針對持續性跟蹤無人艇的探測技術

田 軍，佘亞軍，蔡 龍

(1.中國人民解放軍海軍裝備部，北京100071;2.中國船舶重工集團公司第七一九所，湖北 武漢430064)

0 引 言

環視中國周邊，從東北亞、東部沿海到南海已成為各國艦艇數量最為密集的區域，其中不乏“弗吉尼亞”等代表世界最高技術水平的核潛艇。這些艦艇長期監視我海軍行動，扼守我海軍進出島鏈的各個關口，對我海軍部隊構成直接威脅。同時，我國潛艇部隊還受到他國反潛偵察部隊的特殊關照，美國部署大量間諜船、遠洋勘測艦、P-3C 反潛機、EP-3 偵察機等監控我潛艇部隊動向，日本裝備HSS-2B、P3-X 等多種反潛機來監視我水下艦隊［1］。據報道，最近DARPA 提出ACTUV 項目，計劃開發一種具有先進的反潛搜索能力、可以獨立部署的無人艇，用于對他國潛艇進行長期監視和跟蹤，ACTUV 的出現將會對我國潛艇部隊安全形成重大挑戰［2］。

1 ACTUV 簡介

ACTUV 屬于反潛無人艇技術的一種。2008年5月，通用公司曾向美國海軍交付1 艘艦隊級反潛無人艇，可執行海上防御、保護航線、港口監測等反潛戰任務，為美國海軍水面艦艇戰斗群提供有力保護。2010年3月，DARPA 正式啟動了ACTUV 項目(見圖1)，計劃建造100 艘持續性跟蹤無人艇，部署于第一島鏈和第二島鏈之間的廣大海域，密切注視我潛艇部隊的舉動。ACTUV 的主要特征有:

1)針對我國核潛艇和常規潛艇的噪聲、外形等指標進行設計;

2)排水量157 t，艇長19 m，航速27 kn，續航力3 000 km 以上;

3)裝配聲吶超過3 部，能將監控所得信息實時發送到美軍指揮中心;

4)具有強大的推進功能、優越的機動性能、持續跟蹤目標能力，突破了隱身技術難題，具有先進的總體性能和改變反潛模式的能力。統計信息是目標的重要特征，得到了目標特征之后可采用最大相關分類器和歐氏距離最近分類器對測試目標進行識別(見圖2)。

圖1 ACTUV 模型Fig.1 The model of ACTUV

圖2 SAR 技術目標識別模型Fig.2 The model of SAR technology on target identifiction

2 常規探測方法

如何結合ACTUV 的特點對其進行反制，是海軍亟需解決的問題。針對艦艇的探測方法通常有以下三類:

1)天基探測

衛星探測是指利用光學遙感衛星、雷達衛星、偵察衛星等對敵艦艇進行搜索，近年來我國在衛星技術領域已經取得重大突破，可應用于監視ACTUV。

光學遙感衛星通過對目標的方向角進行測量實現目標定位，測量精度受到透視投影、攝影軸傾斜、大氣折光等因素的影響，因此必須建立起精確的幾何成像模型。對于高分辨率衛星遙感成像而言，建立嚴格幾何定位模型時，必須考慮遙感成像過程中造成影響變形的各種物理因素，如衛星位置、傳感器姿態、相機參數等，利用這些幾何條件建立起幾何模型。

雷達衛星技術分真實孔徑雷達成像和合成孔徑雷達成像。以合成孔徑雷達為例，其性能穩健，不受天氣、光照等條件限制，具有全天候的作戰能力、廣泛應用于艦船目標識別，適合對敵水面艦船搜索與跟蹤，但合成孔徑雷達圖像中包含有大量的海雜波，需要對圖像數據進行預處理，以削弱雜波的影響。在進行目標特征提取時，形狀信息、輪廓信息、

偵察衛星采用無源定位法對地面電磁波輻射源進行定位［6］，主要有測向定位和測時差定位2種技術。由于軌道高度已知，偵察衛星利用單站二維測向法即可完成目標定位。二維測向過程如下:令cosβx和cosβy分別為視線方向的2 個方向余弦，視線方向的第3 個方向余弦值為

可以得到目標相對星下點軌跡的方位角為

目標與星下點之間的地心張角

這里RL是地球本地半徑，RS是地心與衛星之間的距離。為解決星載二維偵察設備較為復雜的問題，有學者提出在高速自旋衛星上進行一維測向，可以實現目標的準實時定位，且測試設備復雜度降低一半，但一維測向法獲得的定位數據精度有所下降。

遙感衛星和雷達衛星探測技術存在著目標姿態敏感性、目標平移敏感性、目標強度敏感性、目標位置精確性等問題，而偵察衛星不受目標狀態和外界因素的影響，可以快捷地獲得地面目標的大體位置信息，因此適宜監測目標的活動情況。考慮到探測結果傳遞、后方信息辨識、制定反擊方案的實時性問題，偵察衛星適宜探測ACTUV 的活動區域，對其進行準確定位需要結合其他技術。

