蘇金濤

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港 222061)

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制研究

蘇金濤

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港 222061)

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將是潛艇之外最主要的水下作戰(zhàn)平臺(tái)，但它的武器控制與傳統(tǒng)水下有人作戰(zhàn)平臺(tái)武器控制存在明顯區(qū)別，在實(shí)際使用前仍面臨諸多問題需要解決。本文從水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制發(fā)展現(xiàn)狀及其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制原理和關(guān)鍵技術(shù)等方面對水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制進(jìn)行綜合分析，可為水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)及其武器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用提供借鑒和參考。

水下；無人；武器；控制

0 引 言

智能化和無人化是未來軍事裝備發(fā)展主要方向之一，攜帶魚雷、滅雷具等武器的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)（Unmanned CombatUndersea System，UCUS）[1]可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的“察打一體”和“發(fā)現(xiàn)即打擊”，相較于只能執(zhí)行對潛偵察、探測任務(wù)的水下無人系統(tǒng)（Unmanned Undersea System，UUS），對于對抗?jié)撏?、無人潛航器和水雷等以隱身見長的時(shí)敏類目標(biāo)尤其具有戰(zhàn)術(shù)意義，因此它的發(fā)展受到各國海軍的高度重視，有望成為繼載人潛艇之后新一類的水下作戰(zhàn)平臺(tái)[2]。雖然在潛艇等傳統(tǒng)水下有人作戰(zhàn)平臺(tái)上，武器控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但對于水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)而言，由于水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)本身及其運(yùn)行的特殊性，其武器控制相比水下有人作戰(zhàn)平臺(tái)的武器控制有顯著不同。

1 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制發(fā)展現(xiàn)狀

鑒于水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)廣闊的軍事應(yīng)用前景，美國、英國、挪威、法國等國家積極開展此方面的研究，世界范圍內(nèi)已經(jīng)開發(fā)和正在開發(fā)多型用于反潛、滅雷作戰(zhàn)的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，并逐步驗(yàn)證了水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制的可行性，其中比較典型且代表當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的有美國的“曼塔”（MANTA）無人潛航器和英國的“護(hù)身符”（Talisman）多功能無人潛航器。

美國海軍水下作戰(zhàn)中心研發(fā)的“曼塔”，是其新一代無人潛航器探索型試驗(yàn)平臺(tái)，可搭載于”弗吉尼亞”級潛艇，是該艇驗(yàn)證利用無人潛航器進(jìn)行反潛作戰(zhàn)的重要組成部分?！奥本哂?種作戰(zhàn)方式：一是與母艇共同執(zhí)行任務(wù)，母艇直接利用“曼塔”攜載的武器與傳感器實(shí)施作戰(zhàn)行動(dòng)；二是脫離母艇單獨(dú)遂行作戰(zhàn)使命，由其自主或被遙控完成各項(xiàng)任務(wù)，其可秘密跟蹤所發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，并在適當(dāng)距離時(shí)利用自身攜載的魚雷發(fā)起突然攻擊?！奥卑惭b4部魚雷發(fā)射管，可攜帶4枚重型魚雷、8枚半長魚雷或同等尺寸的其他載荷（聲吶對抗設(shè)備等），根據(jù)需要，其可遵循指令控制自身攜帶的反潛魚雷武器對特定水下目標(biāo)發(fā)起攻擊，發(fā)射完所有武器后可駛回母艦重新裝填[3]。

“護(hù)身符”是英國BAE系統(tǒng)公司研制的一型多功能、自主式無人潛航器，主要用于近海作戰(zhàn)。盡管“護(hù)身符”的主要作戰(zhàn)任務(wù)是偵查和掃雷，但其采用開放式體系結(jié)構(gòu)，可快速地裝備魚雷，擔(dān)負(fù)反潛作戰(zhàn)任務(wù)?！白o(hù)身符”是世界上第1艘在海上成功進(jìn)行武器發(fā)射和試驗(yàn)控制的無人潛航器。試驗(yàn)中，“護(hù)身符”發(fā)射了“射水魚”遙控滅雷具，對目標(biāo)成功進(jìn)行識(shí)別和定位以及模擬滅雷，顯示了其與“射水魚”滅雷具組合使用后的強(qiáng)大戰(zhàn)斗力。除“護(hù)身符”以外，BAE系統(tǒng)公司還推出了“護(hù)身符M”、“護(hù)身符ASW”和“護(hù)身符L”等多個(gè)改進(jìn)型，對遙控和自主方式下武器發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了不斷驗(yàn)證[4]。

2 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制技術(shù)挑戰(zhàn)

