0 引言
2021年3月,英国防部发布《竞争时代的国防》战略报告,阐述了不断变化的战略环境及未来战场形势。随着人工智能、机器学习等技术发展,对应对未来战争形态产生巨大影响,摸清智能化作战的战斗力形成机理,是反智能化作战的前提和基础[1]。智能化作战主要是通过军用人工智能决策系统,精确计算作战网络传输过来的战场数据,并定下作战决心,然后指挥陆海空电多维空间的自动化平台或武器装备实施作战行动[2]。随着无人潜航器等水下智能化主战装备的出现,水下作战已经不同于以往的作战形态,从高效发挥作战能力的角度出发,实现水下作战平台模块化组合,完成侦察监视、指挥控制、火力打击等全流程全要素的水下作战全过程。可以预见,未来水下作战已不再是武器对武器、平台对平台的对抗,而是转变为体系之间的对抗,单纯依赖平台的水下对抗模式将逐步丧失竞争力。
1 水下作战制胜机理
近年来,以无人潜航器为代表的智能化武器装备异军突起,各国海军开始深入研究新型无人潜航器跟踪探测技术、精准打击技术以及导航定位技术的同时,同步推进水下无人化作战等全新概念的设计,检验水下分布式协同打击的制胜机理,力争快速提高有人与无人高度融合的水下作战能力[3]。
1.1 系统融合,综合感知
战场感知是实施水下作战的前提,能够从根本上解决“看不见”的现实制约。随着水下作战平台从单一作战逐渐演变成多元作战,为各类探测传感器系统融合,综合感知水下战场,拨开战场迷雾,为精准打击奠定重要基础。系统融合、综合感知是水下战场态势汇聚成网的前提,随着水下通信系统的成熟,为连接各类传感器构建实时监测网络提供关键支撑,保证所有水下作战平台能够实时共享多元传感器获取的情报信息,快速构建水下战场综合感知网络;系统融合、综合感知是保证潜艇、无人潜航器等水下作战平台搭载的同类传感器进行高度融合,从不同深度、不同方向综合感知整个水下战场态势,避免遗漏全域战场的任何动态目标,尤其是快速捕捉水下时敏目标;系统融合、综合感知能够融合潜艇、无人潜航器等不同作战平台搭载的不同类型传感器,随着潜艇及无人潜航器体积的日趋增大,为搭载各种不同类型的传感器奠定重要基础,同时,利用不同传感器从不同维度获取各种情报信息,综合感知水下战场的敌方目标。
1.2 体系对抗,功能多样
过去很长时间内,受到水下通信距离限制和综合反潜能力大幅提升的影响,水下作战平台很难进行体系作战,基本上都是以单打独斗为主。然而,由于水下装备技术的发展,水下作战体系可能会逐步建立成形,并展示出难以应对的新质水下作战能力。体系对抗、功能多样会以深海基地为中心、以深海武器库为支撑、以水下警戒和通信系统为依托、以各深度层机动的水下有人作战平台为骨干、以各型水下无人作战平台为前哨、以水下雷阵为防御阵地、以隐蔽突然的综合打击行动为手段,消灭敌各类重要目标于无形[4];体系对抗、功能多样伴随高度智能的武器装备层出不穷,可以执行水下作战任务及作战行动样式随之大大拓展,推动水下作战功能朝着多样化方向快速发展;体系对抗,功能多样促使新型水下作战体系主要用于完成对全域动态目标的重点攻击,以及封锁敌港口基地,进行水下特种作战,实施核威慑核打击等其他作战任务,相比传统的攻击方法,水下攻击更加可靠和难以防御,呈现出无可比拟的作战优势。
1.3 区域控制,联合攻击
