水下無人裝備前沿發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

邱志明,馬 焱,孟祥堯,陳建華,馮 煒

(海軍研究院,北京,100422)

0 引言

水下無人裝備是無人系統(tǒng)體系重要組成部分,20 世紀(jì)以來,許多國家都加快了水下無人裝備的發(fā)展,旨在保護(hù)本國免遭非對(duì)稱威脅的攻擊[1-3]。水下無人裝備是新形勢(shì)下實(shí)現(xiàn)水下攻防對(duì)抗,推進(jìn)我國“海上絲綢之路”國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障[4]。

在軍事領(lǐng)域里,典型的水下無人裝備主要有無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)和水下無人預(yù)置系統(tǒng),其中水下無人預(yù)置系統(tǒng)包括水下預(yù)置武器和水下預(yù)置基礎(chǔ)設(shè)施。UUV 具有效費(fèi)比高、隱身性能好、作戰(zhàn)用途廣和智能程度高等優(yōu)勢(shì),是未來智能化戰(zhàn)爭(zhēng)中重要的新質(zhì)作戰(zhàn)裝備[5-9]。水下無人預(yù)置系統(tǒng)搭載載荷豐富多樣,具有潛伏時(shí)間長、廣域分布、隱蔽性好及響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn),已成為未來水下攻防對(duì)抗體系的重要組成部分[9]。在當(dāng)前深遠(yuǎn)海技術(shù)和軍事智能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下,水下無人裝備已具備執(zhí)行多類型復(fù)雜任務(wù)的能力[10],將對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生非對(duì)稱、顛覆性作用,在智能化海戰(zhàn)中的地位日益突出。目前世界各海洋強(qiáng)國都加速推進(jìn)水下無人裝備的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,搶占未來海上競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)。

1 水下無人裝備發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

以水下無人裝備中UUV 和水下無人預(yù)置系統(tǒng)為例,對(duì)各類型平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行概述。

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來,美國、俄羅斯和歐洲等國家和地區(qū)都加強(qiáng)了水下無人裝備技術(shù)和應(yīng)用部署等方面的研究,積極推動(dòng)水下無人自主和跨域協(xié)同作戰(zhàn)能力生成。21 世紀(jì)開始至今,美國已相繼發(fā)布了《無人航行器主計(jì)劃》、《無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》等十余項(xiàng)頂層戰(zhàn)略規(guī)劃文件,為水下無人裝備的發(fā)展確定了多層次、全方位、體系化的基本框架,有效指導(dǎo)了美軍水下無人裝備的技術(shù)發(fā)展和作戰(zhàn)應(yīng)用[11]。

1.1.1 UUV

美國的UUV 發(fā)展呈現(xiàn)出明顯的系列化特征,較有代表性的如Bluefin 系列、Iver 系列和REMUS系列等[11],各系列均依據(jù)不同口徑、不同功能、不同承載量需求而設(shè)計(jì)。相較之下,其他國家的UUV型號(hào)則相對(duì)零散,較有代表性如法國的Alister、日本的Tam-Egg、Twin-Burger 和PTEROA 等[12]。

我國UUV 雖起步較晚,但卓有成效,呈現(xiàn)出系列化、大海深、長航時(shí)、高性能和高仿生的特點(diǎn)。在系列化方面,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所先后研制了CR 系列和“潛龍”系列UUV[13-14],天津大學(xué)研制了“海燕”系列水下滑翔機(jī);大海深方面,天津大學(xué)研制的“海燕-X”號(hào)于2020 年完成了水下10 619 m 持續(xù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),哈爾濱工程大學(xué)研制的“悟空”號(hào)于2021 年實(shí)現(xiàn)了10 896 m 水深獨(dú)立工作;長航時(shí)方面,天津大學(xué)研制的“海燕-L”號(hào)于2018 年挑戰(zhàn)了水下續(xù)航4 個(gè)月,西北工業(yè)大學(xué)研制的仿蝠鲼水下航行器于2019 年實(shí)現(xiàn)了千米水深持續(xù)工作1 個(gè)月;高性能方面,哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合中科院研制的HSU001 號(hào)集偵查、監(jiān)視于一體,“悟空”號(hào)實(shí)現(xiàn)了水下15 km 高容量可靠信息傳輸,“海燕”系列在極端環(huán)境中完成了可靠性觀測(cè)[15];高仿生方面,西北工業(yè)大學(xué)研制的仿蝠鲼UUV 具備滑撲一體自主變形能力,實(shí)現(xiàn)了與魚類和諧混游。

