps甚至更高量級。

2.1.3 隱蔽通信能力

通信是協同的前提，而水下通信的隱蔽性對于無人潛航器之間的協同作戰而言至關重要。傳統意義上的水下通信往往對水下平臺的當前陣位、航速甚至航向、姿態均有要求，達成通信往往需要兵力平臺當前狀態的相應變化，然而隨著狀態的改變，其兵力隱蔽性以及安全性等問題接踵而至，比如航行深度的變化可能會使無人潛航器損失當前有利的水聲環境，機動要素的改變可能破壞無人潛航器的隱蔽性，還可能對無人潛航器協同作戰的戰術動作產生干擾，為作戰行動的順利實施帶來負面影響。可見，傳統水下通信方式現狀與無人潛航器協同作戰對隱蔽水下通信能力需求之間的矛盾不可回避。考慮到水下協同作戰對通信隱蔽性方面的需求，未來迫切需要研究開發不受水下作戰平臺深度、航速、航向約束的隱蔽水下通信方式和手段，以切實提高無人潛航器水下作戰的戰術靈活度和自身生存能力。

2.2 信息通聯技術手段

無人潛航器作戰處于大范圍海水包裹之中，由于海水的導電性能很強，因此電磁波在海水中的傳播存在的嚴重的衰減效應，且其衰減程度會隨著頻率升高而顯著增大；光波雖可用于高速數據通信，但其在水中會被快速散射和吸收，因此通信距離嚴重受限；聲波在海水中的傳播衰減要小得多，低頻聲波可用于水下遠程通信，但數據傳輸速率（1 kbps量級）和時效性（距離100千米約需67秒）較差，僅能傳輸簡單的指令或報文信息，當前尚無法滿足水下高速、實時信息傳輸需求。由于海洋環境以及海水介質的特殊性，加之自身戰術性能以及特殊工作模式，無人潛航器協同作戰信息通聯實現手段較之其它兵力受到較大限制，預計未來一段時期內，無人潛航器水下通信手段仍將以水聲通信為主。具有顯著區別。根據現有水下通信技術，結合相關技術發展趨勢，提出幾種在信息化條件下無人潛航器協同作戰中可行的信息連通技術手段[9]。

2.2.1 水聲通信技術

與常用的電磁波和光波相比較，聲波在海水中衰減小得多，因此水聲是一種有效的水下通信手段。但是，水聲信道是一個十分復雜的多徑傳輸通道，且環境噪聲高、帶寬窄、可適用的載波頻率低，且傳輸時延大。為了克服這些不利因素，近幾年已經出現多種水聲通信技術，如多載波調制技術、多輸入多輸出（MIMO）技術等，通信能力及效果不斷提升，在較為理想的條件下，低頻水聲通信距離可達1000千米量級甚至更遠，基本滿足簡單指令（如無人潛航器的水下遠程振鈴喚醒等）的水下遠距傳輸需求。

2.2.2 水下光通信技術

海水對藍綠光（波長450～530 nm）的衰減比對其它波段光的衰減要小很多，且藍綠激光對海水的穿透能力強，利用海水對藍綠激光的低損耗區間可實現飛機（或衛星）對水下約300米深度水下平臺的隱蔽通信，建立水下指控通信鏈路，在較為純凈的海水中，通信距離可達500米量級。且不受電磁及核輻射的影響，方向性好，能夠避免敵方的偵察[10]。另外，藍綠激光通信速率高，速率傳輸能力強，不受天氣、環境和氣象條件的影響，但在淺近海域，由于水中懸浮顆粒及浮游生物對光的散射作用，加之自然光形成的干擾，會顯著影響水下通信距離。

2.2.3 量子通信技術

量子通信是通信技術與量子物理學相融合形成的一門新興學科，是通信技術上的又一次劃時代的革命，成為近幾年通信技術的研究熱點，具有廣闊的應用前景。該技術利用光的粒子特性傳輸“0”和“1”任意方式疊加的信息，在保證通信絕對安全的前提下，追求更遠的通信距離、更高的通信效率，實現高性能的新型通信系統[11]。由于量子通信在保密性、通信容量、通信距離等方面都具有十分明顯的優勢，因此利用該技術可構建高速、大容量的通信網絡，實現高清晰度圖像等大容量超高數據的保密傳輸，也是信息化條件下無人潛航器協同作戰信息通聯技術發展的重要方向之一，但目前該領域研究尚處于理論模型階段，距離實際應用還有很大差距。

2.2.4 跨域通信技術

依托潛標、浮標或水面平臺等通信中繼節點，綜合運用水聲、無線電等多種水下空中通信手段，建立跨越水空介質的跨域通信鏈路，可實現水下狀態無人潛航器與空中平臺、通信衛星乃至岸基指揮所之間的信息通聯。跨域通信綜合運用多種信息傳輸技術手段，其傳輸性能及通信能力主要參照電磁波、水聲通信等。

圍繞水下通信需求及技術手段，美國海軍潛艇集成項目辦公室（Submarine Integration Program Office）最早發起相關技術研究，提出了一系列用于解決水下平臺通信的關鍵技術和相關概念，其中部分典型通信手段性能對比如圖1所示。

