無人艇在水面靶標(biāo)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)研究?

王海濤 刁世倫

（91550部隊(duì)43分隊(duì) 大連 116023）

1 引言

無人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）［1］也稱為水面機(jī)器人，作為一種智能任務(wù)平臺，具有海上自主環(huán)境感知、認(rèn)知與行為能力，隨著船舶設(shè)計(jì)、自主導(dǎo)航、航行控制、無線通信和人工智能等專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，在國內(nèi)外逐漸進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，可承擔(dān)海洋資源探測、海洋環(huán)境調(diào)查、海洋運(yùn)輸、海上巡邏與搜救、反水雷與反潛、火力打擊等任務(wù)［2］。美海軍的無人水面艇總體規(guī)劃了七類作戰(zhàn)使命：包括反水雷、反潛、海上安全、海面作戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)和海上攔截作戰(zhàn)［3～4］。目前美國、以色列、歐洲與日本等西方國家的無人水面艇技術(shù)水平較高，而國內(nèi)的無人水面艇研發(fā)與應(yīng)用尚處于起步階段。

水面靶標(biāo)為反艦武器海上飛行試驗(yàn)提供水面模擬艦船目標(biāo)［5］，給反艦武器提供水面艦船的雷達(dá)散射特性、雷達(dá)輻射特性、紅外特性及以上復(fù)合特性模擬；同時(shí)為脫靶量測量、過靶實(shí)況等觀測裝備和各種艦載主被動電子干擾裝備提供安裝平臺，完成反艦武器的過靶段的觀測任務(wù)和抗干擾性能考核。靶標(biāo)進(jìn)行海上試驗(yàn)保障時(shí)無人值守，其靶載設(shè)備的操作均為位于陸地遙控站或母艦上的操作人員遙控操作。水面靶標(biāo)使用時(shí)作為海面固定靶或者機(jī)動靶使用，在機(jī)動靶情況下為人工遙控航行。

2 無人水面艇在水面靶標(biāo)潛在應(yīng)用

由于海上使用環(huán)境的一致性以及工作時(shí)無人值守的共同特點(diǎn)，無人艇技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用于水面靶標(biāo)上有其先天的優(yōu)勢。特別是目前的水面機(jī)動靶，實(shí)際上已具備無人水面艇的雛形，無人艇所具備的自主能力不僅適合于水面靶標(biāo)應(yīng)用場合和使用需求，而且可以彌補(bǔ)目前水面靶標(biāo)存在的很多不足。如圖1所示，利用無人艇相關(guān)技術(shù)提高水面靶標(biāo)的保障能力有廣闊的應(yīng)用場景。

圖1 無人艇在布靶海域應(yīng)用圖示

1）水面機(jī)動靶。目前的機(jī)動靶，只是將報(bào)廢艦船的航行控制系統(tǒng)改裝為遙控方式后，再加裝無線通信信道，海上試驗(yàn)保障時(shí)機(jī)動靶由人工操作，附近有拖船伴航，航行至布靶海域后，機(jī)動靶操船人員再跳幫至拖船上，通過遙控終端對機(jī)動靶遙控，機(jī)動靶編隊(duì)控制也是在遙控終端預(yù)先編程實(shí)現(xiàn)。以上試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆谳^差海況下作業(yè)困難，海上人員工作強(qiáng)度大，試驗(yàn)現(xiàn)場隨各種工況變化的適應(yīng)性較差。將無人艇技術(shù)應(yīng)用于機(jī)動靶，可提高機(jī)動靶的靈活性和多靶標(biāo)編隊(duì)供靶能力。水面機(jī)動靶不必再沿海上固定航路航行，可以根據(jù)試驗(yàn)規(guī)則和實(shí)際海上態(tài)勢自行進(jìn)行航線規(guī)劃；利用集群協(xié)同的多目標(biāo)機(jī)動靶，編隊(duì)模擬更為逼真，為試驗(yàn)的組織實(shí)施提供了更加靈活的技術(shù)實(shí)施，能夠更好地完成反艦武器對海上編隊(duì)的攻擊考核任務(wù)。

