美国积极研发适用于无人系统的水下目标探测载荷.docx

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1、美国积极研发适用于无人系统的水下目标探测载荷目录编者按11 .适用于无人系统搭载的小型探测载荷22 .适用于无人-无人、有人-无人平台协同探测的载荷33 .适用于无人平台集群的探测载荷34 .美国典型海底预置武器项目44. 1. 海德拉(Hydra)项目54.2. Hydra项目的优势： 64. 3.有能力在未来容纳更多的有效载荷64.3. 1.有效载荷(UFP)项目 64. 3. 2.分布式敏捷反潜系统(DASH)84. 3. 3.深海导航定位系统(POSYDON)94.4.小结105.水下无人系统发展现状及其关键技术105. 1. UUS发展现状105. 1. 1.国外研究现状105.1.

2、2.国内发展现状205.2. UUS关键技术215.2. 1.自主航行技术215.2.2,水下数据链通信技术235. 3.小结24参考文献24编者按无人系统可进入有人平台拒入的区域，增大前出范围，执行水下目标探测任务。美国正不断加大经费投入，研发适用于无人系统搭载的水下目标探测载荷，执行水下战任务。1 .适用于无人系统搭载的小型探测载荷发展适用于无人机搭载的小型声纳载荷。2021年2月美媒披露，斯坦福大学开发了一种新型航空声纳一一光声机载声纳系统。该声纳通过光声效应形成声源，声源发出的声波经过目标反射形成目标回波，目标回波穿透水和空气之间的界面在空气中传播，使用高灵敏度的空气耦合电容式微机械超

3、声换能器(CMUT)捕获空气中传播的目标回波，接收后进行后处理，生成水下目标的图像，适用于无人机等小型飞机，可探测潜艇、水雷及其他水下目标。(5)机灯在学僧总M悌需(4)透过水童立目标将发在空中代科co 瀛gc应产生厘发图1光声机载声纳系统原理示意图研发无人系统载小型传感器网络。2014年，美海军开始研发首型察打一体无人水下作战系统水下蜘蛛，以大排量无人潜航器为主体平台，携带4枚小型鱼雷及8对智能传感器节点，最大航速6海里/小时，续航力超过30天，可通过水面舰或者潜艇隐蔽部署在重要港口、关键航道周边。抵达作战区域后，水下蜘蛛自主向4个方向布设8对被动声纳线列阵，如同蜘蛛布网，自主探测、定位、识

4、别水下目标，携带鱼雷，可对敌舰艇实施快速精确打击。图2“水下蜘蛛”示意图发展适用于无人机搭载的小型磁探仪。无人机有效载荷搭载能力有限，而常规磁探仪质量较大，远超无人机的负载能力。波音公司委托加拿大航空电子设备公司(CAE)开发轻质磁探仪MAD-XR,质量为1.5kg,传感器尺寸为(D15cmx24cm, MAD-XR样机于2013年飞行测试成功，20152016年进行合格性测试。2 .适用于无人-无人、有人-无人平台协同探测的载荷开发适用于无人潜航器的小型声源。2018年2月，美国DARPA授予合同研发分布式声源网络，由大量无人潜航器搭载声源组成发射器，既可以提高信噪比，还可以在接收端汇聚声源

5、的能量，改善了传统的相控阵声纳由一组固定的发射基阵物理连接而成，布线繁琐，不便于部署和阵列孔径重新配置的问题，2019财年完成研发工作，现技术已经转化到海军。研制潜艇/无人潜航器双基地探测载荷。2017年7月，移动舷外指挥、控制、途径项目正式启动，主要任务是设计高效的声纳系统，最大限度地提高潜艇及UUV的探测范围、目标识别和跟踪能力，此外还发展和验证潜艇与UUV间可靠的隐蔽通信能力，使潜艇能够远程控制UUV执行任务。该项目于2019财年完成技术研发。3 .适用于无人平台集群的探测载荷发展适用于无人潜航器集群的探潜载荷。美国研发了近海水下持久监视网(PLUSNet),由传感器阵列和无人潜航器集群

