摘 要 隨著潛艇動力革新和新型材料的應用，傳統探潛方法將面臨新的挑戰，多無人機協同探潛是一種新穎的研究方向，具有靈活性高、自主性強、探測精度高等特點。針對國內外探潛技術的發展和現役裝備進行了總結與闡述，介紹了探潛平臺、探潛設備和探潛策略是多無人機協同探潛的三個重要組成部分，并結合多無人機平臺航跡規劃及編隊等技術對未來協同探潛關鍵技術進行了展望。綜合考慮傳統和新型探潛技術的優缺點，介紹了探潛方式與探潛策略并行的新概念多無人機協同探潛技術，并對未來基于磁探儀傳感器和無人機編隊技術的探潛方式進行了展望。
關鍵詞 多無人機；協同探潛；隊形變換；編隊分生；無人機編隊；航跡規劃
在現代戰爭中潛艇的地位變得更加重要，探潛反潛任務日益嚴峻，成為各國海軍研究的重點。隨著降噪技術、不依賴空氣推進(AIP)動力技術、水聲對抗技術、潛艇編隊協同技術的發展，潛艇的隱蔽性和機動性大大提升。探潛巡邏機和探潛直升機具有反應速度快、機動能力強、留空時間長等優點，是目前主要的探潛方法，但是其裝備采購和維護費用昂貴，難以實現規模化裝備，而且其探測范圍小、效率低。單載體的探潛方式難以滿足未來大規模反潛作戰的要求，以靈活的多無人機平臺為載體，則可大大提高探潛效率和搜索范圍。
由于潛艇艇身材料、組成部件和內部各種設備均具有良好的導磁性，其磁矩必然導致周圍磁場異常。磁力儀傳感器可以精確測量其外界磁場，通過磁場的變化精確推斷潛艇的位置。同時無人機協同編隊控制技術日益成熟，可作為探潛裝置載體的最佳選擇。探潛傳感器的性能是發現目標潛艇的前提，探潛的效率取決于探潛策略，探測精度高、分辨力高、探潛響應速度快、虛警率低的探潛傳感器裝備于快速性高、機動性好、續航性久的多無人機載體是未來探潛研究的新方向。
在未來的戰場中，無人機的應用可以大大增加獲勝的概率。無人機具有眾多優點，包括機動性好、成本低、零傷亡等，面對戰場的復雜性和多樣性可以由多架無人機協同自主執行任務。本文提出了基于多無人機多編隊載磁異傳感器的協同探潛技術，對我國海軍未來探潛、反潛的發展提供建議。
各國海軍正在加速研發各種探潛裝置。聲吶探潛是目前主要的遠距離非光學探潛方式，由于消聲技術的出現與海床天然屏障的庇護，聲學探潛方式正面臨新的挑戰。據報道，美國海軍裝備的潛艇噪聲在90dB左右，與海洋背景的噪聲相當，單一使用聲學探潛已經不能滿足現代反潛的需求。生物探潛技術還在論證階段，距實際應用還有很長的時間。電場探潛、核輻射探潛只能針對特定類型的潛艇，探潛方式的通用性差。目前紅外探潛技術得到了廣泛應用，紅外探測儀AN/AAR-37裝備在美軍P-3C潛艇上，通過紅外探測系統（FLIR）感應海水溫度變化，從而推斷潛艇是否存在。激光雷達通過回聲定位探潛方式，只能探測到水面航行和潛望航行狀態的潛艇，對潛深狀態的目標束手無策。
磁探儀的應用是海軍開拓性的技術。美國海軍S-2T型探潛巡邏機裝備有AN/ASQ-10磁探儀裝置，作用距離為300m左右。由于磁探儀的優越性在實際探潛作用中突出，國內外均在加速磁探儀的研發與應用探索。比較有代表性的磁探儀傳感器有美國的AN/ASQ-208氦光磁探儀、加拿大的AN/ASQ-504銫光泵磁探儀和法國的全數字化磁力儀MADMK-3。德國研制磁探儀較早，近期正著手研究超導磁力儀和磁力梯度儀，其探測范圍、精度和分辨力等在探測潛艇應用方面明顯優于常規磁探儀和傳統聲吶、雷達等探潛設備。我國的某型號巡邏機尾部裝配磁異探測器，標志著我國的海軍空基探潛能力跨越式發展。
