第25卷第4期
水下无人系统学报 Vol. 25
No. 4 2017年10月 JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS  Oct. 2017
收稿日期: 2017-08-05; 修回日期: 2017-09-20.
作者简介: 聂卫东(1972-), 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为水中兵器总体设计.
[引用格式] 聂卫东, 马玲, 张博, 等. 浅析美军水下无人作战系统及其关键技术[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(4): 310-318.
【编者按】 近年来, 随着海洋军事战略、军事需求以及科学技术的迅速发展, 水下无人作战系统已成为各国海军竞相关注的热点, 这必将引起海上作战模式的巨大变革。欧美等发达国家一直对水下无人作战系统保持着高度关注, 其中美国是最早开展水下无人作战系统研究的国家, 已在水下无人作战系统领域发布了十分全面的规划文件。我们特邀近年来持续跟踪国外相关领域前沿技术的聂卫东博士及其团队, 从美军若干执行特定作战任务的水下无人作战系统入手, 分析了其关键技术的发展现状和趋势, 旨在抛砖引玉, 期待相关研究者开展更为深入和广泛的研究。
浅析美军水下无人作战系统及其关键技术
聂卫东， 马  玲， 张  博， 张  龙
(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)
摘  要: 水下无人作战系统以其成本低廉、机动能力和渗透能力强、安全性和适应性高等优势, 已日益发展为水下作战的主要力量。文章通过对美军发布的相关文献的整理和解读, 提出了水下无人作战系统的基本功能性概念。简要介绍了美军当前已部署和正在发展的可部署分布自主系统(DADS)、近海水下持续监视网(PLUSNet)、分布式敏捷反潜系统(DASH)、先进水下武器系统(AUWS)、浮沉载荷(UFP)以及“海德拉”(Hydra)等水下无人作战系统项目情况, 分析了能源与动力技术、水下传感器网络技术、通信技术、水下组合导航技术以及多传感器信息融合技术等关键技术领域的发展现状, 并对未来水下无人作战系统在技术和装备两方面的发展前景进行了展望。旨在引起同行研究者的关注, 促进开展更为深入和广泛的研究。 关键词: 水下无人作战系统; 关键技术; 装备
中图分类号: TJ630; U674.941        文献标识码: A          文章编号: 2096-3920(2017)04-0310-09 DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.002
A Brief Analysis of United States Unmanned Underwater Combat System
NIE Wei-dong ,  MA Ling ,  ZHANG Bo ,  ZHANG Long
(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi ′an 710077, China)
Abstract: Unmanned undersea combat system(UUCS) is becoming the main force of undersea combat because of its low cost, high maneuverability and penetration, high safety and adaptability. According to the public reports and analysis, a working definition of UUCS is presented in this paper. Some U.S. UUCS projects are introduced, such as deployable autonomous distributed system(DADS), persistent littoral undersea surveillance network(PLUSNet), distributed agile submarine hunting(DASH), advanced underwater weapon system(AUWS), upward falling payloads(UFP) and Hydra. And the development status of several key technologies involved power technology, underwater sensor networks tech-nology, communication technology, underwater integrated navigation technology and multisensor information fusion technology are analyzed. The development prospects of UUCS from technology and equipment are discussed. We hope that UUCS should be given adequate attention and be researched more widely and deeply.
