無人艦艇集群發(fā)展分析

摘 要：隨著集群技術(shù)的不斷發(fā)展，無人艦艇集群技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。本文介紹了國(guó)內(nèi)外無人艦艇集群技術(shù)的發(fā)展情況，闡述了目前無人艦艇的原理及關(guān)鍵技術(shù)，指出了無人艦艇研究過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，為下一步更加深入地研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無人艦艇；集群技術(shù)；智能控制；協(xié)同作戰(zhàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.215

0 引言

水面無人艇（ Unmanned surface vehicle，USV） 是一種無人運(yùn)載器，即在無人駕駛下，具有極高的自主能力的艦艇。無人艦艇的出現(xiàn)，是現(xiàn)代智能控制、無人裝備系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)一體化等技術(shù)手段的綜合產(chǎn)物，作為無人駕駛的海上運(yùn)載平臺(tái)，由于其長(zhǎng)航時(shí)、低成本和大范圍的巨大海洋科研與工程優(yōu)勢(shì)，使得無人艦艇在軍事和民用領(lǐng)域具有極為廣泛的潛在使用空間，主要集中于巡邏、搜救、警備、巡邏等軍民爆炸性增長(zhǎng)的需求。相比于有人駕駛船舶，無人艇在執(zhí)行一些重復(fù)、枯燥、危險(xiǎn)任務(wù)或者在惡劣海況下航行時(shí)，能夠體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)[1]。

與此同時(shí)，快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，單一的USV已經(jīng)難以滿足任務(wù)復(fù)雜度的要求，因此，研究者的關(guān)注度已經(jīng)從單一的USV研究轉(zhuǎn)變到多 USVs 的集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題領(lǐng)域。智能無人武器的集群化運(yùn)用，將顛覆性地改變未來作戰(zhàn)“殺傷鏈”設(shè)計(jì)，催生新型作戰(zhàn)樣式，突破層級(jí)結(jié)構(gòu)、線性積累等規(guī)律。因此，研究無人艦艇集群協(xié)同技術(shù)，是現(xiàn)代軍民技術(shù)的必然趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外研制現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)內(nèi)研制現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)針對(duì)水面無人艇集群方面的研究起步較晚，但發(fā)展速度較快，正在逐漸縮小與平發(fā)達(dá)國(guó)家的差距[2]。

哈爾濱工程大學(xué)對(duì)多USV協(xié)同控制進(jìn)行了研究，提出了在通信時(shí)滯下多UUV沿多條給定路徑編隊(duì)運(yùn)動(dòng)的控制器設(shè)計(jì)問題；利用一種基于狀態(tài)估計(jì)均方誤差最小的延時(shí)擴(kuò)展卡爾曼濾波定位誤差修正方法，定性和定量的對(duì)多 USV 協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，系統(tǒng)可觀測(cè)性大小取決于由各UUV間的距離向量速度向量之間的相互關(guān)系。

西北工業(yè)大學(xué)也是國(guó)內(nèi)多USV研究的領(lǐng)頭羊。主要從協(xié)同導(dǎo)航下手，提出了多 USV 協(xié)同導(dǎo)航體系、移動(dòng)長(zhǎng)基線協(xié)同導(dǎo)航、 單領(lǐng)航者協(xié)同導(dǎo)航以及洋流干擾下的單領(lǐng)航者測(cè)距協(xié)同導(dǎo)航方法等。在苛刻條件下，開展了對(duì)單領(lǐng)航者、雙領(lǐng)航者兩種模式下多USV 協(xié)同導(dǎo)航算法的研究；并且基于移動(dòng)長(zhǎng)基線 （MLBL）導(dǎo)航理論，建立了一種虛擬移動(dòng)長(zhǎng)基線（SMLBL）協(xié)同導(dǎo)航模型，同時(shí)對(duì)單向水聲通信的協(xié)同導(dǎo)航算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

總體來說，無人艦艇集群技術(shù)是國(guó)內(nèi)研究的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)。

1.2 國(guó)外研制現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)無人艦艇集群技術(shù)的研究較為深入，一系列的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用成果已經(jīng)問世[3]。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）早在 2009 年就開始部署網(wǎng)絡(luò)協(xié)同無人潛航器（CNAV） 系統(tǒng)，統(tǒng)配合固定式被動(dòng)聲納節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用于分布式敏捷獵潛系統(tǒng)（DASH），用于探測(cè)潛艇目標(biāo)。英國(guó)也在這方面取得了很大進(jìn)展。在 2016 年進(jìn)行的“無人戰(zhàn)士”（unmanned warrior）演習(xí)中，英國(guó)演示了50多個(gè)UAVs、USVs、UUVs 等各類海上自主系統(tǒng)（MAS）的 ISR、ASW、 MCM 能力，并且首次用4艘傳感器密集型自主遠(yuǎn)程艇（SHARC）組成的持久機(jī)動(dòng)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、報(bào)告和跟蹤了真實(shí)柴電潛艇和UUV。歐盟第七科技框架計(jì)劃（FP7），于2014 年開展了“自主認(rèn)知潛水協(xié)同作業(yè)項(xiàng)目”，用于協(xié)同人類潛水者在危險(xiǎn)水區(qū)內(nèi)進(jìn)行科研、考古或者商業(yè)探索活動(dòng)時(shí)完成高效率作業(yè)的水下航行器領(lǐng)航跟蹤系統(tǒng)（leader tracking system，LTS）。