反潛巡邏機具有良好的機動性和較長的續航能力，可搭載多種探潛設備和攻潛武器，探潛效率高、可控制海域面積廣，是目前航母編隊遠海演練的重要組成部分。各國海軍裝備的反潛巡邏機形式大同小異，典型的主要有俄羅斯的伊爾-38，英國的獵迷,美國的海神P-8A等。我國對反潛巡邏機的研究相對西方發達國家還有一定差距，探潛能力的不足限制了我國艦船的遠海作戰能力。
大型多用途無人機的發展是海軍力量提升的重要部分，美國大型反潛無人機人魚海神MQ-4C如圖1所示。2019年11月19日，美國首次部署兩架戰略無人機RQ-4B全球鷹在俄羅斯邊境領空飛行，如圖2所示。中國具有代表性的無人機是在2019年公開亮相的偵-8高空高速偵察無人機。這些無人機均具有長航時、飛行距離遠和載荷量大的特點，搭載多樣化的反潛裝置，可實現海上巡邏監視、反潛作戰等功能，其探潛能力比傳統巡邏機探潛方式更勝一籌。
圖1 海上巡邏探潛無人機人魚海神MQ-4C
Fig.1
Patrol and submarine detection UAV: MQ-4C Triton
圖2 美軍戰略無人機RQ-4B全球鷹
Fig.2 US strategic UAV: RQ-4B Global Hawk
單一有人/無人機探潛方式難以滿足未來軍事需求，其探測范圍小、無法實時跟蹤、耗費時間長。將多個探測裝置分別裝載于多架無人平臺上，充分利用無人機在速度和航程上的優勢。研究多無人機多編隊載探測傳感器協同搜索策略，不僅可以快速完成大面積海域水上和水下的精確探潛任務，而且還可以對多個移動目標潛艇實時跟蹤。隨著基于圖論的多智能體一致性編隊控制理論、抵抗外界干擾的高階滑膜控制方法、避撞的魯棒最優和動態投影方法等技術的應用，無人機的編隊控制在理論層面有了一定的成果。將可自主執行任務的無人機編隊，搭載探潛傳感器的協同探潛是未來發展協同探潛的新思路，有利于在未來海戰中占據優勢地位。
近年來，各種各樣新型的探潛技術的提出層出不窮。生物探潛是利用發光細菌在正常生理條件下能夠發出波長450nm～490nm的熒光，潛艇航行引起周圍海域海洋發光細菌發光強度發生變化，通過有人/無人機機載光學儀器照射海洋平面，可以發現持續10min以上的光尾流，從而確定潛艇的存在。電場探潛利用潛艇的艇體與螺漿金屬材料電化學性質的特點，由于海水是天然的電解質，可以檢測到潛艇存在而引起的軸頻電場。
激光探潛是比較常用的探潛方式。有人/無人機載激光雷達發射脈沖激光串，根據海平面和海底反射回來的光，經過計算機的處理可以顯示出潛艇的形狀，從而根據圖像識別、判斷潛艇的存在。利用核輻射探潛目前還在論證階段，核潛艇的周圍存在一定程度的核輻射，使用光學檢測潛艇核輻射產生的可見藍色光，可確定潛艇的存在。紅外探測儀通過探測由于潛艇存在引起周圍海水溫度上升的方式探測潛艇。磁力計探潛是利用海洋中地球物理磁場是否有突然的變化，來探測潛艇的有無。
