AUV在反水雷作战中的应用与展望

高晟馨 彭阿静 徐雨航

【摘要】随着海上无人智能作战平台水平的快速发展，将自主水下航行器（AUV）与反水雷技术相结合已成为该作战领域的重要发展方向。本文针对航行器关键技术开展全面研究，深入挖掘其在反水雷任务规划及作业流程中的应用手段，并结合新型智能水雷性能特征充分考虑未来对抗模式及发展方向，以期为我海军作战体系能力建设提供支撑和保障。

【关键词】AUV｜无人系统｜反水雷作战

随着具备远程控制、隐蔽投送、时敏打击等作战能力的新型水雷装备不断研制和投入使用，未来反水雷呈现出体系对抗升级、能量致胜向信息致胜转变的趋势。而水下无人作战系统因遂行任务多样、潜伏性能上佳、决策控制灵活的特点，相对于依靠有人舰艇为主的传统猎扫雷方式其应用场景更加广泛，安全性和智能化水平均有提升。而AUV则由于其全面与多用途性、环境适应性好、机动能力强等特点在该体系中扮演了重要角色。

一、AUV关键技术研究

AUV的关键技术是实现海洋探索和利用的基础。这些技术包括总体设计技术，结构与材料设计，动力与推进系统，导航与控制，以及探测与通信技术。总体设计涉及到AUV的整体性能，如耐压壳体的最终深度与重新浮出比率的关系，以及高维代理模型预测技术的HDMR-RBF方法。结构与材料设计不仅要考虑到机械强度和耐腐蚀性，还要考虑到材料的轻量化，以提高AUV的机动性和耐久性。动力与推进系统是AUV能够在水下长时间自主运行的关键，这包括电池技术，以及更高效的推进器设计。导航与控制技术确保AUV能够准确地执行任务，包括使用声纳和其他传感器进行定位，以及复杂的算法来处理数据和控制AUV的运动。探测与通信技术则涉及到AUV如何收集数据并将信息传回控制中心，这对于深海探测和长期监测任务至关重要。这些技术的发展不仅推动了AUV在科学研究和商业应用中的使用，也为海洋战略目标的实现提供了支持。随着技术的进步，未来的AUV将更加智能化，能够执行更复杂的任务，同时也将更加集群化和体系化，以实现更广泛的应用场景。

目前任何单一的反水雷手段，都难以独自应对先进水下武器系统带来的挑战。为此必须充分运用海陆空三军力量构建无人作战体系，其包括由无人机、探测传感系统等组成的无人空中系统、无人艇、布放回收系统等构成的无人水面平台以及包含水下航行器、无人预置系统的无人水下装备等，并有效结合猎、扫、炸等多种方式共同完成作战任务。其中AUV作为典型的无人水下装备，集成了总体设计、导航通信、航行控制、能源动力及综合保障等多项技术，在水下战场的侦察监视、感知识别及应急预警等领域已广泛使用。

（一）总体设计技术

在AUV进行总体设计时需要充分考虑流体计算和线性优化、舱体结构与设备布局、载荷配置及低磁降噪等各方面要求，为设备提供安装空间和接口、实现电气及通信信号的传输和中继、航行所需的浮力调节、侦察探测、攻击对抗等任务载荷投送后的浮力补偿、应急释放压载或注水自沉等功能。目前航行器的总体多采用模块化、仿生学设计。

（二）新材料技术

新型材料也为AUV的发展带来更多的可能性。在总体结构方面，如高性能复合材料和陶瓷复合材料，不仅减轻了AUV的重量，还提高了其在极端海洋环境下的耐压和耐腐蚀性能。这些材料的应用，使得AUV能够承受更深的潜水深度，延长了任务持续时间，并增强了其在复杂海底地形中的机动性和稳定性。动力与推进技术方面，新材料的使用也大大提高了AUV的能效比。例如，通过使用高能密度的电池材料，AUV可以在不增加体积的情况下，存储更多的能量，从而实现更长时间的自主操作。此外，新型涂层材料的开发，如防生物附着涂层，减少了AUV在水下长期作业时的维护需求，提高了其在全生命周期内的应用效率。

（三）导航通信技术

安全稳定的定位与航行能力是AUV实现作战任务的重要基础，而能够实时提供精确航行器位姿信息的导航系统成为了达到目标的关键因素。该系统主要由高信息输出频率导航元件与多普勒测速仪等辅助设备组成，可以有效地修正或抑制累积误差，良好地克服了水下场景中电磁波传输距离较短、无法采用卫星导航定位等问题，同时还决定了航行器水面校准对隐蔽性带来的影响。惯性导航技术、地球物理场导航技术以及水下声学定位与导航技术已得到广泛应用。同时将其结合水声通信组网的协议机制能够从水下移动节点获得与主节点的位置关系，实现协同导航增强效果，用于为AUV编队提供可靠的通信保障。