受現(xiàn)有UUV 性能制約,UUV 在追求長航時(shí)性能過程中,必定要犧牲一定的航速和負(fù)載性能[16],而在追求多任務(wù)時(shí),長航時(shí)性能又會(huì)有所下降,從設(shè)計(jì)層面看,UUV 在航速、航程、負(fù)載和多任務(wù)性能上難以做到均衡,因此,加大航行器體積,研制大型或超大型UUV 成為解決現(xiàn)有問題的有效途徑。為綜合提升單體UUV 續(xù)航能力、負(fù)載能力和多作戰(zhàn)任務(wù)能力,各國積極開展大型和超大型UUV 的研制,表1 為國外大型UUV 裝備現(xiàn)狀列表。美國自2013 年提出發(fā)展新型超大型UUV 設(shè)計(jì)概念后,僅2022 年上半年就開展了“黑魚”和“虎鯨”2 種大型UUV 的下水測(cè)試,企圖拓展其水下非對(duì)稱優(yōu)勢(shì)。美國的大型UUV 研發(fā)側(cè)重于向裝備概念更新穎、作戰(zhàn)模式更多樣以及遂行功能任務(wù)更齊全的方向發(fā)展。與之相對(duì)應(yīng)的,我國在大型UUV 方面也有所發(fā)展,如2019 年建國70 周年國慶閱兵式上展示的“HSU001”大型UUV,即是其中的典型代表。

表1 國外典型大型UUV 裝備現(xiàn)狀Table 1 Development status of large-scale UUV equipment abroad

隨著單體UUV 技術(shù)發(fā)展成熟,UUV 開始向集群化方向發(fā)展,集群形式主要有同構(gòu)集群和異構(gòu)集群2 種。同構(gòu)集群為多個(gè)相同型號(hào)單體UUV協(xié)同完成通信、指揮控制與決策而組成的群組,異構(gòu)集群則為與其他無人系統(tǒng)組網(wǎng)成組,通過分布式態(tài)勢(shì)感知和信息共享協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)。國外有關(guān)UUV 集群的應(yīng)用項(xiàng)目和系統(tǒng)較多,其中同構(gòu)集群類主要有自主海洋取樣網(wǎng)絡(luò)(adaptive ocean sampling network,AOSN)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同無人航行器(CNAV)系統(tǒng)、SwarmDiver 等;異構(gòu)集群類主要有協(xié)作自主的分布式偵察與探測(cè)系統(tǒng)(cooperativeautonomy for distributed reconnaissance and exploration,CADRE)、“潛艇-UUVs-無人機(jī)”子母式協(xié)同作戰(zhàn)、歐盟Grex 項(xiàng)目等,各項(xiàng)目或系統(tǒng)的詳細(xì)信息見表2。國外率先開展了UUV 集群系統(tǒng)的研究,其中美國目前正向UUV 集群自主協(xié)同及海陸空集群協(xié)同方向發(fā)展[17]。我國在UUV 集群方面的研究起步較晚,許多研究都還處于理論和仿真階段,且主要聚焦于多UUV 協(xié)同探測(cè)方面[18]。

表2 國外UUV 集群典型平臺(tái)應(yīng)用項(xiàng)目與系統(tǒng)Table 2 Typical application of UUV swarm platform abroad

1.1.2 水下無人預(yù)置系統(tǒng)