未来水下作战力量是由智能化武器装备和人组成的综合作战系统,作战指挥开始由“以人的经验为中心”向“以数据和模型为中心”进行转变,通过人机的合理分工与智能交互,大幅压缩观察、判断、决策和行动的全过程,将智能优势转化为作战胜势[5]。区域控制、联合攻击基于有人系统与无人系统联合作战理念,有人潜艇从传统的作战平台向指挥调度平台转变,通过构设水下作战前沿终端,用于感知区域战场态势,为水下联合攻击奠定重要基础;区域控制、联合攻击是在有人作战平台的指挥控制下,实现各类大中小型无人潜航器的区域融合,分布式完成态势感知、指挥控制、火力打击等作战环节,快速高效的毁伤敌方重要目标,是水下联合攻击顺利实施的核心;区域控制、联合攻击从水下作战平台智能交互的角度出发,综合链接各类传感器、指控中心、火力打击平台等,在一定控制区域内,跟踪监视敌方动态目标,尤其是水下时敏目标的变化,并快速完成对敌方目标的识别和攻击,是保证水下联合攻击效果的关键。
2 水下协同作战模式
随着水下武器装备迅速发展,水下作战正从单打独斗朝着协同作战的方向快速转变,改变了传统的水下作战样式。尤其是近几年来,各类新型无人潜航器的发展与运用,对水下作战概念研究提出了更高要求,水下作战样式也随之发生颠覆性变化,对于提高非对称作战制衡能力具有重要意义[6]。
2.1 有人潜艇编队协同作战模式
有人潜艇编队协同作战是现行水下作战的基本模式,通常由2艘或3艘潜艇组成,其中一艘为指挥艇,其他为被指挥艇。指挥艇主要负责下达编队队形调整、航迹路线规划、水下火力攻击等作战命令,被指挥艇主要接受并执行指挥艇的命令,配合指挥艇完成水下作战任务。有人潜艇编队协同作战可以有效降低单一潜艇的水下作战强度,从不同角度、不同深度协同完成水下作战任务,大幅提高水下作战效能。有人潜艇编队协同作战作为传统水下作战样式,受人工智能等关键技术的发展制约,基本上都处于遥控指挥的阶段,限制了水下作战能力的提升。无人潜航器作为未来替代潜艇的重要武器装备,将逐渐取代被指挥艇,协同有人潜艇实施水下作战。有人潜艇编队协同作战如图1所示。
图1 有人潜艇编队协同作战
Fig.1 Manned submarine formations coordinated warfare
2.1.1 有人潜艇编队协同探测
有人潜艇编队协同完成对敌方水下目标的探测,尤其对时敏目标的跟踪监视,是完成水下精准打击的重要保障。有人潜艇编队通常由指挥艇完成对水下目标的精准打击,因此,指挥艇必须保持合理的航速、深度、角度等,确保能够先敌发现、先敌攻击。在确保指挥艇最佳攻击窗口的基础上,势必会影响其探测精度,这在很大程度上就要共享被指挥艇的情报信息,才能够支持水下作战效能的高效发挥。被指挥艇作为重要辅助平台,通常会根据指挥艇的作战命令,从不同深度、以不同速度隐蔽行进到探测范围内,利用艇载探测传感器感知水下动态目标。在敌方探测系统反应之前,迅速规避敌方火力攻击圈,利用数据传输链将目标动态轨迹传输到指挥艇,为指挥艇实施火力打击奠定基础。有人潜艇编队协同探测并非固定由被指挥艇实施目标探测,指挥艇实施火力攻击,而是从优化作战效能角度出发,潜艇编队选择性完成水下作战任务。
2.1.2 有人潜艇编队协同攻击
有人潜艇编队协同攻击是从不同方向、不同深度对敌方目标实施攻击,增强了水下作战的时效性。作为指挥艇的有人潜艇排水量较大,能够搭载高毁伤性鱼雷,攻击距离较远,而作为被指挥艇的有人潜艇会比指挥艇排水量小,但却能够搭载近距离攻击鱼雷,有人潜艇编队有效弥补了攻击距离缺位,实现水下攻击范围内的全覆盖。指挥艇作为水下协同攻击的核心,通常会在敌方攻击范围外,利用高毁伤性武器对敌方目标实施毁灭性攻击,而被指挥艇作为水下协同攻击的重要补充,利用抵近探测的时间窗口,基于最优的攻击路线,对敌方目标实施精准攻击。从完成预期作战目标的角度出发,指挥艇分配被指挥艇相应的水下攻击任务,被指挥艇按照作战命令执行攻击任务,但是在战场态势发生急剧变化时,有人潜艇编队应紧盯突然出现的时间窗口,选择最佳位置的潜艇,发射攻击性鱼雷对敌方目标实施摧毁,以提高水下作战时效性。
