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这种系统可提升海军精确作战能力

来源:光明日报客户端2019-04-17 19:06

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  2016年12月上旬,俄罗斯圣彼得堡海洋仪器康采恩表示,新型水下导航定位系统已完成研制。这种定位系统能在北极冰层以下工作,综合运用超短波通信和水声通信等方式,可与空中、水面和地面的控制中心实时交换信息,并借助深海浮标,为无人潜航器(UUV)提供米级以下的高精度导航定位服务。与此同时,美军也在进行相关研究工作。俄、美新型水下导航系统未来一旦服役,就可在确保水下平台生存能力的同时提升水下精确作战能力。它虽然不是一种全新的系统,但综合集成和改进了现有通信导航技术,并在其运用上进行了创新,仍然具有革命性意义。

  一、发展动因

  俄罗斯、美国开发新型水下导航系统,既是出于提升现有装备战术技术性能的需要,也是满足其军事战略的需要。

  (一)国外现有水下导航系统无法满足水下战的需要

  国外现役或发展中的水下导航系统主要包括惯性导航系统、声学导航系统、GPS导航系统、地球物理属性导航系统等。惯性导航系统是一种采用惯性测量单元获取水下航行体在水下的三轴姿态和线加速度,并进一步将线加速度对时间进行两次积分以计算出水下航行体相对于地球位置的导航系统。这种系统的主要不足是随着时间的推移,会存在累积误差,只适用于近中程导航,远程导航则误差较大。一般自动水下航行体上安装的惯导导航系统漂移率为1千米/小时,而核潜艇上的惯性导航系统漂移率最低,可低至 0.01千米/小时。执行任务的时间越长,其导航漂移率越大。若要实现高精度远程导航,则需要定期接收 GPS信号,修正导航误差。

  声学导航系统采用信标来对UUV进行导航。根据声收放机布放位置的不同,可分为三种形式,即标准长基线定位系统、改进型长基线定位系统和超短基线定位系统。由于声学导航需要位置已知的信标参与,所以水下航行体的作业区域必须位于信标周围的多边形区域内。因此,这种基于信标的导航系统作用区域仅为10千米2左右。

  GPS导航系统可校准UUV等小型设备的累积导航误差,迅速获得精度很高的导航信息,但是电磁波在水中快速衰减,同时为了获取校准信息,UUV需上浮至水面接收GPS号,影响其生存能力,从而限制了GPS系统的应用范围。

  地球物理属性导航系统是一种使用可观测的地球物理特征(磁场、重力和地形等)获取水下航行体位置估计值的导航系统,也是一种自主性、无源性导航系统。按照所使用地球物理特征的不同,地球物理属性导航系统可分为地磁导航系统、重力场导航系统和地形辅助导航系统。这三种导航系统要正常发挥作用,必须事先获取已知水下航行体经过区域的地球物理特征分布图。总体上看,地球物理属性导航系统目前处于早期发展阶段。美国已开发出水下定位精度优于500米的地磁导航系统,但其综合战术技术性能尚比不上惯导+GPS的组合导航系统。

  (二)俄、美水下攻防对抗需要发展新型水下导航系统

  对俄罗斯来讲,以美国为首的西方国家一直是其主要的假想敌,而在水下战场成为各国军事争夺的焦点和制高点的背景下,俄罗斯开展水下定位导航研究比西方国家晚了15年,同美国每年 700亿美元研发经费相比,俄罗斯目前已投入的研发经费还不到50亿美元。为了改变不利局面,俄罗斯近年加强了相关投入,试图缩短差距、实现超越。俄罗斯军事科学院教授瓦季姆·科久林表示,新型水下导航系统的研制将有助于俄罗斯在无人潜航器的控制方面获得领先地位,增加与美国进行战略对抗的实力。

  从美国来说,UUV正成为美军打破中国、俄罗斯等国的 “反介入/区域拒止”战略的重要抓手,发展生存性更高、导航更精确的 UUV是一个迫切需求。2016年9月初,美国海军发布的新版《水下战科技目标》,与2013年9月发布的旧版文件相比新增两个重点关注领域,即水下机动作战和水下精确定位导航授时。对于后者,该文件指出, “对于执行水下任务的设备,能够精确定位自身是至关重要的,未来水下装备需要新的定位导航授时方法,在敌方拒止区域将定位导航授时误差降到最低。”

  二、发展概况

  基于以上原因,俄、美两国近年来加速了相关研究,不约而同地开发革命性水下导航系统,试图在确保生存的基础上,不断提升 UUV的导航精度。

  (一)俄罗斯

  俄罗斯基于信标的新型水下导航系统由 “格罗纳斯”导航系统、声纳浮标和无人潜航器组成,将布设在俄罗斯北冰洋大陆架上。其中,声纳浮标由无线电水声仪和电源系统组成。无线电水声仪集成了超短波无线电台、“格罗纳斯”信号接收机与 “信使” -D1M卫星通信的系统,以及与无人潜航器通信的水下通信系统。无线电水声仪是一种高精度坐标定位仪,定位深度可达水下8000米,UUV接收声纳浮标的水声中继信息后可进行精确定位。