水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制雖然可借鑒潛艇等傳統(tǒng)水下有人平臺(tái)武器控制的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，但受水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)自身承載能力和控制能力、水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器適裝性、水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器使用方式和控制方式等多方面的影響，其在實(shí)際應(yīng)用之前，仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：

1）水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)與水下有人平臺(tái)的一個(gè)最基本的區(qū)別是“無人在現(xiàn)場”，由此帶來了運(yùn)行方式的巨大差別，形成了水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)目前普遍應(yīng)用的“人在回路中”和“人在回路上”控制方式[5]。水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)一般采用遙控、半自主或全自主方式工作。在遙控工作方式下，受制于水下通信能力的限制，操控人員對武器控制的全面性和實(shí)時(shí)性之間存在顯著矛盾；半自主工作方式，尤其是自主工作方式下，對水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)本身及其武器控制的智能化程度提出很高要求。目前無論水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)與外部的通信能力，還是水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的智能化水平，均在一定程度上限制了水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制的可靠性。

2）從實(shí)戰(zhàn)化角度出發(fā)，目前對于輕型級或重型級無人潛航器，一般要求在3級～4級海況下能穩(wěn)定工作。相較于高海況下傳統(tǒng)水下有人作戰(zhàn)平臺(tái)本身姿態(tài)不確定性帶來的對于武器控制的不利影響，水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)在此方面更加明顯。根據(jù)無人水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，今后一段時(shí)期內(nèi)，其整體尺寸、排水量還都較小，如美國重點(diǎn)發(fā)展的4種級別的無人潛航器中的重型級無人潛航器，直徑也不過534 mm，重約1 360 kg[6]，因此其受到外部環(huán)境的影響較大。惡劣海況給水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)帶來的姿態(tài)難以確定的問題，直接影響到武器的目標(biāo)瞄準(zhǔn)和發(fā)射安全，極易導(dǎo)致武器發(fā)射無效，更嚴(yán)重的是會(huì)危及水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)自身的安全。

3）雖然巨型級無人潛航器是水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向，但從所賦予的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)反潛（A SW）、水雷對抗（M CM）和時(shí)敏目標(biāo)打擊（TCS）等作戰(zhàn)使命任務(wù)，以及水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)布放、回收的便利性來講，重型級和輕型級水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)仍是很長一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展的重點(diǎn)。重型級和輕型級水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)尺寸較小，武器載荷搭載能力有限，為實(shí)現(xiàn)對較大作戰(zhàn)海域的控制和火力分布，一般采用集群化、協(xié)同化作戰(zhàn)。集群化、協(xié)同化等以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)模式對實(shí)現(xiàn)跨水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)與有人平臺(tái)，以及跨水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的武器控制提出了更高要求[7]。

3 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制原理

目前傳統(tǒng)水下有人作戰(zhàn)平臺(tái)武器控制是典型的人在回路（人工操作）控制，武器系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖3所示，虛線框內(nèi)的部分為武器控制的參與方，主要包括武器控制裝備和相關(guān)裝備的操作人員。有人水下作戰(zhàn)平臺(tái)武器維護(hù)、武器通道構(gòu)建、武器控制指令一般由操作員根據(jù)既定規(guī)則（例如操作手冊）進(jìn)行。在一些自動(dòng)化程度高的武器控制系統(tǒng)中，這些工作可以由系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界故障或故障、故障排除、系統(tǒng)降功能使用等特殊情況時(shí)，需要操作員結(jié)合技術(shù)材料和既往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判別、決策。

與水下有人作戰(zhàn)平臺(tái)相比，水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制應(yīng)該是一個(gè)高度自動(dòng)化的過程，并隨著控制智能化程度的提高，逐漸從自動(dòng)化到自主化進(jìn)展[8]。水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器（載荷）控制常用的工作模式有遙控、半自主或自主。受制于智能化水平、水下通信帶寬、水下通信實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)隱身性等因素的制約，目前普遍采用半自主工作模式。

在半自主工作模式下，武器控制過程如圖4所示，武器載荷控制操作員在控制環(huán)路中，可視情對水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制過程進(jìn)行干預(yù)，即典型的“人在回路中”控制方式。人工干預(yù)可以確定，也可以自適應(yīng)。確定的人工干預(yù)由操作人員判斷、制定和完成；自適應(yīng)的人工干預(yù)是在水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制自主能力分級的基礎(chǔ)上，通過采用可變自主控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)“自主級別”切換機(jī)制，賦予水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)可變的武器控制自主能力，使其能夠?qū)崟r(shí)評估自身的武器控制自主能力，并適時(shí)主動(dòng)引入人工干預(yù)，在“人-機(jī)”大系統(tǒng)的控制環(huán)中，實(shí)現(xiàn)由人到機(jī)的主動(dòng)交互和由機(jī)到人的主動(dòng)交互，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能的最佳組合[9]。

