未来大中型无人潜航器作战问题研究

戚学文，李 慧，王 相

(1.中国人民解放军91776部队，北京 100161；2.复杂舰船系统仿真重点实验室，北京 100161)

0 引 言

自20世纪80年代以来，海上战争形态发生了重大变化，信息化海上战争已由萌芽状态趋于成熟。与以往战争形态相比，信息化海上战争具有作战纵深扩大、作战空间多维、作战节奏加快等鲜明特征。作为未来海战水下兵力的重要组成部分，大中型无人潜航器是袭击敌方水面舰船、潜艇等兵力以及封控、破坏敌方海上交通线等军事行动的关键力量，其隐蔽性好，易达成打击行动的猝发性，能够有效缩短对手反应时间，形成隐蔽突然的打击效果[1 – 2]。因此，无人潜航器具有其它兵力无可比拟的优势，将在未来信息化海战中发挥重要作用。但同时也应看到，未来信息化海战对无人潜航器的作战使用也提出了更高要求。根据大中型无人潜航器装备研究现状及今后发展趋势，对其在未来海战场中信息通联能力需求及协同作战相关问题进行设想与探讨。

1 无人潜航器作战运用面临的挑战

信息化对海战提出了新要求，无人潜航器在作战对象、作战运用方式以及战场环境等多方面均与以往存在较大差异[3]。反潜武器装备方面，随着高新技术的发展及其在军事领域的运用，催生了快速、远程、高精度反潜武器的出现与列装，实现了跨越式发展，无人潜航器一旦被发现极易受到攻击，面临的威胁程度加剧[4]。而对于作战对象而言，其可能拥有全时空、全天候立体多维的天基、空中、水面以及水下综合侦察监视系统，基于此，水下战场模糊程度降低，趋于单向透明，无人潜航器隐蔽作战行动难度增大。可见，无论是兵力自身防御，还是信息化海战需求，深层次思考、研究无人潜航器的作战运用问题显得异常迫切。

未来信息化海战场上，无人潜航器主要作战对象除了包括敌护航运输队的大型舰艇编队之外，还有敌方的潜艇兵力。显然，由于单平台作战能力及火力限制，单个无人潜航器作战难以达成对敌潜艇成功驱离甚至歼灭敌舰艇编队的作战目标。于是，以往水下兵力使用中“单平台独立作战”为主的方式面临着前所未有的挑战，取而代之的是水下多平台协同作战，或与联合作战体系中其它兵力密切配合，水下兵力协同作战逐步引起重视[5]。通常情况下，为了实施对敌方目标连续、大规模的集中打击，可在对目标实施作战行动的适宜海域，配置无人潜航器战术群隐蔽待机。可见，未来海战中无人潜航器主要作战运用样式将转变为平台间的协同作战[6]，有必要立足当前，开展对于大中型无人潜航器隐蔽协同作战相关问题的研究和探讨。

2 无人潜航器信息通联能力需求及手段

无人潜航器各平台之间如何建立有效的通信联络，特别是在保持平台隐蔽性和机动性前提下，实现通信的快速建立和有效维持，构建强韧可靠的指挥控制链路，是实现兵力战术协同的前提和基础[7]。因此，信息化条件下无人潜航器隐蔽协同作战，必须依赖隐蔽、及时、可靠的信息通联能力及手段。

2.1 信息通联能力需求

信息通联能力是无人潜航器隐蔽协同作战的关键环节，对兵力协同作战行动能否达成起着至关重要的作用，需要具备如下信息通联能力。

2.1.1 双向通信能力

无人潜航器具有隐蔽性好、打击突然以及自给力强等其它平台无可比拟的优点，为了有效发挥其作战优势，不仅需要具备水下及时、准确获取作战信息的能力[8]，还需要能够与参与协同作战的其它无人潜航器平台发送收集到的战场态势信息、收发协同指令以及必要应答命令信息的能力，还需具备在必要时发送紧急报告与求救信息的能力。考虑到水下协同作战中各作战单元间距及其通联需求，无人潜航器应具备通信距离10千米量[8]。

2.1.2 高速率可靠通信能力

随着信息化条件下海战对宽带业务的需求日益增长，对无人潜航器通信系统信息化要求越来越高，要求具备更高传输速率、更高传输可靠性和更强抗干扰性能的远距、区域通信能力，以满足未来海战场空间拓展需求。考虑到水下协同作战中的信息通联内容及数据量需求，无人潜航器应具备通信速率1.2 kbps的水下可靠通信能力[8]，以保证目标基本信息共享和作战指令接收；若未来作战中要实现战场态势完全共享，则至少需将水下通信速率提升至1 mbps甚至更高量级。

