基于分布式概念的水下无人作战系统发展研究.pdf

第45卷第2 1期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,2023基于分布式概念的水下无人作战系统发展研究张杨，周作鹏，田燕妮1(1.海军研究院，北京10 0 16 1；2.中国船舶集团有限公司第七一六研究所，江苏连云港2 2 2 0 0 2)摘要：海上分布式作战是利用海上有人无人平台组成的具备部署分散、信息联通、指控智能、火力集中的作战体系，以较低成本消耗/牵制敌作战力量，对敌形成“非对称”优势。美国是分布式作战概念的提出者及引领者，将其视为应对未来可能发生的大国战争的制胜关键，大力支持DARPA积极开展水下无人平台研制、水下无人体系构建及水下有人无人协同指控等项目。本文以促进水下体系构建、形成有人无人联合作战能力为目标，分析国外典型项目、典型作战模式，总结国外水下无人系统及有人无人协同应用发展趋势，探讨分布式作战概念下的水下有人无人作战新模式，可为水下体系发展及装备研制提供借鉴。关键词：分布式作战；有人无人；水下体系；智能指挥控制中图分类号：E925.2；E7 12文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 1-0 119-0 6Development of distributed underwater unmanned combat(1.Naval Research Academy,Beijing 100161,China;2.The 716 Research Institute of CSSC,Lian yungang 222061,China)Abstract:The maritime distributed operations system is composed by manned and unmanned platforms on the sea.Thecombat system with decentralized deployment,information connectivity,intelligent command and control,and centralizedfirepower,consume/contain the enemys combat forces at a lower cost and form an asymmetric advantage over the enemy.The United States is the proponent and leader of the concept of distributed operations,which is regarded as the key to vic-tory in the future major powers war.It strongly supports DARPA to actively carry out underwater unmanned platform devel-opment,Underwater unmanned system construction and underwater manned unmanned cooperative command and controlproject.In order to promote the construction of our underwater system and form the manned unmanned joint combat capabil-ity as the goal,this paper analyzes the typical projects and typical operation modes of foreign countries,summarizes the de-velopment trend of foreign underwater unmanned system and manned unmanned cooperative application,and discusses thenew mode of manned unmanned combat under the concept of distributed operation,which can provide reference for the de-velopment of our underwater system and equipment development.Key words:distributed operation;manned and unmanned;underwater system;intelligent command and control0引言为谋求继续控制全球公海、海要地和咽喉要冲，美国提出“重返亚太”和“亚太再平衡”战略，视西太平洋地区为未来冲突的潜在策源地和主战场，将工作重点转移到应对未来可能发生的大国战争上。