國外無人水下航行器裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及展望

鐘宏偉

(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650118)

國外無人水下航行器裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及展望

鐘宏偉

(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650118)

當今,無人水下航行器(UUV)已成為世界各國海軍爭相研制的“熱點”裝備,文中立足于國外UUV的發(fā)展歷程及發(fā)展規(guī)劃,通過參閱大量文獻,詳細梳理了各國UUV發(fā)展的主要研究機構(gòu),介紹了美國、俄羅斯、日本、韓國及主要歐洲國家典型UUV裝備應用情況和重要技術(shù)指標,著重分析了當今國外UUV能源技術(shù)、自主控制技術(shù)、導航技術(shù)、通信技術(shù)及負載技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,展望了UUV未來發(fā)展方向。

無人水下航行器; 性能指標; 研究機構(gòu); 典型裝備

0 引言

近年來,隨著信息戰(zhàn)向反潛戰(zhàn)場的延伸及現(xiàn)代戰(zhàn)爭追求人員零傷亡理念的發(fā)展,無人作戰(zhàn)系統(tǒng)已成為世界各國軍事裝備的研發(fā)重點,其重要組成部分的無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)必然成為世界各國爭相研制的“熱點”裝備。

UUV是一種主要以潛艇或水面艦船為支援平臺,能長期在水下自主航行并可回收的智能化裝置,借助母平臺可搭載多種傳感器、專用設備或武器模塊,并可執(zhí)行特定的任務使命。當今,UUV以其自主性、靈活性和多用途性,被越來越廣泛地應用于水下戰(zhàn)場偵察/監(jiān)視、情報收集、預警探測、通信中繼、環(huán)境調(diào)查、有效載荷預置、水聲對抗、目標感知與識別、獵雷、布雷、跟蹤打擊及后勤支援等諸多領域[1],在未來海戰(zhàn)中具有越來越重要的地位。根據(jù)自主性等級,可將UUV分為遙控式無人水下航行器(remotely operated vehicle,ROV)和自主式無人水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV) 2類。任務包涉及水下偵察、搜索、探測、識別、獵掃雷、時敏打擊和打撈回收等功能模塊。其中,ROV拖帶有用于控制和動力的光電纜,由人工進行控制;AUV則自帶能源動力,采用自主控制模式。

1 發(fā)展歷程

UUV的研制最早始于20世紀50年代末,主要用于海洋科學研究。20世紀70年代,UUV常通過遙控方式被用來執(zhí)行搜探失事潛艇、反水雷等軍事任務。20世紀 80～90年代,隨著小型化組合導航、遠程水下通信、小型低能耗計算機等技術(shù)的突破,UUV開始具備半自主控制能力,但由于成本高,未正式列裝。到20世紀90年代末,隨著技術(shù)的進一步成熟,UUV在民用領域得到了廣泛應用,并借助成熟商用技術(shù)使其成本明顯降低,逐步出現(xiàn)具備反水雷等功能的 UUV并裝備部隊[2]。

21世紀以來,UUV的自主控制水平和推進動力源比能得到了進一步提高,其任務開始向反潛、水下偵察等領域擴展。期間,美國先后 2次修改了UUV的發(fā)展主規(guī)劃,在2007年后,將空中、水下和地面多維空間的無人系統(tǒng)進行整合,每2年發(fā)布一次《無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》并滾動修訂,最新版截至為2013年發(fā)布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖(2013-2038)》。對軍用 UUV發(fā)展影響較大的是2011年美海軍發(fā)布的《水下戰(zhàn)綱要》,其中提出要加強對大型UUV、特種作戰(zhàn)航行器、水下分布式網(wǎng)絡、全球快速打擊系統(tǒng)等有效負載的利用。針對所開發(fā)的有實用價值的研制樣機(如大排量 UUV),為能盡快列入部隊服役,2016年美國防部變革了 UUV的采購辦法,采用邊研制邊采購入役的辦法,以期縮短獲得新研 UUV的采購時間[3]。

歐洲針對 UUV的研究一直在展開,一些關(guān)鍵技術(shù)的研究更優(yōu)先于美國。2010年,歐洲防務局(European defence agency,EDA)發(fā)布了《海上無人系統(tǒng)方法與協(xié)調(diào)路線圖》,提出協(xié)調(diào)歐洲各國力量,共同促進UUV等系統(tǒng)的發(fā)展。圖1列舉了國外一些典型UUV的發(fā)展歷程[4-5]。

圖1 國外典型無人水下航行器發(fā)展歷程Fig. 1 Development process of typical unmanned undersea vehicle(UUV) abroad

2 主要研究機構(gòu)

