無人水下反潛作戰(zhàn)平臺指揮控制研究

蘇金濤

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

信息化和無人化是未來軍事裝備的發(fā)展方向。近年來的戰(zhàn)爭實(shí)踐表明，以無人飛行器(Unmanned Air Vehicle，UAV)、無人水下航行器(Unmanned Undersea Vehicle，UUV)、無人水面艦艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)、無人地面車輛(Unmanned Ground Vehicle，UGV)等為代表的各種無人作戰(zhàn)平臺(Unmanned Combat Vehicle，UCV)，已經(jīng)成為兵力作戰(zhàn)能力倍增器，是滿足新的作戰(zhàn)需求、實(shí)現(xiàn)新的作戰(zhàn)概念的重要手段。

無人水下反潛作戰(zhàn)平臺(Anti Submarine War Unmanned Combat Undersea Vehicle，ASW UCUV)是主要執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務(wù)的自主型UUV，其發(fā)展受到各國海軍的高度重視，有望成為繼水面艦艇、潛艇之后新一類的海上反潛作戰(zhàn)平臺。它以潛艇或水面艦艇為支援平臺，攜帶多種傳感器和反潛武器、器材，在己方或敵方基地、艦艇附近、敵方潛艇航道等指定區(qū)域受遙控或自主執(zhí)行搜索、警戒、監(jiān)視、誘騙、攻潛，以及中繼通信等多種任務(wù)。

UCV區(qū)別于有人系統(tǒng)的重要標(biāo)志是“人在環(huán)內(nèi)，不在機(jī)上”［1］，因此 ASW UCUV的指揮控制系統(tǒng)(Command and Control System，C2S)必須具備與其任務(wù)相匹配的智能控制能力［2］。C2S不僅需要依據(jù)預(yù)先規(guī)劃好的指令和人在回路的應(yīng)變指令進(jìn)行自主控制，更重要的是可以根據(jù)自身對內(nèi)部和外部的感知信息，結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)要求，自主對路徑、威脅規(guī)避、目標(biāo)確定、武器使用等選擇做出決策，形成最優(yōu)作戰(zhàn)方案，實(shí)現(xiàn)最佳作戰(zhàn)效能［2］。

1 ASW UCUV指揮控制的工作原理

2000年以來，美軍對包括UAV、USV、UUV和UGV等在內(nèi)的UCV智能指揮控制提出的要求包括:UCV自主遠(yuǎn)距離航行時(shí)，在無人力控制的情況下，自動收集并傳送信息，探測、評估并主動規(guī)避威脅和障礙物;在出現(xiàn)不可預(yù)知情況及惡劣水文氣象條件下，可根據(jù)任務(wù)目標(biāo)、周圍環(huán)境情況和剩余動力，迅速做出反應(yīng)，自主決策返航或與其他UCV協(xié)作，組成編隊(duì)，協(xié)同完成任務(wù)［3］。

對ASW UCUV指揮控制的界定，可部分借鑒潛艇指揮控制系統(tǒng)的定義，但必須清楚地認(rèn)識到無人系統(tǒng)與有人系統(tǒng)的差別。潛艇的指揮控制系統(tǒng)是潛艇作戰(zhàn)指揮與武器控制系統(tǒng)的簡稱，其主要功能是情報(bào)綜合處理、輔助指揮決策和武器綜合控制［4］。與潛艇指控系統(tǒng)的主要區(qū)別是，ASW UCUV的指揮控制缺少了操作人員的實(shí)時(shí)決策和控制，支援平臺的干預(yù)是粗粒度的、甚至是沒有的，因此需要其具備完全的自主能力。此外，對于潛艇平臺而言，平臺的控制并不在其指揮控制系統(tǒng)的任務(wù)之內(nèi)，例如當(dāng)潛艇需要進(jìn)行魚雷武器發(fā)射占位時(shí)，平臺的機(jī)動是在其它系統(tǒng)的控制下間接完成的;而對于ASW UCUV而言，其搜索、跟蹤以及攻擊等行為與對平臺的控制是緊密地結(jié)合在一起的，因此，對于平臺的動態(tài)控制也包含在指揮控制任務(wù)范圍之內(nèi)。對于ASW UCUV而言，C2S是它的大腦，當(dāng)ASW UCUV行使作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，其一切的行為均是在它的控制下完成。

與其他類型 UCV指揮控制原理［5］相類似，ASW UCUV指揮控制的工作原理可用圖1表示。主要分為平臺行為控制、自主行為決策控制和支援平臺干預(yù)控制等3個(gè)部分［2，5］。但不同類型 UCV應(yīng)用環(huán)境的不同，導(dǎo)致其指揮控制具體內(nèi)容上的不同。ASW UCUV的指揮控制，注重水下環(huán)境下的信息處理、信息應(yīng)用以及在水下環(huán)境下對ASW UCUV自身的控制。

