連續追蹤反潛無人載具(ACTUV)

第一艘ACTUV原型載具海獵人號(Sea Hunter)由Leidos公司的維格船塢(Vigor Shipyards)建造,攝於2016年1月底

海獵人號下水前夕。海獵人號採用三船體設計,兩側各有一個增加浮力與穩定性的浮體。

(上與下二張)下水後的海獵人號。

海獵人號在2016年2月27日試航的照片,在此次試航達到27節的最高速率。

──By Captain Picard


 

概觀

在2010年初,連續追蹤反潛無人載具(ASW Continuous Trail Unmanned Vessel,ACTUV)項目在美國國防先進研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的資助下正式啟動。

在2014年9月,DARPA簽署海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)簽署備忘錄協議(Memorandum of Agreement),聯合資助ACTUV的原型載具。如果一切順利,ACTUV能正式成為美國海軍的反潛項目,並且可能將運用範圍擴展到其他任務,例如水雷反制。

ACTUV是一種可用於戰區或全球部署的無人水面自航載具(Unmanned Surface Vehicle ,USV),主要功能是在水面長時間追蹤敵方潛艦,載具上部署的感測器必須能有效探測先進的靜音型柴電潛艦。ACTUV擁有先進的自航控制能力,將人工介入控制的需求降至最低;岸上的操作單位只須要監視所有部署在外的ACTUV的工作情況,並提供高階的任務指引,而基本的航行控制則由載具的控制系統自行負責,載具的先進航行控制系統能使載具在符合國際海事航運安全的各項規範下航行,避免碰撞。載具與其他單位、平台之間靠著超地平線的資料鏈系統進行資料傳輸。

計畫背景

DARPA早期的ACTUV想像圖。

ACTUV主要的運用設想,是部署在靠近海岸的水域,追蹤對手的柴電潛艦。柴電潛艦的價格比核能潛艦低廉得多,更容易被擴散到與美國有敵意的潛在對手,例如北朝鮮、伊朗等;而在21世紀開始迅速壯大的中國海軍,也建立了一支規模在全世界數一數二的現代化柴電潛艦部隊。在科技進步之下,現代化柴電潛艦以電池推進模式的噪音極低,加上近岸淺水域的海岸背景雜訊回波掩護,對於反潛搜索作業造成嚴峻的挑戰;而絕氣推進系統(AIP)技術的日漸普及也使柴電潛艦在水下的潛伏時間大增,需要上浮充電換氣的次數減少,進一步增加了探測的難度。這些潛在敵對國家一旦擁有相當數量的現代化柴電潛艦在近岸周邊水域作業活動,就可能阻止美國海軍對當地局勢的介入(美軍稱之為反介入,anti-access)。讓形勢更嚴峻的是,中國日漸強化的常規制空能力,包括由預警機、戰鬥機、長程防空飛彈組成的防禦網,以及由航空母艦、遠程防空艦艇組織的艦隊,進一步強化了整體的反介入能力,使得美國海軍在靠近中國水域進行反潛探測或其他情報蒐集等空中活動時,越來越容易遭到攔截與阻撓。

反潛向來需要耗費大量的人力物力,有效的區域性反潛屏衛必須由足夠數量的平台與兵力來構成;然而到2010年代以後,因為經濟衰退等因素,美國海軍已經不可能獲得如美蘇冷戰時代那樣充沛的資源,美國海軍能動用的反潛資產(包含空中、水面與核能攻擊潛艦部隊)數量很難在中國海上勢力崛起的情況下,有效兼顧全球範圍的海上壓制。在這種情況下,運用日益成熟的無人自航載具技術,利用成本(包含購置、操作與人事)都低廉得多的無人自航載具來擔負反潛搜索,是一種可行的選擇,讓美國海軍能以更少的人力、物力,維持足夠密度與質量的反潛預警搜索。相較於在空中飛行的反潛機與水面艦艇,體積小的水面自航載具行蹤更隱蔽、更不容易被發現,比較可能在有「反介入能力」的敵國(如中國)的鄰近水域長時間作業活動,而且不會有操作人員面臨生命風險,軍方承受的政治壓力較低。最重要的是,一些整體實力較弱的國家沒有能力與美軍的整體海空優勢抗衡,但他們可以選擇投資在少數針對性領域──例如購置柴電潛艦,以最低的成本創造出最大的不對稱「反介入」能力,使美國海軍要花費相對更多的資源來進行反潛作戰;然而,一旦ACTUV發展成熟並能大量部署在前沿區域,美國海軍就能使用這種比柴電潛艦更廉價的方式,有效化解這些國家企圖透過柴電潛艦來達成的不對稱效益。

