無人艇防空裝備設(shè)想及作戰(zhàn)模式初探

劉 杰,孫 全,賈 軍

(上海機(jī)電工程研究所，上海，201109)

0 引 言

水面無人艇是海上無人系統(tǒng)的重要組成部分，與有人駕駛艦船相比具有體積小、隱蔽性好、機(jī)動靈活、無人員傷亡危險等優(yōu)點，能夠在水面作戰(zhàn)環(huán)境下完成各種任務(wù)。隨著高新技術(shù)與武器系統(tǒng)的飛速發(fā)展，水面無人艇已在掃雷、情報偵察與監(jiān)視、反恐等領(lǐng)域得到應(yīng)用，未來必將在海上作戰(zhàn)體系中扮演重要角色。然而，國內(nèi)外現(xiàn)有的水面無人艇均不具備有效的防空能力，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的生存性能面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了提高水面無人艇的生存能力，需發(fā)展針對水面無人艇的防空裝備，并研究與之對應(yīng)的新型作戰(zhàn)樣式，進(jìn)一步拓展其作戰(zhàn)應(yīng)用領(lǐng)域，為未來海上無人作戰(zhàn)提供支撐。

1 水面無人艇發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外水面無人艇發(fā)展概況

無人艇(Unmanned Surface Vehicles, USV)最早出現(xiàn)于二戰(zhàn)時期。受當(dāng)時的技術(shù)限制，無人艇在出現(xiàn)后的幾十年里主要作為訓(xùn)練靶船和遙控反水雷器材使用。上世紀(jì)九十年代以來，隨著控制、導(dǎo)航、通信、軟件等科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，美國、以色列、英國、法國等在研發(fā)無人艇方面大力投入。目前，世界在研和現(xiàn)役無人艇已超過100種型號，作戰(zhàn)能力主要體現(xiàn)在：①反水雷作戰(zhàn)；②情報、監(jiān)視和偵察；③火力支援；④反潛作戰(zhàn)；⑤反恐及港口防衛(wèi)；⑥構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)或與其它有人/無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)。未來，水面無人艇將成為海上信息化武器裝備體系的重要組成部分，在信息支援和戰(zhàn)術(shù)打擊領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

1.2 美國水面無人艇發(fā)展現(xiàn)狀

按照美國海軍發(fā)布的《美國無人水面艇主計劃》[1]，無人海上系統(tǒng)(Unmanned Maritime System，UMS)將成為美海軍的研發(fā)重點。除執(zhí)行傳統(tǒng)的情報、監(jiān)視與偵察、反水雷等任務(wù)外，還將執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)打擊、電子戰(zhàn)、對地/對海攻擊以及防空與反導(dǎo)任務(wù)；并推動云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)在無人系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前，美軍裝備的典型水面無人艇為“斯巴達(dá)偵察兵”無人水面艇。

“斯巴達(dá)偵察兵”無人艇(如圖1所示)是采取模塊化設(shè)計的高速半自主水面無人快艇，艇長11 m，最大航速超過30 kn，續(xù)航時間大于8 h，作戰(zhàn)半徑超過150 n mile，具備全天候作戰(zhàn)能力。其標(biāo)準(zhǔn)配置包括無人駕駛系統(tǒng)、控制用視頻攝像機(jī)、導(dǎo)航雷達(dá)、水面搜索雷達(dá)、光電系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，并可裝載3 000 kg任務(wù)載荷。目前，“斯巴達(dá)偵察兵”無人艇可配備4種任務(wù)模塊，包括：情報、監(jiān)視與偵察模塊；反水雷模塊；精確打擊/反艦作戰(zhàn)模塊和反潛作戰(zhàn)模塊。并開展了30 mm遙控火炮和NOLS-LS小型打擊導(dǎo)彈的裝載試驗[2]。