2.2 有人潜艇与多无人潜航器协同作战模式
虽然有人潜艇编队水下作战运用日益成熟,但受人体生理条件限制,水下作战能力很难有巨大提升。武器装备发展是颠覆水下作战样式的关键,随着无人潜航器型号发展的逐渐完善,有人潜艇与多无人潜航器协同作战概念开始出现,并在现实水下作战中得到尝试性运用。受人工智能技术发展的制约,有人潜艇和无人潜航器尚无法达到高度智能化,通常是由有人潜艇作为指挥艇,全程控制无人潜航器的水下作战行动,而无人潜航器作为被指挥艇,被动的接受有人潜艇各种作战指令。随着人工智能技术的进步,有人潜艇与多无人潜航器协同作战样式并非固定不变的,未来无人潜航器将具有高度智能化特征,为其成为水下作战集群的指挥艇奠定重要基础,而此时的有人潜艇就会成为被指挥艇,被动接受水下作战任务。有人潜艇与多无人潜航器协同作战如图2所示。
图2 有人潜艇与多无人潜航器协同作战
Fig.2 Manned submarines and multi-unmanned underwater vehicles coordinated warfare
2.2.1 有人潜艇与多无人潜航器协同探测
协同探测是有人潜艇与多无人潜航器协同攻击的前提,为水下精准打击提供重要的目标指引。有人潜艇作为水下作战的指挥艇,在探测敌方水下目标,尤其是时敏目标时,极易遭受敌方探测系统的跟踪监视,成为敌方重点攻击的对象。从降低有生力量战场伤亡率的角度出发,利用小型无人潜航器能够有效解决这一问题,因其具有体积小、航速低、噪音小等显著特点,很难被敌方的探测系统跟踪监视,能够隐蔽抵近敌方目标周围,识别查证敌方目标特征,引导有人潜艇或大型无人潜航器的毁伤性武器进行水下攻击,确保从合适位置、以适当角度对敌方重要目标进行功能性摧毁。多无人潜航器作为水下探测的重要主力,能够大幅延伸有人潜艇的探测距离,其基本都是利用艇载传感器对复杂危险区域内的所有固定或动态目标进行全方位搜索,并将搜索到的情报信息快速传输给有人潜艇,保证水下作战编队能够及时跟踪敌方目标。
2.2.2 有人潜艇与多无人潜航器协同攻击
这种协同攻击模式是未来有人潜艇与多无人潜航器协同攻击的重要方向,随着俄罗斯“波塞冬”、美国“虎鲸”等无人潜航器的研发成功,无人潜航器正朝着大型化、高速化的方向发展,这都为无人潜航器搭载毁伤性武器提供重要载体。有人潜艇作为水下作战的指挥艇,通过获取的水下战场态势,合理制定作战方案,而无人潜航器作为被指挥艇,被动接收水下攻击指令,与有人潜艇协同实施水下攻击任务。无人潜航器利用其具有的低噪音潜航优势,在抵近敌方目标实施跟踪监视的同时,按照水下编队的作战意图,发射其搭载的进攻性鱼雷对敌方目标实施近距离攻击,极大的提高了水下协同攻击的精度。基于现有技术条件,被动攻击是无人潜航器水下作战主要模式,但是随着未来无人潜航器智能化程度的提高,其将具有独立决策、独立指挥、独立打击等功能,可以自主智能分配水下攻击任务,支持有人潜艇与多无人潜航器实现协同攻击。
2.3 无人潜航器集群协同作战模式
以美俄为代表的军事强国逐渐强化无人潜航器的研发,截止目前为止,俄罗斯“大键琴”、美国“蓝鳍金枪鱼”等无人潜航器开始在实战中得到运用,但是基本上都处于有人潜艇与多无人潜航器协同作战阶段,无法独立自主的实施水下作战行动。随着无人潜航器智能化程度提高,其将具备自主搜索、自主决策及自主攻击等能力,为无人潜航器集群协同作战奠定基础。在物联网、6G等技术支持下,为无人潜航器集群实现即时通信、高速传输等功能提供重要保障,实现了无人潜航器集群的网络化布势。从提高水下攻击效能角度出发,集群指挥艇在无人潜航器之间进行智能切换,保证可以选择最优攻击节点,以最佳角度完成对敌方水下目标的精准攻击。无人潜航器集群协同作战如图3所示。
