美國無人潛航器反制措施研究現狀

李曉東，胡光蘭，吳曉婧

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

自1957年Stan Murphy和Bob Francois在華盛頓大學應用物理實驗室研制出世界上首個無人潛航器——自推進水下研究航行器（SPURV，Self Propelled Underwater Research Vechile）以來，無人潛航器歷經60多年的發展，已成為海軍提升和擴大水下優勢的一個重要手段。無人潛航器能夠搭載各種任務載荷快速、隱蔽地抵近敵港口水域，執行情報監視偵察、水雷戰、特種作戰等多種任務。例如，美國在研制“虎鯨”超大型無人潛航器的同時，也為其研制配套的情報監視偵察載荷、非殺傷攻擊任務載荷以及水下武器系統載荷（美國海軍，PE0604029N），美國正在研制的隱蔽投送水雷也計劃由“虎鯨”超大型無人潛航器布放（美國海軍，PE0604601N）。隨著人工智能和遠程自動控制技術的發展，無人潛航器將承擔越來越多的進攻性任務，也將使水下作戰環境更加復雜。美國已經意識到這一問題，近年來在無人潛航器反制方面做了很多工作。本文從探測識別、軟殺傷對抗、硬殺傷對抗三方面總結分析了美國無人潛航器對抗研究現狀。

1 探測識別

1.1 由蛙人探測聲吶構成的水下監視系統

隨著技術的成熟和應用的擴展，UUV給港口環境中的兵力保護帶來了挑戰，因此，需要新的或改進的傳感技術以更好地探測在港口活動的UUV，尤其是在艦船和潛艇附近活動的UUV。UUV機動性強，傳統的反水雷力量有效性受限。現階段對UUV的探測和分類主要采用原設計用于探測作戰蛙人的系統。下面介紹幾種正在開展的基于蛙人探測系統的反UUV研究項目。

1.1.1 “利用 AN/WQX-2聲吶自動跟蹤和分類UUV”項目

美國目前正在開展利用AN/WQX-2蛙人探測聲吶自動跟蹤和分類UUV的工作，如圖1所示。

圖1 利用AN/WQX-2聲吶自動跟蹤和分類UUVFig. 1 Automated tracking and classification of UUVs utilizing AN/ WQX-2

AN/WQX-2聲吶采用了最新的DDS 9000聲吶頭，使用聲吶處理器和 Defender II自動探測和跟蹤軟件，可以探測到目標相對于聲吶的距離和方位，通過控制臺將其轉換成 GPS方位。內置目標識別系統，能夠將蛙人的回聲同海洋中的魚類、海洋哺乳動物、碎片和氣泡的回聲區分開來。DDS 9000具有 256個波束，波束寬度 1.5°。系統最大探測距離為1 000 m，具體取決于水的溫度和鹽度，系統可以探測蛙人、蛙人運載器、無人潛航器和潛艇等目標。[1-4]

1.1.2 SeaShield遠程水下預警系統

SeaShield是一種針對潛艇和小型潛航器威脅的遠程水下預警系統，部署于重要的海岸線、海上邊界和港口入口處，如圖2所示。該系統采用主動和被動聲吶組合陣列，提供水下保護區的實時態勢圖像。SeaShield由 1個主動發射陣列、多個大型被動接收陣列和 1個安裝在海床上的電子單元組成。該系統的 2個長接收陣列串由多個水聽器組成，接收從水下物體返回的信號。SeaShield自動對目標進行分類，區分潛艇和其他水下物體。該系統在探測到潛艇或微型潛航器并對其進行分類時，會自動發出警報。系統會持續跟蹤水下威脅，并在屏幕上顯示其準確位置數據[5]。

圖2 SeaShield水下預警系統Fig. 2 Seashield underwater coastal surveillance system

1.1.3 Stiletto海洋演示計劃

Stiletto是一個海上演示平臺，是工業、政府和學術屆的技術演示工具，其基礎設施包括Stiletto高速艇（含指揮信息中心）、11 m海軍特種作戰剛性充氣艇的布放回收裝置、安裝傳感器的拱形空間、布放回收無人機的飛行甲板、具有寬帶衛星通信的電子網絡基礎設施，以及具有無人駕駛能力的11 m海軍特種作戰剛性充氣艇。[6-7]

2016年9月14日，海軍海上系統司令部發布公告，尋求主動/被動聲傳感器探測、分類和跟蹤UUV的系統，在Stiletto海洋演示計劃中進行演示，評估商用聲探測系統的技術成熟度，這些系統將用作港口和水邊設施保護系統的一部分，以應對UUV威脅違法入侵。

2017年1月，STILLETO海洋演示項目在弗洛里達基韋斯特島海軍航空站靠近碼頭的水域開展了反UUV能力演示。試驗以Stiletto為指控平臺和潛航器布放回收平臺，使用REMUS 100、Bluefin 9和REMUS 600等3型UUV作為威脅目標（3型UUV基本參數見圖3），對來自4家商業供應商和3家政府機構的7個系統（包含主動和被動系統）進行評估。

