劉惟恒，羅 陽，于均杰，王 平

（中國航天科工集團公司第三研究院302所，北京100074）

1 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中潛艇的地位變得更加重要，探潛反潛任務日益嚴峻，成為各國海軍研究的重點。隨著降噪技術(shù)、不依賴空氣推進（AIP）動力技術(shù)、水聲對抗技術(shù)、潛艇編隊協(xié)同技術(shù)的發(fā)展［1］，潛艇的隱蔽性和機動性大大提升。探潛巡邏機和探潛直升機具有反應速度快、機動能力強、留空時間長等優(yōu)點，是目前主要的探潛方法，但是其裝備采購和維護費用昂貴，難以實現(xiàn)規(guī)模化裝備，而且其探測范圍小、效率低。單載體的探潛方式難以滿足未來大規(guī)模反潛作戰(zhàn)的要求，以靈活的多無人機平臺為載體，則可大大提高探潛效率和搜索范圍。

由于潛艇艇身材料、組成部件和內(nèi)部各種設備均具有良好的導磁性，其磁矩必然導致周圍磁場異常。磁力儀傳感器可以精確測量其外界磁場，通過磁場的變化精確推斷潛艇的位置。同時無人機協(xié)同編隊控制技術(shù)日益成熟，可作為探潛裝置載體的最佳選擇。探潛傳感器的性能是發(fā)現(xiàn)目標潛艇的前提，探潛的效率取決于探潛策略，探測精度高、分辨力高、探潛響應速度快、虛警率低的探潛傳感器裝備于快速性高、機動性好、續(xù)航性久的多無人機載體是未來探潛研究的新方向［2］。

在未來的戰(zhàn)場中，無人機的應用可以大大增加獲勝的概率。無人機具有眾多優(yōu)點，包括機動性好、成本低、零傷亡等，面對戰(zhàn)場的復雜性和多樣性可以由多架無人機協(xié)同自主執(zhí)行任務。本文提出了基于多無人機多編隊載磁異傳感器的協(xié)同探潛技術(shù)，對我國海軍未來探潛、反潛的發(fā)展提供建議。

2 無人機平臺與探潛現(xiàn)狀

各國海軍正在加速研發(fā)各種探潛裝置。聲吶探潛是目前主要的遠距離非光學探潛方式，由于消聲技術(shù)的出現(xiàn)與海床天然屏障的庇護，聲學探潛方式正面臨新的挑戰(zhàn)。據(jù)報道，美國海軍裝備的潛艇噪聲在90dB 左右，與海洋背景的噪聲相當，單一使用聲學探潛已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代反潛的需求。生物探潛技術(shù)還在論證階段，距實際應用還有很長的時間。電場探潛、核輻射探潛只能針對特定類型的潛艇，探潛方式的通用性差。目前紅外探潛技術(shù)得到了廣泛應用，紅外探測儀AN/AAR-37 裝備在美軍P-3C 潛艇上，通過紅外探測系統(tǒng)（FLIR）感應海水溫度變化，從而推斷潛艇是否存在。激光雷達通過回聲定位探潛方式，只能探測到水面航行和潛望航行狀態(tài)的潛艇，對潛深狀態(tài)的目標束手無策。

磁探儀的應用是海軍開拓性的技術(shù)［3］。美國海軍S-2T型探潛巡邏機裝備有AN/ASQ-10磁探儀裝置，作用距離為300m 左右。由于磁探儀的優(yōu)越性在實際探潛作用中突出，國內(nèi)外均在加速磁探儀的研發(fā)與應用探索。比較有代表性的磁探儀傳感器有美國的AN/ASQ-208 氦光磁探儀、加拿大的AN/ASQ-504銫光泵磁探儀和法國的全數(shù)字化磁力儀MADMK-3。德國研制磁探儀較早，近期正著手研究超導磁力儀和磁力梯度儀，其探測范圍、精度和分辨力等在探測潛艇應用方面明顯優(yōu)于常規(guī)磁探儀和傳統(tǒng)聲吶、雷達等探潛設備。我國的某型號巡邏機尾部裝配磁異探測器，標志著我國的海軍空基探潛能力跨越式發(fā)展。