图3 无人潜航器集群协同作战
Fig.3 Unmanned underwater vehicles cluster coordinated warfare
2.3.1 无人潜航器集群协同探测
无人潜航器集群协同探测是替代有生力量实施水下跟踪监视的重要方式,能够有效降低有生力量的战场消耗,保证水下作战的可持续进行。从实现水下目标全覆盖的角度出发,水下协同探测需要不同排水量、不同潜航深度的无人潜航器进行模块化组合,利用搭载的多元传感器不间断扫描水下重要区域,完成对敌方动态目标的实时感知。随着敌方水下目标隐身性能的加强,水下作战集群需要科学预判敌方作战意图,对无人潜航器集群进行科学布势,使其在不同深度、以不同速度进行潜航,利用战场多角度感知方式,从不同方向、以不同方式感知敌方目标,尤其是水下动态目标。无人潜航器集群探测作为水下战场情报获取的重要手段,在弥补单一无人潜航器探测盲区,实现水下战场区域单向透明的同时,还能够深入敌方敏感海域,运用自杀式探测方式,前仆后继的完成对水下目标跟踪监视,为水下攻击性武器精准打击提供目标指引。
2.3.2 无人潜航器集群协同攻击
受无人潜航器潜航距离和速度的制约,无人潜航器集群协同攻击通常是利用大型水面或水下平台将无人潜航器运输至战场安全海域,然后以水下攻击队形展开,对感知的敌方水下目标实施毁灭性攻击。随着人工智能技术的发展,未来无人潜航器集群协同攻击不再是以水下攻击有效性为出发点,而是以水下攻击灵活性为出发点,将有序的水下攻击模式转变为灵活的水下攻击模式。受水下武器攻击距离的限制,无人潜航器发射攻击性武器通常是攻击固定的敌方目标,而随着水下武器攻击距离的大大延伸,水下攻击可以不再设定固定的攻击目标,通过对敌方目标的全程优化选择,及时改变水下攻击策略,引导攻击性武器打击其他水下目标,为提高水下协同攻击的灵活性奠定重要基础。无人潜航器集群协同作战是未来水下作战的重要模式,得到世界各军事强国的深入研究,但受武器装备智能化程度制约,尚未在水下作战中得到实际运用。
2.4 水下作战模式比较
随着无人潜航器的发展,未来水下作战将成为海上作战的重点,将逐渐成为水下作战的利器。从潜航器发展的角度看,水下作战模式将沿着有人潜艇编队协同作战、有人潜艇与多无人潜航器协同作战、无人潜航器集群协同作战3种模式逐渐演变。由于无人潜航器技术发展的制约,3种水下协同作战模式将长期处于共同存在的状态,研究水下协同作战模式,分析3种模式异同点如表1所示。
表1 3种水下协同作战模式异同点
Table 1 Similarities and differences of 3 underwater cooperative combat modes
序号模式名称作战主体通信方式战场生存率1有人潜艇编队协同作战模式有人潜艇双向交互较差2有人潜艇与多无人潜航器协同作战模式有人潜艇和无人潜航器单向控制一般3无人潜航器集群协同作战模式无人潜航器双向交互较好
从表1可以看出,在3种水下作战模式中,无人潜航器集群协同作战模式的战场生存率较好,这将逼迫水下作战主体将朝着无人潜航器的方向发展,无人潜航器将逐渐代替有人潜艇执行水下危险作战任务,极大降低有生力量的伤亡,提高了战场生存率,为水下作战的可持续进行奠定重要基础。
3 水下协同作战关键技术