圖1 美國“斯巴達(dá)偵察兵”無人艇Fig.1 U.S.Navy“Spartan Scout”UAV

1.3 其他國家水面無人艇發(fā)展現(xiàn)狀

除美國外，以色列在無人水面艇研發(fā)領(lǐng)域起步較早，技術(shù)較為成熟。其研制的“保護(hù)者”無人水面艇(如圖2所示)已裝備以色列海軍，用于情報監(jiān)視、海岸警衛(wèi)和近海護(hù)航?！氨Ｗo(hù)者”無人水面艇為剛性充氣艇，全長9 m，最大航速超過50 kn，艇載裝備包括“托普拉伊特”紅外/可見光/激光復(fù)合傳感器和“微型臺風(fēng)”遙控武器站，可搭載12.7 mm機(jī)槍、40 mm榴彈發(fā)射器、30 mm艦炮或“長釘”反坦克導(dǎo)彈。

圖2 以色列“保護(hù)者”無人水面艇Fig.2 Israeli Navy “Protector”UAV

英國的“海上自主平臺”無人水面艇于2016年開始裝備英國海軍，主要執(zhí)行近海巡邏、情報監(jiān)視和反潛作戰(zhàn)任務(wù)[3]。該艇長9.7 m，配備先進(jìn)控制系統(tǒng)、傳感器及通信系統(tǒng)，既可全程遙控，也可自主航行，并可搭載武器模塊。

法國正在研發(fā)的Inspector MK2型無人艇可執(zhí)行戰(zhàn)場態(tài)勢感知、海上反恐、港口封鎖等任務(wù)，該艇長12 m，最大航速35 kn，載荷包括全天候?qū)１O(jiān)視設(shè)備、核生化探測裝置、激光/紅外傳感器及遙控武器站，可選配非致命武器或小口徑艦炮。

綜上，國外海軍無人水面艇的發(fā)展呈現(xiàn)功能多樣化、傳感器先進(jìn)化、控制自主化等趨勢，后續(xù)發(fā)展的無人水面艇將是一種高度集成化的平臺[4]，搭載各類傳感器、通信設(shè)備和武器載荷，航行能力和自主控制能力不斷提高。在無人艇防空能力方面，目前部分無人艇搭載了小口徑艦炮，具備極其有限的對空作戰(zhàn)能力。未來按照美軍的《美國無人水面艇主計劃》，無人艇在近期主要發(fā)展單元級防空能力實現(xiàn)單艇自衛(wèi)，遠(yuǎn)期則發(fā)展小區(qū)域防空能力，為編隊提供防空掩護(hù)。

2 無人艇防空裝備設(shè)想

2.1 水面無人艇防空作戰(zhàn)使命分析

由上文分析可知，目前在役和在研的海上無人水面作戰(zhàn)艇多為小型高速艇，長度一般不超過12 m，排水量不大于100 t，航速大于30 kn，可搭載數(shù)噸級武器載荷。此類無人艇噸位較小，不適合遠(yuǎn)洋航行，主要執(zhí)行近海護(hù)航、反潛、掃雷、偵察等作戰(zhàn)支援任務(wù)，部分型號還具備對地/對海戰(zhàn)術(shù)打擊和電子戰(zhàn)能力。按照美軍的《美國無人水面艇主計劃》，無人艇在防空與反導(dǎo)領(lǐng)域?qū)?yōu)先發(fā)展單元級自衛(wèi)防空能力，即依托通用無人艇底盤，根據(jù)作戰(zhàn)需求加裝傳感器和防空武器載荷，實現(xiàn)艇族化發(fā)展。而由于無人艇排水量有限，其艇載防空武器模塊尺寸、重量均會受到較大限制，只能搭載體積質(zhì)量小、集成度高的近程末端防空模塊，執(zhí)行單艦自衛(wèi)防空、編隊機(jī)動伴隨防空、海岸要地末端防空等任務(wù)，對來襲的巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、低空飛行器等目標(biāo)實施攔截。

