陳 驪，劉志坤，胡生亮，吳兆東

（海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

馬賽克戰(zhàn)是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）2017年提出的一種新型作戰(zhàn)概念[1-2]，其核心思想是將各種作戰(zhàn)功能要素打散，利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)將其構(gòu)建成一張物理和功能高度分散、靈活機動、動態(tài)協(xié)同組合的“殺傷網(wǎng)”，進(jìn)而取得體系作戰(zhàn)優(yōu)勢[3]。而各種無人作戰(zhàn)平臺既是馬賽克戰(zhàn)作戰(zhàn)力量的主要構(gòu)成，也是其作戰(zhàn)思想實現(xiàn)的重要支撐。

小型無人艇作為新型作戰(zhàn)力量的一種，相比于已較為成熟的無人機、無人車等裝備，其作戰(zhàn)應(yīng)用尚處于探索階段。美軍將小型無人艇定義為“能夠被海軍艦船搭載、投放和回收的小艇”，其尺寸通常不超過 12 m，主要承擔(dān)情報監(jiān)視、偵察搜索、通訊中繼及電子戰(zhàn)等任務(wù)[4-5]。

受尺寸限制，小型無人艇能夠搭載的任務(wù)載荷有限，功能相對單一。而馬賽克戰(zhàn)理論在功能層面上恰是將數(shù)量較多、體積較小、功能單一的作戰(zhàn)要素集成到無人自主系統(tǒng)中，因此，小型無人艇集群的特點與馬賽克戰(zhàn)的作戰(zhàn)理念非常契合。本文以馬賽克戰(zhàn)背景下小型無人艇集群為研究對象，在設(shè)計其控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，規(guī)劃其適合的作戰(zhàn)樣式、編隊構(gòu)成、載荷配置和作戰(zhàn)流程，分析其涉及的關(guān)鍵技術(shù)，從而為海上新型作戰(zhàn)力量戰(zhàn)斗力快速生成提供一定的理論支撐。

1 小型無人艇集群控制結(jié)構(gòu)

借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)分簇思想[6]，小型無人艇集群控制架構(gòu)可采用分組層次化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由成員節(jié)點、首領(lǐng)節(jié)點和指揮節(jié)點組成，實線箭頭代表經(jīng)常性信息交互，虛線表示偶發(fā)性信息交互。在小型無人艇集群構(gòu)建之初，綜合考慮作戰(zhàn)任務(wù)需求、無人艇功能、無人艇狀態(tài)等因素，采用優(yōu)化算法將集群劃分為多個編隊，每個編隊包括一個首領(lǐng)節(jié)點和若干個成員節(jié)點。成員節(jié)點由首領(lǐng)節(jié)點指揮控制，將各自獲取的戰(zhàn)場態(tài)勢信息和本艇狀態(tài)上報給首領(lǐng)節(jié)點，首領(lǐng)節(jié)點接收各成員節(jié)點發(fā)送來的信息，進(jìn)行融合處理，形成作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃并分配給各所屬成員節(jié)點執(zhí)行，同時將處理結(jié)果上報指揮節(jié)點，并接收指揮節(jié)點的相關(guān)指令。指揮節(jié)點接收各編隊首領(lǐng)節(jié)點發(fā)送來的信息，經(jīng)融合處理形成清晰一致的戰(zhàn)場綜合態(tài)勢，形成作戰(zhàn)決策，以任務(wù)形式向各首領(lǐng)節(jié)點下達(dá)指令。

需要特別指出的是，首領(lǐng)節(jié)點和成員節(jié)點均為具備某一作戰(zhàn)功能的小型無人艇，它們在物理結(jié)構(gòu)上是類似甚至相同的，只是扮演的角色和承擔(dān)的功能不同，首領(lǐng)節(jié)點選取策略可以根據(jù)各艇當(dāng)前剩余的油量、相對目標(biāo)的位置、彈藥庫存等因素綜合確定。而指揮節(jié)點通常是具有很強綜合數(shù)據(jù)處理能力的作戰(zhàn)單元，其可以是編隊中大型艦艇或空中預(yù)警機等有人平臺，也可以是中大型無人艇，甚至可以是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈支持下的遠(yuǎn)程指揮所。

與傳統(tǒng)的星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比，上述集群控制結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

