黃 波,常金達(dá),丁 浩,劉啟軍
(1. 海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266199;2. 中國人民解放軍92196部隊,山東 青島 266011)
潛艇憑借其特有的隱蔽作戰(zhàn)模式長期稱霸水下戰(zhàn)場,近年來世界強國均將其作為海上重要遏制力量加以發(fā)展,現(xiàn)代新型潛艇的生命力和作戰(zhàn)能力大幅提升。與此同時,無人水下航行器(UUV)在軍事應(yīng)用方面取得豐碩成果,一些國家已開始著手構(gòu)建相應(yīng)的水下無人作戰(zhàn)體系[1]。伴隨各種反潛技術(shù)和兵力戰(zhàn)法的研究應(yīng)用,潛艇水下行動和作戰(zhàn)運用面臨更加復(fù)雜的形勢,傳統(tǒng)的潛艇作戰(zhàn)運用模式面臨諸多挑戰(zhàn)。
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(zhàn)場感知能力,這必須加強其外圍的信息支援保障。傳統(tǒng)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(yīng)對突發(fā)情況。為此,本文研究UUV伴隨保障潛艇水下行動的協(xié)同作戰(zhàn)模式,以有效改善潛艇對水下環(huán)境及敵情實時感知能力。
潛艇非編隊執(zhí)行任務(wù)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(jié)合有限的外部信息指令開展水下行動。基于潛艇常規(guī)裝備技術(shù)和作戰(zhàn)需求,目前主要面臨4個突出問題。
長時間的水下航行是潛艇最基本的作戰(zhàn)運用模式,其安全問題則首當(dāng)其沖。一方面由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和多變性,水下自主導(dǎo)航勢必存在不確定的偏差,潛艇水下持續(xù)長航存在較大的定位誤差;另一方面水下反潛預(yù)置裝備和人類海洋活動遺棄物對潛艇水下航行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
為降低暴露概率,潛艇水下行動時的偵察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(qū),另一方面對靜音目標(biāo)“束手無策”,而潛望鏡也只能在特定條件下對有限范圍進(jìn)行粗略偵察。潛艇對近程敵情態(tài)勢缺乏全面、及時掌控,嚴(yán)重影響其應(yīng)急處突能力。
潛艇對目標(biāo)的探測主要依靠被動聲吶,而目標(biāo)噪聲信號和水聲環(huán)境的復(fù)雜性嚴(yán)重制約目標(biāo)定位和識別的準(zhǔn)確度,影響潛艇的指揮決策和作戰(zhàn)系統(tǒng)的實際效能,潛艇中遠(yuǎn)程自主攻防能力存在突出問題。
傳統(tǒng)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(fā)信時都要進(jìn)行上浮機動到天線可用深度,且無法進(jìn)行大量或?qū)崟r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(fēng)險較大。潛艇的水下通信現(xiàn)狀嚴(yán)重影響其作戰(zhàn)運用和作戰(zhàn)效能。
搭載相關(guān)功能模塊的UUV,借助一定的技術(shù)手段與潛艇保持高效通信,可以充當(dāng)潛艇水下探測和通信的外圍節(jié)點,為獨自執(zhí)行任務(wù)的潛艇提供所需的支援保障。針對潛艇獨立執(zhí)行任務(wù)時的戰(zhàn)場環(huán)境和信息保障需求,其協(xié)同作戰(zhàn)模式主要為4種。
潛艇水下航行安全主要面臨的威脅有:長航導(dǎo)致的定位偏差;水下不明障礙物;復(fù)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(dāng)水下航道情況的“探路者”,另一方面根據(jù)指令上浮校準(zhǔn)地理坐標(biāo)。
圖 1 UUV保障潛艇水下航行編隊示意圖Fig. 1 Schematic of submarine underwater navigation support with UUV
根據(jù)不同的航道特點和作戰(zhàn)環(huán)境,UUV保障潛艇水下安全航行有具體的運用方式及相關(guān)要求。