運作方式

依照ACTUV的運用想定,此種載具能作為美國海軍全球範圍的海上反潛監視網路的一部分,具備快速部署、反應的能力。ACTUV能自動在海上航行作業60至90天,在追蹤敵方潛艦的同時,還能維持整個作業期間一切的航行安全,避免與其他船舶發生碰撞。ACTUV能獨立進行反潛搜索,或者透過數位資料鏈,與美國海軍其他前進部署的反潛資產如P-8A海洋巡邏機、 MQ-4C海神(Triton)無人飛行載具(UAV)、聲納浮標、LCS濱海作戰艦艇(攜帶反潛作戰模組時)等一同運作。ACTUV的體型與自持能力都比由船艦、潛艦部署的小型水面無人載具(USV)高得多,能攜帶更完善的任務籌載,並且能從沿岸的港口出發並自動返回,而不需要配合另一艘船艦進行部署、收放作業。

在整個反潛體系中,ACTUV扮演的是精確標定潛艦位置並保持追蹤的工作;其他廣區域的反潛單位(如固定式音響監聽設備、船艦上部署的低頻拖曳陣列聲納等)獲得敵方潛艦的第一次接觸信號之後,ACTUV就會快速前往接觸的水域展開搜索,以自身搭載的感測器精確捕獲敵方潛艦;由於柴電潛艦在水下只能低速前進,因此ACTUV一旦捕捉目標,理論上有很高的機率能持續追蹤敵方的柴電潛艦。在過去,通常是由反潛機、水面艦以及搭載的反潛直昇機根據初步接觸而抵達現場,並對目標建立持續的追蹤與接觸;而一旦操作成本低廉得多的ACTUV能分攤這類任務,將能使美國海軍兵力調度的壓力大幅減輕,將更多水面艦艇解放出來執行其他更迫切的任務。

在初步搜索目標時,ACTUV會依靠中頻主/被動動聲納莢艙(兩側的浮體各裝一個)探測附近是否有敵方潛艦存在,作業時會在周圍劃分未確認區域(Area of Uncertainty,AOU) 並逐步進行釐清是否有敵方潛艦的活動,並將附近水面船隻活動產生的噪音逐步排除。發現敵方潛艦的存在後,ACTUV會進一步使用載具船體上的兩個頻段較高的聲納,對敵方潛艦進行精確追蹤,保證任務的可靠度;此外,ACTUV還擁有整體磁場效應陣列(otal field magnetometer arrays),提供額外的信息來協助保持對目標追蹤。一旦確認敵潛艦目標的位置後,ACTUV會使用甚高頻(very high frequency)主動聲納對目標掃描並取得聲學影像,進而判讀目標輪廓外型等特徵,確認目標潛艦的身份與型號。除了確認目標身份、保持追蹤外,ACTUV的任務系統還可根據蒐集到的敵情資訊來初步判斷敵方潛艦的可能動態(例如是否在低速潛伏、等待目標的獵殺狀態)、是否具有威脅等。

ACTUV作業時,透過衛星資料鏈與其他空中、水面平台或岸基單位保持經常性的聯繫。ACTUV會定時回報自身狀況與作業情況,一旦追蹤到目標並初步判斷有威脅,就會發信回報其他單位,召喚友軍軍機或船艦前來獵殺這艘潛艦;而如果ACTUV回報的接觸信號被判定沒有威脅,操作人員可以對這艘ACTUV下達控制指令,使其回到一般巡邏模式,或者選擇繼續讓ACTUV對這個目標保持跟蹤(理論上可以一路追蹤敵方潛艦直到返港)。以ACTUV要求的持續海上操作時間(60到90天),可以超過現有任何柴電潛艦在水下潛伏的時間,即便目標潛艦使用AIP推進系統。除了反潛任務之外,ACTUV也具備發展其他任務的潛力,包括水面巡邏監視、情報蒐集、水雷探測與反制等,因此載具上的任務系統採用模組化設計,能透過加入其他軟體模組來適應其他種類的任務,並可依照任務需求來搭載不同的裝備。

為了確保ACTUV操作時能符合國際海上避碰規範(International Regulations for Preventing Collisions at Sea,COLREGS,內容包含定義船隻接近時的各種航行規定來避免碰撞),ACTUV的航行控制系統必須能在沒有人工協助下,自行辨識附近的海上船舶並且規避。一般而言,水面船舶使用導航雷達探測水面上的其他物體,然而光靠雷達回波沒有辦法正確分辨識別;此外,發射雷達波也會暴露ACTUV的蹤跡。基於在雷達以外的感測器而有效識別水面目標的需求,DARPA在2015年3月發佈了需求徵詢書(Request for Information,RFI),希望能為ACTUV提供有效而準確的近接船隻識別能力;而可能採用的方案包括被動光電/紅外線探測(EO/IR),或者以高速朝四周發射雷射光的光學探測與探測 (Light Detection And Ranging,LiDAR)技術等。