2）反艦武器末彈道觀測平臺。反艦武器攻擊水面靶標(biāo)的末彈道測量，對于鑒定武器的末制導(dǎo)精度、評估引戰(zhàn)配合效能和判定殺傷效果起著關(guān)鍵的作用。以往末彈道觀測設(shè)備均安裝在靶標(biāo)船體上，無論是雷測還是光測觀察視野均受限，且在試驗(yàn)中由于武器直接命中船體損耗較大，試驗(yàn)費(fèi)效比較低。如果將末彈道觀測設(shè)備作為任務(wù)載荷安裝在低目標(biāo)特性的無人艇上，定點(diǎn)停泊在靶標(biāo)船體周圍進(jìn)行觀測，無論是采取雷測或光測手段，均可選取最佳的觀測陣位而避免被武器直接擊中，以做到較高的效費(fèi)比。

3）舷外電子干擾平臺。水面靶標(biāo)為平臺進(jìn)行抗干擾試驗(yàn)，是靶場復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的一部分，現(xiàn)代海上電子戰(zhàn)是系統(tǒng)與系統(tǒng)、體系與體系之間的對抗。以美航母戰(zhàn)斗群反導(dǎo)作戰(zhàn)的作戰(zhàn)能力為例，遠(yuǎn)程全方位、大縱深、多層次的兵力配置是其電子戰(zhàn)系統(tǒng)配系的特點(diǎn)。在對反艦武器進(jìn)行抗干擾海上飛行試驗(yàn)時(shí)，可將無人艇作為有源或者無源干擾的安裝平臺，在反艦武器搜索、攻擊水面靶標(biāo)的整個(gè)飛行過程中，有目的地實(shí)施有源壓制、欺騙，無源質(zhì)心、沖淡干擾，達(dá)到武器系統(tǒng)抗干擾考核的目的。由于目前現(xiàn)役的舷外有源電子干擾方式多樣，例如可控式NULKA、拖曳式TOAD、；漂浮式SSQ-95、助飛式FLYRT和投擲式Siren等有源誘餌，利用無人艇作為平臺搭載舷外有源干擾設(shè)備模擬地方的有源誘餌，具有干擾航路可控、可多次重復(fù)使用和試后復(fù)盤分析方便的獨(dú)特優(yōu)勢。

4）試驗(yàn)海域氣象與水文觀測。在海上可長時(shí)間可靠地進(jìn)行重復(fù)型工作是無人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一，利用無人艇任務(wù)航跡點(diǎn)動態(tài)實(shí)時(shí)設(shè)定、高精度航跡跟蹤等功能，進(jìn)行試驗(yàn)前預(yù)定海域的水文與氣象精細(xì)觀測，提高觀測的準(zhǔn)確率與實(shí)時(shí)性，為試驗(yàn)決策提供可靠依據(jù)。

5）布靶海域警戒、巡邏與搜救。為了避免出現(xiàn)海上誤擊事故，布靶海域四周會有一定的兵力進(jìn)行警戒巡邏，防止商船或漁船意外進(jìn)入危險(xiǎn)海域。為了節(jié)省人力、物力，利用無人艇完成掃海任務(wù)，執(zhí)行警戒、告警和驅(qū)離作業(yè)；另外當(dāng)有意外海上事故發(fā)生時(shí)，利用無人艇機(jī)動能力強(qiáng)的特點(diǎn)，執(zhí)行人員搜救或危險(xiǎn)區(qū)域抵近偵察，都不失為可行的技術(shù)解決途徑。

3 水面靶標(biāo)領(lǐng)域無人艇關(guān)鍵技術(shù)

無人水面艇的核心設(shè)計(jì)原則是目標(biāo)任務(wù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，在艇型設(shè)計(jì)和艙室布置方面，不必考慮人的承受能力與舒適度，其技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿εc水面靶標(biāo)的海上試驗(yàn)需求高度吻合。不過，無人艇如果要在水面靶標(biāo)領(lǐng)域投入實(shí)際使用，還需要解決涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.1 無人艇目標(biāo)特性控制技術(shù)

