程相東 馮金富 杜文紅

（空軍工程大學 西安 710038）

1 引言

潛艇具有隱蔽性好，突擊能力強的優(yōu)點，可長期潛伏在水下，具有較強的突擊作戰(zhàn)能力［1］。但潛艇在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時，主要依靠自身偵查設備獲取戰(zhàn)場信息，這些設備作用距離較近，使用時易暴露目標，使?jié)撏ё鲬?zhàn)半徑受到限制［2］。為提升潛艇作戰(zhàn)效能，潛艇應當融入戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡，具備與空天地形成一體化的協(xié)同作戰(zhàn)（CE，Cooperative Engagement）能力。

協(xié)同作戰(zhàn)是指戰(zhàn)斗群中各戰(zhàn)斗單元以極短的延時共享其他單元獲取的目標信息，發(fā)射武器對目標進行攻擊，協(xié)同抵御各目標的威脅［3］。隨著自主式水下航行器［4］（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的發(fā)展，尤其是潛射無人機（Submarine－launched Unmanned Aerial Vehicles，SUAV）的出現(xiàn)，使得這些無人平臺與潛艇協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務成為可能。

2 無人機支持潛艇協(xié)同作戰(zhàn)的數(shù)據(jù)鏈體系結構

潛艇在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時，無人機可作為一種場外傳感器為其提供所需的戰(zhàn)場信息。無人機可在敵反潛體系外發(fā)射，具有體積小、隱身性能好、航程遠的特點［2］。其機載設備可覆蓋較廣的區(qū)域，可擴大潛艇的搜索范圍，延長預警時間，提升潛艇的戰(zhàn)場感知能力。建立潛艇與無人機間的信息鏈接，是潛艇能否實現(xiàn)與空中單元協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵。

數(shù)據(jù)鏈是現(xiàn)代信息技術與戰(zhàn)術理念相結合的產(chǎn)物，是為了適應機動條件下作戰(zhàn)單元共享戰(zhàn)場態(tài)勢和實時指控的需求，采用標準化消息格式、高效組網(wǎng)協(xié)議、保密抗干擾數(shù)字信道而構成的一種戰(zhàn)術信息系統(tǒng)［5］。以實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)為前提，以提升作戰(zhàn)效能為需求，數(shù)據(jù)鏈可將潛艇與無人機平臺鏈接起來形成一個有機整體。支持潛艇協(xié)同作戰(zhàn)的數(shù)據(jù)鏈體系結構如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)鏈裝備

數(shù)據(jù)鏈裝備是數(shù)據(jù)鏈功能和技術的物化載體。為實現(xiàn)戰(zhàn)場信息和控制指令的收發(fā)，無人機以及潛艇等數(shù)據(jù)鏈節(jié)點應裝載數(shù)據(jù)鏈裝備，它的一般工作過程是：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將無人機獲取的戰(zhàn)場信息轉換為數(shù)據(jù)鏈標準格式，經(jīng)過接口處理轉換后，由端機按照組網(wǎng)通信協(xié)議處理，最后通過數(shù)據(jù)鏈終端完成發(fā)送；接收方（可以為一個或多個）由其端機接收到信號后，由端機按組網(wǎng)通信協(xié)議進行接收處理，在經(jīng)過接口處理及轉換后，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行格式化消息的解讀。

圖1 多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)體系結構

2.2 水聲網(wǎng)絡

水聲網(wǎng)絡是基于聲信號的無線通信網(wǎng)絡，由水聲數(shù)據(jù)鏈將水下節(jié)點（包括AUV、潛艇、水下傳感器節(jié)點等）有機聯(lián)合，是戰(zhàn)場信息在水下空間的傳輸鏈路［6］。水聲數(shù)據(jù)鏈可使?jié)撏г诎踩疃韧瓿赏ㄓ?，以保證潛艇戰(zhàn)場生存能力和對敵打擊的突然性。

2.3 AUV多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)網(wǎng)關

潛艇與無人機之間的信道涉及海水和大氣兩種傳輸介質，導致兩者之間存在多種數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)互操作問題［7］。AUV多數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)網(wǎng)關起到“翻譯器”的作用，支持不同種類數(shù)據(jù)鏈終端的接入，主要實現(xiàn)報文格式轉換、報文過濾、時空對準、沖突消解和狀態(tài)監(jiān)視等功能。