2015年，美海军提出“分布式杀伤”概念，即要求“凡舰船，均战斗”(Ifitfloats,itfights)，以兵力的分布式部署，形成广域海域的威胁，增加敌方情报、监收稿日期：2 0 2 2-11-2 8作者简介：张杨（19 8 0），女，博士，高级工程师，研究方向为水下作战系统与指挥控制技术。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.022ZHANG Yang,ZHOU Zuo-peng,TIAN Yan-ni!视与侦察（ISR）资源消耗，提升已方战场生存能力，而后被提升为军兵种战略层面，并在2 0 17 年水面部队战略一一重返海上控制战略文件中着重强调。在经过美军的概念研究及战术实践，配合人工智能及无人自主技术的发展，逐渐发展为适应“消耗作战”及“网络中心战”的“分布式作战”概念理论，并在各军种应用推广2.3。为应对“反介人/区域拒止”环境下敌中远程武器打击威胁，美提出“第三次消耗战”，利用相对廉价120的海上无人装备，构建分布式作战能力，对敌形成“非对称”作战优势。水下战场逐渐呈现无人化趋势，美国海军积极实践水下作战概念创新，发布无人潜航器主计划、水下战纲要、下一代无人水下系统、水下战科学与技术目标、保持海上优势的设计2.0 等指导文件，加快水下无人系统实战化，力图显著提升美水下领域的作战能力，确保其水下优势4。分析国外新型海上装备发展及无人作战样式，研究分布式作战概念及有人无人协同指控技术，对掌握行动主动权意义重大。本文基于对海上分布式作战及水下无人装备发展的研究，分析总结发展趋势及未来作战样式，促进水下协同攻防能力形成。1国外重点项目现状分析1.1美美先进海上技术演习先进海上技术演习（ANTX）是美海军联合部队和海军研发机构牵头、工业界和学术界参与的海上先机技术及装备展示活动，主要演示无人潜航器、无人艇、指挥控制原型系统等相关技术，其目的是在低风险的试验环境下对当前海上技术创新水平进行评估，促进科研人员与海军需求的交互，加深作战人员对新兴技术的了解，进一步推动原型系统设计和部署，展示当今海军技术的应用前景5-8。ANTX2017的主题为“对抗环境下的战场准备”，在水下无人协同方面，通用动力公司团队演示了Bluefin-21UUV携带1艘SandSharkUUV和一具BlackwingUAV发射筒，并在水下释放，SandSharkUUV作为水下侦察节点，执行水下情报侦察探测任务，并在任务结束后上浮水面；BlackwingUAV发射筒上浮至水面发射BlackwingUAV，Bl a c k w i n g U A V 可执行水面侦察任务并作为中继节点，岸基指挥中心利用BlackwingUAV获得SandSharkUUV的侦察信息并指挥Sand-Shark UUV执行其他任务9 。ANTX2018主题为“人机交互”，开展了拒止水域的海床战争、自主、协作的海底传感和通信、分布式传感在分层防御中的应用、分布式控制下无人协同系统的指挥与控制、有人/无人协同跨域系统智能C3系统等演示，旨在发掘人工智能、大数据、机器学习、集群控制与决策等新型技术在海上目标探测、定位等方面的应用。澳大利亚Aquabotix公司演示SwarmDiver集群系统，SwarmDiver是一种适于单人操作的小型潜航器，可基于蜂群算法成群部署，执行水文测量、侦察、反水雷、水上及水下通信、港口管理/港口安全等多种任务。ANTX2019主题为“战争准备：水下安全”，开舰船科学技术3.Communicate status+imagedata toUAV2.Surface1.Ingress&LaunchBluefin-21UUV图1通用动力公司团队水下无人协同演习示意图Fig.1 Underwater unmanned system cooperative exerciseSwarmDiverTechnical Specifications长度：耐压深度：57mm/2.25宽度：0.13m/5.1*吃水线：0.45m/17.7重量：1.7kg/3.716工作深度：50m/164推进：2xbrushless DCmotors速度：Upto2.2m/s/4.3knots续航：Up to 2.5hours/7km/4.3mles通信：Dua radio 900MHz/2.4.GH2)传感器扩展：212C2xUART1x cable pass-hrough2SPI环境监测烟羽跟踪3D综合数据采集：智至测深移动浮标图2 SwarmDiver性能指标Fig.2Technical specifications of swarmdiver展海对空远程多域监测浮标、分布式海底威胁目标自主识别、持续环境监测AUV、网络化系统的跨域指挥、控制和通信等项目演习，主要聚焦反情报监视侦察、目标探测、作战9 7 8 0 6 7 机动性、后勤保障、港口防御等方面。