反潛巡邏機具有良好的機動性和較長的續(xù)航能力［4］，可搭載多種探潛設備和攻潛武器，探潛效率高、可控制海域面積廣，是目前航母編隊遠海演練的重要組成部分。各國海軍裝備的反潛巡邏機形式大同小異［2］，典型的主要有俄羅斯的伊爾-38，英國的獵迷，美國的海神P-8A 等。我國對反潛巡邏機的研究相對西方發(fā)達國家還有一定差距，探潛能力的不足限制了我國艦船的遠海作戰(zhàn)能力。

大型多用途無人機的發(fā)展是海軍力量提升的重要部分，美國大型反潛無人機人魚海神MQ-4C如圖1所示。2019年11月19日，美國首次部署兩架戰(zhàn)略無人機RQ-4B 全球鷹在俄羅斯邊境領(lǐng)空飛行，如圖2所示。中國具有代表性的無人機是在2019年公開亮相的偵-8 高空高速偵察無人機。這些無人機均具有長航時、飛行距離遠和載荷量大的特點，搭載多樣化的反潛傳裝置，可實現(xiàn)海上巡邏監(jiān)視、反潛作戰(zhàn)等功能，其探潛能力比傳統(tǒng)巡邏機探潛方式更勝一籌。

圖1 海上巡邏探潛無人機人魚海神MQ-4CFig.1 Patrol and submarine detection UAV:MQ-4C Triton

圖2 美軍戰(zhàn)略無人機RQ-4B全球鷹Fig.2 US strategic UAV:RQ-4B Global Hawk

單一有人/無人機探潛方式難以滿足未來軍事需求，其探測范圍小、無法實時跟蹤、耗費時間長。將多個探測裝置分別裝載于多架無人平臺上，充分利用無人機在速度和航程上的優(yōu)勢。研究多無人機多編隊載探測傳感器協(xié)同搜索策略，不僅可以快速完成大面積海域水上和水下的精確探潛任務，而且還可以對多個移動目標潛艇實時跟蹤。隨著基于圖論的多智能體一致性編隊控制理論［5］、抵抗外界干擾的高階滑膜控制方法［6］、避撞的魯棒最優(yōu)和動態(tài)投影方法［7］等技術(shù)的應用，無人機的編隊控制在理論層面有了一定的成果。將可自主執(zhí)行任務的無人機編隊，搭載探潛傳感器的協(xié)同探潛是未來發(fā)展協(xié)同探潛的新思路，有利于在未來海戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢地位。

3 探潛方法與探潛平臺

3.1 探潛傳感器的工作方式

近年來，各種各樣新型的探潛技術(shù)的提出層出不窮。生物探潛是利用發(fā)光細菌在正常生理條件下能夠發(fā)出波長450nm～490nm 的熒光，潛艇航行引起周圍海域海洋發(fā)光細菌發(fā)光強度發(fā)生變化［8-9］，通過有人/無人機機載光學儀器照射海洋平面，可以發(fā)現(xiàn)持續(xù)10min 以上的光尾流，從而確定潛艇的存在。電場探潛利用潛艇的艇體與螺漿金屬材料電化學性質(zhì)的特點［10］，由于海水是天然的電解質(zhì)，可以檢測到潛艇存在而引起的軸頻電場。

激光探潛是比較常用的探潛方式［11-12］。有人/無人機載激光雷達發(fā)射脈沖激光串，根據(jù)海平面和海底反射回來的光，經(jīng)過計算機的處理可以顯示出潛艇的形狀，從而根據(jù)圖像識別、判斷潛艇的存在。利用核輻射探潛目前還在論證階段［13］，核潛艇的周圍存在一定程度的核輻射，使用光學檢測潛艇核輻射產(chǎn)生的可見藍色光，可確定潛艇的存在。紅外探測儀通過探測由于潛艇存在引起周圍海水溫度上升的方式探測潛艇。磁力計探潛是利用海洋中地球物理磁場是否有突然的變化，來探測潛艇的有無。

3.2 探潛裝置存在的問題

目前探測效果較好的探潛裝置主要有雷達、吊放聲吶、浮標聲吶、磁探儀等，聲吶受航洋噪聲影響大，難以探測采用消聲技術(shù)處理的潛艇。雷達反射成像判斷是否為潛艇的方法應用較為廣泛，但是無法探測水下目標。生物探潛技術(shù)雖然能夠?qū)Υ竺娣e海域覆蓋式搜索，可準確判斷潛艇的航跡，但是容易受天氣可見度的影響。電場探潛技術(shù)的使用可以不受天氣狀況影響，也不受運動狀態(tài)影響，但是電場探潛受檢測技術(shù)的制約［4］。激光探潛定位精度高、隱蔽性好，受海洋環(huán)境影響小，但是搜索范圍小，只能探測到水面航行和半潛航行狀態(tài)的潛艇。核輻射探潛不受天氣和海況的影響，但是目前核輻射探測技術(shù)仍在探索階段，高精度核輻射探潛設備工程化應用仍需要較長時間。磁探儀識別能力強、探測精度高、虛警率低、分辨力高、隱蔽性好、不易受海洋環(huán)境影響，但是作用距離短。

