海上的較量—— 上海大學精海無人艇系列研發(fā)紀實

■ 彭 艷　駱阿雪

海上的較量—— 上海大學精海無人艇系列研發(fā)紀實

■ 彭 艷駱阿雪

近年來，捷足先登的上海大學在國內(nèi)無人艇研制領域一直處于領先行列，該校與東海航海保障中心上海海事測繪中心（原上海海事局海測大隊）、青島北海船舶重工有限公司聯(lián)合開發(fā)、自行設計并成功研制出我國第一艘“無人艇”。

2014年11月11日，在中國和平利用軍工技術協(xié)會組團參加第十屆珠海航展，并推出獨具特色的展中展中，上海大學的“無人艇”成為展會亮點，吸引了包括政府部門、企業(yè)、國內(nèi)外新聞界在內(nèi)的大量觀眾參觀、咨詢，尤其受到軍方的高度關注。

無人艇，作為一種機動靈活的水面移動艦艇，行動隱蔽、不易遭敵攻擊，在軍事和科考中用途廣泛。因此近年來世界各國競相開展對無人艇的研究，特別是歐美等國家已將無人艇的發(fā)展提升到戰(zhàn)略高度。美國、以色列在無人水面艇的研究方面處于領先地位，德國、日本等國也在積極研究無人水面艇。我國對此也不甘后人，目前已將無人測量艇研制應用列入中國海事局海事測繪“十二五”發(fā)展規(guī)劃。

近年來，捷足先登的上海大學在國內(nèi)無人艇研制領域一直處于領先行列，該校與東海航海保障中心上海海事測繪中心（原上海海事局海測大隊）、青島北海船舶重工有限公司聯(lián)合開發(fā)、自行設計并成功研制出我國第一艘“無人艇”。

合作攻關　首創(chuàng)國內(nèi)“無人艇”

2010年9月初，原上海海事局海測大隊準備造一艘具有自主航行能力的無人艇，解決在淺灘以及較淺的內(nèi)河湖泊流域，載人船因吃水問題無法進行測量的難題。有關同志找到學校機自學院，請學院協(xié)助該科研項目的順利實施。接到這個具有挑戰(zhàn)性的項目后，機自學院非常支持，并聯(lián)系了青島北船重工游艇廠，連同原上海海事局海測大隊，三方一起開會討論項目的推進工作。

無人艇的研發(fā)主要遇到兩個難題，一是無人艇面對的環(huán)境非常復雜。相較無人機在飛行過程中相對平穩(wěn)的大氣環(huán)境來說，無人艇在海面上面對的則是不斷拍打撞擊的海浪，以及光線在水面反射造成的干擾和近海較多的障礙物對傳感器形成的嚴重影響。二是由于一般海上目標的距離較近，而諸如激光、紅外等傳感器的優(yōu)勢在于探測較遠的目標，這就對無人艇傳感系統(tǒng)的準確性和可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)。

經(jīng)三方研究決定：由原上海海事局海測大隊主要負責提供高性能的多波束測量系統(tǒng)、慣導系統(tǒng)，上海大學主要負責自主控制系統(tǒng)設計、自主功能實現(xiàn)，青島北船重工游艇廠主要負責具有抗傾覆能力的高性能船體設計。

在這個項目中，上海大學機自學院的謝少榮教授擔任總協(xié)調和管理，陳金波主要負責系統(tǒng)設計，饒進軍主要負責自主導航與控制。經(jīng)過近半年的努力，于2011年的5月，上海大學完成了系統(tǒng)設計及各部分的設備調試，此時，游艇廠的船體制造也已基本完成。2011年7月，在青島用了2個多月的時間，設備基本安裝完畢。接下來的任務就是進行設備測試了。

2011年9月底，無人艇海上調試正式進行。由于海上天氣多變，且又臨近秋冬，調試員們在戶外要么被曬得脫皮，要么被風吹得骨頭疼，大家都咬牙堅持著，絕不能影響調試進度。有時候碰到海上起大風不能調試，大家就在工廠里邊修改樣機，邊做室內(nèi)試驗。

就在大家的齊心努力下，經(jīng)過無數(shù)次室內(nèi)試驗和海上系統(tǒng)調試，我國第一艘無人艇樣機終于攻克了自主航行、自動目標識別、智能避碰等技術難題，做好了接受各級專家嚴苛審核的準備。

