中大型无人水面舰艇及编队协同发展分析

王得朝，金霄，陈浙梁，赵正党

(天航星云国际防务技术研究院(北京)有限公司，北京 100080)

0 引言

21世纪以来，无人机、无人车等无人装备在历次局部战争中都大放异彩，各国都逐步认识到无人化是未来战争样式的发展趋势，有人/无人装备编队协同作战将是未来战场的主要方式[1]。相对无人机，中大型水面舰艇因其整体技术复杂、编队操控繁琐，在无人化方面进展相对滞后，目前各国仍然是以研发吨位较小的无人水面舰艇(unmanned surface vessel,USV)为主，主要执行侦察、监视、海上安全等单一、辅助任务，无法满足远洋航行、强火力支援及打击任务。中大型无人水面舰艇(medium/large USV,MUSV/LUSV)作为美国重点发展的装备之一，虽然可以在未来海战中起到颠覆性作用，但一个新的装备必须要配合新的作战理论和作战方法，才能发挥其最大效能。例如坦克，在组成装甲集群发动闪电战之前，各国更多的只是按比例配备于步兵进行进攻，没有展示出其陆战之王的能力。

因此，对于即将到来的海上无人化作战或海上有/无人编队作战，应提前展开充分研究和布局谋划，为未来海上作战样式提供新思路和技术储备。

1 国外军用无人水面舰艇发展现状

无人水面舰艇的发展受到了各国的重视，目前已有数十款型号进入试验或服役阶段，包括美国、以色列、俄罗斯、英国、法国、日本、韩国及新加坡等在内的国家都开展了相关的研究，相继研制出本国的军用无人水面舰艇。

1.1 美国

美国是目前无人水面舰艇最主要的研发国家之一。已相继研发了数十种型号用于任务测试及部队部署，其中“斯巴达侦察兵”、“遥控猎雷系统”和“海狐”已正式服役[2]。美国国防高级研究计划局(the defense advanced research projects agency,DAPAR)主导研发的反潜持续跟踪无人舰艇“海上猎人”(anti-submarine warfare continuous trail unmanned vessel,ACTUV)已于2016年正式下水，如图1 所示。该项目表明了美军对中大型无人水面舰艇的重视程度，该系统重140 t，续航能力达9 000 n mile(1 n mile=1 852 m)，可连续作业90天，是目前全球最大的军用无人水面舰艇[3]。

图1 反潜战持续追踪无人舰艇(ACTUV)Fig.1 Anti-submarine warfare continuous trail unmanned vessel (ACTUV)

在对无人水面舰艇的远期发展方面，美国同样处在世界前列。本世纪初美军就提出了使用滨海战斗舰(littoral combat ship,LCS)发射可回收的无人水面舰艇进行有/无人协同行动。2007年发布了《海军无人水面舰艇主计划》，规划了无人水面舰艇可执行的7类任务，以及未来发展所需的5项关键技术[4]。同时从2007年起，国防部已发布了5版《无人系统路线图》，对无人装备的发展进行了顶层规划，其中最新的2017版《无人系统路线图(2017-2042)》，较之前版本虽有不少精简，但却增加了一章有关人机协同的内容。该章节分为人机接口和人机编组2部分，并对其进行了未来25年的近、中、远期规划，认为集成有/无人力量可以加强美军在全球的力量，是未来美军作战的基本要求[5]。此外，美军最新发布的《海军大型无人水面舰艇和水下无人潜航器：背景和相关问题》报告中称，海军将在2020年及之后大力发展和生产中大型无人水面舰艇(MUSV/LUSV)。按照美国定义，大型无人水面舰艇长度为55～91 m，可装载各类模块化载荷，如反舰和对地导弹，总重最高可达2 000 t，并基于商船来设计以此来降低成本；中型无人水面舰艇长度为12～50 m，主要用于情报监测与侦察和电子对抗[6]。

