鐘宏偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650118)

國外無人水下航行器裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及展望

鐘宏偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650118)

當(dāng)今,無人水下航行器(UUV)已成為世界各國海軍爭相研制的“熱點(diǎn)”裝備,文中立足于國外UUV的發(fā)展歷程及發(fā)展規(guī)劃,通過參閱大量文獻(xiàn),詳細(xì)梳理了各國UUV發(fā)展的主要研究機(jī)構(gòu),介紹了美國、俄羅斯、日本、韓國及主要?dú)W洲國家典型UUV裝備應(yīng)用情況和重要技術(shù)指標(biāo),著重分析了當(dāng)今國外UUV能源技術(shù)、自主控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、通信技術(shù)及負(fù)載技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,展望了UUV未來發(fā)展方向。

無人水下航行器; 性能指標(biāo); 研究機(jī)構(gòu); 典型裝備

0 引言

近年來,隨著信息戰(zhàn)向反潛戰(zhàn)場的延伸及現(xiàn)代戰(zhàn)爭追求人員零傷亡理念的發(fā)展,無人作戰(zhàn)系統(tǒng)已成為世界各國軍事裝備的研發(fā)重點(diǎn),其重要組成部分的無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)必然成為世界各國爭相研制的“熱點(diǎn)”裝備。

UUV是一種主要以潛艇或水面艦船為支援平臺,能長期在水下自主航行并可回收的智能化裝置,借助母平臺可搭載多種傳感器、專用設(shè)備或武器模塊,并可執(zhí)行特定的任務(wù)使命。當(dāng)今,UUV以其自主性、靈活性和多用途性,被越來越廣泛地應(yīng)用于水下戰(zhàn)場偵察/監(jiān)視、情報(bào)收集、預(yù)警探測、通信中繼、環(huán)境調(diào)查、有效載荷預(yù)置、水聲對抗、目標(biāo)感知與識別、獵雷、布雷、跟蹤打擊及后勤支援等諸多領(lǐng)域[1],在未來海戰(zhàn)中具有越來越重要的地位。根據(jù)自主性等級,可將UUV分為遙控式無人水下航行器(remotely operated vehicle,ROV)和自主式無人水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV) 2類。任務(wù)包涉及水下偵察、搜索、探測、識別、獵掃雷、時敏打擊和打撈回收等功能模塊。其中,ROV拖帶有用于控制和動力的光電纜,由人工進(jìn)行控制;AUV則自帶能源動力,采用自主控制模式。

1 發(fā)展歷程

UUV的研制最早始于20世紀(jì)50年代末,主要用于海洋科學(xué)研究。20世紀(jì)70年代,UUV常通過遙控方式被用來執(zhí)行搜探失事潛艇、反水雷等軍事任務(wù)。20世紀(jì) 80～90年代,隨著小型化組合導(dǎo)航、遠(yuǎn)程水下通信、小型低能耗計(jì)算機(jī)等技術(shù)的突破,UUV開始具備半自主控制能力,但由于成本高,未正式列裝。到20世紀(jì)90年代末,隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟,UUV在民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,并借助成熟商用技術(shù)使其成本明顯降低,逐步出現(xiàn)具備反水雷等功能的 UUV并裝備部隊(duì)[2]。

21世紀(jì)以來,UUV的自主控制水平和推進(jìn)動力源比能得到了進(jìn)一步提高,其任務(wù)開始向反潛、水下偵察等領(lǐng)域擴(kuò)展。期間,美國先后 2次修改了UUV的發(fā)展主規(guī)劃,在2007年后,將空中、水下和地面多維空間的無人系統(tǒng)進(jìn)行整合,每2年發(fā)布一次《無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》并滾動修訂,最新版截至為2013年發(fā)布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖(2013-2038)》。對軍用 UUV發(fā)展影響較大的是2011年美海軍發(fā)布的《水下戰(zhàn)綱要》,其中提出要加強(qiáng)對大型UUV、特種作戰(zhàn)航行器、水下分布式網(wǎng)絡(luò)、全球快速打擊系統(tǒng)等有效負(fù)載的利用。針對所開發(fā)的有實(shí)用價值的研制樣機(jī)(如大排量 UUV),為能盡快列入部隊(duì)服役,2016年美國防部變革了 UUV的采購辦法,采用邊研制邊采購入役的辦法,以期縮短獲得新研 UUV的采購時間[3]。

歐洲針對 UUV的研究一直在展開,一些關(guān)鍵技術(shù)的研究更優(yōu)先于美國。2010年,歐洲防務(wù)局(European defence agency,EDA)發(fā)布了《海上無人系統(tǒng)方法與協(xié)調(diào)路線圖》,提出協(xié)調(diào)歐洲各國力量,共同促進(jìn)UUV等系統(tǒng)的發(fā)展。圖1列舉了國外一些典型UUV的發(fā)展歷程[4-5]。

圖1 國外典型無人水下航行器發(fā)展歷程Fig. 1 Development process of typical unmanned undersea vehicle(UUV) abroad

2 主要研究機(jī)構(gòu)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國外主要有十多個國家20多家科研機(jī)構(gòu)在從事UUV的研究開發(fā)(見圖2),來源主要有以下幾方面。