2013年5月29日，原上海海事局、上海大學與青島北海船舶重工有限責任公司三方聯(lián)合開發(fā)、自行設計研制的我國第一艘“無人艇”——水面無人智能測量平臺工程樣機接受了來自交通運輸部海事局組織的工程樣機及海上試驗項目驗收專家的評審。

此次評審由中國海洋大學、解放軍信息工程大學、海軍航保部等十幾個單位、包括中國工程院院士組成的專家評審團，對樣機進行了遙控與自主導航航行、水面及水下障礙的自動避障、遠距離自主航行等功能的試驗，通過了中國船級社的檢驗，實現(xiàn)了海洋多要素綜合測量功能，評審認為，該“平臺”具有集成度高、操作方便等特點，滿足設計要求，具有創(chuàng)造性、科學性、前瞻性和實用性，并一致通過評審。無人艇的研制成功既為我國無人艇的發(fā)展和生產(chǎn)奠定了基礎，也使企業(yè)今后拓寬市場應用領域有了良好開端。

“精海1號”巡航南海

無人水面艇（unmanned surface vessel，簡稱USV），可用于反水雷攻擊、艦艇（包括航母）處于停泊或低速狀態(tài)時對周圍海域的反潛（包括入侵蛙人、潛艇）手段之一，能更大限度地擴展海軍探測敵方潛艇的能力，支持艦艇作戰(zhàn)，提高海戰(zhàn)時的傳感覆蓋，快速建立海戰(zhàn)空間優(yōu)勢，在遠洋護航中對海盜進行威懾和打擊，成為未來海上偵查、作戰(zhàn)和作業(yè)的新寵。

對我國來說，近年國際形勢風云變化，圍繞海洋資源爭奪、島礁主權、海域劃界和通道安全的爭端進一步加劇，海洋權益的維護亦面臨十分錯綜復雜的形勢，特別是東海、南海海域及其島礁的維權需求，因此十八大報告首度將建設海洋強國提升至國家發(fā)展戰(zhàn)略高度，指出：“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”。

而發(fā)展無人艇技術，既可提升我國海洋軍事裝備能力，提高我國履行國際公約、維護國家主權及海洋權益的能力，也可為我國維護海洋權益、處理南海等熱點地區(qū)的局勢提供新的選擇。

由上海大學等三方聯(lián)合研發(fā)的無人艇“精海1號”，在剛剛完成各種性能測試之際，便加入了這場海上的較量。2013年2月，“精海1號”搭載在中國海巡166輪上，對南海各島礁和軍港附近的海域進行測量，在南海島礁測繪過程中，該艇曾駛入中越爭議海區(qū)勘測，獲取了大量寶貴資料。

“精海1號”無人艇為全封閉艇，最大航速18節(jié)，具有高抗傾覆性、集成度高、操作方便等特點。實現(xiàn)了遙控與自主導航航行、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、水面及水下障礙的自動避障避碰、遠距離自主航行等功能；實現(xiàn)了單波束、多波束聲吶測深，前視多波束聲吶、側掃聲吶探測，多普勒流速流向測量等海洋多要素綜合測量功能，其綜合性能滿足海事測繪部門對復雜水域進行測量作業(yè)的需求。

這次參與南海水域巡航任務，也是因為南海島礁不適合大的測量船進行測量，需要使用無人測量艇，上海大學參與無人艇研制的陳金波、饒進軍兩位老師作為技術保障隨隊前往。由于路上顛簸，很多人包括陳金波和饒進軍都出現(xiàn)了暈船癥狀，好在他們暈得不太厲害，遇到風浪船劇烈搖晃的時候，他倆還能堅持保護設備避免受損。

