新概念多无人机协同探潜技术发展趋势分析

刘惟恒，罗 阳，于均杰，王 平

（中国航天科工集团公司第三研究院302所，北京100074）

1 引 言

在现代战争中潜艇的地位变得更加重要，探潜反潜任务日益严峻，成为各国海军研究的重点。随着降噪技术、不依赖空气推进（AIP）动力技术、水声对抗技术、潜艇编队协同技术的发展［1］，潜艇的隐蔽性和机动性大大提升。探潜巡逻机和探潜直升机具有反应速度快、机动能力强、留空时间长等优点，是目前主要的探潜方法，但是其装备采购和维护费用昂贵，难以实现规模化装备，而且其探测范围小、效率低。单载体的探潜方式难以满足未来大规模反潜作战的要求，以灵活的多无人机平台为载体，则可大大提高探潜效率和搜索范围。

由于潜艇艇身材料、组成部件和内部各种设备均具有良好的导磁性，其磁矩必然导致周围磁场异常。磁力仪传感器可以精确测量其外界磁场，通过磁场的变化精确推断潜艇的位置。同时无人机协同编队控制技术日益成熟，可作为探潜装置载体的最佳选择。探潜传感器的性能是发现目标潜艇的前提，探潜的效率取决于探潜策略，探测精度高、分辨力高、探潜响应速度快、虚警率低的探潜传感器装备于快速性高、机动性好、续航性久的多无人机载体是未来探潜研究的新方向［2］。

在未来的战场中，无人机的应用可以大大增加获胜的概率。无人机具有众多优点，包括机动性好、成本低、零伤亡等，面对战场的复杂性和多样性可以由多架无人机协同自主执行任务。本文提出了基于多无人机多编队载磁异传感器的协同探潜技术，对我国海军未来探潜、反潜的发展提供建议。

2 无人机平台与探潜现状

各国海军正在加速研发各种探潜装置。声呐探潜是目前主要的远距离非光学探潜方式，由于消声技术的出现与海床天然屏障的庇护，声学探潜方式正面临新的挑战。据报道，美国海军装备的潜艇噪声在90dB 左右，与海洋背景的噪声相当，单一使用声学探潜已经不能满足现代反潜的需求。生物探潜技术还在论证阶段，距实际应用还有很长的时间。电场探潜、核辐射探潜只能针对特定类型的潜艇，探潜方式的通用性差。目前红外探潜技术得到了广泛应用，红外探测仪AN/AAR-37 装备在美军P-3C 潜艇上，通过红外探测系统（FLIR）感应海水温度变化，从而推断潜艇是否存在。激光雷达通过回声定位探潜方式，只能探测到水面航行和潜望航行状态的潜艇，对潜深状态的目标束手无策。

磁探仪的应用是海军开拓性的技术［3］。美国海军S-2T型探潜巡逻机装备有AN/ASQ-10磁探仪装置，作用距离为300m 左右。由于磁探仪的优越性在实际探潜作用中突出，国内外均在加速磁探仪的研发与应用探索。比较有代表性的磁探仪传感器有美国的AN/ASQ-208 氦光磁探仪、加拿大的AN/ASQ-504铯光泵磁探仪和法国的全数字化磁力仪MADMK-3。德国研制磁探仪较早，近期正着手研究超导磁力仪和磁力梯度仪，其探测范围、精度和分辨力等在探测潜艇应用方面明显优于常规磁探仪和传统声呐、雷达等探潜设备。我国的某型号巡逻机尾部装配磁异探测器，标志着我国的海军空基探潜能力跨越式发展。

反潜巡逻机具有良好的机动性和较长的续航能力［4］，可搭载多种探潜设备和攻潜武器，探潜效率高、可控制海域面积广，是目前航母编队远海演练的重要组成部分。各国海军装备的反潜巡逻机形式大同小异［2］，典型的主要有俄罗斯的伊尔-38，英国的猎迷，美国的海神P-8A 等。我国对反潜巡逻机的研究相对西方发达国家还有一定差距，探潜能力的不足限制了我国舰船的远海作战能力。

大型多用途无人机的发展是海军力量提升的重要部分，美国大型反潜无人机人鱼海神MQ-4C如图1所示。2019年11月19日，美国首次部署两架战略无人机RQ-4B 全球鹰在俄罗斯边境领空飞行，如图2所示。中国具有代表性的无人机是在2019年公开亮相的侦-8 高空高速侦察无人机。这些无人机均具有长航时、飞行距离远和载荷量大的特点，搭载多样化的反潜传装置，可实现海上巡逻监视、反潜作战等功能，其探潜能力比传统巡逻机探潜方式更胜一筹。