2.1.1 深遠(yuǎn)海的水下巡航保障方式潛艇在深遠(yuǎn)海水下航行時,海區(qū)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(jìn)行預(yù)先查探,潛艇聲吶要時刻保持對前方UUV航行狀態(tài)的監(jiān)聽。UUV在這種模式下盡量不使用暴露技術(shù)手段,一旦遇到異常情況,通過快速機動回撤的方式發(fā)出警報,在距潛艇足夠近時再進(jìn)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。由于近淺海的海底形起伏較大,各類海洋作業(yè)的水下遺留物復(fù)雜,潛艇會依據(jù)海圖和實際經(jīng)驗規(guī)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(shè)施(如近岸反潛體系)對潛艇將構(gòu)成直接的威脅。對于這種水下環(huán)境,要求UUV具備較強的偵測識別和對抗能力,同時對指揮協(xié)同提出較高要求。
當(dāng)潛艇處于高等級作戰(zhàn)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(guān)情況,對近程警戒偵察提出要求。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(zhàn)術(shù)機動和等待時機等方式進(jìn)行偵察,遂行應(yīng)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察能力的UUV,實現(xiàn)近程全方位的警戒偵察,如圖2所示。3個UUV圍繞潛艇在一個水平面內(nèi)成“正三角”環(huán)繞伴隨保障,根據(jù)方案或指令實現(xiàn)全方位立體警戒或區(qū)域重點偵察。
圖 2 UUV伴隨潛艇水下近程警戒偵察示意圖Fig. 2 Schematic of short-range guard situation of UUV accompanying submarine undersea
2.2.1 潛艇進(jìn)入敏感海區(qū)的立體警戒
當(dāng)潛艇進(jìn)入敏感海區(qū)(敵情和水文條件較復(fù)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(nèi)組群(見圖2),主要是對潛艇的聲吶盲區(qū)和預(yù)定航道進(jìn)行伴隨警戒,也可根據(jù)需求上浮至水面對空中敵情進(jìn)行偵察。
2.2.2 潛艇對水下突發(fā)情況或預(yù)定目標(biāo)的偵察
潛艇水下行動突遇特情(不明噪聲源或艇外異響等)時,可指揮就近的UUV抵近偵察,及時獲悉準(zhǔn)確情況,便于采取相應(yīng)措施。為獲知預(yù)定目標(biāo)(港口碼頭或停泊艦艇等)的詳情,可部署具備相應(yīng)自主偵察能力的UUV遠(yuǎn)距離抵近偵察。這種UUV運用對其相關(guān)功能指標(biāo)(航速、續(xù)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察
潛艇在上浮前,為確保上浮點附近沒有敵情,可指揮UUV提前上浮至預(yù)定海面對水面及空中敵情進(jìn)行偵察。對于特定或可疑海區(qū),可部署UUV下潛到海底進(jìn)行實景地貌測繪或可疑目標(biāo)探測。
潛艇對目標(biāo)實施水下隱蔽攻擊是其典型的作戰(zhàn)運用模式,其傳統(tǒng)的目標(biāo)信息保障主要來自于自身的被動聲吶系統(tǒng)。由于水聲環(huán)境的復(fù)雜性和潛艇被動聲吶的工作特性,潛艇本身對目標(biāo)的探測及定位能力有限,影響了現(xiàn)代潛艇雷彈武器的指揮控制,相應(yīng)的作戰(zhàn)效能受到制約。而其他的信息支援主要是按照預(yù)案、借助通信手段獲取的目標(biāo)歷史信息,信息的局限性很大,主要服務(wù)于潛艇的戰(zhàn)略決策和戰(zhàn)術(shù)行動。
針對潛艇實施水下雷彈攻擊的目標(biāo)保障需求,UUV根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)提前部署在目標(biāo)區(qū)域附近,通過潛艇指令實現(xiàn)喚醒、任務(wù)接受、目標(biāo)探測和信息回傳,如圖3所示。為達(dá)到對指定區(qū)域的全時、精準(zhǔn)偵測能力,需要多個UUV分級、分工組網(wǎng)工作。其中領(lǐng)導(dǎo)級的UUV(圖3中的UUV1)負(fù)責(zé)整個UUV網(wǎng)群的指揮管理和情報匯總,并與潛艇保持?jǐn)?shù)據(jù)通信。從屬UUV根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)級的指令,完成水下組網(wǎng)部署和協(xié)同偵測。
