海域環境艦船應對異構無人集群防御構想*

張耀華，袁俊，楊小艷，宋申民

(哈爾濱工業大學 控制理論與制導技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

近年來，針對無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)集群技術的研究尤為引人注目。為遏制中、俄等國日益崛起的軍事力量，美國于2014年推出以“創新驅動”為核心的第三次“抵消戰略”，基于國防預算倍受限制的現狀，美軍在作戰概念方面進行創新，力求獲取強軍事對抗環境下的非對稱優勢，在這一背景下，誕生了集群式無人機作戰概念[1]。無人機集群作戰概念可以追溯到人類對仿生學的研究，蟻群、蜂群、鳥群、魚群等群體在運動過程中能夠實現避撞，進行信息交流，協同完成任務。隨著科技的進步，無人機集群融合人工智能、大數據等技術手段，形成“群體智能”(swarm intelligence，SI)技術。無人機集群作戰，不僅可以在空中進行，還可以在水下開展。水下無人潛航器(unmanned underwater vehicle,UUV)的應用還未同空中無人機一樣為人所熟知，但在軍事領域，針對UUV的研究一直未曾止步。UUV集群作戰或集群探測、協同作戰的研究[2-3]正逐步由理論向實踐邁步，未來研究空間巨大。在未來戰爭中，無人系統集群技術可能引發戰爭技術的革命，是具有改變戰爭形態能力的顛覆性技術。正因如此，應引起足夠重視，并開展對反無人系統集群作戰的研究，探究應對具有智能行為的無人系統集群威脅的策略。

隨著海洋開發的深入發展，世界各國對海域領土的爭端時有發生。面對新型無人系統集群威脅，有必要展開海域艦船防御體系的研究。海域環境作戰情況復雜多變，具有覆蓋范圍廣、涉及領域寬、時空變化大等特點[4]。除了傳統的地理、水文、氣象等條件對艦船作戰較大影響外，海域艦船面臨的復雜水聲環境和電磁環境對探測預警系統帶來了極大挑戰。著手建立海域艦船應對UAV群與UUV群防御體系，對于未來的海軍防御體系建設具有重要意義。

1 無人系統集群研究現狀及軍事需求

1.1 無人系統集群研究現狀

目前世界上研究無人系統集群技術成熟度高的國家是美國，可預見美軍未來會將無人系統集群技術用于實戰當中。此外，中國對無人系統集群技術的研究在飛速發展當中，也處于世界前列，下文重點對美國和中國無人系統集群研究現狀展開探討[5-6]。

美國國防部高級研究計劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)、海軍研究局、眾多實驗室及高校等組織機構，對于UAV集群的概念驗證進行了很多研究。美國曾于2001年發布《無人機系統路線圖2005—2030》，將“全自主集群(人類對無人機的工作幾乎不作指導，但仍然擁有最高權限)”定義為無人機自主控制的最高等級，預計2025年后無人機將具備全自主集群能力[7]，圖1為美國空軍2030年集群作戰概念圖。

圖1 美國空軍2030年集群作戰概念Fig.1 U.S.Air Force 2030 Cluster Operations Concept

美國近幾年大力推進系列化集群項目發展，如“小精靈”(Gremlins)項目、“拒止環境中協同作戰”(collaborative operations in denied environments,CODE)項目、“灰山鶉”(Perdix)項目、“進攻性蜂群使能戰術”(offensive swarm-enabled tactics,OFFSET)項目、“低成本無人機集群技術”(low-cost UAV swarming technology,LOCUST)項目、“自主集群彈性戰術網絡”(elastic network of autonomous SWARMS)項目等。美國投入巨大人力、物力和財力發展UAV集群項目，開展多次集群飛行試驗，驗證了無人機在發射、回收、集群控制等方面的能力，達到世界領先水平。美國對UUV的研究也很重視，UUV在海洋測量、ISR(intelligence,surveillance,and reconnaissance)、反潛、防水雷對抗及攻擊等方面具有可挖掘應用價值，多個UUV組成集群在母船附近海域探測可起到很好的輔助作用。未來UUV集群探測將會在敏感海域發揮巨大作用，尤其是和平時期進行情報偵測工作令人防不勝防，針對UUV集群的應對方式值得進行深入研究[8]。

