无人潜航器的发展应用及关键技术

无人潜航器的发展应用及关键技术

曹晓霖

（中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

摘 要：无人潜航器（UUV）是无人平台的一个重要发展方向，随着机器人技术的进步和海洋开发需求的日益加强，无人潜航器技术已成为世界各国致力发展的技术领域。重点介绍了国外UUV的发展现状及趋势，分析了UUV的关键技术及其运用能力。

关键词：无人潜航器；发展趋势；关键技术；运用能力

0  引言

无人潜航器（UUV）最早出现于20世纪60年代，在发展初期，UUV主要用于进行深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域，后逐步开展了水下声源探测、协助潜艇深水避雷、港口战术侦察等军事应用。21世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段必将得到空前的重视和发展。

1  国外发展现状及趋势

美国海军提出了UUV在军事应用方面的7种使命和4种作战能力，对关键技术进行了风险评估，描绘了2030年之前UUV的发展蓝图。7种使命包括情报/监视/侦查、反水雷措施、气象学和海洋学、辅助通讯和导航、反潜战、自治武器平台、后勤支援和补给；4种作战能力包括辅助通讯/导航能力和潜艇跟踪及循迹功能。同时，美国海军又公布了新的UUV发展规划，该规划提出了9种使命，包括情报/监视/侦查、反潜战、观察与识别、海洋学、通讯和导航网络节点、载荷运送、情报站和时敏目标打击。[2-4]

为了完成上述多方面的海上作战任务，美军提出了发展4种不同级别的UUV：

1) 小型便携式 UUV，直径70～230 mm，重量45 kg以下，可以从潜艇的各种小型发射管中发射出来，例如从声呐浮标和水声对抗器材的发射管中发射出来。其航程仅在10 n mile左右，作业时间10～20 h。这类 UUV 可执行的任务有: 情报、监视和侦察，浅水域反水雷、监视和灭雷，一次性通信/导航网络的节点。

2) 轻型 UUV，直径324 mm，可利用现役轻型鱼雷装具实现发射和回收，连续工作时间可达20～40 h，主要完成港口的情报搜索、监视和侦察，对水雷区域的侦察，作为移动式通信/网络的节点，以及采集海洋信息等。

3) 重型UUV，直径533 mm，可利用现役潜艇鱼雷发射管发射，重量达1 000 kg以上，低载荷下可连续工作40～80 h，其任务包括战术性情报搜集、监视和侦察、反水雷，以及作为潜艇模拟器诱骗敌方鱼雷等。

4) 大型UUV，直径1 m左右，排水量可达10 t，在高载荷下可工作100～300 h。这种UUV适用于在大多数美国攻击型核潜艇上安装，其任务是持续地进行情报搜索、监视和侦察任务、特种作战和紧急攻击任务、水雷战及反潜战等。

德国阿特拉斯电子公司研制成功了Deep C自主式无人潜航器，并在比斯开湾深海水域进行了演示活动。Deep C研发计划是德国21世纪航运与船舶技术研究规划的一部分，由德国联邦教育研究部提供资金。Deep C重2.5 t，作业水深4 km，续航时间约50 h，最大装载能力为250 kg。可执行水下管线检测、海底电缆铺设、海床勘探和海底资源调查等任务，其潜在军事应用价值已引起德海军的关注[5]。

为提高水下定位精度并与水面平台实时通信，澳大利亚在其瓦亚巴型UUV上研究采用GPS、无线电和水声数据链的组合通信技术。具体方案是：利用安装在浮标上的GPS定位设备，提供浮标的精确位置坐标，并不断更新数据，最高精度可达10～15 m；通过水声数据链将定位和时间数据传送给水下的UUV，最大有效范围达5 km；UUV接收到数据后，通过计算机得到自身的准确位置。澳大利亚还在研究利用该技术实现UUV与无人机的通信。美澳海军进行过一次联合演习，澳海军“科林斯”潜艇上安装了“声学水下-水声信息链”通信系统，使在水下的潜艇能直接与30 km外的指挥舰通信[6]。

2  应用能力分析

2.1  战场目标、环境探测及信息搜集能力

传统的水下目标、环境等情报的搜集主要依赖海洋调查船、潜艇、飞机等，在战时由于受到来自空中、水面、水下的威胁，这些兵力难以进入预定水域，从而贻误调查活动。

利用UUV，可补充和扩展传统有人平台的能力，将通信、监视、侦察能力延伸到受禁地区，在浅水域或其他常规平台无法进入的水域执行任务。装载多种传感器的侦察监视型UUV可搜集水文、气象、水中声源、目标运动要素等情报信息，按设计要求不同，所采集的信息既可以及时回传，也可存储数据，待返回载体平台后下载。

