基于UUV支持的水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知研究＊

楊 波 李敬輝 吉順東

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）（2.92858部隊 寧波 315812）

1 引言

態(tài)勢感知（Situation Awareness，SA）指的是在廣闊的時空環(huán)境中去感知人們所關(guān)心的所有有用的元素，理解它們的意圖并且能夠以最快的速度識別出其身份。指揮員對整個戰(zhàn)場上作戰(zhàn)雙方的態(tài)勢信息的獲取和理解，這是指揮員制定作戰(zhàn)決策的前提。如果指揮員不能正確地把握和理解當(dāng)前的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，就無法制定合理的作戰(zhàn)計劃，也就無法贏得戰(zhàn)爭。

信息技術(shù)的發(fā)展，大大提高了陸地和空中戰(zhàn)場的透明度，為指揮員能夠?qū)崟r或者近實時地“看到”戰(zhàn)場上的情況提供了良好的技術(shù)保障。水下戰(zhàn)場由于自身的特殊性，使得其與陸上、空中戰(zhàn)場相比具有以下特點：水下作戰(zhàn)平臺難以高效通信；能源極難保障；水下節(jié)點易受海水侵蝕損壞。因此，各國海軍一直夢想著真正實現(xiàn)對水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知，以充分發(fā)揮水下作戰(zhàn)平臺的作戰(zhàn)效能［1～4］。

由于水聲傳播的特性使得水下信息傳輸相對隱蔽，因此采用具有一定自主性的無人水下平臺（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）實現(xiàn)對敏感海區(qū)的情報收集、監(jiān)視與偵察（ISR），并可作為水下通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，從而實現(xiàn)水下戰(zhàn)場信息的分發(fā)，如圖1所示，具有獨特的優(yōu)勢，亦是未來水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的關(guān)鍵。下面就UUV在水下戰(zhàn)場中運(yùn)用的裨益分析。

圖1 水下戰(zhàn)場信息的分發(fā)

無人系統(tǒng)的使用越來越多，從空中到地面，直至水下，不斷展示它們著新的用途。美軍認(rèn)為，UUV系統(tǒng)將為“部隊網(wǎng)”（Force Net）提供關(guān)鍵的水下能力，對戰(zhàn)場的完整圖像做出貢獻(xiàn)。針對目前海軍發(fā)展現(xiàn)狀，只有適當(dāng)借鑒國外先進(jìn)的軍事思想和成熟的技術(shù)，充分利用現(xiàn)有資源，著力構(gòu)建基于UUV支持的水下信息網(wǎng)絡(luò)，才能適應(yīng)未來水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的需要［5～6］。實施以UUV為關(guān)鍵節(jié)點的水下信息網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢主要有：

1）使水下戰(zhàn)場態(tài)勢一目了然成為可能

利用UUV對水下戰(zhàn)場中的傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，不僅可以全面獲得水下信息，綜合分析整個戰(zhàn)場信息，掌握敵我水下戰(zhàn)場態(tài)勢和敵方意圖，而且可以與水面、空中和太空其它網(wǎng)絡(luò)連為一體，對各方面信息進(jìn)行全面分析，實現(xiàn)綜合評估戰(zhàn)場全局的目的。

2）使分散配置的武器節(jié)點易于發(fā)揮整體優(yōu)勢

具有隱蔽性好，機(jī)動能力強(qiáng)，可攜帶不同有效載荷等特點的UUV能夠?qū)γ舾袇^(qū)域進(jìn)行信息收集，并通過水下網(wǎng)絡(luò)將情報、監(jiān)視、偵察信息及時傳輸，使得指揮決策網(wǎng)絡(luò)選擇最佳武器類型、作戰(zhàn)模式和攻擊時機(jī)，水下武器的作戰(zhàn)效能發(fā)揮將不再受地理條件的制約，使得分散配置的潛艇、魚雷、水雷、干擾器、誘餌等發(fā)揮更大的作戰(zhàn)效能，取得最大的作戰(zhàn)效果。

