水下無人平臺協同探測指揮與行動

uuv是一個新興的水下勘探、運輸和作戰平臺。它的良好的隱蔽性可以幫助uuv完成各種戰斗任務，但敵人無意識地感知它。如何充分發揮uuv的作戰能力一直是uuv研究領域的一個重要方向。受到體積的限制,UUV避免不了航程短、航速慢等固有缺陷,這使得一臺UUV難以在較廣闊的海域內執行任務.為此,研究人員將眼光放在了多臺UUV的協同行動上.文獻描述了一種由美國海洋研究局資助的自主海洋采樣網絡(AOSN),該網絡利用多臺UUV搭載不同類型的傳感器,實現了在同一時刻測量不同區域或不同深度下的海洋參數的目標.文獻介紹了葡萄牙波爾圖大學研制的技術先進且成本低廉的多UUV系統,該系統由兩臺UUV、一個聲學定位系統、一個停泊站和一個保準的傳感包組成,可以執行多項調查任務,比如海洋學調查、測海學研究、水下考古學及排水監測等.文獻則介紹了多UUV協同探雷的一般方法,但沒有說明UUV協同探測的一般過程.為此,有必要從UUV協同探測出發,研究UUV協同探測行動的一般過程.1水下無人平臺網絡組成uuv的uuv-uv之間的uuv-uv共享型網絡組成uuv-uv-uv的u-v/uuv/uuv/uuv/p水下無人平臺網絡是由兩臺或兩臺以上的水下無人平臺通過一定的方式實現信息傳遞的系統,是UUV實現協同探測的基礎.其基本節點是單個UUV,它們之間通過無線電或水聲通信等方式連接,從而實現信息的傳輸.由于組成水下無人平臺網絡的UUV可以是不同類的,因此,可以根據UUV的不同類型來對水下無人平臺網絡的結構進行分類.1uuv的功能根據網絡中UUV功能的不同,可以將水下無人平臺網絡分成同構和異構兩種結構.同構結構的網絡中每臺UUV的功能都相同,其典型特點是:網絡中每臺UUV的功能雖有限,但是當多個UUV聚合到一起,則可通過局部相互作用而產生完整且有意義的整體行為;異構結構的網絡中每臺UUV的功能不盡相同,完成的是某種特定的任務,但整個網絡卻能夠完成單個UUV無法完成的任務,這種網絡的關鍵是如何使UUV之間產生有意識的合作.2水下無人平臺網絡根據網絡中UUV的智能程度,可將水下無人平臺網絡分為并列和主從兩種結構.并列結構的網絡中,每臺UUV的智能程度相差不大,整個網絡需要各UUV相互依賴、相互補充才能完成某項任務;主從結構的網絡由少量的主UUV和較多的從UUV組成,主UUV的智能化程度較高,可以起到導航、任務分配和控制其它UUV的作用,而從UUV的智能化程度較低,趨于智能地完成某些特定的任務.主從結構的水下無人平臺網絡在探測目標時,由于“領導者”的存在,使得網絡的協同速度較快、反應時間較短,外界也能更好地對水下無人平臺網絡進行控制.但是這種網絡一般要求主UUV具有較高的智能程度,這就無形中提高了網絡的成本.同時,一旦網絡中的主UUV出現故障或被摧毀,整個網絡將會陷入癱瘓,無法繼續執行任務.而并列結構的水下無人平臺網絡在探測目標時,組織協同完全靠各UUV之間進行“會商”,協同較為困難,反應速度較慢,外界對網絡的控制也存在一定的難度,但整個網絡對UUV的智能化程度要求不高,網絡的成本也較低.另外,正是由于缺乏“領導者”,網絡的魯棒性較好,抗打擊能力較強.水下無人平臺網絡具有以下特點:①損耗較小.建造多臺小型簡單的UUV比建造一臺大而全的復雜UUV更容易、成本更低,而且在執行任務過程中當某個節點損壞時,損失也較小.②能力更強.通過共享資源(信息、知識等)可彌補單臺UUV的不足,擴大完成任務的能力范圍.