Keywords: unmanned undersea combat system; key technology; equipment
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2017年10月聂卫东, 等: 浅析美军水下无人作战系统及其关键技术第4期
1  概述
传统意义的水下战指潜艇战、反潜战和战。随着水下战略战术和水下武器装备技术的不断发展, 推动着水下战向立体化、体系化、智能化、信息化、网络化和无人化方向发展。面对水下恶劣、危险和信息不畅的复杂作战环境, 与有人系统相比较, 具备成本低廉、机动能力和渗透能力强、安全性和适应性高的水下无人作战系统日益发展成为水下作战的主要力量, 极大地拓展了海军的作战能力, 未来或将取代有人系统执行主要的水下作战使命。
迄今, 水下无人作战系统还没有一个明确而严谨的学术定义, 水下无人作战系统的“无人”仅指运动载体上不载人, 并非是全系统中无人[1]。一般来讲, 它是由水下无人作战平台、传感器或武器载荷、任务规划与指控系统、支援保障设施设备、发射(布放)及回收装置, 以及将它们连接起来的信息网络等组成, 以自主工作或遥控方式完成特定作战使命的综合系统。这些作战使命包括: 情报搜集与监视、目标识别与指示、作战网络信息处理、反作战、反潜作战、反无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)作战、水下信息作战、封锁与阻断等[2]。就目前的水下作战思想、作战需求和技术支撑而言, 能够完成警戒、反潜、反以及对空或对陆封锁打击等综合作战使命的水下无人作战体系还远未发展起来, 下面仅以美军若干执行特定作战任务的简单水下无人作战系统为例, 分析其发展现状及趋势。
2  美军典型水下无人作战系统
美国是最早开展水下作战系统研究的国家, 其历史可追溯到冷战时期。为了有效地对前苏联潜艇进入大西洋和太平洋的通道实施监视, 美国自20世纪50年代起, 开始发展海底声呐监视系统(sound surveillance system, SOSUS)[3]。随着作战需求和支撑技术的不断发展, 上世纪90年代, 美国开始研制和部署具有水下监测、水声通信、水下导航及自组网等功能的水声传感器网络系统——“海网”(Seaweb) [4], 用于广域反潜预警。
从美军1997年提出“网络中心战”[5]的概念开始, “水下网络中心战”计划就在美海军内部受到高度重视。美海军意识到强大的水下支配地位能为美国的国防安全提供战略和战争优势, 为了维持美国水下战的主导地位, 充分利用新技术, 美国高度重视以水下战术网络为基础的无人作战系统的发展, 美国国防部于2007~2013年间前后发布了4版《无人系统路线图》, 为美军各类无人系统制定了顶层发展规划[6]。
以下简要介绍美军目前发展的一些典型水下无人作战系统。
2.1  可部署分布自主系统
可部署分布自主系统(deployable autonomous distributed system, DADS)是在Seaweb的支持下, 由美国海军研究局(office of naval research, ONR)和空间及海战系统司令部研发的近海水下导航、通信和反潜监视系统[7], 可由潜艇、水面舰、飞机或UUV布设, 通过中继浮标或UUV、岸点、有线或卫星中继链路等与指挥中心相连。DADS 是一种灵活机动、布设方便的水下监视系统, 通常随海上作战编队协同行
动, 使编队有能力在对方国家的沿海布设水下信息探测系统, 有效对付低噪声潜艇和的威胁, 并且可以为舰队指挥中心提供威胁位置、海洋图像等重要作战信息。DADS未见实际部署的报道, 可能已被近海水下持续监视网(persistent littoral undersea surveil-lance network, PLUSNet)计划所取代。
2.2  近海水下持续监视网
PLUSNet是一种半自主控制的海底固定+水中机动的网络化设施, 由携带半自主传感器的多个UUV组成[8]。这些UUV能够互相通信, 并在没有人为指令的情况下做出基本决策, 从而执行多种作战任务。包括海洋环境检测、水下威胁监视跟踪、水中兵器中继制导以及水下/水面信息传输等。PLUSNet于2008年进行了首次演示, 2015年左右具备完全作战能力。目前, PLUSNet采用的某些关键系统和技术已取得重要突破, 如“金鱼”UUV、“X射线”水下滑翔机、高速水声调制解调技术、自主探测及决策技术、自主导航定位技术和水下作战局域网动态组网技术等。
