水下無人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

潘 光, 宋保維, 黃橋高, 施 瑤

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水下無人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

潘 光1,2, 宋保維1,2, 黃橋高1,2, 施 瑤1,2

(1. 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院, 陜西西安, 710072; 2. 無人水下運(yùn)載技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710072)

水下無人系統(tǒng)是現(xiàn)代海軍裝備的重要組成部分, 是海軍裝備中新概念、新技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。文章回顧了美國制定的水下無人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃, 分析了美國水下無人系統(tǒng)體系化、集群化以及對新概念水下無人航行器探索的發(fā)展特點(diǎn); 簡要敘述了俄羅斯、歐洲以及國內(nèi)水下無人系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀, 以及國內(nèi)外存在的差距; 最后, 針對水下無人系統(tǒng)“自主性、互操作、數(shù)據(jù)鏈、多平臺協(xié)同”等核心問題, 指出了所應(yīng)突破的技術(shù)關(guān)鍵。文中的研究將為我國多樣化水下無人系統(tǒng)開發(fā)提供依據(jù)。

水下無人系統(tǒng); 體系化; 集群化; 新概念無人水下航行器; 自主航行技術(shù); 水下數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)

0 引言

水下無人系統(tǒng)(unmanned undersea system, UUS)是指具有自主航行能力, 可完成海洋/海底環(huán)境信息獲取、固定/移動(dòng)目標(biāo)探測、識別、定位與跟蹤以及區(qū)域警戒等任務(wù)的各類無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)、水下無人作戰(zhàn)平臺及其所必要的控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和人員的總稱。其研究領(lǐng)域涵蓋情報(bào)收集、水下及水上偵查監(jiān)視、作戰(zhàn)打擊和后勤支援等諸多領(lǐng)域, 具有重要的軍事價(jià)值, 已成為世界各國海軍裝備的重要研究方向[1]。UUV主要包括自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)和遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV), 其中軍事領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展AUV, 民用領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展ROV。

近年來, 隨著各國對戰(zhàn)場低傷亡率的追求, UUS在海上戰(zhàn)爭中發(fā)揮的作用愈發(fā)顯著。相比水下有人系統(tǒng), UUS能夠代替人執(zhí)行“枯燥的、惡劣的和危險(xiǎn)的”(dull, dirty, dangerous, 3D)任務(wù), 具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、適應(yīng)能力和生存能力高、無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn), 極大地?cái)U(kuò)展海軍的作戰(zhàn)能力, 被視為現(xiàn)代海軍的“力量倍增器”。

1 UUS發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

近年來, 世界各主要海軍大國都加快了UUV的研究步伐, 并取得了重要進(jìn)展。隨著新材料、新能源、人工智能等技術(shù)的不斷進(jìn)步, 大深度、遠(yuǎn)航程、大載荷、自主回收成為UUV的發(fā)展趨勢[2-3]。

1.1.1 美國

UUS是現(xiàn)代海軍裝備的重要組成部分, 是海軍裝備中新概念、新技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。美國歷來對軍事高科技保持著高度的敏感性, 并針對UUS制定了一系列的發(fā)展規(guī)劃。

2000年, 美國海軍綜合考慮未來50年需求情況制定了一個(gè)中、遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃, 即《無人水下航行器(UUV)總體規(guī)劃》[4], 確定了未來UUV優(yōu)先發(fā)展的4個(gè)特征能力: 1) 潛艇跟蹤和追獵; 2) 海事偵察; 3) 水下搜索和調(diào)查; 4) 通信和導(dǎo)航援助。2004年, 美國海軍對該規(guī)劃進(jìn)行了修訂, 將UUV的任務(wù)最終調(diào)整為9項(xiàng), 包括情報(bào)/監(jiān)視/偵察、反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、檢查與識別、海洋調(diào)查、通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、負(fù)載投送、信息作戰(zhàn)、時(shí)敏打擊, 并提出了多UUV的概念[5]。之后, 美國海軍未單獨(dú)針對UUV再次發(fā)布規(guī)劃, 而是由美國國防部對陸、海、空各類無人系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。2007年, 美國國防部發(fā)布了《2007-2032年無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》[6], 首次提出了地面、水下、空中統(tǒng)一的無人系統(tǒng)總體發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃, 并表示未來25年美國將逐步建立一支完善而先進(jìn)的無人作戰(zhàn)部隊(duì)。2009年、2011年、2013年美國國防部又先后對無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖進(jìn)行了修訂, 進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了陸?？崭鳠o人系統(tǒng)的協(xié)同工作能力。2016年10月, 美國國防科學(xué)委員會發(fā)布了《下一代水下無人系統(tǒng)》報(bào)告, 對于美國國防部在下一個(gè)10年及以后如何維持水下優(yōu)勢提出了重要建議[7]。