水下無人預(yù)置系統(tǒng)是一類預(yù)先部署在近?；蛏钸h(yuǎn)海重要航道、敵周邊要地等前沿作戰(zhàn)海域,可在水下長期待機(jī)、遠(yuǎn)程喚醒的全自主作戰(zhàn)的新概念水下無人裝備。按平臺(tái)載荷類型劃分,水下無人預(yù)置系統(tǒng)可分為水下預(yù)置武器系統(tǒng)和水下預(yù)置基礎(chǔ)設(shè)施,其中水下預(yù)置武器系統(tǒng)比較典型的有美國的“浮沉載荷(upward falling payload,UFP)”、“海德拉Hydra”系統(tǒng)以及俄羅斯的“賽艇”海底導(dǎo)彈系統(tǒng)等[9,19],如表3 所示。水下預(yù)置基礎(chǔ)設(shè)施主要有水下監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、水下聲學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)、水下導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)和水下能源自給系統(tǒng)等。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)在水下無人預(yù)置裝備方面代表了世界最先進(jìn)水平,其已清晰描繪出美國針對(duì)海洋立體空間、跨區(qū)域作戰(zhàn)布局的分布式預(yù)置武器體系[19]。針對(duì)水下載荷投送,DARPA 支持了UFP 和Hydra計(jì)劃;針對(duì)區(qū)域偵察,引入了海-空立體反潛探測(cè)計(jì)劃;針對(duì)水下定位導(dǎo)航,提出了水下無源導(dǎo)航定位系統(tǒng)計(jì)劃。

表3 國外水下無人預(yù)置裝備Table 3 Underwater unmanned preset equipment abroad

1.2 面臨的挑戰(zhàn)

1.2.1 UUV

目前隨著技術(shù)的發(fā)展,UUV 逐步走向應(yīng)用,但在應(yīng)用過程中也面臨著諸多挑戰(zhàn)。在平臺(tái)方面,由于UUV 自身質(zhì)量和體積等的限制,單體負(fù)載能力有限[20],搭載的任務(wù)載荷、動(dòng)力裝置等受到制約,約束了UUV 的機(jī)動(dòng)能力和持續(xù)任務(wù)能力,在獨(dú)立執(zhí)行長期復(fù)雜任務(wù)方面面臨極大挑戰(zhàn),這在一定程度上影響了UUV 戰(zhàn)斗力生成。在通信方面,由于水下惡劣的通信環(huán)境,通信距離短且效率低,嚴(yán)重制約了UUV 與外界以及UUV 之間的信息傳遞,使得指揮控制人員難以對(duì)任務(wù)UUV 的狀態(tài)實(shí)時(shí)掌握和控制,影響了UUV 融入現(xiàn)有裝備體系的效果,同時(shí)也極大限制了UUV 的集群效能發(fā)揮,對(duì)集群協(xié)同運(yùn)用提出了極高要求。在試驗(yàn)測(cè)試方面,由于海洋環(huán)境復(fù)雜,UUV 特別是UUV 集群相關(guān)的控制與算法實(shí)際驗(yàn)證困難,缺少有針對(duì)性的專業(yè)試驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試方法等,相關(guān)理論方法難以得到便捷及時(shí)的有效驗(yàn)證[21]。

1.2.2 水下無人預(yù)置系統(tǒng)

水下無人預(yù)置系統(tǒng)由于深遠(yuǎn)海部署環(huán)境和使用方式的特殊性,其裝備技術(shù)也面臨著極大挑戰(zhàn)。一是深水高壓影響,對(duì)裝備總體結(jié)構(gòu)和殼體的長時(shí)間大水深耐壓密封提出了更高要求;二是復(fù)雜海洋環(huán)境影響,海水腐蝕和微生物污損嚴(yán)重,需通過腐蝕防護(hù)技術(shù)手段解決裝備在海水和海底泥土中長時(shí)間駐留問題,海底沉積物也會(huì)影響水下無人預(yù)置系統(tǒng)的穩(wěn)定性和水下運(yùn)動(dòng);三是深遠(yuǎn)海通信影響,需要成熟有效的深海遠(yuǎn)距離通信,以確保水下無人預(yù)置系統(tǒng)能夠可靠接收任務(wù)激活信號(hào)[9]。

2 水下無人裝備前沿發(fā)展趨勢(shì)

隨著水下無人裝備實(shí)際應(yīng)用的不斷推進(jìn),未來水下無人裝備將向著更遠(yuǎn)、更深、更強(qiáng)、更靈活以及更智能的方向發(fā)展,從依靠人指揮控制到自主作戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)與有人裝備、無人裝備之間的協(xié)同運(yùn)用,真正融入現(xiàn)有裝備體系,支撐提升體系整體能力?？傮w趨勢(shì)如圖1 所示。