2.2 水面無人艇防空能力及裝備分析

目前，海上方向來襲的巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈多采取超低空掠海突防模式，通過地球曲率遮擋壓縮防空雷達(dá)的探測距離。雷達(dá)對超低空目標(biāo)的最大探測距離Df(km)和對目標(biāo)的最大可能的跟蹤距離Dg(km)，可由式(1)估算：

(1)

式中：H為空中目標(biāo)飛行高度，單位為m；h為雷達(dá)天線高度，單位為m。

考慮到無人艇尺寸較小，假設(shè)其艇載雷達(dá)高度為5 m，當(dāng)來襲導(dǎo)彈超低空飛行高度降至10 m時，由式(1)計算可知，在不考慮雷達(dá)實際性能和電磁環(huán)境的理想條件下，艇載雷達(dá)對10 m超低空掠海目標(biāo)的探測遠(yuǎn)界僅有22.24 km，最大跟蹤距離為19.27 km?？紤]到無人艇載荷條件有限，艇載雷達(dá)的陣面尺寸、發(fā)射功率均會受到限制，對反艦巡航導(dǎo)彈為代表的掠海小目標(biāo)實際探測能力會進(jìn)一步下降。如使用光電被動探測設(shè)備，則理想探測距離為視距，但受海上環(huán)境影響，實際探測距離也會下降?？紤]到艇載防空導(dǎo)彈的射程需與探測設(shè)備的能力相匹配，其攔截遠(yuǎn)界無需超過20 km。同時，考慮到兩次以上攔截的需求，艇載防空導(dǎo)彈需具有一定的殺傷區(qū)縱深，攔截遠(yuǎn)界需不小于10 km，并具備高火力密度對抗多目標(biāo)攻擊。

目前，國外艦載近程末端防空武器包括美國的“拉姆”(如圖3所示)、俄羅斯的SA-N-9“克里諾克”、SA-N-10“手鉆”和SA-N-11“喀什坦”。其性能指標(biāo)對比如表1所示。

由表1對比可知，“拉姆”對導(dǎo)彈目標(biāo)的殺傷區(qū)最大，且采取抗干擾能力最強(qiáng)的被動雷達(dá)+紅外成像復(fù)合制導(dǎo)體制，導(dǎo)彈性能強(qiáng)于其它型號，且具備發(fā)射后不管能力，末端火力密度高。同時，“拉姆”采取模塊化設(shè)計，適裝性好，適用于包括航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈艇、巡邏艇等大、中、小不同噸位的平臺，可安裝于100噸級大型無人艇執(zhí)行防空作戰(zhàn)任務(wù)。此外，SA-N-10“手鉆”為便攜式導(dǎo)彈上艦，性能有限但體積、質(zhì)量很小，適合小型艇自衛(wèi)防空。SA-N-9“克里諾克”和SA-N-11“喀什坦”防空系統(tǒng)要求平臺噸位500 t以上，不適合100噸級無人艇安裝。

圖3 “拉姆”導(dǎo)彈武器系統(tǒng)Fig.3 RIM-116“RAM”anti-aircraft missile system

2.3 水面防空無人艇裝備載荷設(shè)想

由上文分析可知，海上無人作戰(zhàn)艇在執(zhí)行防空作戰(zhàn)時，主要裝備近程末端防空導(dǎo)彈?？紤]到無人艇的系列化發(fā)展，搭載防空武器的無人艇可分為兩類：一類為搭載“拉姆”級別的近程防空導(dǎo)彈，以編隊防空任務(wù)為主業(yè)的無人防空艇；另一類為搭載其他類型任務(wù)模塊的同時，配備SA-16級別的艇載便攜式導(dǎo)彈，具備有限自衛(wèi)防空能力的無人作戰(zhàn)艇。