這一系列的研究應(yīng)用為無人艦艇集群技術(shù)提供了可供參考的途徑和方法。

2 無人艦艇集群關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基本原理

無人艦艇集群攻擊任務(wù)規(guī)劃問題的示意圖如圖3描述。假定多 USVs 系統(tǒng)的任務(wù)環(huán)境為一個(gè)二維平面，則主要包括外界環(huán)境的障礙與威脅信息，路徑信息，任務(wù)信息等。具體可形容為：障礙物與威脅區(qū)域的位置和威脅區(qū)域的威脅半徑；任務(wù)點(diǎn)的具體位置信息和各任務(wù)點(diǎn)的任務(wù)需求； USVs 的具體位置和各個(gè) USV 的攻擊力度信息； 以及USVs 與任務(wù)目標(biāo)之間的安全路徑[4-5]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 艇型優(yōu)化設(shè)計(jì)

艇型技術(shù)是影響無人水面艇的快速性、穩(wěn)性、耐波性、抗沉性和操縱性的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外海軍裝備的無人水面艇主要采用常規(guī)單體滑行艇、雙體槽道滑行艇、小水線面雙體船和多體船等艇型。具體優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

2.2.2 自主航行

無人水面艇的核心技術(shù)是自主航行，通過自主航行技術(shù)，無人水面艇可以完成預(yù)定任務(wù)，從而適應(yīng)反潛、反水雷、海上安全、情報(bào)監(jiān)視偵察等特種作戰(zhàn)任務(wù)。

其中，最為重要的是傳感器技術(shù)。目前無人水面艇安裝有多功能高級(jí)穩(wěn)定系統(tǒng)（ CoMPASS） 傳感器轉(zhuǎn)塔， 轉(zhuǎn)塔上集成了激光掃描儀、激光測(cè)距儀、CCD電視攝像機(jī)、第三代前視紅外熱成像儀以及激光目標(biāo)照射器等[6]。

無人水面艇的運(yùn)動(dòng)控制包括航速控制和航向控制等，一般采用經(jīng)典的PID控制技術(shù)、智能PID控制技術(shù)、PD 控制技術(shù)、自適應(yīng)控制器、模糊控制器和卡爾曼濾波技術(shù)等設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)航速和航向的控制。

2.2.3 集群協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)

無人水面艇集群協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)中，最重要的是自主編隊(duì)控制技術(shù)，它是無人艇集群執(zhí)行任務(wù)的最基本要素[7]。編隊(duì)控制的定義為，控制無人艇編隊(duì)按照特定幾何構(gòu)型執(zhí)行動(dòng)作，研究重點(diǎn)在于編隊(duì)構(gòu)成/重構(gòu)以及編隊(duì)保持等方向。目前，主要的編隊(duì)控制方法包括主從型、虛擬結(jié)構(gòu)型以及基于行為型等。除此之外，集群感知和共享技術(shù)也是研究重點(diǎn)。艦載計(jì)算機(jī)對(duì)各無人艇上的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，完成各無人艇感知數(shù)據(jù)的綜合處理，得到的處理結(jié)果作為無人艇集群控制與決策的主要依據(jù)，由此實(shí)現(xiàn)自主判斷。這部分主要涉及信息處理與障礙檢測(cè)技術(shù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信技術(shù)等。集群無人水面艇的路徑規(guī)劃也是重點(diǎn)之一，主要方法是利用全局路徑規(guī)劃，通過電子海圖尋優(yōu)出一條最優(yōu)路徑。同時(shí)也可以通過局部?jī)?yōu)化，規(guī)劃基本路徑，通過傳感器獲取無人水面艇的位置信息和周圍環(huán)境信息，建立起無人水面艇的運(yùn)動(dòng)特性模型，并融入國(guó)際海上避碰規(guī)則，利用速度障礙法、動(dòng)態(tài)窗口法等對(duì)動(dòng)態(tài)船舶及靜態(tài)障礙物等進(jìn)行合理避讓。

3 結(jié)束語

USV集群技術(shù)作為一種具有顛覆性的智能集群技術(shù)，是未來海戰(zhàn)的生力軍與關(guān)鍵技術(shù)。隨著艇型優(yōu)化技術(shù)、智能控制技術(shù)、無線通信技術(shù)等的發(fā)展，USV集群智能關(guān)鍵技術(shù)也將越來越成熟，必定在海洋戰(zhàn)爭(zhēng)及海陸空協(xié)同作戰(zhàn)中扮演重要角色。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李建起 （1981-），男，河北黃燁人，碩士在讀，助理工程師，研究方向：艦船系統(tǒng)與運(yùn)用工程、通訊電子、控制工程。