水面無人艇技術(shù)發(fā)展及展望?

李 偉 李天偉 張尚悅 應榮熔

（1.海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學院教務處 大連 116018）

1 引言

水面無人艇（Unmanned Surface Vessels，USV）是一種按照任務需求搭載各種不同的功能模塊，自主或者半自主完成一系列任務的具有一定智能性，可高速航行于水面的小型水面船艇［1］。無人駕駛船最早見于20世紀五六十年代出現(xiàn)的靶艇或掃雷艇，但僅限于在有人平臺的遙控范圍內(nèi)進行水面作業(yè)。隨著衛(wèi)星定位與通訊技術(shù)、自主導航技術(shù)以及智能規(guī)劃和控制技術(shù)的進步，作為海面任務平臺的無人艇使用范圍已拓展至遠海區(qū)域。水面無人艇還未大規(guī)模應用，目前主要集中在海上測繪、海上監(jiān)視偵察、反水雷戰(zhàn)等領(lǐng)域。未來，隨著裝備智能化程度的提升，水面無人艇將逐步具備獨立或協(xié)同遂行反潛、反艦等作戰(zhàn)任務的能力，在海上作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。

2 國內(nèi)外水面無人艇發(fā)展現(xiàn)狀

目前，穩(wěn)步推進水面無人艇研制的國家和地區(qū)主要包括美國、中國、俄羅斯、以色列、日本以及歐洲主要國家，趨向于發(fā)展反艦、反潛、反水雷和電子戰(zhàn)等能力于一體的多功能水面無人艇。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國海軍已經(jīng)研制并裝備了多個類型的水面無人艇，并針對未來發(fā)展制定了清晰的發(fā)展路線［2］。“遙控獵雷系統(tǒng)”、“海狐”和“斯巴達偵察兵”已經(jīng)陸續(xù)服役，并積累了一定的無人艇使用經(jīng)驗［3］。2014年在詹姆士河對由5艘自動控制無人艇和8艘遠程遙控無人艇組成的編隊集群，開展了水面無人艇編隊蜂群作戰(zhàn)相關(guān)試驗。13艘無人艇采用智能控制技術(shù)，按照一定護衛(wèi)隊形為核心目標組織護航，通過艇群的傳感器網(wǎng)絡成功識別出模擬的敵方目標船只，艇群按照預設方案隨即行動，對敵方目標進行包圍和攔截，阻止了敵方威脅迫近己方護衛(wèi)目標。美國海軍未來將持續(xù)組織其他水面無人艇試驗，并將研究重點向引導無人艇開展多艇協(xié)同行動擔負復雜任務延伸。2018年初美國海軍接收了“海上獵人”反潛無人艇（ACTUV），該型艇是美“反潛連續(xù)追蹤計劃無人艦”計劃中的革命性艦艇，一次出行即可連續(xù)執(zhí)行長達3個月的反潛任務。同時，美國海軍與軍工企業(yè)達成協(xié)議，開始研發(fā)裝備有反艦武器系統(tǒng)的無人艇［4］。

以色列水面無人艇研究起步較早，不少型號均已處于試驗測試階段，更有個別型號已經(jīng)完成實際部署并出口到其他國家［5］。2006年以色列“保護者”無人艇便已裝備海軍，每3艘編成一個機動編隊，主要用于以色列沿海地區(qū)和相鄰水域巡邏。2017年3月以色列海軍成功測試了“海上騎士”無人駕駛導彈艇，是全球首艘具備導彈發(fā)射能力的無人艇。

俄羅斯正在研究具有“變革海軍戰(zhàn)爭”潛力的未來無人技術(shù)［6］，2016年測試了“探索者”水面無人艇，該艇最高航速25節(jié)，自持力7天，艇上安裝了復雜的陀螺穩(wěn)定監(jiān)視和搜索系統(tǒng)和光電監(jiān)視系統(tǒng)、聲納設備、無線鏈路系統(tǒng)、電子壓制、遠程視覺系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)。

歐洲各國也積極推進自己的無人系統(tǒng)戰(zhàn)略，法國研制了“檢驗者”水面無人艇，德國研制了“海獺”MKII無人艇，挪威研發(fā)了“水雷狙擊手”，尤其是英國海軍推出了MAST無人艇，速度可以達到50節(jié)［7］。

隨著日本在2015年1月發(fā)布新的軍事和國家安全空間戰(zhàn)略，日本開始全面提升包括海洋在內(nèi)的情報、監(jiān)視與偵察能力（ISR能力），日本防衛(wèi)技術(shù)研究總部宣布正合作研究無人潛航器UUV和USV間的實時數(shù)據(jù)傳輸，以加強情報收集的準確性、實效性和有效性［8］。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)水面無人艇技術(shù)方面的研究發(fā)展起步較晚，但進展迅速，多家單位比如中國航天科工集團、哈爾濱工程大學、上海大學、中船重工、中科院等單位，水面無人艇相關(guān)技術(shù)開展了大量的研究工作并取得了很大的進展［9］。