為了使ACTUV的航行控制能滿足穩定性與長期自持的需求,此計畫引進許多新技術;相關研究領域計畫分為四個部分,這些核心的航行控制技術最後集結在原型試驗載具上進行海上測試評估。

建造與發展

ACTUV的構型想像圖,注意船體中部下方有一個大型的吊艙,裝置聲納。

在2012年11月,DARPA頒給Leidos公司(業務涵蓋國土安全等相關工程)一紙合約,負責設計、建造ACTUV原型載具,合約價值5900萬美元。Leidos設計的ACTUV載具是一種三體船舶(trimaran),船體由輕質、低雷達跡訊的碳纖複合材料建造,上面搭載所需的航行與任務籌載包括自主航行系統、導航雷達、光電感測器以及反潛探測所需的各種聲納等。最初ACTUV原型艇的建造工作頒給位於美國華盛頓州溫哥華(Vancouver)的克里斯汀森造船廠(Christensen Shipyards,主要業務是建造豪華遊艇),但該廠旋即面臨破產並遭到託管,因此合約就轉至位於俄勒岡州(Oregon)波特蘭市(Portland)的維格工業(Vigor Industrial)的船塢。

為了確保ACTUV的自主航行能力可以符合國際海上避碰規範(COLREGS),Leidos進行了先期試驗,使用一艘長32英尺(9.8m)的水面船隻來模擬ACTUV,由無人航行控制軟體控制;在海上實驗中,載具需正確地探測周遭水面船隻,並依照COLREGS規範進行航行操作,與周遭船隻正確進行互動。這項測試包含在狹窄水域中航行,沒有任何預設前提(例如已知其他船舶的預定航路)的情況下,正確探測並迴避水面船隻。在2014年11月,Leidos宣布用來測試的載具完成了42天的海上持續航行展示,證實能符合COLREGS規範。接下來自主航行系統還要接受更複雜、更接近真實狀況的測試,包括多動向多重船隻接近,以及其他船隻在更複雜的行為之下的互動。

在2015年1月26日,Leidos宣布,ACTUV的自主航行軟體成功在密西西比(Mississippi)附近海岸進行了航行測試,包括感測器測試、機動操作以及任務功能。在這一次測試中,Leidos使用一艘長42英尺(12m)的工作艇來模擬ACTUV,搭載自主航行控制系統;測試期間,此一載具在密西西比的灣區國際水道(Gulf Intracoastal Waterway)操作,預先輸入航行系統的資料只有周遭水道的電子海圖,航行系統只依靠一個一般商規的導航雷達來探測周遭水面情況。在測試中,測試載具航行了35海里(65km),一路上成功迴避了所有障礙物、浮標、沿岸地形、淺灘以及路上遇到的各種船隻,過程中完全沒有使用到其他備用措施如預先輸入的航行轉折點,或者其任何形式的人工干預。

正吊放入水中的海獵人號,可以觀察到採用雙軸推進。

試航中的海獵人號。

第一艘正式的ACTUV原型艇在2015年於維格船塢開工建造,命名為海獵人號(Sea Hunter)。海獵人採用三船體設計,長132英尺(40m),全寬(含兩側浮力船體)12.19m,中央船體寬3.35m,重140噸,採用柴油機推進(雙軸),最大水面航速27節(在平靜水面下),能在五級以內海象持續操作,在7級海象內能保證航行與存活。預估ACTUV服役後美日操作花費約1.5萬至2萬美元,遠低於一般的驅逐艦(每日70萬美元)。為了符合COLREGS規範,海獵人號配備導航雷達(使用一般商規產品)以及自動識別系統(Automatic Identification System,AIS),用於平時的航行操作。

在2015年10月,海獵人號的建造工作完成90%,系統硬體都製造完成,並開始與軟體進行整合工作。在2015年11月,雷松(Raytheon)公司交付第一套模組化、可擴充/裁減聲納系統(Modular Scalable Sonar System,MS3)至Leidos的廠區,這是海獵人號的任務籌載。MS3是第五代的船用聲納系統,結合主/被動模式下的搜索、追蹤、魚雷接近警告、小型物體探測迴避等功能。

在2016年1月17日,海獵人號在廠房中下水,在4月7日舉行了命名洗禮儀式。隨後的初期測試中,海獵人號成功捕捉到距離1公里外的潛艦。此後,DARPA會將海獵人號移交給DARPA下轄的海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ORN)送至聖地牙哥(San Diego)的洛馬角(Point Loma)進行各項測試,為期兩年,在2018年9月完成。海獵人號美日平均操作成本約為1.5萬至2萬美元,遠低於驅逐艦(每日70萬美元);海獵人的測試項目也包括與LCS濱海戰鬥船艦一起運作,作為LCS的反潛作戰模組之一。在2016年6月22日,海獵人完成初期測試,達到或超過所有的預設性能指標,包括在開闊海面上的速度、操作靈活性、耐海能力、穩定性、加速/減速、燃油消耗、機械可靠度等等。之後海獵人號的測試項目包括驗證自動航行操作套件依照海上避碰規則(maritime collision regulations)之下的操作,並且針對美國海軍的各種作戰任務進行概念展示操作。