2.3  分布式敏捷反潜系统
美国国防高级研究计划局(defense advanced
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research projects agency, DARPA)投资的分布式敏捷反潜系统(distributed agile submarine hunting, DASH)项目欲研发深海和浅海2套子系统[9]。深海子系统由海底固定声呐节点和数十个UUV构成, 创新采用自下而上的探测方式, 避免了舰艇声呐横向探测常遇到的由海底和海面声波折射造成的目标信息模糊问题, 有效降低了海底地形对声学探测的影响。浅海子系统由搭载非声传感器的无人机构成, 从高空自上而下监测浅海潜艇, 搜集潜艇尾流等非声学特征。目前, 深海子系统已取得重大进展, 而浅海子系统受制于复杂环境因素, 导致其探测技术瓶颈无法突破, 进展并不顺利。
2.4  先进水下武器系统
ONR正在开发一套先进水下武器系统(ad- vanced undersea weapon system, AUWS), 这是一种将水下装备技术和水下网络技术相结合的作战系统[10]。该系统集成了大型UUV、智能深弹、小型和水下传感器等, 主要运用于美海军没有空中优势的近岸海域。它通常预先布放在指定位置, 在己方选择的特定时间和地点, 具有监视、跟踪和打击水下目标的能力, 可以遂行反潜、反舰等作战使命。AUWS具有3个主要特质: 灵活性、可扩展性和可定制性。1) 灵活性——系统可选择部署和回收平台、通信网络和自动化水平;
2) 可扩展性——可根据作战区域和威胁环境调整系统规模, 作战指挥员能够根据特定任务覆盖区域的大小选择部署装置的数量; 3) 可定制性——根据任务需求安排系统能力, 无论是早期预警还是主动迎战, 作
战指挥员都可通过更改系统配置, 取得战术优势, 击败敌人的对抗装置。AUWS 可以实施多种水下战形式, 如港口/航道封锁、隐蔽反、海上基地保护等。目前对AUWS的研究处于系统工程分析阶段, 论证了系统的结构和一些作战概念, 并对4种系统方案进行了重点分析。AUWS有望在2030年形成战斗力。
2.5  浮沉载荷
由于要在全球海洋区域的作战前沿部署海军舰艇和武器的成本极高, 后续的物流补充又很困难, 因此为了增加海上作战系统的灵活性和适应性, 2013年, DARPA启动了浮沉载荷(upward falling payloads, UFP)项目[11], 旨在研发一种可提前部署至热点海域、长时间置于深海密闭舱内的水下分布式无人系统(可在4 km深海底待机5年), 一旦需要时, 就可以被远程激活, 这时UFP 将迅速上升到水面, 并迅速部署自身携带的有效载荷, 包括发射小型无人机或小型UUV、或不同的侦察和干扰装置, 甚至充当通信中继站。UFP 本身包括3个主要的子系统: 能远程激活UFP的设备、使UFP从海底迅速升到海面的提升器, 以及自身携带的能够很快在海洋或空中投入应用的有效载荷。美国为了应对“区域拒止”武器的威胁, 加大了对水下舱体的投资, 旨在发展可长时间部署于深海密闭舱内的无人分布式系统。UFP的作战思想是在和平时期长期潜伏, 战时远程遥控启动, 执行应急侦察、中继导航与通信以及干扰或诱骗等任务, 未来或可能配置武器载荷, 如鱼或潜空导弹等。
2.6  “海德拉”
“海德拉”(Hydra)是DARPA自2013年开始研发的一种浅海隐蔽部署的无人分布式系统[12], 旨在借助成熟技术和新的构件技术研发和演示一种高效费比的模块化水下发射平台。Hydra不同于UFP, UFP没有动力系统, 只能从投放点浮出海面, 而Hydra自身具备动力, 既能在海底静止不动, 也可在海下机动潜行。Hydra可在水下待机数月, 可混合搭载无人机、UUV、反舰导弹、对陆攻击、等多种载荷, 一旦发现周围有敌方潜艇或舰船驶过, Hydra将自动激活, 根据需要发射小型无人机和UUV, 跟踪或打击敌方目标。Hydra也能够快速将无人设备隐蔽地运送到战场范围内部署和回收。Hydra与UFP最重要的区别是智能化, 前者是一种完整的自主作战系统, 而后者目前来看只是充当潜伏信息节点, 因此Hydra将更具威胁。预计Hydra将于2018年完成演示验证。
3  水下无人作战系统关键技术