1）編隊中不存在中心節(jié)點，編隊首領(lǐng)雖然承擔(dān)了一定集中管理任務(wù)，但所對應(yīng)的小型無人艇并不固定，具有可替代性。一旦當(dāng)前首領(lǐng)節(jié)點被摧毀，編隊可根據(jù)實時態(tài)勢自主選出新的首領(lǐng)節(jié)點，繼續(xù)完成任務(wù)。指揮節(jié)點的選取同樣具有很大的靈活性，可以根據(jù)需要切換。

2）編隊內(nèi)部通過首領(lǐng)節(jié)點完成信息交互，各小型無人艇之間、編隊之間、無人艇和指揮所之間不必進(jìn)行大量的直接通信，降低了通信鏈路構(gòu)建難度和海上復(fù)雜環(huán)境下通信保障要求。

3）集群內(nèi)各無人艇在正常情況下依靠首領(lǐng)節(jié)點和指揮節(jié)點完成信息交互，但極端特殊情況下（如遭受大規(guī)模打擊，損毀嚴(yán)重時），單艘無人艇仍然可以與通信范圍內(nèi)的其它作戰(zhàn)單元直接建立通信鏈路（圖中虛線箭頭所示），可保證集群內(nèi)存活節(jié)點仍具備基本的獨立作戰(zhàn)能力。

2 基于馬賽克戰(zhàn)理論的小型無人艇集群作戰(zhàn)樣式規(guī)劃

作戰(zhàn)樣式規(guī)劃主要包括作戰(zhàn)任務(wù)與任務(wù)載荷配置2個方面，需要結(jié)合小型無人艇的戰(zhàn)術(shù)特點和能力邊界進(jìn)行設(shè)計。小型無人艇平臺的抗風(fēng)浪等級、最大航程、有效載荷重量均比較有限，這些基本戰(zhàn)術(shù)特點決定了其不具備長時間遠(yuǎn)海獨立作戰(zhàn)能力，比較適合由大型艦船（編隊）攜帶或者在近岸島礁附近執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。

在任務(wù)載荷配置方面，根據(jù)馬賽克戰(zhàn)理論，應(yīng)遵循“能省則省、當(dāng)換則換”的原則，為不同無人艇加裝不同模塊化載荷，通過集群成員相互補充配合的方式彌補單個無人艇的功能限制，達(dá)成作戰(zhàn)目標(biāo)?？傮w上，可將小型無人艇的任務(wù)載荷劃分為必備載荷和選裝載荷2大類：必備載荷指保障小型無人艇基本作戰(zhàn)功能的設(shè)備，主要包括導(dǎo)航系統(tǒng)、航控系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和能源系統(tǒng)；選裝載荷主要指為完成某項特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)某項特定功能而專門加裝的設(shè)備，如小型反艦導(dǎo)彈。在后續(xù)討論中，對必備載荷不再贅述，僅列舉選裝載荷。

2.1 協(xié)同防空反導(dǎo)

由于現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈通常采用復(fù)合模式制導(dǎo)，具有很強的抗干擾能力[7]，同時在戰(zhàn)術(shù)上往往采用多波次集群飽和攻擊，這對防空反導(dǎo)作戰(zhàn)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。協(xié)同防空反導(dǎo)是抗飽和攻擊的主要手段，即綜合運用艦空導(dǎo)彈、小口徑艦炮和電子干擾系統(tǒng)等各類反導(dǎo)武器形成遠(yuǎn)中近、高中低、全方位、立體化、“軟硬結(jié)合”的防御體系，實現(xiàn)縱深防御和梯次對抗。小型無人艇集群可通過配置不同防空反導(dǎo)武器，與有人艦艇防空體系配合，極大地延伸艦艇編隊防空反導(dǎo)區(qū)域，進(jìn)一步豐富防空反導(dǎo)作戰(zhàn)手段，增大攔截突防導(dǎo)彈的概率，減輕艦艇編隊及岸島要地防空反導(dǎo)壓力。

在載荷配置上，小型無人艇集群可搭載小型防空導(dǎo)彈（如美國的“拉姆”、俄羅斯“手鉆”等）、有源干擾機、煙幕彈、箔條彈、舷外有源干擾彈（例如美國的“納爾卡”）、無源角反射體類誘餌等防空反導(dǎo)武器。根據(jù)搭載的防空反導(dǎo)武器類別，將小型無人艇集群分為防空型無人艇群和電子戰(zhàn)無人艇群。

