深海AUV發(fā)展趨勢研究

胡慶玉，舒國平，馮 朝

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌443000）

0 引言

隨著世界各國對海洋權(quán)益的日益重視，海軍裝備中反潛反水雷裝備也逐步向現(xiàn)代化、低成本和低傷亡方向發(fā)展[1]，因此，水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)成為世界各國軍事裝備研發(fā)的重點，并逐步向深海領(lǐng)域延伸發(fā)展。由于深海AUV在深水中作業(yè)需要承受高水壓，且深海水下的地形、水文環(huán)境等非常復(fù)雜，許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，深海AUV則成為該領(lǐng)域的發(fā)展熱點。深海 AUV（Autonomous Underwater Vehicle）是深海水下無人航行器，其主要任務(wù)包括深海探測、目標(biāo)識別、深海反制等。

深海AUV在研制和使用上與淺海AUV有顯著不同。在結(jié)構(gòu)方面，既考慮耐壓艙承壓還要考慮艙體受壓后的形變產(chǎn)生的密封性下降而發(fā)生漏水風(fēng)險；在總體平衡方面，隨著下潛的深度加大，海水密度隨之發(fā)生很大變化影響了AUV的浮力，使其受力不平衡，這需要在設(shè)計過程中充分考慮浮力調(diào)節(jié)的問題；在導(dǎo)航定位方面，潛入深海的AUV無法采用傳統(tǒng)方式校準(zhǔn)慣導(dǎo)，需要采用新方式實現(xiàn)該功能。由此可見，深海AUV與淺海AUV相比有諸多自身的特點。

1 深海AUV的發(fā)展現(xiàn)狀及特點

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展，深海AUV的許多關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，許多國家都在研究自己的深海AUV用于軍事或者民用，初步估計全世界已有十幾種不同類型的深海AUV。例如法國的ECA公司，美國的Hydroid公司，金槍魚機器人公司，挪威的HUGIN系列等，均深入研究并成功開發(fā)出深海AUV，國內(nèi)也有許多科研院校在深入研究深海AUV。因此，當(dāng)前包括中國在內(nèi)的各個國家對深海AUV非常重視，深海AUV的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。

1.2 國內(nèi)外深海AUV的發(fā)展?fàn)顩r

1.2.1 REMUS6000

REMUS6000自主無人水下航行器是Hydroid公司的系列產(chǎn)品中工作深度最大的AUV。其外形及相關(guān)組成如圖1所示。

圖1 REMUS 6000外形圖Fig.1 Outside drawing of REMUS 6000

由于REMUS 6000自主水下無人水下航行器自主海底跟蹤航行，可攜帶有效載荷，最大6 000 m水深作業(yè)，以測量海水的特性，包括電導(dǎo)率、溫度、化學(xué)成分，并且通過測深、聲吶側(cè)掃、磁學(xué)、重力學(xué)以及照相術(shù)繪制成像海底。REMUS 6000自主水下無人水下航行器的基本形式包括航行器、測深儀、側(cè)掃和沉積層穿透聲吶、導(dǎo)航裝置和通信裝置以及其他相關(guān)設(shè)備。REMUS 6000自主水下無人水下航行器也可根據(jù)用戶需求配置專用傳感器，以適應(yīng)特殊要求。 REMUS 6000的主要參數(shù)如下：航行器直徑71 cm，航行器長度3.96 m，航行器空氣中重量862 kg，最大工作深度6 000 m，續(xù)航力22 h（典型速度），航速最大 4.5 kn。

1.2.2 Bluefin-21

金槍魚機器人公司是美國一家知名的自主無人水下航行器的設(shè)計和制造商，該公司推出的無人水下航行器包括小型的 Bluefin-9、中型的Bluefin-12、大型的 Bluefin-21。Bluefin-21是一種高度模塊化的自主無人水下航行器，可以攜帶多種傳感器和有效載荷。其電源容量大，即使在最大水深也可長期工作，并可由各種應(yīng)急船舶操作使用。

自由更換模塊——無人水下航行器的設(shè)計包括可在使命現(xiàn)場更換的有效載荷段和電池模塊，各種子系統(tǒng)均可接觸，以便加快周轉(zhuǎn)時間，并允許在現(xiàn)場維修，從而加速作業(yè)速度。 其外形如下圖2所示。