一般來說,由N臺UUV組成的協作系統,其能力可以遠大于任一臺UUV能力的N倍.③探測效率高.水下無人平臺網絡可以形成覆蓋面積較大的實時探測區域,并能快速完成大范圍搜索任務,節省作業時間、提高作業效率.④探測概率高.多角度、多方位、多傳感器信息的綜合能有效提高探測到目標的概率.⑤容錯能力強.水下無人平臺網絡所具有的高度并行性和天然冗余性為整個系統提供了較強的容錯能力,可以顯著提高系統的柔性和魯棒性.⑥可重構.群體中每臺UUV的功能結構可以根據使命需求靈活配置,網絡的拓撲結構也可隨著使命的執行過程進行動態調整.2uuv協同探測行動的指揮程序一次成功的協同探測行動,必須要有一個成功的指揮程序.指揮的得當與否、指揮效率的高低,將直接影響到協同探測行動的成敗.UUV協同探測行動的指揮過程可分為以下幾個階段:1協同的條件和指揮關系首先,上級向UUV指揮部門下達UUV協同探測作戰任務,任務中比較詳細地介紹了作戰態勢、時間、地點,并規定了協同方式、指揮關系,以及可采取的行動、協同要求和實現的目標等;也可以比較簡單地規定上述內容中的部分要素,但必須包含要達成的目標.上級部門下達作戰任務后,UUV指揮部門應迅速了解任務、把握上級意圖,并做好UUV協同探測準備.2目標性質與態勢評估為了完成上級下達的探測任務,UUV指揮部門應做好充分的準備工作,其中情報的獲取與態勢評估是最重要的部分之一.UUV進行協同探測時,需要預知目標的性質、探測海區等情報.目標的性質包括目標的運動狀態(固定或是機動)、目標使用主動探測設備或是被動探測設備等.目標的性質決定著UUV在協同探測時采用的協同方法和探測設備.探測海區情報主要包括探測海區的范圍、海區內敵我兵力活動情況以及海區內水文環境情況等.由于受到航程航速的限制,UUV活動的范圍是有限的,因此,必須為UUV劃分一個合理的探測區域,以保證UUV的探測能力得到充分的發揮.做好情報獲取工作后,UUV指揮部門要對態勢進行評估,為確定初步協同方案奠定基礎.態勢評估工作包括分析目標的可能動向、活動范圍、探測海區情況變化的趨勢等.3探測區域的確定UUV指揮部門應根據獲取的情報和態勢評估情況,確定UUV協同探測的初步協同計劃.UUV協同探測的初步協同計劃包括:協同探測區域位置、UUV的數量、UUV網絡的結構、協同探測起止時間等.UUV指揮部門在確定UUV協同探測區域時,應充分考慮UUV的航程航速限制,以及目標可能的運動所導致的探測區域變化,并由此確定合理的探測范圍.UUV的數量,應根據上級的意圖來確定,若上級要求盡快完成任務,則UUV的數量就應該多一些;若上級要求盡量隱蔽完成任務,則UUV的數量就應該少一些.4主從結構的uuv協同探測網絡uuv作戰實施是UUV協同探測中最為關鍵的一個環節.一種理想的情況是,UUV能獨立完成協同探測的全過程.但從目前UUV的發展情況看,要實現作戰過程完全自動化,尚需很長一段時間.因此,目前UUV協同探測的作戰過程,還需要人工進行干預,以保證UUV順利完成任務.有關多UUV協同的探測過程,取決于UUV所能達到的技術狀態.下面僅從作戰需求出發,并結合當前UUV技術的發展趨勢,來設想一些可能的多UUV協同探測過程.在協同探測過程中,對于不同結構的UUV協同探測網絡,UUV指揮部門的干預程度有所不同.對于并列結構的UUV協同探測網絡,UUV指揮部門首先要組織通信,確定通信頻率、通信時間等問題.在通信條件較理想的情況下,UUV指揮部門應盡量對每臺UUV都進行監視和調控.