中國對UAV集群技術的研究已取得一定成果。中國電子科技集團在2016年和2017年分別進行的67架、119架固定翼無人機集群飛行試驗，前者進行了集群編隊連續起飛、降落試驗，后者進行了密集彈射起飛、自主編隊、集群飛行的演示試驗。未來中國對UAV集群技術的研究將致力于UAV群的實用化，并提升集群智能的水平[9]。中國對于UUV的研究一直都很重視，尤其是對海洋權益重視程度提升之后，相關研究的投入隨之增加?？梢灶A見的是，隨著對UUV的研究與應用程度逐步加深，UUV群化研究會提上日程[10-11]。

1.2 軍事需求

目前中國與周邊國家發生潛在軍事沖突的區域主要是海洋，因此海洋方向的安全問題將更受重視。隨著世界科技的飛速發展，建立新型防御體系顯得尤為重要。未來中國海軍艦船將面對來自敵方空中與水下無人系統集群協同攻擊，現有防御系統面對密集空中UAV集群與隱蔽UUV群協同攻擊，很難全部消滅目標，可能會使部分敵方目標突防，威脅我方安全。面對新型威脅，中國為維護自己的邊疆、海疆安全，很有必要展開應對空中與水下無人系統集群威脅的防御研究。

2 防御方案描述

2.1 問題剖析與現有防御手段

2.1.1 問題剖析與初步設想

本文設想將基于?；仗旆烙归_，并將近年來備受關注的UAV集群作為威脅對象，展開防御體系構想。此外，考慮所處防御區域為海洋環境，將UUV也考慮在內。以空中多個UAV和水下多個UUV構成異構無人集群系統，并以此作為防御對象展開研究。

現有防御體系難以對抗空中與水下無人系統集群。UAV集群作戰通常具有機動、快速、密集等特點[5]，對于防御一方而言，UAV群相對一般來襲目標(如飛機、導彈等)具有目標數量多、突防能力強等特點，往往需要花費更大代價才能攔截成功，效費比低，不符合經濟效益需求。UUV具有良好的隱蔽性與對惡劣環境的適應性，未來一旦在大范圍水域形成集群作戰網絡，在水下探測、協同攻擊方面將對現有防御體系帶來極大挑戰。此外，未來隨著水下平臺與空中平臺之間的實用通信技術的突破，以及人工智能技術的不斷發展，軍事強國針對無人系統集群展開的智能化研究可以賦予UAV與UUV智能協作能力，這無疑會進一步增大防御方的應對難度。

應對未來可能出現的異構無人系統集群威脅，可以按照探測、識別和攔截3個步驟去考慮，首先要檢測到無人系統群；其次要對目標進行敵我識別，做出應對決策；最后，對敵方目標進行攔截打擊。本文針對集群無人系統的探測預警與攔截問題展開防御方案設想，并對其中涉及的相關技術進行介紹。應對空中與水下無人系統集群初步設想如圖2所示。

圖2 艦船反無人系統集群初步設想圖Fig.2 Illustration of ship againsting UAV and UUV swarms

2.1.2 現有防御手段

2.1.2.1 探測預警可選方式

與飛機、導彈等傳統威脅類似，如何盡可能早地感知到UAV群的存在，是進行有效防御的前提。

對于UAV的探測，常規方法包括雷達探測、無線電探測和光電探測等[12]。UAV群往往需要在某個平臺(如空中母機、水面艦船等)上發射，并且能夠以較低飛行高度飛行，因而具備良好的隱蔽性，這會使探測變得困難。目前雷達探測技術相對成熟，故而選用雷達作為主要探測裝置。未來UAV群可能實現低空或超低空飛行，加上個體體積小，UAV雷達散射截面很小，會增大雷達探測難度，現有的雷達探測裝置很可能無法及時發現目標。所以除了以雷達作為主要探測裝置，還應開發其他的輔助裝置?，F有的探測UAV方法除雷達外，還有借助聲音、視覺、熱量和無線電等進行探測的方式，這些可作為備選方案，如輔助以紅外多光譜技術的圖像目標檢測，彌補單一雷達檢測的不足。

對于UUV的探測，水下環境相比空中更為復雜，對于UUV的探測也很困難，目前聲納技術是最好的選擇。聲納是各國海軍進行水下監視使用的主要技術手段，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤，滿足水下通信和導航等需求[13]。美國針對UUV的研究已開展多項計劃，美國海軍投放的UUV部分已裝備探雷聲吶，UUV編隊也在建設當中。除此之外，以微波遙感、紅外遙感、光學遙感等為代表的海洋遙感技術[14]可作為聲吶探測的補充手段。