公司類機(jī)構(gòu): 美國的藍(lán)鰭金槍魚機(jī)器人公司、波音公司、洛·馬公司、哥倫比亞公司、通用動力公司、水螅公司、伍德·霍伊公司、諾斯羅普·格魯曼公司等。德國的ATLAS電子公司、法國的 DCNS、意大利的Gaymarine、瑞典Saab水下系統(tǒng)、英國的BAE水下系統(tǒng)、挪威的Kongsberg Maritime公司、澳大利亞國防科學(xué)技術(shù)研究院等。

軍方類研究機(jī)構(gòu): 主要為美國的海上系統(tǒng)司令部、海軍水下戰(zhàn)中心、海軍研究局、國防高級研究計(jì)劃局、海軍海洋局、海軍研究實(shí)驗(yàn)室等。

大學(xué)類研究機(jī)構(gòu): 主要有美國的華盛頓大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用物理研究所、加州大學(xué)、麻省理工學(xué)院、威斯康辛大學(xué)及挪威海洋大學(xué)等。

文中著重對美海軍部分研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行說明[6]。

1) 美國海軍水下作戰(zhàn)中心(naval undersea warfare center,NUWC): 研制有大直徑 UUV(LDUUV)和直徑21 inch的UUV(21UUV)。

2) 美國海軍研究局(office of naval research,ONR): ONR的工程部、材料部、物理科學(xué)和技術(shù)部都在從事UUV的研究工作,主要涉及UUV的能源與推進(jìn)、續(xù)航力、傳感器信號處理、通信、使命管理控制、導(dǎo)航和運(yùn)載器設(shè)計(jì)等。

圖2 國外主要UUV研究機(jī)構(gòu)Fig. 2 Major foreign research institutes for the UUV

3) 美國海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)(space and naval warfare systems command,SPAWAR)中心: 主要從事AUV的指揮和控制系統(tǒng)、光纖和水聲通信系統(tǒng)、非金屬材料和運(yùn)載器總體的研制。

4) 美國國防高級研究計(jì)劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)和查爾斯·斯塔克·德雷珀實(shí)驗(yàn)室(Charles Stark Draper labatory,CSDL): 已建成 2個可用作試驗(yàn)平臺的AUV,其長10.97 m,直徑 1.112 m,重 6 804 kg,最大工作深度分別為304.48 m和457.2 m。該航行器采用8.82 kW的無刷電機(jī),最大航速為10 kn,續(xù)航力為24 h,均已完成海試。

5) 美國海軍研究生院(naval postgraduate school,NPS)智能水下運(yùn)載器研究中心: 主要從事用于UUV智能控制、規(guī)劃與導(dǎo)航、目標(biāo)探測與識別等技術(shù)的研究,產(chǎn)品有 NPS AUV I、NPS AUV II、ARIES(白羊座)號、Pheonix(鳳凰)號AUV等。

6) 美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole oceanographic institute,WHOI): 研制有遠(yuǎn)距離環(huán)境監(jiān)測裝置(remote environmental monitoring units,REMUS)及深海探測器(autonomous benthic explorer,ABE) AUV等產(chǎn)品。其中ABE AUV用于深海海底觀察,機(jī)動性好,能完全在水中懸停,或以極低的速度進(jìn)行定位、地形勘測和自動回塢。該AUV長2 200 mm,速度2 kn,根據(jù)電池類型,續(xù)航力為12.87～193.08 km,動力采用鉛酸電池、堿性電池或鋰電池。

7) 通用動力公司和雷聲公司: 主要產(chǎn)品XP-21是一型直徑533 mm的AUV,采用模塊化設(shè)計(jì),長度可在 2.44～7.32 m 任意選擇,其標(biāo)準(zhǔn)型的質(zhì)量為635 kg,航速 0～5 kn,工作深度為 9.14～3 653.63 m,主要用于水雷戰(zhàn)。該 AUV側(cè)視聲吶為雙頻、單波束、數(shù)字式聲吶,頻率范圍100～500 kHz; 高頻用于探測大型水雷,低頻用于探測沉底雷并對其進(jìn)行分類。前視聲吶為多波束數(shù)字式聲吶,可填補(bǔ)側(cè)視聲吶的探測盲區(qū),以探測和分類沉底雷和錨雷,同時也可用于避障。

8) 佩里技術(shù)公司: 該公司研制的機(jī)動系統(tǒng)試驗(yàn)(MUST)AUV長為9.144 m,重8 834.8 kg,工作深度為60.96 m,主要供試驗(yàn)和演示用。該AUV采用7.35 kW 主推進(jìn)電機(jī),電源為鉛酸懸掛式電解電池組,航速為0～8 kn。推進(jìn)系統(tǒng)采用6個推進(jìn)器,使航行器可作懸停、垂直或橫向運(yùn)動。

9) 麻省理工學(xué)院的 Sea Grant′s AUV 實(shí)驗(yàn)室:是一家主導(dǎo)海上水下機(jī)器人的高級研發(fā)者,主要從事各種梯度海洋、環(huán)境、溫度及水下能源的研究,培養(yǎng)了許多從事海洋高技術(shù)探索的研究生和科學(xué)家。