圖1 水下無人裝備前沿發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Development trend of unmanned underwater equipment

2.1 UUV

UUV 未來發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為以下4 個(gè)方面。

1) 在作戰(zhàn)能力上“多樣”

未來海戰(zhàn)樣式復(fù)雜多變,不僅要求UUV 具備多種用途,還要求UUV 任務(wù)能力多樣。為此,UUV 任務(wù)領(lǐng)域持續(xù)拓展,除偵查探測(cè)外,進(jìn)一步向態(tài)勢(shì)評(píng)估、區(qū)域控制、中繼通信、中繼導(dǎo)航以及火力打擊等多任務(wù)作戰(zhàn)能力方向發(fā)展[5,22]。并且隨著綜合任務(wù)能力要求的快速提高,研制集高自主性、強(qiáng)導(dǎo)航能力、大負(fù)載能力和任務(wù)重構(gòu)能力于一身,具備對(duì)多種不同類型目標(biāo)作戰(zhàn)能力的大型綜合作戰(zhàn)平臺(tái)[21]成為UUV 發(fā)展的重要趨勢(shì)。

2) 在作戰(zhàn)范圍上“拓展”

未來海上攻防對(duì)抗力量分布式發(fā)展,需要UUV 能夠在更廣闊空間中發(fā)揮功用,因此要求UUV 向長航時(shí)、遠(yuǎn)航程、大深度和跨介質(zhì)方向發(fā)展,以適應(yīng)深遠(yuǎn)海環(huán)境和立體協(xié)同任務(wù)要求。在燃料電池等新型能源技術(shù)的支持下,UUV 能源系統(tǒng)向高質(zhì)量比和體積比能量的高密度能源方向發(fā)展,以提升持續(xù)任務(wù)能力。同時(shí),通過新型水下遠(yuǎn)距離導(dǎo)航和通信技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)一步支撐UUV 拓展大潛深和遠(yuǎn)航程能力,支撐完成如防區(qū)外遠(yuǎn)程潛入敵區(qū)等任務(wù),發(fā)揮隱蔽優(yōu)勢(shì),提高自身生存能力[23]。

3) 在作戰(zhàn)平臺(tái)上“通用”

為有效應(yīng)對(duì)未來復(fù)雜多變的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,提高作戰(zhàn)效率,UUV 平臺(tái)與載荷向著模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和集成化等“通用”方向發(fā)展,UUV 可根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)加載不同任務(wù)模塊,增強(qiáng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的兼容性,便于系統(tǒng)重組重構(gòu)和任務(wù)擴(kuò)展。同時(shí),注重新材料、新結(jié)構(gòu)等新興技術(shù)在平臺(tái)構(gòu)型設(shè)計(jì)上的應(yīng)用,減輕UUV 平臺(tái)質(zhì)量,增強(qiáng)平臺(tái)隱身性能,通過應(yīng)用智能驅(qū)動(dòng)材料開發(fā)大變形、高自由度和低成本的仿生UUV[22]。

4) 在作戰(zhàn)使用上“協(xié)同”

由于UUV 承擔(dān)任務(wù)的難度和復(fù)雜度逐漸提高,單個(gè)UUV 已難以滿足實(shí)際作戰(zhàn)能力需求,因此UUV 網(wǎng)絡(luò)化和集群化協(xié)同作戰(zhàn)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)力量倍增,發(fā)揮“1+1＞2”的效果。未來在水下信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的支撐下,從開展UUV 與有人裝備協(xié)同運(yùn)用入手,逐步開展UUV 集群協(xié)同運(yùn)用研究,向分布式組網(wǎng)和跨域集群等協(xié)同作戰(zhàn)方向發(fā)展。

2.2 水下無人預(yù)置系統(tǒng)

水下無人預(yù)置系統(tǒng)融入未來化無人作戰(zhàn),其發(fā)展呈現(xiàn)以下幾方面趨勢(shì)。

1) 部署靈活性不斷增強(qiáng)