2)海基探測

聲吶在探測敵方艦艇方面具有獨特優勢，可借鑒美國在全球重點海域實施深海偵聽的經驗，在重要海域布置分布式被動聲吶基陣，基陣之間采用高速通信網絡進行互聯，實時向岸上基地或部隊反饋監視信息，探測ACTUV 行蹤。或者利用裝配有主動拖曳聲吶的聲吶監測船進行重點海域的搜索巡邏(見圖3)。2 種方法各有優勢，分布式聲吶基陣具有較好的隱蔽性，部分基陣失效后，剩余基陣能自動握手并重新組網，繼續實施對敵偵聽;而聲吶監測船可以靈活地選擇偵察區域，提高探測的針對性。

圖3 聲吶陣列監測示意圖Fig.3 The sketch map of interception sonar array

對分布式聲吶基陣探測方法而言，由于陣元布置在不同的位置，目標的聲傳播路徑各異，降低了目標反射信號的信道衰減效應，有效減少了探測盲區，提高對目標的探測概率。分布式基陣數目越大，目標越容易進入基陣的探測區域，同時可探測識別的目標數量越大。相比衛星技術，聲吶技術能夠實現目標方位定位和距離定位。方位定位能力依賴基陣的布陣大小，基陣布陣越大，波束越窄，指向性越好，對應方位分辨率越高;距離定位可以采用幾何定位方法實現(見圖4)，根據多基地探測的距離矢量值，進行后方交匯計算目標的真實距離。分布式聲吶基陣探測方法的不足之處在于:受基陣布置位置及數量的限制、被動聲吶實際探測距離較小等因素的影響，這種方式的實際探測效果較為有限。

圖4 分布式基陣目標定位Fig.4 Target orientation by distributed array

聲吶監測船可以通過裝配主動聲吶獲得較大的探測距離，但主動聲吶的探測距離取決于實際的發射功率，只有采取較大功率發射模式才能獲得較大的視域，而增加發射功率的同時增大了聲吶監測船暴露自身位置的危險性。而且聲吶監測船的活動區域較為有限，監測區域只能覆蓋局部海域。

3)空基探測

空基探測主要依靠反潛巡邏機實現，我國自行研制的運-8 反潛巡邏機已初步滿足巡視重點海域的任務需求，可以應用于對ACTUV 的探測。

反潛巡邏機機動性強、航程遠，可裝備多種搜索設備和攻擊武器，具有以下優勢:①能夠在短時間內對近海寬闊海域實施巡邏搜索，迅速集中兵力于某一海域，搜索行動具有突然性和高效性;②能夠快速與目標建立接觸和恢復接觸，并可實施快速攻擊;③能夠對敵艦艇實施隱蔽跟蹤，反潛巡邏機在空中跟蹤飛行，不易被艦艇發現，降低了艦艇采取擺脫跟蹤行動的可能性;④搜攻潛手段多、效率高，反潛巡邏機可裝備搜索雷達、聲吶浮標、磁探儀、紅外搜索儀、反潛魚雷和深水炸彈等多種搜索和攻擊武器。

相比其他探測手段，巡邏機信息量更大，指揮員需掌握各種搜潛手段的戰術性能，并需根據不同的目標情況、海域水文情況和戰場態勢選擇相應的搜索手段。針對其戰術特點，可以考慮建立反潛作戰指揮輔助決策系統，根據不同任務自動生成搜索方案并預測作戰行動效果，減輕指揮員負擔，提高作戰效能。指揮輔助決策系統可以采用兩級探測方案進行目標搜索:第一級搜索方案選擇，解決聲吶浮標、磁探儀、雷達、紅外搜索儀和電子監測系統等不同手段的組合問題;第二級搜索方案選擇，針對聲吶浮標需要布陣使用的特點，對聲吶浮標的布陣方案再次進行評估決策。

空基探測的劣勢在于反潛機的航程有限，只能實施近海搜索或者特定海域的搜索。

3 多維信息聯合定位法

根據前文的分析，獨立采用天基探測、海基探測或空基探測等常規手段可以在某些情況下探測到ACTUV的活動海域，但并不能夠保證探測結果的穩健性和準確性。本文提出一種結合多種探測手段建立的天基、海基、空基三維探測系統，利用多維信息融合技術達到對ACTUV 目標進行監測以及準確定位的目的。

首先，采用偵察衛星監測ACTUV 與外界進行信息交互時的電磁波信息，在監測到目標活動信息時，利用無線電測向法初步計算ACTUV 活動區域的位置信息;其后，啟動海基探測方案與空基探測，利用聲吶監測船、海底聲吶基陣網絡或者航空測量手段，探測ACTUV 的準確位置;最后，根據探測行動獲取的數據，進行最優信息融合，提高探測結果的準確性。這里提出一種多維數據信息融合定位方法，提取多維探測數據中的目標信息。

相應得到對ACTUV 目標的定位方程:

將上述方程組寫成矩陣形式，可得到線性方程:

式中:

由式(4)可得定位方程解為

4 結 語

本文介紹了ACTUV 的基本情況，以及給我國潛艇部隊帶來的安全問題，研究從天基、海基、空基3 個方面進行探測，針對3 種方案單獨實施時均存在不足的問題，提出聯合多種探測手段構建天-海-空三維探測網絡，并提出了一種數據融合目標定位方法。這種方法可以應用于對外國艦艇的監測。針對ACTUV 的干擾和打擊方法是下一步研究計劃。

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