（四）航行控制技术

恶劣多变的海战场环境条件针对AUV的决策规划、感知分析和自主行动等能力制造了严峻的考验，而航行控制技术则是提高其空间适应性并确保完成预定任务的前提。在通过导航系统获得当前平台运动状态和完成期望路径规划后，需要依靠控制算法模型与分配策略迅速进行数据判断与处理、模拟行动流程并计算执行机构的输出，增强实际轨迹误差的收敛性的同时视情况做出航路变更、避障、应急上浮等动作。目前滑模控制、自适应控制、反步控制和模糊控制算法以及直接分配法、最优分配法与伪逆法的运用较为常见。

实现AUV之间的协同控制和通信是可以使其承担更加复杂的任务，它要求高度的精确性和可靠性。首先，需要建立一个有效的通信协议，这通常涉及到水声通信技术，因为在水下环境中，无线电波的传播受到严重限制。水声通信协议必须能够适应水下环境的特殊条件，如信号衰减、多径传播和噪声干扰。其次，AUV之间的协同控制依赖于精确的定位和导航系统，这些系统能够提供实时的位置信息，确保AUV能够按照预定的路径行驶，并在必要时进行避障。此外，任务规划和分配算法也是实现协同控制的关键，它们能够根据任务的优先级和复杂性，以及各AUV的能力和状态，动态地分配任务并调整路径。为了提高系统的鲁棒性和容错能力，通常会采用分布式控制架构，这样即使某个AUV出现故障，其他AUV也能够继续执行任务。最后，安全性也是设计中的一个重要考虑因素，需要确保AUV在执行任务时不会相互碰撞，也不会对海洋环境造成损害。

（五）能源动力技术

AUV所搭载的猎雷装备和通信设备需要消耗大量的能源，因此其能源动力系统的性能和质量决定了航行器的水下运行的速度、工作范围、续航力、负载能力等战技指标。出于安全可靠性和安装尺寸等方面的考虑，电能依旧是目前能源系统的主要供给方式。其中锂离子电池的能量密度较高，无电池记忆效应且充电时间短，在理想的情况下无需进行维护，近年来已被大量采用。航行器电池能源系统设计的核心则在于电池管理系统，它对延长锂离子电池的使用寿命、提高电池的工作效率和保持电池组平衡状态存在重要意义。

（六）综合保障技术

AUV的布放与回收、技术状态准备、维护和保养及存储运输等作业设备共同构成其综合保障系统。其中布放与回收作为关键环节，可分为水面和水下两种模式，用于确保航行器能够在任务启动阶段平稳入水、完成使命后顺利返航检查清理、补充能源并下载运行数据等功能实现。AUV的水面布放通常采用其载体的倾斜滑轨或机械吊臂来进行，回收则需要依靠机械挂钩或滑道；水下布放与回收往往需要借助于潜艇，包括艇内和舷外两种发射回收方式。前者的布放技术更为成熟，更适用于仿鱼雷外形的航行器，可良好地把握水下特征；后者具有较低的空间占用率，但开发难度相对较大且改变了平台的流体特性。

二、AUV在反水雷作战中的应用

AUV结合反水雷作战能显著减少人员伤亡、降低平台全寿期费用、提高雷区无人化水平，其在任务生成与规划、猎扫雷作业等关键环节发挥重要作用（见图1）。

（一）海洋战场环境监视

AUV主要依靠温盐深仪与传感器测定、记录和计算海洋战场环境的压力、浊度、电导率、温度、压力及声速等物理特性，并通过水声信号换能器基阵采集水下噪声，仪器内置单元及配套软件能够存储处理相关数据。同时借助无线电、卫星和水声通信等水面、水下通信方式接收导航信息与控制指令、准确传输系统设备状态以及基于无线分组服务技术所获取的实时监视结果，保障AUV集群、其他平台之间的协同作业并扩大感知范围，可用于支撑反水雷作战任务生成时的海洋战场环境条件预捕捉和数据库建设。

图1 AUV在反水雷作战流程中的应用

（二）作战任务自主规划

任务规划处于反水雷作战指挥控制的重要阶段，通常涉及到任务、环境、平台等多方面要素，因此需作为复杂强耦合的多目标优化与决策问题来考虑。力求在获取作战任务且满足战技指标、使用条件、平台性能约束的前提下进行兵力配置和计划制定，将任务合理分配实现装备资源的优化配置。AUV任务管理系统可根据航线校准、目标侦察、水雷清除等作战行动类型提供针对性的规划向导，支持岸基、水面、水下单体和编队等模式的扩展，在线路配置、猎雷机制、效果预测等方面可作为人工定制方案的参考。

