國內(nèi)外無人艇發(fā)展現(xiàn)狀及典型作戰(zhàn)應(yīng)用研究*

王 石，張建強(qiáng)，楊舒卉，張博倫

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430000；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200000）

0 引言

無人水面艇 （USV，Unmanned Surface Vehicle）作為一種小型水面智能任務(wù)平臺，涉及船舶設(shè)計、運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)融合、人工智能等多個專業(yè)領(lǐng)域，研究內(nèi)容包括任務(wù)規(guī)劃與導(dǎo)航定位、自主航行、智能避障、模式識別等眾多方面［1］。根據(jù)智能程度的不同可將USV分為3類：1）遙控型USV；2）按照預(yù)設(shè)程序航行并完成任務(wù)的半自主型USV；3）具有自主任務(wù)規(guī)劃、自主航行功能，并可通過搭載的不同傳感器及設(shè)備自主完成環(huán)境感知、目標(biāo)探測等任務(wù)的全自主型 USV［2］。

USV具有體積小、成本低、高速智能、雷達(dá)反射面積小、無人員傷亡等優(yōu)勢。在軍用領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)動部署、靈活作戰(zhàn)，其通過搭載不同的任務(wù)模塊可完成情報收集、監(jiān)視偵察、目標(biāo)打擊、掃雷、反潛、毀傷評估等多種任務(wù)［3］。USV可從港口出航，按照預(yù)定計劃，履行使命；也可以隨艦攜帶出航，在不適宜派遣軍艦或危險的區(qū)域獨立自主完成任務(wù)，極大地拓展了海上的作戰(zhàn)范圍，已成為己方戰(zhàn)斗力的“倍增器”，受到各國海軍的重視。在民用領(lǐng)域，可用于水文地理勘測、搜尋救助、中繼通信等，并且無人水面艇是整合低空無人機(jī)和水下機(jī)器人跨網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，具有廣泛的應(yīng)用前景［4-5］。

1 國外無人艇發(fā)展現(xiàn)狀

目前多個國家對USV相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用開展了系統(tǒng)的研究，美國和以色列技術(shù)最為雄厚［6-11］。

1.1 美國

美國是世界上最早開展USV及其相關(guān)技術(shù)研究的國家之一，并于2007年提出了《美國海軍USV主計劃》。近年來，美國先后推出了“Sea Owl”、“Spartan Scout”、“Ghost Guard”等數(shù)十種 USV 型號（詳見下頁表1），部分型號已服役部隊，滿足不同的作戰(zhàn)需求，增強(qiáng)海戰(zhàn)靈活性，減少人員傷亡。此外，美國防部《無人系統(tǒng)2013～2038年路線圖》將USV列為重點發(fā)展對象，并提出了美國海軍USV使用方案及支持戰(zhàn)略。

1.2 以色列

以色列擁有雄厚的USV研制技術(shù)，在USV領(lǐng)域與美國難分上下，其研制的USV處于世界領(lǐng)先水平，目前已推出多種型號的USV，具體見表2所示。

1.3 其他國家

除美國和以色列外，世界其他國家也積極致力于USV相關(guān)問題的研究，取得了大量研究成果［12-17］。法國Sirehna公司于 2007年成功研制“Rodeur”號USV，長9.2 m，主要執(zhí)行海洋環(huán)境監(jiān)測、偵察監(jiān)視、反潛、獵雷等任務(wù)。2013年英國ASV公司成功研制“C-Enduro”號USV，用來執(zhí)行凱爾特海域的海洋動物科研任務(wù)。艇體采用碳纖維材質(zhì)，僅重350 kg，且具有自傾覆能力。該艇集成太陽能帆板、輕柴油和風(fēng)力發(fā)電機(jī)3種動力系統(tǒng)，能夠以7 kn的航速在海上連續(xù)3個月不間斷地執(zhí)行任務(wù)。2014年5月，日本EMP公司對外宣布研制成功“Aquarius”號USV。該艇長5 m，翼展最大為8 m，艇體為輕質(zhì)鋁合金材料，采用太陽能-電能混合動力，巡航速度6 kn，主要用于執(zhí)行港口巡邏警戒、海洋地理探測、艦船數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。意大利CNR-ISSIA機(jī)構(gòu)研發(fā)的“Charlie”號無人雙體船，主要用于海洋微表層取樣、氣候監(jiān)測和魚雷探測功能。該船配備高效的太陽能電池板，由無刷直流電機(jī)驅(qū)動，可持續(xù)工作20天以上。