6、组成，利用俄亥俄级巡航导弹第3页共26页核潜艇搭我和布放，能对西太平洋1万平方公里海域内的常规潜艇实施数月乃至数年探测。二三一图3 近海水下持久监视网”关键组成示意图传感器阵列包括一条水平矢量水听器阵、一条垂直水听器阵、两个完全相同的电场传感器，用于敌方潜艇的初步探测和定位，并与移动的无人潜航器集群协同探测。移动的无人潜航器集群主要包括：四个水下滑翔者、两个蓝鳍-21 一个海马无人潜航器。水下滑翔者用于环境采样，并作为网络节点间及网络与外部的通信中继；蓝鳍-21和海马用于潜艇探测、识别、定位、跟踪。发展适用于编队水下防御的无人潜航器集群探潜载荷。美国研发了分布式敏捷反潜系统(DASH),包括浅

7、海、深海两套系统。浅海系统由数十架无人机组成集群，利用无人机携带的非声传感器采用自上而下的探测方式，搜集潜艇尾流等非声学特征而探潜。深海系统由固定式可靠声学路径系统(TRAPS)和移动式猎潜系统(SHARK)组成，可靠声学路径系统应用固定声纳节点在深海对潜艇实施大面积覆盖探测，猎潜系统由数十个搭载主动声纳的UUV组成集群，在深海探测、跟踪，两系统相互配合，固定式可靠声学路径系统和其他探潜系统探测到潜艇后，由猎潜系统继续进行探测、跟踪。4 .美国典型海底预置武器项目海底预置武器作为一种未来新型的水下攻防武器装备，将无人机、无人水下航行器、导弹及鱼雷等作战装备预先放置于大陆架、岛链等敏感海域并进行

8、长时间潜伏，通过远程激活后执行侦察、打击及区域拒止等任务，该体系将岸-海潜空天等资源根据作战任务进行整合，通过发挥整体优势来夺取未来水下战场空间。美国海底预置武器主要有海德拉项目、有效载荷项目、分布式敏捷反潜系统、深海导航定位系统等。4. 1.海德拉(Hydra)项目海德拉(Hydra)项目由美国国防高级研究计划局(DARPA)于2013年发布，Hydra系统是一种无人值守、长期待机的水下作战平台族系，包括情报监视侦察型、火力打击型、水下/空中无人载具母船型及特种部队装备支援型等。Hydra系统能在水深300m的海区连续潜伏数月，通过被动方式接收指挥、控制和情报等信息，完成特定任务。Hydra

9、的无人系统能够配合有人驾驶的舰船、潜艇和飞机，交替进行水上、水面及水下的能力投送。该系统可通过海军的舰船、潜艇或飞机投送至近海区域，若研制成功，或将成为一种力量倍增器，促成更快速、可扩展、更经济的军事部署。Hydra项目的关键是研发可提供情报、监视与侦察(ISR)、反水雷等重要能力的模块化有效载荷。这些有效载荷模块使用标准化的封装，以保证各种有效载荷在运输、储藏及发射上的安全性，同时确保这些载荷的功能可以持续数周乃至数月。Hydra系统重视可扩展性、快速重配置能力以及有效载荷的最大化。海军部队可以通过舰艇、潜艇或飞机将Hydra系统运送到沿海海域(靠近海岸线的浅海国际水域)。图4海德拉(Hyd

10、ra)系统Hydra项目第一阶段重点关注整体方案设计;2016年9月，项目进入第二阶段，主要进行载荷和模块化封装接口的研发和验证。2017年4月，DARPA授予波音公司价值760万美元的修订合同，用于继续支持Hydra项目第二阶段的工作，该阶段完成情况尚未披露。4. 2. Hydra项目的优势：使融合了海洋表面、海上和海下活动的任务能够无缝进行通过超视距远程控制能力，大大增加了操作范围启用目前无法从载人平台执行的其他新功能，如用消耗性平台进行前沿部署的机载ISR,或为具有ISR能力的海底飞行器提供充电中心4. 3.有能力在未来容纳更多的有效载荷4.3. 1. 有效载荷(UFP)项目有效载荷(U