對于無人防空艇，其艇上載荷包括近程防空導(dǎo)彈模塊、探測模塊和電子/通信模塊。其中，近程防空導(dǎo)彈射程12～15 km，采用類似“拉姆”-BLOCK1的紅外成像制導(dǎo)體制，具備發(fā)射后不管能力，并加裝彈載數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)發(fā)射后截獲能力，提升對低紅外特性目標(biāo)的攔截能力，并拓展一定的對地/對海攻擊能力。探測模塊配備小型對空雷達(dá)和光電探測設(shè)備，通過探測體制互補(bǔ)提升復(fù)雜環(huán)境下抗干擾能力；電子/通信模塊則包括自衛(wèi)式電子干擾設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，如圖4所示。

圖4 無人防空艇載荷設(shè)計Fig.4 Design of weapon system for unmanned anti-aircraft surface vehicles

對于無人作戰(zhàn)艇，其載荷包括導(dǎo)彈載荷、探測載荷與電子/通信載荷，如圖5所示。由于無人艇噸位有限，可通過搭載不同的主戰(zhàn)模塊實現(xiàn)軟、硬殺傷，其中，無人火力作戰(zhàn)艇以反艦導(dǎo)彈模塊為主要載荷，搭載小型對海搜索雷達(dá)和光電設(shè)備實施對海探測，并通過加裝便攜式防空導(dǎo)彈實現(xiàn)自衛(wèi)防空；無人電子戰(zhàn)艇則主要搭載電子對抗設(shè)備、電子誘偏設(shè)備實施電子軟殺傷，并搭載雷達(dá)/光電探測設(shè)備實施主/被動預(yù)警探測，其他載荷保持不變。各型無人作戰(zhàn)艇均搭載網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，既可獨立作戰(zhàn)，也可組網(wǎng)作戰(zhàn)。

圖5 無人作戰(zhàn)艇載荷設(shè)計Fig.5 Design of weapon system for unmanned attack surface vehicles

3 無人艇典型防空作戰(zhàn)模式分析

無人艇防空作戰(zhàn)模式可參考美國海軍的“分布式殺傷”概念，實現(xiàn)分布式協(xié)同作戰(zhàn)，通過功能分解、能量分散、信息協(xié)同，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將這些小型單元組成一個柔性系統(tǒng)，通過小型作戰(zhàn)單元的廣域分布、信息共享、協(xié)同作業(yè)，提高戰(zhàn)場生存力、任務(wù)彈性、作戰(zhàn)快速性和對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。考慮到100噸級水面無人艇遠(yuǎn)洋性能較弱，其主要作戰(zhàn)區(qū)域為近海，包括東南沿海、臺灣海峽和南海島礁等區(qū)域。典型作戰(zhàn)模式設(shè)想如下。

3.1 港口要地防衛(wèi)模式

在港口要地防衛(wèi)模式中，無人艇防空作戰(zhàn)平臺負(fù)責(zé)執(zhí)行港口、島礁等要地的聯(lián)合防衛(wèi)任務(wù)，攔截來襲的反艦巡航導(dǎo)彈，主要參戰(zhàn)裝備包括無人防空艇和無人電子戰(zhàn)艇。

戰(zhàn)時，無人防空艇與電子戰(zhàn)艇擔(dān)任前出警戒哨艦，前出港口10～20 km機(jī)動部署，通過網(wǎng)絡(luò)化通信系統(tǒng)與有人防空艦只、岸基雷達(dá)及空中探測平臺組網(wǎng)，實現(xiàn)全方位、無死角的空情感知和信息共享，采用艇載傳感器提供低空探測補(bǔ)盲信息，并與防空戰(zhàn)艦、岸基部署的防空導(dǎo)彈系統(tǒng)形成射程銜接、高低協(xié)同的防空體系，拓展超低空殺傷區(qū)遠(yuǎn)界。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超低空來襲的反艦/巡航導(dǎo)彈后，各防空艇執(zhí)行前出首輪攔截任務(wù)，發(fā)射近程防空導(dǎo)彈對來襲導(dǎo)彈實施硬殺傷；電子戰(zhàn)艇對來襲目標(biāo)進(jìn)行干擾誘偏，執(zhí)行電子支援任務(wù)，充分減少敵方突防反艦巡航導(dǎo)彈的數(shù)量，降低港區(qū)防衛(wèi)的防空壓力，如圖6所示。

