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无人舰艇技术的现状及未来发展趋势

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兰德公司2019年1月发布题为《先进的自主系统——无人舰艇技术的现状及未来发展趋势》报告(下称《报告》)。《报告》以海军无人潜航器(UUV)和无人水面艇(USV)两大平台为基础,探索了增加海军自主系统的数量和能力的潜力,审查了自主系统的发展和海军的作战需求,描绘了最新的自主技术如何有效地推进当前和未来作战。

无人舰艇技术的现状及未来发展趋势

自主技术的现状

自主技术的发展一直相对稳定,但目前尚未出现能够应对突发状况的自主系统,且未来很长时间内也不会出现。如果没有大规模而针对性的投资和开发,很难实现无人系统的军事应用,商业现货技术还无法支持复杂的任务。《报告》指出美海军应重新审视关于自主技术发展的假设;在需要高度自主的系统中,将自动生成技术与其他功能(如发电和存储)的开发结合起来;使用自主系统的独特优势研发新的作战概念;重新评估未来无人系统设计需求;研发使自主系统高效决策的技术;开发可使人们定期评估自主系统的机制;评估复杂多任务平台的可行性,同时考虑简单且协同性平台。

《报告》针对算法、有效载荷和平台分析了自主系统的现状:

①算法。算法是自主系统的核心,机器学习算法尤其适用于探索性任务,如基于图像或其他传感器数据的目标分类任务。机器学习技术虽然有所发展,但鉴于自主系统对嵌入式计算的更高需求,以及对抗机器学习技术的新兴技术的出现,机器学习技术的军事应用也在衰减。目前,基于控制理论的设计方法在软件代码领域没有明确的发展,加之验证和确认算法的技术有限,导致算法在水下运行面临严峻挑战。

②有效载荷。有效载荷是自主系统所携带的设备,旨在与外界环境的交互。主要包括导航系统、传感器系统、通信和武器。

③自主平台。大多数平台都是中小型的,最大速度和耐久性都相对较低。其中速度是关键参数,航速与推力之间的关系决定了自主平台的规模。燃料电池和核能可提升平台的耐用性,但核动力系统仍存在诸多安全问题。

无人舰艇专为MCM设计或可用于MCM,其运用可提高积极识别水雷的机会。

现有杀伤链的自主性

杀伤链是指为达到作战效果所需的一系列事件,杀伤链的步骤通常包括情报准备、检测、定位、瞄准和交战。海军认为,自主性可得到最好利用的三个领域是水雷反制措施(MCM)、拒止区域情报、监视与侦察(ISR)和作战欺骗。在这些领域中,有人系统操作面临的风险较高,需要在不利环境或不确定环境下执行任务。

①MCM。MCM有两种类型。一是猎雷,目前一些无人舰艇专为MCM设计或可用于MCM,其运用可提高积极识别水雷的机会。但是,当前的杀伤链需在与不同传感器接触时进行多次信号传递,耗时长、过程复杂,主要原因是多个传感器未以一致的方式连接,无法共享目标信息。二是扫雷,当前,除利用舰艇发出引爆水雷的压力信号进行扫雷外,无其他扫除压力水雷的方法。扫雷要求舰艇能够沿预先设置的道路航行,并正确对预期目标水雷产生影响。自主系统可轻易完成预设道路的航行,但对自主纠正设置的能力需求不高。

②拒止区域ISR。执行该任务时,潜艇面临的风险较高。使用无人自主系统进行拒止区域ISR任务时,其杀伤链在某些方面与使用有人系统类似。如果UUV想要有效完成拒止区域ISR任务,将需要额外的自主能力,包括优化传感器和采集系统、判断已收集数据的价值以减少传输量、安全传输相关数据、感知并适当应对威胁等能力。

③作战欺骗。作战欺骗旨在使敌人搜索虚假目标,甚至可能对虚假目标发动大规模袭击。为执行远程欺骗任务,海军历来使用有人平台模拟虚假目标。然而,在作战欺骗任务中,无人系统也可发挥重要作用。此外,无人系统若想有效完成任务,需可靠复制航母打击群(CSG)的行为和信号,并寻求以下能力:独立航行到CSG视线控制能力之外的区域;与其他无人装备协调定位,以在雷达上可靠地显示类似于CSG的兵力;操作系统可靠地复制CSG的发射器;主动或被动自卫。

未来舰队架构及其自主能力

未来舰队架构及其自主能力

《2017财年国防授权法》要求国防部开发三种独立的舰队架构,以帮助确定2030年及以后巩固海军的关键能力和部队结构。未来舰队设计架构(FFDA)中自主性需求包括:

①克服A2/AD挑战。海军的FFDA要求舰船广泛分散,所有舰艇都具备能够运载导弹或其他动能载荷的能力。这一要求可能意味着舰船不能被允许执行单一任务,且MCM系统需要更小的空间,并实现自主操作,因此需要传感器处理和机载决策方面的进步。

②在拒止区域收集情报。这一任务中,UUV不仅需要穿越水雷和障碍,而且需在拒止区域连续不断地克服水下传感器和武器面临的挑战,UUV传输信息的能力将被极大地限制。UUV具备在此环境下执行任务的潜在能力,其渗透能力也可对进攻性布雷任务起到作用,但拒止区域内使用自主系统的价值值得怀疑。

③进攻性布雷。该任务要求UUV在A2/AD系统传感器范围之外的距离内航行,且无法被探测;避开障碍和反制措施;携带足够多水雷,以形成一个有效雷区;潜在控制已部署的感应水雷的引爆。

④拒绝被瞄准及执行无人水面作战群作战。FFDA在很大程度上依赖于拒绝被瞄准的能力,可通过分散、欺骗、发射控制和使用与主机平台异步通信的非机载传感器来实现。此外,FFDA还定义了无人水面作战群行动的需求,作战群应能够瞄准和发射武器,包括地空导弹和对陆攻击导弹。

无人舰艇技术的现状及未来发展趋势认证作者,无人机行业知名站长,知乎无人机专栏创作者。
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