水下无人作战系统的研制和部署需要一系列支撑技术, 其中的关键技术包括: 能源与动力技术、水下传感器网络技术、水下及跨介质通信技术、水下组合导航技术以及多传感器信息融合
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技术等。
3.1  能源与动力技术
目前具有较高发展潜力的水下能源动力系统主要包括: 燃料电池能源动力系统、先进的安全锂离子电池能源动力系统、新型热机动力系统以及核电池动力系统等。利用波浪能、温差能等海洋能源的动力系统也将得到更多研究和应用。
3.1.1  高比能燃料电池技术
美海军正在开发大容量、高功率密度的燃料电池技术, 其制定的中远期UUV动力系统(含氢源和氧源)功率密度发展目标将达500 Wh/L和500 Wh/kg[13]。燃料电池能源公司、Sierra Lobo 公司、Hamilton Sundstrand公司、Lynntech公司、NexTech、通用原子公司、UTC公司、通用汽车公司等多个机构参与了技术研发, 这些机构采用技术路线各不相同。燃料电池类型包括质子交换膜型、固态氧化物型和金属燃料型, 氢源包括液氢、钠金属氢化物储氢、铝水反应制氢、JP-10燃油重整制氢等。
3.1.2  海底微生物燃料电池技术
海底无人值守传感器或其他装置目前存在的最大问题在于电源需要经常维护, 成本高、隐蔽性不好。为此, 人们开始研发能够提供稳定能量的海底微生物燃料电池[14]。微生物燃料电池利用海底沉积物中富含的希瓦氏菌或地杆菌等厌氧微生物的呼吸作用直接产生电能, 阳极一般放置在养分充足但氧气不足的环
境中(一般埋在海底沉积物中), 阴极则放在富含溶解氧的海水中。2007年, 美国海军研究实验室首次验证了微生物燃料电池在实际环境中的使用情况, 可为海底传感器、通信系统、气象浮标供电, 最高电压能达到约1.2 V。
3.1.3  新型水下热机技术
国外正在研究的水下热机系统主要是热芯燃烧室与斯特林发动机组合而成的系统[15], 具有体积小、效率高的优点, 它可提供相当于银锌电池10倍的能量。有关专家认为, 该动力系统技术将是提高水下无人作战平台动力性能的极具潜力的突破性技术。
3.1.4  核电池技术
有望成为水下无人作战系统动力源的另一种电池为放射性同位素电池, 即核电池[16]。这种电池具有质量轻、寿命长、无须修理或补充等优点, 是维持UUV长期航行非常理想的能源。核电池的能量密度比锂电池高数千倍, 可连续使用几年到几百年(取决于放射性同位素半衰减期)。3.1.5  新型蓄电池技术
目前UUV普遍采用锂离子电池作为水下动力。锂电池具有容量大, 稳定性及充放特性好等优点, 但易形成枝晶, 引起短路着火, 存在一定安全隐患, 包括耐压、耐温、耐穿刺特性较差, 容易短路和过热引发起火、爆炸等事故。为此, 各国正在研发锂离子电池的替代器, 主要包括锂硫电池、锂空气电池[17]等等。
3.1.6  利用温差能发电技术
温差能系统一方面可利用海洋垂直温差为浮标提供电力, 延长使用寿命; 另一方面可建造海洋温差能供电的充电站, 为蓄电池储存电能。据推测, 这种无须维护且寿命极长的电源可与UUV水下充电站相结合, 形成海上无人充电网络。
3.2  水下传感器网络技术
3.2.1  传感器
水下无人作战系统依赖于传感器获取战场信息, 以执行各种任务, 传感器技术主要包括传感器自身算法和传感器硬件, 其进步有赖于理论方法的创新和器件设计制造水平的提升。对于水下作战环境, 还要求传感器本身拥有一定的数据融合和自处理能力, 使之能够有效压缩数据传输量, 从而提高数据实时性。另外, 如何确保传感器在体积、质量及能耗尽可能小的前提下在水下复杂环境中正常稳定工作, 是水下传感器技术的特殊需求。
3.2.2  水下传感器网络架构
随着技术的进步与军事需求的推动, 水声通信网络逐步发展出4种网络拓扑结构[18-20]:
1) 2D静态网络结构。在这种结构中, 传感器节点被固定在海底。
2) 3D静态网络结构。在这种结构中, 传感器节点部署在海底、水中及海面, 可以应用于海洋现象检测、水下监视等。
3) 3D动态网络结构(ad hoc网络)。这种网络由固定传感器和移动节点(如潜艇、UUV等)组成,
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是实现水下战术组网最合适的网络体系结构。
