王天忠，王 威，江 蓮

（中國人民解放軍第92337 部隊，遼寧 大連 116023）

0 引言

伴隨新型無人武器平臺的大量應(yīng)用，有人–無人協(xié)同作戰(zhàn)已成為未來體系作戰(zhàn)的必然趨勢[1]。近年來，美、俄等軍事強國在有人–無人協(xié)同作戰(zhàn)方面開展了多項演示驗證，并取得了階段性成果[2-4]。UUV 是當(dāng)今世界海軍國家重點發(fā)展的水下作戰(zhàn)裝備，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水下戰(zhàn)場。隨著人工智能、導(dǎo)航控制、有效載荷等技術(shù)的突破性進展，潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)會成為全新的水下作戰(zhàn)樣式，必將推動水下戰(zhàn)爭形態(tài)發(fā)生革命性變化。

1 協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)

美國智庫研究報告《水下戰(zhàn)新紀元》指出：水下作戰(zhàn)樣式向潛艇–無人平臺體系化轉(zhuǎn)變，潛艇需要從類似于飛機的前沿戰(zhàn)術(shù)平臺轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴诤侥傅膮f(xié)同平臺[5]。潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)的根本在于減少“有人”增加“無人”，以更經(jīng)濟的成本取得最大的作戰(zhàn)效果[6]。

傳統(tǒng)水下作戰(zhàn)，潛艇作為獨立的作戰(zhàn)單元，基本自主完成“觀察–判斷–決策–行動”整個作戰(zhàn)過程，作戰(zhàn)效能關(guān)鍵取決于平臺能力。而潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)，潛艇成為指揮控制平臺，組織協(xié)調(diào)水下作戰(zhàn)體系的運行，核心職能在于“判斷–決策”2個環(huán)節(jié)，而“觀察”“行動”的職責(zé)大多由UUV擔(dān)負。潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)時，UUV 可隱蔽航行至潛艇難以抵達的危險海域，在大范圍、大深度對目標(biāo)進行抵近偵察、隱蔽突襲和快速打擊，使水下作戰(zhàn)行動更加自由，且更加難以防范。

潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)主要可分為以下幾種。

1.1 協(xié)同探測

潛艇水下作戰(zhàn)時通常使用聲吶系統(tǒng)對目標(biāo)進行被動探測，受海洋環(huán)境背景噪聲、目標(biāo)輻射噪聲水平及自身聲吶設(shè)備工作能力等因素影響，對目標(biāo)的探測能力有限，特別是對水下目標(biāo)的探測更為困難，嚴重影響交戰(zhàn)對抗。而UUV 隱蔽性良好，作戰(zhàn)使用方式也非常靈活，可對潛在作戰(zhàn)海域進行大范圍機動監(jiān)測。潛艇與UUV 協(xié)同探測，不僅實現(xiàn)了潛艇的隱蔽，更為關(guān)鍵的是增強了對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力，提高了隱蔽探測效率，進而提高潛艇在對抗中的獲勝概率。

1.2 協(xié)同攻擊

潛艇對目標(biāo)的攻擊空間受探測能力的制約，即使武器具備中遠距離攻擊能力，當(dāng)探測能力弱時，作戰(zhàn)中也無法達成遠程攻擊。由于潛艇攻擊距離較近，攻擊后即意味著平臺暴露，可能會遭到對手的快速反擊，潛艇安全受到嚴重威脅。潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)，發(fā)揮整體優(yōu)勢可取得先敵攻擊的機會。UUV 作為突前攻擊兵力，位中遠距離對目標(biāo)實施突襲，潛艇可視攻擊效果接續(xù)抵近攻擊；兩者也可協(xié)同位目標(biāo)兩側(cè)內(nèi)外夾擊，攻擊效能會大幅提高。

1.3 協(xié)同防御

潛艇受自身機動規(guī)避能力弱、對來襲武器預(yù)警能力不足的影響，當(dāng)發(fā)現(xiàn)武器來襲時難以快速形成有效防御；當(dāng)通過水雷威脅海域時，由于水雷難以被探測到，潛艇面臨的威脅也很大。潛艇與UUV協(xié)同防御，可提高對來襲武器的威脅告警能力，有利于及時采取相關(guān)防御措施，必要時還可以控制UUV 機動航行作誘餌，誘騙來襲武器，從而對潛艇形成保護。面臨水雷威脅時，UUV 可以前出充當(dāng)“獵雷先鋒”，為潛艇安全航行開辟通道。

2 協(xié)同解算分析

在探測、攻擊與防御等作戰(zhàn)任務(wù)中，往往要求協(xié)同作戰(zhàn)體系在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后有效評估戰(zhàn)場態(tài)勢，為后續(xù)作戰(zhàn)行動決策與開展提供依據(jù)。其中，兼顧快速性、隱蔽性與安全性開展目標(biāo)運動要素解算是戰(zhàn)場態(tài)勢評估的重要環(huán)節(jié)。

在傳統(tǒng)的獨立作戰(zhàn)模式中，潛艇基于聲吶設(shè)備的目標(biāo)探測信息，結(jié)合自身導(dǎo)航信息，解算目標(biāo)的航速、航向、方位與距離等運動要素。其解算收斂速度會受到2 方面制約：1）考慮到隱蔽性問題，潛艇會盡量避免采用外露性探測設(shè)備同時獲取方位與距離，而是主要依靠被動聲吶探測的連續(xù)方位信息；2）為滿足目標(biāo)可觀測性條件，潛艇自身需要完成至少1 次機動過程，才能夠使解算結(jié)果收斂[7-9]。