（三）水雷目标探测识别

AUV通过配置体搜索声呐、多波速测深声呐及合成孔径声呐及等声学设备，并综合运用光、磁等手段，可使其水雷探测流程在一定程度上突破深度的限制，相互协调补充以确定掩埋情况和雷体的存在；基于声呐图像预处理、分割、剥离技术及水雷目标特征提取技术与三维处理技术实现声呐图像的自主识别。同时航行器系统可配置猎雷手段或灭雷炸弹，通过自主布放光缆与传感器形成网络，在发现或安全制导靠近可疑目标后，能够由自主决策或己方兵力指挥控制下，对其实施快速、精准打击或相关处置工作。

三、反水雷AUV技术发展趋势

针对复杂海洋环境下通过无人平台、水下网络等技术为水雷武器所带来的作战性能扩充效果，开展水下攻防态势分析和航行器发展趋势探讨（见图2）。

（一）拓宽作战海域范围

相比依靠飞机、舰船和潜艇等传统媒介执行布雷作业流程，利用无人平台的自由度与灵活性强等特点，搭载、投送水雷武器可以实现更好的隐蔽性能和部署效率，进一步延长了其在复杂海洋环境下的生存周期，使大型载体能够从该领域成功脱离并投入到其他高优先级的作战任务之中。在未来的水下攻防对抗态势里，需要AUV具备可靠的隐身性、远航程和大潜深等能力，从而便于在更加立体宽广的空间内发挥其功用。因此应当有效发展低目标、噪声及传播途径强度控制的声隐身技术和磁、雷达、红外等非声隐身技术；逐步推进动力系统从螺旋桨驱动向浮力混合驱动方式转变；通过基于燃料电池、水下无线充电的能源技术获得更高的质量比和体积比能量，以提升平台运行持久性和载荷扩展能力，在导航定位、远距离通信等功能的支持下，完成防区外远程潜入敌布雷区域等任务。

图2 反水雷AUV技术发展方向

（二）加强协同组网能力

新型水雷武器通过与分布式传感器等水下网络系统相结合的方式，其指挥、通信等作战能力得到进一步升级，降低装备投入比重的同时能够实现更为宽广的海域覆盖效果，极大地增加了反水雷任务量。为此应基于水下空间分布和信息技术优化AUV的网络交互能力，有效地扩大平台的感知范围；将多航行器组成一体化探测、侦察和打击集群，协同进行作业和作战任务以实现倍增器功用；同时注重开展AUV跨域组合发展研究，推进声学与电磁、光学等多种通信方式并举，进一步加强其与有人装备的协同运用，良好地避免了单平台在能量存储水平、自主控制技术、水下传感能力等方面所受到的限制。

（三）提升智能与自主性

自主性与远程控制能力的相互关联会显著提高水雷装备的作战性能和实用性，通过远距离人在回路及完全无人条件之间的配合，其打击目标的反应速度、作战需求灵活性、使用可靠性都有了充分的保障；而增添卫星定位技术、加装翼套件等措施则便于在布雷时获取雷区位置详细记录，大幅地改进了水雷投送范围和精度。所以新一代AUV须掌握高智能化与自主化水平，积极发展面向任务的深度学习与信息处理功能，实现目标意图判断及障碍规避等作战能力建设，用于降低人员操纵、监控和通信等需求，在完成环境交互的同时能够准确探测、识别水下目标，感知表征威胁或意外因素并做出及时适当的调整与反应，快速分析传感器收集的数据结果并根据任务影响程度进行集中、评估和分类。

四、结语

将传统反水雷装备与先进的无人技术相结合，实现反水雷作业无人化是目前该领域的重点方向之一。AUV具备隐蔽性好、安全性高、智能灵活等特点，可有效提升反水雷作战效能并降低运行成本。而随着其技术不断向成熟迈进，使命功能从辅助到中心、作战模式从单体到集群、活动范围也逐渐从浅海进入深海，已成为海上作战力量的重要组成部分。为此应当按照沿海、近海、中远海的等区域的反水雷需求，加快新型AUV的研制与前沿关键技术的运用，更好地完成其所面临的高对抗、多维度水下空间作战任务。

参考文献

[1]邱志明，马焱，孟祥尧等.水下无人装备前沿发展趋势与关键技术分析[J].水下无人系统学报，2023，31(01):1-9.

[2]刘洋，陈练，苏强等.水下无人航行器装备技术发展与作战应用研究[J].舰船科学技术，2020，42(23):1-7.

[3]王松.无人水下航行器在反水雷中的应用探讨[J].数字海洋与水下攻防，2022，5(03):260-265.

[4]徐同乐，刘方，肖玉杰等.国外无人反水雷装备及技术发展[J].兵工学报，2022，43(S2):64-70.

本期编辑：陈鲁阳

本期审核：林颖希

排版设计：周凯凯

文章来源：《中国军转民》杂志

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