據(jù)不完全統(tǒng)計,目前國外主要有十多個國家20多家科研機構(gòu)在從事UUV的研究開發(fā)(見圖2),來源主要有以下幾方面。

公司類機構(gòu): 美國的藍鰭金槍魚機器人公司、波音公司、洛·馬公司、哥倫比亞公司、通用動力公司、水螅公司、伍德·霍伊公司、諾斯羅普·格魯曼公司等。德國的ATLAS電子公司、法國的 DCNS、意大利的Gaymarine、瑞典Saab水下系統(tǒng)、英國的BAE水下系統(tǒng)、挪威的Kongsberg Maritime公司、澳大利亞國防科學技術(shù)研究院等。

軍方類研究機構(gòu): 主要為美國的海上系統(tǒng)司令部、海軍水下戰(zhàn)中心、海軍研究局、國防高級研究計劃局、海軍海洋局、海軍研究實驗室等。

大學類研究機構(gòu): 主要有美國的華盛頓大學、賓夕法尼亞州立大學應用物理研究所、加州大學、麻省理工學院、威斯康辛大學及挪威海洋大學等。

文中著重對美海軍部分研究機構(gòu)進行說明[6]。

1) 美國海軍水下作戰(zhàn)中心(naval undersea warfare center,NUWC): 研制有大直徑 UUV(LDUUV)和直徑21 inch的UUV(21UUV)。

2) 美國海軍研究局(office of naval research,ONR): ONR的工程部、材料部、物理科學和技術(shù)部都在從事UUV的研究工作,主要涉及UUV的能源與推進、續(xù)航力、傳感器信號處理、通信、使命管理控制、導航和運載器設計等。

圖2 國外主要UUV研究機構(gòu)Fig. 2 Major foreign research institutes for the UUV

3) 美國海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)(space and naval warfare systems command,SPAWAR)中心: 主要從事AUV的指揮和控制系統(tǒng)、光纖和水聲通信系統(tǒng)、非金屬材料和運載器總體的研制。

4) 美國國防高級研究計劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)和查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室(Charles Stark Draper labatory,CSDL): 已建成 2個可用作試驗平臺的AUV,其長10.97 m,直徑 1.112 m,重 6 804 kg,最大工作深度分別為304.48 m和457.2 m。該航行器采用8.82 kW的無刷電機,最大航速為10 kn,續(xù)航力為24 h,均已完成海試。

5) 美國海軍研究生院(naval postgraduate school,NPS)智能水下運載器研究中心: 主要從事用于UUV智能控制、規(guī)劃與導航、目標探測與識別等技術(shù)的研究,產(chǎn)品有 NPS AUV I、NPS AUV II、ARIES(白羊座)號、Pheonix(鳳凰)號AUV等。

6) 美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole oceanographic institute,WHOI): 研制有遠距離環(huán)境監(jiān)測裝置(remote environmental monitoring units,REMUS)及深海探測器(autonomous benthic explorer,ABE) AUV等產(chǎn)品。其中ABE AUV用于深海海底觀察,機動性好,能完全在水中懸停,或以極低的速度進行定位、地形勘測和自動回塢。該AUV長2 200 mm,速度2 kn,根據(jù)電池類型,續(xù)航力為12.87～193.08 km,動力采用鉛酸電池、堿性電池或鋰電池。

7) 通用動力公司和雷聲公司: 主要產(chǎn)品XP-21是一型直徑533 mm的AUV,采用模塊化設計,長度可在 2.44～7.32 m 任意選擇,其標準型的質(zhì)量為635 kg,航速 0～5 kn,工作深度為 9.14～3 653.63 m,主要用于水雷戰(zhàn)。該 AUV側(cè)視聲吶為雙頻、單波束、數(shù)字式聲吶,頻率范圍100～500 kHz; 高頻用于探測大型水雷,低頻用于探測沉底雷并對其進行分類。前視聲吶為多波束數(shù)字式聲吶,可填補側(cè)視聲吶的探測盲區(qū),以探測和分類沉底雷和錨雷,同時也可用于避障。

8) 佩里技術(shù)公司: 該公司研制的機動系統(tǒng)試驗(MUST)AUV長為9.144 m,重8 834.8 kg,工作深度為60.96 m,主要供試驗和演示用。該AUV采用7.35 kW 主推進電機,電源為鉛酸懸掛式電解電池組,航速為0～8 kn。推進系統(tǒng)采用6個推進器,使航行器可作懸停、垂直或橫向運動。

9) 麻省理工學院的 Sea Grant′s AUV 實驗室:是一家主導海上水下機器人的高級研發(fā)者,主要從事各種梯度海洋、環(huán)境、溫度及水下能源的研究,培養(yǎng)了許多從事海洋高技術(shù)探索的研究生和科學家。