圖2 Bluefin-21布放入水Fig.2 Deploying Bluefin-21 into water

Bluefin-21的主要用途是近?？睖y、搜索和救撈、反水雷、未爆武器處理、海洋學(xué)考察以及考古和探測。該型AUV主要技術(shù)參數(shù)有：航行器直徑533 mm，長度4 930 mm，空氣中質(zhì)量750 kg，最大工作深度4 500 m；續(xù)航力：標(biāo)準(zhǔn)有效載荷3 kn時為25 h；航速 4.5 kn；傳感器：側(cè)掃聲吶、淺層海底剖面儀以及多波束回聲測深儀。

1.2.3 HUGIN 系列 AUV

挪威的HUGIN系列自主水下航行器在21世紀(jì)問世以來，從原型AUV，逐步發(fā)展了HUGIN 1000、3000、4500 以及 HUGIN-MR 等型 AUV。HUGIN 4500型AUV外形如圖3。

HUGIN4500AUV是HUGIN系列中最大的，航行器的結(jié)構(gòu)形式與該系列中的其他航行器相同，只不過體積更大、質(zhì)量更重，主要不同之處在于采用了功率更大的半燃料電池，容量比HUGIN 3000AUV多30%。航行器的尺寸和電池容量允許航行器攜帶工作能力更強的傳感器，例如高分辨率淺層海底剖面儀和側(cè)掃聲吶。 目前，HUGIN 4500AUV只作為美國C＆C技術(shù)公司的“勘測者III”使用，最大工作水深 4 500 m。 HUGIN 4500AUV主要參數(shù)有：航行器直徑1 000 mm；長度6 400 mm；空氣中重量1 500 kg；最大工作深度4 500 m；傳感器側(cè)掃聲吶，工作頻率為230 kHz或410 kHz，作用距離225 m，分辨率7 m以及工作頻率為1～6 kHz的淺層海底剖面儀。航行器上還可安裝攝像機系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、CTD、深度傳感器、多普勒計程儀、超短基線水聲定位系統(tǒng)、水聲數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。

圖3 HUGIN 4500 AUV布放入水Fig.3 Deploying HUGIN 4500 AUV into water

目前挪威海軍擁有2套休金4500AUV系統(tǒng)，用于反水雷和環(huán)境快速評估，配用HISAS 1030高分辨率合成孔徑聲吶，以3.5 kn航速在400 m水深工作，每小時可探測2 700 km2，續(xù)航力17 h，利用側(cè)掃聲吶的續(xù)航力為24 h，兩次使命之間的維護保養(yǎng)時間為1 h。

1.2.4 探索者級 AUV

加拿大 ISE公司的 AUV長約 4.5 m，直徑0.69 m。根據(jù)搭載負載的不同，其空氣中重量在580～800 kg之間，其最大潛深為3 000 m。其巡航速度在1～5 kn之間，在AUV的負載段可攜帶各種不同的負載。1.1 m長的可伸縮通信天線，此天線有助于任務(wù)的再規(guī)劃并且可以增加母船和航行器之間的通信距離。殼體包括1個7075-T6的鋁質(zhì)圓柱段和2個7075-T6型的鋁質(zhì)端部封蓋，內(nèi)部可使用的直徑為61 cm，長度為159.5 cm。端部封蓋利用鋁質(zhì)夾緊裝置與圓柱體連接起來。自由進水分段采用玻璃鋼制造。 航行器續(xù)航力：120 km＠3 kn。配置的傳感器：多普勒計程儀、深度傳感器、高度計、固定在桅桿上的GPS天線和超短基線應(yīng)答器作為定位裝置、導(dǎo)航裝置、無線電通信和銥星通信系統(tǒng)。此外，應(yīng)急設(shè)備包括應(yīng)答器、定位器、閃光燈和射頻無線電信標(biāo)。

1.2.5 CR-02 型深海 AUV

該型深海AUV由沈陽自動化研究所研制，可用于深海水下資源調(diào)查，海洋環(huán)境調(diào)查等，主要參數(shù)有：最大作業(yè)深度6 000 m，水下最大航速2 kn，續(xù)航力 10 h，直徑 800 mm，長度 4.5 m，重量1 500 kg。根據(jù)任務(wù)要求，潛航體搭載了水下相機，側(cè)掃聲吶，淺剖儀等探測設(shè)備。

圖4 探索者AUV回收Fig.4 Recovery of Explorer AUV

圖5 CR-02外形圖Fig.5 Outside drawing of CR-02

1.2.6 海神 6000 型深海 AUV

該型AUV應(yīng)用于深遠海搜救型AUV，是我國首個用于深遠海搜救的AUV，主要參數(shù)有：最大工作深度6 000 m，直徑880 mm，長度7.5 m，最大航速5 kn，最大續(xù)航力24 h。根據(jù)任務(wù)需要搭載了USBL、飛機黑匣子搜索聲吶陣、深海測深側(cè)掃聲吶、水下相機、CTD、深海聲通機、前視聲吶等多個探測設(shè)備。