未來的海戰(zhàn)場特別是水下攻防對抗將日趨激烈，成體系發(fā)展水下聯(lián)合攻防武器裝備，擁有水下區(qū)域信息網(wǎng)，提高對作戰(zhàn)海區(qū)的情報、監(jiān)視與偵察能力，全面掌控戰(zhàn)場，達(dá)到在潛艇戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、水雷戰(zhàn)和反水雷戰(zhàn)時的戰(zhàn)場單向透明，進(jìn)而奪取水下的制海權(quán)，是形成水下戰(zhàn)略威懾與實戰(zhàn)能力，進(jìn)行綜合防御不可或缺的重要手段。

2 UUV在水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的研究現(xiàn)狀

所謂水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)就是在一定水下區(qū)域內(nèi)，通過各種傳感器節(jié)點獲取水下信息，并對水下節(jié)點進(jìn)行聲學(xué)通信和組網(wǎng)，最終通過特定的節(jié)點向岸上、水面和空中的作戰(zhàn)單元進(jìn)行信息分發(fā)，并可以向潛艇進(jìn)行信息發(fā)送［4］。利用水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，指揮員對水下戰(zhàn)場進(jìn)行態(tài)勢感知和指揮決策。

2.1 “飛行插入”概念

20世紀(jì)90年代中期，美國空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部提出“飛行插入”（Flying Plug）概念并進(jìn)行了試驗。所謂“飛行插入”，就是利用一次性光纜拖曳小型UUV作為“插頭”（Plug），通過特定的“插座”（Socket），實現(xiàn)潛艇、UUV、水面艦艇及飛機(jī)與遙控的有線傳感器網(wǎng)及通信浮標(biāo)的連接。潛艇等平臺通過發(fā)射帶有光纜的UUV，就可以與數(shù)據(jù)存儲節(jié)點的“插座”連接，使?jié)撏г诜绤^(qū)外保持隱蔽狀態(tài)的同時，仍能進(jìn)行遠(yuǎn)程、高速率通信，從而達(dá)到水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知。圖2是“飛行插入”概念中的UUV及其“插座”，它們可以在網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)和分布式遙測傳感器之間構(gòu)建臨時性鏈接。

圖2 “飛行插入”概念中的UUV（左）及其“插座”（右）

2.2 “海網(wǎng)”

“海網(wǎng)”（Seaweb）是目前規(guī)模最大、最成功的在研水下網(wǎng)絡(luò)項目，由美國海軍研究辦公室（ONR）、空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部負(fù)責(zé)研制。美國海軍自1998年起，平均每兩年進(jìn)行一次海網(wǎng)的海底水聲通信試驗。2003年，SLOCUM UUV作為“海網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點，累計工作了300小時，由6個重發(fā)器節(jié)點（Repeater Nodes）、兩個網(wǎng)關(guān)節(jié)點（Gateway Nodes）組成Seaweb網(wǎng)絡(luò)，支持與UUV的通信與導(dǎo)航。試驗證明了UUV在固定的自主水下網(wǎng)絡(luò)的支持下，可以組成自主的移動艦隊，圖3是Seaweb網(wǎng)絡(luò)與SLOCUM UUV的試驗的場景。

圖3 Seaweb網(wǎng)絡(luò)與SLOCUM UUV的試驗

2.3 近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)

圖4 PLUSNet作戰(zhàn)使用設(shè)想圖

近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)（PLUSNet）是美國海軍2006年披露的。它是一種半自主控制的海底固定＋水中機(jī)動的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施，由攜帶半自主傳感器的多個UUV組成，如圖4所示。這些UUV能夠互相通信，并在沒有人為指令的情況下做出基本決策，從而履行多種功能，包括對溫度、水流、鹽度、化學(xué)成份及其它海洋元素進(jìn)行取樣，密切監(jiān)視并預(yù)測海洋環(huán)境。PLUSNet的關(guān)鍵系統(tǒng)包括裝有微型調(diào)制解調(diào)器的“海馬”、“金槍魚”自主式UUV及“奧德賽”、“海洋”、“斯洛克姆”、“X射線”等滑行式 UUV。

3 主要功能模塊及結(jié)構(gòu)分析

為了實現(xiàn)基于UUV支持的水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知，主要應(yīng)包括水下傳感器協(xié)同探測、水下傳感器組網(wǎng)、多傳感器信息融合等功能模塊［6～7］。圖5是各主要功能模塊的信息流程圖，圖6是UUV支持的水下戰(zhàn)場態(tài)勢形成模型。