3 主要裝備及應用

目前一般將 UUV分為便攜式、輕型、重型和大型4個級別,作戰(zhàn)使命及特征分別如下。

1) 大型 UUV: 排水量＞2 000 kg; 主要用于反水雷、察打一體及特種作戰(zhàn); 可進行水下搜救、水下補給維修、清掃航道及破壞水下工程設施等;通過水聲模擬、干擾和壓制裝置對來襲目標進行誘騙干擾; 通過攜帶各種作戰(zhàn)功能集成模塊載荷、蛙人輸送艙段實施各種特種作戰(zhàn)及運送負載。

2) 重型UUV: 排水量300～2 000 kg; 用于反水雷、察打一體、搜探、跟蹤、攔截及布雷; 可通過水聲模擬、干擾和壓制裝置對來襲目標進行誘騙干擾; 可攜帶輕型水下武器(魚雷、導彈、水雷、深水炸彈)在重要港口基地航道對潛艇跟蹤并實施攔截、在作戰(zhàn)區(qū)域進行布雷等。

3) 輕型UUV: 排水量為50～300 kg; 用于反水雷、搜探、海洋調(diào)查及戰(zhàn)場保護; 可通過攜帶側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、Boss聲吶、前視聲吶及高清水下攝像機/照相機等設備對作戰(zhàn)海域的水雷進行滅雷; 可通過攜帶的海洋測量設備對戰(zhàn)場進行調(diào)查; 可通過各種通信、導航及定位設備對水下航行器或武器進行精確定位,并進行實時通信。

4) 便攜型 UUV: 排水量＜50 kg; 用于反水雷、海洋調(diào)查及戰(zhàn)場保護; 可通過攜帶淺水探測設備(探測聲吶、成像聲吶、水下電視機)、識別設備(水下結(jié)構(gòu)物)和水下檢查設備,對港口、水下設施和艦船外殼進行檢查,防止蛙人潛入,起到水下保護作用; 可利用光電探測設備及雷達、通信等電子信號偵察等設備對水下物體進行偵察并識別; 具有與輕型UUV相同的滅雷、精確定位和實時通信功能。

目前,美國、俄羅斯、挪威及瑞典等國已有多型軍用 UUV交付部隊。其中,有 2型便攜型UUV用于反水雷; 輕型UUV中,有4型用于反水雷,1型用于海洋調(diào)查; 重型UUV中,有3型用于反水雷,2型用于失事潛艇搜索,1型用于海底地圖繪制; 大型 UUV中,有 1型用于反水雷,1型用于偵察、反水雷和通信。另有10多型UUV正處于探索和研發(fā)中,其中: 輕型UUV中,1型用于反水雷,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查; 重型 UUV中,有4型用于反水雷,1型用于情報偵察,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查; 大型 UUV中,有多型用于執(zhí)行反水雷和察打一體任務。

主要海軍國家典型 UUV裝備體系及主要技術(shù)指標分別見圖3和表1。

圖3 國外UUV裝備體系及典型代表Fig. 3 Equipment systems and typical types of the UUV abroad

3.1 美國

美國有多型在研在役 UUV,覆蓋各種排水量和動力類型。其中,便攜型UUV 2型,均在役,全部用于反水雷; 輕型UUV中,4型用于反水雷,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查,均在役; 重型 UUV中,在役3型,在研多型,且多型用于反水雷,1型用于情報偵察,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查; 大型 UUV中,目前多型在研,近期即將服役的是LDUUV[7],其余皆處在論證與研發(fā)階段。上述多型UUV中,僅1型為滑翔式,其余均為電動力推進型。

美國研發(fā)的UUV在動力(比能210 Wh/kg)、自主化水平(等級達6級)、導航精度(航程×0.1%)及水聲通信(10～20 km范圍內(nèi)速率達330 b/s)等關(guān)鍵技術(shù)領域均處于世界領先地位。其服役的典型型號有SAHRV(便攜型)、SMCM增量2(輕型) 和BPAUV(battlespace preparation AUV)(重型)等。SAHRV是REMUS-100的軍用版,在原版基礎上更換了聲吶等任務模塊,已裝備“奧斯汀”級兩棲船塢運輸艦,并同時向英國、比利時、德國、荷蘭、新西蘭和新加坡等國出售,是目前銷售數(shù)量最多、應用范圍最廣的反水雷UUV[8]。

表1 國外主要UUV技術(shù)指標一覽表Table 1 Main technical specifications of the UUV abroad

SMCM增量2型是在民用UUV“金槍魚-12”的基礎上發(fā)展而成,可由水面艦艇上的A型吊架布放和回收,原計劃用于反水雷。由于發(fā)展重點調(diào)整,美國已停止該UUV的進一步研發(fā),轉(zhuǎn)而發(fā)展重型的SMCM增量3型UUV[9]。

BPAUV 是在民用 UUV“金槍魚-21”的基礎上發(fā)展而來,曾多次參加美國艦隊的作戰(zhàn)演習及海上試驗,目前已裝備近海戰(zhàn)斗艦,主要用于反水雷[10]。

