王家鑫（海軍駐上海地區(qū)軍事代表局，上海，201206）

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反潛無人水面艇及其聲吶設(shè)備

王家鑫
（海軍駐上海地區(qū)軍事代表局，上海，201206）

摘要無人水面艇具有輕小、反應(yīng)快速、機(jī)動(dòng)靈活和廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。介紹了美國(guó)典型的反潛無人艇情況，對(duì)其發(fā)展思路進(jìn)行了初步探討，最后討論了發(fā)展無人艇的一些設(shè)想和建議。

關(guān)鍵詞無人水面艇；反潛；遙控；持續(xù)跟蹤；聲吶設(shè)備

無人水面艇（USV）在軍民領(lǐng)域均具有廣泛用途。特別是用于作戰(zhàn)，可避免人員傷亡，因此受到廣泛重視。以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家把USV的軍事用途歸納為：反水雷（MCM）、反潛戰(zhàn)（ASW）、海上安全（MS）、水面戰(zhàn)（SuW）、特種作戰(zhàn)支持（SOF）、電子戰(zhàn)（EW）、海上封鎖支持（MIO）等七項(xiàng)。反潛無人水面艇的艇型主要有四種級(jí)別，即X級(jí)（小型非標(biāo)準(zhǔn)型，艇長(zhǎng)3 m或5 m）、Harbor級(jí)（港口級(jí)，艇長(zhǎng)7 m）、Snorkeler級(jí)（通氣管級(jí)，艇長(zhǎng)11 m，半潛）和Fleet級(jí)（艦隊(duì)級(jí)，艇長(zhǎng)11 m）[1]。

無人艇除能源和推進(jìn)系統(tǒng)外，一般配備有保證自主航行的控制、雷達(dá)、光電探測(cè)成像、衛(wèi)星導(dǎo)航、通信和遙控等多種設(shè)備，同時(shí)為執(zhí)行上述使命任務(wù)，還需要搭載相應(yīng)的任務(wù)系統(tǒng)（或稱任務(wù)模塊，包括相應(yīng)的傳感器和武器等）。本文主要討論反潛戰(zhàn)（ASW）相關(guān)的問題。

1　美國(guó)反潛無人艇

1.1遙控反潛無人艇

遙控反潛無人艇主要供水面艦艇或其編隊(duì)進(jìn)行周邊海域的遙控反潛，其搭載的反潛模塊根據(jù)任務(wù)需求具有不同配置。

1.1.1艦隊(duì)級(jí)反潛無人艇[2]

圖1是艦隊(duì)級(jí)反潛USV及其搭載設(shè)備示意圖，艇長(zhǎng)11 m，前部有一可遙控的五管發(fā)射器，可發(fā)射3枚聲吶浮標(biāo)、一枚UUV（具體為可擴(kuò)展的反潛戰(zhàn)訓(xùn)練目標(biāo)EMATT）和一架無人機(jī)UAV（用作中繼通信），它的后部還配置了雙管發(fā)射器，可發(fā)射MK54和 MK46魚雷各一枚。對(duì)USV的操縱、數(shù)據(jù)處理和指揮控制是在火控室和操縱室內(nèi)進(jìn)行的，具備了上述設(shè)備配置的USV就可在母船的控制下，進(jìn)行反潛作戰(zhàn)。作戰(zhàn)時(shí)，母船停留在可避免潛艇攻擊的安全線以外，由USV來跟蹤和攻擊潛艇。