2008年國內(nèi)第一艘無人駕駛海上探測船“天象一號”被中國航天科工集團自主研發(fā)出來，并投入到青島奧帆賽的氣象保障服務。

2013年，上海大學無人艇團隊研制的“精海1號”，經(jīng)由交通運輸部東海航海保障中心組織，成功應用到西南沙諸島礁的水下地形地貌和水文情況的測量，為我國開展南海島礁航海保障基礎(chǔ)設施設立提供了充分的科學依據(jù)。2014年“精海2號”跟隨“雪龍”號執(zhí)行我國第31次南極考察任務。

云洲智能公司推出了可搭載反艦導彈雷達誘餌模塊的L30A型無人艇，拉開了國內(nèi)水面無人艇的軍事運用大幕。該型艇能夠伴隨母艦航行，干擾來襲導彈對母艦提供保護。根據(jù)需要，L30A型無人艇可搭載光電監(jiān)視系統(tǒng)和12.7毫米自動武器站，執(zhí)行目標跟蹤、驅(qū)離和攔截等多樣化任務。

2017年底，哈爾濱工程大學和深圳海斯比船艇公司共同推出了世界速度最快無人艇，該型“天行一號”無人艇速度能夠超過50節(jié)，可用于海上執(zhí)法和危險環(huán)境。

2018年2月，華中科技大學工業(yè)技術(shù)研究院進行了無人艇編隊的航行測試，利用5艘無人艇進行編隊航行，初步達成了無人艇圍捕的測試。

3 水面無人艇技術(shù)發(fā)展

3.1 水面平臺與動力管理技術(shù)

水面無人艇的重心、速度、慣性矩等動態(tài)性能都會在航行期間發(fā)生變化，其流體動力導數(shù)也會相應發(fā)生變化，進而引起動力學模型的參數(shù)、結(jié)構(gòu)變化，風、浪、流等海洋環(huán)境對無人艇亦會產(chǎn)生干擾力和干擾力矩，影響到無人艇的水面運動［10］。傳統(tǒng)上，高速無人艇運載平臺多采用成熟的滑行艇設計。為減小外界環(huán)境影響，美國的斯巴達偵察兵無人艇及以色列銀色馬林魚無人艇都選擇了采用深V型滑行艇作為載體?；型г陟o水中表現(xiàn)出了優(yōu)異的快速性，但在波浪中也存在砰擊和穩(wěn)定性等方面的問題。部分研究基于噴水推進方式的無人艇運動建模及其視景仿真方法，根據(jù)船舶操縱性和快艇動力學的基本理論，建立無人艇的動力學模型，并基于拖曳水池試驗、自航模試驗和CFD手段研究高速無人艇船型的水動力相關(guān)特性，以期提高水面無人艇動力管理效能。

3.2 環(huán)境感知技術(shù)

為提高無人艇適用性，需要解決在惡劣海況下，無人艇艇體在持續(xù)顛簸條件下的水面目標探測和目標判別，并利用動態(tài)背景和低信噪比條件下的目標檢測方法，對艇載多種傳感器獲取的信息進行處理，實現(xiàn)對于不同海上目標的跟蹤、檢測、識別和行為預測。

3.3 自主控制技術(shù)

水面無人艇控制技術(shù)的終極目標是達成任務的完成。利用環(huán)境感知手段，探測和識別目標，通過自主控制技術(shù)實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃、駕控避碰和采取合理控制策略，以完成各種任務和作業(yè)使命［11］?？刂葡到y(tǒng)是水面無人艇系統(tǒng)的核心，是其智能化、自主性水平的直接體現(xiàn)。目前，蟻群優(yōu)化算法、離散時間非線性模型預測控制器、模糊LQR控制器都已經(jīng)引入到無人艇控制技術(shù)，開展無人艇在復雜海況條件下的臨界機動預測。

3.4 路徑規(guī)劃技術(shù)

水面無人艇在靜態(tài)和動態(tài)的海洋環(huán)境中要能夠達到高度自主性，確保船只、人員及財產(chǎn)安全，智能、快速地處理各種難以預料的狀況，就成為路徑規(guī)劃和動態(tài)避碰問題的難點［12］。一是規(guī)劃過程中要考慮USV自身的運動特性及所處的自然環(huán)境（如風、浪、流）的影響。二是在海上航行要遵守國際海上避碰規(guī)則，將路徑規(guī)劃和動態(tài)避碰與國際海上避碰規(guī)則進行有效融合，也是無人艇路徑規(guī)劃的難點問題。當前研究主要集中在利用非線性滑模控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合軌跡規(guī)劃、跟蹤和協(xié)調(diào)控制等多種方法開展無人水面艦艇路徑規(guī)劃。

