无人集群协同反潜应用研究

苏金涛，张 华，肖自兵，姚运启

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061)

0 引 言

水面舰艇、反潜直升机、固定翼反潜机等传统有人反潜作战平台，以及水下对潜警戒网络和天基对潜警戒网络，共同构筑了当前最普遍的反潜作战体系[1]。但潜艇战和反潜战历来是不对称作战，现有反潜作战体系仍存在高成本、效率低、制海力不足等诸多短板。无人作战系统及无人集群技术发展，为开发新的反潜作战模式提供了基础。国内外近年来开发了反潜无人水面艇（USV）、无人潜航器（UUV）和无人机（UAV），并进行了单系统和集群搜潜、攻潜试验，积极开发新的反潜作战模式，快速推动无人作战系统及无人集群在反潜战中的应用。

1 典型无人反潜系统

构成无人反潜集群的无人作战系统主要有UUV，USV和UAV等。这些无人作战系统通过搭载反潜战载荷（载荷组成一般包括探潜设备、处理设备和攻潜武器等），形成反潜型无人作战系统，感知水下环境信息和潜艇目标信息，对潜艇目标实现定位、识别、跟踪和打击。

1.1 UUV反潜系统

UUV的类型很多，用途也很广泛，反潜是其主要用途之一。UUV反潜系统应用模式主要包括：1）掌控风险；2）海战场防护；3）航道保护。掌控风险指的是利用UUV对敌方潜艇基地、港口内的或通过其必

经之地的所有潜艇进行监视和跟踪，即所谓的“源头监视”，能防患于未然，发挥很好的预警作用；海战场防护指的是对航母编队或大型远海打击编队的作战区域进行水下反潜，保持水下安全；航道保护则是对上述编队从一个作战区域向下一个作战区域转移时，航道的水下反潜和保护[2]。这3种应用模式中，第1种被认为最有效，它不仅在战时可使用，战前也可获取敌方潜艇情报，为作战做好准备。典型的UUV反潜系统，如美军的“曼塔”[3]如图1所示。

图1 美军UUV反潜系统“曼塔”Fig. 1 The anti-submarine system MANTA

为了执行反潜任务，UUV—般都装有声呐传感器或磁异探测器，典型的由前视声呐、侧扫声呐。为提高远程探测能力，中、大型UUV还可装备水平拖曳线列阵声呐或在UUV漂浮、坐底情况下使用垂直线列阵声呐。除了应用自身的传感器外，UUV还可以借助水下传感器场或母船的支持执行反潜任务。为对付隐身型潜艇目标，可与水下传感器场或母船，以及USV等其他无人作战系统构成多基地主动探测方式。中、大型UUV可搭载鱼雷武器，根据作战态势遥控或自主对潜艇目标进行攻击[4]。

1.2 USV反潜系统

反潜是USV最有前途的任务领域，USV用于反潜，一是中、小型USV作为水面舰船舷外反潜手段或作为近岸反潜手段，可由母船或基地遥控，以及采用自主/半自主方式工作；二是正在开发的大型反潜USV，可在广阔海域、较长时间内独立执行搜索、跟踪、识别、攻击潜艇目标的任务[5-6]。其中随舰艇编队作战时，USV可作为重要反潜方向上前出兵力，弥补舰艇水下探测距离不足的短板，弥补舰载反潜直升机留空时间短的短板，改善编队反潜机资源有限的窘境，拓展舰艇水下探测范围和攻击范围，对确认目标及时进行诱骗和首轮打击，在这种任务中，USV可担负应招搜潜、巡逻搜潜、检查搜潜等具体反潜任务。大型USV执行反潜作战任务时，可不受限于母舰的束缚，成为一个完全独立的反潜作战平台，在海战场作战体系的支撑下，完成水面舰艇、潜艇、反潜机等原

传统反潜作战体系兵力完成的任务。典型的USV反潜系统，如以色列的“海鸥”无人艇[7]如图2所示。美国的长航时海上无人跟踪艇[8]如图3所示。

图2 以色列Seagull USV反潜作战试验Fig. 2 The anti-submarine war experiment of the Seagull USV