由于水下作战具有其他作战样式无法比拟作战优势,推动有人/无人水下协同作战迎来重要机遇期。水下作战平台作为水下协同作战主要载体,其能够决定水下协同作战的技战术水平。从技术实现角度出发,水下协同作战涉及任务模块技术、水下组合导航技术、多目标跟踪技术等关键技术。
3.1 任务模块技术
各类有人或无人水下作战平台的主要目标,就是利用其执行各种不同的水下作战任务。随着水下武器装备的发展,已经从传统的水下侦察任务拓展到侦察、打击等不同任务,但是为了某项作战任务而建造专用的水下作战平台,将会造成极大的资源浪费。发展任务模块技术能够很好的解决这一难题,首先为整个模块化制定统一标准,设计平台载体的基本结构特征,在满足水下作战需求的基础上,还要尽量适合水下航行体的结构要求等,例如总体结构的压力要求、水密性能、载荷等基本条件都必须要得到满足。其次,任务模块技术要求尽可能使用标准化接口,以便于其他设备及模块的接入,同时,水下作战的模块化设备还必须选用兼容性较好的设备,这样才有利于新旧设备的快速替换,极大地减少了战场耗时。从提高作战平台通用性的角度出发,任务模块技术能够按照作战任务需求建造相应的任务模块,并根据不同的水下作战任务,对相应的水下作战任务模块进行优化组合,极大地提高了水下作战平台的通用性。
3.2 水下组合导航技术
与其他战场环境相比,水下环境更加复杂多变,单一导航系统很难满足水下作战需求。通过分析现有导航技术,并基于技术实现难度的角度进行考量,采用成熟的水下组合导航技术,将卫星导航技术与惯性导航技术结合在一起,优化传统水下导航方式,构建新型水下组合导航方案,综合单一导航系统的技术优点,最大程度上满足复杂环境下的水下作战需求。在水下组合导航技术的支撑下,组合式导航系统通常会采用卫星导航与捷联式惯性导航相结合的方式,水面探测器和浮式中继站一般运用卫星导航方式,待到探测器到达指定工作区域,开始准备下潜时,才启动捷联式惯性导航,同时,对探测器与浮式中继站的位置进行初始化[7]。通过对比捷联式惯性导航输出信号与卫星导航的独立值,利用最优控制理论和卡尔曼滤波组合的滤波器,处理各类信号和高斯白噪声,得出组合导航系统误差的最小值,并确定修正量,从而将2种导航方式有机的结合在一起,实现水下组合式导航效能的最优化,极大的提高水下导航精度[8]。
3.3 多目标跟踪技术
对多目标跟踪而言,无论是理论还是技术方法,都包括很多内容,比如跟踪目标模型、算法以及数据关联性等。随着水下作战的日趋激烈,水下多目标态势更加多元、更加复杂,因此,对水下多目标跟踪技术的应用,提出了更高的实战要求。水下多目标跟踪技术是由很多组成部分构成的,其中最重要的2个方面就是声呐多目标跟踪和水下精确制导多目标跟踪。声呐系统探测多个目标主要是通过主动探测和被动探测来进行的,但是被动探测和主动探测相比更难一些,如水下潜艇时常隐身潜行,能够较为隐蔽的跟踪目标,这样被动跟踪就可以发挥其作战优势,算出跟踪目标的航行要素,使被动跟踪得以实现[9]。同时,水下自导鱼雷为了更迅速、更精确地跟踪目标,常采用主动跟踪技术,或者是将主动跟踪技术和被动跟踪技术结合起来,实现对预期目标的准确跟踪[10]。但是对于水下制导武器而言,多目标跟踪技术主要是对目标采取准确估计和分辨等先进的理论和方法,近几十年来这些技术都已经在实践中得到充分验证。
本文通过分析水下作战制胜机理,研究了水下协同作战模式,提出了支撑水下协同作战的关键技术。但是并未研究支撑水下协同作战关键技术的发展路线,下一步,要科学分析预测未来关键技术的攻克时间,判断水下作战样式的发展方向,为水下协同作战理论的发展和完善奠定重要基础。
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