由美國制定的系列發(fā)展規(guī)劃可以看出, UUV正由單個(gè)系統(tǒng)朝向集群化趨勢發(fā)展, 并與其他無人系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)同, 通過網(wǎng)絡(luò)化無人平臺的分布式態(tài)勢感知和信息共享, 提高作戰(zhàn)效能。目前, 美國已基本解決了單個(gè)UUV技術(shù), 并正在向多UUV自主集群協(xié)同及海陸空集群協(xié)同發(fā)展。縱觀美國UUS的發(fā)展, 體系化、集群化以及對新概念水下航行器的探索成為其顯著特點(diǎn)。

1) UUV向體系化發(fā)展

美國海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(space and naval warfare systems command, SPAWAR)的先進(jìn)無人搜索系統(tǒng)(advanced unmanned search system, AUSS), 最大潛深6 000 m, 最大速度5 kn, 一次充電可在深海進(jìn)行10 h的搜索活動(dòng), 攜帶的水聲通信設(shè)備可保證在6 000 m的水下向水面?zhèn)魉碗姾神詈掀骷?charge coupled device, CCD)電視或側(cè)視聲吶數(shù)據(jù)。

美國在研發(fā)水下航行器的過程中, 還特別注重體系化發(fā)展。比如由伍茲霍爾海洋研究所設(shè)計(jì)的REMUS(remote environmental monitoring units)系列化水下航行器(見圖1)。

(a) REMUS 100

(b) REMUS 600????(c) REMUS 6000

圖1 REMUS系列化無人水下航行器

Fig.1 Remote environmental monitoring units(REMUS)

該系列具體包括REMUS 100、REMUS 600、REMUS 3000、REMUS 6000等型號, 可用于反水雷、航道偵察、港口警戒、地形測繪以及深水取樣等任務(wù), 目前有超過150艘REMUS水下航行器在北約國家中使用[8]。該系列水下航行器主要技術(shù)參數(shù)參見表1。

表1 REMUS系列化水下航行器主要技術(shù)參數(shù)

2) 新概念型水下航行器研究

美國新一代水下航行器“曼塔” (Manta)主要用于新概念及新技術(shù)的試驗(yàn)[9]。該航行器采用非常規(guī)的扁平外形設(shè)計(jì), 懸掛在潛艇外部, 由潛艇釋放自主執(zhí)行任務(wù)(見圖2)。Manta采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 可根據(jù)任務(wù)需要攜載不同的傳感器、武器及對抗設(shè)備, 執(zhí)行情報(bào)搜集、偵察、監(jiān)測、反水雷及反潛等多種任務(wù), 完成任務(wù)后返回, 可重復(fù)使用。Manta的研制分2期進(jìn)行, 近期排水量56.9 t, 長度15 m, 寬度5.8 m, 高度1.7 m; 遠(yuǎn)期排水量91.700 t, 航程2 000 km。

新一代翼身融合水下滑翔機(jī)(X-Ray)由華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在美國海軍研究辦公室(office of naval research, ONR)資助研發(fā)[10]。該滑翔機(jī)創(chuàng)造性地采用翼身融合布局外形, 在為能源和有效載荷提供足夠空間的同時(shí), 還能實(shí)現(xiàn)高升阻比和大滑翔比(見圖3)。X-Ray翼展6.1 m, 滑翔速度1~2 kn, 用于探測和跟蹤淺水域的安靜型潛艇。美國軍方宣稱X-Ray可以在指定區(qū)域內(nèi)迅速部署并進(jìn)行長達(dá)數(shù)月的運(yùn)行, 監(jiān)測范圍超過1 000 km。Z-Ray是X-Ray的下一代產(chǎn)品, 具有更好的水動(dòng)力性能, 其所有子系統(tǒng)在2010年3月進(jìn)行了不同深度(最大深度300 m)的海洋試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果十分理想。

