探析無人艦艇技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

應(yīng)海軍研究局要求，蘭德公司2019年1月發(fā)布題為《先進(jìn)的自主系統(tǒng)——無人艦艇技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢》報(bào)告（下稱《報(bào)告》）?！秷?bào)告》以海軍無人潛航器（UUV）和無人水面艇（USV）兩大平臺為基礎(chǔ)，探索了增加海軍自主系統(tǒng)的數(shù)量和能力的潛力，審查了自主系統(tǒng)的發(fā)展和海軍的作戰(zhàn)需求，描繪了最新的自主技術(shù)如何有效地推進(jìn)當(dāng)前和未來作戰(zhàn)。

自主技術(shù)的現(xiàn)狀

自主技術(shù)的發(fā)展一直相對穩(wěn)定，但目前尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)對突發(fā)狀況的自主系統(tǒng)，且未來很長時間內(nèi)也不會出現(xiàn)。如果沒有大規(guī)模而針對性的投資和開發(fā)，很難實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)的軍事應(yīng)用，商業(yè)現(xiàn)貨技術(shù)還無法支持復(fù)雜的任務(wù)。

《報(bào)告》指出美海軍應(yīng)重新審視關(guān)于自主技術(shù)發(fā)展的假設(shè)；在需要高度自主的系統(tǒng)中，將自動生成技術(shù)與其他功能（如發(fā)電和存儲）的開發(fā)結(jié)合起來；使用自主系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢研發(fā)新的作戰(zhàn)概念；重新評估未來無人系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求；研發(fā)使自主系統(tǒng)高效決策的技術(shù)；開發(fā)可使人們定期評估自主系統(tǒng)的機(jī)制；評估復(fù)雜多任務(wù)平臺的可行性，同時考慮簡單且協(xié)同性平臺。

《報(bào)告》針對算法、有效載荷和平臺分析了自主系統(tǒng)的現(xiàn)狀：

①算法。算法是自主系統(tǒng)的核心，機(jī)器學(xué)習(xí)算法尤其適用于探索性任務(wù)，如基于圖像或其他傳感器數(shù)據(jù)的目標(biāo)分類任務(wù)。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)雖然有所發(fā)展，但鑒于自主系統(tǒng)對嵌入式計(jì)算的更高需求，以及對抗機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的新興技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的軍事應(yīng)用也在衰減。目前，基于控制理論的設(shè)計(jì)方法在軟件代碼領(lǐng)域沒有明確的發(fā)展，加之驗(yàn)證和確認(rèn)算法的技術(shù)有限，導(dǎo)致算法在水下運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

②有效載荷。有效載荷是自主系統(tǒng)所攜帶的設(shè)備，旨在與外界環(huán)境的交互。主要包括導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信和武器。

③自主平臺。大多數(shù)平臺都是中小型的，最大速度和耐久性都相對較低。其中速度是關(guān)鍵參數(shù)，航速與推力之間的關(guān)系決定了自主平臺的規(guī)模。燃料電池和核能可提升平臺的耐用性，但核動力系統(tǒng)仍存在諸多安全問題。

現(xiàn)有殺傷鏈的自主性

殺傷鏈?zhǔn)侵笧檫_(dá)到作戰(zhàn)效果所需的一系列事件，殺傷鏈的步驟通常包括情報(bào)準(zhǔn)備、檢測、定位、瞄準(zhǔn)和交戰(zhàn)。海軍認(rèn)為，自主性可得到最好利用的三個領(lǐng)域是水雷反制措施（MCM）、拒止區(qū)域情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）和作戰(zhàn)欺騙。在這些領(lǐng)域中，有人系統(tǒng)操作面臨的風(fēng)險(xiǎn)較高，需要在不利環(huán)境或不確定環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。

①M(fèi)CM。MCM有兩種類型。一是獵雷，目前一些無人艦艇專為MCM設(shè)計(jì)或可用于MCM，其運(yùn)用可提高積極識別水雷的機(jī)會。但是，當(dāng)前的殺傷鏈需在與不同傳感器接觸時進(jìn)行多次信號傳遞，耗時長、過程復(fù)雜，主要原因是多個傳感器未以一致的方式連接，無法共享目標(biāo)信息。二是掃雷，當(dāng)前，除利用艦艇發(fā)出引爆水雷的壓力信號進(jìn)行掃雷外，無其他掃除壓力水雷的方法。掃雷要求艦艇能夠沿預(yù)先設(shè)置的道路航行，并正確對預(yù)期目標(biāo)水雷產(chǎn)生影響。自主系統(tǒng)可輕易完成預(yù)設(shè)道路的航行，但對自主糾正設(shè)置的能力需求不高。

