多無人機系統支持的潛艇協同作戰應用研究＊

程相東 馮金富 杜文紅

（空軍工程大學 西安 710038）

1 引言

潛艇具有隱蔽性好，突擊能力強的優點，可長期潛伏在水下，具有較強的突擊作戰能力［1］。但潛艇在執行作戰任務時，主要依靠自身偵查設備獲取戰場信息，這些設備作用距離較近，使用時易暴露目標，使潛艇作戰半徑受到限制［2］。為提升潛艇作戰效能，潛艇應當融入戰場信息網絡，具備與空天地形成一體化的協同作戰（CE，Cooperative Engagement）能力。

協同作戰是指戰斗群中各戰斗單元以極短的延時共享其他單元獲取的目標信息，發射武器對目標進行攻擊，協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）的發展，尤其是潛射無人機（Submarine－launched Unmanned Aerial Vehicles，SUAV）的出現，使得這些無人平臺與潛艇協同執行作戰任務成為可能。

2 無人機支持潛艇協同作戰的數據鏈體系結構

潛艇在執行作戰任務時，無人機可作為一種場外傳感器為其提供所需的戰場信息。無人機可在敵反潛體系外發射，具有體積小、隱身性能好、航程遠的特點［2］。其機載設備可覆蓋較廣的區域，可擴大潛艇的搜索范圍，延長預警時間，提升潛艇的戰場感知能力。建立潛艇與無人機間的信息鏈接，是潛艇能否實現與空中單元協同作戰的關鍵。

數據鏈是現代信息技術與戰術理念相結合的產物，是為了適應機動條件下作戰單元共享戰場態勢和實時指控的需求，采用標準化消息格式、高效組網協議、保密抗干擾數字信道而構成的一種戰術信息系統［5］。以實現協同作戰為前提，以提升作戰效能為需求，數據鏈可將潛艇與無人機平臺鏈接起來形成一個有機整體。支持潛艇協同作戰的數據鏈體系結構如圖1所示。

2.1 數據鏈裝備

數據鏈裝備是數據鏈功能和技術的物化載體。為實現戰場信息和控制指令的收發，無人機以及潛艇等數據鏈節點應裝載數據鏈裝備，它的一般工作過程是：數據處理系統將無人機獲取的戰場信息轉換為數據鏈標準格式，經過接口處理轉換后，由端機按照組網通信協議處理，最后通過數據鏈終端完成發送；接收方（可以為一個或多個）由其端機接收到信號后，由端機按組網通信協議進行接收處理，在經過接口處理及轉換后，由數據處理系統進行格式化消息的解讀。

圖1 多數據鏈互聯體系結構

2.2 水聲網絡

水聲網絡是基于聲信號的無線通信網絡，由水聲數據鏈將水下節點（包括AUV、潛艇、水下傳感器節點等）有機聯合，是戰場信息在水下空間的傳輸鏈路［6］。水聲數據鏈可使潛艇在安全深度完成通訊，以保證潛艇戰場生存能力和對敵打擊的突然性。

2.3 AUV多數據鏈互聯網關

潛艇與無人機之間的信道涉及海水和大氣兩種傳輸介質，導致兩者之間存在多種數據鏈互聯互操作問題［7］。AUV多數據鏈互聯網關起到“翻譯器”的作用，支持不同種類數據鏈終端的接入，主要實現報文格式轉換、報文過濾、時空對準、沖突消解和狀態監視等功能。

2.4 無人機控制站

無人機控制站是潛艇實現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管理的同時，與指揮控制系統共享戰場態勢信息，直接支持作戰單元的作戰行動。

3 無人機控制站設計

3.1 控制站功能

借鑒以支持和實現聯合無人機作戰概念為主要目標的美國國防部（DOD）戰術控制系統［8］（Tactical Control System，TCS），無人機控制站的作用在于對無人機戰術任務的控制。具體功能如下：

1）實現無人機與潛艇作戰指揮控制系統間的互聯互通；

2）根據需要調整無人機姿態與航路，支持任務規劃與指揮控制功能；

3）戰場信息融合及戰場態勢生成；

4）無人機載荷狀態的監視與管理。

3.2 控制站功能邏輯結構

無人機控制站是鏈接無人機平臺和作戰指揮系統的橋梁，貫穿于作戰任務的全過程。無人機控制站接受作戰任務后將任務分解為無人機載荷任務和通信任務，并完成無人機平臺的航路規劃；在戰術任務執行過程中，監視無人機載荷和數據鏈工作狀態，接收多無人機系統傳回的戰場信息，融合處理后生成戰場態勢圖像，若有需要也可對任務進行重規劃；戰術任務完成后，分析任務執行情況提交任務完成報告。無人機控制站采用基于接口的模塊化設計，圖2為功能邏輯結構圖。