(a) X-Ray

(b) Z-Ray

圖3 翼身融合水下滑翔機(jī)

Fig.3 Blended-wing-body underwater glider

“深海浮沉載荷”(upward falling payloads, UFP)是由美國國防高級研究局(defense advanced research projects agency, DARPA)提出的一種水下預(yù)置無人系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)為在4 000 m深海布置的密封吊艙, 內(nèi)置傳感器、無人機(jī)、導(dǎo)彈等有效載荷, 潛伏期長達(dá)數(shù)年, 并在需要時(shí)遠(yuǎn)程遙控激活, 吊艙浮出水面, 釋放有效載荷, 執(zhí)行軍事任務(wù)。UFP項(xiàng)目研究分為3個(gè)階段: 概念測試階段(2013年)、樣機(jī)開發(fā)階段(2014年)、演示驗(yàn)證階段(2015年~2016年)。美海軍計(jì)劃于2017年進(jìn)行UFP實(shí)戰(zhàn)化部署。圖4為UFP概念圖。

3) UUS的集群化發(fā)展

隨著各類水下航行器潛深、航程越來越大, 功能越來越多樣化, UUS集群也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。美國先后開發(fā)了多型海陸空聯(lián)合作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)體系, 利用UUV作為水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn), 與其他固定/移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成水下預(yù)警系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)采集、軍事偵察及信息對抗等任務(wù)[12-14]。

美國海軍自1998年起多次進(jìn)行廣域海網(wǎng)(Seaweb)的海底水聲通信試驗(yàn), 旨在提升未來海軍作戰(zhàn)能力。Seaweb是一種典型的海底水聲傳感器網(wǎng)絡(luò), 通過水聲通信鏈路將固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)(見圖5)。美國在2001年的Seaweb2001演習(xí)中共布設(shè)了40個(gè)通信節(jié)點(diǎn), 并利用潛艇“USS Dolphin”號在布網(wǎng)區(qū)域中現(xiàn)場進(jìn)行有關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能的測試。

可部署自主分布式系統(tǒng)(deployable autono- mous distributed system, DADS)是美國ONR和SPAWAR聯(lián)合研發(fā)的未來海軍瀕海防雷反潛項(xiàng)目, 如圖6所示。美國海軍在2001年6月進(jìn)行了DADS應(yīng)用的艦隊(duì)作戰(zhàn)(FBE-I)試驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)由14個(gè)固定節(jié)點(diǎn)及數(shù)個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成, 包括2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和10個(gè)遙控聲吶中繼節(jié)點(diǎn), UUV作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò), 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器部署在岸基指揮中心。

先進(jìn)可布放系統(tǒng)(advanced deploymental sy- stem, ADS)由美國洛克希德-馬丁公司設(shè)計(jì)和開發(fā)。每個(gè)ADS由4個(gè)互聯(lián)的陣列安裝模塊組成, 每個(gè)安裝模塊可釋放UUV, UUV沿預(yù)設(shè)路線展開體內(nèi)的光纜和水聽器陣列(見圖7), 實(shí)現(xiàn)對潛艇和水面艦船的探測跟蹤, 監(jiān)測水雷布放活動(dòng)。ADS之間還可以通過浮標(biāo)相互通信, 形成更大的水下探測網(wǎng)絡(luò)(見圖8)。

水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)(persistent littoral underwat- er surveillance network, PLUSNet)于2006年開始研制, 它以巡航導(dǎo)彈核潛艇為母節(jié)點(diǎn), 以核潛艇攜帶的UUV為移動(dòng)子節(jié)點(diǎn), 以水下潛標(biāo)、浮標(biāo)、水聲探測陣為固定子節(jié)點(diǎn), 構(gòu)成一種潛布式海底固定加機(jī)動(dòng)的水下網(wǎng)絡(luò), 如圖9所示。