圖1　反潛USV及其搭載的設(shè)備

圖2　用USV反潛過程示意

具體的過程如圖2示。其中：（1）紅方潛艇經(jīng)海峽進(jìn)入時(shí)，被海底的傳感器場(chǎng)感知；（2）藍(lán)方收到可能有潛艇進(jìn)入的警報(bào)；（3）藍(lán)方主戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)射一臺(tái)反潛的USV；（4）藍(lán)方的反潛USV向推算的攔截點(diǎn)前進(jìn)；（4a）藍(lán)方的反潛USV到達(dá)或接近就位點(diǎn)時(shí)，發(fā)射一個(gè)通信用的UAV（中繼USV與母船的通信聯(lián)絡(luò)）；（5）在攔截點(diǎn)，藍(lán)方反潛USV發(fā)射聲吶浮標(biāo)；（6）主戰(zhàn)平臺(tái)證實(shí)目標(biāo)接觸后向USV發(fā)送準(zhǔn)備和射擊命令；（7）藍(lán)色反潛USV發(fā)射魚雷，必要時(shí)再發(fā)射另外的聲吶浮標(biāo)監(jiān)視攻擊效果；（8）如有必要，重復(fù)攻擊過程；（9）USV返回母船并回收。美國(guó)海軍水下戰(zhàn)研究中心NUWC對(duì)此開展了試驗(yàn)研究。

1.1.2濱海戰(zhàn)斗艦(LCS)搭載的反潛USV

反潛設(shè)備配置如圖3，包括：無人拖線陣聲吶系統(tǒng)（UTAS）、無人吊放聲吶（UDS）和多基地舷外聲源（MSOBS）。每艘LCS可攜帶兩艘以上USV，每艘USV僅裝備上述聲吶設(shè)備中的一種。拖線陣由USV尾部的絞車自動(dòng)收放，主要進(jìn)行被動(dòng)搜索，并可與另一艘USV拖曵的舷外聲源（MSOBS）進(jìn)行雙基地主動(dòng)探測(cè)。

圖3　戰(zhàn)斗艦的反潛USV(上)及其聲吶設(shè)備(下)

當(dāng)然，同時(shí)使用多艘USV時(shí)也可進(jìn)行多基地主動(dòng)探測(cè)。當(dāng)USV漂泊時(shí)可以投放聲吶（UDS）進(jìn)行主被動(dòng)探測(cè)。濱海戰(zhàn)斗艦USV只負(fù)責(zé)探測(cè)搜索潛艇，不進(jìn)行攻擊。其聲吶設(shè)備接收的水聲數(shù)據(jù)通過無線通信設(shè)備發(fā)回LCS母船處理。母船與USV的通信范圍如圖4。其中視距內(nèi)的通信半徑為10 n mile，經(jīng)無人機(jī)或反潛飛機(jī)中繼的距離半徑可達(dá)100 n mile。

圖4　USV與母船的通信范圍示意

1.2反潛持續(xù)跟蹤無人艇（ACTUV）

為能在更廣大海域?qū)Σ耠姖撏нM(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視跟蹤，美國(guó)又進(jìn)一步研制了可自主持續(xù)跟蹤的反潛USV（ACTUV）。使用ACTUV跟蹤敵方潛艇時(shí)，由于無人操控，不太需要擔(dān)心其遭到潛艇的魚雷攻擊。它可以在潛艇正上方緊緊地跟蹤潛艇，這使跟蹤變得相對(duì)較為容易。ACTUV是在水面航行，因此可以使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或是燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，可以毫不費(fèi)力地跟上電池或AIP驅(qū)動(dòng)的潛艇。無人操控意味著ACTUV可以最大程度地按照性能優(yōu)先和最佳適航性原則來設(shè)計(jì)。ACTUV無人艇不配備任何武器，只用于檢測(cè)和跟蹤敵方潛艇，預(yù)計(jì)可以在大浪條件下自主航行60~90 d。ACTUV利用人工智能和一系列傳感器來進(jìn)行自主航行，包括使用各種光電傳感器、長(zhǎng)程和短程雷達(dá)，以及光線檢測(cè)和測(cè)距傳感器（LIDAR）等。初期設(shè)計(jì)的ACTUV采用半潛式結(jié)構(gòu)（如圖5）。

圖5　半潛式ACTUV反潛無人艇

ACTUV是一艘半潛式無人水面航行器。滿載排水量157 t，長(zhǎng)19.1 m，寬5.8 m。正常情況下全艇只有一體化的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣/煙囪裝置和通信/傳感器桅桿需要露出水面，船的主體可在水下10 m深度航行，有裝備水下探潛傳感器的艙段。布置在支架頂端的通信系統(tǒng)和合成孔徑傳感器可在水面上4.5 m工作。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性好。一次加油的作戰(zhàn)半徑可達(dá)3 000 km，最長(zhǎng)待機(jī)30 d，還可接著完成最多30 d的追蹤任務(wù)。同時(shí)在速度、回轉(zhuǎn)和加速性能上都很先進(jìn)。這種可獨(dú)立布設(shè)且可超長(zhǎng)期自主工作的無人航行器，可有效追蹤敵方的低噪聲柴電潛艇。