此外,美國 WHOI的 ABE AUV最大潛深達6 000 m,最大速度2 kn,巡航速度1 kn,考察距離≥30 km,考察時間≥50 h,可在沒有母船支持下,長時間執(zhí)行海底科考任務,它是對載人水下航行器和ROV的補充,以構(gòu)成科學的深?？疾炀C合體系,為載人水下航行器提供考察目的地的詳細信息。

由美國Hydroid公司生產(chǎn)的REMUS是先進的UUV系列產(chǎn)品。其中REMUS 6000工作深度25～6 000 m,高度模塊化,代表了UUV的最高水平。

3.2 歐洲

歐洲主要有挪威、英國、法國、德國及瑞典等國在研制UUV,并在鋰離子電池、導航等關(guān)鍵技術(shù)領域與美國水平相當或接近。

挪威原有“休金”系列UUV,收購美國海德羅伊德公司后,先后研制出包括“休金”系列 3型、REMUS系列3型、Seaglider滑翔式 UUV 等多款成熟產(chǎn)品,型號數(shù)量僅次于美國。

法國擁有“阿里斯特(Alister)”系列 UUV,其中“Alister-9”為軍用 UUV。該 UUV于 2013年 7月開始海試,已有 6艘先后服役,服役后其名稱變更為“Alister-100s”[11]。

德國有 3型軍用 UUV,分別是“海獺” MK I 、MK II型和DeepC,前者由丹麥早期的“馬瑞丹-600”型民用 UUV 升級而來,有試驗性質(zhì),已交付使用; “海獺” MK II是德國最先進的UUV,采用模塊化設計,目前尚處于在研階段; DeepC已交付德國海軍用于試驗。這3款UUV均可用于反水雷,DeepC還可執(zhí)行偵察、通信任務[11]。

瑞典擁有2型UUV,分別是“雙鷹 SAROV”和“AUV 62 MR”。前者能在遙控與自主間切換使用,尚處于試驗狀態(tài); 后者主要裝備于潛艇,已獲多個訂單,可用于反水雷及反潛戰(zhàn)訓練誘餌。

3.3 俄羅斯

俄羅斯對UUV的研究始于20世紀60年代末期,先后研制了 MT-88(1988年)、“管道海獅”(1994年)等,主要用于深海水下搜索或海圖繪制。20世紀90年代之后,由于經(jīng)濟原因,停止了相關(guān)研發(fā),直到2012年8月,才重新宣布為水下特種作戰(zhàn)研發(fā)UUV[12]。

3.4 日本

日本自研 UUV主要用于石油勘探、深海打撈等民用領域,技術(shù)水平與歐美相當,但沒有自研軍用UUV,其海上自衛(wèi)隊使用的UUV多外購美國,典型型號包括REMUS-600和Gavia。此外,日本的R2D4水下機器人長4.4 m,寬1.08 m,高0.81 m,重1.506 kg,最大潛深4 000 m,能自主收集數(shù)據(jù),可用于探測噴涌熱水的海底火山、沉船、海底礦產(chǎn)資源和生物等[5]。

3.5 韓國和印度

韓國的 UUV主要用于深海探測,典型民用型號為OKPO-6000,尚無軍用 UUV服役。印度軍用 UUV尚處于實驗室開發(fā)階段,主要在研產(chǎn)品為“瑪雅”[5]。

4 技術(shù)現(xiàn)狀

能源、自主控制、導航、通信及任務載荷是UUV最關(guān)鍵的5個系統(tǒng)(見圖4),能源是心臟,自主控制是大腦,導航和通信是感官,任務載荷是作業(yè)工具。

圖4 UUV組成示意圖Fig. 4 Composition of an UUV

4.1 能源技術(shù)

由于工作環(huán)境特殊,UUV的能源應滿足比能量高、能量密度大、安全性好、可靠性高、易控制、價格低廉、耐低溫、耐高壓、耐腐蝕且環(huán)境污染小(無環(huán)境污染)等條件。電池具有結(jié)構(gòu)簡單、可承壓、無振動與噪聲、可靠性高、工作溫度范圍寬、使用成本低等優(yōu)點,是絕大部分電力推進型軍用UUV的能源。UUV常用的電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、銀鋅電池和鋰/鋰離子電池系列以及燃料電池(見表2)。鉛酸電池、鎳鎘電池和銀鋅電池主要用于國外早期UUV,前兩者因比能量和能量密度低,后者因壽命短,已被鋰/鋰離子電池取代。

表2 UUV各類電池性能對比Table 2 Comparison among performance of different batteries for an UUV

鋰/鋰離子電池中的二次電池的比能量和能量密度分別達到鉛酸電池和鎳鎘電池的4倍和2倍以上,壽命是銀鋅電池的 130倍,已成為目前國外應用的主流,美國的REMUS系列及挪威“休金I”型UUV均采用二次鋰離子電池,比能量最高達到210 Wh/kg。