圖1 部分典型水下通信手段性能對比示意圖Fig.1 Performance comparison diagram of some typical underwater communication means

3 無人潛航器隱蔽協同作戰模式

執行作戰任務過程中，為保持水下行動隱蔽性，水聲被動探測方式通常是無人潛航器的首選探測方式。受限于隱蔽水下通信手段，若采用傳統的無人潛航器單平臺戰術方法，作戰全程中的目標被動定位→機動占領陣位→武器發射攻擊等多個環節均需單平臺獨立完成。然而，基于單站純方位的單平臺被動定位算法存在諸多問題，例如無人潛航器判定運動要素對目標發起攻擊前，往往需要首先進行占位機動，此外還存在目標要素收斂速度慢等問題，嚴重制約了無人潛航器作戰時效性[12]，而依托多個無人潛航器構建“水下無人群”實施水下隱蔽協同攻擊，單平臺機動航程和時間有效縮短，利于對目標發起快速飽和攻擊。因此，亟需探索研究無人潛航器水下隱蔽協同作戰模式，在有效保存自己的前提下實現“靜、快、遠、準”的對敵突襲。

3.1 淺近海域隱蔽協同作戰模式

在有限水深情況下，聲波在由淺近海域海面、海底形成的淺海聲道傳播過程中，受到海面以及海底多次反射、折射作用，衰減損失（吸收、散射等）明顯，由此限制了水聲傳播的距離。

對于無人潛航器“水下無人群”協同作戰而言，多平臺協同定位是關鍵問題之一[13]。首先，需要測量目標方位信息（由各無人潛航器被動聲吶測得），之后利用隱蔽水下通信手段實現方位信息交換，由于這種方式可以增加目標的方位變化率，因此目標的可觀測性就會大大提高，從而目標的各項運動要素也能夠迅速得以求解。采用無人潛航器多平臺協同定位方式，求解目標運動要素通常并不需要占位機動，求解速度較之單平臺定位方式顯著加快[14]，便于準確、快速定位目標。

“水下無人群”隱蔽協同作戰需要更高標準的水下、跨域通信鏈路作為保障，不僅對通信準確性和快速性提出新的要求，而且又不能喪失通信的隱蔽性。因此在淺近海域，要求通信設備功率不能太大，且各無人潛航器之間的通信力求次數少、速度快，通過這種手段降低敵方反潛兵力對我無人潛航器的發現概率[15]。海水介質的特殊性、復雜性決定了水聲通信與空中電磁波通信差異較大，水聲信道是一種速衰時散信道，不僅存在明顯的相位起伏，而且存在嚴重的由時變多徑現象帶來的碼間干擾（ISI），上述多重效應對水聲通信效果影響較大，使其不僅誤碼率高，而且數據率低[16]。水下隱蔽協同作戰難點多，與水聲通信存在的這些缺陷密切相關，要滿足淺近海域無人潛航器隱蔽協同作戰需求，必然要求改進當前水下通信方式及手段，基于前文所述的水下隱蔽協同作戰對信息通聯能力的需求，創新水下通信機制，研發相應裝備、設備。

3.2 深遠海域隱蔽協同作戰模式

深遠海域水聲傳播多途結構顯著，且受海面、海底衰減作用影響較小，反射波與直達波重疊，聲波在其中的傳播特性較之淺近海域具有明顯差異。大中型無人潛航器可長期水下狀態航行，自持力、續航力、暴露率等均優于輕小型無人潛航器，因此相對而言更適用于深遠海域協同作戰。

結合深遠海域水聲傳播特性以及大中型無人潛航器性能特點，基于無線自組織網絡理論，提出構建一種水下目標隱蔽跟蹤模型如下：根據態勢預估戰場位置，在相應海域的海底以及海水當中，由大中型無人潛航器布放若干實時水聲通信潛標（數量根據潛標性能、布放空間以及作戰需求而定），通過近距水聲通信手段，潛標以自組織方式形成水下探測網絡，實現對敵目標的實時探測跟蹤。對于水聲通信潛標而言，其聲吶發射通信聲信號的功率較小，且布放區域通常在深海，因此可保證水下通信的隱蔽性，而且即使通信暴露后潛標受到破壞，也不會危及無人潛航器兵力自身的安全。此外依托潛標，水下運動的無人潛航器也可通過“多跳路由”方式達成隱蔽通信，利用自組織水下探測網絡實現無人潛航器的水下隱蔽協同作戰。

這種基于深海潛標的水下隱蔽通信方式，關鍵是要設計無線自組織網絡的通信協議、跟蹤與定位算法[17]，建立一種滿足未來信息化條件下大中型無人潛航器隱蔽協同作戰信息通聯能力需求的“分布式水下無線自組織網絡”，其由海底、海中布放的傳感器節點、無人潛航器兵力平臺和作為主節點的海面站構成跨域無線通信網絡。各節點之間采用“多跳”的水聲通信，傳感器節點采集的數據經主節點的無線電Modem與岸上的指揮控制中心通聯，也可經網關節點與Internet骨干網或其它軍事通信網絡連接（包括通信衛星中轉）。節點中各種傳感器的混合利用有利于提高探測的性能指標，多節點聯合，可形成較大的實時探測區域。在水下無線自組織網絡中，傳感器節點可與敵潛艇近距離接觸，一方面大大消除了環境噪聲對系統性能的影響，同時更容易探測和跟蹤敵方低噪音潛艇，從而能夠更有效地對敵潛艇進行跟蹤。