圖1 ASW UCUV的指揮控制工作原理框圖

平臺行為控制包括平臺動態(tài)控制、傳感器控制和武器控制。平臺動態(tài)控制和武器控制改變ASW UCUV的狀態(tài)和行為，并作用于水下戰(zhàn)場環(huán)境，使其產(chǎn)生變化;傳感器控制改變ASW UCUV所載的各類傳感器對戰(zhàn)場環(huán)境不斷探測感知的能力，形成不同側(cè)面關(guān)注點(diǎn)的實(shí)時(shí)戰(zhàn)場態(tài)勢。平臺行為控制的主要內(nèi)容包括:

1)ASW UCUV的航行狀態(tài)控制，例如航速、航向、航深以及姿態(tài)控制等;

2)魚雷、超空泡射彈、誘餌等反潛武器、器材的準(zhǔn)備與發(fā)射;

3)操控聲納、光電等傳感器的工作方式、模式等;

4)系統(tǒng)故障的自我修復(fù)等。

自主行為決策控制是ASW UCUV指揮控制的核心，通過平臺傳感器對水下戰(zhàn)場態(tài)勢的感知，利用作戰(zhàn)規(guī)劃庫和戰(zhàn)術(shù)知識庫，能夠?qū)崟r(shí)做出戰(zhàn)術(shù)決策，進(jìn)行ASW UCUV平臺動作規(guī)劃，并控制ASW UCUV平臺執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)動作，為ASW UCUV平臺行為控制發(fā)出相應(yīng)的命令和控制信號。自主行為決策控制的主要內(nèi)容包括:

1)對支援平臺指令的理解;

2)與其它ASW UCUV或其它平臺的協(xié)同;

3)完成某項(xiàng)任務(wù)的路徑規(guī)劃和航跡規(guī)劃;

4)平臺行為控制的判斷;

5)戰(zhàn)場態(tài)勢的綜合處理，目標(biāo)的識別、跟蹤與攻擊，威脅的規(guī)避等;

6)平臺資源的使用決策，武器、傳感器、動力的使用等。

支援平臺干預(yù)控制是ASW UCUV與其支援平臺之間的交互界面。通過支援平臺干預(yù)控制，可以對ASW UCUV系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，如初始任務(wù)分配、任務(wù)啟動與干預(yù)，以及UCV自主行為的干預(yù)等。支援平臺干預(yù)控制體現(xiàn)了UCV“平臺無人，系統(tǒng)有人”［1］的思想，ASW UCUV本身是一個(gè)系統(tǒng)，又與支援平臺構(gòu)成了一個(gè)更大的系統(tǒng)，大系統(tǒng)和小系統(tǒng)的交互是ASW UCUV的自主決策能力與人類的思維能力相當(dāng)之前必不可少的部分，這在目前無人空中作戰(zhàn)系統(tǒng)(Unmanned Command Air System，UCAS，例如 X47B)［6］的使用中得到了明顯的體現(xiàn)，但完全的自主能力仍是不斷追求的目標(biāo)。

2 影響ASW UCUV未來發(fā)展的指控方面的關(guān)鍵問題

ASW UCUV(也包括其它類型的UCV)的發(fā)展仍處于初級階段，離具備設(shè)想的作戰(zhàn)能力還有很大的差距，即使是開始研制較早的美國“曼塔”、英國的“護(hù)身符”等具備反潛作戰(zhàn)能力的 UCV依然處于試驗(yàn)階段［7］，并未在實(shí)戰(zhàn)中得到應(yīng)用，主要由于ASW UCUV指揮控制中仍有很多關(guān)鍵問題不能解決。這些問題，大都是UCV指揮控制所具有的共性問題，對ASW UCUV來講，需要結(jié)合其使用環(huán)境和任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

2.1 自主攻擊判斷問題

自主攻擊判斷是所有UCV必須面對的問題。無人平臺攜帶武器之始就曾引起廣泛的討論，“由機(jī)器決定是否殺人”不僅是技術(shù)層面的問題，還牽涉到倫理層面［8］。UCV攜帶武器是實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)即打擊”、“偵-打”一體理念的重要手段［8］，特別是對于那些時(shí)敏目標(biāo)更是如此，這也是UCV具備攻擊性的重要理由之一。在所有的UCV中，已經(jīng)得到實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的有UAV和UGV，美國的“捕食者”和“徘徊者”是這兩方面成功的案例，已經(jīng)在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場上多次應(yīng)用［9］。