2.1.2.2 攔截應對可選方式

當海域艦船通過探測手段獲取對方UAV群信息后，艦船指揮控制系統會對UAV群威脅程度作出判斷，決定采取驅離對策還是予以攔截打擊，這是防御體系中最為關鍵的部分。

(1) 反制空中無人機群可選方式：

1) 硬殺傷方式

傳統武器：常規的硬殺傷艦載防空武器主要是防空艦炮和艦空導彈，二者主要用來進行艦船防空反導。使用艦空導彈打擊UAV群，存在很多問題，一般導彈造價高昂且裝載量有限，單個UAV價格則相對低廉，利用導彈打UAV如同大炮打蚊子，效費比很低，此外，若敵方UAV群具備低空飛行能力，會使部分導彈喪失打擊能力。相比較而言，使用密集的防空艦炮(如密集陣系統)攔截UAV群成本相對導彈可降低很多。

新式武器：除了傳統的防空武器，現已研制出許多新概念武器，包括激光武器、微波武器、電磁炮等。激光武器利用高能激光照射到UAV上，達到毀傷UAV的目的，具備快速、靈活、精確和抗電磁干擾等優異性能，缺點是受限于極端天氣，不能全天候作戰。微波武器可借助強微波波束能量毀傷無人機，具備一定的區域殺傷能力，對高密度UAV集群具有更好的殺傷效果。電磁軌道炮是利用電磁發射技術開發的高能、遠程殺傷武器，可用于水面炮火支援、防空和反艦[5]，可對UAV群造成殺傷。

從成本和精確打擊角度考慮，還可以在艦上使用制導炮彈，利用先進制導技術輔助炮彈提高打擊的準確性。

2) 軟殺傷方式

除了采用硬殺傷武器攔截，還可以采用軟殺傷方式應對UAV群。軟殺傷武器通常不直接毀傷目標系統的硬件結構,但會使受作用后的目標系統功能降低或喪失?，F有UAV集群作戰要依靠通信導航技術，如無線電通信、GPS等，因此可采取電子對抗手段進行對抗，對敵方UAV群施加電子干擾或進行電子欺詐、誘騙，對其攔截和壓制，己方出動的UAV群也可安裝干擾設備進行抵近干擾攔截[15]。

3) 集群對抗方式

應對敵方空中UAV群威脅，最有效的方式是以UAV群對抗UAV群[16]。早在二戰時期便有戰斗機集群對抗的實例，現代UAV作戰也是如此。在持續顯示力量方面能夠與一個UAV集群相匹敵的唯有另一個UAV集群。建設自己的UAV隊伍，使得UAV群具備協同探測并共享探測信息、協同攔截作戰、態勢評估及自主決策能力，逐步提升集群對抗能力。

4) 其他方式

王虎等學者提出發展“幕”型攔截武器，提升對UAV的捕殺效能?！澳弧毙臀淦靼l射之后可在較大空間分散成幕狀結構組織，可由地基或空基平臺發射，是攔截和毀傷高密度、輕質量UAV集群的高性價比武器[1]。

由于小型無人機航程有限，需要其他搭載平臺將其運輸到指定區域投放，所以應對UAV群還可以采取“搗毀蜂巢”策略，對UAV群搭載平臺進行精確打擊，尤其是在UAV投放前進行攔截，可作為攔截UAV群的補充措施。

(2) 反制水下無人潛航器群可選方式：

常規的水下打擊武器有魚雷、水雷、深水炸彈等，對于UUV群可造成一定的傷害。一般而言，UUV續航能力有限，對母船有較大依賴性，可通過探測技術搜尋母船予以打擊，或者采取措施迫使UUV與母船分離，使其在沒有母船支持狀態下喪失威脅。

