楊 波 李敬輝 吉順東

（1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）（2.92858部隊 寧波 315812）

1 引言

態(tài)勢感知（Situation Awareness，SA）指的是在廣闊的時空環(huán)境中去感知人們所關心的所有有用的元素，理解它們的意圖并且能夠以最快的速度識別出其身份。指揮員對整個戰(zhàn)場上作戰(zhàn)雙方的態(tài)勢信息的獲取和理解，這是指揮員制定作戰(zhàn)決策的前提。如果指揮員不能正確地把握和理解當前的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，就無法制定合理的作戰(zhàn)計劃，也就無法贏得戰(zhàn)爭。

信息技術的發(fā)展，大大提高了陸地和空中戰(zhàn)場的透明度，為指揮員能夠實時或者近實時地“看到”戰(zhàn)場上的情況提供了良好的技術保障。水下戰(zhàn)場由于自身的特殊性，使得其與陸上、空中戰(zhàn)場相比具有以下特點：水下作戰(zhàn)平臺難以高效通信；能源極難保障；水下節(jié)點易受海水侵蝕損壞。因此，各國海軍一直夢想著真正實現對水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知，以充分發(fā)揮水下作戰(zhàn)平臺的作戰(zhàn)效能［1～4］。

由于水聲傳播的特性使得水下信息傳輸相對隱蔽，因此采用具有一定自主性的無人水下平臺（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）實現對敏感海區(qū)的情報收集、監(jiān)視與偵察（ISR），并可作為水下通信網絡節(jié)點，從而實現水下戰(zhàn)場信息的分發(fā)，如圖1所示，具有獨特的優(yōu)勢，亦是未來水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的關鍵。下面就UUV在水下戰(zhàn)場中運用的裨益分析。

圖1 水下戰(zhàn)場信息的分發(fā)

無人系統(tǒng)的使用越來越多，從空中到地面，直至水下，不斷展示它們著新的用途。美軍認為，UUV系統(tǒng)將為“部隊網”（Force Net）提供關鍵的水下能力，對戰(zhàn)場的完整圖像做出貢獻。針對目前海軍發(fā)展現狀，只有適當借鑒國外先進的軍事思想和成熟的技術，充分利用現有資源，著力構建基于UUV支持的水下信息網絡，才能適應未來水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的需要［5～6］。實施以UUV為關鍵節(jié)點的水下信息網絡的優(yōu)勢主要有：

1）使水下戰(zhàn)場態(tài)勢一目了然成為可能

利用UUV對水下戰(zhàn)場中的傳感器進行組網，不僅可以全面獲得水下信息，綜合分析整個戰(zhàn)場信息，掌握敵我水下戰(zhàn)場態(tài)勢和敵方意圖，而且可以與水面、空中和太空其它網絡連為一體，對各方面信息進行全面分析，實現綜合評估戰(zhàn)場全局的目的。

2）使分散配置的武器節(jié)點易于發(fā)揮整體優(yōu)勢

具有隱蔽性好，機動能力強，可攜帶不同有效載荷等特點的UUV能夠對敏感區(qū)域進行信息收集，并通過水下網絡將情報、監(jiān)視、偵察信息及時傳輸，使得指揮決策網絡選擇最佳武器類型、作戰(zhàn)模式和攻擊時機，水下武器的作戰(zhàn)效能發(fā)揮將不再受地理條件的制約，使得分散配置的潛艇、魚雷、水雷、干擾器、誘餌等發(fā)揮更大的作戰(zhàn)效能，取得最大的作戰(zhàn)效果。

未來的海戰(zhàn)場特別是水下攻防對抗將日趨激烈，成體系發(fā)展水下聯合攻防武器裝備，擁有水下區(qū)域信息網，提高對作戰(zhàn)海區(qū)的情報、監(jiān)視與偵察能力，全面掌控戰(zhàn)場，達到在潛艇戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、水雷戰(zhàn)和反水雷戰(zhàn)時的戰(zhàn)場單向透明，進而奪取水下的制海權，是形成水下戰(zhàn)略威懾與實戰(zhàn)能力，進行綜合防御不可或缺的重要手段。

2 UUV在水下作戰(zhàn)網絡中的研究現狀

所謂水下作戰(zhàn)網絡就是在一定水下區(qū)域內，通過各種傳感器節(jié)點獲取水下信息，并對水下節(jié)點進行聲學通信和組網，最終通過特定的節(jié)點向岸上、水面和空中的作戰(zhàn)單元進行信息分發(fā)，并可以向潛艇進行信息發(fā)送［4］。利用水下作戰(zhàn)網絡，指揮員對水下戰(zhàn)場進行態(tài)勢感知和指揮決策。

2.1 “飛行插入”概念

20世紀90年代中期，美國空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部提出“飛行插入”（Flying Plug）概念并進行了試驗。所謂“飛行插入”，就是利用一次性光纜拖曳小型UUV作為“插頭”（Plug），通過特定的“插座”（Socket），實現潛艇、UUV、水面艦艇及飛機與遙控的有線傳感器網及通信浮標的連接。潛艇等平臺通過發(fā)射帶有光纜的UUV，就可以與數據存儲節(jié)點的“插座”連接，使?jié)撏г诜绤^(qū)外保持隱蔽狀態(tài)的同時，仍能進行遠程、高速率通信，從而達到水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知。圖2是“飛行插入”概念中的UUV及其“插座”，它們可以在網關浮標和分布式遙測傳感器之間構建臨時性鏈接。