无人水面舰艇的自主性和集群控制技术，是目前各国重点研究的方向之一。2013年，美国海军研究办公室首次验证了无人水面舰艇控制技术，由13艘无人水面舰艇(5艘自动控制、8艘遥控)编队，协同完成了对潜在目标的跟踪和拦截。之后于2016年，再次实现了异构平台的无人水面舰艇组成的编队进行自主巡逻任务，以对港口进行保卫。在2019年7月举行的先进海上技术演习中，海军使用远征无人水面舰艇，并执行了保护有人舰的任务。

1.2 以色列

以色列在无人水面舰艇的研发和应用领域也处于世界先进水平，已研发多款装备并投入使用。其中，“保护者”是全球第1代参与实战的无人水面舰艇，其上装备了1挺1.62 mm或12.7 mm机枪，其升级版本“海上骑士”，更可多加装一门水炮和“长钉”导弹，并成为全球首艘能发射导弹的无人水面舰艇挺。2016年，以色列又推出了“海鸥”多功能无人水面舰艇，使用一套控制系统可由操作人员同时控制2艘无人水面舰艇，主要用于反水雷和反潜作战[7]。

1.3 其他国家

英国发展了数型无人水面舰艇的型号，如“卫兵”、“Pacific 950”以及最新研制的“MAST-13”无人水面舰艇。在对无人装备的指控方面，英国也研发了海上自主平台指挥控制系统，并在2019年9月，参加北约举行的“认知环境-海上无人系统”演习时对该系统进行了验证，该系统可以同时控制不同国家生产的多种无人平台，如无人机、无人水面舰艇等协同完成预定任务。

俄罗斯于2018年推出了可由直升机操控的多功能无人水面舰艇，该无人水面舰艇可将探测到的潜艇信息及时发送给反潜飞机。在规划方面，俄罗斯已于今年开始制定“机器人部队组建任务”路线图，并于2025年前完成相关研究、试验和无人部队的组建。计划到2025年时无人作战平台占全部武器装备的30%以上。

韩国韩华集团也于2020年6月宣布，将投资约1 560万美元，用于无人水面舰艇的“集群控制技术”项目，旨在针对海军应用开发具备自主编队作战能力的无人水面舰艇。

2 国外有/无人编队协同项目现状[8]

在海洋作战时，海上环境较为复杂，仅依靠目前无人水面舰艇的自主程度，无法完成复杂程度较高的任务，同时因为海洋范围广阔，陆上指挥中心和无人水面舰艇距离会较大，从而影响传输效率，尤其是在出现干扰时该问题尤为严重。这种情况下，以有人舰为指挥中心，同无人水面舰艇组成有/无人编队是最好选择，有人和无人平台并非互相代替，而是互相补充的关系，充分发挥两者各自优势，达到装备效能最大化。目前各国也在积极研发有/无人协同技术，主要集中在空中和地面无人作战方面，但其指导思想和理念也值得无人水面装备使用和借鉴。

2.1 水面有/无人协同

为重塑“反介入/区域拒止”能力，美海军提出“分布式杀伤”和马赛克战概念，以“认知、动态与分布”和舰队模块化、重构性作为水面舰艇编队的发展目标，持续推动中大型水面和水下无人系统发展，构建水面舰艇编队新质作战力量。2020年财年造舰计划中，美国海军明确建议未来大型有人水面舰艇、中小型水面有人舰艇、大型无人水面舰艇、中型无人水面舰艇的配置比例为1∶2∶3∶4，无人平台占比高达70%(图2)。2021年3月16日，美国海军部对外正式发布《无人系统计划框架报告》，作为海军和海军陆战队推进无人系统的纲领文件，明确指出未来重点发展大型水面舰艇、中型水面舰艇、海上猎人、反水雷舰艇等7型无人水面舰艇，其中大型无人水面舰艇搭载导弹武器载荷，其他主要搭载各类侦察任务载荷(图3)。

图2 美海军兵力结构调整示意图Fig.2 A diagram of U.S.navy force architecture in the future

图3 美海军未来重点发展无人水面舰艇类型Fig.3 USVs portfolio to be focused by U.S.navy force

2021年4月19日至26日，美海军举行“无人一体化战斗问题2021演习”，首次开展有无人装备体系化实装演习，通过MQ-9无人机、海上猎人中型水面无人艇对水面目标实施侦测，引导标准-6导弹成功击中400 km外的模拟目标。本此演习是对有人/无人系统、空海无人系统协同、分布式作战等作战模式和作战理念的一次成功探索，为后续海军无人系统发展提供了宝贵的数据和经验支撑。