對于無人艇的目標(biāo)特性控制主要是對其雷達(dá)散射特性的模擬與控制。無人艇的目標(biāo)特性控制應(yīng)從艇型設(shè)計(jì)、艇載任務(wù)載荷安裝統(tǒng)一考慮，通過對艇體的綜合優(yōu)化布置來實(shí)現(xiàn)。

無人艇作為機(jī)動靶使用時(shí)，模擬對象是中小型水面作戰(zhàn)艦艇的雷達(dá)散射和運(yùn)動特性，一般用角反射體組合來達(dá)到雷達(dá)散射特性模擬的目的；不過由于艇體幾何尺寸有限，如果雷達(dá)散射面積模擬要求較大，則可采用RCS主動增強(qiáng)模擬技術(shù)［6］，模擬結(jié)果復(fù)現(xiàn)包含艦船目標(biāo)信息和環(huán)境信息的雷達(dá)回波信號中。

無人艇作為靶區(qū)觀測平臺或者舷外有源電子干擾平臺使用時(shí)，在水面靶標(biāo)附近機(jī)動航行，為了避免艇體的目標(biāo)特性影響反艦武器導(dǎo)引頭的搜索與跟蹤，須進(jìn)行雷達(dá)散射隱身設(shè)計(jì)［7］。無人艇雷達(dá)隱形設(shè)計(jì)的基本流程如下。

1）確定無人艇雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)目標(biāo)，給出導(dǎo)引頭雷達(dá)威脅區(qū)域、工作頻段和入射仰角范圍要求，確定艇體需做隱形設(shè)計(jì)的方位角和俯仰角范圍；

2）根據(jù)導(dǎo)引頭工作頻段和無人艇外形特征，對無人艇外形進(jìn)行RCS計(jì)算；

3）按照任務(wù)載荷布置和加工工藝要求，完成整艇設(shè)計(jì)和非光滑表面光順處理和融合；

4）對艇體特殊搭載載荷部位進(jìn)行局部主散射源隱身優(yōu)化設(shè)計(jì)，對特定散射強(qiáng)點(diǎn)部位進(jìn)行雷達(dá)吸波材料配置，計(jì)算全配置下整艇的雷達(dá)散射截面；

5）進(jìn)行必要的艇體縮比模型或全尺寸陸上、海上RCS測試驗(yàn)證。

3.2 通信保障

無人艇的通信對象［8］包括岸基（或母艦）支持系統(tǒng)、其他無人與有人平臺；通信手段主要包括微波通信、衛(wèi)星通信和水聲通信，另外，北斗短報(bào)文通信也可應(yīng)用在應(yīng)急通信方面。通信系統(tǒng)是連接艇載自主航行系統(tǒng)和岸基支持系統(tǒng)（母艦）的橋梁，具有上下行不對稱、高帶寬和低延時(shí)等要求。下行數(shù)據(jù)為母艦對無人艇的遙控指令信息；上行數(shù)據(jù)為艇自身工作狀態(tài)以及導(dǎo)航雷達(dá)、光電載荷等感知傳感器信息，由于上行數(shù)據(jù)包括大量的設(shè)備工作和雷達(dá)圖像、視頻等傳感器信息，需先進(jìn)行信息集成融合后再進(jìn)行壓縮傳輸。

對于微波信道，由于無人艇的通信天線高度受限，海面引起的多徑衰落對通信質(zhì)量影響很大。目前無線數(shù)據(jù)傳輸采用的對抗多徑方法主要有擴(kuò)頻技術(shù)、OFDM技術(shù)和SC-FDE單載波頻域均衡等技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)在窄帶系統(tǒng)中比較常用，技術(shù)成熟，可在上行鏈路中使用；下行寬帶系統(tǒng)中可采用OFDM或SC-FDE技術(shù)。對于衛(wèi)星通信信道，通信距離不受限制，但是受無人艇平臺限制較大，需解決衛(wèi)通設(shè)備安裝與對艇體搖擺敏感問題。為了在不同的工況下保持無人艇通信暢通，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)類型和實(shí)時(shí)性要求，艇載通信載荷可智能選擇數(shù)據(jù)的發(fā)送途徑，也就是智能路由選擇技術(shù)。