3 主要裝備及應(yīng)用

目前一般將 UUV分為便攜式、輕型、重型和大型4個級別,作戰(zhàn)使命及特征分別如下。

1) 大型 UUV: 排水量＞2 000 kg; 主要用于反水雷、察打一體及特種作戰(zhàn); 可進(jìn)行水下搜救、水下補(bǔ)給維修、清掃航道及破壞水下工程設(shè)施等;通過水聲模擬、干擾和壓制裝置對來襲目標(biāo)進(jìn)行誘騙干擾; 通過攜帶各種作戰(zhàn)功能集成模塊載荷、蛙人輸送艙段實(shí)施各種特種作戰(zhàn)及運(yùn)送負(fù)載。

2) 重型UUV: 排水量300～2 000 kg; 用于反水雷、察打一體、搜探、跟蹤、攔截及布雷; 可通過水聲模擬、干擾和壓制裝置對來襲目標(biāo)進(jìn)行誘騙干擾; 可攜帶輕型水下武器(魚雷、導(dǎo)彈、水雷、深水炸彈)在重要港口基地航道對潛艇跟蹤并實(shí)施攔截、在作戰(zhàn)區(qū)域進(jìn)行布雷等。

3) 輕型UUV: 排水量為50～300 kg; 用于反水雷、搜探、海洋調(diào)查及戰(zhàn)場保護(hù); 可通過攜帶側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、Boss聲吶、前視聲吶及高清水下攝像機(jī)/照相機(jī)等設(shè)備對作戰(zhàn)海域的水雷進(jìn)行滅雷; 可通過攜帶的海洋測量設(shè)備對戰(zhàn)場進(jìn)行調(diào)查; 可通過各種通信、導(dǎo)航及定位設(shè)備對水下航行器或武器進(jìn)行精確定位,并進(jìn)行實(shí)時通信。

4) 便攜型 UUV: 排水量＜50 kg; 用于反水雷、海洋調(diào)查及戰(zhàn)場保護(hù); 可通過攜帶淺水探測設(shè)備(探測聲吶、成像聲吶、水下電視機(jī))、識別設(shè)備(水下結(jié)構(gòu)物)和水下檢查設(shè)備,對港口、水下設(shè)施和艦船外殼進(jìn)行檢查,防止蛙人潛入,起到水下保護(hù)作用; 可利用光電探測設(shè)備及雷達(dá)、通信等電子信號偵察等設(shè)備對水下物體進(jìn)行偵察并識別; 具有與輕型UUV相同的滅雷、精確定位和實(shí)時通信功能。

目前,美國、俄羅斯、挪威及瑞典等國已有多型軍用 UUV交付部隊(duì)。其中,有 2型便攜型UUV用于反水雷; 輕型UUV中,有4型用于反水雷,1型用于海洋調(diào)查; 重型UUV中,有3型用于反水雷,2型用于失事潛艇搜索,1型用于海底地圖繪制; 大型 UUV中,有 1型用于反水雷,1型用于偵察、反水雷和通信。另有10多型UUV正處于探索和研發(fā)中,其中: 輕型UUV中,1型用于反水雷,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查; 重型 UUV中,有4型用于反水雷,1型用于情報(bào)偵察,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查; 大型 UUV中,有多型用于執(zhí)行反水雷和察打一體任務(wù)。

主要海軍國家典型 UUV裝備體系及主要技術(shù)指標(biāo)分別見圖3和表1。

圖3 國外UUV裝備體系及典型代表Fig. 3 Equipment systems and typical types of the UUV abroad

3.1 美國

美國有多型在研在役 UUV,覆蓋各種排水量和動力類型。其中,便攜型UUV 2型,均在役,全部用于反水雷; 輕型UUV中,4型用于反水雷,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查,均在役; 重型 UUV中,在役3型,在研多型,且多型用于反水雷,1型用于情報(bào)偵察,1型用于海洋環(huán)境調(diào)查; 大型 UUV中,目前多型在研,近期即將服役的是LDUUV[7],其余皆處在論證與研發(fā)階段。上述多型UUV中,僅1型為滑翔式,其余均為電動力推進(jìn)型。

美國研發(fā)的UUV在動力(比能210 Wh/kg)、自主化水平(等級達(dá)6級)、導(dǎo)航精度(航程×0.1%)及水聲通信(10～20 km范圍內(nèi)速率達(dá)330 b/s)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域均處于世界領(lǐng)先地位。其服役的典型型號有SAHRV(便攜型)、SMCM增量2(輕型) 和BPAUV(battlespace preparation AUV)(重型)等。SAHRV是REMUS-100的軍用版,在原版基礎(chǔ)上更換了聲吶等任務(wù)模塊,已裝備“奧斯汀”級兩棲船塢運(yùn)輸艦,并同時向英國、比利時、德國、荷蘭、新西蘭和新加坡等國出售,是目前銷售數(shù)量最多、應(yīng)用范圍最廣的反水雷UUV[8]。

表1 國外主要UUV技術(shù)指標(biāo)一覽表Table 1 Main technical specifications of the UUV abroad

SMCM增量2型是在民用UUV“金槍魚-12”的基礎(chǔ)上發(fā)展而成,可由水面艦艇上的A型吊架布放和回收,原計(jì)劃用于反水雷。由于發(fā)展重點(diǎn)調(diào)整,美國已停止該UUV的進(jìn)一步研發(fā),轉(zhuǎn)而發(fā)展重型的SMCM增量3型UUV[9]。