但是，后期采用的新方案則是三體船型（如圖6）。該型ACTUV在其艇底安裝了三部聲吶。

圖6　三體型ACTUV

圖7　艇體下方的聲吶導(dǎo)流罩

其中較后部的是中頻主被動(dòng)聲吶，基陣裝于流線型支架下方的圓盤型導(dǎo)流罩內(nèi)（如圖7），是雷聲公司提供的SQS-56聲吶的第5代產(chǎn)品，稱作模塊化可擴(kuò)展聲吶系統(tǒng)(MS3)。MS3可提供主動(dòng)和被動(dòng)搜索、魚雷探測(cè)和報(bào)警、小目標(biāo)規(guī)避等能力，其“濕端”傳感器與SQS-56類似，但“干端”明顯較小，由光纖取代了沉重的銅電纜。聲吶的可更換部件數(shù)量從400個(gè)降低到15個(gè)。在中頻聲吶前方的艇底還安裝了兩部高頻聲吶，濕端均為升降式。當(dāng)ACTUV靠近目標(biāo)時(shí)，它們將用來對(duì)目標(biāo)精確跟蹤和識(shí)別，近距離時(shí)，ACTUV甚至能通過高頻聲吶檢測(cè)到的聲音樣本判斷出潛艇的生產(chǎn)國(guó)和型號(hào)。同時(shí)還用磁力計(jì)陣列提供有關(guān)目標(biāo)活動(dòng)的其他信息。

該無人艇設(shè)計(jì)可提供無人搜索、探測(cè)、被動(dòng)威脅過濾、定位和跟蹤能力。所有搜集到的數(shù)據(jù)將通過ACTUV的人工智能系統(tǒng)進(jìn)行分析以判斷潛艇意圖。比如，潛艇的戰(zhàn)術(shù)策略之一是利用水面船只的掩護(hù)來避免被追蹤，而ACTUV可以同時(shí)監(jiān)測(cè)水面船只及水下潛艇，并利用位置認(rèn)知系統(tǒng)來不斷調(diào)整其航行路線，在保持追蹤潛艇的情況下避開水面船只（如圖8）。當(dāng)然，如果ACTUV的判斷出現(xiàn)失誤，千里之外的操作員也可以隨時(shí)接管并做出必要的修正。ACTUV與母船或基地的無線聯(lián)系可通過飛機(jī)（或無人機(jī)）中繼進(jìn)行（如圖9）。

圖8　ACTUV利用雷達(dá)和光電傳感器探測(cè)和規(guī)避水面船舶

圖9　ACTUV 與母船和岸基操控室的通信示意

2　反潛USV及其聲吶裝備發(fā)展分析

美國(guó)從單純依靠艦艇平臺(tái)聲吶系統(tǒng)探潛，逐步發(fā)展到利用舷外手段探潛，不僅可減少平臺(tái)自身?xiàng)l件（如平臺(tái)自噪聲、機(jī)動(dòng)性等）的限制，而且可減少反潛作戰(zhàn)中高價(jià)值平臺(tái)和人員的風(fēng)險(xiǎn)。正因?yàn)槿绱耍礉摕o人艇從遙控操縱逐步向自主操控發(fā)展，智能化水平不斷提高，使其活動(dòng)范圍從母船周邊向大范圍開闊海域發(fā)展，成為水下預(yù)警信息系統(tǒng)的一種機(jī)動(dòng)靈活的水下信息獲取手段，對(duì)潛艇活動(dòng)的威脅加大[3]。

由于反潛無人艇的噸位一般較小，搭載的設(shè)備必須嚴(yán)格控制體積、重量。除電子設(shè)備外，機(jī)械設(shè)備（如絞車等）也需無人自主操控，這就需要通過對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)的融合，正確理解和適應(yīng)環(huán)境，自主決策。