圖1 美國典型的USVs

圖2 以色列的典型USVs

圖3 近年來其他國家典型的USVs

2 國內(nèi)無人水面艇發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國USV相關(guān)技術(shù)的研究尚處于起步階段，多項關(guān)鍵技術(shù)較為薄弱，并且無人艇應(yīng)用主要集中在民用領(lǐng)域，與美國、以色列等USV技術(shù)雄厚的國家相比還存在很大差距。典型的有以下幾種：

表1 美國典型的USV

表2 以色列典型的USV

2.1 “天象一號”

2008年曾在青島奧帆賽期間提供氣象保障服務(wù)的“天象一號”是由新光集團(tuán)研制成功的我國首艘海上氣象探測USV，艇長6.5 m，艇體采用碳纖維材料，搭載自動駕駛、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)搜索、圖像處理和傳輸?shù)认到y(tǒng)，可在海面連續(xù)作業(yè)20 天［18-19］。

2.2 “精?！毕盗?/h3>

上海大學(xué)于2013年和2014年研制成功“精海1號”和“精海2號”USV。2013年“精海1號”跟隨“海巡166號”，順利完成南沙諸島礁和西沙的水文情況的測量和海底地貌地形探測工作，為今后在南海島礁建立航海保障基地打下了堅實的基礎(chǔ)。2014年，“精海2號”隨“雪龍”號遂行南極科考任務(wù)，發(fā)現(xiàn)了一處適合“雪龍”號拋錨的新錨地，并探明了附近12 km2水域的水下地貌，繪制了大比例尺海圖，為人類和平利用南極做出貢獻(xiàn)［20］。

2015年，由七○一所設(shè)計的“海翼1號”完成階段性試驗。該USV配備有雷達(dá)、北斗、超短波通信及光電系統(tǒng)，具有自主航行、遠(yuǎn)程基站操控、人工駕駛3 種控制功能［21-23］。

2016年亞洲防務(wù)展會上，保利集團(tuán)與哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合推出一款高速USV，艇長為13 m，寬4 m，吃水0.6 m，最高航速80 kn，配備高清攝像頭和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，主要用于執(zhí)行水面監(jiān)視和港口巡邏等任務(wù)。

海軍工程大學(xué)艦艇指揮與控制系長期致力于智能UUV和USV運(yùn)動控制系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)的研究，并于2016年11月對其最新研制成功的“Sturgeon”號USV開展了首次湖試，該艇采用噴水推進(jìn)，最大航速大于40 kn，采用模塊化設(shè)計思想，艇上搭載先進(jìn)的導(dǎo)航、光電系統(tǒng)及各種探測設(shè)備等，并配備有衛(wèi)星、超短波等多種通信方式和可拆卸的任務(wù)模塊，配合先進(jìn)的USV智能控制算法，可實現(xiàn)路徑規(guī)劃、區(qū)域控制、自主巡航、伴隨航行、智能避碰等多種工作模式。

圖4 國內(nèi)典型的USVs

3 無人水面艇的典型作戰(zhàn)應(yīng)用

3.1 情報偵察與監(jiān)視

情報收集是完成任務(wù)的前提，也是戰(zhàn)場上己方最重要的力量倍增器，利用USV隱身性好的特點潛入敵戰(zhàn)區(qū)，布放監(jiān)聽設(shè)備開展戰(zhàn)術(shù)情報收集工作，實現(xiàn)對特定海域的持續(xù)監(jiān)視。另外，艦艇編隊航行到達(dá)危險海域時，可控制多個無人艇在一定距離和方位伴隨有人艦艇編隊航行，擴(kuò)大防御縱深，增加防御層次，延長對來襲武器的預(yù)警時間，最大限度地保護(hù)我方有生力量。

3.2 反水雷戰(zhàn)