图4 无人一体化战斗问题2021演习Fig.4 Unmanned integrated battle problem 2021

2.2 空中有/无人协同

(1)“忠诚僚机”项目

美军于2015年提出了“忠诚僚机”项目，旨在实现有/无人战机组成编队协同完成任务，增强美军未来在拒止环境中的作战能力，并在关键时刻保护有人机的安全。在该项目中，美国空军研发的XQ-58A“女武神”无人战机已于2019年完成首飞，并在2020年12月，通过搭载“gatewayONE”网关设备，以便对不同格式的数据进行转换，从而完成了与F-22和F-35的协同飞行试验，并首次实现了在F-35A和F-22之间进行轨迹数据的传递。

(2)“MUM-T”项目

美国陆军航空兵也研发了新的协同有人/无人系统编队能力(manned unmanned teaming,MUM-T),使AH-64E“阿帕奇”武装直升机通过数据链接收来自MQ-1C “灰鹰”无人机和V2型RQ-7B“影子200”无人机数据，实现可以控制各类配备战术数据链的无人机的飞行，从而达到MUM-T中的第4级协同能力。图5显示了从安装在AH-64D“阿帕奇”上方的圆形长弓无人机系统战术通用数据链路组件到附近的灰鹰无人机系统的数据路径[9-10]。

图5 MUM-T项目Fig.5 Manned-unmanned teaming program

(3)其他项目

除美国外，其他国家也在积极研发类似项目，如欧洲联合研制的“神经元”无人战斗机与“阵风”战斗机及预警机一起编队完成了配合作战的任务，如图6所示。俄罗斯研制的S-70“猎人”隐身无人攻击机，也完成了与苏-57战机组成有/无人编队进行协同作战，此外军方在2020年首次展示了“雷霆”隐身无人机，其具备隐身能力，且相较于S-70成本更低，是为成为苏-35和苏-57的忠诚僚机而设计。

图6 神经元无人机、阵风战斗机和猎鹰公务机编队Fig.6 Neuron UVA，Rafale and Falcon jet formation

2.3 地面有/无人协同

(1)“班组X”(Squad X)项目

该项目旨在通过集成无人地面车辆、无人机、先进传感器和机器学习等技术，来增强班组人员在战场的共享感知和响应能力，解决陆军班组在行动中只能打击个人视线所及范围内的目标这一存在数十年的问题。

(2)多域龙骑兵小队(MDS)项目

该项目旨在使陆军未来可在多个领域或跨多个领域作战，更好地对抗反介入和区域拒止(anti-access/area denial,A2/AD)功能，并最大限度结合部队的机动性能和作战能力。MDS作为概念验证项目，将为陆军提供一支高度致命、机动的小型部队，包括分成为4个火力队的12名士兵，每个士兵都配备了外骨骼及AR/VR头盔，使士兵可以长时间使用更重的武器，并随时通过无人机和无人机器人来获得各类战场态势感知。陆军希望通过这些新技术的结合为美国未来陆军作战形式提供参考[11]。

(3)其他项目

俄罗斯近年也在大力发展无人装备，尤其重视陆军机器人的研制，研发了十数款各类型号的无人地面装备和对应的指控系统。并于2016年，在叙利亚战场上全球首次投入了整编制的无人装备进行作战，配合叙利亚政府军，在20 min内攻占了敌方阵地，并取得了击毙敌方70人，己方零死亡的战绩。相比美国，俄罗斯目前更偏重以无人装备为主，有人为辅的有/无人协同作战，而不是有/无人互补协同编队作战。

由上可见，各国目前均在争相发展无人装备，并同步开展无人系统有/无人协同作战模式和理念的研究，无人水面舰艇发展逐步向体系化、协同化、分布式的方向发展，小型、中型等无人水面艇主要搭载侦察载荷，为有/无人编队提供态势感知和目标指示，大型无人水面艇主要搭载导弹武器载荷执行打击任务。同时，现阶段无人水面艇正处于发展初期，单平台自主能力有限，作战应用主要是随有人舰船组成有人/无人协同编队，实现有人舰队的能力增强。