目前，還沒有一種探潛傳感器能夠高效率、高精度、高靈敏性、高準確性的執(zhí)行探潛任務，探潛傳感器的工作局限性、載體的性能和探潛傳感器的使用策略對未來探潛技術(shù)提出了新的要求。

3.3 探潛平臺協(xié)作存在的問題

航母編隊配置中不但會充分考慮探潛傳感器的精度與工作方式，還要考慮載體的續(xù)航和機動能力，一般在中遠程會配置反潛巡邏機［4］，中近程會配置水面艦艇，兩者相互配合實現(xiàn)遠近距離探潛的區(qū)域協(xié)同。反潛巡邏機負責大范圍作戰(zhàn)海域的警戒搜索，發(fā)現(xiàn)目標后由反潛直升機進一步定位、識別。兩種探潛方式協(xié)同水平較低，僅為探潛工作上的互補，協(xié)作耦合性大，難以形成海上大規(guī)模探潛。

但在實際作戰(zhàn)中，潛艇往往以作戰(zhàn)編隊的形式出現(xiàn)，使得現(xiàn)有探潛協(xié)作方法難以應對［2］，而且反潛巡邏機的虛警率高，難以探測到真實目標。當目標潛艇采取規(guī)避策略進行水下航行時，反潛巡邏機最多只能選擇一架潛艇跟蹤［14］。

4 新型多無人機協(xié)同探潛技術(shù)的發(fā)展趨勢

新型的探潛技術(shù)會導致未來海上作戰(zhàn)發(fā)生顛覆性的變化。磁探儀有著優(yōu)良的探潛工作性能，能全天候、高頻次執(zhí)行探潛任務，其存在的缺點是作用距離有限，雖然單磁探儀難以滿足大規(guī)模探潛需求，但是多無人機多編隊作為磁探儀載體可以大大提升探潛的效率。多磁探儀協(xié)同工作不僅可以大大提高搜索范圍，而且空間上的磁補償技術(shù)也能對探測精度和定位精度有更大的提升。通過無人機數(shù)量多、協(xié)同性好和控制方式簡單等優(yōu)勢來解決磁異傳感器探測距離短和巡邏機成本高的問題，多無人機協(xié)同探潛作戰(zhàn)新概念為未來應對海上作戰(zhàn)提供了新思維。

4.1 多無人機協(xié)同探潛對探潛方式的要求

4.1.1 發(fā)展多載體磁探儀

磁探儀和聲吶浮標是目前探潛效果最好的兩種探潛手段［1］，磁異探潛技術(shù)憑借定位精度高、虛警率低、響應速度快，機載磁探儀的機動性好等優(yōu)點，能適應作戰(zhàn)的快速性、機動性、準確性要求。有人/無人機載磁探儀能夠準確探測到任意狀態(tài)的潛艇，但由于飛機的飛行速度快，單個載體難以實時跟蹤潛艇，多無人機多編隊能夠做到連續(xù)實時跟蹤潛艇的位置、速度。磁探儀性能的發(fā)揮依托載體的性能，潛艇、艦船、飛行器等都可以作為磁探儀載體，多載體的發(fā)展可充分發(fā)揮磁探儀的實際應用價值。載體的磁控技術(shù)和基于地球磁場空間位置的磁補償技術(shù)是發(fā)展多載體磁探儀技術(shù)的前提。

4.1.2 發(fā)展高精度磁探儀

磁力儀的發(fā)展歷史較早、類型較多，最早的有磁通門磁力儀、質(zhì)子磁力儀，后面出現(xiàn)的光泵磁力儀、超導磁力儀，以及近幾年有科學家利用銫原子的拉莫爾進動頻率特性精確探測其周圍磁場強度的原子磁力儀。磁場不容易受海水等非磁化物質(zhì)的影響，發(fā)展高精度、高靈敏的磁探儀是未來磁探潛發(fā)展的方向。超導磁探儀靈敏度不低于10-10G，比現(xiàn)有常規(guī)磁探儀精度高兩個數(shù)量級，未來將深入研究核自旋、電子自旋強耦合極化問題和磁異常全張量梯度解算問題，發(fā)展探測精度高、分辨力高、探測速度快、虛警率低的磁力傳感器。