1.2海上无人分布式系统鉴于无人系统对未来海战走势的影响，美先后支撑近海水下持久监视网（PLUSNet）、跨域海上监视和瞄准项目（CDMaST）、分布式敏捷反潜系统（DASH）海德拉预置系统（Hydra）、上浮式有效载荷（UFP）、战术海底网络（TUNA）等项目开展，逐渐形成“无人化、智能化、体系化、分布式协同”的海上战略格局0。1）近海水下持续监视网“近海水下持久监视网”（PLUSNet）是一种由海底固定式水听器阵和机动式无人潜航器组成的网络化监视设施，具备半自主控制能力，由1艘“海马”UUV、6 艘BPAUV、1艘XRay水下滑翔机、18 艘第45卷Blackwing UAV黑翼小型无人机4.Relay data and C2to/from shoreSandSharkUUV蓝鳍-沙鲨微型UUV0.75m/29.5GPS天线&IMU/罗盘缆一浮体推进器网状态指示灯温度&压力传感器差速推进器标号无线电台电池Anti-SubmarineWarfare(ASW)Continuous TrailUnmanned Vessel(ACTUV)*第45卷Seaglider水下滑翔机及9 个固定探测阵组成，可由核潜艇搭载和布放，传感器和水下无人航行器之间互相通信，能针对重要海域进行长达数月乃至数年的持续探测、识别、定位、跟踪等工作，对于港口防御、要地安全、水下作战态势、反潜战具有重大意义。PLUSNet于2 0 0 5年开展样机研制，2 0 0 6 年海上试验验证网络通信与自主能力，2 0 12 年完成试验样机研制，2 0 13年完成样机海上试验。特点：PLUSNet串联固定式水下监听网络及水下移动平台集群，形成动静结合的分布式传感器网络，具备无人指挥条件下的基本决策能力，可用于执行沿海监视、反水雷（MCM）、反潜战（ASW）等任务。张杨，等：基于分布式概念的水下无人作战系统发展研究Spatial,Temporal and Orientation InfoSmall satellite(STOIC)sensorsAdaptableNavigation System(ANS)Shared SpectrumRadar/Comms(SSPARC)Technologyfor imagingRadars(ASTIR)Hydra*TTo Program(s)战术技术办公室项目图4近海水下持续监视网概念图Fig.4PLUSNet121100Gb/sRFBackbone(100G)Comms in contestedenvironments(C2E)Self-optimizingnetworksAdvanced ScanningArcticoperations图3DARPATTO支撑项目Fig.3Project ofDARPATTO利用UAV、U SV、U U V 等构建适用于广域作战的海上跨域系统，分散有人兵力，降低作战损伤及人员风险，促进海战场指挥、控制、导航、定位、通信、武器和保障等领域的发展，维持美军对作战海域的控制权2 1。CDMaST项目于2 0 15年11月启动，第1阶段完成了海上“系统之系统”概念体系架构开发工作；2 0 17年9 月DARPA发布了CDMaST项目第2 阶段工作计划，对技术和作战的可行性进行试验分析，重点开展反潜战和反水面作战架构的开发和验证工作。Moblle systemsUSVSmallUUVsatCommunicationsSeafloorsystemsPayloadsDeploymantSesorsUSV无人船PNT：定位、导航和授时Fig.5Composition diagram of CDMaSTDistributed BattleManagement(DBM)Mobile hotspotsRetrodirectiveArraysfor CoherentTransmission(ReACT)Multi-Axis protectionof surface shipsDistributed AgileSub-Hunting(DASH)Tactical UnderSea NetworkArchitecture(TUNA)Long RangeUnderSea