2.1.3 隐蔽通信能力

通信是协同的前提，而水下通信的隐蔽性对于无人潜航器之间的协同作战而言至关重要。传统意义上的水下通信往往对水下平台的当前阵位、航速甚至航向、姿态均有要求，达成通信往往需要兵力平台当前状态的相应变化，然而随着状态的改变，其兵力隐蔽性以及安全性等问题接踵而至，比如航行深度的变化可能会使无人潜航器损失当前有利的水声环境，机动要素的改变可能破坏无人潜航器的隐蔽性，还可能对无人潜航器协同作战的战术动作产生干扰，为作战行动的顺利实施带来负面影响。可见，传统水下通信方式现状与无人潜航器协同作战对隐蔽水下通信能力需求之间的矛盾不可回避。考虑到水下协同作战对通信隐蔽性方面的需求，未来迫切需要研究开发不受水下作战平台深度、航速、航向约束的隐蔽水下通信方式和手段，以切实提高无人潜航器水下作战的战术灵活度和自身生存能力。

2.2 信息通联技术手段

无人潜航器作战处于大范围海水包裹之中，由于海水的导电性能很强，因此电磁波在海水中的传播存在的严重的衰减效应，且其衰减程度会随着频率升高而显著增大；光波虽可用于高速数据通信，但其在水中会被快速散射和吸收，因此通信距离严重受限；声波在海水中的传播衰减要小得多，低频声波可用于水下远程通信，但数据传输速率（1 kbps量级）和时效性（距离100千米约需67秒）较差，仅能传输简单的指令或报文信息，当前尚无法满足水下高速、实时信息传输需求。由于海洋环境以及海水介质的特殊性，加之自身战术性能以及特殊工作模式，无人潜航器协同作战信息通联实现手段较之其它兵力受到较大限制，预计未来一段时期内，无人潜航器水下通信手段仍将以水声通信为主。具有显著区别。根据现有水下通信技术，结合相关技术发展趋势，提出几种在信息化条件下无人潜航器协同作战中可行的信息连通技术手段[9]。

2.2.1 水声通信技术

与常用的电磁波和光波相比较，声波在海水中衰减小得多，因此水声是一种有效的水下通信手段。但是，水声信道是一个十分复杂的多径传输通道，且环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低，且传输时延大。为了克服这些不利因素，近几年已经出现多种水声通信技术，如多载波调制技术、多输入多输出（MIMO）技术等，通信能力及效果不断提升，在较为理想的条件下，低频水声通信距离可达1000千米量级甚至更远，基本满足简单指令（如无人潜航器的水下远程振铃唤醒等）的水下远距传输需求。

2.2.2 水下光通信技术

海水对蓝绿光（波长450～530 nm）的衰减比对其它波段光的衰减要小很多，且蓝绿激光对海水的穿透能力强，利用海水对蓝绿激光的低损耗区间可实现飞机（或卫星）对水下约300米深度水下平台的隐蔽通信，建立水下指控通信链路，在较为纯净的海水中，通信距离可达500米量级。且不受电磁及核辐射的影响，方向性好，能够避免敌方的侦察[10]。另外，蓝绿激光通信速率高，速率传输能力强，不受天气、环境和气象条件的影响，但在浅近海域，由于水中悬浮颗粒及浮游生物对光的散射作用，加之自然光形成的干扰，会显著影响水下通信距离。

2.2.3 量子通信技术

量子通信是通信技术与量子物理学相融合形成的一门新兴学科，是通信技术上的又一次划时代的革命，成为近几年通信技术的研究热点，具有广阔的应用前景。该技术利用光的粒子特性传输“0”和“1”任意方式叠加的信息，在保证通信绝对安全的前提下，追求更远的通信距离、更高的通信效率，实现高性能的新型通信系统[11]。由于量子通信在保密性、通信容量、通信距离等方面都具有十分明显的优势，因此利用该技术可构建高速、大容量的通信网络，实现高清晰度图像等大容量超高数据的保密传输，也是信息化条件下无人潜航器协同作战信息通联技术发展的重要方向之一，但目前该领域研究尚处于理论模型阶段，距离实际应用还有很大差距。

2.2.4 跨域通信技术

依托潜标、浮标或水面平台等通信中继节点，综合运用水声、无线电等多种水下空中通信手段，建立跨越水空介质的跨域通信链路，可实现水下状态无人潜航器与空中平台、通信卫星乃至岸基指挥所之间的信息通联。跨域通信综合运用多种信息传输技术手段，其传输性能及通信能力主要参照电磁波、水声通信等。

围绕水下通信需求及技术手段，美国海军潜艇集成项目办公室（Submarine Integration Program Office）最早发起相关技术研究，提出了一系列用于解决水下平台通信的关键技术和相关概念，其中部分典型通信手段性能对比如图1所示。

图1 部分典型水下通信手段性能对比示意图Fig.1 Performance comparison diagram of some typical underwater communication means