圖3 反UUV能力演示項目使用的UUV目標Fig. 3 UUV targets used in counter-UUV capability demonstration

試驗通過主動/被動聲吶查找定位跟蹤目標（F2T2），包括：1）向懸浮于水中的岸基傳感器開放，以查找定位跟蹤來襲UUV或在碼頭設施附近UUV威脅。2）向海基傳感器開放，如浮標、海底傳感器、拖曳傳感器、UUV、USV或上述傳感器的組合，以查找定位跟蹤UUV威脅。

2018年5月，“Stiletto海洋演示項目”又邀請DSIT Solutions公司在美國某海軍基地演示其水下安防系統，主要演示反UUV作戰能力。演示過程中，DSIT公司在美國海軍基地附近的碼頭部署了其 AquaShield遠程蛙人探測聲吶（DDS）和PointShield便攜式蛙人探測聲吶（PDDS），并對系統進行校準，以支持自動探測、跟蹤、分類和威脅預警。演示期間，采用了不同類型和尺寸的 UUV從不同角度和不同下潛水深靠近 DSIT公司的系統。在為期4天的演示中，DSIT公司成功對水下環境進行了監測，并在UUV進入防護區時進行了預警。其中，Aquashield潛水員探測聲吶，專用于保護沿海和近海重要資產免受各種水下威脅，系統具有遠距離水下威脅自動探測、跟蹤、分類和報警功能，采用全自動操作，配置靈活。PointShield是一種小型便攜式潛水員探測聲吶（PDDS），能夠實現對水下威脅的全自動探測、跟蹤、分類和警報。該型聲吶尺寸小、重量輕，易于安裝和部署[8-11]。

1.2 海洋哺乳動物

美國海軍是世界上少數利用海洋動物進行海上作戰的軍隊，如利用海豚反水雷、反蛙人等。其“海洋哺乳動物系統”曾經在伊拉克戰爭中使用過。21世紀初，美海軍曾在海灣部署“海豚反蛙人系統”，保護海軍軍艦。2017年1月9日-23日，美海軍將來自航空與海軍作戰系統太平洋中心的經過特殊培訓的海獅部署到基韋斯特海軍航空站，探索如何利用海獅來攔截可能對海軍艦艇和水邊設施構成威脅的無人水下航行器。海洋哺乳動物在檢測、定位和反水下威脅領域發揮著重要的作用。

1.3 DARPA“持久海洋生物傳感器“項目

美國海軍現有水下探測與監視方法是以硬件為中心、資源密集型的，無法滿足全部的探測與監視需求。因此，DARPA聯合諾斯羅普·格魯曼、雷聲BBN技術公司共同研究使用海洋生物在全球廣闊海域探測并跟蹤潛艇和無人潛航器的方法。

圖4 “持久海洋生物傳感器”（PALS）概念圖Fig. 4 Concept of Persistent Aquatic Living Sensors（PALS）

2018年11月和12月，DARPA分別授予雷聲BBN技術公司和諾斯羅普·格魯曼公司640萬美元和510萬美元的合同，用于開展“持久海洋生物傳感器”（PALS）項目研究，旨在利用海洋生物增強現有海上反潛聲吶性能。該項目將利用海洋生物自身的感知能力，探測潛艇和無人潛航器在水下產生的異常，監視敵軍潛艇、無人潛航器在海峽、近海等戰略水域的活動。由于海洋生物是一種無處不在、自主繁衍、自持性好的感知系統，將它們用于持久水下監視具有隱蔽性好、性價比高、后勤補給需求小等優勢。其構想是研發一個二級系統，第一級能感知、探測水下平臺的存在，并輸出響應信號或其他可觀測的行為變化；第二級能觀測、記錄、解釋海洋生物的反應，并上報分析結果。完整的PALS系統還應區分目標平臺和其他刺激源，如碎片、其他海洋生物，以降低虛警率。

DARPA資助多個團隊開發或應用技術來記錄觀察到的生物的刺激反應，并開發硬件和軟件系統來解釋這些反應，并對結果進行分析。具體如下：

1）諾斯羅普·格魯曼：記錄和分析鼓蝦的聲學特性以及發光生物的光學特性；

2）海軍研究實驗室：將微生物有機體整合到一個傳感平臺中，以探測和表征微生物對潛航器磁場響應的生物信號；

3）佛羅里達亞特蘭大大學：記錄和分析熱帶和亞熱帶環境中巨人石斑魚的發聲線索；

4）雷聲BBN技術公司：利用鼓蝦進行潛航器遠距離探測、分類和跟蹤；

5）馬里蘭大學環境科學中心：用傳感器標記黑鱸魚，以跟蹤受潛航器干擾的魚群的深度和加速行為。

此外，DARPA還贊助了水下作戰中心紐波特分部的海底系統研究，采用水聽器陣和聲矢量傳感器持續監測礁石環境中生物的環境聲異常，并分析珊瑚礁生態系統中生物群躲避捕食者所產生的輻射聲信號的變化，該系統有可能提供一種近實時探測和分類無人潛航器的方案[12-15]。