图3 美国长航时海上无人跟踪艇反潜作战概念Fig. 3 The anti-submarine war concept of the ACTUV

为执行反潜任务，USV一般都装有拖曳线阵阵声呐、吊放声呐和舷外声源、声呐浮标、磁探仪等声学及非声学反潜设备。同时使用多艘USV时可进行多基地主动探测，USV与水下传感器场、母船，以及UUV等也可构成多基地主动探测方式。此外，USV与UAV等也可构成异构集群反潜系统。中、大型USV还可搭载鱼雷、深水炸弹等反潜武器，根据作战态势遥控或自主对潜艇目标进行攻击。

1.3 UAV反潜系统

UAV成本低、留空时间长、机动性能好、搜索范围广等特点，使其在反潜战领域具有广阔的应用前景[9-10]，目前及今后一段时间内，UAV可执行的反潜战任务主要包括：1）潜艇等水下目标信息收集和分发；2）反潜器材布放和潜艇等水下目标信息收集；3）反潜器材和反潜武器投放。用于潜艇等水下目标信息收集和分发时，由反潜作战体系中其他兵力（例如反潜机、反潜直升机等）布放声呐浮标，利用UAV长航时留空特点，进行声呐浮标探测信息收集和处理，并将信息分发至反潜作战指挥控制中心及其他反潜作战平台；用于反潜器材布放和潜艇等水下目标信息收集时，UAV自身携带声呐浮标，可长航时留空，根据反潜作战指挥控制中心指令或自主在既定海域布放浮标，并进行浮标探测信息收集处理，然后将信息分发至反潜作战指挥控制中心和其他反潜作战平台；用于反潜器材和反潜武器投放时，UAV携带深弹、轻型鱼

雷、诱饵等攻潜武器或对抗器材，根据反潜作战指挥控制中心指令或根据自身布放的声呐浮标探测的潜艇目标信息，投放攻潜武器或对抗器材，协同对既定潜艇目标进行驱离、攻击或干扰、欺骗。典型的UAV反潜系统，如美国的MQ-9反潜无人机[11]如图4所示。

图4 美国MQ-9反潜无人机Fig. 4 The MQ-9 anti-submarine UAV

UAV用于获取水下信息时，主要使用磁传感器、电场传感器或声呐浮标，利用磁异常探测、电场探测、声探测可以发现水下的潜艇目标。此外，UAV可与水面舰艇、USV等构成异构有人-无人协同反潜系统，对潜进行多基地主动探测。UAV用于攻击、对抗潜艇时，主要使用深弹、轻型鱼雷、诱饵等攻潜武器或对抗器材。

2 典型无人反潜系统特点分析

2.1 UUV反潜系统特点

UUV反潜系统的特点主要有：

1）UUV与潜艇工作于同一介质中，通过UUV姿态的调整，使得其自身处于最有利的对潜探测深度，从而使得其所携带的探测器处于最佳工作深度，最大可能的发挥探测装备的性能。

2）UUV可以利用其自身机动性，抵近水下传感器场，利用水声通信方式，方便与水下固定式声呐阵列、磁阵列，以及反潜浮标等节点构成水下网络战体系。

3）UUV可工作于一定水深处，受海面恶劣海况影响较小，可保证在一定海况下的任务适应性。

4）为保证一定的续航力，UUV一般工作航速较低，不能快速覆盖大范围区域，对潜艇的持续跟踪能力较弱。

5）小型UUV虽然隐蔽性较好，适合遂行抵近探测任务，但探测载荷搭载能力有限，搭载的反潜传感器性能较低，大型UUV探测载荷能力高，但隐蔽性上相对较差；

6）由于水下通信距离短、通信效率低下，UUV探测信息的“上岸”问题依然是实战应用上的瓶颈，不能与母舰指挥控制系统进行及时有效的信息交互，大部分情况下只能采用 “事后处理”的方式进行探测信息处理和分析，极大地限制了作战响应和作战应用场景，多UUV集群协同的问题同样受通信链路的限制，不能实现大范围广域控制。

2.2 USV反潜系统特点

USV反潜系统的特点主要有：

1）USV可以携带拖曳线列阵声呐、拖曳变深声呐、主动声源、声呐浮标、磁探仪等多种反潜载荷，甚至比较容易携带鱼雷、深弹等攻潜武器，带载能力强，可针对不同的反潜任务适配不同的反潜战载荷，任务适应性高。