燃料電池僅在少數(shù)商用 UUV或?qū)嶒炂脚_使用,新型燃料電池多處于實驗室開發(fā)階段,在用的質(zhì)子交換膜和鋁氧燃料電池比能量達 400 Wh/kg,在研的固態(tài)氧化物和鋰/過氧化氫燃料電池比能量分別達500 Wh/kg和725 Wh/kg[13-14]。

鋰離子電池未來仍將大量應用在便攜型、輕型及重型 UUV上,重點改進正負極活性材料的電化學比容量,以提高能量密度。2020年后,燃料電池技術(shù)將成熟并廣泛裝備在軍用巨型 UUV平臺上,未來將重點突破燃油重整器和高功率密度技術(shù)。據(jù)報道,美國正在開發(fā)比能量500 Wh/kg的燃油重整固態(tài)氧化物燃料電池[15]。

4.2 自主控制技術(shù)

UUV的自主控制涉及諸多方面,包括綜合運用智能體系結(jié)構(gòu)、軌跡規(guī)劃與避障、運動控制算法等技術(shù),它們決定了 UUV如何處理獲取的數(shù)據(jù)、如何模擬思考和行動過程。先進的UUV能在預定路徑上進行一定程度的自主判斷,如避障、迂回及路徑優(yōu)化等,緊急時還能利用水聲通信對 UUV進行干預,自主控制技術(shù)等級達到6級(見表3)。

表3 UUV自主控制技術(shù)對比Table 3 Comparison among autonomous control technologies of an UUV

自主控制技術(shù)未來的發(fā)展方向是進一步優(yōu)化邏輯算法、路徑優(yōu)化方法。根據(jù)目前美國在研潛載大型UUV的自主性描述,2017年將可以探測、定位和識別水面船只并判斷其意圖、探測和避開各種漁網(wǎng)和漁具,同時發(fā)展協(xié)同能力和自主控制技術(shù)等級提高到8級。到2030年,將向9級過渡。

4.3 導航技術(shù)

UUV的導航系統(tǒng)受大小、重量、電源使用的限制及水介質(zhì)的特殊性、隱蔽性等因素影響,實現(xiàn)精確導航難度較大?，F(xiàn)有產(chǎn)品多綜合使用慣性導航、衛(wèi)星導航、多普勒計程儀及聲學導航等技術(shù),其性能對比見表4。

表4 UUV常用導航系統(tǒng)性能對比表Table 4 Comparison of commonly used Navigation system for an UUV

常用導航技術(shù)中,慣性導航針對UUV體積小,攜帶能量有限的特點,具有低功耗、低成本、體積小、堅固且可靠性高等優(yōu)點的光纖陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)是發(fā)展的熱點; 衛(wèi)星導航是 UUV在水面或接近水面航行時的主要輔助導航方式(如美國的GPS、中國的北斗系統(tǒng)),常用于校準慣性導航系統(tǒng)長時間累積的誤差。目前幾乎所有的 UUV均裝備了GPS接收機,該系統(tǒng)發(fā)展重點與技術(shù)難點是GPS接收機的抗干擾問題; 多普勒計程儀發(fā)展的重點與難點是與慣性導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合;聲學導航技術(shù)主要有長基線導航、短基線導航和超短基線導航3種; 地球物理信息導航將實時測量的重力梯度、地磁、海底地形地貌等信息與平時測量掌握值之間進行匹配,從而獲得導航信息。

美國在 UUV導航技術(shù)方面處于世界領先地位,其BPAUV的導航系統(tǒng)包括LN250慣性導航系統(tǒng)、多普勒計程儀及GPS接收機,導航精度為航程的 0.1%[10]。挪威最先進的“休金-1000”UUV導航系統(tǒng)包括慣性導航系統(tǒng)、多普勒計程儀、超短基線水下定位系統(tǒng)、GPS接收機等,并將地形匹配導航作為可選方案,其自主工作模式下實時導航精度接近美國水平[11]。

未來 UUV導航系統(tǒng)將通過研發(fā)新的慣性傳感器、積累更多的地球物理數(shù)據(jù)等手段,不斷追求導航系統(tǒng)的高精度、小型化、低成本,并向不依賴GPS的方向發(fā)展,根據(jù)美國UUV發(fā)展規(guī)劃,將重點發(fā)展海底地形匹配技術(shù),未來的目標是將綜合導航精度提高2個量級。

4.4 通信技術(shù)