經(jīng)過兩天航程，他們安全抵達目的地，沒來得及休整，南海巡航任務就開始了。所幸的是，兩周的南海航行比預料的要平穩(wěn)得多，風浪也沒有想象的大，到達永興島后，便開始對永興島的碼頭進行測量。兩人主要負責船的運行，從顯示數(shù)據(jù)來看測量任務完成得不錯。之后幾天，又繼續(xù)對東門礁、南薰礁、美濟礁、仙鵝礁、赤瓜礁、永暑礁巡航并測量，基本完成了既定任務。不過中途也出現(xiàn)了一些小故障，有一次無人艇在執(zhí)行任務的時候突然偏離了預定路線，而信號設備卻都顯示為正常，這下可急壞了陳金波、饒進軍兩人，直到收回無人艇徹底檢查時才發(fā)現(xiàn)是船底控制方向的舵歪了。兩人心里的石頭這才算落地。

歷時14天，順利完成南海巡航任務后，陳金波、饒進軍介紹說：“由于無人水面艇獨有的大慣性大滯后的運動學與動力學特性，實現(xiàn)自主航 跡跟蹤存在較大的難度。大家經(jīng)過潛心研究和反復摸索，才解決了無人艇的自主航跡跟蹤問題，經(jīng)過水面試驗效果良好。此次南海巡航檢驗了這一研究成果，對這一成果的應用與推廣，將使0米線水下測量成為可能，為我國海洋測量事業(yè)提供了新的有效途徑和技術手段。”

同時他們又表示：“南海是神圣不可侵犯的祖國領海，面對這片藍色疆土，我們每個人都有責任去保護它。能夠親身經(jīng)歷這樣一次巡航任務，我們感到無比光榮。盡管之前遇到各種各樣困難，但現(xiàn)在看來都算不上什么了?！?/p>

“精海2號”出征南極

2014年10月30日上午10點，中國極地中心碼頭，隨著國家海洋局劉賜貴局長一聲令下，雪龍?zhí)栭L笛響起，中國第三十一次南極科考隊起航出發(fā)。此次科考中，上海大學聯(lián)合交通運輸部東海航保中心、中船重工青島北船自主研發(fā)的水面無人艇“精海2號”隨著雪龍?zhí)栠h赴南極羅斯海域進行極地海洋測繪工作，成為中國首艘遠赴極地執(zhí)行自主測繪的水面無人艇。

針對我國南極第五座新建科考站——維多利亞地科考站的建站需求，上海大學聯(lián)合交通運輸部東海航保中心、中船重工青島北船自主研發(fā)的水面無人艇在此次科考中承擔新站所在海域——羅斯海域的海洋測繪工作。由于極地海域的復雜性，如大量浮冰、冰山、暗礁和淺灘，使得常規(guī)測量船在這一區(qū)域的海洋測繪存在極大危險。此次科考中，具有吃水淺、速度快、機動性高、自主性強等優(yōu)點的水面無人艇“精海2號”將替代常規(guī)有人測量船完成高風險、高危險性的極地海域海洋測繪任務。

精海系列無人艇局部圖

“精海2號”無人艇，除了保持“精海1號”無人艇的自主控制和測量功能外，還具備三模控制功能和低溫技術，并安裝了多波束測深系統(tǒng)、雙頻測深儀、側掃聲納、淺地層剖面儀、聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）等水聲測量設備以完成水文探測，適用于島礁、近海淺水域以及南極等水下地形、地貌探測。

在已有成功研發(fā)應用的基礎上，上海大學等單位進一步深化核心技術研究，拓寬應用范圍，形成多元化產(chǎn)品系列。精海系列無人艇利用模塊化、標準化技術實現(xiàn)了靈活高效的遙控與自主導航航行、任務航跡點動態(tài)實時設定、高精度航跡跟蹤、自動避障避碰、遠距離自主航行、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸、智能數(shù)據(jù)存儲、宜人化操作和健康監(jiān)控等功能；并實現(xiàn)控制設備和測繪設備遠程管理，根據(jù)任務需求實現(xiàn)所需設備的上電或斷電操作，達到保護設備、節(jié)省能源、實現(xiàn)超長距離作業(yè)的目的；配置RTK-DGPS定位系統(tǒng)，同時配備北斗定位系統(tǒng)作為冗余終端，在數(shù)據(jù)鏈中斷的情況下，仍可通過北斗基站獲得無人艇的位置，具備全時全天候的海上精確定位能力。

近期，精海系列又迎來了第三代成員，作為代表最新研發(fā)成果的“精海3號”也將搭載在海航調查船上對島礁和近海淺水域等水下地形地貌、水文進行探測和自主航道測量。