軍用UUV發展現狀與啟示

海軍潛艇學院 山東 青島 266000

無人潛航器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)，是可以獨立或協同潛艇、水面艦艇等執行單一或者多樣化任務的一種智能化裝置。以任命使命為驅動出現了各種形式的UUV，包括遙控式水下航行器(Remotely Operated Vehicle，ROV)和自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)等，按噸位和載荷級別分為小型便攜式UUV、輕型UUV、重型UUV和大型UUV。以UUV為原型又催生出無人作戰系統:美國“可升降有效載荷”UFP、“海德拉”、近海水下持續監視網PLUSNet、分布式敏捷反潛系統DASH等。

2004年，美國海軍公布新的UUV發展規劃。該規劃提出了9種使命，包括情報/監視/偵察(ISR)、反水雷措施(MCM)、反潛戰(ASW)、觀察與識別(ID)、海洋學、通訊和導航網絡節點(CN3)、載荷輸送、情報戰(IO)和時敏目標打擊(TCS)[1]。美國是目前UUV的軍事應用最成熟的國家，美海軍和國防部將無人系統的發展作為重中之重，針對UUV的發展設計了長期規劃和短期任務。美國提出的2030年前UUV發展規劃中明確UUV在軍事方面應用的使命和作戰特征能力中就包括了反潛戰(ASW)和潛艇跟蹤及循跡功能。這不僅表明多任務驅動式UUV發展的重要性，更預示著水下無人系統將具有探測、跟蹤甚至消滅有生力量的能力。無人系統代替有人平臺執行緊迫危險任務的設想已逐漸實現。

1 典型軍用UUV

水雷探測是UUV在軍事上的較早成功應用，也是目前持續發展的一個方向。美國提出潛艇搭載的近期水雷偵察系統(NMRS)和遠期水雷偵察系統(LMRS)[2]主要用于使潛艇在艦隊或編隊前方進行水雷探測，為其提供雷區資料。1998年美國將NMRS作為“洛杉磯”級攻擊型核潛艇的制式裝備正式服役，可采用魚雷發射管發射，該系統配備了多種型號的聲納設備，以保證水雷偵察工作的有效進行。LMRS是在NMRS的基礎上開發研制的改進型水雷偵察系統，其設計沿襲了NMRS的模式，同樣配備了前視聲納與側掃聲納，LMRS也陸續應用于“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇和“俄亥俄”級彈道導彈核潛艇。

美國海軍很早就致力于運用UUV實現探潛、反潛。美國海軍于2002年提出建設任務重組式無人潛航器(MRUUV)，其中一個主要任務是實施反潛作戰中跟蹤潛艇。美國國防高級研究計劃局(DARPA)為對安靜型潛艇進行探測，于2010年2月份開始“反潛戰持續跟蹤無人航行器”(Anti-submarine warfare Continuous Trail Unmanned Vessel，ACTUV)[3]項目，其外觀圖如圖1所示。該潛航器長9.1m，寬5.8m，主艇體潛行在10m以下，最高航速27節，機動性較強適于淺海航行，續航時間30天。依靠聲吶探測系統，可以長時間地自動地跟蹤敵方潛艇，具有較強的大范圍反潛能力。2015年初對ACTUV進行了為期6周的測試，成功地跟蹤了1km外的目標艇。

圖1 ACTUV外觀圖

多任務屬性的UUV是當前研究的熱點方向之一。大直徑無人潛航器(LDUUV)[3]能夠搭載不同傳感器和任務模塊，自動控制能力更高，能夠長時間遠距離執行任務。具有掃雷、跟蹤、情報偵察、自主工作、智能化攻擊的能力，可搭載各種類型的導彈、炸彈甚至核彈進行自主攻擊；既可獨立使用，也可在包括巡航導彈核潛艇、弗吉尼亞級攻擊核潛艇和水面艦艇等多種平臺上部署。LDUUV是察打一體化大直徑重型無人潛航器，作為未來多項作戰概念的核心節點，目前，被稱為海軍創新原型樣機的該項目LDUUVINP可續航60天以上，于2015年4月中旬在“2015?？仗觳┯[會”首次展出。