UUV在執(zhí)行任務時,相互間、與母艇(艦)以及支援平臺間需要傳輸大量的指令和數(shù)據(jù),對通信能力提出了較高要求。目前用于 UUV的通信技術(shù)主要有水聲通信和無線電通信,見表 5。其中: 無線電通信是 UUV在水面采用的主要方式;水聲通信是 UUV在很長時間內(nèi)都將采用的水下通信方式,目前該技術(shù)發(fā)展已較為成熟,國外很多機構(gòu)都已研制出小型化的水聲通信調(diào)制解調(diào)器,并在UUV上使用。如美國“金槍魚”和RUMUS系列 UUV均采用伍茲·霍爾海洋研究所研制的低功耗水聲通信系統(tǒng),傳輸速率為80～5 400 b/s[16]。

表5 UUV各類通信技術(shù)對比表Table 5 Comparison of communication technologies for an UUV

UUV水聲通信技術(shù)發(fā)展方向是提高通信距離和通信速率,發(fā)展網(wǎng)絡通信能力。由于水聲通信存在傳播速度低、可用頻寬窄、信號衰減嚴重等缺點,各國均在研究相關(guān)技術(shù)以求得到改善。典型技術(shù)方向包括水聲信道編碼技術(shù)(增加信道容量,提高傳輸速率)、自適應均衡技術(shù)(提高抗干擾能力)以及時反通信技術(shù)(減少功耗、提高傳輸距離)。此外,現(xiàn)在水聲通信技術(shù)已發(fā)展到網(wǎng)絡化階段,將網(wǎng)絡技術(shù)(Ad Hoc)應用到水聲通信網(wǎng)絡中,可以在海洋里實現(xiàn)全方位、立體化通信(可以實現(xiàn)無人航行器組網(wǎng)),但目前只有少數(shù)國家試驗成功(美國已于2016年9月成功進行了無人航行器移動組網(wǎng)的試驗)[3]。

4.5 任務負載技術(shù)

UUV的任務負載系統(tǒng)主要是針對不同使命任務而配備的水聲、電子或光學設備,其中聲吶設備是UUV的關(guān)鍵負載,對精度、重量和體積有很高要求。國外合成孔徑聲吶成熟產(chǎn)品最大掃海效率為2.88 km2/h,成像分辨率5 cm2,3 kn時探測距離260 m[5]。該產(chǎn)品材料制備工藝先進,能制備出大面積的壓電陶瓷材料,切割質(zhì)量穩(wěn)定,切割后陣元一致性好,成品體積重量小。未來合成孔徑聲吶的發(fā)展方向是利用光纖水聽器等技術(shù),提高作用距離、降低自重。

5 發(fā)展規(guī)劃及展望

5.1 發(fā)展規(guī)劃

1994年,美國正式將UUV研發(fā)列入美海軍發(fā)展計劃,提出優(yōu)先發(fā)展 UUV的水雷偵察、情報監(jiān)視偵察和海洋調(diào)查能力[1]。2000年,發(fā)布第1版《美海軍UUV總體規(guī)劃》,確定了無人航行器的7項任務: 情報監(jiān)視偵察、反水雷、海洋調(diào)查、通信導航、反潛戰(zhàn)、武器平臺、后勤補給與支援。2004年,發(fā)布第 2版《美海軍 UUV總體規(guī)劃》[17],將UUV的任務最終調(diào)整為9項,包括情報監(jiān)視偵察、反水雷、反潛戰(zhàn)、探察與識別、海洋調(diào)查、通信/導航節(jié)點、設備運送、信息作戰(zhàn)和時敏打擊,并依據(jù)直徑、排水量、續(xù)航力及有效載荷等指標將UUV劃分為便攜式、輕型、重型和大型等4類[17]。此后,為建立地面、水下、空中統(tǒng)一的無人系統(tǒng)整體發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,美國未再單獨針對 UUV 發(fā)布規(guī)劃,并于2007～2013年間,陸續(xù)發(fā)布了4版《無人系統(tǒng)(一體化)路線圖》[18-21]。這一階段,針對UUV的研發(fā)重點在于加大對UUV作戰(zhàn)概念和使用方法的探索,提出了利用UUV組建水下偵察預警網(wǎng)絡、為UUV配備武器和傳感器使其成為察打一體系統(tǒng)等概念,以進一步牽引UUV的發(fā)展。

EDA于2010年發(fā)布了《海上無人系統(tǒng)方法與協(xié)調(diào)路線圖》[22],提出協(xié)調(diào)各國力量,共同促進無人航行器等無人系統(tǒng)發(fā)展,重點突破傳感器、平臺、通信、指控、自主控制以及反水雷等關(guān)鍵技術(shù); 采用按需并量力而為的策略,根據(jù)參與國需求和能力設定關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展次序。目前已啟動部分項目,如2011年11月,EDA授予挪威、意大利、德國等價值 475萬歐元的合同,為海上無人系統(tǒng)開發(fā)共形陣列性能評估模型,為共形聲吶陣提供開發(fā)軟硬件工具[23]。