圖 3 UUV對潛艇目標(biāo)信息支援保障示意圖Fig. 3 Schematic of UUV support submarine with target information
潛艇的水下通信主要依靠其通信聲吶,與己方艦艇進(jìn)行短距離、低速率通信,滿足編隊協(xié)同指揮需求[2]。當(dāng)潛艇獨自行動時,因為隱蔽性要求和實際效果較差,水聲通信幾乎不用。為提高潛艇水下隱蔽、快速獲取情報的能力,可以采用UUV擔(dān)當(dāng)“通信使者”的方式,間接實現(xiàn)潛艇水下對外遠(yuǎn)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(zhàn)術(shù)應(yīng)對(反偵測、誘騙等)能力和自主返回能力,潛艇也應(yīng)配備相應(yīng)的指控系統(tǒng)。
圖 4 潛艇“通信使者”UUV運用示意圖Fig. 4 Schematic of UUV apply as submarine’s message
要實現(xiàn)上述潛艇和UUV協(xié)同作戰(zhàn)模式,需要面臨相應(yīng)的指揮控制和裝備技術(shù)兩大問題。指揮控制技術(shù)要求針對不同的運用模式和具體任務(wù),實現(xiàn)部署和協(xié)同的自動化和智能化,這必須依托潛艇已有的技術(shù)條件和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng);而裝備技術(shù)則是要突破相關(guān)的“瓶頸”問題?;谏鲜鰠f(xié)同模式和相關(guān)要求,主要的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個方面:
潛艇UUV指控技術(shù)是潛艇利用通信手段,指揮控制UUV按照預(yù)定方案工作,達(dá)到預(yù)期的協(xié)同作戰(zhàn)目的。這就需要基于潛艇已有的指揮平臺,開發(fā)出相應(yīng)的指控系統(tǒng)。由于UUV在體系中主要是提供保障支援,因此該指控系統(tǒng)還要具有信息綜合顯控功能,其系統(tǒng)框架如圖5所示。
圖 5 潛艇UUV指控系統(tǒng)組成框圖Fig. 5 Structure frame of submarine’s UUV command control system
該UUV指控系統(tǒng)需要潛艇增設(shè)相應(yīng)的外圍設(shè)備,包括專門的通信天線和布放回收平臺等。系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)模式和UUV類型自動生成指控數(shù)據(jù),依托通信模塊實現(xiàn)指令下達(dá)、協(xié)同控制和信息綜合;實時分析情報信息,自動調(diào)整行動規(guī)劃,及時給出相關(guān)的決策建議。
這里研究的潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)主要分為伴隨保障和遠(yuǎn)程支援兩類。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信指揮;而后者則是任務(wù)針對性很突出,按預(yù)定計劃提前部署UUV,距離潛艇較遠(yuǎn)。因此,就分別有潛艇布放和遠(yuǎn)程預(yù)先布放2種方案。
3.2.1 潛艇布放UUV及技術(shù)
對于擔(dān)負(fù)遂行保障任務(wù)的UUV,由于任務(wù)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(jié)合UUV的伴隨運用模式,要求潛艇能安全方便布放和可靠準(zhǔn)確的回收,同時不能影響潛艇的外部流線型和其他原有設(shè)備。為此,潛艇外部搭載UUV已被廣泛認(rèn)可,這需要專門設(shè)計潛艇外部的搭載平臺和UUV的外形結(jié)構(gòu),滿足潛艇流線外形和動態(tài)布放要求[3]。美國研發(fā)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(shù)面臨諸多問題,一方面UUV水下精確控制及對準(zhǔn)技術(shù),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(jié)構(gòu)功能設(shè)計和UUV導(dǎo)引控制技術(shù)提出了很高的要求。
3.2.2 遠(yuǎn)程預(yù)先布放UUV及技術(shù)