Navigation2）跨域海上监视和瞄准项目“跨域海上监视和瞄准项目”（CDMaST）旨在PNTUAVSystemofsystemsLogisticsUAV:无人机图5CDMaST组成图UpwardFallingPayloads(UFP)Weapon systemsLRASMCompacttorpadoLong Range Heavy TorpedoInformationmanagementManned systemsUUV：无人潜航器LRASM：远程反舰导弹:122特点：CDMaST强调功能分散及无人平台应用，注重分布式部署、快速响应，牵引出未来海洋新型作战概念-系统之系统（SystemsofSystems，So s），是美海军维持其海上优势的探索实践。3）分布式敏捷反潜系统“分布式敏捷反潜系统”（DASH）面向浅海及深海反潜任务，利用无人平台携带声光探测设备，完成海上广域持续反潜侦察。浅海系统利用无人机进行水下目标搜索，但受限于技术瓶颈，进展缓慢；深海系统由固定式被动声呐探测系统及机动式UUV集群系统组成，即可靠声学路径子系统（TRAPS）和SHARKUUV子系统，目前已完成海上试验验证13。DASH项目自2 0 10 年启动，2 0 13年完成深海系统（T RA PS及SHARK）样机研制，2 0 16 年开展深海系统样机海上验证。特点：DASH利用无人机“自上而下”及大潜深UUV“自下而上”的探测方式，结合固定式及移动式平台探测定位特点，具备横向广域、纵向全深度监视、侦察及反潜能力。TRAPS垂直线列性(Transformational1RAPSystem)K天量传感器图6 DASH深海系统组成图Fig.6Composition diagram of DASH1.3海上智能化指挥控制技术随着人工智能技术的不断成熟与应用，“智能化海战”作为未来海战的新形态逐渐被各国重视，而指挥控制系统是军事作战体系的“神经中枢”，是战斗力的倍增器，其智能化程度是作战取胜的关键要素之一。传统的指挥控制主要依靠指挥员的能力、经验、意识、判断，对指挥员的要求较高，且心理生理压力较大，存在决策失误风险，尤其随着海上分布式作战环境下无人系统的应用、作战节点的倍增、网络结构的复杂，传统的指挥控制已无法满足未来智能化海战需求14美国将自主技术、人工智能视为其维持全球军事大国地位的战略核心，在智能顶层系统架构、智能战场态势认知、智能决策建议优化和智能人机协同交互等多个方面展开指挥控制智能化研究，提升指挥控制系统在态势感知、智能分析、敏捷规划、辅助决策、评估预估等方面的能力，支持“深绿”、“指挥官虚舰船科学技术(b）“指挥官虚拟参谋”概念图SHARKFloat(SubmarineHoldAUmbilialat Risk)GliderAcousticmodem波浪滑翔机通信节点第45卷lo-Decidepresentsoptionsandsecoeffectsond-orderTOER(a)“深绿”概念图(c)“阿尔法空战界面图7 美国智能指挥控制项目移动平台Fig.7The intelligent command and control project in the USA系泊平台拟参谋”和“阿尔法”等项目开展，推进机器学习、大数据等技术转化应用。美国先后发布夺回海上优势：为实施“决策中心战”推进美国水面舰艇部队转型、马赛克战争：利用人工智能和自主系统来实施以决策为中心的行动报告，提出“决策中心战”作战概念，即在分布式未来海战中，提升指挥控制系统的智能化辅助决策能力，依靠决策优势占据作战优势，制胜智能化战争。2发展特点及趋势2.1国外发展特点1）典型作战任务在分布式作战概念下，水下无人系统目前以情报侦察、作战支援任务为主，但随着能源技术、通信技术、隐身技术的突破及载荷装载能力、远程精准打击能力的提升，水下无人系统将从海上辅助作战向参与主导战争发展。2）典型作战模式有人无人协同作战：鉴于当前人工智能及自主控制尚不具备独立执行任务能力，虽能在某些功能上代第45卷近区警戒反潜近区反制指抵宾特中火控近力远程打击侦投制察送战信击图8 水下无人系统典型作战任务Fig.8 Typical operational tasks of underwater unmanned system替操作员，但依然离不开有人无人协同。发挥人在作战中的主观能动性，在无人系统一定自主能力的条件下，利用有人平台对其进行指挥控制、协作完成作战任务是目前分布式协同作战的主要存在形式。无人自主集群作战：在无人自主性的基础上，以开放式、分布式、网络化的组织架构，整合无人平台资源和能力，形成无人自主协同任务能力。无人自主集群作战是应对“消耗作战”、形成“非对称优势”的必然选择，在全时、广域作战方面具备独特优势，最大程度上减少人员伤亡。