水下無人預(yù)置系統(tǒng)從靜態(tài)部署方式向帶動(dòng)力靈活部署方式轉(zhuǎn)變。水下無人預(yù)置系統(tǒng)大多采用無動(dòng)力靜態(tài)部署形式,其機(jī)動(dòng)能力和控制區(qū)域有限,執(zhí)行任務(wù)靈活性較差。通過增加水下動(dòng)力,使水下無人預(yù)置系統(tǒng)具備動(dòng)力航行、游弋和跟蹤能力,例如美國目前正在實(shí)施的Hydra 水下計(jì)劃即自身具備動(dòng)力,能在水下自由轉(zhuǎn)移,可對(duì)UUV 和潛艇執(zhí)行偵察、攻擊任務(wù)。

2) 自主智能水平不斷提高

新型水下無人預(yù)置系統(tǒng)將具有足夠高的智能化程度,能有效探測(cè)和識(shí)別目標(biāo),具有容錯(cuò)、故障診斷和排除功能,可有效改善系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)通過環(huán)境自主感知和作戰(zhàn)任務(wù)自主重組,使水下無人預(yù)置系統(tǒng)具備無人自主決策攻擊能力,以便順利完成各項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。

3) 規(guī)劃應(yīng)用更加注重體系性

一方面,根據(jù)未來體系化作戰(zhàn)下全新的作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)樣式,裝備能力需從系統(tǒng)規(guī)劃和體系角度進(jìn)行深入研究;另一方面,重視平戰(zhàn)結(jié)合,平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)可快速切換,平時(shí)觀察、探測(cè)和研究,戰(zhàn)時(shí)偵察、監(jiān)視和預(yù)警,采取平時(shí)開發(fā)建設(shè)、戰(zhàn)時(shí)支援保障的平戰(zhàn)結(jié)合與平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換的方式完成體系任務(wù)。

2.3 無人裝備智能成長

與傳統(tǒng)有人裝備相比,水下無人裝備屬于智能裝備,具有初始智能自主能力,其技術(shù)架構(gòu)具有開放智能內(nèi)核的特點(diǎn),在裝備形態(tài)形成后通過訓(xùn)練和使用可不斷提升其智能水平。其中,通過構(gòu)設(shè)面向?qū)嶋H場(chǎng)景的無人裝備訓(xùn)練環(huán)境和訓(xùn)練條件,可以快速提升無人裝備遂行任務(wù)的能力水平,在裝備使用上發(fā)揮關(guān)鍵作用,具體發(fā)展趨勢(shì)主要包括如下幾方面。

1) 基于大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的平臺(tái)智能學(xué)習(xí)訓(xùn)練

針對(duì)單體水下無人裝備任務(wù)仿真訓(xùn)練,利用深度學(xué)習(xí)技術(shù),將訓(xùn)練得到的大量數(shù)據(jù)樣本作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫供智能系統(tǒng)自主學(xué)習(xí),通過大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)提升水下無人裝備智能感知和識(shí)別等能力。

2) 基于博弈對(duì)抗的集群指揮控制訓(xùn)練

針對(duì)水下無人裝備集群協(xié)同任務(wù)訓(xùn)練需求,通過水下無人集群智能模擬訓(xùn)練環(huán)境,建立水下無人裝備任務(wù)規(guī)劃模型、智能無人博弈對(duì)抗模型,設(shè)計(jì)水下無人裝備集群智能演進(jìn)算法,完成無人集群/跨域/有人-無人協(xié)同模擬訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下無人裝備協(xié)同運(yùn)用的群體訓(xùn)練,提升集群指揮控制水平。

3) 基于虛實(shí)結(jié)合的戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練

針對(duì)水下無人裝備在特定任務(wù)環(huán)境下的模擬對(duì)抗訓(xùn)練,通過在實(shí)際海上環(huán)境中構(gòu)建模擬訓(xùn)練場(chǎng),利用虛實(shí)結(jié)合的方式,開展水下無人裝備的對(duì)抗任務(wù)模擬訓(xùn)練,探索水下無人裝備單平臺(tái)和集群雙智能協(xié)同作戰(zhàn)方式,驗(yàn)證水下無人裝備智能任務(wù)執(zhí)行能力和協(xié)同運(yùn)用效果,為智能成長提供目標(biāo)牽引。