反潛無人艇在水面高速航行時(shí)要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和規(guī)避其它水面艦船，必須有可靠的雷達(dá)和光電探測(cè)器提供信息，以便調(diào)整航行軌跡實(shí)現(xiàn)避碰。

對(duì)反潛無人艇來說，智能化自主反潛技術(shù)是目前正在努力研究的方向。這不僅能大大降低對(duì)無人艇的通信需求，而且可使其作戰(zhàn)范圍擴(kuò)大，提高作戰(zhàn)效能。要實(shí)現(xiàn)自主化，無人艇必須具有感知、理解、適應(yīng)環(huán)境和任務(wù)變化的能力。就聲吶而言，其關(guān)鍵是根據(jù)對(duì)水下環(huán)境的感知，正確使用聲吶設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的自主檢測(cè)和自主識(shí)別，這就要求在無人艇上能完成水下目標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)和分類識(shí)別處理，在正確判斷的基礎(chǔ)上自行決策跟蹤方案。

反潛無人艇使用的聲吶設(shè)備從小艇僅用投射式聲吶浮標(biāo)發(fā)展到無人拖線陣和吊放聲吶。大型無人艇已采用艇殼聲吶，與反潛水面艦的配置類似，使其探測(cè)能力不斷提高。但是，由于承載能力的限制，不可能裝備低頻聲吶，所以遠(yuǎn)距離目標(biāo)的信息還要依靠其它遠(yuǎn)程警戒聲吶和航空聲吶的配合、引導(dǎo)。

從單基地探測(cè)向多基地探測(cè)方向發(fā)展，是提高反潛效率的有效途徑。反潛無人艇的使用也從單艇向雙艇、多艇聯(lián)合使用發(fā)展。隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以反潛無人艇為節(jié)點(diǎn)的反潛網(wǎng)絡(luò)可能成為未來的發(fā)展方向。為此，必須發(fā)展無人協(xié)同能力，通過任務(wù)共享和解決沖突來完成預(yù)定任務(wù)目標(biāo)。

從技術(shù)角度來講，反潛無人艇探測(cè)需重點(diǎn)研究水聲目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)，對(duì)反潛USV提供的各種目標(biāo)聲數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別和跟蹤。海洋環(huán)境十分復(fù)雜，由于是無人系統(tǒng)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果出現(xiàn)的錯(cuò)誤應(yīng)有自主識(shí)別和調(diào)整能力。距離不同，跟蹤要求的測(cè)向、定位精度不同。在近距離跟蹤時(shí)必須采用高頻聲吶提供目標(biāo)的精確位置，而且觀察范圍要能較好地覆蓋垂直空間，特別是在潛艇上方跟蹤時(shí)。另外，近距離目標(biāo)識(shí)別也要依靠高頻聲吶提供精確的目標(biāo)特征。

3　結(jié)束語

反潛無人艇是用于水下警戒的新的有效手段，由于無人艇造價(jià)低、生產(chǎn)周期短、試驗(yàn)方便，目前發(fā)展很快。如果引起足夠的重視，我們?cè)谳^短時(shí)間內(nèi)趕超國(guó)際先進(jìn)水平是有可能的。國(guó)外反潛USV使用的各種聲吶設(shè)備，我們都有一定的基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備，當(dāng)然要想取得成功，難點(diǎn)也不少，重點(diǎn)是要在提高設(shè)備可靠性和自動(dòng)化運(yùn)行能力、絞車等機(jī)械設(shè)備自動(dòng)操作能力、降低設(shè)備體積重量等方面下功夫，花大力氣加以解決。

參考文獻(xiàn)：

[1] RICHARD SCOTT. Networked concepts Look to square the ASW circle[J]. Jane’s International Defense Review,2011.

[2] JACK SUPP. Seapower 21 and airborne ASW[C]. Underwater Battlespace Conference,2005.

[3] YAN RU-JIAN,PANG SHUO,SUN HAN-BING,et al. Development and missions of unmanned surface Vehicle[J]. Journal of Marine Science and Application,2010,9(4): 451-457.