BPAUV 是在民用 UUV“金槍魚-21”的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,曾多次參加美國艦隊(duì)的作戰(zhàn)演習(xí)及海上試驗(yàn),目前已裝備近海戰(zhàn)斗艦,主要用于反水雷[10]。

此外,美國 WHOI的 ABE AUV最大潛深達(dá)6 000 m,最大速度2 kn,巡航速度1 kn,考察距離≥30 km,考察時間≥50 h,可在沒有母船支持下,長時間執(zhí)行海底科考任務(wù),它是對載人水下航行器和ROV的補(bǔ)充,以構(gòu)成科學(xué)的深?？疾炀C合體系,為載人水下航行器提供考察目的地的詳細(xì)信息。

由美國Hydroid公司生產(chǎn)的REMUS是先進(jìn)的UUV系列產(chǎn)品。其中REMUS 6000工作深度25～6 000 m,高度模塊化,代表了UUV的最高水平。

3.2 歐洲

歐洲主要有挪威、英國、法國、德國及瑞典等國在研制UUV,并在鋰離子電池、導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域與美國水平相當(dāng)或接近。

挪威原有“休金”系列UUV,收購美國海德羅伊德公司后,先后研制出包括“休金”系列 3型、REMUS系列3型、Seaglider滑翔式 UUV 等多款成熟產(chǎn)品,型號數(shù)量僅次于美國。

法國擁有“阿里斯特(Alister)”系列 UUV,其中“Alister-9”為軍用 UUV。該 UUV于 2013年 7月開始海試,已有 6艘先后服役,服役后其名稱變更為“Alister-100s”[11]。

德國有 3型軍用 UUV,分別是“海獺” MK I 、MK II型和DeepC,前者由丹麥早期的“馬瑞丹-600”型民用 UUV 升級而來,有試驗(yàn)性質(zhì),已交付使用; “海獺” MK II是德國最先進(jìn)的UUV,采用模塊化設(shè)計(jì),目前尚處于在研階段; DeepC已交付德國海軍用于試驗(yàn)。這3款UUV均可用于反水雷,DeepC還可執(zhí)行偵察、通信任務(wù)[11]。

瑞典擁有2型UUV,分別是“雙鷹 SAROV”和“AUV 62 MR”。前者能在遙控與自主間切換使用,尚處于試驗(yàn)狀態(tài); 后者主要裝備于潛艇,已獲多個訂單,可用于反水雷及反潛戰(zhàn)訓(xùn)練誘餌。

3.3 俄羅斯

俄羅斯對UUV的研究始于20世紀(jì)60年代末期,先后研制了 MT-88(1988年)、“管道海獅”(1994年)等,主要用于深海水下搜索或海圖繪制。20世紀(jì)90年代之后,由于經(jīng)濟(jì)原因,停止了相關(guān)研發(fā),直到2012年8月,才重新宣布為水下特種作戰(zhàn)研發(fā)UUV[12]。

3.4 日本

日本自研 UUV主要用于石油勘探、深海打撈等民用領(lǐng)域,技術(shù)水平與歐美相當(dāng),但沒有自研軍用UUV,其海上自衛(wèi)隊(duì)使用的UUV多外購美國,典型型號包括REMUS-600和Gavia。此外,日本的R2D4水下機(jī)器人長4.4 m,寬1.08 m,高0.81 m,重1.506 kg,最大潛深4 000 m,能自主收集數(shù)據(jù),可用于探測噴涌熱水的海底火山、沉船、海底礦產(chǎn)資源和生物等[5]。

3.5 韓國和印度

韓國的 UUV主要用于深海探測,典型民用型號為OKPO-6000,尚無軍用 UUV服役。印度軍用 UUV尚處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段,主要在研產(chǎn)品為“瑪雅”[5]。

4 技術(shù)現(xiàn)狀

能源、自主控制、導(dǎo)航、通信及任務(wù)載荷是UUV最關(guān)鍵的5個系統(tǒng)(見圖4),能源是心臟,自主控制是大腦,導(dǎo)航和通信是感官,任務(wù)載荷是作業(yè)工具。

圖4 UUV組成示意圖Fig. 4 Composition of an UUV

4.1 能源技術(shù)

由于工作環(huán)境特殊,UUV的能源應(yīng)滿足比能量高、能量密度大、安全性好、可靠性高、易控制、價格低廉、耐低溫、耐高壓、耐腐蝕且環(huán)境污染小(無環(huán)境污染)等條件。電池具有結(jié)構(gòu)簡單、可承壓、無振動與噪聲、可靠性高、工作溫度范圍寬、使用成本低等優(yōu)點(diǎn),是絕大部分電力推進(jìn)型軍用UUV的能源。UUV常用的電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、銀鋅電池和鋰/鋰離子電池系列以及燃料電池(見表2)。鉛酸電池、鎳鎘電池和銀鋅電池主要用于國外早期UUV,前兩者因比能量和能量密度低,后者因壽命短,已被鋰/鋰離子電池取代。

表2 UUV各類電池性能對比Table 2 Comparison among performance of different batteries for an UUV