該系統(tǒng)可獲取海洋環(huán)境信息、探測水下目標(biāo),為水下作戰(zhàn)提供支撐, 已于2015年形成作戰(zhàn)能力。美國電船公司基于巡航導(dǎo)彈核潛艇, 已經(jīng)為PLUSNet開發(fā)了一種新型搭載系統(tǒng)進(jìn)行隱蔽布放(見圖10)。美國海軍計(jì)劃通過PLUSNet和ADS一起構(gòu)成未來水下反潛網(wǎng)絡(luò)[15]。

4) 其他新項(xiàng)目的研發(fā)

2015年, 美國加大了該領(lǐng)域的研究力度, 并發(fā)布了多個(gè)新項(xiàng)目的研發(fā)計(jì)劃[2]。

美國科學(xué)應(yīng)用國際公司為DARPA研制的反潛戰(zhàn)持續(xù)追蹤無人艇(ASW continuous trail unma- nned vessel, ACTUV)項(xiàng)目, 旨在應(yīng)對未來安靜型柴電潛艇的威脅。該艇具有探測、跟蹤、告警及規(guī)避功能, 能夠進(jìn)行無線和衛(wèi)星等多種通信。艇體采用復(fù)合材料, 暴露在水面上的部分以及雷達(dá)反射截面較小, 具有很好的隱蔽性和淺海航行能力。航速達(dá)到27 kn, 作戰(zhàn)半徑達(dá)到3 000 km, 續(xù)航時(shí)間為3個(gè)月, 具有極佳的前沿部署能力及大范圍反潛能力。

大直徑無人水下航行器(large displacement unmanned undersea vehicle, LDUUV)具有掃雷、跟蹤、情報(bào)偵察、自主工作、智能化攻擊的能力, 可搭載各種類型的導(dǎo)彈、炸彈甚至核彈進(jìn)行自主攻擊; 既可獨(dú)立使用, 也可在包括巡航導(dǎo)彈核潛艇、弗吉尼亞級攻擊核潛艇和水面艦艇等多種平臺上部署。該潛器計(jì)劃2017年服役, 2020年具備完全作戰(zhàn)能力。

2016年5月, 英國BAE公司開始為DARPA研發(fā)“深海導(dǎo)航定位系統(tǒng)”(POSYDON)項(xiàng)目。該系統(tǒng)由固定部署在海底的大量水聲傳感器組成, 水下航行器無需浮上水面尋求GPS定位, 也無需釋放任何射頻傳輸信號, 即可根據(jù)傳感器的坐標(biāo)推算出自身位置信息, 因此可最大限度地降低被探測的風(fēng)險(xiǎn)、成本和動(dòng)力消耗。該項(xiàng)目研制時(shí)間暫定48個(gè)月, 分3個(gè)階段進(jìn)行。

1.1.2 俄羅斯

近年來, 俄羅斯大力發(fā)展UUV顛覆性技術(shù)。2015年11月, 俄披露了正在研發(fā)的一種水下高速自主航行器——“海洋多用途系統(tǒng)Status-6”, 該航行器可攜帶核彈頭, 并可在沿海地區(qū)破壞敵方重要經(jīng)濟(jì)區(qū)域, 造成大范圍的放射性污染。該航行器下潛深度約1 000 m, 速度可達(dá)56 kn, 續(xù)航約10 000 km。該航行器預(yù)計(jì)于2019年生產(chǎn)出原型機(jī)[2]。

1.1.3 歐洲

瑞典薩博(SAAB)公司一直致力于UUV的研究, 在2015年的英國防務(wù)展上, 該公司展出了該領(lǐng)域的多項(xiàng)研發(fā)成果。其中, AUV62-MR水雷探測系統(tǒng)具有水雷探測、反水雷、遠(yuǎn)程作業(yè)與高階自主能力, 采用模塊化設(shè)計(jì), 可執(zhí)行多種任務(wù); 多功能水下航行器SUBROV則是一種最新型的遠(yuǎn)程操作UUV, 可被任何潛水艇運(yùn)載發(fā)射, 適于21英寸標(biāo)準(zhǔn)級魚雷發(fā)射管; 海黃蜂(Sea Wasp)是一種水下非常規(guī)爆炸處理裝置, 采用模塊化設(shè)計(jì), 具有優(yōu)異的適航性, 可執(zhí)行多任務(wù)[2]。

英國南安普敦海洋中心研制的海洋調(diào)查與監(jiān)視水下航行器AutoSub是一個(gè)大潛深、遠(yuǎn)航程的多用途水下航行器, 最大工作深度1 600 m, 航程500 km。