2.4 無人機控制站

無人機控制站是潛艇實現(xiàn)對無人機控制的一套軟硬件組件，在提供高效的無人機信息分發(fā)管理的同時，與指揮控制系統(tǒng)共享戰(zhàn)場態(tài)勢信息，直接支持作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)行動。

3 無人機控制站設計

3.1 控制站功能

借鑒以支持和實現(xiàn)聯(lián)合無人機作戰(zhàn)概念為主要目標的美國國防部（DOD）戰(zhàn)術控制系統(tǒng)［8］（Tactical Control System，TCS），無人機控制站的作用在于對無人機戰(zhàn)術任務的控制。具體功能如下：

1）實現(xiàn)無人機與潛艇作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)間的互聯(lián)互通；

2）根據(jù)需要調整無人機姿態(tài)與航路，支持任務規(guī)劃與指揮控制功能；

3）戰(zhàn)場信息融合及戰(zhàn)場態(tài)勢生成；

4）無人機載荷狀態(tài)的監(jiān)視與管理。

3.2 控制站功能邏輯結構

無人機控制站是鏈接無人機平臺和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的橋梁，貫穿于作戰(zhàn)任務的全過程。無人機控制站接受作戰(zhàn)任務后將任務分解為無人機載荷任務和通信任務，并完成無人機平臺的航路規(guī)劃；在戰(zhàn)術任務執(zhí)行過程中，監(jiān)視無人機載荷和數(shù)據(jù)鏈工作狀態(tài)，接收多無人機系統(tǒng)傳回的戰(zhàn)場信息，融合處理后生成戰(zhàn)場態(tài)勢圖像，若有需要也可對任務進行重規(guī)劃；戰(zhàn)術任務完成后，分析任務執(zhí)行情況提交任務完成報告。無人機控制站采用基于接口的模塊化設計，圖2為功能邏輯結構圖。

圖2 無人機控制站功能邏輯結構

數(shù)據(jù)鏈接口提供標準的信息格式，實現(xiàn)無人機控制站與無人機之間的互通；人機交互接口通過控制面板實現(xiàn)操作員與無人機控制站的互動；指揮控制接口提供連接情報信息層、指令層、應用層的橋梁，可使?jié)撏е笓]控制系統(tǒng)接收并分析戰(zhàn)場態(tài)勢信息和目標狀態(tài)信息，支持作戰(zhàn)單元對目標的打擊與監(jiān)視。

4 多無人機系統(tǒng)描述

4.1 多無人機系統(tǒng)功能需求

多無人機系統(tǒng)（multi－UAV system）是指構成多無人機系統(tǒng)的無人機、控制站以及其它實體之間邏輯上和物理上的信息關系、控制關系和時空分布模式［9］。多無人機系統(tǒng)需要通信鏈路的支持，應當具備一定的智能性與自主性。根據(jù)戰(zhàn)術任務的不同，多無人機系統(tǒng)功能應滿足如下需求：

1）自組織能力。由于操作員數(shù)量有限，以及應對通信中斷等突發(fā)情況，多無人機系統(tǒng)應具備一定的自組織能力；

2）交互性。與無人機控制站的交互可使多無人機系統(tǒng)獲得戰(zhàn)術任務的授權與確認；

3）支持動態(tài)任務。針對不斷變化的戰(zhàn)場態(tài)勢，多無人機系統(tǒng)可根據(jù)無人機控制站指令完成戰(zhàn)術任務重規(guī)劃；

4）開放性。當系統(tǒng)成員因戰(zhàn)斗損失或故障退出時，或者有其他成員加入時，系統(tǒng)能夠保持正常運行。

4.2 多無人機系統(tǒng)工作流程

多無人機系統(tǒng)的工作流程是無人機平臺在通信鏈路的保障下，實現(xiàn)戰(zhàn)場信息共享及協(xié)作完成戰(zhàn)術任務的協(xié)同過程［11］。多無人機系統(tǒng)工作流程如圖3所示，數(shù)據(jù)鏈支持多無人機系統(tǒng)的信息交互與指令接收。其中信息流是對戰(zhàn)場環(huán)境的感知與理解，指令流是無人機控制站所下達的指令信息。