 

(上與下)在2016年10月下旬DARPA的測試中,以海獵人號無人載具測試部署在滑翔傘上的

TALONS原型。TALONS將水面雷達、光電感測器等監視設施部署在1000英尺左右的高度,

能以低廉的成本讓水面船艦的偵察監視距離大幅增加。

在2016年10月27日,DARPA表示,研究中的海軍拖曳式空中舉升系統(Towed Airborne Lift of Naval Systems ,TALONS)會是水面反潛無人載具的第一項任務籌載。TALONS結合搜索雷達、光電偵蒐與無線電探測等情報蒐集、監視、偵察(Intelligence, Surveillance and Reconnaissance,ISR裝備),透過滑翔傘在水面載具後方拖曳升空,部署高度約150至1500英尺(45.72m~457.2m),以低廉的成本讓水面船艦的探測監視距離倍增。DARPA表示,在這一週的測試中,TALONS的原型由海獵人號水面載具拖曳施放,部署在約1000英尺(204.8m)的高度;為期2天的測試中,TALONS每天從無人載具施放升空約90分鐘,施放期間海獵人號仍能保持正常的航行速率。透過將感測器升高,TALONS能大幅增加探測的距離(由於無人水面載具的桅杆高度不足,直接在桅杆上部署系統的工作範圍勢必受到限制)。DARPA表示,就TALONS的部署高度(約1000英尺)相較於水面,追蹤雷達工作距離可以增加六倍,光電/紅外線感測器的有效識別距離增加一倍(達1000英尺),商用無線電設備工作距離可增加三倍。

在2017年1月10日水面船艦協會(Surface Nav Association)年度學術研討會上,美國海軍無人海上系統(Unmanned Maritime Systems)的專案總Jon Rucker上校透露,美國海軍正打算進一步擴充ACTUV的功能,使其能進行水面作戰,包括發動電子攻擊以及使用攻擊性武器等,此外也會裝置水面上的電子情報監視與偵察(ISR)相關任務籌載(如前述TALONS);而如果要在ACTUV上部署攻擊性武器,就必須透過人工操作來識別目標並進行開火(一如武裝型UAV的作業準則)。

 在2017年9月14日,美國海軍在倫敦國際防務與安全裝備展(Defence and Security Equipment International ,DSEI)宣布,正準備從DARPA手中接收ACTUV計畫,由美國海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)負責,準備展開一個為期兩年的測試計畫。ONR將繼續建造第二艘與海獵人號類似的ACTUV,並可能建造第三艘。美國海軍接手ACTUV計畫之後,除了持續發展原本的反潛能力之外,將更著重於發展ACTUV的多任務能力,結合各種不同的任務籌載,執行情報監視、水文測量乃至於水面作戰等,成為一種用途廣泛的「無人籌載卡車」(autonomous truck)。美國海軍也將發展ACTUV的自衛能力(包括加裝武器系統),在長期航行作業期間不會太輕易就被敵方俘虜或消滅。移交ONR後,海獵人展開一系列作戰相關測試,並且評估加裝光電/紅外線(EO/IR)、水雷反制與反潛作戰能力等;而在2018財年的計畫包括在海獵人上加裝情報監視偵察(Intelligence, Surveillance and Reconnaissance,ISR)以及攻勢性反潛作戰籌載等。經過一連串成功的初步測試評估之後,海獵人號在2018年2月1日正式從DARPA移交給ONR。美國海軍將海獵人歸類為第三級無人水面載具(Class III USV),並稱之為中型排水量無人水面載具(Medium Displacement Unmanned Surface Vehicle,MDUSV)。

美國海軍打算利用海獵人號,讓基層艦隊實際上熟悉MDUSV的操作,並以一艘松華特級(Zumwalt class)驅逐艦、一艘柏克級飛彈驅逐艦(Arleigh Burke class )與一艘LCS濱海戰鬥船艦組成實驗中隊,在2019年開始作業。這是美國海軍研究的未來水面作戰船艦(Future Surface Combatants,FSC)族系一項先期概念研究,FSC打算發展數種有人船艦與無人水面載具族系,這些有人與無人水面平台透過戰鬥系統高度整合,作為美國海軍再下一代的水面作戰骨幹。

 

 

 

 

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