水熄(Hydroid)公司的REMUS600作為低成本高效率的裝備被多國海軍用于淺海航道測量、水雷監視和物體搜索等工作?！癛EMUS600”潛航器重500磅，長3.25m，采用模塊化設計，見圖3，可搭載多種不同類型的傳感器，配備有雙頻側掃聲吶、合成孔徑聲吶、聲學成像系統、攝像機以及GPS裝置等。2015年4月，美海軍在“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇上首次部署“REMUS600”無人潛航器，在全球戰略熱點地區進行水下任務中的應用。在2015年美海軍以沿海戰艦(LCS)搜索沿海水域潛艇的PLUS計劃中，REMUS600潛航器采用拖曳陣無源聲吶進行廣域監視，把探測的信息輸入水下探測器進行數據采集后，由衛星將數據傳輸至陸基站點數據處理設備。

圖2 LDUUV-INP原型樣機

圖3 REMUS600結構示意圖

隨著UUV續航能力、推進能力和傳感器性能的提升，美國開始瞄準探索新技術實現水下探潛。DARPA試圖開發能在深海探測和跟蹤潛艇的UUV，該UUV長7米，可下潛至6000米深，被稱為SHARK系統。該系統可以利用深海聲道實現聲波遠距離探測、傳播。SHARK使用安裝在艏部的遠距離主動聲納和側面的接收陣列進行探潛，將在一定的區域作戰，利用多個UUV以接力的方式探潛，或者多個UUV形成柵欄一樣的探測系統，探測敵方潛艇。UUV干重大約1496.8千克，SHARK系統由鋰聚合物電池供電，使用聲學調制解調器向水面無人艇和衛星發送數據。

雷聲BBN技術公司正在開發一項新技術:利用海洋生物探測、跟蹤敵方潛艇和UUV，以執行戰略預警任務。DARPA發布了“持續性水生生物傳感器”(PALS)項目征詢文件。DARPA目前已授予雷聲公司一份價值330萬美元的合同用于PALS項目，若加上可選擇項，價值可達640萬美元。DARPA和BBN技術公司計劃分2個階段開發系統，第1階段將確定哪些海洋生物傳感器能夠較好地支持監測載人和無人水下運載工具的傳感器系統，第2階段將開發一個探測器來觀察、記錄和解讀海洋生物對水下運載工具的反應，并對所得到的生物信號或行為進行特征化，以便通過硬件設備捕獲、解釋和轉發這些生物信號或行為，并報告分析結果。

美國國防部高級研究項目局(DARPA)將開展“移動式舷外保密通信與方法”(MOCCA:Mobile Offboard Clandestine Communications and Approach)項目，旨在探索新的方法跟蹤并打敗潛艇。項目的第一階段合同授予了英國航空航天系統公司(BAE)，MOCCA項目是為了整合主動與被動聲吶探測技術優勢，賦予美國潛艇戰勝日趨先進的俄羅斯和中國潛艇的相對優勢。借助部署在潛艇之外的UUV上的主動聲吶發射器，將其位置信息傳回裝有聲吶接收器的主潛艇。實現大范圍遠距離探測與跟蹤。

2 UUV發展的關鍵技術

2.1 能源技術 目前UUV的能源供給大多來源于動力電池。對于UUV能源技術方面，美國國防部(DoD)的目標是:2018年前主要發展不依賴于空氣的高效能源、快速充電/加注燃料、大容量和高功率電池等技術；2022年前發展熱電混合動力技術；2022年后重點發展燃料電池、生物燃料、新型替代燃料等技術[4]。壽命、比能、功率及尺寸的平衡問題將是未來UUV能源技術需重點解決的問題。

2.2 導航技術 目前UUV導航設備集成技術主要包括慣性導航、衛星導航、多普勒計程儀、聲學導航、海底地形匹配導航、重力梯度導航、地磁導航等。

美國在UUV導航技術方面處于世界領先地位，挪威、德國等國也具有較強的實力。美國戰場預置式AUV的導航設備包括立頓公司的LN250慣性導航系統、RD儀器公司300k HzDVL以及GPS接收機，標準配置的導航精度為航程的0.1%[5]，低成本配置的導航精度為航程的1%。“曼塔”AUV的導航設備主要有INS、DVL和GPS接收機，導航精度為航程的0.2%。REMUS AUV的導航裝置包括LBL、USBL、DVL以及GPS?！昂ｑR”UUV采用了SEANAV激光陀螺捷聯慣導系統，GPS接收機等，2004年在墨西哥灣進行的試驗中導航精度達到了航程的0.3%。挪威最先進的“休金”1000AUV采用慣性輔助導航系統，輔助設備包括DVL、USBL、GPS接收機等，另外地形匹配導航作為可選方案，其自主工作模式下實時導航精度可達2～5米。