3 无人潜航器隐蔽协同作战模式

执行作战任务过程中，为保持水下行动隐蔽性，水声被动探测方式通常是无人潜航器的首选探测方式。受限于隐蔽水下通信手段，若采用传统的无人潜航器单平台战术方法，作战全程中的目标被动定位→机动占领阵位→武器发射攻击等多个环节均需单平台独立完成。然而，基于单站纯方位的单平台被动定位算法存在诸多问题，例如无人潜航器判定运动要素对目标发起攻击前，往往需要首先进行占位机动，此外还存在目标要素收敛速度慢等问题，严重制约了无人潜航器作战时效性[12]，而依托多个无人潜航器构建“水下无人群”实施水下隐蔽协同攻击，单平台机动航程和时间有效缩短，利于对目标发起快速饱和攻击。因此，亟需探索研究无人潜航器水下隐蔽协同作战模式，在有效保存自己的前提下实现“静、快、远、准”的对敌突袭。

3.1 浅近海域隐蔽协同作战模式

在有限水深情况下，声波在由浅近海域海面、海底形成的浅海声道传播过程中，受到海面以及海底多次反射、折射作用，衰减损失（吸收、散射等）明显，由此限制了水声传播的距离。

对于无人潜航器“水下无人群”协同作战而言，多平台协同定位是关键问题之一[13]。首先，需要测量目标方位信息（由各无人潜航器被动声呐测得），之后利用隐蔽水下通信手段实现方位信息交换，由于这种方式可以增加目标的方位变化率，因此目标的可观测性就会大大提高，从而目标的各项运动要素也能够迅速得以求解。采用无人潜航器多平台协同定位方式，求解目标运动要素通常并不需要占位机动，求解速度较之单平台定位方式显著加快[14]，便于准确、快速定位目标。

“水下无人群”隐蔽协同作战需要更高标准的水下、跨域通信链路作为保障，不仅对通信准确性和快速性提出新的要求，而且又不能丧失通信的隐蔽性。因此在浅近海域，要求通信设备功率不能太大，且各无人潜航器之间的通信力求次数少、速度快，通过这种手段降低敌方反潜兵力对我无人潜航器的发现概率[15]。海水介质的特殊性、复杂性决定了水声通信与空中电磁波通信差异较大，水声信道是一种速衰时散信道，不仅存在明显的相位起伏，而且存在严重的由时变多径现象带来的码间干扰（ISI），上述多重效应对水声通信效果影响较大，使其不仅误码率高，而且数据率低[16]。水下隐蔽协同作战难点多，与水声通信存在的这些缺陷密切相关，要满足浅近海域无人潜航器隐蔽协同作战需求，必然要求改进当前水下通信方式及手段，基于前文所述的水下隐蔽协同作战对信息通联能力的需求，创新水下通信机制，研发相应装备、设备。

3.2 深远海域隐蔽协同作战模式

深远海域水声传播多途结构显著，且受海面、海底衰减作用影响较小，反射波与直达波重叠，声波在其中的传播特性较之浅近海域具有明显差异。大中型无人潜航器可长期水下状态航行，自持力、续航力、暴露率等均优于轻小型无人潜航器，因此相对而言更适用于深远海域协同作战。

结合深远海域水声传播特性以及大中型无人潜航器性能特点，基于无线自组织网络理论，提出构建一种水下目标隐蔽跟踪模型如下：根据态势预估战场位置，在相应海域的海底以及海水当中，由大中型无人潜航器布放若干实时水声通信潜标（数量根据潜标性能、布放空间以及作战需求而定），通过近距水声通信手段，潜标以自组织方式形成水下探测网络，实现对敌目标的实时探测跟踪。对于水声通信潜标而言，其声呐发射通信声信号的功率较小，且布放区域通常在深海，因此可保证水下通信的隐蔽性，而且即使通信暴露后潜标受到破坏，也不会危及无人潜航器兵力自身的安全。此外依托潜标，水下运动的无人潜航器也可通过“多跳路由”方式达成隐蔽通信，利用自组织水下探测网络实现无人潜航器的水下隐蔽协同作战。

这种基于深海潜标的水下隐蔽通信方式，关键是要设计无线自组织网络的通信协议、跟踪与定位算法[17]，建立一种满足未来信息化条件下大中型无人潜航器隐蔽协同作战信息通联能力需求的“分布式水下无线自组织网络”，其由海底、海中布放的传感器节点、无人潜航器兵力平台和作为主节点的海面站构成跨域无线通信网络。各节点之间采用“多跳”的水声通信，传感器节点采集的数据经主节点的无线电Modem与岸上的指挥控制中心通联，也可经网关节点与Internet骨干网或其它军事通信网络连接（包括通信卫星中转）。节点中各种传感器的混合利用有利于提高探测的性能指标，多节点联合，可形成较大的实时探测区域。在水下无线自组织网络中，传感器节点可与敌潜艇近距离接触，一方面大大消除了环境噪声对系统性能的影响，同时更容易探测和跟踪敌方低噪音潜艇，从而能够更有效地对敌潜艇进行跟踪。