圖6 海神6000回收Fig.6 Recovery of Haishen 6000

2 深海AUV關(guān)鍵技術(shù)

深海AUV的研制需要突破許多技術(shù)，而其最關(guān)鍵的技術(shù)主要有動力能源技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、水下通信技術(shù)、自主任務(wù)控制技術(shù)。

2.1 動力能源技術(shù)

由于深海AUV需要工作在深海水下的特殊環(huán)境，因此，對動力能源的要求較高，需要能源密度高、安全性好、易于維護、成本低、甚至需要電池承受深海水壓等條件，因此，通常選擇電池作為動力能源的載體。通常，在深海AUV中使用的電池主要有鉛酸電池、銀鋅電池、鋰離子電池，而目前，深海AUV中使用的鋰離子電池居多[2-4]。

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(yīng)用的主流，美國的REMUS系列AUV均采用了二次鋰離子電池[5]。

2.2 導(dǎo)航定位技術(shù)

由于深海AUV在水下航行過程中，普遍采用慣導(dǎo)與計程儀組合的方式進行導(dǎo)航，而深海AUV無法實時浮出水面對慣導(dǎo)進行校準(zhǔn)，因此，導(dǎo)航定位將是深海AUV的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外一些研發(fā)機構(gòu)采用其他設(shè)備輔助定位的方式，例如挪威的HUGIN系列采用了慣性導(dǎo)航裝置，多普勒計程儀的組合下，利用水下超短基線定位裝置進行輔助定位的組合導(dǎo)航，其導(dǎo)航精度令人滿意。

隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的不斷深入研究，未來的深海AUV慣性導(dǎo)航裝置不斷提高純慣性導(dǎo)航精度使得深海AUV的導(dǎo)航定位精度將提升一個數(shù)量級，并有望不依賴多普勒計程儀和衛(wèi)星定位裝置便可達到導(dǎo)航精度要求[6-7]。

2.3 水下通信技術(shù)

深海AUV在水下作業(yè)過程中，唯一可以與工作母船進行通信的方式是水聲通信的方式；而水聲通信傳輸速率低，通信可靠性受到海洋環(huán)境影響較大，信號衰減嚴(yán)重，因此，各個國家均投入大量人力物力研究該領(lǐng)域技術(shù)。目前典型的該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展方向包括水聲信道編碼技術(shù)、水聲擴頻技術(shù)等，并逐步改善水聲通信的質(zhì)量[8]。

此外，水下無人航行器的通信組網(wǎng)技術(shù)也是各國家研究的重點，但目前成功應(yīng)用于產(chǎn)品的只有少數(shù)國家。

2.4 自主任務(wù)控制技術(shù)

自主任務(wù)控制技術(shù)既是深海AUV的關(guān)鍵技術(shù)，也是深海AUV的核心技術(shù)，該技術(shù)包括對作業(yè)任務(wù)的管理，智能規(guī)劃，自主狀態(tài)檢查和自主故障處理，自主避開障礙物以及自主航行。自主任務(wù)控制技術(shù)未來將朝著智能分析任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)自主規(guī)劃航路，根據(jù)當(dāng)前的航行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，自主優(yōu)化作業(yè)的時間和路徑。

3 深海AUV的發(fā)展趨勢

從上述國內(nèi)外深海AUV的發(fā)展?fàn)顩r，可以看出深海AUV的發(fā)展正向著小型化、智能化、快速投送、快速反應(yīng)的方向發(fā)展，其發(fā)展大致分為3個階段：

第1個階段，研制可以在深海水下航行的AUV，解決深海水下航行所需的關(guān)鍵技術(shù)，例如大深度耐壓艙的設(shè)計加工技術(shù)，耐壓密封技術(shù)，以及水下航行控制技術(shù)。

第2個階段，在第1個階段的基礎(chǔ)上研發(fā)負載裝備技術(shù)，并對探測、目標(biāo)識別、布放和回收對接等關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，并最終形成面向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用的，成熟度高的產(chǎn)品。

第3階段，優(yōu)化深海AUV。研制小體積、小重量、使用便捷、智能化程度高、使用可靠、水下作業(yè)高效的深海AUV。此外，在軍用領(lǐng)域能適應(yīng)深海環(huán)境的同時也要適應(yīng)水下網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的要求，具備通信中繼、偵察和反水雷、反潛等功能。對潛在敵目標(biāo)識別，并實時與其他裝備進行通信。必要時可以接收水面或者岸上指揮員的指令。