2 軟殺傷對抗

軟殺傷指的是讓UUV喪失作戰能力或活動能力，主要的方法有捕獲、欺騙、干擾、以及對網絡的滲透、壓制等。

2.1 無人潛航器捕獲技術

UUV捕獲技術是對抗UUV的一種重要技術。捕獲UUV的目的是在不損傷其結構和內部裝置的前提下，使其浮出水面或沉入海底，便于將其整體打撈起來。

2.1.1 UUV網袋式捕獲技術

始于民用或警用的網袋式捕獲技術，主要用于對小型UUV進行非殺傷性網捕。正在開展的項目如Maritime Arresting技術公司的“黃貂魚”攔截網（Stingray Net）。

“黃貂魚”攔截網（Stingray net）是一種非致命的反UUV的效應器，用于部署在敵UUV（最快20 kn）的必經之路上。攔截網采用尼龍單絲，下連下沉纜沉至水底，上面連接浮繩，在海面到海底間形成一道不可穿透的屏障。由于其在水中是看不見的，因此敵UUV幾乎不可能避開。敵UUV一旦撞上攔截網便會被纏住，捕獲UUV后，將其拖離被保護資產附近。該系統在NUWC試驗的成功率為100%。“黃貂魚”攔截網系統可重復使用。

“黃貂魚”攔截網系統重約41 kg，配備有存儲箱尺寸為58.4 cm×68.6 cm×121.9 cm，攔截網尺寸為 61 m×（6.1～12.2 m）。

圖5 “黃貂魚”攔截網存儲箱Fig.5 Storage box of Stingray Net

“黃貂魚”系統安裝在巡邏艇的橫梁上。航速20 kn時，攔截網6 s的時間就可以展開，部署過程如下所述[16]。

1）存儲箱的蓋子變成發射斜槽，引導傘被彈出，開始部署；

2）引導傘將網拉出存儲箱；

3）網自動形成從海底到海面的屏障。

2.1.2 UUV泡沫捕獲技術方案

泡沫捕獲UUV的基本原理是通過發射一種高分子物質（這種物質能在海水中迅速膨脹硬化），擊中UUV時能迅速粘附在其表面上，然后膨脹硬化將其包裹住，從而使UUV喪失工作能力。

2.2 欺騙、干擾及網絡對抗

美國十分重視人工智能在無人潛航器上的應用。五角大樓在2020年的預算要求增加對自動武器計劃的預算，其中無人系統申請總額為37億美元，在人工智能上的投入為9億美元。但與任何基于計算機的系統一樣，人工智能 UUV也存在固有的漏洞，可以尋找這些漏洞，更改、破壞或欺騙UUV系統，從而控制UUV或使之轉頭與其所有抗衡。

此外，反UUV不僅是反UUV本身，更重要的是反與UUV相聯的網絡，包括利用強聲源對敵網絡節點進行壓制、利用水聲病毒對網絡進行攻擊、攔截敵水下網絡情報等。但這些只有在己方網絡運作效率足以戰勝敵方網絡的情況下才能發揮作用。建立針對無人潛航器威脅的有效水下網絡是未來網絡對抗成功的關鍵[16-17]。

3 硬殺傷對抗

硬殺傷，又稱直接殺傷，是以破壞、摧毀無人潛航器為目的處置手段。目前公開報道的對 UUV采取的硬殺傷辦法主要是超空泡子彈。

美國的PNW Arms公司和挪威的DSG技術公司生產的超空泡子彈可以作為打擊AUV的潛在武器。超空泡是利用空化效應在液體內部產生一個氣泡，該氣泡大到足以容納通過液體的物體，從而大大降低物體的摩擦阻力，實現高速打擊。

理論上，可以從空中探測和打擊無人潛航器。通過直升機裝備藍綠激光探測靠近水面的無人潛航器，然后采用 DSG技術公司的跨介質子彈（4.5～155 mm）從空氣飛入水中摧毀無人潛航器。此外，還可以在無人潛航器上配備超空泡子彈，獵殺無人潛航器、微型潛艇和蛙人。當然，在發射超空泡子彈前，還需要開發新的數據鑒別或圖像識別算法以區分無人潛航器和與其大小相近的魚或海洋哺乳動物[18-23]。

4 結束語

無人潛航器作為一種海上力量倍增器，有著廣泛而重要的軍事用途，在水雷戰、反潛戰、水下搜救等領域發揮著重要作用，具有增強水下優勢和有效抵消對手力量的能力。但同時，無人潛航器的廣泛應用也帶來了威脅和挑戰。隨著人工智能和遠程控制技術的發展，無人潛航器探測和清除的難度也將越來越大。因此，我們在發展無人潛航器的同時，應抓緊研發新的方法、技術和戰術以對抗敵無人潛航器的探測，并對其進行偵察，必要時發起攻擊。在不影響己方無人潛航器作業的基礎上，使敵方無人潛航器無法工作，只有這樣，才能在未來水下戰爭中獲取主動權。