在潛艇與UUV 的協(xié)同作戰(zhàn)中，可以利用UUV使用靈活、行動隱蔽、風(fēng)險承受能力強、使用成本低等特點。由UUV 作為前置兵力同步偵察，并將目標(biāo)跟蹤探測信息匯總至潛艇完成目標(biāo)運動要素解算，通過發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢縮短解算收斂時間，從而提升作戰(zhàn)響應(yīng)速度。

從實現(xiàn)性角度出發(fā)，潛艇與UUV 協(xié)同解算過程應(yīng)考慮水聲通信的速率與帶寬等限制，不宜要求過高的交互頻率以及過大的交互數(shù)據(jù)量。此外，考慮到發(fā)信過程中產(chǎn)生的暴露性風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)盡量降低潛艇的主動發(fā)信次數(shù)，以提升有人平臺的隱蔽性與安全性。

因此，提出基于目標(biāo)位置線的協(xié)同解算方法，UUV 根據(jù)目標(biāo)探測信息推算目標(biāo)位置線，并將其參數(shù)通過低頻次低容量的水聲通信上報，由潛艇接收匯總后解算目標(biāo)運動要素。

3 基于目標(biāo)位置線的協(xié)同解算方法

假設(shè)在偵察階段目標(biāo)保持勻速直航狀態(tài)，戰(zhàn)場態(tài)勢如圖1 所示。

圖1 方位示意圖Fig. 1 Orientation diagram

UUV 或潛艇以勻速直航狀態(tài)進行接敵跟蹤，在t1、t2、t3時刻分別位于W1、W2、W3點，利用被動聲吶探測目標(biāo)方位為F1、F2、F3。

在目標(biāo)方位線F1上任意位置假定目標(biāo)初始點，航向Hm，航速Vm。假設(shè)潛艇自身不動，則可以根據(jù)相對運動原理做出相對舷角Xx、相對航向Hx與相對航速Vx。

根據(jù)幾何關(guān)系，相對舷角為

相對速度為

式中，D1為直線長度。

按照上述方法，假定探測方位一致但初始距離不同的另一個目標(biāo)初始點，對應(yīng)相對舷角，相對航向與相對航速。

在t4時刻位于W4時，可推算目標(biāo)方位為

將t1－t3時段內(nèi)方位測量值與測量時間作為已知量，取t為t3到當(dāng)前時刻的時間間隔，則式（3）可理解為目標(biāo)方位F(t) 關(guān)于時間t的函數(shù)，如下式：

式中：

盡管按照不同初距對應(yīng)不同的運動要素，但是按照各初距點對應(yīng)的目標(biāo)航向和航速進行推算所得的各推算目標(biāo)位置點卻在同一條直線上，即目標(biāo)位置線。取W1為坐標(biāo)原點建立直角坐標(biāo)系，目標(biāo)位置線可表示為

將t1－t3時段內(nèi)UUV 或潛艇的航速、航向與位置作為已知量，則t時刻位置為

式中：Hm為航向；Vm為航速；為t3時刻位置。

整理式（10）－（12），得到目標(biāo)位置線表達式為

式中，

在作戰(zhàn)任務(wù)場景中，結(jié)合協(xié)同模式及兵力部署方式，可由前置UUV 與后方潛艇同步探測目標(biāo)，UUV 通過水聲通信將解算的目標(biāo)位置線發(fā)送至潛艇，潛艇匯總至少2 條不平行目標(biāo)位置線，可推算目標(biāo)軌跡，實現(xiàn)運動要素解算。

4 仿真

設(shè)定我方警戒區(qū)域為10 000 m×10 000 m 正方形海域，坐標(biāo)原點為西南角頂點，戰(zhàn)場態(tài)勢如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)場態(tài)勢示意圖Fig. 2 Schematic diagram of battlefield situation

敵方水面艦艇以航速10 kn，航向210°，從（5 000，10 000）位置進入警戒區(qū)，位置變化如圖3 所示。

圖3 目標(biāo)位置圖Fig. 3 Target location diagram

UUV 以航速6 kn、航向45°，從（7 000，7 000）位置對目標(biāo)進行探測，潛艇以航速4 kn、航向315°，從（2 000，3 000）位置對目標(biāo)進行探測，探測目標(biāo)方位與舷角如圖4 所示。

圖4 目標(biāo)方位與舷角圖Fig. 4 Target azimuth and port angle diagram

300 s 時刻，UUV 通過水聲通信發(fā)送推算目標(biāo)位置線信息，潛艇匯總后推算目標(biāo)在300 s 后位置如圖5 所示。

圖5 目標(biāo)位置推算圖Fig. 5 Target location calculation chart

其中，UUV 及潛艇推算目標(biāo)位置線關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 目標(biāo)位置線關(guān)鍵參數(shù)表Table 1 Key parameters of target location line

對比圖3 與圖5，顯然潛艇推算的目標(biāo)位置信息有效，可用于指導(dǎo)協(xié)同作戰(zhàn)體系后續(xù)的偵查、攻擊或防御作戰(zhàn)行動。

5 結(jié)束語

伴隨著反潛探測技術(shù)的不斷提升，單純依賴潛艇平臺對抗的水下作戰(zhàn)模式優(yōu)勢正逐步喪失，UUV 的作戰(zhàn)運用能夠極大拓展水下戰(zhàn)場的覆蓋維度，潛艇與UUV 協(xié)同作戰(zhàn)將為水下作戰(zhàn)帶來革命性變化。

本文結(jié)合協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)中潛艇與UUV 各自優(yōu)勢，圍繞“潛艇后方?jīng)Q策，UUV 前方行動”的協(xié)同模式，針對戰(zhàn)場態(tài)勢評估對目標(biāo)運動要素解算的快速性、隱蔽性與安全性要求，提出基于目標(biāo)軌跡線的運動要素協(xié)同解算方法，為后續(xù)潛艇與UUV協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究提供參考。