相對于UAV和UGV來講，ASW UCUV自主攻擊判斷問題更加突出。這是因?yàn)椋壳暗腢AV和UGV可以使用圖像技術(shù)和無線通訊技術(shù)，快速地與支援平臺進(jìn)行信息交互，由支援平臺給出是否進(jìn)行攻擊的決策支持?！芭腔舱摺?、“捕食者”等UAV或UGV更多地采用此種方式，它們完全的自主攻擊判斷能力還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。對ASW UCUV，由于其工作于水下，目標(biāo)識別準(zhǔn)確度低以及大數(shù)據(jù)量信息通信困難都是相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)不能夠解決的問題。如果ASW UCUV的每次攻擊行為都要得到支援平臺的確認(rèn)，則不得不上浮到無線電通訊深度，這是設(shè)計(jì)者和使用者都不愿意采用的方式，因?yàn)檫@種方式不但貽誤了戰(zhàn)機(jī)，還破壞了ASW UCUV的隱蔽性，在敵方港口或航道附近作戰(zhàn)時(shí)，隱蔽性非常重要。

目前通常采用的一個(gè)方法是作戰(zhàn)海域控制，當(dāng)需要在某一區(qū)域使用ASW UCUV時(shí)，控制己方艦艇不要進(jìn)入該海域，并對ASW UCUV在該海域使用武器進(jìn)行自主攻擊授權(quán)。其實(shí)，這并沒有從ASW UCUV自身的角度解決其自主攻擊判斷問題，只是保證了ASW UCUV不錯(cuò)誤地攻擊己方而已，而且這種處理方法也有很大的問題，因?yàn)椴⒉荒鼙ＷC第三方的航行器不進(jìn)入該海域，因此存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

ASW UCUV指揮控制中的自主攻擊判斷問題事實(shí)上已經(jīng)嚴(yán)重影響了它的實(shí)際軍事應(yīng)用，但近期內(nèi)并不會得到質(zhì)的突破，畢竟對于這種有人系統(tǒng)中尚存在很大困難的決策問題，讓機(jī)器像人一樣做出判斷是一件極具挑戰(zhàn)性的事情。除了繼續(xù)提高ASW UCUV傳感器的性能，為C2S提供更加準(zhǔn)確的目標(biāo)信息以外，采用智能決策算法對信息進(jìn)行綜合處理，建立更加完備的信息庫等都是可行的方法。

2.2 ASW UCUV集群的自主協(xié)同控制問題

過去和現(xiàn)在的ASW UCUV更多的是將注意力集中于單個(gè)平臺，但就世界范圍內(nèi)UCV的發(fā)展趨勢來講，研究的視點(diǎn)已經(jīng)聚焦于多個(gè)平臺組成的集群［2］，這些有多個(gè)ASW UCUV一起構(gòu)成的集群組成了一種新的反潛武器，或者說作戰(zhàn)攻擊模式。在這樣的集群中，指揮控制分布于所有ASW UCUV中，單個(gè)ASW UCUV與其它ASW UCUV和支援平臺相互進(jìn)行通信。支援平臺只對整個(gè)集群指派任務(wù)，任務(wù)的執(zhí)行由群體的自組織實(shí)現(xiàn)。集群中各個(gè)平臺之間的相互通信與協(xié)同使集群具備了成為一個(gè)更智能化實(shí)體的可能，這個(gè)實(shí)體可在一些給定因素的前提下，如平臺的位置、油料和彈藥的儲量等，決定哪個(gè)平臺更適合遂行特定任務(wù)。

基于單個(gè)平臺理念設(shè)計(jì)的ASW UCUV與基于集群理念設(shè)計(jì)的ASW UCUV是不同的。這些不同除了體現(xiàn)在ASW UCUV本身的配置外，更多的體現(xiàn)在它的指揮控制系統(tǒng)之中。基于集群理念設(shè)計(jì)的ASW UCUV的指揮控制，著眼點(diǎn)不僅僅是執(zhí)行完分派給自己的任務(wù)，還要不斷關(guān)注指派給集群的任務(wù)的完成情況，通過與集群中其它平臺的交互，做出有利于集群任務(wù)實(shí)現(xiàn)的決策。顯然，集群對于完成其被指派任務(wù)的可靠性要比單個(gè)平臺高很多，雖然相應(yīng)地也會增加費(fèi)用。在ASW UUV研制之初就考慮此方面的問題，明顯比對成型產(chǎn)品的改造更有效率和節(jié)省人力物力。