3.5 網(wǎng)絡化通信技術(shù)

隨著無線電通信、衛(wèi)星通信等通信技術(shù)的迅速發(fā)展，艦船通信技術(shù)大多由多媒體技術(shù)、信息技術(shù)和電信技術(shù)等多種技術(shù)的集成［13］。無人艇在與母船或者地面站信息交互時，需要通過數(shù)據(jù)鏈路。現(xiàn)有的技術(shù)包括利用超高頻擴頻通信結(jié)合衛(wèi)星通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，通信信息涵蓋了圖像信息、視頻信息、控制指令、姿態(tài)信息、位置信息等，為提高信息傳輸?shù)膶崟r性和安全性，需要開展數(shù)據(jù)傳輸中的帶寬、抗干擾等研究。

3.6 多任務載荷一體化技術(shù)

有效載荷是無人系統(tǒng)執(zhí)行偵察、監(jiān)視、電子對抗、打擊、戰(zhàn)效評估任務的關(guān)鍵因素，應用于無人系統(tǒng)的有效載荷包括通用傳感器（光電、雷達、信號、氣象、生化）、武器、貨物（傳單、補給品）等。

4 水面無人艇未來發(fā)展趨勢

4.1 由軍用領(lǐng)域向民用領(lǐng)域拓展

水面無人艇起源于軍事應用需求，隨著作戰(zhàn)能力提升和功能拓展，未來水面無人艇必將進一步加大在現(xiàn)代海戰(zhàn)中的作用。與此同時，水面無人艇的使用范圍也已經(jīng)逐步擴展至民用領(lǐng)域，比如進行近岸淺水區(qū)域測繪、極區(qū)等復雜水域航行、海上監(jiān)控、海上救助、海區(qū)巡航等。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無人艇自主控制能力的不斷提升和平臺支持能力的不斷提高，將會有越來越多的重復性強、危險性高等其他不適宜直接由人員完成的任務由水面無人艇加以完成。

4.2 由關(guān)注航行性能向支持技術(shù)拓展

由于無人艇使用的領(lǐng)域目前主要集中在特定應用領(lǐng)域，尤其是在民用領(lǐng)域還未大規(guī)模推廣，部分研究機構(gòu)和研究人員在開展無人艇技術(shù)研究時，主要關(guān)注點集中在影響無人艇適航性的指標，比如無人艇船體設計、航速及動力系統(tǒng)控制、航向和航行姿態(tài)控制能力等。未來無人艇的推廣，必將牽引研究熱點向功能支持模塊延伸，比如艇載監(jiān)視及識別技術(shù)、艇載武器系統(tǒng)、艇載集成通信系統(tǒng)等。

4.3 由單一功能型號向通用平臺拓展

全自主智能無人艇在海上執(zhí)行任務過程中，尤其是在遠海執(zhí)行任務時，岸基控制終端支持有限，需要無人艇具備應對不同海區(qū)條件和復雜海上態(tài)勢的能力，單一功能模塊難以滿足海上需求，需要將不同的功能模塊集成在無人艇上，如航線規(guī)劃、目標識別、導航定位及勤務模塊等。同時，大型無人艇載荷能力強，開展功能模塊集成相關(guān)技術(shù)研究，發(fā)展通用平臺能夠增強無人艇的適用性。

4.4 由單艇控制向編隊協(xié)同控制拓展

海上任務區(qū)域大，當面臨復雜任務時，無人艇編隊可以彌補單艇性能的局限性和不足。例如，在執(zhí)行對潛搜索攻擊任務時，由于聲納等觀測器材作用距離限制，單艇搜索效能不高，難以實現(xiàn)局部海區(qū)的覆蓋，容易導致水下目標脫離接觸。同時，如果無人艇在執(zhí)行任務的過程中被敵方兵力摧毀或自身故障等原因影響，無法繼續(xù)完成任務，艇群中的其他無人艇可以繼續(xù)執(zhí)行任務。另外，當執(zhí)行海上任務需要兼顧防空、反潛及對水面目標攻擊等不同任務時，單艘無人艇由于體積限制無法完成，如果讓不同作戰(zhàn)用途的無人艇協(xié)作完成類似任務，單艇的局限性將得到解決。

5 結(jié)語

水面無人艇最顯著的特點是具備獨立自主運行的能力，對于任務決策、智能控制、非結(jié)構(gòu)環(huán)境感知等方面的研究將不斷提高水面無人艇的智能水平。同時，未來多學科的交叉融合也將極大地促進水面無人艇相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。隨著水面無人艇軍事應用的不斷深入，大型化、智能化、隱身化和可拓展性將是一個發(fā)展趨勢，尤其是集群控制技術(shù)一旦取得突破，將引領(lǐng)水面無人艇由配角變?yōu)橹鹘?，改變海上作?zhàn)樣式。