以小型無人艇集群伴隨有人艦艇編隊執(zhí)行防空反導(dǎo)任務(wù)為例，如圖2所示。其基本作戰(zhàn)樣式如下：2類小型無人艇集群由登陸艦或其他艦艇編隊成員攜帶，進(jìn)入作戰(zhàn)海區(qū)后采用船塢釋放或吊放方式分批布放，隨后按照作戰(zhàn)方案抵達(dá)各自陣位。其中，防空型無人艇群位于防區(qū)外層，其主要任務(wù)是在編隊目標(biāo)指示的牽引下發(fā)射小型防空導(dǎo)彈，完成對敵反艦導(dǎo)彈的第一輪硬殺傷。電子戰(zhàn)無人艇群梯次位于防區(qū)內(nèi)層，伴隨護(hù)衛(wèi)艦艇航行，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃，通過誘騙、遮蔽等手段，對敵導(dǎo)引頭形成質(zhì)心干擾、沖淡干擾的等綜合干擾態(tài)勢，完成對敵反艦導(dǎo)彈的第二輪軟殺傷。

圖2 小型無人艇集群防空反導(dǎo)示意圖Fig.2 Schematic diagram of small USV cluster’s air defense and anti-missile combat

2.2 預(yù)登陸場隱蔽偵察

在島礁登陸作戰(zhàn)中，小型無人艇可發(fā)揮吃水淺、機動性高、隱蔽性好的優(yōu)勢，擔(dān)負(fù)對預(yù)登陸場水下、岸上及電磁環(huán)境預(yù)先偵察任務(wù)。

按照偵察方向不同，小型無人艇集群可分為對陸偵察無人艇群、水下偵察無人艇群和電磁偵察無人艇群。其中，對陸偵察無人艇群主要搭載光電設(shè)備、筒式無人機等任務(wù)載荷；水下偵察無人艇群主要搭載多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、前視聲吶及水下電視等任務(wù)載荷；電磁偵察無人艇群主要搭載雷達(dá)偵察干擾機、通信偵察干擾機等任務(wù)載荷。

如圖3所示，各小型無人艇群由母艦攜帶進(jìn)入作戰(zhàn)海區(qū)，布放后自主航行至預(yù)登陸場附近水域展開，進(jìn)入各自陣位，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃分區(qū)域完成偵察任務(wù)。

圖3 小型無人艇集群預(yù)登陸戰(zhàn)場隱蔽偵察示意圖Fig.3 Pre-landing battlefield concealed reconnaissance of small USV cluster

具體作戰(zhàn)流程如下。

1）對陸偵察無人艇群。

對陸偵察無人艇群通過光電設(shè)備對各自負(fù)責(zé)區(qū)域的敵岸上環(huán)境進(jìn)行偵察成像和初步識別，形成局部戰(zhàn)場態(tài)勢并發(fā)送給編隊首領(lǐng)，由編隊首領(lǐng)進(jìn)行融合處理，形成完整的戰(zhàn)場態(tài)勢，并利用數(shù)據(jù)鏈將偵察信息實時傳送回母艦。當(dāng)需要確定岸上重點目標(biāo)坐標(biāo)位置時，各對陸偵察無人艇可通過光電被動測向的方式，獲取目標(biāo)的多個方位信息，由編隊首領(lǐng)匯總后，采用純方位定位算法解算目標(biāo)位置[8]，相比激光照射測距等有源定位方法，這種無源協(xié)同定位的方式極大地降低了暴露的可能，提高了戰(zhàn)場生存性。如敵岸上陣地縱深較大，對陸偵察無人艇可發(fā)射筒式無人機，對敵陣地腹地實施空中偵察，從而獲取更全面的偵察結(jié)果。

2）水下偵察無人艇群。

由于水下探測通常要求無人艇控制在 5～8 kn左右低航速作業(yè)，單一平臺及單一水下探測設(shè)備難以在較短時間內(nèi)完成區(qū)域探測任務(wù)。因此，可通過無人艇集群搭載不同類別水下探測設(shè)備，快速完成預(yù)登陸場附近區(qū)域水下環(huán)境信息獲取。其中，多波束聲吶和側(cè)掃聲吶可獲取預(yù)登陸場附近水域水下環(huán)境信息，并實時構(gòu)建水下地形圖；前視聲吶和水下電視可實時獲取艇艏附近水下環(huán)境信息。編隊首領(lǐng)將各無人艇獲取的水下偵察信息匯總處理后，形成水下態(tài)勢圖，通過深度學(xué)習(xí)等方法還可進(jìn)一步識別水雷等水下敏感目標(biāo)，為指揮所選擇安全的登陸通道提供信息支撐。