2）USV一般航程较远，工作时间有保障，可在任务海区形成较长时间的对水下控制力，适合对抗以慢速、隐蔽见长的潜艇目标。

3）一般小型、中型USV由于尺寸和排水量限制，海况适应性较差，对反潜工作的海况环境条件要求比较高。

4）虽然与其他的无人作战系统相比，具有较长的自持力，但仍需要母舰保障，一般大型USV才具备独立、远距离遂行反潜任务的能力。

5）USV的对外通信也受到诸多限制，依靠自身携带的通信手段，并不能有效地与母舰或岸基进行直接、高带宽、任务级通信；通过卫通等手段进行信息传递，又需要大幅提高USV的反潜自主处理能力；在实际作战任务中USV可通过UAV进行中继通信。

2.3 USV反潜系统特点

UAV反潜系统的特点主要有：

1）UAV是航空反潜平台在无人反潜系统领域的延伸，其飞行安全要求较有人驾驶飞机大幅降低，不但可以比有人驾驶飞机更低的高度上稳定飞行，而且还可在高海况等复杂气象条件下使用，从而实现更佳的反潜效果。

2）快速性是UAV较其他无人反潜系统最主要的特点，UAV可以以较快的速度抵达任务海域，而且能在较短的时间内覆盖较大的海域，可较好地对抗机动能力强的潜艇目标。

3）UAV具有一定的工作高度，可以比较容易地与母舰和（或）岸基进行相互通信，不仅可形成较大的反潜任务半径，而且为实现“人在回路”扫除了技术障碍，保证了UAV用于反潜任务的实战化。

4）UAV用于反潜的短板是带载能力有限，其对起飞重量要求严格，相对于重量、尺寸都较大的反潜设备，一般微小型UAV不具备搭载能力，中型UAV带载能力也较弱，所携带的反潜器材覆盖海域面积有限。

5）同时UAV在舰上起飞、降落仍存在着较大的技术风险，使得当前UAV随舰艇（编队）遂行反潜任务的可能性较小，一般以岸基为中心进行作战。

3 无人反潜集群构成分析

基于对各型无人反潜系统特点分析，可以发现，由于当前USV/UUV/UAV本身固有的不足，单USV/UUV/UAV反潜作战效能有限，这与传统有人反潜作战系统的发展相似，只有所有的反潜作战元素构成体系，相互配合，才能充分发挥各个反潜作战元素的长处，取长补短，最大程度地发挥反潜体系作战效能。

此外，反潜体系所发挥的作战效能，不仅与反潜兵力相关，还与反潜兵力所绞联的指挥控制和作战保障相关，反潜兵力只有在得到指挥控制系统和作战保障系统的强力支撑下，才能更好地发挥固有的能力，这就需要建立反潜兵力与指挥控制系统和作战保障系统之间的可靠交互链路，对于无人反潜系统而言，这一点尤为重要。

同构无人集群执行反潜作战任务，虽然能够扩大任务区域覆盖率和降低任务响应时间，但固结于单无人作战系统上的短板并没有得到本质改善，或者改善的费效比太高。例如，USV反潜集群并不能改变其作战半径的限制。提高UAV反潜集群的反潜载荷带载量，需要UAV集群中UAV的数量达到一定的规模，单机、单次任务执行的效率太低，必然带来费用的提升，这显然不是明智之举。同时，无人集群的构建，与特定的反潜应用场景也有必然的相关性，随舰作战与近岸作战场景下的不同反潜任务，对无人集群的支持和限制也会有所不同。

无人集群的构成与其作战对象之间是最直接的关系，无人集群中各无人作战系统带载的反潜载荷直接作用于海洋环境和潜艇目标。现代潜艇技术的发展很快，隐身性在不断提高，使得反潜也变得越来越困难，特别是对低噪声隐身潜艇，必须采取新的措施来应对。例如，采用低频主动声呐探测潜艇，并结合使用其他非声探测手段[12]。但是，收发合置式低频主动声呐尺寸、重量、系统复杂度、工作能源需求等方面的要求都使得其安装于无人系统存在很大困难。如何发挥各种无人作战系统的特点，构成收发分置的多基地主动反潜声呐系统，不仅是装备技术方面的问题，也是反潜战术上的问题，对于开发无人集群反潜作战概念与系统至关重要。