圖2 無人機控制站功能邏輯結構

數據鏈接口提供標準的信息格式，實現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、應用層的橋梁，可使潛艇指揮控制系統接收并分析戰場態勢信息和目標狀態信息，支持作戰單元對目標的打擊與監視。

4 多無人機系統描述

4.1 多無人機系統功能需求

多無人機系統（multi－UAV system）是指構成多無人機系統的無人機、控制站以及其它實體之間邏輯上和物理上的信息關系、控制關系和時空分布模式［9］。多無人機系統需要通信鏈路的支持，應當具備一定的智能性與自主性。根據戰術任務的不同，多無人機系統功能應滿足如下需求：

1）自組織能力。由于操作員數量有限，以及應對通信中斷等突發情況，多無人機系統應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獲得戰術任務的授權與確認；

3）支持動態任務。針對不斷變化的戰場態勢，多無人機系統可根據無人機控制站指令完成戰術任務重規劃；

4）開放性。當系統成員因戰斗損失或故障退出時，或者有其他成員加入時，系統能夠保持正常運行。

4.2 多無人機系統工作流程

多無人機系統的工作流程是無人機平臺在通信鏈路的保障下，實現戰場信息共享及協作完成戰術任務的協同過程［11］。多無人機系統工作流程如圖3所示，數據鏈支持多無人機系統的信息交互與指令接收。其中信息流是對戰場環境的感知與理解，指令流是無人機控制站所下達的指令信息。

4.2.1 態勢生成模塊

多無人機平臺接受無人機控制站預裝訂任務后活動在指定區域，利用自身傳感器完成戰場態勢的初步生成并不斷更新戰場態勢。戰場態勢具體包括目標信息，地圖和地形數據采集、氣象數據采集、態勢評估、威脅估計、態勢理解等，這些初步的戰場態勢信息需要傳回無人機控制站，進一步處理后生成近實時的戰場態勢圖像。

圖3 多無人機系統工作流程

4.2.2 任務執行模塊

無人機控制站通過數據鏈現場激活任務，多無人機系統對任務進行分解與細化完成任務分配；通過航路規劃與資源調度，在滿足戰術任務需求的前提下，合理配置多無人機系統資源，實現不同無人機平臺傳感器及其他設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分成若干呈遞階結構的無人機團隊和子團隊，是對戰術任務細化后的具體執行。團隊由團隊領導和普通成員組成，是自上而下的分層式結構，團隊領導協調成員行為并負責團隊公共事務的統一管理，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同作戰應用研究

潛艇協同多無人機系統對水面目標攻擊是一種時域、空域與頻域協同的典型作戰行為，作戰任務想定如圖4所示。作戰步驟如下：

1）節點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后，初步裝訂戰術任務，調試水面AUV網關，建立與多無人機系統的水聲／無線數據鏈鏈接，部署多無人機系統至巡航區域；

2）節點t2：無人機控制站監控無人機平臺航行、任務載荷及戰術數據鏈狀態，并搜集戰場態勢信息，由無人機控制站處理融合后生成戰場態勢圖像；

圖4 典型作戰任務想定圖

3）節點t3：無人機控制站對多無人機系統下達指令激活作戰任務，根據多無人機系統對作戰任務的分解與細化，由若干無人機團隊有效協作執行，并將目標信息與戰場環境信息傳回無人機控制站。多無人機系統團隊協作體系結構如圖5所示；

圖5 協同任務分配體系結構

4）節點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的過程，需要對戰場態勢的不斷決策，保證戰場信息的完備性、準確性與時效性，以獲得最大的作戰效能；

5）節點t5、節點t6：攻擊完成后，多無人機系統及時將戰損評估信息傳回無人機控制站，最后返航至預定區域降落回收。

5 結語

為實現多無人機系統與潛艇的協同作戰，本文設計了無人機控制站功能邏輯結構，探討分析了基于戰術任務的多無人機系統戰場功能實現，最后從實際作戰使用出發，給出了一種較為典型的協同作戰模式，并分析其作戰流程。從文中可看出，潛艇與無人機平臺的信息交互是實現潛艇協同作戰的關鍵，下一步應重點研究潛艇協同作戰信息時效性需求以及典型作戰模式的詳細戰術信息分發流程。

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