3）電子偵察無人艇群。

電子偵察無人艇群主要通過加裝雷達(dá)偵察干擾機、通信偵察干擾機等電子戰(zhàn)設(shè)備，截獲無線電信號并進(jìn)行相應(yīng)處理，獲取預(yù)登陸場敵重要電子設(shè)備信號特征。其中，雷達(dá)偵察干擾機可提供敵雷達(dá)重頻、載頻、脈寬、捷變周期及部署位置等重要參數(shù)；通信偵察干擾機可提供敵電臺的工作頻率、通信體制、調(diào)制方式、聯(lián)通特征及部署位置等重要參數(shù)。根據(jù)此類偵察信息，在登陸作戰(zhàn)時可有針對性地實施干擾壓制或者引導(dǎo)遠(yuǎn)程火力實施打擊。此外，電子偵察無人艇群還可以根據(jù)登陸作戰(zhàn)需要，主動開啟干擾設(shè)備，在佯攻方向上形成大量假目標(biāo)，吸引敵作戰(zhàn)力量，掩蓋我真實作戰(zhàn)意圖，起到“聲東擊西”的作戰(zhàn)效果。

2.3 海上維權(quán)自衛(wèi)反擊

隨著我海上維權(quán)斗爭日趨激烈，近距離低強度的扭抱纏斗已成為一種常見的海上作戰(zhàn)樣式，其交戰(zhàn)區(qū)域多發(fā)生在近岸、島礁附近，相關(guān)海域環(huán)境復(fù)雜，大型艦船受限制較多，非常適合小艇活動。近年來，“小艇打大艦”的作戰(zhàn)樣式屢有成功案例，如：2000年10月，美國海軍“科爾”號驅(qū)逐艦遭“基地”組織裝載炸藥的橡皮艇襲擊；2017年2月，沙特海軍“麥地那”號護(hù)衛(wèi)艦遭到自殺式小艇襲擊；此外，也門胡塞武裝也曾使用自殺式小艇，成功突破美軍封鎖線，完成對目標(biāo)油輪的爆破。

相比于橡皮艇、近距離遙控艇，小型無人艇在智能化程度、機動性、隱蔽性、續(xù)航水平、載荷能力等方面優(yōu)勢更加明顯。因此，可將小型無人艇集群部署于有人駐守島礁，在維權(quán)斗爭中及時前出，到達(dá)目標(biāo)海域遂行作戰(zhàn)任務(wù)。

執(zhí)行維權(quán)作戰(zhàn)的小型無人艇集群可分別搭載小型機槍站、多功能榴彈、小型反艦導(dǎo)彈及高能爆破裝置。其基本作戰(zhàn)樣式如下：

小型無人艇集群接到上級遠(yuǎn)程目標(biāo)指示后，自主規(guī)劃航路機動至指定海域，各無人艇通過雷達(dá)、光電等探測設(shè)備，獲取相關(guān)海域態(tài)勢信息，一旦發(fā)現(xiàn)入侵艦船，則通過數(shù)據(jù)鏈完成目標(biāo)運動態(tài)勢共享，首領(lǐng)節(jié)點完成任務(wù)規(guī)劃并分配下發(fā)給各成員，各成員自主生成新的航路規(guī)劃向目標(biāo)海域集結(jié)，進(jìn)行抵近查證，形成圍堵、驅(qū)趕之勢。同時，首領(lǐng)節(jié)點將前方戰(zhàn)場態(tài)勢和維權(quán)取證圖像及時向指揮節(jié)點通報，便于指揮節(jié)點根據(jù)態(tài)勢變化及時更新作戰(zhàn)方案。

在維權(quán)行動中，小型無人艇可首先通過揚聲器對入侵艦船進(jìn)行喊話提醒，而后利用機槍站對入侵艦船附近進(jìn)行射擊、利用榴彈發(fā)射器發(fā)射爆震彈進(jìn)行示警，如敵艦船仍不理會或發(fā)生擦槍走火，小型無人艇可在指揮節(jié)點的授權(quán)下或艇載指控系統(tǒng)自主決策下對敵展開自衛(wèi)反擊，通過小型反艦導(dǎo)彈對敵艦船桅桿、相控陣?yán)走_(dá)天線面等關(guān)鍵位置實施精準(zhǔn)打擊，大幅降低其后續(xù)威脅。如必要，加裝了高能爆破裝置的小型無人艇可在集群內(nèi)共享的雷達(dá)、光電數(shù)據(jù)導(dǎo)引下，對入侵目標(biāo)龍骨、側(cè)舷等薄弱位置發(fā)動自殺式攻擊，使其遭受重創(chuàng)，徹底失去戰(zhàn)斗力。