3 水下無人裝備發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

水下無人裝備涉及各個(gè)方面不同類型的關(guān)鍵技術(shù),基于未來裝備發(fā)展趨勢(shì),為突出重點(diǎn),下面分別對(duì)平臺(tái)技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 平臺(tái)技術(shù)

平臺(tái)是水下無人裝備的基礎(chǔ),是裝備發(fā)揮其基本性能的關(guān)鍵,涉及總體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、載荷以及裝備使用等多方面技術(shù)。

3.1.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

一是要加強(qiáng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成技術(shù)研究,遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化要求,提升平臺(tái)對(duì)不同任務(wù)載荷搭載集成能力以及對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力,拓寬任務(wù)范圍;二是要突破新概念水下無人裝備平臺(tái)總體設(shè)計(jì)技術(shù),打破常規(guī)設(shè)計(jì)思路,在跨域、仿生和變體等方向探索新概念設(shè)計(jì)思路,打造非對(duì)稱優(yōu)勢(shì);三是要研究深海長時(shí)耐壓防腐技術(shù),開展水下無人裝備耐壓密封結(jié)構(gòu)的耐高壓和防腐蝕設(shè)計(jì),研究疲勞蠕變破壞特性規(guī)律,以支撐向深遠(yuǎn)海前進(jìn)。

3.1.2 能源動(dòng)力技術(shù)

能源動(dòng)力是保障水下無人系統(tǒng)長效自持運(yùn)行的關(guān)鍵,重點(diǎn)開展新型能源技術(shù)和深遠(yuǎn)海能源自持及補(bǔ)給技術(shù)研究。新型能源技術(shù)方面,攻關(guān)高比能能源系統(tǒng),如氫氧燃料電池、核能等;深遠(yuǎn)海能源自持及補(bǔ)給技術(shù)方面,開發(fā)海底新能源轉(zhuǎn)換技術(shù),研制輔助發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)低功率發(fā)電,并結(jié)合無線傳能方式實(shí)現(xiàn)能源自持補(bǔ)給。

3.1.3 布放回收技術(shù)

海上復(fù)雜多變的環(huán)境對(duì)水下無人裝備的作戰(zhàn)使用提出了嚴(yán)苛的要求,需要加強(qiáng)復(fù)雜海況下平臺(tái)布放與回收技術(shù)研究,突破布放/回收流體動(dòng)力、布放/回收協(xié)調(diào)控制、近距離精確導(dǎo)引對(duì)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)[24],并結(jié)合現(xiàn)有裝備平臺(tái),研究專用高效布放回收裝置,為水下無人裝備的可靠高效作戰(zhàn)使用提供有效支撐。

3.2 信息技術(shù)

信息是水下無人裝備戰(zhàn)斗力發(fā)揮的最大制約因素,是無人化和智能化能力提升的基礎(chǔ),涉及導(dǎo)航定位、探測(cè)識(shí)別和通信組網(wǎng)等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1 導(dǎo)航定位技術(shù)

導(dǎo)航定位技術(shù)是水下無人裝備能否完成指定任務(wù)的基本保證,需要突破高精度導(dǎo)航定位技術(shù),包括慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、水下地理信息輔助導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等,充分發(fā)揮不同導(dǎo)航手段優(yōu)勢(shì),利用智能技術(shù)融合多導(dǎo)航源信息,實(shí)現(xiàn)惡劣海洋環(huán)境下全天時(shí)、全天候和全地域的高精度導(dǎo)航定位能力,形成既能獨(dú)立使用又能融合互補(bǔ)的可靠導(dǎo)航定位實(shí)施方案。

3.2.2 探測(cè)識(shí)別技術(shù)

探測(cè)識(shí)別技術(shù)是確保水下無人裝備完成任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。目前主要的探測(cè)手段有聲學(xué)探測(cè)和光電探測(cè)等,未來需要進(jìn)一步研究水下激光、電磁以及合成孔徑聲吶等新型探測(cè)手段。通過研究水聲等探測(cè)傳感器組合陣列的優(yōu)化部署,提升深海立體監(jiān)測(cè)范圍,既能實(shí)現(xiàn)對(duì)海域范圍內(nèi)可疑目標(biāo)的預(yù)警監(jiān)控,也能為預(yù)置武器的載荷發(fā)射提供初始目標(biāo)信息。