海上跨域协同作战：海上作战是涉及空中、水面、水下等多个物理域，单域的作战及控制能力不足以应对未来海战“体系对抗”发展趋势。海上跨域协同作战将空、天、水面、水下、海底等装备有机联动起来，形成跨介质通信、探测、打击能力，适应“体系作战”的广域态势感知及远程火力协同任务需求。2.2能力需求分析1）智能指挥控制能力分布式作战概念下，有人及无人平台分布式部署，增加了作战指挥的难度，要求指挥控制具备多兵力统一协调指挥、最优方案快速生成、作战资源科学分配、复杂环境认知与态势感知等能力，以实现兵力分散后的协同打击，达到提升作战能力的效果。2）自主控制能力复杂海上作战环境下，存在通信丢失、指挥不及时的风险，可能造成水下无人平台失控或分布式系统崩溃的严重后果，从而削弱或丧失作战能力，需提升水下无人平台的自主控制能力，增加故障诊断与容错控制、动态航路规划等功能。3）远程精准打击能力兵力分布式部署后，各打击节点及打击目标互相距离较远，为完成火力的有效聚集及精准打击，在指控系统的统筹分配下，要求武器具备快速、精准、远距离瞄准及打击能力。4）精确导航与定位能力张杨，等：基于分布式概念的水下无人作战系统发展研究目标探测警戒侦察反水雷反预置反UUV力保通打障123区域控制水下环境中，精确导航与定位能力是开展协同打击及隐蔽布放任务的前提条件，一方面，利用组合导航、地磁导航、地形导航等提升平台本身的导航精度，另一方面，利用水声定位手段进行目标定位及导航误差校准。5）广域组网通信能力海上通信尤其是水下通信的稳定性、时效性受环境因数影响较大，且传输距离、数据量有限，很难满足未来水下作战对信息传递的需求。美军近年来连续启动模块化光学通信（OCOMMS）载荷、机械天线（A M EBA）、水下多声传感器可靠配置异构集成网络（SEA U RC H I N）等项目，推动水下光学、声学和无线电通信技术发展。旨在探寻具备低截获、低探测、远程、可靠的通信手段。6）能源供给与远程投送能力持续的能源供给和远距离的兵力投送是分布式作战的保障，利用大型运输平台/UUV进行水下预置武器、机动监听阵、UUV等无人装备部署可降低运送过程中的暴露及损耗风险，提升部署效率。2.3水下作战新模式在“网络中心战”背景下，以水下有人无人平台为载体，基于一体化信息网络，统筹指挥、控制、通信、导航、武器、保障等要素，形成水下攻防体系，作为未来水下战“体系对抗”的核心，牵引水下平台独立作战向网络化、分布式、有人无人协同的体系对抗模式转变。美军基于水下兵力部署及基础设施建设，由水下预警监视系统、指挥通信系统、攻防作战系统、综合保障系统等构成水下作战体系，呈现无人化、智能化发展趋势；俄罗斯建设声呐“对话”通信系统、水下“格洛纳斯”导航系统、“和声”海上监视系统、“波塞冬”无人潜航器，配合其强大的潜艇作战能力，形成水下攻防作战体系。海上分布式作战概念下，未来水下战争取胜的关键不再取决于单武器/平台的性能提升，具备水下有人无人协同指挥控制、探测与打击节点分散多域部署、武器远程精确聚能、水下无人集群自主作战等特点的水下攻防体系对抗将成为未来水下战争的主要形式。3分布式作战概念下水下无人系统的发展趋势基于国外海上分布式作战概念及水下无人系统发展现状研究，总结分布式作战概念下水下无人系统的发展趋势。3.1大深度、长续航方向发展大深度无人潜航器可进行“自下而上”的探测模?124式，减少海底对声学探测的干扰，扩大探测范围，同时能够超出舰艇及潜艇的探测、打击范围，形成对敌空间优势，如美国DASH系统的SHARKUUV，潜深6000m，可工作于大部分海域；长久续航能力是水下无人系统持续隐蔽作战的保障，大型UUV利用增加电池容量、采用新能源等方式提升续航能力，但小型UUV负载能力有限，多采用远程投送、水下充电等形式。3.2综合型、多任务能力方向发展综合性水下无人系统一般可装备较多的传感器、任务/武器载荷，配置高性能计算机进行信息处理，能够更好的收集水下环境信息形成战场态势，具有较高的自主性和智能化程度，可自主执行探测、跟踪、处置等多种任务，如美国海德拉系统，可搭载多类型武器负载，像无人潜航器、无人机、能源补给站、水下通信网络节点、导弹等，具备自主移动和多任务能力，功能丰富。3.3指挥控制智能化方向发展分布式作战背景下，集群式、无人化、分布式部署的海上作战力量增加了指挥员对战场指控的难度，指挥控制系统（C2）逐渐发展为指挥、控制及通信系统（C3），并逐渐向适应未来海军打击群的指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察（C4ISR）发展，基于群体智能的指挥控制系统具备趋势滚动预测、战略战役筹划、方案推演分析及优化等能力，能够协调各有人、无人作战平台编队根据战场任务快速组合与重组，保证协同系统的适应性、韧性、杀伤力，在未来战争中扮演着“智能大脑”的角色。