11、FP)项目由DARPA于2013年启动，旨在研制一种可在深度大于6km的海底遂行5年甚至更长时间的潜伏、在防区外激活并迅速上升、配置有效载荷和武器的水下作战平台。其基本思想是寻求可放置在海底的非致命性武器或战场感知传感器设计方案，该系统不仅可以发射有效载荷，而且可以将通信系统投放到海面。系统可远程遥控触发释放机构，载荷系统与固定系统解锁后自动上浮至水面。当载荷达到水面后，顶部的发射舱打开即可释放载荷发射装置。UFP通过飞机、舰艇等平台进行部署，可潜伏于深海数年之久，一旦需要，可通过远程激活链路实现唤醒，将内置载荷快速升至水面发射后，执行态势感知等任务。UFP包括3个关键子系统：内置水下/空中载

12、荷、耐压上浮密封舱和远程激活链路。Ris” Dar paRiser Ascends To Surfaceand LaunchesRfikaseInternal MPflyfoadTDoployedXfSurfaceRated At Full OceanDepthRiser On Sa Floor图5“有效载荷”(UFP)系统第一阶段中，DARPA资助了十多项研究和设计，以确定远程通信、深海高压容器及有效载荷释放的方法。各研究团队还提出了有效载荷的一系列任务。在测试了该系统的概念后，2014年3月25日，DARPA对UFP项目的后两个阶段进行招标，随后开始进入第二阶段：样机开发。在第二阶段中，D

13、ARPA尤其希望在小型传感器、消耗品以及小型无人系统、分布.式通信与导航技术、远程水下通信技术，以及能够在休眠状态下存活数年的耐久性机械与电气系统技术等领域能够有专业和创新的解决方案。按照UFP项目计划，2015年和2016年进行该系统相关技术的初始测试，在2017年进行全方位测试。2016年，UFP项目进入第三阶段，开始在水下环境中的演示验证实验。目前项目进展情况尚未披露。DARPA表示：世界上近50%的海洋深度超过4公里，这为隐蔽和储存武器提供了广阔的区域。因此，检索UFP节点的成本与生产和分发到海底的可能成本是不对称的。海洋提供的隐蔽性也提供了快速接触可能长期处于休眠状态和未被发现的远程

14、交战的机会，而海洋的广阔性允许在很远的地方同时行动。没有征兆地接近目标，并且毫不延迟地建立分布式系统，是UFP能力的关键属性。”4. 3. 2.分布式敏捷反潜系统(DASH)分布式敏捷反潜系统(DASH)由深海和浅海2套子系统组成。2套子系统在探测方式、探测区域上互补，以提高侦察探测效率。旨在利用无人平台搭载探测传感器代替有人平台完成对敌潜艇的探测及跟踪任务。浅海系统一UAV分布式敏捷反潜系统 一(DASH)I-深海系统-一可靠声学路径一固定基阵系统(TRAPS )一 SHARK 系统一 UUV图6分布式敏捷反潜系统组成结构图浅海子系统主要采用非声探测手段，由无人机搭载非声传感器自上而下对浅海

15、进行监视；深海子系统包含可靠声学路径子系统 (TRAPS)和潜艇风险控制子系统(SHARK)组成，TRAPS为固定式被动声呐探测系统，SHARK子系统利用无人潜航器(UUV)搭载探测声呐进行广域探潜。SHARK是一个集成了主动声呐探测系统的UUV,是DASH项目的重要组成部分，采用集装箱式机构布放，内部可放置多艘UUV(基于bluefin-21UUV改装)，具备6000米水深工作能力。图7分布式敏捷反潜系统作战示意图4. 3. 3,深海导航定位系统(POSYDON)DARPA投资研发的深海定位导航系统(POSYDON)是一种类似GPS星座的无源导航定位系统，能够综合运用水下声波信号、水而浮标、水下信标或节点、GPS信号，能够快速的确定水下执行任务的无人系统