需要指出的是，從功能方面來講，“水下無人群”中的部分兵力節點可由有人潛艇替代，且有人潛艇可充當指控通信節點，采取這種有人-無人協同作戰的方式雖然可在一定程度上彌補無人協同作戰智能化水平不足的缺陷，但潛艇的聲波反射截面積遠遠大于無人潛航器，面對敵水下目標，尤其是敵方性能先進的潛艇，我方潛艇很難做到先敵發現，因此有人-無人水下協同作戰中，有人兵力面臨傷亡風險大、作戰代價高、心理壓力強的困境，且受到人員耐受能力等方面的限制，難以做到在預設海域長期隱蔽待機值守，持續性較差。可見，由大中型無人潛航器構成“水下無人群”協同作戰方式，在未來水下隱蔽作戰中具有廣闊的應用前景與重要的研究價值。下面立足于大中型無人潛航器協同作戰能力未來發展，研究其在不同海域環境下的隱蔽協同作戰運用方法。

4 無人潛航器隱蔽協同作戰方法

實現“水下無人群”內不同無人潛航器平臺上多傳感器和各種武器間的良好協同，即無人潛航器隱蔽協同作戰中的目標指示和武器控制算法，達成傳感器、攻擊引導和射手間的有機耦合，是發揮水下網絡戰作戰效能的有效手段。由于水下協同作戰組織難度限制，本文所提到的無人潛航器協同作戰通常指2～4個無人潛航器的協同作戰。

4.1 淺近海域隱蔽協同作戰方法

在淺近海域，具備隱蔽協同作戰通信能力的無人潛航器可在預定海域（陣地）內坐沉“液體海底”或懸停待機，也可以2～4 kn航速低速游弋。參與協同作戰的無人潛航器以一定陣位分布在指定海域設伏，它們通過隱蔽協同作戰通信設備交換目標方位等信息，有效避免了無人潛航器單平臺作戰時的遠距離、長時間占位機動，迅速求解目標運動要素，從而對目標發起多輪突然攻擊，如圖2所示。

圖2 淺近海域隱蔽協同作戰示意圖Fig.2 Diagram of covert cooperative operations in shallow sea areas

淺近海域無人潛航器隱蔽協同作戰通信設備的通信方式主要有2種：一種是在一段時間內實時通信，另一種是觀測一段時間后（一般為3～5 min）一次快速通信。以上2種通信方式各有利弊，需要根據戰場實際靈活選取。其中，實時通信方式易降低無人潛航器兵力平臺的隱蔽性，增大暴露率，但可使用遞推形式的濾波算法（如擴展卡爾曼濾波），跟蹤精度較高；一次快速通信方式隱蔽性較好，但需要短時傳輸的數據量較大，對通信潛標的數據率要求較高，可使用批處理形式的濾波算法[18]。

4.2 深遠海域隱蔽協同作戰方法

在深遠海域的作戰伏擊區域，由大中型無人潛航器將若干通信潛標依次布放呈蜂窩狀陣列，建立分布式自組織水下探測網絡。各通信潛標根據設定間隔（如2000 m）布放到位后，自動懸浮于作戰伏擊海域中一定水深（按需設定，通常取100～300 m）構建水下通信網絡陣地。作戰時，各無人潛航器平臺于通信陣地附近低速巡邏游弋，實時接收分布式自組織水下探測網絡發布的目標數據及敵情信息，必要時能夠及時展開協同作戰行動。上述過程中，通信潛標的可能暴露距離遠遠小于我方對敵目標的探測發現距離，能夠支撐實現無人潛航器的遠距水下隱蔽協同作戰，如圖3所示。

圖3 深遠海域隱蔽協同作戰示意圖Fig.3 Diagram of covert cooperative operations in deep sea areas

5 結 語

未來信息化海戰中，應將大中型無人潛航器組成“水下無人群”，以水下無人兵力“小群作戰”的協同作戰使用樣式彌補單平臺作戰能力以及有人-無人協同作戰的缺陷和不足，對敵方目標形成小群多路的合圍態勢，乘隙突破敵方多層警戒，發射足夠數量的魚雷武器從多個方向予以迅猛打擊，便于對敵實施多向飽和攻擊，大大提高整體打擊效能。為達到這一目標，需要不斷拓展無人潛航器隱蔽協同作戰水下、跨域通信方式，創新通信技術手段，探索通信技術支持，并盡快改進、形成主戰裝備。軍事需求的變化、技術戰術水平的發展以及對無人潛航器隱蔽協同作戰研究的深入，將改變傳統的水下作戰模式和方法，促進無人潛航器作戰理論體系日趨完善，同時對水下協同作戰理論的發展起到積極的推動作用。