②拒止區(qū)域ISR。執(zhí)行該任務(wù)時，潛艇面臨的風(fēng)險(xiǎn)較高。使用無人自主系統(tǒng)進(jìn)行拒止區(qū)域ISR任務(wù)時，其殺傷鏈在某些方面與使用有人系統(tǒng)類似。如果UUV想要有效完成拒止區(qū)域ISR任務(wù)，將需要額外的自主能力，包括優(yōu)化傳感器和采集系統(tǒng)、判斷已收集數(shù)據(jù)的價值以減少傳輸量、安全傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)、感知并適當(dāng)應(yīng)對威脅等能力。

③作戰(zhàn)欺騙。作戰(zhàn)欺騙旨在使敵人搜索虛假目標(biāo)，甚至可能對虛假目標(biāo)發(fā)動大規(guī)模襲擊。為執(zhí)行遠(yuǎn)程欺騙任務(wù)，海軍歷來使用有人平臺模擬虛假目標(biāo)。然而，在作戰(zhàn)欺騙任務(wù)中，無人系統(tǒng)也可發(fā)揮重要作用。此外，無人系統(tǒng)若想有效完成任務(wù)，需可靠復(fù)制航母打擊群（CSG）的行為和信號，并尋求以下能力：獨(dú)立航行到CSG視線控制能力之外的區(qū)域；與其他無人裝備協(xié)調(diào)定位，以在雷達(dá)上可靠地顯示類似于CSG的兵力；操作系統(tǒng)可靠地復(fù)制CSG的發(fā)射器；主動或被動自衛(wèi)。

未來艦隊(duì)架構(gòu)及其自主能力

《2017財(cái)年國防授權(quán)法》要求國防部開發(fā)三種獨(dú)立的艦隊(duì)架構(gòu)，以幫助確定2030年及以后鞏固海軍的關(guān)鍵能力和部隊(duì)結(jié)構(gòu)。未來艦隊(duì)設(shè)計(jì)架構(gòu)（FFDA）中自主性需求包括：

①克服A2/AD挑戰(zhàn)。海軍的FFDA要求艦船廣泛分散，所有艦艇都具備能夠運(yùn)載導(dǎo)彈或其他動能載荷的能力。這一要求可能意味著艦船不能被允許執(zhí)行單一任務(wù)，且MCM系統(tǒng)需要更小的空間，并實(shí)現(xiàn)自主操作，因此需要傳感器處理和機(jī)載決策方面的進(jìn)步。

②在拒止區(qū)域收集情報(bào)。這一任務(wù)中，UUV不僅需要穿越水雷和障礙，而且需在拒止區(qū)域連續(xù)不斷地克服水下傳感器和武器面臨的挑戰(zhàn)，UUV傳輸信息的能力將被極大地限制。UUV具備在此環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的潛在能力，其滲透能力也可對進(jìn)攻性布雷任務(wù)起到作用，但拒止區(qū)域內(nèi)使用自主系統(tǒng)的價值值得懷疑。

③進(jìn)攻性布雷。該任務(wù)要求UUV在A2/AD系統(tǒng)傳感器范圍之外的距離內(nèi)航行，且無法被探測；避開障礙和反制措施；攜帶足夠多水雷，以形成一個有效雷區(qū)；潛在控制已部署的感應(yīng)水雷的引爆。

④拒絕被瞄準(zhǔn)及執(zhí)行無人水面作戰(zhàn)群作戰(zhàn)。FFDA在很大程度上依賴于拒絕被瞄準(zhǔn)的能力，可通過分散、欺騙、發(fā)射控制和使用與主機(jī)平臺異步通信的非機(jī)載傳感器來實(shí)現(xiàn)。此外，F(xiàn)FDA還定義了無人水面作戰(zhàn)群行動的需求，作戰(zhàn)群應(yīng)能夠瞄準(zhǔn)和發(fā)射武器，包括地空導(dǎo)彈和對陸攻擊導(dǎo)彈。