UUV主要采用慣性導航系統(INS)，雖具有隱蔽性好、抗干擾、無法被反利用等特點，但作為一種推算式導航系統，長期穩定性差，盡管出現了各種固態陀螺儀，但仍難以滿足UUV等現代武器裝備的需求。近年來，隨著冷原子干涉陀螺儀等技術的快速發展，基于原子干涉的陀螺儀和加速度計等傳感器在INS領域顯現出很大的潛力。理論上原子陀螺儀的靈敏度比光學陀螺儀至少高1萬倍，目前實驗樣機的性能已與光學陀螺相當[6]。

UUV導航技術未來發展趨勢是以慣性導航為主，多普勒計程儀、GPS等為輔的組合導航方式。其中，慣性導航系統的發展趨勢是低成本、小體積的光學陀螺慣性導航系統以及基于微機電系統的慣性導航系統。

2.3 通信技術 在水下，由于電磁頻率被大量地吸收和散射，因此聲波通信仍是目前主要的通信方式。藍綠激光對海水穿透力相對較強，適合近距離高速率的數據傳輸[7]，可達到數米至數百米的通信距離，但其通信脈沖在通信前需精確對準。

目前水下組網通信是當前主要技術手段和發展趨勢之一。水聲網絡的實現有很多難點，一是節點電源要能在水下長期工作；二是要能抵抗淺海聲信道的惡劣環境，包括可用頻帶窄、多途效應嚴重、傳輸時延長等；三是廣播式通訊與保密性的矛盾等。

鑒于水聲網絡潛在的技術難度和重要性，發達國家都在競相開展研究。早在上世紀90年代初美國就開始了深海和淺海水聲局域網的應用研究，“海網”(Seaweb)[8]是規模最大的水聲網絡，用于實現在淺海地區大面積水下警戒，將被應用到美國性能最好的水下信息網“可部署自組織分布式系統”(DADS)，該系統將用于全球信息化海戰的反潛戰，也用于信息化的海洋研究與開發。在2001年的反潛戰試驗中，Seaweb令人驚訝地證明了它的水下警戒能力，同時也驗證了對UUV的遙控和匹配場跟蹤(MFT)數據遙測的能力。Seaweb的成功使得發展像DADS這樣的淺海警戒系統成為現實，也為支持美海軍在爭奪水域的反潛和反水雷遠征作戰成為可能。美國軍方認為DADS系統初步可應用，但是存在的主要問題是信息吞吐量不足夠大，目標的探測識別能力需要加強。

歐洲國家在MAST(Marine Science and Technology Program)計劃的支持下，也發展了系列化的水聲網絡研究計劃:ACME計劃，SWAN 計劃，LOTUS計劃，ROBLINKS計劃等等。其中ACME計劃用于開發穩健的淺水通信網絡。

未來水聲網絡可實現由水下分布式傳感器、水下無人航行器、潛艇、水面艦等構成的水下作戰網絡。美國海軍對水聲網絡的技術要求是，具有環境自適應能力(如功率控制、調制方式和參數選擇)，具有故障弱化和優化自組織功能(如路由選擇、故障節點的刪除和新節點的吸收)，還要求在數據傳送的同時解決節點間測距、定位、時鐘同步、信道估計等任務。水聲網絡技術利用水聲數據鏈把多種作戰平臺和信息節點進行有機聯合，可以獲取水下信息優勢，增加水下探測距離和分辨率、提高水下戰場信息控制能力，擴大水聲預警探測范圍，實現水下戰場態勢感知高度共享、快速指揮先敵行動和部隊行動，對未來提高聯合作戰效能有很大影響。

2.4 協同組網(CNAV)技術 協同組網(CNAV)技術是多UUV或UUV與其他平臺之間的信息互聯、共享，促使總體性能提升、指揮協同以期實現效率的最大化。協同組網技術可貫穿UUV執行任務的始末，例如協同導航與定位。此技術依賴于高效通信和數據處理、編隊協同控制、協同任務規劃等技術。

高精度的導航定位是多UUV系統完成任務的基礎。通過UUV間導航信息的共享，即多UUV間的協同導航，在提高系統整體導航定位精度的同時，既可降低導航定位成本，還可擺脫基陣/母船的束縛，使用區域靈活。目前，協同導航與定位主要有領航跟隨式和分布式2種。領航跟隨式中，領航UUV配置高精度導航傳感器，跟隨UUV配置低精度導航傳感器，領航UUV的數量一般2～4個，理論上跟隨UUV數量不受限制。分布式中，每個UUV具有相同的導航傳感器配置與同等地位，一般要求UUV與多個鄰居通信，目前世界先進的美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研制的水聲通信系統Modem較可靠的通信率也只有32Bytes/10s，故適合于UUV數量較少的場合。