3 中大型无人水面舰艇在有/无人编队中的作用

在水上有/无人编队协同任务中，中大型无人水面舰艇可与有人舰艇协同开展远洋作战，执行打击、防御任务，可作为有人舰艇诱饵，降低有人舰被发现的概率，同时也可作为武库舰，作为前驱火力节点对敌进行打击，也可作为其他各类载荷的通用装载平台。

(1)对有人舰艇进行防护，通过配备防空武器、箔条干扰弹等武器载荷，使无人水面舰艇前置提前开展拦截和干扰作战，扩大编队防御半径，丰富防护手段。

(2)降低有人舰被发现的概率，在侦测到敌方攻击时，可通过无线电诱偏技术，模拟有人舰的辐射特性，也可以通过合理布置的温度传感器及中枢控制系统，模拟有人舰的红外特征，诱偏敌方攻击武器，提升有人舰生存能力[12]。

(3)武库舰，中大型无人水面舰艇可充分利用自身大空间的优势，搭载通用垂直发射系统，混装防空、反舰及对地打击导弹，有效扩展有人舰的载弹量和武器类型。

(4)火力前置，相较于有人舰，无人水面舰艇拥有更小的体积，配合其隐身特性，不易被发现，可行驶于有/无人编队前方，有人舰在后方通过通讯中继节点进行指挥，让无人水面舰艇在更靠近敌方的位置发动攻击，压缩敌方的反应和决策时间，从而提高突防概率。

(5)可搭载侦察、扫雷、探潜等载荷，提升有、无人编队的态势感知能力，同时，也可充分利用中大型无人水面舰艇自身强大的承载能力及长续航能力，运输弹药、装备和燃料等物资，提高有/无人编队的后勤补给能力。

4 未来海上有/无人协同典型作战流程

美军在2007年发布的《海军无人水面舰艇主计划》中，提出了无人水面舰艇可执行的7类任务，分别是排雷、反潜作战、海上安全、水面作战、支援特种作战部队、电子对抗战和支援海上封锁。根据中大型无人水面舰艇的长续航、高载荷等特点，针对未来可能爆发的海上冲突，本文以中小规模水面舰艇作战为基础场景，基于OODA循环理论(观察(oberve)、调整(orient)、决策(decide)以及行动(act))，通过使用中大型无人水面舰艇，与有人舰艇协同编队进行远洋水面作战的任务，对作战流程进行简要设计：

(1)侦察预警

通过使用侦察卫星、预警机以及长航时无人侦察机等设备，对己方海域进行侦测。当发现疑似目标后，可保持对目标的跟踪，并及时将信息回传至己方指挥中心，让指挥人员进一步判断。

(2)作战准备

指挥中心在确认该信息为敌方目标后，及时制定作战方案，并根据敌方编队组成，派遣以有人舰为首，数艘中大型无人水面舰艇组成有/无人水面舰艇编队，以此消灭或驱逐进入己方海域的敌方目标。同时根据作战任务为有/无人编队准备各类作战物资，并为中大型无人水面舰艇配备反舰及防空导弹，具体武器载荷配备如表1所示。并将作战任务导入无人水面舰艇的指控系统，生成作战计划。

表1 有/无人水面舰艇编队组成Table 1 Manned/unmanned formation

(3)作战实施

有/无人水面舰艇编队根据目标位置信息，向目标区域靠近。当目标进入我方反舰导弹的射程后，编队可进行武器发射准备，指挥人员通过发控系统及战术数据链，对无人水面舰艇上的导弹进行

发射前准备，如导弹加电，陀螺启动，并将无人机传回的目标实时位置，以及各种参数装定至导弹。发射准备完成后下达攻击指令，攻击方式可采用双发攻击，或者饱和攻击。

(4)效果评估

在导弹发射后，可派遣无人机对目标进行观察，并通过图像或视频实时回传至有人舰艇，指挥人员根据目标的受损程度，决定下一步的行动。在确认目标沉没或丧失战斗力后，有人舰可指挥无人水面舰艇以编队形式回撤，并且在行进过程中，保持侦察和预警，防止编队遭到攻击。