3.2.3 通信組網(wǎng)技術(shù)

通信組網(wǎng)技術(shù)是水下無人裝備及其集群合理和高效協(xié)同的基礎(chǔ)。一是水下數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù),為實(shí)現(xiàn)水下無人系統(tǒng)多平臺(tái)間數(shù)據(jù)共享,針對(duì)水下遠(yuǎn)程高速動(dòng)態(tài)通信、水下網(wǎng)絡(luò)與空中網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等技術(shù)問題開展研究[25]。二是水下組網(wǎng)通信技術(shù),為支撐水下無人裝備組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn),需要深入研究各平臺(tái)之間的通信語言、方式和協(xié)議,建立水下無人裝備通信網(wǎng)。三是遠(yuǎn)程激活技術(shù),為水下無人預(yù)置系統(tǒng)遠(yuǎn)程、隱蔽和可靠激活提供保證,深入開展海底地幔電磁波、深海聲信道和浮標(biāo)喚醒等多種類型遠(yuǎn)程激活技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究,支撐水下無人預(yù)置系統(tǒng)的有效應(yīng)用。

3.2.4 探測(cè)通信一體化技術(shù)

為減小平臺(tái)體積、降低功耗和增強(qiáng)隱蔽性,需要深入研究共享機(jī)制下基于通信信號(hào)的水下探測(cè)通信一體化技術(shù)[26-27]。借鑒雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)通信一體化方法,綜合考慮聲吶物理特性和水聲環(huán)境,對(duì)于單基地探測(cè)模式,研究解決通信共享波形選取、基于多級(jí)自干擾抑制的發(fā)射泄露信號(hào)抑制、基于通信回波信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)等問題;對(duì)于雙基地探測(cè)模式,研究解決基于空域矩陣濾波的直達(dá)波消除抑制、基于直達(dá)波發(fā)射/回波信號(hào)匹配濾波的不確定信號(hào)檢測(cè)等問題,最終實(shí)現(xiàn)多資源共享,提高系統(tǒng)生存與應(yīng)變能力。

3.3 智能技術(shù)

水下無人裝備的控制決策水平是其智能化的具體體現(xiàn),是戰(zhàn)斗力提升的關(guān)鍵,下面從平臺(tái)和集群2 個(gè)層次分析智能化關(guān)鍵技術(shù)。

3.3.1 平臺(tái)智能化技術(shù)

水下無人裝備平臺(tái)的智能化是無人系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的基礎(chǔ),只有單個(gè)無人平臺(tái)具備智能化能力,才可能支撐未知復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)執(zhí)行。

1) 智能環(huán)境感知技術(shù)

從外部信息中感知和推斷環(huán)境狀態(tài),評(píng)估環(huán)境中其他行動(dòng)者的意圖,同時(shí)對(duì)外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行多維廣泛感知,通過對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、推理和融合,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)構(gòu)建和認(rèn)知學(xué)習(xí)。

2) 智能自主決策技術(shù)

通過引入人工智能,使水下無人裝備的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)不局限于控制系統(tǒng)運(yùn)行,通過編制規(guī)則容許系統(tǒng)自主決策,最終實(shí)現(xiàn)自主選擇并達(dá)到人工指定的目標(biāo)。

3) 故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)水下無人裝備平臺(tái)自身的故障分析和自適應(yīng),使平臺(tái)擁有容錯(cuò)、故障診斷和排除功能,具備對(duì)失效傳感器和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的自適應(yīng)性。

3.3.2 智能集群協(xié)同技術(shù)

智能集群協(xié)同是使水下無人裝備融合成一個(gè)組織有序、適應(yīng)力強(qiáng)和穩(wěn)定性好的統(tǒng)一整體,以應(yīng)對(duì)未來高彈性作戰(zhàn)任務(wù)和海洋環(huán)境變化的關(guān)鍵。