鋰/鋰離子電池中的二次電池的比能量和能量密度分別達(dá)到鉛酸電池和鎳鎘電池的4倍和2倍以上,壽命是銀鋅電池的 130倍,已成為目前國外應(yīng)用的主流,美國的REMUS系列及挪威“休金I”型UUV均采用二次鋰離子電池,比能量最高達(dá)到210 Wh/kg。

燃料電池僅在少數(shù)商用 UUV或?qū)嶒?yàn)平臺使用,新型燃料電池多處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段,在用的質(zhì)子交換膜和鋁氧燃料電池比能量達(dá) 400 Wh/kg,在研的固態(tài)氧化物和鋰/過氧化氫燃料電池比能量分別達(dá)500 Wh/kg和725 Wh/kg[13-14]。

鋰離子電池未來仍將大量應(yīng)用在便攜型、輕型及重型 UUV上,重點(diǎn)改進(jìn)正負(fù)極活性材料的電化學(xué)比容量,以提高能量密度。2020年后,燃料電池技術(shù)將成熟并廣泛裝備在軍用巨型 UUV平臺上,未來將重點(diǎn)突破燃油重整器和高功率密度技術(shù)。據(jù)報(bào)道,美國正在開發(fā)比能量500 Wh/kg的燃油重整固態(tài)氧化物燃料電池[15]。

4.2 自主控制技術(shù)

UUV的自主控制涉及諸多方面,包括綜合運(yùn)用智能體系結(jié)構(gòu)、軌跡規(guī)劃與避障、運(yùn)動控制算法等技術(shù),它們決定了 UUV如何處理獲取的數(shù)據(jù)、如何模擬思考和行動過程。先進(jìn)的UUV能在預(yù)定路徑上進(jìn)行一定程度的自主判斷,如避障、迂回及路徑優(yōu)化等,緊急時還能利用水聲通信對 UUV進(jìn)行干預(yù),自主控制技術(shù)等級達(dá)到6級(見表3)。

表3 UUV自主控制技術(shù)對比Table 3 Comparison among autonomous control technologies of an UUV

自主控制技術(shù)未來的發(fā)展方向是進(jìn)一步優(yōu)化邏輯算法、路徑優(yōu)化方法。根據(jù)目前美國在研潛載大型UUV的自主性描述,2017年將可以探測、定位和識別水面船只并判斷其意圖、探測和避開各種漁網(wǎng)和漁具,同時發(fā)展協(xié)同能力和自主控制技術(shù)等級提高到8級。到2030年,將向9級過渡。

4.3 導(dǎo)航技術(shù)

UUV的導(dǎo)航系統(tǒng)受大小、重量、電源使用的限制及水介質(zhì)的特殊性、隱蔽性等因素影響,實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航難度較大?，F(xiàn)有產(chǎn)品多綜合使用慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒計(jì)程儀及聲學(xué)導(dǎo)航等技術(shù),其性能對比見表4。

表4 UUV常用導(dǎo)航系統(tǒng)性能對比表Table 4 Comparison of commonly used Navigation system for an UUV

常用導(dǎo)航技術(shù)中,慣性導(dǎo)航針對UUV體積小,攜帶能量有限的特點(diǎn),具有低功耗、低成本、體積小、堅(jiān)固且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是發(fā)展的熱點(diǎn); 衛(wèi)星導(dǎo)航是 UUV在水面或接近水面航行時的主要輔助導(dǎo)航方式(如美國的GPS、中國的北斗系統(tǒng)),常用于校準(zhǔn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長時間累積的誤差。目前幾乎所有的 UUV均裝備了GPS接收機(jī),該系統(tǒng)發(fā)展重點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)是GPS接收機(jī)的抗干擾問題; 多普勒計(jì)程儀發(fā)展的重點(diǎn)與難點(diǎn)是與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合;聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)主要有長基線導(dǎo)航、短基線導(dǎo)航和超短基線導(dǎo)航3種; 地球物理信息導(dǎo)航將實(shí)時測量的重力梯度、地磁、海底地形地貌等信息與平時測量掌握值之間進(jìn)行匹配,從而獲得導(dǎo)航信息。

美國在 UUV導(dǎo)航技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位,其BPAUV的導(dǎo)航系統(tǒng)包括LN250慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒計(jì)程儀及GPS接收機(jī),導(dǎo)航精度為航程的 0.1%[10]。挪威最先進(jìn)的“休金-1000”UUV導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒計(jì)程儀、超短基線水下定位系統(tǒng)、GPS接收機(jī)等,并將地形匹配導(dǎo)航作為可選方案,其自主工作模式下實(shí)時導(dǎo)航精度接近美國水平[11]。

未來 UUV導(dǎo)航系統(tǒng)將通過研發(fā)新的慣性傳感器、積累更多的地球物理數(shù)據(jù)等手段,不斷追求導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度、小型化、低成本,并向不依賴GPS的方向發(fā)展,根據(jù)美國UUV發(fā)展規(guī)劃,將重點(diǎn)發(fā)展海底地形匹配技術(shù),未來的目標(biāo)是將綜合導(dǎo)航精度提高2個量級。

4.4 通信技術(shù)