3.4无人集群协同方向发展无人集群是分布式作战的典型表现形式，随着水下无人系统智能程度的不断提升，根据任务区域大小、无人平台指标性能，确定无人平台数量及部署阵型，自主组网形成区域协同、探测机制，对进人监视区的水下目标进行识别定位、持续跟踪、包围/趋离，实现对重点海域、重要航道的水下区域控制、目标清除。3.5有人无人体系化方向发展单个水下无人平台搭载能力有限、智能化程度不足，无法做到有人平台的临机机动，尚不具备对敌形成威慢的能力。针对不同的水下环境和作战需求，集合海上分布式无人集群，在多链路网络支撑下，联动水下有人无人编队、海上跨域协同编队、水下无人集群编队等，由平台中心向网络中心作战转变，形成体系对抗能力。美国提出Systemof System概念，旨在构建海上作战体系，实现海上作战力量的联合。舰船科学技术4结语美将水下无人系统视为在“反介人/区域拒止”（A 2/A D）环境下谋求不对称优势的有效手段之一，重视作战概念顶层设计、技术转化、产品演习等方面工作，逐渐构建形成具备“体系化、智能化、无人化、分布式对抗”等典型特征的“未来海战”的轮廓。本文研究分析国外水下无人系统重点项目研究现状，总结其发展特点及趋势，指导开展海上分布式作战概念研究及框架设计、水下无人装备体系建设等工作，对应对强敌、提升作战能力形成支撑。参考文献：1 US Navy.Surface Force Strategy-Return to Sea Control R.2017.01.09.【2】韩毅，储欣.分兵集火、凡船皆战浅析美军“分布式杀伤”概念J.国防科技，2 0 18,39(5)：9 8-10 3.【3黄峻松.分布式杀伤是海上战争形态的发展趋势1.科技导报,2 0 18,36(4):6 2-6 8.【4王汉刚，王桂波.美国水下战装备体系发展研究舰船科学技术.舰船科学技术,2 0 14,36(6):9 8-10 3.Han-Gang Wang,Gui-Bo Wang.Research on the developmentof US underwater warfare equipment systemJ.Ship Scienceand Technology,2014,36(6):98-103.5 USNavyANTX-2017EB/OL2020-07-09https:/www.navsea.navy.mil/Home/Warfare-Centers/NUWC-Newport/What-We-Do/ANTX-2017.6 USNavyANTX-2018EB/OL2020-07-09https:/www.navsea.navy.mil/Home/Warfare-Centers/NUWC-Newport/What-We-Do/ANTX-2018.7 USNavyANTX-2019EB/0L2020-07-09https:/www.navsea.navy.mil/Home/Warfare-Centers/NUWC-Newport/What-We-Do/ANTX-2019.8王雅琳，郭佳，刘都群.2 0 18 年水下无人系统发展综述无人系统技术,2 0 19(4):2 0-2 5.9 UNDERWOOD A,MURPHY C.Design of a micro-AUV forautonomydevelopmentandmulti-vehiclesystemsCOCEANS 2017-Aberdeen.2017.10 Dick Urban.Briefing prepared for the 16th Annual Science andEngineering Technology ConferenceR.Defense AdvancedResearch Projects Agency.2015.11 GRUND M,FREITAG L,PREISIG J,et al.The PLUSNet Un-derwater Communications System:Acoustic Telemetry for Un-dersea SurveillanceC/0OCEANS 2006.IEEE,2006.12 DARPA.Cross domain maritime surveillance and targetingR.DARPA-BAA-16-01,Virginia:PARPA,2015.13楼杨智栋，李荣融，蔡卫军，等.国外水下预置武器发展及关键技术.水下无人系统学报,2 0 18,2 6(6):52 1-52 6.14】邱志明，罗荣，王亮，等.军事智能技术在海战领域应用的几点思考.空天防御,2 0 19,2(1):1-5.第45卷