4) 海洋立体监测网络。由水面上的无线传感器网络和水下传感器网络2部分组成, 二者结合为一个统一的网络。目前, 这种大规模跨介质网络系统还处于实验室研究阶段, 许多关键技术有待突破, 离实际部署还有很大距离。
3.2.3  水下传感器网络协议栈
水下传感器网络所遵从的概念与常用的网络协议栈概念相同, 网络层次由底向上依次是物理层、链路层、网络层、传输层和应用层, 其设计主要涉及网络层次结构中的物理层、链路层和网络层。
1) 物理层。物理层是网络的基石, 完善的水下通信技术和可靠的水下网络节点是构建水下传感器网络的前提。物理层的特点影响着链路层以及更高层。
2) 链路层。链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控制, 以保证水下传感器网络中节点之间的连接。根据信道的分配方式, MAC层协议可分为基于载波侦听多址接入(carrier sense multiple access, CSMA)的随机竞争式、基于时分多址接入(time division multiple access, TDMA)的时分复用固定式和混合式3种。混合式改进了能量有效性和其他性能, 同时也具有较好的适应性和可扩展性。
3) 网络层。网络层负责路由发现、维护和选择, 实现数据融合, 使得传感器节点可以实现有效的相互通信。网络层路由协议主要可以分为3类: 平面式( flat-based)、层次式(hierarchical-based)和基于位置(location-based)。近年来, ad hoc网络的路由技术得到迅速发展, 主要包括3种类型的路由协议: 主动式(proactive)路由、按需式(rea- ctive)路由和地理式(geographical)路由。
3.3  通信技术
3.3.1  水声通信技术
在水下, 由于电磁频率被大量地吸收和散射, 使得声波通信成为最佳的选择。上世纪80年代, 水声通信主要以非相干的移频键控(frequency- shift keying, FSK)调制等技术为主, 近十几年来, 在高速水声通信技术
上已由非相干通信向相干通信发展。近年来, 正交频分复用(orthogonal fre-quency division multiplexing, OFDM)通信方式[21]也开始应用于水声高速数据通信系统中, 取得了较大的数据速率与通信距离积。其他技术如多入多出(multi-input multi-output, MIMO)[22]和时反水声通信技术[23]等也在不断发展和完善之中。
3.3.2  水下激光通信
蓝绿激光在海水中的衰减值小于10-2 dB/m, 对海水穿透能力强, 能达到数米到数十米的通信距离, 因此人们很早就开始研究水下激光通信[24]。水下激光通信需要直线对准传输, 通信距离较短, 水的清澈度会影响通信质量, 这都制约着它在水下网络中的应用。不过, 它适合近距离高速率的数据传输, 如水下平台与UUV近距离对接定位等。
3.3.3  跨介质通信技术
1) 跨介质无线通信
a. 低频/超低频(very low frequency/super low frequency, VLF/SLF)无线电通信。VLF/SLF无线电通信是最典型和传统的方法, 可以穿透到水下100 m左右[25], 但是该项技术的岸站生存能力差、传输频带窄、隐蔽性差, 冷战后逐渐不再使用, 但提高数据率等相关技术的研究并未停止。
b. 蓝绿激光通信。蓝绿激光通信在海水中的穿透度可达到水下300 m, 其发射只要蓝绿激光脉冲束发射器就可实现, 通信稳定、信息容量大, 抗干扰能力强, 但是其缺点是通信前要进行精确对准。美国海军通过蓝绿激光通信试验, 证实了蓝绿激光通信能够在几乎全天候气象和各种海洋条件下高速传输数据。目前, DARPA认为美国蓝绿激光通信的各种关键技术已经足以用于实际军事系统中[26]。
c. 中微子通信。中微子通信是一种用中微子作为载体的通信方式[27]。研究发现, 中微子具有稳定的特性, 几乎不会和外界的物质发生作用, 同时穿透能力很强, 在海水中的衰减小。与VLF/ SLF相比, 它可以使潜艇在深水中不间断地实时传输信息, 信道稳定, 传输信息容量大。近几年来, 美国实施了以中微子为载体的通信试验, 试验结果表明, 必须借助类似大功率粒子加速器这样的大型设备才能进行中微子通信, 技术要求复杂, 离实际应用还有很远距离。
2) 中继浮标跨介质无线通信
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