4.2.1 態(tài)勢生成模塊

多無人機平臺接受無人機控制站預裝訂任務后活動在指定區(qū)域，利用自身傳感器完成戰(zhàn)場態(tài)勢的初步生成并不斷更新戰(zhàn)場態(tài)勢。戰(zhàn)場態(tài)勢具體包括目標信息，地圖和地形數(shù)據(jù)采集、氣象數(shù)據(jù)采集、態(tài)勢評估、威脅估計、態(tài)勢理解等，這些初步的戰(zhàn)場態(tài)勢信息需要傳回無人機控制站，進一步處理后生成近實時的戰(zhàn)場態(tài)勢圖像。

圖3 多無人機系統(tǒng)工作流程

4.2.2 任務執(zhí)行模塊

無人機控制站通過數(shù)據(jù)鏈現(xiàn)場激活任務，多無人機系統(tǒng)對任務進行分解與細化完成任務分配；通過航路規(guī)劃與資源調度，在滿足戰(zhàn)術任務需求的前提下，合理配置多無人機系統(tǒng)資源，實現(xiàn)不同無人機平臺傳感器及其他設備功能上的互補式配置。

4.2.3 團隊管理模塊

團隊管理模塊是將多無人機系統(tǒng)分成若干呈遞階結構的無人機團隊和子團隊，是對戰(zhàn)術任務細化后的具體執(zhí)行。團隊由團隊領導和普通成員組成，是自上而下的分層式結構，團隊領導協(xié)調成員行為并負責團隊公共事務的統(tǒng)一管理，并完成與上下級無人機團隊的通信和指令下達。

4.2.4 對水面目標攻擊的協(xié)同作戰(zhàn)應用研究

潛艇協(xié)同多無人機系統(tǒng)對水面目標攻擊是一種時域、空域與頻域協(xié)同的典型作戰(zhàn)行為，作戰(zhàn)任務想定如圖4所示。作戰(zhàn)步驟如下：

1）節(jié)點t1：無人機控制站接收岸基／潛艇指控中心或其他上級所下達的任務后，初步裝訂戰(zhàn)術任務，調試水面AUV網(wǎng)關，建立與多無人機系統(tǒng)的水聲／無線數(shù)據(jù)鏈鏈接，部署多無人機系統(tǒng)至巡航區(qū)域；

2）節(jié)點t2：無人機控制站監(jiān)控無人機平臺航行、任務載荷及戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)，并搜集戰(zhàn)場態(tài)勢信息，由無人機控制站處理融合后生成戰(zhàn)場態(tài)勢圖像；

圖4 典型作戰(zhàn)任務想定圖

3）節(jié)點t3：無人機控制站對多無人機系統(tǒng)下達指令激活作戰(zhàn)任務，根據(jù)多無人機系統(tǒng)對作戰(zhàn)任務的分解與細化，由若干無人機團隊有效協(xié)作執(zhí)行，并將目標信息與戰(zhàn)場環(huán)境信息傳回無人機控制站。多無人機系統(tǒng)團隊協(xié)作體系結構如圖5所示；

圖5 協(xié)同任務分配體系結構

4）節(jié)點t4：決策者下達攻擊決策完成目標打擊。攻擊決策是一個動態(tài)的過程，需要對戰(zhàn)場態(tài)勢的不斷決策，保證戰(zhàn)場信息的完備性、準確性與時效性，以獲得最大的作戰(zhàn)效能；

5）節(jié)點t5、節(jié)點t6：攻擊完成后，多無人機系統(tǒng)及時將戰(zhàn)損評估信息傳回無人機控制站，最后返航至預定區(qū)域降落回收。

5 結語

為實現(xiàn)多無人機系統(tǒng)與潛艇的協(xié)同作戰(zhàn)，本文設計了無人機控制站功能邏輯結構，探討分析了基于戰(zhàn)術任務的多無人機系統(tǒng)戰(zhàn)場功能實現(xiàn)，最后從實際作戰(zhàn)使用出發(fā)，給出了一種較為典型的協(xié)同作戰(zhàn)模式，并分析其作戰(zhàn)流程。從文中可看出，潛艇與無人機平臺的信息交互是實現(xiàn)潛艇協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵，下一步應重點研究潛艇協(xié)同作戰(zhàn)信息時效性需求以及典型作戰(zhàn)模式的詳細戰(zhàn)術信息分發(fā)流程。

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