UUV在執(zhí)行任務(wù)時,相互間、與母艇(艦)以及支援平臺間需要傳輸大量的指令和數(shù)據(jù),對通信能力提出了較高要求。目前用于 UUV的通信技術(shù)主要有水聲通信和無線電通信,見表 5。其中: 無線電通信是 UUV在水面采用的主要方式;水聲通信是 UUV在很長時間內(nèi)都將采用的水下通信方式,目前該技術(shù)發(fā)展已較為成熟,國外很多機(jī)構(gòu)都已研制出小型化的水聲通信調(diào)制解調(diào)器,并在UUV上使用。如美國“金槍魚”和RUMUS系列 UUV均采用伍茲·霍爾海洋研究所研制的低功耗水聲通信系統(tǒng),傳輸速率為80～5 400 b/s[16]。

表5 UUV各類通信技術(shù)對比表Table 5 Comparison of communication technologies for an UUV

UUV水聲通信技術(shù)發(fā)展方向是提高通信距離和通信速率,發(fā)展網(wǎng)絡(luò)通信能力。由于水聲通信存在傳播速度低、可用頻寬窄、信號衰減嚴(yán)重等缺點(diǎn),各國均在研究相關(guān)技術(shù)以求得到改善。典型技術(shù)方向包括水聲信道編碼技術(shù)(增加信道容量,提高傳輸速率)、自適應(yīng)均衡技術(shù)(提高抗干擾能力)以及時反通信技術(shù)(減少功耗、提高傳輸距離)。此外,現(xiàn)在水聲通信技術(shù)已發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化階段,將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Ad Hoc)應(yīng)用到水聲通信網(wǎng)絡(luò)中,可以在海洋里實(shí)現(xiàn)全方位、立體化通信(可以實(shí)現(xiàn)無人航行器組網(wǎng)),但目前只有少數(shù)國家試驗(yàn)成功(美國已于2016年9月成功進(jìn)行了無人航行器移動組網(wǎng)的試驗(yàn))[3]。

4.5 任務(wù)負(fù)載技術(shù)

UUV的任務(wù)負(fù)載系統(tǒng)主要是針對不同使命任務(wù)而配備的水聲、電子或光學(xué)設(shè)備,其中聲吶設(shè)備是UUV的關(guān)鍵負(fù)載,對精度、重量和體積有很高要求。國外合成孔徑聲吶成熟產(chǎn)品最大掃海效率為2.88 km2/h,成像分辨率5 cm2,3 kn時探測距離260 m[5]。該產(chǎn)品材料制備工藝先進(jìn),能制備出大面積的壓電陶瓷材料,切割質(zhì)量穩(wěn)定,切割后陣元一致性好,成品體積重量小。未來合成孔徑聲吶的發(fā)展方向是利用光纖水聽器等技術(shù),提高作用距離、降低自重。

5 發(fā)展規(guī)劃及展望

5.1 發(fā)展規(guī)劃

1994年,美國正式將UUV研發(fā)列入美海軍發(fā)展計(jì)劃,提出優(yōu)先發(fā)展 UUV的水雷偵察、情報(bào)監(jiān)視偵察和海洋調(diào)查能力[1]。2000年,發(fā)布第1版《美海軍UUV總體規(guī)劃》,確定了無人航行器的7項(xiàng)任務(wù): 情報(bào)監(jiān)視偵察、反水雷、海洋調(diào)查、通信導(dǎo)航、反潛戰(zhàn)、武器平臺、后勤補(bǔ)給與支援。2004年,發(fā)布第 2版《美海軍 UUV總體規(guī)劃》[17],將UUV的任務(wù)最終調(diào)整為9項(xiàng),包括情報(bào)監(jiān)視偵察、反水雷、反潛戰(zhàn)、探察與識別、海洋調(diào)查、通信/導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)送、信息作戰(zhàn)和時敏打擊,并依據(jù)直徑、排水量、續(xù)航力及有效載荷等指標(biāo)將UUV劃分為便攜式、輕型、重型和大型等4類[17]。此后,為建立地面、水下、空中統(tǒng)一的無人系統(tǒng)整體發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,美國未再單獨(dú)針對 UUV 發(fā)布規(guī)劃,并于2007～2013年間,陸續(xù)發(fā)布了4版《無人系統(tǒng)(一體化)路線圖》[18-21]。這一階段,針對UUV的研發(fā)重點(diǎn)在于加大對UUV作戰(zhàn)概念和使用方法的探索,提出了利用UUV組建水下偵察預(yù)警網(wǎng)絡(luò)、為UUV配備武器和傳感器使其成為察打一體系統(tǒng)等概念,以進(jìn)一步牽引UUV的發(fā)展。

EDA于2010年發(fā)布了《海上無人系統(tǒng)方法與協(xié)調(diào)路線圖》[22],提出協(xié)調(diào)各國力量,共同促進(jìn)無人航行器等無人系統(tǒng)發(fā)展,重點(diǎn)突破傳感器、平臺、通信、指控、自主控制以及反水雷等關(guān)鍵技術(shù); 采用按需并量力而為的策略,根據(jù)參與國需求和能力設(shè)定關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展次序。目前已啟動部分項(xiàng)目,如2011年11月,EDA授予挪威、意大利、德國等價值 475萬歐元的合同,為海上無人系統(tǒng)開發(fā)共形陣列性能評估模型,為共形聲吶陣提供開發(fā)軟硬件工具[23]。