德國阿特拉斯電子公司研制的無人水下偵察航行器DeepC, 重2.4 t, 續(xù)航時(shí)間達(dá)60 h, 最大航程400 km, 巡航速度4 kn, 最大航速6 kn, 有效載荷300 kg, 最大潛深4 000 m。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來, 我國針對單UUV技術(shù)的研究已取得突出進(jìn)展, 中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位都在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。

中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的系列化水下航行器, 包括“探索者”號航行器、“CR01”航行器、“CR02”航行器、“潛龍一號”、“潛龍二號”航行器等。其中“潛龍二號”在“潛龍一號”的基礎(chǔ)上, 在機(jī)動(dòng)性、避碰能力、快速3D地形地貌成圖、浮力材料國產(chǎn)化方面均有較大提高, 為我國海底多金屬硫化物調(diào)查和勘探提供高效、精細(xì)、綜合的先進(jìn)手段。

哈爾濱工程大學(xué)在“十二五”國家863計(jì)劃支持下, 完成了300 kg級小型自主水下航行器(智水-Ⅳ)的研制, 在蓬萊海域?qū)崿F(xiàn)了自主連續(xù)航行110 km和自主布放等多項(xiàng)功能演示, 最大潛深達(dá)1 000 m。

西北工業(yè)大學(xué)在“十一五”、“十二五”期間分別研制了“300 m航深、300 km航程”和“500 m航深、500 km航程”遠(yuǎn)程智能水下航行器, 突破了航行器低速橫向平移與回旋、水下懸停矢量推進(jìn)與操縱、新型稀土永磁推進(jìn)電機(jī)等關(guān)鍵技術(shù), 具有航路自主規(guī)劃和安全布放回收能力。此外, 西北工業(yè)大學(xué)還研制了50 kg級便攜式水下航行器, 航程50 km, 最大工作水深200 m, 具有安全可靠、便于操作、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn), 可快速靈活擴(kuò)展功能模塊, 滿足海洋環(huán)境探測和水下觀測的需求。

天津大學(xué)研制的“海燕”號水下滑翔機(jī), 采用變浮力滑翔、螺旋槳推進(jìn)的混合運(yùn)動(dòng)模式, 在南海北部水深大于1500 m海域不間斷工作30天, 最大航程超過1 000 km, 創(chuàng)造了中國水下滑翔機(jī)無故障航程最遠(yuǎn)、時(shí)間最長、剖面運(yùn)動(dòng)最多、工作深度最大等諸多紀(jì)錄。

目前, 國內(nèi)的研究主要集中于單UUV技術(shù)階段, 在航行器集群協(xié)同方面開展了一些前期研究, 同時(shí)需具備航程數(shù)千公里、最大工作水深數(shù)千米指標(biāo)的UUV。此外, 還應(yīng)重視產(chǎn)品的體系化發(fā)展, 研發(fā)遠(yuǎn)離岸基、自主遠(yuǎn)程隱蔽航渡、自行展開軍事對抗的關(guān)鍵裝備, 加強(qiáng)對新概念航行器的探索。

2 UUS關(guān)鍵技術(shù)

UUS是多學(xué)科交叉、融合的綜合系統(tǒng), 蘊(yùn)涵著大量的基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù), 是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。圍繞解決UUS“自主性、互操作、數(shù)據(jù)鏈、多平臺協(xié)同”等核心問題, 需要重點(diǎn)突破以下共性關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 自主航行技術(shù)

為了確保UUS能夠在復(fù)雜海洋環(huán)境中自主協(xié)同地完成各項(xiàng)任務(wù), 必須解決環(huán)境自適應(yīng)、自主對接與回收、編隊(duì)協(xié)同控制、協(xié)同導(dǎo)航與定位等技術(shù)問題。

1) 環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)

UUV執(zhí)行任務(wù)時(shí), 能夠根據(jù)海洋環(huán)境、任務(wù)需求、運(yùn)動(dòng)約束、通信約束等多時(shí)空約束, 合理規(guī)劃出最優(yōu)的航跡或者航路點(diǎn), 以節(jié)約能源、規(guī)避危險(xiǎn)區(qū)域等。航行過程中, 由于海洋環(huán)境的變化, UUV根據(jù)實(shí)時(shí)測量信息, 需要避開在其航行路徑上的障礙物或者危險(xiǎn)區(qū)域, 因此UUV還要求有自主避障的能力, 以適應(yīng)環(huán)境的變化。