未來UUV的發展趨勢是以使命任務為驅動，以先進技術為牽引的體系化發展模式。UUV與有人平臺或無人系統之間的協作性將越來越強，具體體現在任務模式的整個過程中。多UUV協作需能夠自主進行任務分配，巡航及搜索過程中，各UUV系統之間保持通信暢通及信息的共享，并能通過路徑規劃和自主控制技術保證各UUV之間互不干擾，對于不確定環境和突發威脅具有協同自主重規劃能力和隊形變換能力，發現目標并實施打擊時，能夠指定隊形協同打擊，評估目標威脅等級及實施打擊的效果。

涉及UUVs的聯合作戰典型任務模式有[9]:

(1)潛艇釋放UUVs聯合作戰，UUVs執行區域搜索、探測、目標跟蹤、攻擊、掩護誘騙、通信中繼等任務；

(2)水面艦船與UUVs、無人水面艇(USVs)、無人飛行器(UAVs)聯合反水雷；

(3)水面艦艇與UUVs、USVs、UAVs聯合反潛；

(4)航空平臺通過通信浮標與UUVs協同進行水下作戰。

3 UUV技術發展方向

3.1 互操作性 互操作性是“系統、單位、部隊向(和從)其他系統、單位、部隊提供(和接受)服務并加以利用的能力，通過利用所交換的服務使他們更有效地共同作戰?！盵10]互操作性的核心是提高地面、空中和海上系統之間的可交互能力，在UUV層面體現在有人系統和無人系統的互操作性問題?；ゲ僮餍圆粌H涵蓋了底層系統的互連互通，更強調服務和應用的交換，即實現作戰協同。硬件兼容并不代表具有交換服務的能力，建立無人系統互操作性標準可以明確互操作性等級模型，實現各系統之間指揮控制、協同作業的能力。

3.2 自主性 自主性的意義在于:在一些新的任務方式下，無人系統在一定程度和一定時間段內可獨立扮演角色，將人工決策用于最需要的地方。由于水下戰場的特殊性，UUV獲取外界信息源的能力很弱，與有人平臺的遠距離通信十分困難，因此自主性成為UUV發展必須強調的一個問題。在美國國防科學委員會(DSB)的《自主性》研究報告中定義的自主性是:“自主性產生于對一個授權實體在特定邊界內采取行動的決策授權”。[11]自主系統可自行導向目標而無需外部操控，但是受到指揮其行為的規則和策略的管控，其顯著特征是在未知環境中的目標導向能力，它能基于一套規則和/或約束做出決策，并確定哪些信息對決策是重要的。

在某些危險緊迫局面，自主系統具有更快的反應速度，更強的機動性和毀傷能力，因為它不需要等待有人系統傳來的指令。未來的多數環境和使命任務均要求無人系統能在復雜和不確定的環境下作戰，這就需要系統具備與操作員團隊交互及合作的能力、與其他自主系統交互及合作的能力、適應環境和任務變化的能力、從環境和任務變化中學習的能力、以及安全可靠地執行任務的能力[9]。

3.3 智能化 UUV智能化的發展體現在多個技術層面，自主性的實現同樣需要智能化發展的支撐。水下平臺對外通信能力較弱，在遠距離持續作戰的情況下，實施偵察搜索、情報搜索、探測跟蹤、威脅評估等任務時依賴于智能化的自主控制技術。智能化要求無人系統具有復雜的推理能力以應對多任務性和環境的不確定性。在UUV與有人、無人系統之間協同作戰的趨勢下，智能化將在未來聯合作戰中的作用愈發凸顯。

4 結論

UUV作為智能化裝備在和平時期和戰時都具有不可替代的優勢。近年來，美軍積極開展水下監視網的建設，特別是利用UUV在我近海海域實施抵近偵察，使用無人裝備充分建立起水下優勢。而且UUV雖可執行多樣化任務，但從任務重要度及美軍UUV發展方向來看，反潛戰(ASW)將是中小型UUV的發展的主要瞄準方向。美軍的UUV軍事化應用已非常成熟，對我水下無人作戰領域的研究具有較強的促進作用。因此在了解美軍UUV技術、發展規劃及意圖的前提下，發揮我自身優勢開發具有針對性的無人系統裝備技術應是優先考慮的問題。