5.2 展望

綜合分析國外 UUV發(fā)展現(xiàn)狀,未來的發(fā)展重點(diǎn)集中在以下幾方面。

1) 向網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化和集群化發(fā)展。UUV尺寸小、航速低,單位時間機(jī)動范圍小,探測和水聲通信距離短,單 UUV的作戰(zhàn)和作業(yè)范圍非常有限。多 UUV組成一體化偵察、探測、打擊網(wǎng)絡(luò),協(xié)同作戰(zhàn)和作業(yè),是提高其作戰(zhàn)能力和作業(yè)效率的有效手段,也是UUV的必然發(fā)展趨勢。目前,使用多UUV協(xié)同探雷、探潛、測量海洋環(huán)境參數(shù)和探測水下目標(biāo)等已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。美國和北約國家正在開展相關(guān)理論研究和海上試驗(yàn)研究,重點(diǎn)為多UUV的協(xié)同控制、協(xié)同導(dǎo)航和定位、網(wǎng)絡(luò)化通信技術(shù)、協(xié)同作戰(zhàn)和作業(yè)策略等。水下無人集群化作戰(zhàn)(業(yè))的各項(xiàng)研究課題已成為研究重點(diǎn),美國正在驗(yàn)證蜂群和蟻群的作戰(zhàn)模型,當(dāng)前水下無人集群作戰(zhàn)(業(yè))的數(shù)量已達(dá) 101個。隨著智能化深度自學(xué)習(xí)的進(jìn)一步深入,各種實(shí)戰(zhàn)模擬編隊(duì)算法不斷完善,以便攜型及輕型為主的微小型UUV群作戰(zhàn)(業(yè))模式將是未來發(fā)展方向。

2) 建設(shè)集群移動式 UUV+固定式水下裝備信息體系,發(fā)揮水下預(yù)警探測能力。水下預(yù)警探測裝備體系效能的發(fā)揮,除了基于大量布放于海底的水下傳感器對自水下的威脅目標(biāo)和武器進(jìn)行早期發(fā)現(xiàn)、跟蹤外,更重要的是能夠?qū)λ履繕?biāo)進(jìn)行快速識別,為組織對抗行動提供依據(jù)。因此,為了保障水下預(yù)警探測體系的高效運(yùn)轉(zhuǎn),還必須充分對各種UUV游弋水下獲取的目標(biāo)信息進(jìn)行處理和應(yīng)用,分析挖掘出有價值的信息資源,重點(diǎn)建設(shè)全球型的水下信息體系,實(shí)現(xiàn)從空中-海面-水下多維空間的全天侯監(jiān)聽、采集、記錄、保存和分析所能得到的各種水聲信息,以構(gòu)建集群分布移動式UUV+固定式水下信息裝備體系水聲信息體系網(wǎng)。

3) 任務(wù)領(lǐng)域向探測、反潛方向擴(kuò)展。UUV目標(biāo)小、隱蔽性強(qiáng)、可連續(xù)工作的特點(diǎn)非常適合執(zhí)行探測和攻擊艦艇、潛艇等任務(wù),在較長時間里,由于動力、自主及通信等技術(shù)的限制,只能用于海洋調(diào)查、反水雷這類相對簡單的任務(wù)。隨著續(xù)航力、自主化、智能化程度的提高和水下通信能力的進(jìn)步,UUV逐漸具備了執(zhí)行更復(fù)雜任務(wù)的能力。近年來,國內(nèi)外都在積極研究UUV在聯(lián)合反潛、網(wǎng)絡(luò)化水下探測預(yù)警等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2011年,美國國防高級研究計(jì)劃局提出分布式敏捷反潛概念,在深海利用多艘配備主動聲吶的 UUV對上方海域進(jìn)行監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)所在海域內(nèi)的潛艇,見圖 5。2013年 4月的試驗(yàn)表明,UUV的通信和機(jī)動探潛能力能夠滿足分布式敏捷反潛概念的需要,證明概念可行,美國將加速推進(jìn)有關(guān)概念的實(shí)現(xiàn)[5]。

圖5 分布式敏捷反潛項(xiàng)目作戰(zhàn)示意圖Fig. 5 Operational schematic of distributed agile submarine hunting(DASH) project

4) 靈活輕便和大型多功能并舉。在潛載UUV方面,為了提高單 UUV設(shè)備的任務(wù)能力,增大 UUV的航程,美國在經(jīng)歷了單任務(wù)潛載UUV、多任務(wù)小型潛載 UUV的失敗后決定發(fā)展大直徑多功能UUV,該UUV屬于大型UUV,是未來潛載UUV的發(fā)展方向。

在艦載 UUV方面,主要集中發(fā)展便攜式和重型 2類。以美國為例,典型型號為 REMUS 100S、斯洛克姆滑翔機(jī)、金槍魚-21和 REMUS 600S,前兩者屬于便攜式UUV,已處于服役狀態(tài),后兩者屬于重型UUV,尚在試驗(yàn)階段。美國曾對輕型UUV進(jìn)行過研發(fā),如水面反水雷UUV增量1和增量2,但已被重型UUV所取代。