此外, 一些任務(wù)中UUV要在海底隱蔽航行, 為了保證UUV的安全性, 要求能夠與海底保持一定的高度航行, 因此, 在海底起伏的情形下, UUV要能夠根據(jù)海底地形自主調(diào)節(jié)距底高度。

2) 自主對接與回收技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)UUV能源補(bǔ)給、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ? 必須解決UUV與水下基站的自主對接與回收問題。目前, 美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在自主海洋采集網(wǎng)絡(luò)(autonomous ocean sampling network, AOSN)中通過固定的水下回收器收集UUV的數(shù)據(jù)并對其補(bǔ)充能量。國內(nèi)中科院沈陽自動(dòng)化研究所和哈爾濱工程大學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了一些水面艦船和潛艇通過釋放回收器實(shí)現(xiàn)UUV回收的研究, 西北工業(yè)大學(xué)則開展了潛艇發(fā)射管回收UUV時(shí)的流體動(dòng)力和微速控制方面的研究[16-17]。

為此, 圍繞UUV在復(fù)雜海洋環(huán)境下長時(shí)間作業(yè)的需求, 應(yīng)重點(diǎn)解決水下自主對接非定常力學(xué)特性分析、水下自主對接過程微速操縱性分析、基于聲學(xué)/光學(xué)信息融合的水下對接目標(biāo)定位與定向等關(guān)鍵技術(shù)。

3) 編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)

多UUV協(xié)作過程中, 需能夠自主進(jìn)行任務(wù)分配。巡航過程中, UUV通過與其他平臺的信息交互, 使多個(gè)平臺之間保持一定的距離航行, 并隨時(shí)共享相互間的探測信息, 當(dāng)UUV探測到環(huán)境信息變化需要改變隊(duì)形時(shí), UUV能夠通過相互之間的協(xié)調(diào)來自主完成隊(duì)形變換。當(dāng)對目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同攻擊時(shí), UUV之間能夠根據(jù)指定的方式對目標(biāo)實(shí)施打擊。圖11為UUV編隊(duì)協(xié)同控制示意圖。

4) 協(xié)同導(dǎo)航與定位技術(shù)

高精度的導(dǎo)航定位是多UUV系統(tǒng)完成任務(wù)的基礎(chǔ)。通過UUV間導(dǎo)航信息的共享, 即多UUV間的協(xié)同導(dǎo)航, 在提高系統(tǒng)整體導(dǎo)航定位精度的同時(shí), 既可降低導(dǎo)航定位成本, 還可擺脫基陣/母船的束縛, 使用區(qū)域靈活。目前, 協(xié)同導(dǎo)航與定位主要有領(lǐng)航跟隨式和分布式2種。領(lǐng)航跟隨式中, 領(lǐng)航UUV配置高精度導(dǎo)航傳感器, 跟隨UUV配置低精度導(dǎo)航傳感器, 領(lǐng)航UUV的數(shù)量一般2～4個(gè), 理論上跟隨UUV數(shù)量不受限制; 跟隨UUV一般需與領(lǐng)航者通信, 并且領(lǐng)航UUV間需要具備配合能力。分布式中, 每個(gè)UUV具有相同的導(dǎo)航傳感器配置與同等地位, 一般要求UUV與多個(gè)鄰居通信, 由于目前世界先進(jìn)的美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研制的水聲通信系統(tǒng)Modem較可靠的通信率也只有32 Bytes/10 s, 故適合于UUV數(shù)量較少的場合。

2.2 水下數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)UUV多平臺間的數(shù)據(jù)共享, 必須解決水下遠(yuǎn)程高速動(dòng)態(tài)通信、水下網(wǎng)絡(luò)與空中網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等技術(shù)問題。

1) 水下遠(yuǎn)程高速動(dòng)態(tài)通信技術(shù)