2.2  通信、导航网络节点能力

通过装载通信、导航设备，UUV可为各种水下、水面、空中平台（包括有人和无人平台）提供网络联接和导航支援。在提供导航服务时，一般由运载平台释放UUV，进入准备状态，UUV到达指定位置和预定时机后，快速布放浮标、声响应答器等，采集卫星导航、地面无线电导航、惯性导航校正等数据，为其它平台提供导航校准和修正信息。在提供通信节点服务时，UUV与水下固定设施、舰机平台、卫通等实现通信链接，进行多向数据交换，为潜艇、水面舰、其它UUV、特种作战兵力等的通信联络提供支撑。在未来进行海上网络中心战中，UUV将成为水下信息网格的重要节点，支持“互联、互通、互操作”的水下网络链接能力。

2.3  反水雷能力

反水雷任务可分解为探测、分类、识别和灭雷等阶段。传统的反水雷兵力依赖海上和空中兵力的掩护，采取猎、扫、破、炸等手段执行反水雷任务。但在敌火力前沿或缺乏火力掩护时，采用UUV将是较好的选择。

利用UUV探测水雷，可避免有人平台遭受水雷的威胁，减少人员损伤，缩短反水雷时间。随着UUV反水雷技术的发展和能力的逐渐增强，UUV将发展成为海军兵力结构的新成分，利用通用化、模块化，可由多种承载平台或岸基布放的无人反水雷系统，迅速扫除各种水雷，确保海上兵力能够以最低风险进入作战海区。

2.4  反潜战能力

UUV 可抵近敌方潜艇进出港口的狭窄水道处对潜艇进行拦截，也可按预定的航线到达敌编队可能通过的海域游弋，发现可疑目标时，执行监视与跟踪，并及时将目标信息回传，辅助指挥员进行决策，以便海上编队能够深入威胁海区进行反潜作战。

由于受到海洋探测技术的制约，以及敌海上力量的阻止，UUV将是在反潜作战早期阶段较为适用的兵力，也是在水下对抗的各个阶段可对敌方潜艇实施全程跟踪的唯一兵力，因此，UUV将是执行反潜作战中“置身险境”任务的最佳候选装备。

2.5  信息作战能力

实施信息作战的目标是“利用、欺骗、威慑和瓦解敌人”。这些行动可以使用任何平台、武器或手段，但UUV具有在浅水区等危险水域进行活动的能力，因此非常适于执行其他平台无法完成的信息作战任务，其中最具优势的是充当潜艇诱饵和作为通信或计算机节点干扰器。

2.6  时间敏感目标打击能力

对时间敏感目标的打击强调在数秒内完成“从传感器到射手”的一系列过程。这些行动虽然可以使用任何平台完成，但从UUV上发射武器，或利用UUV投送武器，可使发射地点与目标距离更近，能够以更短的时间摧毁目标，并降低平台毁伤和人员伤亡的风险。

2.7  爆炸物快速搜索、探测、定位能力

UUV能在狭窄区域内（如船壳、桥墩周围以及锚地海底）进行快速搜索、探测和定位。美海军《爆炸物处理、反恐/部队保护、无人潜航器任务需求重点》文件指出：使用UUV执行这类任务，“快速侦察热点区域（如船壳、码头周围及其他水下区域），探测、调查和定位未爆炸的爆炸物，这种爆炸物将对部队、高价值资产、航道和国土安全构成威胁。”换言之，UUV将支持国土防御、反恐/部队保护、爆炸物处理的需求。

3  关键技术分析

3.1  水下导航技术

水下导航技术可以分为基于外部信息的导航和基于自身传感器的导航两类。UUV在执行水下任务时，导航系统需要提供航行所必需的位姿信息，包括艏向角、横滚角、纵倾角、位置、速度等，尤其在执行某些特殊的军事任务时，更要求其具有自主、隐蔽等特点。目前最常用的导航方法是航位推断算法和惯性导航系统（INS）。但INS也存在比较多的缺点，比如误差会随着时间积累、成本高、体积大等。因此在小型水下航行器上INS就受到了很大的限制。解决误差积累的办法主要是使用GPS导航辅助修正误差，但使用GPS导航需要上浮接收卫星信号且需使天线尽量干燥，由此使得UUV的整体隐蔽性降低。声信号可以在水下传播较远的距离，因此声学环境尤其是在浅海或极地中，会受到多途干扰的影响。

因此单一的导航方法的精度、可靠性无法满足未来水下航行器发展的需要，而组合导航是利用两个或多个具有导航功能的传感器和测量系统的互补特性，在现有敏感器和设备的基础上，通过导航信息不随时间积累的传感器作为辅助手段对惯导系统进行综合校正和误差补偿，以便产生一个比任何一个独立分系统性能更好的集成系统。组合导航不仅可以提高导航精度，而且可以大大降低单一导航系统的成本和技术难度。此外组合导航技术还可提高系统的可靠性和容错能力。

3.2  水下探测技术

水下探测技术是指通过声、光和电磁等手段，利用测扫声呐、激光探测仪、水下电视等仪器对水下目标进行探测观察及目标识别的技术。目前发展较为先进的主要是光电探测及声学探测。随着电子技术、激光技术和信号处理技术的发展，光电探测技术逐渐成为水下目标探测的新的研究热点。未来水下激光探测技术的发展主要集中在进一步提高激光器的发射功率、探测器的接受灵敏度、增强目标识别能力以及减小体积、重量和功耗等方面。