1) 智能協(xié)同態(tài)勢(shì)感知與信息共享技術(shù)

水下無人裝備集群在復(fù)雜未知環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)時(shí),需要集群系統(tǒng)能夠全面感知和認(rèn)識(shí)環(huán)境態(tài)勢(shì)信息,并在集群內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信息共享與交互,按照協(xié)同任務(wù)分工與部署,協(xié)同配合完成復(fù)雜條件下的目標(biāo)及環(huán)境智能感知,為無人集群協(xié)同任務(wù)的執(zhí)行提供信息支撐和決策輔助。

2) 集群智能決策與控制技術(shù)

在協(xié)同感知基礎(chǔ)上,根據(jù)環(huán)境和本體狀態(tài)信息,通過對(duì)分散平臺(tái)在時(shí)間、空間和功能上的統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)無人集群任務(wù)級(jí)自主決策和行為級(jí)協(xié)同控制。通過研究能適應(yīng)復(fù)雜海洋環(huán)境的集群自主決策系統(tǒng)架構(gòu)、高效智能任務(wù)分配技術(shù)以及集群智能控制算法,融合集中式與分布式?jīng)Q策控制優(yōu)勢(shì),利用智能控制決策策略提高水下無人裝備集群的智能決策和控制能力。

3) 無人集群智能演進(jìn)技術(shù)

水下無人集群在協(xié)同策略訓(xùn)練中面臨狀態(tài)空間信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜、學(xué)習(xí)目標(biāo)多樣和多智能體關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等問題,應(yīng)探索研究面向更大規(guī)模集群的強(qiáng)化學(xué)習(xí)新方法。通過分層學(xué)習(xí)、分布式聯(lián)合訓(xùn)練等手段,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集群規(guī)則策略的自主進(jìn)化,提高集群自主協(xié)同效能。

4 啟示與總結(jié)

水下無人裝備作為必須搶先發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域,需要準(zhǔn)確把握未來戰(zhàn)爭(zhēng)需要,堅(jiān)持問題導(dǎo)向、堅(jiān)持體系設(shè)計(jì)、堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),通過大力推進(jìn)水下無人裝備建設(shè)發(fā)展,提升我國開發(fā)海洋、利用海洋和保護(hù)海洋的能力。綜合國內(nèi)外發(fā)展,提出以下幾點(diǎn)建議:

一是持續(xù)深入開展水下無人裝備體系頂層設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)應(yīng)用研究,從體系作戰(zhàn)制勝機(jī)理出發(fā),充分論證水下無人裝備作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)樣式,完善水下無人裝備發(fā)展路線圖,適配現(xiàn)有有人裝備,構(gòu)建有人-無人協(xié)同分布式作戰(zhàn)體系架構(gòu);

二是加速轉(zhuǎn)化軍事智能技術(shù)在水下無人裝備中的應(yīng)用,結(jié)合軍事智能技術(shù)發(fā)展,統(tǒng)籌水下無人裝備智能化發(fā)展研究,分階段理清智能化發(fā)展方向重點(diǎn)與思路,瞄準(zhǔn)未來智能化海戰(zhàn)需求,開展群體智能、類腦智能等重點(diǎn)人工智能技術(shù)在水下無人裝備中的創(chuàng)新應(yīng)用;

三是分類推進(jìn)水下無人裝備和現(xiàn)有裝備的集成融合,根據(jù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀,逐步開展有人-無人協(xié)同、跨域協(xié)同演示驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)有人-無人協(xié)同能力由線性疊加向智能集成的轉(zhuǎn)變,為水下無人系統(tǒng)融入聯(lián)合作戰(zhàn)體系提供技術(shù)儲(chǔ)備;

四是重視構(gòu)建水下無人裝備訓(xùn)練環(huán)境,基于無人系統(tǒng)裝備智能化特點(diǎn),探索無人裝備模擬仿真訓(xùn)練新途徑,支撐對(duì)未來水下無人裝備實(shí)際環(huán)境中的全要素全流程任務(wù)訓(xùn)練與檢驗(yàn),為水下無人裝備在實(shí)際應(yīng)用中的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)和高效提供重要基礎(chǔ)。