當(dāng)水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)處于自主工作模式下時(shí)，武器控制的決策和操作都由水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)管理系統(tǒng)和其自身的武器載荷控制系統(tǒng)自主完成，操作人員處于控制回路之上，起到監(jiān)控作用，即“人在環(huán)上”控制方式，武器控制過程如圖5所示。當(dāng)水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)集群作戰(zhàn)時(shí)，由集群完成集群信息自主處理、作戰(zhàn)自主決策、武器自主控制、平臺(tái)火力自主協(xié)同，實(shí)現(xiàn)多水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器協(xié)同控制，其原理如圖6所示。

4 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制關(guān)鍵技術(shù)

隨著水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)總體技術(shù)水平的提高，使搭載武器成為可能，潛在的應(yīng)用需求促進(jìn)了水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制技術(shù)的發(fā)展。但水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制技術(shù)的成熟度與實(shí)際應(yīng)用需求相比，仍存在著較大差距，提高水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制的安全性、有效性、可靠性和實(shí)用性，需要在以下幾個(gè)技術(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)突破：

1）水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制模型。目前大部分水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制模型都是從有人水下作戰(zhàn)平臺(tái)武器控制模型移植過來，雖然有繼承性，但有人作戰(zhàn)平臺(tái)的武器控制模型，還是完全按照“人在回路”和“人在現(xiàn)場”的思路設(shè)計(jì)，與完全無人在現(xiàn)場的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制有本質(zhì)的區(qū)別。水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制模型需要納入水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)總體指揮控制體系中，以“人在回路中”和“人在回路上”的思路進(jìn)行其武器控制體系研究。

2）水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制自主化技術(shù)。武器控制自主化是實(shí)現(xiàn)水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制自主化，需要進(jìn)一步發(fā)展能適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境變化、適應(yīng)己方作戰(zhàn)體系變化、適應(yīng)作戰(zhàn)目標(biāo)變化的武器智能控制方法。目前，采用以專家知識(shí)為基礎(chǔ)的人工智能專家系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器自主控制是一種方法，但仍需要在武器資源管控、武器控制通道構(gòu)建、武器控制故障診斷與容錯(cuò)處理、水下無人作戰(zhàn)集群武器協(xié)同控制等多個(gè)方面進(jìn)一步突破具備自學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力的武器智能控制方法。

3）水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制系統(tǒng)定量分析技術(shù)。相比無人機(jī)、無人車等其他無人系統(tǒng)，雖然水下無人系統(tǒng)的發(fā)展并不晚，但由于技術(shù)難度大，因此進(jìn)步速度滯后，在武器控制系統(tǒng)定量分析方面更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他無人作戰(zhàn)系統(tǒng)。水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)搭載武器及發(fā)射武器對系統(tǒng)本身安全性影響的定量分析，以及武器載荷的安全性、有效性和適應(yīng)性定量分析等，是指導(dǎo)水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和使用的重要依據(jù)。目前世界范圍內(nèi)對水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制系統(tǒng)缺乏針對性的定量分析以及分析方法。

5 結(jié) 語

從水下有人平臺(tái)武器控制到水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制是從武器傳統(tǒng)控制領(lǐng)域向武器智能控制領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變，將“人的行為”融合到機(jī)器中，涉及的理論和方法都有很大的不同。雖然人工智能在近些年得到了飛速發(fā)展，但要實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器自主控制，在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍存在諸多困難。但國內(nèi)外近年來在水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)方面的實(shí)踐，逐步驗(yàn)證了水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器載荷的使用價(jià)值和可實(shí)現(xiàn)性，隨著水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)武器控制關(guān)鍵技術(shù)逐步得到突破，必將促進(jìn)水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)走向?qū)嶋H戰(zhàn)場。

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Research on weapon control of unmanned combat undersea system

SU Jin-tao
(Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222061,China)

Unmanned combat undersea system will be the most important undersea combat vehicle except for the submarine,and there are many visible differences of the weapon control between the unmanned combat undersea system and the submarine,which must be solved before it is practically used.It is analyzed of the development and the technical challenge of the weapon control for the unmanned combat undersea system,as well as the theory and the key technologies.It provides the reference for the design and operation of the weapon control system,as well as the unmanned combat undersea system.

undersea；unmanned；weapon；control

E920.2

A

1672–7649(2017)12–0118–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.025

2017–07–21；

2017–08–23

蘇金濤(1980–)，男，高級工程師，研究方向?yàn)榉礉摷夹g(shù)、魚雷防御技術(shù)和無人系統(tǒng)技術(shù)。