圖2 “飛行插入”概念中的UUV（左）及其“插座”（右）

2.2 “海網”

“海網”（Seaweb）是目前規(guī)模最大、最成功的在研水下網絡項目，由美國海軍研究辦公室（ONR）、空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部負責研制。美國海軍自1998年起，平均每兩年進行一次海網的海底水聲通信試驗。2003年，SLOCUM UUV作為“海網”的網絡移動節(jié)點，累計工作了300小時，由6個重發(fā)器節(jié)點（Repeater Nodes）、兩個網關節(jié)點（Gateway Nodes）組成Seaweb網絡，支持與UUV的通信與導航。試驗證明了UUV在固定的自主水下網絡的支持下，可以組成自主的移動艦隊，圖3是Seaweb網絡與SLOCUM UUV的試驗的場景。

圖3 Seaweb網絡與SLOCUM UUV的試驗

2.3 近海水下持續(xù)監(jiān)視網

圖4 PLUSNet作戰(zhàn)使用設想圖

近海水下持續(xù)監(jiān)視網（PLUSNet）是美國海軍2006年披露的。它是一種半自主控制的海底固定＋水中機動的網絡化設施，由攜帶半自主傳感器的多個UUV組成，如圖4所示。這些UUV能夠互相通信，并在沒有人為指令的情況下做出基本決策，從而履行多種功能，包括對溫度、水流、鹽度、化學成份及其它海洋元素進行取樣，密切監(jiān)視并預測海洋環(huán)境。PLUSNet的關鍵系統(tǒng)包括裝有微型調制解調器的“海馬”、“金槍魚”自主式UUV及“奧德賽”、“海洋”、“斯洛克姆”、“X射線”等滑行式 UUV。

3 主要功能模塊及結構分析

為了實現基于UUV支持的水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知，主要應包括水下傳感器協(xié)同探測、水下傳感器組網、多傳感器信息融合等功能模塊［6～7］。圖5是各主要功能模塊的信息流程圖，圖6是UUV支持的水下戰(zhàn)場態(tài)勢形成模型。

圖5 主要功能模塊的信息流程圖

圖6 水下戰(zhàn)場態(tài)勢形成的模型

3.1 水下傳感器協(xié)同探測

當探測固定目標時，由于固定目標（如聲納陣列、水雷、海底）一般不會向外發(fā)射物理場，UUV要充分利用機動性的特點，可以主動對其探測，并與其它固定節(jié)點的傳感器實現對目標的協(xié)同測繪與定位，此時的協(xié)同探測網是并列的網絡結構形式［8］。當對運動目標進行探測時，由于需要的UUV數量增多，固定節(jié)點的傳感器難以滿足要求，此時的協(xié)同探測網為主從網絡結構形式，在多UUV協(xié)同警戒探測時，可以根據任務和環(huán)境的變化自動構成分布合理、探測區(qū)域最大化的水聲探測網絡。按照多機器人系統(tǒng)的群體體系結構有集中式結構、分布式結構和分層式結構三種［9］，如圖7所示。

圖7 多UUV系統(tǒng)

3.2 水下傳感器組網

水下傳感器和水聲調制解調器（Modem）是組成水下信息網絡的基本設備，而把這些基本設備連接起來的技術稱之為水下傳感器組網技術。水下傳感器組網技術是一類技術的集合，它涉及到水聲數據的交換技術、傳輸技術、共用系統(tǒng)技術和寬帶接入技術等。隨著UUV技術的發(fā)展，移動設備水下組網越來越顯示出可行性［10］。如圖8所示的水聲網絡拓撲圖中將UUV與傳感器按照傳感器簇進行了劃分，因此包含UUV的水聲網絡才是一個完整的水聲網絡。UUV的移動性及水下組網的需求是兩者有效結合的一個契機。UUV可以攜帶多個水聲調制解調器或其攜帶的調制解調器具有多個頻段。由于UUV遂行任務時的移動性，使得水下網絡節(jié)點之間的間距不斷變化，雖然給水下組網的路由協(xié)議帶來挑戰(zhàn)，但是水下組網的可覆蓋區(qū)域大大提高。

圖8 水聲網絡拓撲示意圖

3.3 多傳感器信息融合

通過多傳感器的信息融合，可以把來自不同類型、測量同一區(qū)域的不同物理特征的傳感器的近乎同時的觀測準實時地結合起來［7，10］。環(huán)境監(jiān)測UUV既可以利用自身的傳感器對周圍環(huán)境進行探測又可以通過水聲通信將區(qū)域內分布式傳感器的關鍵信息進行收集整理，再利用中繼通信UUV將其向上一級網關UUV或潛艇傳遞，如圖9所示。多傳感器信息融合技術的關鍵問題主要包括：戰(zhàn)場統(tǒng)一態(tài)勢的形成；精確標定水下傳感器位置，并進行坐標變換；統(tǒng)一時間標準。所以，在水聲通信網絡支持下的水下多傳感器信息融合將是水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的有力支撐。

圖9 UUV在多傳感器信息融合中作用

4 結語

從國外水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的發(fā)展來看，進行這方面的研究對提高水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知具有重要意義。UUV可以利用自身的隱蔽性進行水聲通信，通過一定規(guī)則的移動實現水下網絡的連通性。作為除潛艇之外的又一水下平臺，UUV為解決水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知開辟了有效的途徑，值得進一步深入探索。

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