圖6 港口要地防衛(wèi)模式Fig.6 Combat mode for harbour defense

3.2 近海伴隨護(hù)衛(wèi)模式

在近海伴隨護(hù)衛(wèi)模式下，無人艇防空作戰(zhàn)平臺主要執(zhí)行近海機(jī)動伴隨防空任務(wù)，可為搶灘登陸部隊、近海船隊等提供護(hù)衛(wèi)，攔截敵方來襲的低空飛機(jī)、直升機(jī)、空面導(dǎo)彈等武器。

以搶灘登陸沖灘伴隨防御為例，無人防空艇與電子戰(zhàn)艇與搶灘登陸部隊一同由兩棲攻擊艦上下水執(zhí)行超地平線登陸任務(wù)，兩型無人艇與登陸部隊在航渡開始后完成編組，憑借自身的高航速護(hù)衛(wèi)兩棲突擊戰(zhàn)車、氣墊登陸艇等高速兩棲登陸載具，在搶灘過程中執(zhí)行伴隨防空任務(wù)。各艇開啟探測設(shè)備形成對空探測網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)探測到來襲敵方戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈時進(jìn)行火力攔截與電磁干擾，保衛(wèi)登陸部隊的安全。在登陸部隊沖灘過程中，無人防空艇可在必要時發(fā)揮艇載近程導(dǎo)彈的多用途能力，對灘頭敵方火力點實施精確打擊，掩護(hù)部隊上陸，如圖7所示。

圖7 近海伴隨護(hù)衛(wèi)模式Fig.7 Combat mode for convoy at sea

3.3 自主分布作戰(zhàn)模式

在此模式下，多型無人艇作戰(zhàn)平臺聯(lián)合執(zhí)行自主分布式攻防一體作戰(zhàn)，負(fù)責(zé)在近海海域?qū)撤降暮Ｉ先肭至α繉嵤r截、攻擊。各型無人艇作戰(zhàn)平臺可依托港口、島礁基地進(jìn)行前期部署，和平時期主要執(zhí)行近海巡邏任務(wù)，攔截、驅(qū)趕越界制造沖突的敵方海上、空中目標(biāo)；戰(zhàn)時，無人防空艇、無人火力作戰(zhàn)艇和無人電子戰(zhàn)艇經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組成分布式無人海上編隊，執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。

以南海島礁對越海上作戰(zhàn)為例，當(dāng)駐守島礁的無人艇作戰(zhàn)集群接收外部告警信息后，按照預(yù)案出港組成海上無人自主作戰(zhàn)群，通過多艇分布式探測對敵方海上編隊實施偵察，由人工智能處理器實現(xiàn)多型傳感設(shè)備感知信息，并結(jié)合外部戰(zhàn)場態(tài)勢信息進(jìn)行綜合處理，實現(xiàn)智能態(tài)勢感知；同時完成各分布式無人平臺的能力統(tǒng)計、武器平臺資源能力計算、敵方攻擊能力評估及其對己方的威脅等級等參數(shù)預(yù)判，開展自主作戰(zhàn)決策。

無人自主作戰(zhàn)群進(jìn)入戰(zhàn)位后，首先由搭載電子誘騙設(shè)備的電子對抗無人艇從敵方編隊兩側(cè)接近，對敵實施電子欺騙，引誘敵方護(hù)航力量遠(yuǎn)離主力；隨后防空無人艇與電子戰(zhàn)無人艇掩護(hù)搭載反艦導(dǎo)彈的無人艇接近敵編隊，電子戰(zhàn)無人艇全程釋放電磁干擾掩護(hù)突擊，反艦無人艇齊射反艦導(dǎo)彈實施分布式對海打擊，防空無人艇負(fù)責(zé)對敵艦發(fā)射的反艦導(dǎo)彈實施近程攔截，保護(hù)己方編隊的安全；電子戰(zhàn)無人艇和反艦無人艇搭載的便攜式防空導(dǎo)彈則用于本艇的自衛(wèi)防空，攔截漏網(wǎng)目標(biāo)，如圖8所示。