獵掃雷艦是目前單位噸位最貴的艦艇，并且部隊的裝備量較少，在執(zhí)行大面積水域掃雷任務(wù)時單獨依靠獵掃雷艦不僅耗時長而且成本高。研制可攜帶式掃雷USV，由獵掃雷艦或其他艦艇釋放，可通過自主或遙控方式在指定海域與掃雷艦聯(lián)合作業(yè)，提高掃雷效率且成本較低。

3.3 反潛戰(zhàn)

搭載有反潛設(shè)備的USV可由艦艇或艦隊攜帶，到達(dá)威脅海域釋放，在艦艇或艦隊周圍形成向外延伸的移動反潛警戒網(wǎng)，提高己方艦艇的反潛作戰(zhàn)能力。

3.4 信息戰(zhàn)

由于USV具有較好的隱身性，攜帶不同功能載荷的USV，可以在危險海域執(zhí)行ISR任務(wù)包括電子干擾、通信中繼、欺騙等。

3.5 其他

USV還可以完成海上封鎖/攔阻、可疑目標(biāo)打擊、特種作戰(zhàn)、后勤支援與補(bǔ)給、戰(zhàn)場評估、取證等任務(wù)，并且多艘搭載相同或不同任務(wù)載荷的USV協(xié)同可在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境下，發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能。

4 我國無人水面艇發(fā)展建議

無人水面艇屬于“無人作戰(zhàn)系統(tǒng)”的重要組成部分。在制定我國無人水面艇研發(fā)指導(dǎo)思想時，必須深刻理解“海軍無人作戰(zhàn)系統(tǒng)”的內(nèi)涵和特點，結(jié)合我國國情和實際海洋形勢，本文對我國無人水面艇發(fā)展給出如下幾點建議：

1）加強(qiáng)總體設(shè)計，強(qiáng)調(diào)無人艇與海上信息系統(tǒng)的集成。無人艇指揮控制系統(tǒng)不僅要考慮無人艇與控制基站之間的關(guān)系，更要強(qiáng)調(diào)與海戰(zhàn)場信息系統(tǒng)的綜合集成，通過海戰(zhàn)場的統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)，使用統(tǒng)一的通信、指揮和控制體系，使無人艇與其他武器裝備連接成一個無縫的有機(jī)整體，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出單個系統(tǒng)的合力。

2）建立統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，促使無人艇向著模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。目前國內(nèi)無人艇發(fā)展十分迅速，取得了可喜的成果但是并未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。隨著國內(nèi)無人艇各項關(guān)鍵技術(shù)的突破和發(fā)展，應(yīng)迅速完善我國無人艇體系架構(gòu)等共性標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)無人艇的通用性和模塊化發(fā)展，為無人艇系統(tǒng)的設(shè)計、研制等提供依據(jù)。

3）攻克關(guān)鍵技術(shù)，不僅要不斷增強(qiáng)其自主控制能力，提高智能化水平，而且還要考慮其隱身性能，研究具有吸波、透波性能的特殊材料和特殊外型，使無人艇具備“高智能”、“強(qiáng)隱身”特性，在增強(qiáng)其自主能力的同時，提高戰(zhàn)場生存能力。

4）既要發(fā)展水面艦艇與潛艇攜帶的小型、多用途無人水面艇，又要研制能夠獨立出航，具備長航時、獨立作戰(zhàn)能力的大型無人水面艇。

5）無人艇技術(shù)的發(fā)展應(yīng)充分體現(xiàn)軍民融合的方針。

5 結(jié)論

隨著各國對海洋權(quán)益要求日益強(qiáng)烈，歸屬權(quán)存在爭議的海域和島嶼摩擦與沖突不斷升級，面對日益緊張的國際形勢和復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，具有成本低、高速智能、部署機(jī)動、隱身性好、無人員傷亡等優(yōu)勢USV作戰(zhàn)平臺受到廣泛關(guān)注。在未來戰(zhàn)場上，我海軍將面臨情報偵察、掃雷、反潛、信息戰(zhàn)等多種作戰(zhàn)使命，而USV可以高效、零人員傷亡地完成以上任務(wù)。因此，開展USV及其相關(guān)技術(shù)的研究，研制智能高速、隱身性好、適應(yīng)性強(qiáng)的先進(jìn)USV，并盡早裝備我海軍，對提高我軍海戰(zhàn)能力和維護(hù)海上權(quán)益具有重要意義。