遠(yuǎn)程預(yù)先布放UUV根據(jù)戰(zhàn)略意圖可分為長期部署和戰(zhàn)前預(yù)先部署兩類。前者是面向戰(zhàn)略需要、為己方提供常態(tài)的水下情報信息,后者則是針對海上可能的具體作戰(zhàn)需求。這類情況可以借助各種運輸工具(艦船、飛機、火箭等)進(jìn)行提前布放,只需對UUV進(jìn)行相應(yīng)的安全投放設(shè)計,對平臺投放技術(shù)要求不高。對于有回收價值的UUV,可以在任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行水面人工回收。這類UUV要求有較強的自主工作能力、協(xié)同能力和水下自持力。
多個UUV組網(wǎng)對潛艇構(gòu)成強大的保障體系,這個體系的組網(wǎng)協(xié)同模式?jīng)Q定了UUV個體的功能指標(biāo)和整個體系的綜合能力。該體系一方面是UUV之間的協(xié)同關(guān)系,另一方面則是與潛艇的指揮關(guān)系。結(jié)合前面構(gòu)建的潛艇與UUV協(xié)同模式,可分為集中式、分布式和集散式三類組網(wǎng)方式[4],其組織關(guān)系分別如圖6所示。
1)集中式組網(wǎng)體系
圖 6 UUV三類組網(wǎng)關(guān)系圖Fig. 6 Graph of relation of three UUV networking
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(guān)系。這種組網(wǎng)方式關(guān)系簡單,易于實現(xiàn),適合于任務(wù)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(tǒng)適應(yīng)性較差。
2)分布式組網(wǎng)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(xié)同關(guān)系。這種組網(wǎng)方式充分發(fā)揮UUV個體能力和協(xié)作優(yōu)勢,適合于復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的保障支援任務(wù),具有較強的適應(yīng)性。它對潛艇的綜合指控和UUV的決策協(xié)同能力要求較高,技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜;由于通信量較大,對信號處理和數(shù)據(jù)融合提出較高的要求。
3)集散式組網(wǎng)體系
這種組網(wǎng)方式是將集中式和分布式進(jìn)行了整合,是基于智能UUV優(yōu)秀的決策指揮能力,減少潛艇與UUV的通信量,高效發(fā)揮UUV的自主協(xié)同能力。這種組網(wǎng)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(jìn)行通信,并指揮協(xié)同下級UUV開展相應(yīng)的工作;同時各UUV之間保持信息交互,實現(xiàn)資源共享,為體系決策提供有力保障。這種體系適合于遠(yuǎn)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。
潛艇與UUV的協(xié)同作戰(zhàn),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。水聲通信則是水下指揮協(xié)同的主要手段,一方面是潛艇與UUV的水聲通信,另一方面是UUV之間的水聲通信。為了確保潛艇的隱蔽性,潛艇與外界的水聲通信受到嚴(yán)格限制[5]。為此,需要根據(jù)不同的戰(zhàn)場態(tài)勢,采取低暴露的通信模式,應(yīng)用先進(jìn)的通信技術(shù),確保水下信息傳輸?shù)目煽啃?、高速率和遠(yuǎn)距離。
3.4.1 潛艇與UUV的水聲通信策略
為降低潛艇水聲通信帶來的暴露風(fēng)險,需要根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境采取適當(dāng)?shù)碾[蔽通信策略。基于水聲通信的特點,主要采取下述策略:
1)定時、定向和短時水聲通信
潛艇在開始部署任務(wù)時,就要明確與UUV的通信方案,包括通信時間、信息格式和通信方向,這個規(guī)則是根據(jù)任務(wù)需求和戰(zhàn)場環(huán)境來確定和調(diào)整的。在確保實際通信效率的前提下,降低潛艇的暴露概率。
2)UUV“擺渡”實現(xiàn)低功率、遠(yuǎn)距離水聲通信
通過指揮單個UUV抵近潛艇實現(xiàn)低功率、高速率數(shù)據(jù)通信,讓潛艇水聲通信信號的對外輻射很小,這個UUV再快速機動到其他UUV附近進(jìn)行信息“擺渡”。這種模式可能會需要多個UUV進(jìn)行“協(xié)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、同制式水聲通信欺擾
