程相東 馮金富 杜文紅

（空軍工程大學(xué) 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(wù)時，主要依靠自身偵查設(shè)備獲取戰(zhàn)場信息，這些設(shè)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(yīng)當(dāng)融入戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)，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(wù)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(jié)構(gòu)

潛艇在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)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(shè)備可覆蓋較廣的區(qū)域，可擴大潛艇的搜索范圍，延長預(yù)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(guān)鍵。

數(shù)據(jù)鏈是現(xiàn)代信息技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)理念相結(jié)合的產(chǎn)物，是為了適應(yīng)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(gòu)成的一種戰(zhàn)術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)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(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)鏈標準格式，經(jīng)過接口處理轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

2.2 水聲網(wǎng)絡(luò)

水聲網(wǎng)絡(luò)是基于聲信號的無線通信網(wǎng)絡(luò)，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崳员ＷC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(guān)

潛艇與無人機之間的信道涉及海水和大氣兩種傳輸介質(zhì)，導(dǎo)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(guān)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(zhuǎn)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(shè)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(shù)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(shù)任務(wù)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(diào)整無人機姿態(tài)與航路，支持任務(wù)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(jié)構(gòu)

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(wù)的全過程。無人機控制站接受作戰(zhàn)任務(wù)后將任務(wù)分解為無人機載荷任務(wù)和通信任務(wù)，并完成無人機平臺的航路規(guī)劃；在戰(zhàn)術(shù)任務(wù)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(wù)進行重規(guī)劃；戰(zhàn)術(shù)任務(wù)完成后，分析任務(wù)執(zhí)行情況提交任務(wù)完成報告。無人機控制站采用基于接口的模塊化設(shè)計，圖2為功能邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖2 無人機控制站功能邏輯結(jié)構(gòu)

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(yīng)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(gòu)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(guān)系、控制關(guān)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(yīng)當(dāng)具備一定的智能性與自主性。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的不同，多無人機系統(tǒng)功能應(yīng)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(yīng)對通信中斷等突發(fā)情況，多無人機系統(tǒng)應(yīng)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(shù)任務(wù)的授權(quán)與確認；

3）支持動態(tài)任務(wù)。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(shù)任務(wù)重規(guī)劃；

4）開放性。當(dāng)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(shù)任務(wù)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(yù)裝訂任務(wù)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?zé)o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(wù)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(wù)，多無人機系統(tǒng)對任務(wù)進行分解與細化完成任務(wù)分配；通過航路規(guī)劃與資源調(diào)度，在滿足戰(zhàn)術(shù)任務(wù)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(shè)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(jié)構(gòu)的無人機團隊和子團隊，是對戰(zhàn)術(shù)任務(wù)細化后的具體執(zhí)行。團隊由團隊領(lǐng)導(dǎo)和普通成員組成，是自上而下的分層式結(jié)構(gòu)，團隊領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)成員行為并負責(zé)團隊公共事務(wù)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(yīng)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(wù)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(wù)后，初步裝訂戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，調(diào)試水面AUV網(wǎng)關(guān)，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?zé)o人機平臺航行、任務(wù)載荷及戰(zhàn)術(shù)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(wù)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(wù)，根據(jù)多無人機系統(tǒng)對作戰(zhàn)任務(wù)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?zé)o人機控制站。多無人機系統(tǒng)團隊協(xié)作體系結(jié)構(gòu)如圖5所示；

圖5 協(xié)同任務(wù)分配體系結(jié)構(gòu)

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?zé)o人機控制站，最后返航至預(yù)定區(qū)域降落回收。

5 結(jié)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(shè)計了無人機控制站功能邏輯結(jié)構(gòu)，探討分析了基于戰(zhàn)術(shù)任務(wù)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(guān)鍵，下一步應(yīng)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(shù)信息分發(fā)流程。

［1］侯博，蔣峰.潛空導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能研究［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2010，25（1）：101－104.

［2］譚紅明，鄧海強.潛射無人機發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，41（12）：1－5.

［3］胡洪寧，周德超，劉忠.基于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的隱蔽協(xié)同攻擊模式研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2011，29（11）：85－88.

［4］綦輝，蔡云祥，宋裕農(nóng).基于UUV支持的水下協(xié)同作戰(zhàn)研究［J］.火力與指揮控制，2009，34（3）：96－101.

［5］李宏智.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展與作戰(zhàn)應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2010，30（4）：1－5.

［6］佟盛，張信學(xué).美軍水下網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展及設(shè)想［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（2）：154－158.

［7］曹方方，劉衛(wèi)東，李娟麗.基于水下網(wǎng)絡(luò)的多UUV協(xié)同作戰(zhàn)效能評估［J］.計算機測量與控制，2011，19（6）：1397－1402.

［8］王林，張慶杰.支持聯(lián)合作戰(zhàn)的UAS通用地面控制站研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（22）：6171－6175.

［9］袁利平，陳宗基.一種新型多無人機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，22（22）：6137－6141.

［10］胡洪寧，周德超，劉忠，等.基于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的隱蔽協(xié)同攻擊模式研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2011，39（11）.

［11］姚宗信，李明，陳宗基.多機協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)決策方法多智能體結(jié)構(gòu)框架［J］.電光與控制，2008，15（3）：1－4.