通过对各型无人反潜系统特点的分析，合理地配置一个无人反潜集群，应综合以下因素：

1）无人反潜集群所搭载的反潜载荷对潜探测的有效性；

2）无人反潜集群对作战海域控制的广域性和持久性；

3）无人反潜集群的任务响应性；

4）无人反潜集群作战半径、作战环境等任务适应性；

5）无人反潜集群与指挥控制和作战保障的匹配性。

4 无人集群协同反潜作战概念开发

4.1 近岸无人集群协同反潜作战概念

近现代以来的局部战争表明，利用潜艇从水下发射导弹进行对陆攻击是最主要的作战模式之一。近年来，随着无人技术和水下运载技术的发展，UUV等水下作战平台和蛙人的作战能力得到快速提升，通过潜艇输送将UUV和蛙人输送到近岸距离内，利用UUV和蛙人进行渗透作战，也对一个国家的海军基地和重要经济设施构成很大威胁。有效地控制近岸海域水下空间，不仅能遏制敌对国家潜艇的活动，而且能够大大拓宽己方对海防御的空间。

传统反潜作战模式下，在近岸海域，一般通过护卫舰并辅以有限的海底固定反潜网络进行反潜作战，但只能对重点海域进行监控，要达到全海域全时段水下控制，所需要付出的军事成本异常昂贵，从效费比的观点来看是根本不可能实现。UAV和USV技术的发展，使得UAV和USV在近岸使用条件和保障条件已经逐步成熟，为解决反潜作战的难题提供了新的思路。无人集群反潜要兼顾多种制约因素，才能达到切实可行，并达到预期的反潜效果。基于此，对于近岸反潜作战需求，所构想的一种基于无人集群的协同反潜作战概念如图5所示。

图5 无人集群近岸协同反潜作战概念图Fig. 5 The concept of the near-shore unmanned cluster collaborative anti-submarine operation

无人反潜集群由无人机和无人艇组成，采用固定翼长航时无人机和中大型无人艇。其中无人机携带声呐浮标载荷和通信中继载荷，无人艇携带搜潜载荷和（或）反潜鱼雷载荷。无人艇部署于近岸敏感海域，当需要执行反潜任务时，无人机快速抵达任务海域投放声呐浮标，进行对潜搜索，一旦发现可疑潜艇目标，在岸基指挥控制系统统一协调下或无人集群自主协同下，指挥无人艇抵近对可疑目标进行确认、跟踪，甚至打击。

4.2 近岸无人集群协同反潜作战概念分析

由无人艇和无人机构成的岸基无人反潜集群，其反潜作战概念体现在对既有反潜作战体系作战能力不足的弥补，又立足于实际技术实现条件，分析如下：

1）中大型无人艇带载能力强，可携带精确搜潜载荷和鱼雷载荷，单次任务时间较长，航程较大，可根据反潜需要部署于某一海域范围内，长久值班；同时又具有较高的机动性，可根据反潜需要进行快速部署和转移，能够有效拓展对潜确认和打击距离，使得系统对海域控制范围大大增加；

2）固定翼长航时无人机可携带可观的反潜设备（主要为声呐浮标及相应配套设备），搭载反潜设备量可满足一定范围内对潜警戒、探测的需求，探测器材布放及时，布放区域大；留空时间长，能长久工作于任务海区，保持对潜探测的持续性；机动性强，在对潜预警信息或情报信息支持下，可快速到达任务海区，可有效避免了由于潜艇机动带来的目标丢失；能为无人艇提供持续目标指示；

3）中大型无人艇和固定翼长航时无人机环境适应性强，可满足较高海况下反潜任务需求，反潜任务出勤率有保障；无人艇与无人机依托岸基码头和机场，布放与回收不存在相关技术问题，集群可得到较好的运行保障；

4）在集群中，固定翼长航时无人机同时作为集群元素之间，以及集群与岸基信息连通的节点，无人集群与指挥控制系统间的直接相互联络可保证反潜任务对于通信能力的要求，集群的反潜任务半径有保证。

对比本文前述分析，该无人集群协同反潜作战概念具有较高的可行性。

5 结 语

通过整合各型异构无人反潜系统的优势，形成无人集群协同反潜系统，可弥补现有反潜作战体系对潜艇发现、跟踪和打击能力的不足，实现对更加广域海区的水下控制，提高执行反潜任务的效率和效费比，使之前不可能完成的任务变为可能，充分抵消潜艇战带来的不对称性，从而带来传统反潜作战模式的改变，充分满足未来反潜作战发展趋势的要求。无人集群协同反潜作战概念开发仍处于起步阶段，通过演示验证试验对无人集群协同反潜概念进行论证和完善是后续工作的重点，相应地也能牵引无人协同反潜技术、装备的发展。