一個(gè)簡單的例子是，ASW UCUV集群對于敵方潛艇可能經(jīng)過區(qū)域的封鎖。受制于續(xù)航力等問題，單個(gè)ASW UCUV對某一海域的控制能力有限。多個(gè)ASW UCUV可以對某一海域?qū)崿F(xiàn)不間斷的控制，方法之一是由支援平臺事先做好規(guī)劃，對每個(gè)ASW UCUV分別單獨(dú)指派任務(wù)，并根據(jù)每個(gè)ASW UCUV的狀態(tài)適時(shí)撤回或派出某ASW UCUV，執(zhí)行任務(wù)的多個(gè)ASW UCUV之間相互獨(dú)立;另一個(gè)方法是，將支援平臺上需要完成的部分任務(wù)前移到ASW UCUV指控系統(tǒng)中，并使其具備智能協(xié)同控制的能力，支援平臺只需要為ASW UCUV集群分配任務(wù)區(qū)域，由各個(gè)ASW UCUV的指揮控制系統(tǒng)自我協(xié)商任務(wù)執(zhí)行，并根據(jù)任務(wù)執(zhí)行情況和平臺狀態(tài)，決定集群是否進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充，支援平臺只需要在任務(wù)周期內(nèi)監(jiān)控各平臺的行動即可。顯然，后一種方法對于使用者來說更有吸引力。

集群的自主協(xié)同控制對ASW UCUV來講，目前仍是一個(gè)概念，但在不久之前英國科學(xué)家公布的研究成果中，已經(jīng)可以使得UGV集群自主協(xié)同完成某一任務(wù)，例如集體拉動某一對單UGV來說的不可能拉動的物體。就目前的研究情況來看，UCV集群作戰(zhàn)模式最可能實(shí)現(xiàn)的是美國的無人空中作戰(zhàn)系統(tǒng)(UCAS)，這得益于美國在UCAS智能控制系統(tǒng)(Intelligent C2S，IC2S)方面長久和有效的研究和應(yīng)用。

2.3 與支援平臺指揮控制的關(guān)系問題

此問題與前一個(gè)問題有某些相似，在未來的發(fā)展中，作為ASW UCUV大腦的C2S與支援平臺的指揮控制系統(tǒng)之間的關(guān)系問題。

ASW UCUV通過其指揮控制系統(tǒng)與支援平臺進(jìn)行交互:ASW UCUV指控系統(tǒng)能夠理解并執(zhí)行支援平臺委派的任務(wù)。這種交互從一定意義上來講是單向的，是任務(wù)執(zhí)行層次上的交互，而不是任務(wù)生成層次上交互。之所有出現(xiàn)這種情況，與ASW UCUV的發(fā)展過程和其C2S達(dá)到的智能水平息息相關(guān)。水面艦艇或潛艇攜帶ASW UCUV，起初被看作是支援平臺的一件武器。隨著ASW UCUV與新的反潛作戰(zhàn)理念的相互促進(jìn)與發(fā)展，ASW UCUV作為獨(dú)立的反潛平臺已經(jīng)是一個(gè)共識。

作為獨(dú)立反潛平臺的ASW UCUV，應(yīng)該具備與有人平臺(潛艇或水面艦艇)一樣的作戰(zhàn)權(quán)利。這種作戰(zhàn)權(quán)利指的是，ASW UCUV的C2S可以根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，參與到整體作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃，并具備分發(fā)作戰(zhàn)任務(wù)的能力。形象地講，支援平臺的指揮官并不會意識到與其協(xié)同作戰(zhàn)的是ASW UCUV或ASW UCUV集群，至少從感覺上講那是同樣有人操作的潛艇或水面艦艇，因此，聽從ASW UCUV的調(diào)遣是一件符合作戰(zhàn)規(guī)則前提下的理所當(dāng)然的事情。當(dāng)C2S的智能化達(dá)到一定程度后，這種設(shè)想完全是可行的，事實(shí)上，美軍已經(jīng)開始了此方面的研究，并進(jìn)行了數(shù)次有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)與UCAS的伴飛試驗(yàn)，但關(guān)于ASW UCUV在此方面的研究，并沒有更深入的進(jìn)展。

3 結(jié)束語

ASW UCUV的指揮控制問題是關(guān)系其作戰(zhàn)能力的核心問題之一。本文結(jié)合較為成熟的UCAS、UCGV等UCV的指揮控制，討論了ASW UCUV指揮控制的工作原理，重點(diǎn)分析了ASW UCUV的自主攻擊判斷問題、集群的自主協(xié)同控制問題和與支援平臺指揮控制的關(guān)系問題等問題。通過以上討論和分析可以看出，受制于ASW UCUV指揮控制技術(shù)的現(xiàn)有水平及其它問題，ASW UCUV達(dá)到設(shè)想的作戰(zhàn)能力還尚需時(shí)日，但ASW UCV技術(shù)領(lǐng)先的國家，研究的方向已經(jīng)從面向平臺向面向任務(wù)轉(zhuǎn)變，這正是本文關(guān)注的重點(diǎn)和ASW UCUV指揮控制今后研究的重點(diǎn)。

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