5 有/无人协同编队的优势

目前各国有人舰的建造成本不断上升，导致各国海军有人舰的保有数量始终无法提升，甚至在不断地削减作战舰艇的数量，同时舰艇上几十至数百人的船员也是国家的宝贵资源，不能轻易损失。因此发展可在远洋航行作战的中大型无人水面舰艇与有人舰艇编队，作为保持海军作战能力的一个有效方法。

中大型无人水面舰艇的优点有：①效费比高，其运行和维护成本较有人舰艇相对较低，如美国的海上猎人验证艇每日使用成本只有阿利·伯克级驱逐舰的几十分之一。②可消耗性，无人水面舰艇建造成本较低，只需少数人员即可运行，在服役后亦可较快形成战斗力，因此在战场中可用于吸引敌方火力，起到保护有人舰艇及作战人员的作用。③生存能力强，相比同级别的有人舰艇，其较小的体积和较浅的吃水线亦可降低被击中的概率。④干扰敌方判断，数量众多的无人水面舰艇，可通过模拟有人舰艇特征，使敌方无法判断我方关键节点的位置，从而延长其OODA回路的时间，为己方争取先机。⑤火力强，中大型无人水面舰艇所配备的武器载荷，可以对目标进行饱和打击，对目标造成巨大损伤。

中大型无人水面舰艇与有人舰艇协同，带来的优点有：①降低技术难度，与纯自主无人舰艇或无人编队相比，有/无人编队协同与在技术上更加容易实现，避免使用过于复杂的控制算法，降低对无人水面舰艇自主性的要求，并能更好地应对战场上的突发情况。同时有人舰的存在可以使无人水面舰艇在遭受干扰时顺利完成任务。②作战方式灵活，战场多变的形式可能会超出目前无人水面舰艇自身算法的局限，而凭借有人舰艇指挥人员的丰富经验，更好地应对此类情况。③维护保障压力小，有/无人编队可实现无人平台健康自主管理和有人舰船保障的有机结合，通过有人舰艇的辅助保障降低纯无人平台远距离航行自我保障压力，提高无人舰艇的可靠性、可用性。

6 未来提高有/无人协同编队效能的关键技术[13]

对于提高未来在远洋的海上有/无人协同作战效能，所需解决的关键技术大致可分为2个方向：一个是提高无人舰艇的自主能力和协同能力，如对海自动建航技术、基于综合射频的一体化探测及通信技术；另一个是提高中大型无人水面舰艇自身的稳定性，如发展适应远洋航行的艇型结构设计、高智能的自主指控系统以及多重领域的隐身技术。

6.1 对海自动建航技术

现阶段，中大型无人水面舰艇主要随有人舰队执行协同作战任务，航程大、时间长，亟待提升自主航行能力，对海自动建航技术成为自主能力提升的主要约束。对海自动建航技术能够实现对海面固定目标和运动目标的全自动建航，为无人水面舰艇自主航行提高信息保障。该技术可将目标聚类算法引入到数据处理中，基于聚类的思想对点迹进行凝聚并采用“质心算法”对点迹进行估计以保证目标点迹的稳定性，对多个点迹数据，进行点迹二次凝聚，保障目标航迹的稳定性。同时，还应采用一体化的雷达、光点集成探测系统设计，综合应用光电、射频信息，通过射频光电融合检测技术，对海面目标进行定位、运动参数提取、分类识别、尺寸测量，为自动建航提供准确可靠的数据支撑。此外，还应加强假目标和虚警探测研究，采用类似基于杂波区域自动识别的虚假航迹抑制技术，进一步降低虚假目标航迹产生概率，实现无人水面舰艇自主、可靠航行。