  声纳浮标有三种工作模式:一是接收和存储来自通信卫星的信息,并通过水声通信方式将信息中继给 UUV;二是 “对话”,岸上、空中和海上控制中心首先借助超短波通信与浮标交换信息,然后通过浮标的水声中继系统实现与UUV的实时通信,这种工作模式不仅可用于了解UUV的位置和将要完成的任务,还能不间断地对UUV进行控制;三是UUV完全自主执行任务,只利用浮标提供的水声信息调整坐标和航向,紧急情况下,UUV还可以发出SOS信号,请求暂停深水任务。

  俄罗斯计划以上述新型水下导航系统为基础,建立水下监控和服务于油气开采的全球信息网络中心系统。俄罗斯军事科学院教授瓦季姆·科久林透露,该系统于2018年试运行。

  (二)美国

  美国正在开发的新型水下导航系统不仅有与俄罗斯类似的、基于信标的水下导航系统,也包括新型定位导航与授时系统等。

  2016年3月和5月,DARPA先后授予德雷珀实验室、BAE系统公司各一份合同,分别为 “深海定位导航系统” (POSYDON)项目开发水下导航方案。德雷珀实验室防御系统主任尼尔·亚当斯称, “深海定位导航系统”项目旨在变革水下导航方式,将信标作为水下GPS用于无人潜航器(UUV)导航。德雷珀实验室的方案是在海底盆地将信标像 GPS导航卫星一样组建成 “星座”,使用声波发送精确定位信号,使UUV获得精确的位置信息,而且少量信标就能覆盖全球。德雷珀实验室2017年1月对信标GPS的高精度模型进行海试,2018年对原型样机进行海试。BAE系统公司将采用类似方案,使UUV能在水下通过多个分布式的远距离声源而实现精准定位导航。BAE系统公司表示,将依托其先进的信号处理技术、声通信技术、抗干扰技术、防欺骗技术来开发POSYDON系统。根据 20016年9月初美国海军发布的新版《水下战科技目标》,美国海军水下精确定位导航授时的目标是:促进相关技术成熟,使水下装备在不断变化的作战环境中持续可靠地获得高精度的定位导航授时信息,促进新技术的发展成熟,降低对传感器的依赖程度。

  2016年10月中旬,美国陆军通信电子研发与工程中心(CERDEC)定位导航与授时部表示,该中心主持的世界最小授时器 “芯片级原子钟”(CSAC)研制工作已取得重要突破。CSAC是一种微小型的芯片原子钟,芯片尺寸约15厘米3,耗能较少,进入大规模生产阶段后成本低于500美元,将赋予未来美军新型战术优势。该中心首席工程师保罗·奥尔森称,这种优势 “简而言之两个词:持续作战。作战中,可能被破坏,但有能力继续作战……无线电台继续工作,网络继续工作,电子战系统也将继续工作。”

  目前,无线电台、网络和电子战系统主要依赖于嵌入于GPS信号的高精密授时器,一旦GPS受到敌方破坏,或者由于天气或地形问题导致信号消失,这些功能会失效。现有原子钟虽然可部分替代或弥补GPS信号损失,但尺寸和重量大、耗能也多。CSAC项目最先由美国陆军通信电子研发与工程中心于2002年与DARPA共同启动,2010年成功研制出原型后,转由美国陆军制造技术(ManTech)办公室负责后续工作,2013年成功进行了授时试验,例如美国海军陆战队曾将CSAC试用于 “反无线电控制简易爆炸装置电子战”(CREW)系统。这种大功率、模块化、多频段的射频干扰器可阻止敌人使用选定的无线频谱。目前CSAC只经过实验室验证和有限的战场测试,美国陆军正在研究如何进行降噪管理、使芯片不易受极端天气等环境因素的影响等相关开发工作。按照计划,CSAC将于2022年左右部署,既可嵌入 GPS设备,也可单独应用,将首先用于美国陆军车辆,未来可用于GPS不起作用的深水环境中,增强水下定位能力。

  三、发展影响

  俄、美正在开发的新型水下导航系统有可能在未来数年内服役,将改变水下战格局。具体来说,将主要产生以下影响:

  (一)有利于增加水下作战空间的透明性

  相比陆地、空中和水面作战空间而言,目前水下作战空间的透明性相对较差,具有较大的不确定性。作为一种集成式创新性装备,新型水下导航系统未来可与其他水下感知系统一起构建一种水下分布式感知和导航网络,将使俄、美两国UUV看得更远、更清。

  (二)有利于提升水下作战力量的生存能力

  新型水下导航系统不仅能使俄、美两国的UUV看得更远、更清,而且可继续使未装备此类水下导航系统的敌方处于不透明的水下作战状态,有利于己方安全。同时,两国潜艇力量通过施放UUV进行C4ISR行动和攻防作战行动,拓展了自身的作战范围,也可确保己方的隐身性和安全性。

  (三)有利于提升分布式精确打击和二次核打击能力

  俄、美两国的弹道导弹核潜艇、攻击型核潜艇或巡航导弹核潜艇均可携载大量的UUV,每艘潜艇及其UUV可构成一个小型分布式打击网络,而多个小型分布式打击网络则可构成一个大型分布式打击网络。以包括新型水下导航系统在内的水下信息网络为纽带,在水面、空中、空间以及陆上力量的配合下,两国以潜艇及其UUV为核心的水下力量既可对敌发动分布式常规精确打击,也可实施分布式二次核威慑与打击行动。其作战效能将大大超过现有非分布式作战模式。(周伟 李仲铀)

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