在復(fù)雜敵情環(huán)境下,潛艇與領(lǐng)導(dǎo)級UUV進(jìn)行必要的遠(yuǎn)距離水聲通信,很容易導(dǎo)致潛艇暴露。為此,可以指揮從屬級UUV之間同步發(fā)出同制式的通信信號,干擾敵方相應(yīng)的偵測和判斷。
3.4.2 遠(yuǎn)程水聲通信和通信組網(wǎng)技術(shù)
近年來,我國相關(guān)科研單位在水聲通信技術(shù)、通信算法、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、組網(wǎng)應(yīng)用、協(xié)議規(guī)范制定等方面取得長足進(jìn)步,相關(guān)成果已經(jīng)得到實際驗證[6]。這些技術(shù)應(yīng)用到UUV上,使得UUV之間的通信距離和速率大幅提升[7],一方面增強了UUV組網(wǎng)協(xié)同工作的可靠性,另一方面使得UUV組網(wǎng)的覆蓋范圍更廣、支援保障能力更強。
UUV已經(jīng)發(fā)展了很多年,在一些領(lǐng)域已取得了顯著的應(yīng)用效果。但其組網(wǎng)協(xié)同保障支援潛艇的實際應(yīng)用很少,除了指揮協(xié)同問題外,還受到UUV自身技術(shù)的限制。針對未來使用需求,應(yīng)在兩大技術(shù)方面有所突破。
3.5.1 UUV的動力技術(shù)
由于UUV的體積不大,其動力性能無法與艦船相比,續(xù)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(chǔ)上,考慮搭配其他自適應(yīng)動力模式(如水下滑翔);采用多速制和高效率推進(jìn)器降低能耗;通過結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)。
3.5.2 UUV的智能技術(shù)
UUV在本文中需要對簡單指令和復(fù)雜信息進(jìn)行綜合分析,根據(jù)規(guī)則做出決策,針對實情做出響應(yīng);在組網(wǎng)時,要求UUV相互之間能夠密切配合,協(xié)同工作,高效完成任務(wù)指令。因此要求UUV擁有較高的智能,能自主完成相應(yīng)工作。這需要加強以下方面:
1)構(gòu)建完善的邏輯判斷規(guī)則和科學(xué)的行為方式;
2)不斷完善相關(guān)情報數(shù)據(jù)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(huán)境感知、信息處理和水下作業(yè)能力。
UUV 協(xié)同潛艇作戰(zhàn),其導(dǎo)航定位精度十分重要,這要求配備相應(yīng)的導(dǎo)航定位手段。小型的自主導(dǎo)航設(shè)備其定位誤差較大,必須采用其他輔助導(dǎo)航定位手段(衛(wèi)星、海底地形導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航等)[8]。同時,洋流對UUV導(dǎo)航控制影響明顯,可采取相應(yīng)技術(shù)方案和技術(shù)措施進(jìn)行補償。對于具備自主返回對接和水下作業(yè)功能的UUV,還需加強其姿態(tài)控制精度[9]。
近年來,世界各國加大發(fā)展無人作戰(zhàn)力量的建設(shè),無人裝備與有人體系的結(jié)合運用成為研究熱點。潛艇在面對復(fù)雜的水下戰(zhàn)場環(huán)境時,需要外圍的情報信息支援保障,以確保自身安全和戰(zhàn)場態(tài)勢的準(zhǔn)確獲悉。UUV與潛艇的水下協(xié)同運用已在業(yè)內(nèi)得到廣泛認(rèn)同,相關(guān)領(lǐng)域及技術(shù)的研究已初顯成效,一些關(guān)鍵技術(shù)急需攻關(guān)。目前來看,潛艇搭載UUV是最簡便易行一種組合方式,可以很好解決潛艇常態(tài)遠(yuǎn)航時UUV的維護(hù)使用問題,通過“一對一”的方式驗證水下指揮協(xié)同方案及相關(guān)技術(shù)。而UUV組網(wǎng)支援保障模式對UUV本身和布放回收提出較高要求,其技術(shù)實現(xiàn)面臨較多問題,但水下無人裝備的組網(wǎng)工作模式是大勢所趨,UUV組網(wǎng)與潛艇協(xié)同作戰(zhàn)將極大改善潛艇的信息保障模式,對提升潛艇執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)能力和自主攻防能力具有顯著作用。