圖5 主要功能模塊的信息流程圖

圖6 水下戰(zhàn)場態(tài)勢形成的模型

3.1 水下傳感器協(xié)同探測

當(dāng)探測固定目標(biāo)時，由于固定目標(biāo)（如聲納陣列、水雷、海底）一般不會向外發(fā)射物理場，UUV要充分利用機(jī)動性的特點，可以主動對其探測，并與其它固定節(jié)點的傳感器實現(xiàn)對目標(biāo)的協(xié)同測繪與定位，此時的協(xié)同探測網(wǎng)是并列的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式［8］。當(dāng)對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行探測時，由于需要的UUV數(shù)量增多，固定節(jié)點的傳感器難以滿足要求，此時的協(xié)同探測網(wǎng)為主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，在多UUV協(xié)同警戒探測時，可以根據(jù)任務(wù)和環(huán)境的變化自動構(gòu)成分布合理、探測區(qū)域最大化的水聲探測網(wǎng)絡(luò)。按照多機(jī)器人系統(tǒng)的群體體系結(jié)構(gòu)有集中式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和分層式結(jié)構(gòu)三種［9］，如圖7所示。

圖7 多UUV系統(tǒng)

3.2 水下傳感器組網(wǎng)

水下傳感器和水聲調(diào)制解調(diào)器（Modem）是組成水下信息網(wǎng)絡(luò)的基本設(shè)備，而把這些基本設(shè)備連接起來的技術(shù)稱之為水下傳感器組網(wǎng)技術(shù)。水下傳感器組網(wǎng)技術(shù)是一類技術(shù)的集合，它涉及到水聲數(shù)據(jù)的交換技術(shù)、傳輸技術(shù)、共用系統(tǒng)技術(shù)和寬帶接入技術(shù)等。隨著UUV技術(shù)的發(fā)展，移動設(shè)備水下組網(wǎng)越來越顯示出可行性［10］。如圖8所示的水聲網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中將UUV與傳感器按照傳感器簇進(jìn)行了劃分，因此包含UUV的水聲網(wǎng)絡(luò)才是一個完整的水聲網(wǎng)絡(luò)。UUV的移動性及水下組網(wǎng)的需求是兩者有效結(jié)合的一個契機(jī)。UUV可以攜帶多個水聲調(diào)制解調(diào)器或其攜帶的調(diào)制解調(diào)器具有多個頻段。由于UUV遂行任務(wù)時的移動性，使得水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的間距不斷變化，雖然給水下組網(wǎng)的路由協(xié)議帶來挑戰(zhàn)，但是水下組網(wǎng)的可覆蓋區(qū)域大大提高。

圖8 水聲網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

3.3 多傳感器信息融合

通過多傳感器的信息融合，可以把來自不同類型、測量同一區(qū)域的不同物理特征的傳感器的近乎同時的觀測準(zhǔn)實時地結(jié)合起來［7，10］。環(huán)境監(jiān)測UUV既可以利用自身的傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行探測又可以通過水聲通信將區(qū)域內(nèi)分布式傳感器的關(guān)鍵信息進(jìn)行收集整理，再利用中繼通信UUV將其向上一級網(wǎng)關(guān)UUV或潛艇傳遞，如圖9所示。多傳感器信息融合技術(shù)的關(guān)鍵問題主要包括：戰(zhàn)場統(tǒng)一態(tài)勢的形成；精確標(biāo)定水下傳感器位置，并進(jìn)行坐標(biāo)變換；統(tǒng)一時間標(biāo)準(zhǔn)。所以，在水聲通信網(wǎng)絡(luò)支持下的水下多傳感器信息融合將是水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的有力支撐。

圖9 UUV在多傳感器信息融合中作用

4 結(jié)語

從國外水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的發(fā)展來看，進(jìn)行這方面的研究對提高水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知具有重要意義。UUV可以利用自身的隱蔽性進(jìn)行水聲通信，通過一定規(guī)則的移動實現(xiàn)水下網(wǎng)絡(luò)的連通性。作為除潛艇之外的又一水下平臺，UUV為解決水下戰(zhàn)場的態(tài)勢感知開辟了有效的途徑，值得進(jìn)一步深入探索。

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