5.2 展望

綜合分析國外 UUV發(fā)展現(xiàn)狀,未來的發(fā)展重點集中在以下幾方面。

1) 向網(wǎng)絡化、協(xié)同化和集群化發(fā)展。UUV尺寸小、航速低,單位時間機動范圍小,探測和水聲通信距離短,單 UUV的作戰(zhàn)和作業(yè)范圍非常有限。多 UUV組成一體化偵察、探測、打擊網(wǎng)絡,協(xié)同作戰(zhàn)和作業(yè),是提高其作戰(zhàn)能力和作業(yè)效率的有效手段,也是UUV的必然發(fā)展趨勢。目前,使用多UUV協(xié)同探雷、探潛、測量海洋環(huán)境參數(shù)和探測水下目標等已經(jīng)成為研究的熱點。美國和北約國家正在開展相關(guān)理論研究和海上試驗研究,重點為多UUV的協(xié)同控制、協(xié)同導航和定位、網(wǎng)絡化通信技術(shù)、協(xié)同作戰(zhàn)和作業(yè)策略等。水下無人集群化作戰(zhàn)(業(yè))的各項研究課題已成為研究重點,美國正在驗證蜂群和蟻群的作戰(zhàn)模型,當前水下無人集群作戰(zhàn)(業(yè))的數(shù)量已達 101個。隨著智能化深度自學習的進一步深入,各種實戰(zhàn)模擬編隊算法不斷完善,以便攜型及輕型為主的微小型UUV群作戰(zhàn)(業(yè))模式將是未來發(fā)展方向。

2) 建設集群移動式 UUV+固定式水下裝備信息體系,發(fā)揮水下預警探測能力。水下預警探測裝備體系效能的發(fā)揮,除了基于大量布放于海底的水下傳感器對自水下的威脅目標和武器進行早期發(fā)現(xiàn)、跟蹤外,更重要的是能夠?qū)λ履繕诉M行快速識別,為組織對抗行動提供依據(jù)。因此,為了保障水下預警探測體系的高效運轉(zhuǎn),還必須充分對各種UUV游弋水下獲取的目標信息進行處理和應用,分析挖掘出有價值的信息資源,重點建設全球型的水下信息體系,實現(xiàn)從空中-海面-水下多維空間的全天侯監(jiān)聽、采集、記錄、保存和分析所能得到的各種水聲信息,以構(gòu)建集群分布移動式UUV+固定式水下信息裝備體系水聲信息體系網(wǎng)。

3) 任務領域向探測、反潛方向擴展。UUV目標小、隱蔽性強、可連續(xù)工作的特點非常適合執(zhí)行探測和攻擊艦艇、潛艇等任務,在較長時間里,由于動力、自主及通信等技術(shù)的限制,只能用于海洋調(diào)查、反水雷這類相對簡單的任務。隨著續(xù)航力、自主化、智能化程度的提高和水下通信能力的進步,UUV逐漸具備了執(zhí)行更復雜任務的能力。近年來,國內(nèi)外都在積極研究UUV在聯(lián)合反潛、網(wǎng)絡化水下探測預警等領域的應用。

2011年,美國國防高級研究計劃局提出分布式敏捷反潛概念,在深海利用多艘配備主動聲吶的 UUV對上方海域進行監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)所在海域內(nèi)的潛艇,見圖 5。2013年 4月的試驗表明,UUV的通信和機動探潛能力能夠滿足分布式敏捷反潛概念的需要,證明概念可行,美國將加速推進有關(guān)概念的實現(xiàn)[5]。

圖5 分布式敏捷反潛項目作戰(zhàn)示意圖Fig. 5 Operational schematic of distributed agile submarine hunting(DASH) project

4) 靈活輕便和大型多功能并舉。在潛載UUV方面,為了提高單 UUV設備的任務能力,增大 UUV的航程,美國在經(jīng)歷了單任務潛載UUV、多任務小型潛載 UUV的失敗后決定發(fā)展大直徑多功能UUV,該UUV屬于大型UUV,是未來潛載UUV的發(fā)展方向。

在艦載 UUV方面,主要集中發(fā)展便攜式和重型 2類。以美國為例,典型型號為 REMUS 100S、斯洛克姆滑翔機、金槍魚-21和 REMUS 600S,前兩者屬于便攜式UUV,已處于服役狀態(tài),后兩者屬于重型UUV,尚在試驗階段。美國曾對輕型UUV進行過研發(fā),如水面反水雷UUV增量1和增量2,但已被重型UUV所取代。

另外,美國還在積極探索大型或超大型UUV的實戰(zhàn)可能性,以取代潛艇的有人作戰(zhàn)模式,以大型 UUV作為預置水下武器庫裝備長期潛伏在海底,或長時間在重要海域無人值守,同時攜帶大量微小型 UUV在作戰(zhàn)前沿,形成以大型或超大型UUV為母基地的區(qū)域水下群作戰(zhàn)。