6.2 高效稳定的通讯技术

无人水面舰艇作为有/无人舰艇编队的能力增强倍增器，需要长时间、频繁对空中和海面目标进行探测、跟踪、识别，同时要完成大宽带、低延时的态势数据和控制数据回传，对侦察载荷的威力、通信系统的品质提出了更高要求。目前，舰艇编队的视距内数据通信主要依托单独配置的自组网通信数据链，通信距离、数据带宽、传输延迟等核心能力相对较差，且复杂战场环境下的抗干扰能力有限，容易与侦察载荷存在互相干扰，或被敌方干扰设备干扰。为提升通信系统传输带宽、降低时延、提高抗干扰能力，应该发展基于综合射频的一体化探测和通信技术，无人水面舰艇搭载多功能雷达，实现目标探测的同时，依托雷达射频通信技术，实现舰艇编队的协同组网通信能力，将通信带宽提高至30～50 M，利用定向窄波束传输提升通信系统在复杂战场环境下的抗干扰能力。此外，还应采用更为先进的数据压缩、加密、解压技术，如跳频、直接序列扩频、发射时间抖动、双脉冲符号、纠错编码、交织检错编码等方法，提升传输效率和系统安全性；也要发展更先进的算法，从而提高基于异构传感器的数据融合能力，并减少操作人员核对信息的时间[14]。

6.3 适应远洋航行的艇型结构设计

与江河及近海等风浪较小的区域不同，中大型无人水面舰艇主要在远洋执行任务，因此在设计时首先应考虑无人水面舰艇的耐波性和稳性，尤其要对舰艇重心严格控制，保证重量和浮力合理分布，避免在海上出现倾覆的危险，以及减小在风浪中持续航行时出现的航向偏离。其次艇型结构应足够坚固，保证舰艇可承载足够的任务载荷。同时结构尽量简单，便于维护和控制成本[15]。

6.4 高智能的自主指控系统

中大型无人水面舰艇因吨位较大，在航行时存在较大的惯性，同时远洋存在的海浪、雾和大风等环境因素，使得其控制过程相较小吨位无人水面舰艇更加复杂。因此需要使用高自主性的舰上指控系统，配合在舰艇上安装的各类传感器，对采集到的周围环境变化及舰艇内部各类设备的状态变化，做出及时判断和处理。未来可通过改进指控系统的深度学习、神经网络控制及自主决策等技术，使中大型无人水面舰艇在进行诸如作战等复杂任务或应对突发情况，需要人员及时介入并进行控制时，可尽量减少参与的人员数量，降低无人水面舰艇对控制人员的依赖和要求，使得有/无人编队在减少使用有人舰数量的情况下仍拥有同样的作战效能。

6.5 多重领域的隐身技术

中大型无人水面舰艇的高隐身性对完成远洋作战任务有着极大帮助，一般包括雷达隐身、红外隐身、声隐身和电磁隐身。减小无人水面舰艇雷达特征的方法包括使用综合桅杆和使用吸波材料。减小红外特征的方法包括在船体使用绝热涂料，在船体内使用隔热层，或在舰体上使用复合材料。减小声波特征的方法包括使用改进的推力技术，如电力和磁流体等，舰体内安装隔音罩，舰体使用吸声涂层和消声瓦等。减小电磁特征的方法则包括舰体使用低磁或无磁材料以及减少舰上电子设备的发射功率和使用时间等[16-17]。

上述各项技术的突破都可以极大地提高无人水面舰艇的性能，但在中大型无人水面舰艇上应用众多的先进技术也势必增加建造的成本，因此在设计中应根据使用需求，综合考虑对应的性能指标，从而使中大型无人水面舰艇的效费比达到最大。

7 结束语

本文通过研究分析现有的空中和地面有/无人协同项目，对未来海上有人舰与中大型无人水面舰艇进行有/无人协同编队的作战模式进行了初步探索，并在此基础上分析了有/无人编队的特点，以及未来实战应用所面临的核心关键技术。无人水面舰艇的发展符合美国海军提出的分布式作战、马赛克战的作战理念，当所有的中大型无人水面舰艇都配备致命火力时，对手就必须消耗大量宝贵的侦察资源来确定所有舰船的位置，并保持跟踪，且无法判断是否有未被侦测到的舰艇，从而使敌人的行动收到牵制。未来应让有/无人水面舰艇发挥各自优势，补位增强，最大程度地提高有/无人编队的作战效能，从而使有/无人水面舰艇编队成为颠覆现有海战规则的新型作战模式。