在執(zhí)行大范圍、遠(yuǎn)航程任務(wù)時(shí), 航行器之間以及航行器與母平臺之間需要進(jìn)行遠(yuǎn)程高速動(dòng)態(tài)通信, 以實(shí)現(xiàn)信息傳輸與共享。為了實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)程高速動(dòng)態(tài)通信, 重點(diǎn)需要突破深海聲信道遠(yuǎn)程通信技術(shù)、遠(yuǎn)程低誤碼率指令信息傳輸技術(shù)以及信息傳輸抗截獲技術(shù)等。

2) 水下網(wǎng)絡(luò)與空中網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

UUV主要以聲學(xué)通信為主, 然而水聲通信存在著水聲信道時(shí)域和空域不斷變化、多途效應(yīng)擴(kuò)展嚴(yán)重、具有頻率選擇性信道衰落、可用頻帶資源有限等限制, 使得UUV的通信距離和帶寬受到限制, 并且誤碼率高。為了實(shí)現(xiàn)水下網(wǎng)絡(luò)與空中網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián), 重點(diǎn)需要突破基于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的水聲組網(wǎng)通信技術(shù)、水下中繼水聲通信技術(shù)、水下網(wǎng)絡(luò)-浮標(biāo)-衛(wèi)星中繼通信技術(shù)等。通過多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信, 構(gòu)建水下移動(dòng)聲學(xué)網(wǎng)絡(luò), 將水面浮標(biāo)作為中繼, UUV可以與衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信, 從而實(shí)現(xiàn)?？仗烊灰惑w協(xié)同工作。

3 結(jié)束語

海洋是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間, 更是國家安全的重要屏障。UUS作為海洋防衛(wèi)的重要裝備, 是我國現(xiàn)代海軍崛起、建設(shè)藍(lán)水海軍的重要組成部分。

當(dāng)今各軍事大國都在加緊各類UUS的研制和開發(fā), 美國在該領(lǐng)域的研究更在體系化、集群化以及對新概念水下航行器的探索等方面凸現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢。相比而言, 我國尚需在系統(tǒng)的集群協(xié)同、超遠(yuǎn)航程與超大潛深、自主隱蔽作戰(zhàn)等方面加大投入和研發(fā)。

鑒于UUS的發(fā)展趨勢, 未來研究方向及重點(diǎn)應(yīng)基于以下幾方面: 1) 仿生技術(shù)、人工智能技術(shù)將在UUS中扮演越來越重要的角色, 也是我國實(shí)現(xiàn)彎道超車的技術(shù)突破點(diǎn); 2) 應(yīng)盡快召集國內(nèi)相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢單位, 在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上, 制定我國UUS的發(fā)展路線圖, 指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)研究; 3) 將UUV與無人水面船、無人地面車輛、無人機(jī)等無人系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮, 同時(shí)開展多種異構(gòu)無人平臺的聯(lián)合協(xié)同作戰(zhàn)研究。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Development and Key Techniques of Unmanned Undersea System

PAN Guang1,2, SONG Bao-wei1,2, HUANG Qiao-gao1,2, SHI Yao1,2

(1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Key Laboratory for Unmanned Underwater Vehicle, Xi′an 710072, China)

Unmanned undersea system(UUS) concerns most of the new concepts and new technologies for modern naval equipment. This paper reviews the development of UUSs in the United States, and analyzes the three features of these UUSs, i.e., the systematization, the clustering, and the exploration of the new concept unmanned undersea vehicle(UUV). This paper also briefly describes the current development of UUSs in Russia, Europe and China, and points out the development gap between China and the United States. Finally, in view of the key aspects of UUSs, such as autonomy, interoperability, data link and multi-platform cooperation, the corresponding key technologies are emphasized. This study may provide a reference for the development of diversified UUSs in China.

unmanned undersea system(UUS); systematization; clustering; new concept unmanned undersea vehicle (UUV); autonomous navigation technology; underwater data link communication technology

TJ630.1; TP242.6

A

2096-3920(2017)01-044-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.003

2017-03-13;

2017-03-25.

潘 光(1969-), 男, 博士, 長江學(xué)者特聘教授, 研究方向?yàn)樗潞叫衅骺傮w設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、水下武器發(fā)射與回收技術(shù)等.

[引用格式]潘光, 宋保維, 黃橋高, 等. 水下無人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(1): 44-51.