在作戰行動中,UUV指揮部門還應實時地搜集各UUV的探測情況,并由此判斷UUV協同探測網絡的探測進展情況,以便根據需要對協同計劃進行更改.而對于主從結構的UUV協同探測網絡,由于主UUV的存在,可以充當水下的臨時“指揮所”,向從UUV傳達探測命令,并向UUV指揮部門反饋水下的探測情況.因此,對于主從結構的UUV協同探測網絡,其主要工作是對主UUV進行控制和指揮.UUV在作戰行動中需要自己完成的工作包括會商、協同隊形的控制、導航定位等.UUV作為一種智能的水下平臺,進行會商是其主要的特點之一.在UUV網絡與UUV指揮部門的通信受到限制時,會商是UUV確定下一步行動的主要途徑.會商的內容因UUV智能程度的不同而不同.在理想的情況下,UUV之間應通過會商達成信息共享、分析戰場態勢、形成協同計劃.而從目前的情況看,會商的內容可能是一些簡單的信息交換,以使得各UUV達到信息共享.會商的方式則因UUV協同探測網絡結構的不同而有所不同,主從結構的UUV協同探測網絡,主UUV起主導作用,會商的形式更“集權”,信息流向基本是從UUV到主UUV;而并列結構的UUV協同探測網絡,各UUV都可以發表意見,會商的形式更“民主”,因此信息沒有固定流向.在協同探測過程中,UUV必須采用一定的協同控制方法來保持協同探測時的隊形.目前已有一些文獻研究了相關的協同控制方法,如蜂擁控制,多機器人隊形控制等.導航定位是UUV確定自身位置和確定探測區域位置的關鍵一環,可供UUV進行導航定位的方法較多,主要有慣性導航、衛星導航和地形匹配導航等方法.慣性導航由于存在積累誤差,一般可用在續航力不大的UUV上;衛星導航需要伸出接收天線,降低了UUV的隱蔽性,一般可用在隱蔽性要求不高的任務中;地形匹配導航要求對探測區域的海底地形有充足的資料,一般在用在較熟悉的海區.5uuv指揮部門對作戰行動的調整.在協同探測過程中,UUV指揮部門應對UUV進行全程監控,并根據態勢的變化,及時對協同計劃做出相應的調整.UUV指揮部門在監控UUV的探測行動時,應保持監控的連續與穩定,盡可能利用各種手段準確認真的分析當前情況,對整體態勢進行全面準確的把握.當情況發生變化時,UUV指揮部門應及時對UUV的探測行動做出調整,保證UUV能夠順利完成任務.UUV指揮部門對作戰行動的調整應做到適時、靈活、合理、有效、果斷.3在水下地面上的合作下測量行動的一般過程3.1水下無人平臺協同探測的一般過程根據水下無人平臺網絡的結構,UUV協同探測可分為并列結構的UUV網絡協同探測和主從結構的UUV網絡協同探測兩種.而根據水下無人平臺協同的時機,可分為預先協同探測和臨時協同探測兩種.下面從預先協同探測和臨時協同探測兩個方面,對水下無人平臺協同探測的一般過程進行論述.3.2uuv網絡提前合作研究的一般過程3.2.1uuv指揮部門并列結構的UUV網絡,其特點是網絡中每臺UUV的“地位”相同,網絡不存在“領導者”.如圖1所示,并列網絡結構的UUV預先協同的行動過程可描述為:UUV指揮部門首先下達預先協同探測命令,預先布設的UUV收到命令后開始航渡,同時UUV載體收到命令后也施放UUV,使被施放的UUV開始航渡.UUV在航渡過程中自動準備通信設備和探測設備,使得這些設備能夠馬上投入使用.UUV航渡到任務海區后,組建成并列結構的UUV網絡,并進行會商,之后將會商的情況報告UUV指揮部門.UUV指揮部門根據實際情況制定出詳細的協同計劃,包括UUV之間的協同方法、各UUV的探測區域、UUV之間的通信方式等.3.2.2數據前探測條件確定主從結構的UUV協同探測系統,其行動過程相對復雜一些,如圖2所示.UUV指揮部門在下達預先協同探測命令時,應確定一臺或多臺智能程度較高的UUV作為UUV探測網絡中的主UUV.