4.1.3 研究磁探儀陣列

多個磁探儀協(xié)同工作，不僅能夠增加探潛的效率，而且相互之間可以進行磁補償，彼此信息融合能夠精確探測到潛艇的位置，并能進行實時跟蹤目標的位姿。構(gòu)成列陣的磁探儀作用距離大，使得準確探測磁矩不低于10-8G。發(fā)展分布式磁力計網(wǎng)，可針對重要的區(qū)域形成一定封鎖效果或者起到線性警戒作用。磁探儀的協(xié)同工作可協(xié)同感知海域態(tài)勢，通過集成化的控制中心，實現(xiàn)協(xié)同偵查、協(xié)同探測和任務分配等，形成更大范圍的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，從而取得勝利的絕對優(yōu)勢。

4.2 多無人機協(xié)同探潛對探潛載體的要求

4.2.1 多無人機的協(xié)同航跡規(guī)劃與任務分配技術(shù)

磁探儀的協(xié)同工作離不開無人機載體的協(xié)同能力，在執(zhí)行任務前或者執(zhí)行任務過程中，綜合考慮探潛精度、效率等約束，以最優(yōu)的方式協(xié)同執(zhí)行任務要預先和實時規(guī)劃出無人機編隊的航跡和任務序列，航路的協(xié)同要充分考慮任務的優(yōu)先級、飛行的編隊狀態(tài)、敵方的潛在威脅等，主要應用了多目標動態(tài)航跡規(guī)劃和任務分配技術(shù)、智能決策技術(shù)。

無人機編隊的機動性好，可自主飛行、自主任務規(guī)劃，以及可預先靜態(tài)規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃。針對固定海域?qū)嵤┚_探測，圍繞移動的艦船周圍環(huán)境實施動態(tài)探測，對于已經(jīng)偵察的區(qū)域，無人機編隊可改變?nèi)蝿辗峙洳呗裕徊糠譄o人機實施進一步探測，另一部分無人機進行區(qū)域周圍警戒保證特定區(qū)域內(nèi)不會有敵方潛艇滲透。

4.2.2 多無人機編隊隊形任意變換與分生技術(shù)

先進的多無人機編隊控制算法能更好的應對突發(fā)的海況。攜帶磁探儀傳感器的無人機編隊在發(fā)現(xiàn)敵方潛艇之前，按照預先規(guī)劃好的航跡飛行。當發(fā)現(xiàn)敵方潛艇后，需要將原來編隊分生出多個子編隊用于識別和跟蹤目標。由于編隊數(shù)量和隊形發(fā)生了變化，探測的寬度變窄，其他無人機編隊需要快速重新動態(tài)任務規(guī)劃出編隊可行的最優(yōu)航跡，從而繼續(xù)執(zhí)行其他未知區(qū)域的探測。

磁探儀的探測精度和辨識力不僅與目標的距離有關(guān)，而且還與磁探儀的磁補償有關(guān)。搭載磁探儀的無人機編隊在同一水平面執(zhí)行任務時，探測寬度最大，但是當需要進一步辨識目標時，無人機需要由二維平面編隊變換成三維立體編隊用于磁探儀的磁補償，此時探測的寬度突然減小，需要研究多無人機編隊分生與編隊重構(gòu)技術(shù)，從而執(zhí)行新規(guī)劃的任務。

5 結(jié)束語

本文概述了探潛設備和無人機平臺關(guān)鍵技術(shù)，表明海上探潛技術(shù)仍是未來重點發(fā)展的方向。針對其存在的探測距離短和需要磁補償問題，提出了新概念多無人機協(xié)同探潛技術(shù)。通過對比分析，以高精度磁力計傳感器為基礎(chǔ)，多無人機協(xié)同編隊的方式具有靈活性高、自主性強、探測精度高的特點?？紤]到磁補償和跟蹤目標對無人機編隊隊形的要求，深入研究無人機編隊隊形保持、分生與重組技術(shù)，充分發(fā)揮磁探儀的探潛優(yōu)勢，對未來高效率、高精度探潛提供了新的思路。最后對磁探儀傳感器和未來無人機編隊技術(shù)發(fā)展方向提出了新的要求。