圖8 自主分布作戰(zhàn)模式Fig.8 Combat mode for distributed operations

4 主要關(guān)鍵技術(shù)

從上述分析中可以看出，無人艇自主防空作戰(zhàn)的實現(xiàn)至少需要突破以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 多平臺組網(wǎng)探測技術(shù)

多平臺組網(wǎng)探測技術(shù)主要發(fā)揮分布式探測的優(yōu)勢，通過多個無人平臺的空間分布和探測載荷組網(wǎng)，實現(xiàn)多體制、多通道、多頻段的多傳感器數(shù)據(jù)融合，獲得預(yù)警信息、作戰(zhàn)指揮所需信息和提供制導(dǎo)控制信息，形成統(tǒng)一的空情和攔截態(tài)勢圖，完成自主態(tài)勢感知、態(tài)勢分析和目標(biāo)自主跟蹤，實現(xiàn)多平臺作戰(zhàn)信息共享，從而協(xié)調(diào)行動，有效提高系統(tǒng)的信息利用程度和整體作戰(zhàn)效能。

4.2 自主防空作戰(zhàn)決策技術(shù)

無人作戰(zhàn)平臺利用人工智能技術(shù)，以防空作戰(zhàn)典型目標(biāo)威脅評估與交戰(zhàn)分配研究為基礎(chǔ)，通過對歷史交戰(zhàn)數(shù)據(jù)和海量仿真推演數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，研究作戰(zhàn)決策生成規(guī)則及方法，形成作戰(zhàn)決策自動生成能力；通過防空交戰(zhàn)方案推演及評估技術(shù)，對自動生成作戰(zhàn)決策與在線的上級或其他平級指控系統(tǒng)得到的作戰(zhàn)決策進(jìn)行多變量快速評估，選取其中的最優(yōu)交戰(zhàn)序列進(jìn)行防空作戰(zhàn)。

4.3 網(wǎng)絡(luò)化多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)

在分布式網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)環(huán)境下，導(dǎo)彈可以利用數(shù)據(jù)鏈獲取目指信息，這些信息需要與導(dǎo)彈自身的慣性導(dǎo)航信息以及導(dǎo)引頭探測信息相融合，以提高導(dǎo)彈在復(fù)雜電磁、光電環(huán)境下的制導(dǎo)能力和制導(dǎo)精度，提升導(dǎo)彈的多用途能力。多模復(fù)合制導(dǎo)包含制導(dǎo)策略、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、信息融合技術(shù)等，有效提高水面無人艇防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力。

4.4 模塊化載荷集成技術(shù)

無人艇作戰(zhàn)平臺可根據(jù)需求搭載防空導(dǎo)彈模塊、電子對抗模塊和火力打擊模塊，需要做到硬件電路接口的通用化以及軟件的兼容性，即控制系統(tǒng)硬件接口數(shù)據(jù)總線和通信協(xié)議必須具備通用性，保證系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)需求實現(xiàn)載荷模塊的“即插即用”。此外，可采用無人艇載通用發(fā)射裝置，通過通用化、系列化、模塊化設(shè)計兼容不同型號的防空、反艦武器使用，實現(xiàn)“攻防一體”。

5 結(jié)束語

從無人裝備的發(fā)展情況看，未來無人水面艇必將獲得巨大發(fā)展。為了提高水面無人艇的生存能力，本文結(jié)合有人艦艇防空武器系統(tǒng)的發(fā)展情況，開展水面無人艇防空裝備及作戰(zhàn)樣式的研究，梳理關(guān)鍵技術(shù)，可有效牽引針對水面無人艇的防空武器裝備發(fā)展，為提升未來海上無人系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能提供支撐。

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