目前探測效果較好的探潛裝置主要有雷達、吊放聲吶、浮標聲吶、磁探儀等，聲吶受航洋噪聲影響大，難以探測采用消聲技術處理的潛艇。雷達反射成像判斷是否為潛艇的方法應用較為廣泛，但是無法探測水下目標。生物探潛技術雖然能夠對大面積海域覆蓋式搜索，可準確判斷潛艇的航跡，但是容易受天氣可見度的影響。電場探潛技術的使用可以不受天氣狀況影響，也不受運動狀態影響，但是電場探潛受檢測技術的制約。激光探潛定位精度高、隱蔽性好，受海洋環境影響小，但是搜索范圍小，只能探測到水面航行和半潛航行狀態的潛艇。核輻射探潛不受天氣和海況的影響，但是目前核輻射探測技術仍在探索階段，高精度核輻射探潛設備工程化應用仍需要較長時間。磁探儀識別能力強、探測精度高、虛警率低、分辨力高、隱蔽性好、不易受海洋環境影響，但是作用距離短。
目前，還沒有一種探潛傳感器能夠高效率、高精度、高靈敏性、高準確性的執行探潛任務，探潛傳感器的工作局限性、載體的性能和探潛傳感器的使用策略對未來探潛技術提出了新的要求。
航母編隊配置中不但會充分考慮探潛傳感器的精度與工作方式，還要考慮載體的續航和機動能力，一般在中遠程會配置反潛巡邏機，中近程會配置水面艦艇，兩者相互配合實現遠近距離探潛的區域協同。反潛巡邏機負責大范圍作戰海域的警戒搜索，發現目標后由反潛直升機進一步定位、識別。兩種探潛方式協同水平較低，僅為探潛工作上的互補，協作耦合性大，難以形成海上大規模探潛。
但在實際作戰中，潛艇往往以作戰編隊的形式出現，使得現有探潛協作方法難以應對，而且反潛巡邏機的虛警率高，難以探測到真實目標。當目標潛艇采取規避策略進行水下航行時，反潛巡邏機最多只能選擇一架潛艇跟蹤。
新型的探潛技術會導致未來海上作戰發生顛覆性的變化。磁探儀有著優良的探潛工作性能，能全天候、高頻次執行探潛任務，其存在的缺點是作用距離有限，雖然單磁探儀難以滿足大規模探潛需求，但是多無人機多編隊作為磁探儀載體可以大大提升探潛的效率。多磁探儀協同工作不僅可以大大提高搜索范圍，而且空間上的磁補償技術也能對探測精度和定位精度有更大的提升。通過無人機數量多、協同性好和控制方式簡單等優勢來解決磁異傳感器探測距離短和巡邏機成本高的問題，多無人機協同探潛作戰新概念為未來應對海上作戰提供了新思維。
磁探儀和聲吶浮標是目前探潛效果最好的兩種探潛手段，磁異探潛技術憑借定位精度高、虛警率低、響應速度快，機載磁探儀的機動性好等優點，能適應作戰的快速性、機動性、準確性要求。有人/無人機載磁探儀能夠準確探測到任意狀態的潛艇，但由于飛機的飛行速度快，單個載體難以實時跟蹤潛艇，多無人機多編隊能夠做到連續實時跟蹤潛艇的位置、速度。磁探儀性能的發揮依托載體的性能，潛艇、艦船、飛行器等都可以作為磁探儀載體，多載體的發展可充分發揮磁探儀的實際應用價值。載體的磁控技術和基于地球磁場空間位置的磁補償技術是發展多載體磁探儀技術的前提。
磁力儀的發展歷史較早、類型較多，最早的有磁通門磁力儀、質子磁力儀，后面出現的光泵磁力儀、超導磁力儀，以及近幾年有科學家利用銫原子的拉莫爾進動頻率特性精確探測其周圍磁場強度的原子磁力儀。磁場不容易受海水等非磁化物質的影響，發展高精度、高靈敏的磁探儀是未來磁探潛發展的方向。超導磁探儀靈敏度不低于10-10G，比現有常規磁探儀精度高兩個數量級，未來將深入研究核自旋、電子自旋強耦合極化問題和磁異常全張量梯度解算問題，發展探測精度高、分辨力高、探測速度快、虛警率低的磁力傳感器。