5) 盡量采用成熟商用技術(shù),用集成化的方式,把專業(yè)領域先進技術(shù)制成模塊化專用裝置,以適應作戰(zhàn)平臺上根據(jù)特殊要求所需的各種功能模塊的定制。

6) 變革通信方式,創(chuàng)新通信能力建設。水下通信技術(shù)是 UUV系統(tǒng)與平臺之間信息互交的關(guān)鍵。目前,UUV水下通信主要采用聲學通信系統(tǒng)、光纖電纜等,未來可大力發(fā)展多維平臺間高品質(zhì)的光-聲通信,在數(shù)據(jù)被傳送之前,首先進行預處理,壓縮數(shù)據(jù)以減少傳送的數(shù)據(jù)總量,提高聲通信的數(shù)據(jù)傳輸率,降低誤碼率。當UUV在經(jīng)過某個節(jié)點通信基陣點時,采用快速通信可大大提高傳輸率,當 UUV上浮水面進行充電時可與水面通信局域網(wǎng)、GPS等進行數(shù)據(jù)交換,從而實現(xiàn)5D一體的通信方式。

7) 發(fā)展獨立的組合導航系統(tǒng)。在UUV上要建立慣性導航、地磁匹配導航、地形匹配導航、多普勒導航等獨立組合導航系統(tǒng)。因航行器搭載的傳感器存在固有誤差,慣性導航系統(tǒng)實際上不能完全滿足所有 UUV的導航要求,但通過建立GPS接收機來提供理想的精確定位修正值,則需要航行器浮至水面進行定位校正,這樣易暴露UUV的行蹤,同時減少了UUV執(zhí)行任務的時間。因此,未來的 UUV必須發(fā)展自己的獨立導航系統(tǒng),減少對外界的依賴(如 GPS)。目前美海軍水下戰(zhàn)中心開始發(fā)展非傳統(tǒng)性導航技術(shù)(non-traditional navigation,NTN),包括利用海底地形匹配、地形跟蹤及引力導航,如深海測量地形匹配技術(shù),就是采用了GPS和定量定位估算的形式,以形成自己真正的水下精確定位導航系統(tǒng),即深海導航定位系統(tǒng)(positioning system for deep ocean navigation,POSYDON)。

8) 改進控制系統(tǒng),提高自學習、自適應能力?，F(xiàn)代海戰(zhàn)要求 UUV必須能夠在苛刻的水下環(huán)境(如: 淺水域、海底地形復雜、海面交通繁忙等)中完成任務。因此,未來的 UUV應具有較高的智能化水平,能夠執(zhí)行復雜的水下工作,并與環(huán)境發(fā)生交互作用,根據(jù)環(huán)境的變化,在一定的范圍內(nèi)自行調(diào)整自身的行為,完成指定的工作,成為高度智能化的深度自學習生態(tài)智能。

9) 開發(fā)從大數(shù)據(jù)中獲取有用信號的處理技術(shù)。未來UUV將大幅度改進信號處理技術(shù),通過來自于合成孔徑聲吶、聲吶陣列、水下水文探測、目標識別所獲得各種數(shù)據(jù)分析,從大數(shù)據(jù)中提取有各種特征的聲學數(shù)據(jù),以進行水下目標定位與探測,提高空間增益和圖像分辨率,使從聲吶獲得的影像更為清晰,提高 UUV水下復雜環(huán)境下執(zhí)行任務的能力。

當今,世界各軍事大國都認識到 UUV在未來海戰(zhàn)中具有廣闊的應用前景,加快了開發(fā)及研制的步伐。相信在未來高科技信息化海戰(zhàn)中UUV定將發(fā)揮巨大作用。

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Review and Prospect of Equipment and Techniques for Unmanned Undersea Vehicle in Foreign Countries

ZHONG Hong-wei
(Kunming Branch of the 705 Research Institute,China Shipbuilding Corporation,Kunming 650118,China)

An unmanned undersea vehicle(UUV) has become the research hotspot of navy in many countries. This paper analyzes the development process and planning of some typical types of UUV equipment in the foreign countries,including the USA,Russia,Japan,Republic of Korea,and major European countries. According to a large amount of literature,the major research institutes for UUV development in these countries are listed,the applications and key technical parameters of the typical UUV equipment are introduced,the foreign development status of the UUV technologies of energy,autonomous control,navigation,communication,and loading is discussed,and development trend of the UUV is forecast.

unmanned undersea vehicle(UUV); technical parameter; research institute; typical type of equipment

TJ630.1; TP242.6

A

2096-3920(2017)03-0215-11

鐘宏偉. 國外無人水下航行器裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學報,2017,25(3): 215-225.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.001

2017-02-22;

2017-07-19.

鐘宏偉(1964-),男,碩士,高級工程師,主要從事魚雷及水下航行器前瞻性技術(shù)研究.

(責任編輯: 楊力軍)