声学探测的发展热点之一是发展合成孔径声呐（SAS）。SAS是一种新型高分辨率的水下图像声呐，它利用小孔径基阵的移动，通过对不同位置接收信号的相关处理来获得移动方向上的合成孔径，从而获得方位方向的高分辨率。实验结果显示，SAS可使声呐的区域覆盖率增加3～5倍，分辨率提高3倍。合成孔径声呐技术可以用于拖曳声呐、舷侧阵声呐、拖线阵声呐，以及舰壳声呐和拖线阵声呐组成的双基地合成孔径声呐等等，尤其在探测掩埋雷时可以大大提高信混比和分辨力。此外，在海洋开发和民用方面，例如海底测绘、海底地质勘探等方面，合成孔径声呐也有重要应用。

3.3  能源与推进技术

UUV能否完成持续时间较长的各类任务，无论是执行战场侦察、环境探测，还是执行区域反潜、反水雷作战等任务，关键是要有性能优良、工作时间长、体积小、比能高的能源。能源方面：锂电池（一次性或可充电）是目前智能水下机器人系统广泛使用的能源，少量系统采用银锌电池（可充电）或燃料电池。锂电池可采用耐压舱封装或承压式封装两种形式。

目前智能水下机器人系统主要采用低噪声、高效率的螺旋桨作为推进器，少量系统采用滑翔式或喷水推进。能源方面和推进方面在智能水下机器人续航能力问题上是相辅相成的，大容量的锂电池可以增加机器人在水下航行的时间，可以完成更多的任务，而高效率的推进系统可以提高机器人在运行过程中的推进效率，使得智能水下机器人在能源相同的情况下航行更远的距离。

3.4  水下通信技术

UUV与承载平台或岸基的数据传输，必须满足带宽、传输距离、探测能力以及网络结构的要求。对遥控式UUV而言，光纤通信是发展方向，其优点是数据率高，抗干扰能力强，且拖缆直径小，有助于减少UUV阻力，但要克服光缆的流体动力特性对UUV工作距离和可操纵性的限制。对于自主式UUV来说，水声通信是最为适宜的通信手段。

3.5  水下环境感知技术

水下感知技术是指智能水下机器人通过搭载的光学和声学传感器对未知区域进行环境识别，由于水下环境自身的特殊性，使得智能水下机器人在环境感知方面的研究进展较慢。水下环境具有如下的特殊性：由于时间和水下深度的改变，水下的光线会产生一定的变化，会呈现非均匀光照的特点；由于水中存在许多杂质和浮游粒子，会对水中的能见度产生比较大的影响，同时随着能见度的降低，探测距离也随之降低；水是天然的蓝绿滤波器，水下色彩会出现降维的特点；由于海流的作用，使得载体随波运动，从而造成图像模糊和不稳定的特点。

4  结束语

目前，针对某种特殊需求，配置专用设备，完成特定任务的UUV仍是无人潜航器发展的主流。但是，专用UUV在续航能力、操控灵活性等方面难以兼顾，无法全面满足军事应用领域多层面的作战需求。

随着传感器技术、智能控制技术和精密仪器技术的发展，多功能通用型UUV将成为新的热点。另外，利用传感器组合和配置技术，通过建立大范围的通信网络，UUV相互间及UUV与其他平台之间的通信，可以实现综合任务管理、远程智能控制、态势协同等。通过群体作业共同完成复杂任务，将成为UUV的发展方向。在多UUV协同中，将采用图像识别、人工智能技术、精密导航定位技术、大容量知识库系统等高新技术。

参考文献

[1]  李晔，常问田、孙玉山，苏玉民. 自治水下机器人的研发现状与展望[J].机器人技术与应用，2007 (1)：25-31

[2]  Von Alt C.Remus 100 transportable mine countermeasure package[C]. OCEANS 2003. proceedings, San Diego, CA, USA, September 22-26, 2003.

[3]  Stokey R P, Roup A, von Alt C, et al, Development of the REMUS 600 autonomous underwater vehicle[C]. OCEANS, 2005. Proceedings of MTS/IEEE, Washington, DC, September 17-23, 2005.

[4]  Purcell M, Gallo D, Sherrell A , et al. Use of REMUS 6000 AUVs in the search for the air France flight 447[C]. OCEANS 2011, Waikoloa, HI, September19-22, 2011.[4] Stone L D, Keller C M, Kratzke T M, et al. Search for the wreckage of air France Flight AF447[J]. Statistical Science, 2014, 29(1)：69-80.

[5]  水下机器人的研究现状与发展趋势[J]. 机器人技术与应用, 2004(4): 43-47.

[6] The Navy Unmanned Undersea Vehicle (UUV) Master Plan[EB/OL]. [2000-04-20]. http://www.auvsi.org/resources/UUV- MP Pub Release. Pdf.

作者简介：曹晓霖，女，大学本科，工程师，主要从事水下装备情报研究。