無人艇自組網(wǎng)技術(shù)，包括無人艇編隊(duì)［9］之間內(nèi)部的自組網(wǎng)、無人艇與其他有人/無人平臺的自組網(wǎng)技術(shù)，要求無縫融入現(xiàn)有的試驗(yàn)測控網(wǎng)和通信網(wǎng)中。無人艇能夠安全穩(wěn)定地自主編隊(duì)航行并預(yù)期完成試驗(yàn)任務(wù)，在很大程度上取決于無人艇之間對艇體運(yùn)動數(shù)據(jù)、外界傳感器、任務(wù)載荷等信息的互通和互操作水平，要求優(yōu)化無人艇無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開展組網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)管理和通信安全防護(hù)等裝備研制，在此方面基于MIMO模式的MESH通信技術(shù)已得到實(shí)際應(yīng)用。另外，還需解決無人艇與其他平臺的異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)陸?？仗鞚摦悩?gòu)立體組網(wǎng)，為有人/無人平臺協(xié)同［10］態(tài)勢感知、指揮決策等試驗(yàn)活動的組織實(shí)施提供支撐。

3.3 航行環(huán)境感知與自主決策

水面靶標(biāo)模擬目標(biāo)為作戰(zhàn)艦艇，應(yīng)用在此場合的無人艇監(jiān)測對象主要是靶區(qū)海域的海面目標(biāo)。目前采用的外界環(huán)境傳感器包括導(dǎo)航雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)［11］、光電載荷［12］、AIS和氣象站等各種類型傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一定距離范圍內(nèi)的海面目標(biāo)探測。無人艇基于每種傳感器的探測特性對特定目標(biāo)進(jìn)行檢測、跟蹤、識別等由粗至精的融合處理，再結(jié)合電子海圖和艇內(nèi)組合導(dǎo)航單元信息，構(gòu)建水面環(huán)境立體態(tài)勢圖，實(shí)現(xiàn)無人艇對航行周圍環(huán)境自主、準(zhǔn)確完整的認(rèn)知，在此基礎(chǔ)上才能正確快速進(jìn)行航行規(guī)劃、自主航行控制與自主避碰等操作。

不過與其他無人平臺無人車、無人機(jī)等相比，無人艇所處的海洋環(huán)境更為復(fù)雜多變，具有動態(tài)、不確定和復(fù)雜性，尤其是在惡劣的海況下航行時(shí)具有其特殊性，在環(huán)境感知方面也更加地困難，除了受海上光照、能見度因素等影響外，還面臨特殊挑戰(zhàn)，如艇體劇烈升沉搖擺、海面目標(biāo)可觀性弱與尺度變化大、浪花飛濺與不規(guī)則海岸線外來干擾等困難；而目前各類艇載傳感器基本上是從其他應(yīng)用的現(xiàn)有產(chǎn)品中選取使用，很少根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境與探測需求進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)與研制，更加劇了對航行環(huán)境感知的困難。同時(shí)，國內(nèi)無人艇基于多傳感器的在時(shí)間和空間上深入融合理論、實(shí)踐應(yīng)用均尚未成熟，因此目前在較復(fù)雜航行環(huán)境中，完全依靠無人艇自主安全可靠航行在短時(shí)間內(nèi)技術(shù)上尚無法實(shí)現(xiàn)。所以在復(fù)雜情況下，無人艇就需要依托岸基支持系統(tǒng)給予智能決策和相關(guān)背景知識支持，在結(jié)合岸基支持系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建無人艇智能環(huán)境感知與信息融合、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型和理論，在此方面硬件條件已具備，可由試驗(yàn)指揮控制中心承擔(dān)。岸基支持系統(tǒng)通過無線通信信道獲取無人艇周圍靜、動態(tài)目標(biāo)以及航行條件，再進(jìn)行智能融合關(guān)聯(lián)分析，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)、知識庫、情景計(jì)算等智能理論，輔助無人艇進(jìn)行智能決策，并同時(shí)向無人艇提供航行海域海況與氣象支持。