3 涉及的關(guān)鍵技術(shù)

作為一種新型作戰(zhàn)形式，馬賽克戰(zhàn)背景下的小型無人平臺集群作戰(zhàn)需重點關(guān)注的技術(shù)主要包括：有人-無人協(xié)同指揮控制技術(shù)、無人艇集群編隊航行控制技術(shù)、無人艇集群智能作戰(zhàn)決策技術(shù)等。其中，控制技術(shù)作為作戰(zhàn)的底層支撐，是進(jìn)行決策的依據(jù)，也是決策行動的執(zhí)行單元，其關(guān)系如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Key technology architecture

3.1 有人–無人協(xié)同指揮控制技術(shù)

“人在回路，不在艇上”是無人艇集群作戰(zhàn)的重要特征[9]。無人平臺的自主化、智能化本質(zhì)上是對人個體和群體作戰(zhàn)能力的延伸和增強而非否定，具體來說，就是將指揮員從比較低級的設(shè)備操控等機械性工作中解放出來，將更多的精力集中于指揮決策等智能水平要求較高的工作。這與傳統(tǒng)的有人作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)存在很大的差異。因此，應(yīng)從無人艇集群作戰(zhàn)需求和能力邊界出發(fā)，基于去中心化和分布式作戰(zhàn)思路，構(gòu)建清晰簡明、類別明確、模塊內(nèi)聚的集群指控流程，規(guī)劃集群系統(tǒng)信息協(xié)議、內(nèi)容及交互規(guī)則，完成包括功能、結(jié)構(gòu)、模型在內(nèi)的有人-無人協(xié)同指揮控制系統(tǒng)設(shè)計，充分發(fā)揮有人平臺和無人艇的各自優(yōu)勢，為有人艦艇和無人艇之間、無人艇與無人艇之間的高效指揮和戰(zhàn)術(shù)協(xié)同提供堅實的基礎(chǔ)。

3.2 無人艇集群編隊航行控制技術(shù)

海戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜、小型無人艇集群數(shù)量眾多且距離相對較近，為保障航行安全和協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)達(dá)成，對無人艇集群精準(zhǔn)協(xié)同航行控制提出了很高的要求。一方面，需加強基于多傳感器信息融合的智能避障方法、多約束條件下無人艇智能避障策略研究。另一方面，在現(xiàn)有經(jīng)典方法[10]（如基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法、領(lǐng)航者跟隨法等）的基礎(chǔ)上，可采用強化學(xué)習(xí)算法，發(fā)揮多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)特點，激發(fā)無人艇集群自主控制能力和環(huán)境應(yīng)變能力，進(jìn)一步提高無人艇集群智能精準(zhǔn)控制水平。

3.3 無人艇集群智能作戰(zhàn)決策技術(shù)

無人艇集群通過外界感知輸入的戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢，輸出群體控制策略，屬于智能化決策的范疇。從作戰(zhàn)角度看，無人艇集群與打擊目標(biāo)集群之間的體系化對抗是一種動態(tài)、隨機和信息非完全的博弈過程，無人艇集群需實時獲取并分析敵方目標(biāo)的進(jìn)攻態(tài)勢與行為意圖，動態(tài)調(diào)整作戰(zhàn)策略，從而最大程度地毀傷敵方目標(biāo)。為達(dá)成此目標(biāo)，應(yīng)結(jié)合集群作戰(zhàn)問題的特點，突破分布式處理條件下的態(tài)勢理解認(rèn)知、權(quán)重自學(xué)習(xí)的多目標(biāo)智能威脅評估、面向博弈對抗體系的自主任務(wù)分配等關(guān)鍵技術(shù)，最終構(gòu)建無人艇集群智能作戰(zhàn)決策網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

“真正的戰(zhàn)爭，發(fā)生在戰(zhàn)爭之前”[11]，要在未來戰(zhàn)爭中搶占先機，必須加強對戰(zhàn)爭理論、樣式、戰(zhàn)法的研究。本文從馬賽克戰(zhàn)理念出發(fā)，在完成小型無人艇集群控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了 3種與其戰(zhàn)術(shù)特點相匹配的典型作戰(zhàn)樣式，分析了實現(xiàn)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，為小型無人艇集群這一新質(zhì)作戰(zhàn)力量在未來海戰(zhàn)場運用進(jìn)行了有益的探索。