需要指出的是，从功能方面来讲，“水下无人群”中的部分兵力节点可由有人潜艇替代，且有人潜艇可充当指控通信节点，采取这种有人-无人协同作战的方式虽然可在一定程度上弥补无人协同作战智能化水平不足的缺陷，但潜艇的声波反射截面积远远大于无人潜航器，面对敌水下目标，尤其是敌方性能先进的潜艇，我方潜艇很难做到先敌发现，因此有人-无人水下协同作战中，有人兵力面临伤亡风险大、作战代价高、心理压力强的困境，且受到人员耐受能力等方面的限制，难以做到在预设海域长期隐蔽待机值守，持续性较差。可见，由大中型无人潜航器构成“水下无人群”协同作战方式，在未来水下隐蔽作战中具有广阔的应用前景与重要的研究价值。下面立足于大中型无人潜航器协同作战能力未来发展，研究其在不同海域环境下的隐蔽协同作战运用方法。

4 无人潜航器隐蔽协同作战方法

实现“水下无人群”内不同无人潜航器平台上多传感器和各种武器间的良好协同，即无人潜航器隐蔽协同作战中的目标指示和武器控制算法，达成传感器、攻击引导和射手间的有机耦合，是发挥水下网络战作战效能的有效手段。由于水下协同作战组织难度限制，本文所提到的无人潜航器协同作战通常指2～4个无人潜航器的协同作战。

4.1 浅近海域隐蔽协同作战方法

在浅近海域，具备隐蔽协同作战通信能力的无人潜航器可在预定海域（阵地）内坐沉“液体海底”或悬停待机，也可以2～4 kn航速低速游弋。参与协同作战的无人潜航器以一定阵位分布在指定海域设伏，它们通过隐蔽协同作战通信设备交换目标方位等信息，有效避免了无人潜航器单平台作战时的远距离、长时间占位机动，迅速求解目标运动要素，从而对目标发起多轮突然攻击，如图2所示。

图2 浅近海域隐蔽协同作战示意图Fig.2 Diagram of covert cooperative operations in shallow sea areas

浅近海域无人潜航器隐蔽协同作战通信设备的通信方式主要有2种：一种是在一段时间内实时通信，另一种是观测一段时间后（一般为3～5 min）一次快速通信。以上2种通信方式各有利弊，需要根据战场实际灵活选取。其中，实时通信方式易降低无人潜航器兵力平台的隐蔽性，增大暴露率，但可使用递推形式的滤波算法（如扩展卡尔曼滤波），跟踪精度较高；一次快速通信方式隐蔽性较好，但需要短时传输的数据量较大，对通信潜标的数据率要求较高，可使用批处理形式的滤波算法[18]。

4.2 深远海域隐蔽协同作战方法

在深远海域的作战伏击区域，由大中型无人潜航器将若干通信潜标依次布放呈蜂窝状阵列，建立分布式自组织水下探测网络。各通信潜标根据设定间隔（如2000 m）布放到位后，自动悬浮于作战伏击海域中一定水深（按需设定，通常取100～300 m）构建水下通信网络阵地。作战时，各无人潜航器平台于通信阵地附近低速巡逻游弋，实时接收分布式自组织水下探测网络发布的目标数据及敌情信息，必要时能够及时展开协同作战行动。上述过程中，通信潜标的可能暴露距离远远小于我方对敌目标的探测发现距离，能够支撑实现无人潜航器的远距水下隐蔽协同作战，如图3所示。

图3 深远海域隐蔽协同作战示意图Fig.3 Diagram of covert cooperative operations in deep sea areas

5 结 语

未来信息化海战中，应将大中型无人潜航器组成“水下无人群”，以水下无人兵力“小群作战”的协同作战使用样式弥补单平台作战能力以及有人-无人协同作战的缺陷和不足，对敌方目标形成小群多路的合围态势，乘隙突破敌方多层警戒，发射足够数量的鱼雷武器从多个方向予以迅猛打击，便于对敌实施多向饱和攻击，大大提高整体打击效能。为达到这一目标，需要不断拓展无人潜航器隐蔽协同作战水下、跨域通信方式，创新通信技术手段，探索通信技术支持，并尽快改进、形成主战装备。军事需求的变化、技术战术水平的发展以及对无人潜航器隐蔽协同作战研究的深入，将改变传统的水下作战模式和方法，促进无人潜航器作战理论体系日趋完善，同时对水下协同作战理论的发展起到积极的推动作用。