由于主UUV的智能程度較高,準備工作較復雜,因此,主UUV一般由載體攜帶至某一海域后進行施放,而不進行預先部署.載體接受命令后,施放主UUV和從UUV,隨即UUV開始航渡.航渡過程中,UUV自動準備通信設備和探測設備.到達任務海區后,從UUV向主UUV報告,由主UUV將協同計劃分發給從UUV,從UUV接受任務后開始執行探測任務.在探測過程中,從UUV實時地將探測情況向主UUV通報,并通過主UUV將收到的信息發送給UUV指揮部門,由UUV指揮部門判斷是否需要對協同計劃進行更改.如不需要,則繼續探測;如需要,則UUV指揮部門將更正后的協同計劃發送給主UUV,主UUV再分發給從UUV,使從UUV按新計劃進行探測,同時在探測過程中不斷向主UUV匯報探測的進展情況.如此循環,直至完成任務或搜索結束.3.3uuv網絡臨時合作研究的一般過程3.3.1臨時協同命令.并列結構水下無人平臺協同探測系統臨時協同為并列結構的水下無人平臺協同探測系統的行動過程,如圖3所示.由UUV指揮部門將臨時協同計劃下達給正在進行協同探測的并列結構水下無人平臺網絡,要求網絡中的部分UUV或所有UUV,與其它UUV組成并列結構的探測系統,并執行另一任務.UUV指揮部門在將臨時協同命令下達給UUV之前,要判斷是否存在任務沖突,即抽調的UUV是否會影響當前任務的完成.若不存在沖突,則UUV指揮部門將臨時協同命令下達給UUV;若存在任務沖突,則UUV指揮部門要重新制定協同計劃.UUV收到命令后,開始航渡,并執行探測任務.最后,將任務的完成情況匯報給上級.并列結構水下無人平臺協同探測系統臨時協同為主從結構的水下無人平臺協同探測系統的行動過程,如圖4所示.與圖3所示的協同探測過程區別在于,UUV指揮部門下達的臨時協同探測命令中,應明確指出誰作為主UUV.接受臨時探測命令后,UUV開始航渡,并形成主從結構的UUV網絡.UUV協同探測網絡組建完畢后,UUV開始執行探測任務,探測過程中,從UUV實時地向UUV匯報探測情況,并通過主UUV將接收的信息匯報給UUV指揮部門,由UUV指揮部門判斷任務的進展情況,并決定是否需要對協同計劃進行更改.最后,主UUV向上級匯報任務的完成情況.3.3.2臨時協同計劃的執行主從結構的水下無人平臺協同探測系統臨時協同為并列結構的水下無人平臺協同探測系統的行動過程,如圖5所示.UUV指揮部門首先判斷臨時協同計劃和UUV正在執行的計劃是否有沖突.若有沖突,則要對臨時協同計劃進行修改;若沒有沖突,則將臨時協同計劃下達給主UUV,由主UUV通知從UUV開始執行臨時協同計劃.確定執行臨時探測任務的UUV后,UUV開始航渡,在到達指地點后進行會商,之后將會商的結果匯報給UUV指揮部門.UUV指揮部門根據UUV匯報的情況,作出更詳細的協同計劃,然后將該協同計劃下達到UUV.收到協同計劃后,UUV開始執行探測任務,并在執行任務過程中,不斷地將任務的執行情況向UUV指揮部門匯報.UUV指揮部門根據這些實時的信息,判斷任務進展情況,并決定是否對協同計劃作出修改.若需要修改,則UUV指揮部門將修改后的協同計劃下達到UUV,使UUV按照新的協同計劃執行任務.主從結構的水下無人平臺協同探測系統臨時協同為主從結構的水下無人平臺協同探測