另外,美國還在積極探索大型或超大型UUV的實(shí)戰(zhàn)可能性,以取代潛艇的有人作戰(zhàn)模式,以大型 UUV作為預(yù)置水下武器庫裝備長期潛伏在海底,或長時間在重要海域無人值守,同時攜帶大量微小型 UUV在作戰(zhàn)前沿,形成以大型或超大型UUV為母基地的區(qū)域水下群作戰(zhàn)。

5) 盡量采用成熟商用技術(shù),用集成化的方式,把專業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)制成模塊化專用裝置,以適應(yīng)作戰(zhàn)平臺上根據(jù)特殊要求所需的各種功能模塊的定制。

6) 變革通信方式,創(chuàng)新通信能力建設(shè)。水下通信技術(shù)是 UUV系統(tǒng)與平臺之間信息互交的關(guān)鍵。目前,UUV水下通信主要采用聲學(xué)通信系統(tǒng)、光纖電纜等,未來可大力發(fā)展多維平臺間高品質(zhì)的光-聲通信,在數(shù)據(jù)被傳送之前,首先進(jìn)行預(yù)處理,壓縮數(shù)據(jù)以減少傳送的數(shù)據(jù)總量,提高聲通信的數(shù)據(jù)傳輸率,降低誤碼率。當(dāng)UUV在經(jīng)過某個節(jié)點(diǎn)通信基陣點(diǎn)時,采用快速通信可大大提高傳輸率,當(dāng) UUV上浮水面進(jìn)行充電時可與水面通信局域網(wǎng)、GPS等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,從而實(shí)現(xiàn)5D一體的通信方式。

7) 發(fā)展獨(dú)立的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。在UUV上要建立慣性導(dǎo)航、地磁匹配導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航等獨(dú)立組合導(dǎo)航系統(tǒng)。因航行器搭載的傳感器存在固有誤差,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際上不能完全滿足所有 UUV的導(dǎo)航要求,但通過建立GPS接收機(jī)來提供理想的精確定位修正值,則需要航行器浮至水面進(jìn)行定位校正,這樣易暴露UUV的行蹤,同時減少了UUV執(zhí)行任務(wù)的時間。因此,未來的 UUV必須發(fā)展自己的獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng),減少對外界的依賴(如 GPS)。目前美海軍水下戰(zhàn)中心開始發(fā)展非傳統(tǒng)性導(dǎo)航技術(shù)(non-traditional navigation,NTN),包括利用海底地形匹配、地形跟蹤及引力導(dǎo)航,如深海測量地形匹配技術(shù),就是采用了GPS和定量定位估算的形式,以形成自己真正的水下精確定位導(dǎo)航系統(tǒng),即深海導(dǎo)航定位系統(tǒng)(positioning system for deep ocean navigation,POSYDON)。

8) 改進(jìn)控制系統(tǒng),提高自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力?，F(xiàn)代海戰(zhàn)要求 UUV必須能夠在苛刻的水下環(huán)境(如: 淺水域、海底地形復(fù)雜、海面交通繁忙等)中完成任務(wù)。因此,未來的 UUV應(yīng)具有較高的智能化水平,能夠執(zhí)行復(fù)雜的水下工作,并與環(huán)境發(fā)生交互作用,根據(jù)環(huán)境的變化,在一定的范圍內(nèi)自行調(diào)整自身的行為,完成指定的工作,成為高度智能化的深度自學(xué)習(xí)生態(tài)智能。

9) 開發(fā)從大數(shù)據(jù)中獲取有用信號的處理技術(shù)。未來UUV將大幅度改進(jìn)信號處理技術(shù),通過來自于合成孔徑聲吶、聲吶陣列、水下水文探測、目標(biāo)識別所獲得各種數(shù)據(jù)分析,從大數(shù)據(jù)中提取有各種特征的聲學(xué)數(shù)據(jù),以進(jìn)行水下目標(biāo)定位與探測,提高空間增益和圖像分辨率,使從聲吶獲得的影像更為清晰,提高 UUV水下復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的能力。

當(dāng)今,世界各軍事大國都認(rèn)識到 UUV在未來海戰(zhàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景,加快了開發(fā)及研制的步伐。相信在未來高科技信息化海戰(zhàn)中UUV定將發(fā)揮巨大作用。

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Review and Prospect of Equipment and Techniques for Unmanned Undersea Vehicle in Foreign Countries

ZHONG Hong-wei
(Kunming Branch of the 705 Research Institute,China Shipbuilding Corporation,Kunming 650118,China)

An unmanned undersea vehicle(UUV) has become the research hotspot of navy in many countries. This paper analyzes the development process and planning of some typical types of UUV equipment in the foreign countries,including the USA,Russia,Japan,Republic of Korea,and major European countries. According to a large amount of literature,the major research institutes for UUV development in these countries are listed,the applications and key technical parameters of the typical UUV equipment are introduced,the foreign development status of the UUV technologies of energy,autonomous control,navigation,communication,and loading is discussed,and development trend of the UUV is forecast.

unmanned undersea vehicle(UUV); technical parameter; research institute; typical type of equipment

TJ630.1; TP242.6

A

2096-3920(2017)03-0215-11

鐘宏偉. 國外無人水下航行器裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2017,25(3): 215-225.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.001

2017-02-22;

2017-07-19.

鐘宏偉(1964-),男,碩士,高級工程師,主要從事魚雷及水下航行器前瞻性技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)