3.4 海上布放與回收技術(shù)

隨著向藍(lán)海海軍發(fā)展和反艦武器射程的提高，無人艇需搭載在母艦上在遠(yuǎn)海執(zhí)行試驗(yàn)任務(wù)。母艦利用可靠的布放與回收裝置［13］，完成高海情下無人艇的收放作業(yè)自動化，不需操作人員下水進(jìn)行輔助吊放操作，對提高無人艇的可用率和試驗(yàn)效率有重要意義。

目前國內(nèi)外無人艇采用的收放技術(shù)主要有三種：吊放式、艉滑道式和塢艙式。吊放式收放技術(shù)包括艉部吊放和舷側(cè)吊放，應(yīng)用較為普遍，布放可利用電磁閥開關(guān)與吊鉤解脫；回收則較為復(fù)雜，首先通過彈射機(jī)構(gòu)把彈射頭和引線從艇上自主控制彈出，然后云臺機(jī)構(gòu)控制彈射機(jī)構(gòu)的姿態(tài)確保把彈射頭和引線彈到母船上，然后對接機(jī)構(gòu)把艇體與母船對接并起吊。艉滑道式通過滑道裝置完成無人艇收放作業(yè)，回收時(shí)選擇合適沖排時(shí)機(jī)，無人艇以高于母艦航速進(jìn)入艉部滑道，通過滑道前方阻攔索與艇艏掛鉤機(jī)構(gòu)掛接，阻攔緩沖機(jī)構(gòu)吸收無人艇沖排動能，使其在短距離內(nèi)受到阻攔而停止；布放時(shí)無人艇由電控機(jī)構(gòu)打開掛鉤，艇艏與阻攔索分離解脫后下滑至水面。塢艙式收放技術(shù)將無人艇存儲在母艦塢艙內(nèi)，布放前打開艙門向艙內(nèi)注水，在托架上的無人艇浮起后打開鎖定裝置，人工遙控其駛離托架；而回收作業(yè)程序與上述過程相反。

吊放式收放技術(shù)對母艦航速、海況適應(yīng)性較差，安全性較低，但由于傳統(tǒng)習(xí)慣，海上作業(yè)艦船以往大都采用此種方式，不需對母艦船體做大的改動，目前大量采用且繼續(xù)發(fā)展；塢艙式收放技術(shù)受航速、海況等因素的影響較小，但對船體空間結(jié)構(gòu)要求高；艉滑道式收放技術(shù)在適應(yīng)海況、空間需求、母艦航速、可操作性等方面綜合表現(xiàn)更好，更適合于無人艇收放需求。這就要求今后的試驗(yàn)保障艦設(shè)計(jì)建造時(shí)綜合考慮各型無人艇收放需求，設(shè)計(jì)專用的無人艇收放裝置。

4 結(jié)語

綜上所述，水面靶標(biāo)試驗(yàn)需求與無人艇的先天技術(shù)特點(diǎn)高度吻合，在此領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。今后應(yīng)以水面靶標(biāo)的海上試驗(yàn)需求為牽引，借鑒西方國家無人艇相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，進(jìn)行總體規(guī)劃，在無人艇型譜、艇載設(shè)備和任務(wù)載荷、岸基支持系統(tǒng)和母艦保障裝備等方面加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)化工作，攻克關(guān)鍵技術(shù)，論證建設(shè)先進(jìn)可靠的專業(yè)艇載感知傳感器和任務(wù)載荷，逐步發(fā)展成熟可靠的自主控制與感知理論體系和技術(shù)架構(gòu)，不斷提高無人艇自主控制能力、環(huán)境感知和智能化水平，加速促進(jìn)把無人艇技術(shù)轉(zhuǎn)化為水面靶標(biāo)保障能力。