針對多UUV集群，最好的應對方式是出動己方的UUV群去對抗，以彼之道還施彼身；此外，還可以采取水下電子戰，干擾UUV之間或UUV與母船之間的通信。

2.2 艦船反無人機群總體方案描述

在前述探討基礎上，將艦船反無人系統集群總體方案從被動防御和主動防御2個角度考慮。

(1) 預警后被動防御

被動防御需要及時發現威脅目標，以便為后續攔截手段留下足夠時間。

探測空中UAV群，采用以艦載雷達為主，以借助聲音、視覺、熱量和無線電等探測手段中的一種或幾種為輔的方式，及時獲取目標信息。

針對空中UAV群的攔截，提供2種應對方式。一是選擇以近程防空導彈/艦炮、艦載制導炮彈結合新概念武器(激光武器、微波武器、電磁炮中的一種或幾種)進行打擊，打擊之前做好火力分配計劃及獨立的應急打擊火力點，此外，艦上應配備密集陣系統，做好UAV群突破到艦船近程火力距離范圍的準備。二是采用UAV集群對抗敵方UAV群，UAV上可裝備制導炸彈或導彈，必要時也可出動有人戰機在保證安全的前提下與己方UAV群協同作戰，擊落或驅離敵方UAV群。在上述2種方式實施的同時，艦船上的電子戰設備(或無人機群攜帶電子戰設備)都應作為輔助手段配合作戰，進行電磁壓制或選擇性干擾，破壞敵方UAV群的通信。艦船指揮與控制系統還應嘗試探測敵方UAV群搭載平臺的位置，采取“搗毀蜂巢”策略，進行遠程防御。

對于艦船附近海域的UUV群，主要利用聲吶設備進行探測，并結合星載雷達等海洋遙感技術作為補充手段。為攔截敵方水下UUV群，出動己方UUV群與其進行集群對抗，在己方艦船協助下(如母船發射魚雷打擊敵方UUV群)予以擊毀或捕獲。方案流程圖與設想圖如圖3所示。

(2) 預先探測主動防御

在一些特殊情境下，為保證己方安全，可采取主動防御策略。

由艦船主動派出空中UAV群與水下UUV群，在艦船附近海域活動?？罩蠻AV群攜帶機載雷達，水下UUV群攜帶聲吶等探測設備，有條件可加裝衛星導航系統(北斗)，結合母船本身具備的探測設備，形成空中、水面、水下三位一體?？仗綔y體系，在母船、空中平臺與水下平臺之間構建通信網絡，實現探測信息共享。這將增大艦船防御體系的探測范圍，有效提升整體預警能力，如圖4所示。

當發現敵情后，在共享探測信息的基礎上，由艦船指揮控制系統協調多種攔截手段進行協同攔截。我方已出動的無人系統集群進行集群協同任務分配，對敵方無人系統集群進行驅離或發動攻擊，必要時采取自殺式攻擊手段；同時母船應予以配合，對空發射制導炮彈或采用激光、電磁炮等精確打擊武器，水下發射魚雷或制導魚雷，協助空中水下無人機群進行攔截。如能探測到敵方UAV群編隊隊形，可采取集中打擊中心區域的策略。在此過程中，前述多種攔截手段如何共享利用探測信息，如何分配任務協同攔截，是指揮控制系統需要著重考量的問題。

另外，無論是己方還是敵方，未來母船、空中UAV與UUV三者間進行通信、導航的需求會日益增強。如何有效干擾三者之間的信息交流、對其進行電子干擾或欺騙，同時保護己方通訊設備，是構建防御體系的另一種思路。因此有必要進行認知電子戰系統建設，并將認知電子戰系統與無人系統集群相結合提升作戰能力。

然而，需要指出的是，現有技術手段還不足以支撐這一探測體系，存在著很多問題，比如空中與水下的跨界通信問題，如何實現不同介質間的信息交流，仍需要進一步研究。此外，我方主動派出的UAV和UUV需要具備較強續航能力，戰后艦船需要對二者進行回收，如何實現UAV與UUV長航時工作,如何做好戰后回收，是需要解決的問題。

圖3 預警后攔截無人系統集群流程圖Fig.3 Flow chart of intercepting UAV and UUV swarms after detecting the goals

圖4 預先探測主動防御無人系統集群設想圖Fig.4 Illustration of pre-detecting UAV and UUV swarms before intercepting the goals

3 總結與展望

本文主要介紹了海域環境艦船遭遇來自空中與水下異構無人系統集群威脅時應如何應對的防御構想方案，給出了可行的探測與攔截方式，具有一定創新性，對于艦船防御體系建設具有一定參考意義。隨著未來軍事技術的突破，具備空中、水面、水下集群作戰能力的智能化艦船逐步被研制和使用，相應的艦船防御體系建設也將更加完善。