多個磁探儀協同工作，不僅能夠增加探潛的效率，而且相互之間可以進行磁補償，彼此信息融合能夠精確探測到潛艇的位置，并能進行實時跟蹤目標的位姿。構成列陣的磁探儀作用距離大，使得準確探測磁矩不低于10-8G。發展分布式磁力計網，可針對重要的區域形成一定封鎖效果或者起到線性警戒作用。磁探儀的協同工作可協同感知海域態勢，通過集成化的控制中心，實現協同偵查、協同探測和任務分配等，形成更大范圍的戰場態勢信息，從而取得勝利的絕對優勢。
磁探儀的協同工作離不開無人機載體的協同能力，在執行任務前或者執行任務過程中，綜合考慮探潛精度、效率等約束，以最優的方式協同執行任務要預先和實時規劃出無人機編隊的航跡和任務序列，航路的協同要充分考慮任務的優先級、飛行的編隊狀態、敵方的潛在威脅等，主要應用了多目標動態航跡規劃和任務分配技術、智能決策技術。
無人機編隊的機動性好，可自主飛行、自主任務規劃，以及可預先靜態規劃和動態規劃。針對固定海域實施精確探測，圍繞移動的艦船周圍環境實施動態探測，對于已經偵察的區域，無人機編隊可改變任務分配策略，一部分無人機實施進一步探測，另一部分無人機進行區域周圍警戒保證特定區域內不會有敵方潛艇滲透。
先進的多無人機編隊控制算法能更好的應對突發的海況。攜帶磁探儀傳感器的無人機編隊在發現敵方潛艇之前，按照預先規劃好的航跡飛行。當發現敵方潛艇后，需要將原來編隊分生出多個子編隊用于識別和跟蹤目標。由于編隊數量和隊形發生了變化，探測的寬度變窄，其他無人機編隊需要快速重新動態任務規劃出編隊可行的最優航跡，從而繼續執行其他未知區域的探測。
磁探儀的探測精度和辨識力不僅與目標的距離有關，而且還與磁探儀的磁補償有關。搭載磁探儀的無人機編隊在同一水平面執行任務時，探測寬度最大，但是當需要進一步辨識目標時，無人機需要由二維平面編隊變換成三維立體編隊用于磁探儀的磁補償，此時探測的寬度突然減小，需要研究多無人機編隊分生與編隊重構技術，從而執行新規劃的任務。
本文概述了探潛設備和無人機平臺關鍵技術，表明海上探潛技術仍是未來重點發展的方向。針對其存在的探測距離短和需要磁補償問題，提出了新概念多無人機協同探潛技術。通過對比分析，以高精度磁力計傳感器為基礎，多無人機協同編隊的方式具有靈活性高、自主性強、探測精度高的特點。考慮到磁補償和跟蹤目標對無人機編隊隊形的要求，深入研究無人機編隊隊形保持、分生與重組技術，充分發揮磁探儀的探潛優勢，對未來高效率、高精度探潛提供了新的思路。最后對磁探儀傳感器和未來無人機編隊技術發展方向提出了新的要求。
劉惟恒（1991-）
，男，博士，主要研究方向為多無人機協同任務規劃與編隊控制。
羅 陽
（1988-），男，碩士，工程師，主要研究方向為編隊協同控制和協同任務規
劃。
于均杰(1995-)，男，碩士研究生，主要研究方向為多無人機編隊控制。
王 平（1978-），女，博士，工程師，主要研究方向為多機編隊控制。
<完>
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