图1 海上巡逻探潜无人机人鱼海神MQ-4CFig.1 Patrol and submarine detection UAV:MQ-4C Triton

图2 美军战略无人机RQ-4B全球鹰Fig.2 US strategic UAV:RQ-4B Global Hawk

单一有人/无人机探潜方式难以满足未来军事需求，其探测范围小、无法实时跟踪、耗费时间长。将多个探测装置分别装载于多架无人平台上，充分利用无人机在速度和航程上的优势。研究多无人机多编队载探测传感器协同搜索策略，不仅可以快速完成大面积海域水上和水下的精确探潜任务，而且还可以对多个移动目标潜艇实时跟踪。随着基于图论的多智能体一致性编队控制理论［5］、抵抗外界干扰的高阶滑膜控制方法［6］、避撞的鲁棒最优和动态投影方法［7］等技术的应用，无人机的编队控制在理论层面有了一定的成果。将可自主执行任务的无人机编队，搭载探潜传感器的协同探潜是未来发展协同探潜的新思路，有利于在未来海战中占据优势地位。

3 探潜方法与探潜平台

3.1 探潜传感器的工作方式

近年来，各种各样新型的探潜技术的提出层出不穷。生物探潜是利用发光细菌在正常生理条件下能够发出波长450nm～490nm 的荧光，潜艇航行引起周围海域海洋发光细菌发光强度发生变化［8-9］，通过有人/无人机机载光学仪器照射海洋平面，可以发现持续10min 以上的光尾流，从而确定潜艇的存在。电场探潜利用潜艇的艇体与螺浆金属材料电化学性质的特点［10］，由于海水是天然的电解质，可以检测到潜艇存在而引起的轴频电场。

激光探潜是比较常用的探潜方式［11-12］。有人/无人机载激光雷达发射脉冲激光串，根据海平面和海底反射回来的光，经过计算机的处理可以显示出潜艇的形状，从而根据图像识别、判断潜艇的存在。利用核辐射探潜目前还在论证阶段［13］，核潜艇的周围存在一定程度的核辐射，使用光学检测潜艇核辐射产生的可见蓝色光，可确定潜艇的存在。红外探测仪通过探测由于潜艇存在引起周围海水温度上升的方式探测潜艇。磁力计探潜是利用海洋中地球物理磁场是否有突然的变化，来探测潜艇的有无。

3.2 探潜装置存在的问题

目前探测效果较好的探潜装置主要有雷达、吊放声呐、浮标声呐、磁探仪等，声呐受航洋噪声影响大，难以探测采用消声技术处理的潜艇。雷达反射成像判断是否为潜艇的方法应用较为广泛，但是无法探测水下目标。生物探潜技术虽然能够对大面积海域覆盖式搜索，可准确判断潜艇的航迹，但是容易受天气可见度的影响。电场探潜技术的使用可以不受天气状况影响，也不受运动状态影响，但是电场探潜受检测技术的制约［4］。激光探潜定位精度高、隐蔽性好，受海洋环境影响小，但是搜索范围小，只能探测到水面航行和半潜航行状态的潜艇。核辐射探潜不受天气和海况的影响，但是目前核辐射探测技术仍在探索阶段，高精度核辐射探潜设备工程化应用仍需要较长时间。磁探仪识别能力强、探测精度高、虚警率低、分辨力高、隐蔽性好、不易受海洋环境影响，但是作用距离短。

目前，还没有一种探潜传感器能够高效率、高精度、高灵敏性、高准确性的执行探潜任务，探潜传感器的工作局限性、载体的性能和探潜传感器的使用策略对未来探潜技术提出了新的要求。

3.3 探潜平台协作存在的问题

航母编队配置中不但会充分考虑探潜传感器的精度与工作方式，还要考虑载体的续航和机动能力，一般在中远程会配置反潜巡逻机［4］，中近程会配置水面舰艇，两者相互配合实现远近距离探潜的区域协同。反潜巡逻机负责大范围作战海域的警戒搜索，发现目标后由反潜直升机进一步定位、识别。两种探潜方式协同水平较低，仅为探潜工作上的互补，协作耦合性大，难以形成海上大规模探潜。

但在实际作战中，潜艇往往以作战编队的形式出现，使得现有探潜协作方法难以应对［2］，而且反潜巡逻机的虚警率高，难以探测到真实目标。当目标潜艇采取规避策略进行水下航行时，反潜巡逻机最多只能选择一架潜艇跟踪［14］。

4 新型多无人机协同探潜技术的发展趋势

新型的探潜技术会导致未来海上作战发生颠覆性的变化。磁探仪有着优良的探潜工作性能，能全天候、高频次执行探潜任务，其存在的缺点是作用距离有限，虽然单磁探仪难以满足大规模探潜需求，但是多无人机多编队作为磁探仪载体可以大大提升探潜的效率。多磁探仪协同工作不仅可以大大提高搜索范围，而且空间上的磁补偿技术也能对探测精度和定位精度有更大的提升。通过无人机数量多、协同性好和控制方式简单等优势来解决磁异传感器探测距离短和巡逻机成本高的问题，多无人机协同探潜作战新概念为未来应对海上作战提供了新思维。

4.1 多无人机协同探潜对探潜方式的要求

4.1.1 发展多载体磁探仪

磁探仪和声呐浮标是目前探潜效果最好的两种探潜手段［1］，磁异探潜技术凭借定位精度高、虚警率低、响应速度快，机载磁探仪的机动性好等优点，能适应作战的快速性、机动性、准确性要求。有人/无人机载磁探仪能够准确探测到任意状态的潜艇，但由于飞机的飞行速度快，单个载体难以实时跟踪潜艇，多无人机多编队能够做到连续实时跟踪潜艇的位置、速度。磁探仪性能的发挥依托载体的性能，潜艇、舰船、飞行器等都可以作为磁探仪载体，多载体的发展可充分发挥磁探仪的实际应用价值。载体的磁控技术和基于地球磁场空间位置的磁补偿技术是发展多载体磁探仪技术的前提。

4.1.2 发展高精度磁探仪

磁力仪的发展历史较早、类型较多，最早的有磁通门磁力仪、质子磁力仪，后面出现的光泵磁力仪、超导磁力仪，以及近几年有科学家利用铯原子的拉莫尔进动频率特性精确探测其周围磁场强度的原子磁力仪。磁场不容易受海水等非磁化物质的影响，发展高精度、高灵敏的磁探仪是未来磁探潜发展的方向。超导磁探仪灵敏度不低于10-10G，比现有常规磁探仪精度高两个数量级，未来将深入研究核自旋、电子自旋强耦合极化问题和磁异常全张量梯度解算问题，发展探测精度高、分辨力高、探测速度快、虚警率低的磁力传感器。

4.1.3 研究磁探仪阵列

多个磁探仪协同工作，不仅能够增加探潜的效率，而且相互之间可以进行磁补偿，彼此信息融合能够精确探测到潜艇的位置，并能进行实时跟踪目标的位姿。构成列阵的磁探仪作用距离大，使得准确探测磁矩不低于10-8G。发展分布式磁力计网，可针对重要的区域形成一定封锁效果或者起到线性警戒作用。磁探仪的协同工作可协同感知海域态势，通过集成化的控制中心，实现协同侦查、协同探测和任务分配等，形成更大范围的战场态势信息，从而取得胜利的绝对优势。

4.2 多无人机协同探潜对探潜载体的要求

4.2.1 多无人机的协同航迹规划与任务分配技术

磁探仪的协同工作离不开无人机载体的协同能力，在执行任务前或者执行任务过程中，综合考虑探潜精度、效率等约束，以最优的方式协同执行任务要预先和实时规划出无人机编队的航迹和任务序列，航路的协同要充分考虑任务的优先级、飞行的编队状态、敌方的潜在威胁等，主要应用了多目标动态航迹规划和任务分配技术、智能决策技术。

无人机编队的机动性好，可自主飞行、自主任务规划，以及可预先静态规划和动态规划。针对固定海域实施精确探测，围绕移动的舰船周围环境实施动态探测，对于已经侦察的区域，无人机编队可改变任务分配策略，一部分无人机实施进一步探测，另一部分无人机进行区域周围警戒保证特定区域内不会有敌方潜艇渗透。

4.2.2 多无人机编队队形任意变换与分生技术

先进的多无人机编队控制算法能更好的应对突发的海况。携带磁探仪传感器的无人机编队在发现敌方潜艇之前，按照预先规划好的航迹飞行。当发现敌方潜艇后，需要将原来编队分生出多个子编队用于识别和跟踪目标。由于编队数量和队形发生了变化，探测的宽度变窄，其他无人机编队需要快速重新动态任务规划出编队可行的最优航迹，从而继续执行其他未知区域的探测。

磁探仪的探测精度和辨识力不仅与目标的距离有关，而且还与磁探仪的磁补偿有关。搭载磁探仪的无人机编队在同一水平面执行任务时，探测宽度最大，但是当需要进一步辨识目标时，无人机需要由二维平面编队变换成三维立体编队用于磁探仪的磁补偿，此时探测的宽度突然减小，需要研究多无人机编队分生与编队重构技术，从而执行新规划的任务。

5 结束语

本文概述了探潜设备和无人机平台关键技术，表明海上探潜技术仍是未来重点发展的方向。针对其存在的探测距离短和需要磁补偿问题，提出了新概念多无人机协同探潜技术。通过对比分析，以高精度磁力计传感器为基础，多无人机协同编队的方式具有灵活性高、自主性强、探测精度高的特点。考虑到磁补偿和跟踪目标对无人机编队队形的要求，深入研究无人机编队队形保持、分生与重组技术，充分发挥磁探仪的探潜优势，对未来高效率、高精度探潜提供了新的思路。最后对磁探仪传感器和未来无人机编队技术发展方向提出了新的要求。