胡慶玉，舒國平，馮 朝

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌443000）

0 引言

隨著世界各國對海洋權(quán)益的日益重視，海軍裝備中反潛反水雷裝備也逐步向現(xiàn)代化、低成本和低傷亡方向發(fā)展[1]，因此，水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)成為世界各國軍事裝備研發(fā)的重點(diǎn)，并逐步向深海領(lǐng)域延伸發(fā)展。由于深海AUV在深水中作業(yè)需要承受高水壓，且深海水下的地形、水文環(huán)境等非常復(fù)雜，許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，深海AUV則成為該領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。深海 AUV（Autonomous Underwater Vehicle）是深海水下無人航行器，其主要任務(wù)包括深海探測、目標(biāo)識別、深海反制等。

深海AUV在研制和使用上與淺海AUV有顯著不同。在結(jié)構(gòu)方面，既考慮耐壓艙承壓還要考慮艙體受壓后的形變產(chǎn)生的密封性下降而發(fā)生漏水風(fēng)險(xiǎn)；在總體平衡方面，隨著下潛的深度加大，海水密度隨之發(fā)生很大變化影響了AUV的浮力，使其受力不平衡，這需要在設(shè)計(jì)過程中充分考慮浮力調(diào)節(jié)的問題；在導(dǎo)航定位方面，潛入深海的AUV無法采用傳統(tǒng)方式校準(zhǔn)慣導(dǎo)，需要采用新方式實(shí)現(xiàn)該功能。由此可見，深海AUV與淺海AUV相比有諸多自身的特點(diǎn)。

1 深海AUV的發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展，深海AUV的許多關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，許多國家都在研究自己的深海AUV用于軍事或者民用，初步估計(jì)全世界已有十幾種不同類型的深海AUV。例如法國的ECA公司，美國的Hydroid公司，金槍魚機(jī)器人公司，挪威的HUGIN系列等，均深入研究并成功開發(fā)出深海AUV，國內(nèi)也有許多科研院校在深入研究深海AUV。因此，當(dāng)前包括中國在內(nèi)的各個(gè)國家對深海AUV非常重視，深海AUV的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。

1.2 國內(nèi)外深海AUV的發(fā)展?fàn)顩r

1.2.1 REMUS6000

REMUS6000自主無人水下航行器是Hydroid公司的系列產(chǎn)品中工作深度最大的AUV。其外形及相關(guān)組成如圖1所示。

圖1 REMUS 6000外形圖Fig.1 Outside drawing of REMUS 6000

由于REMUS 6000自主水下無人水下航行器自主海底跟蹤航行，可攜帶有效載荷，最大6 000 m水深作業(yè)，以測量海水的特性，包括電導(dǎo)率、溫度、化學(xué)成分，并且通過測深、聲吶側(cè)掃、磁學(xué)、重力學(xué)以及照相術(shù)繪制成像海底。REMUS 6000自主水下無人水下航行器的基本形式包括航行器、測深儀、側(cè)掃和沉積層穿透聲吶、導(dǎo)航裝置和通信裝置以及其他相關(guān)設(shè)備。REMUS 6000自主水下無人水下航行器也可根據(jù)用戶需求配置專用傳感器，以適應(yīng)特殊要求。 REMUS 6000的主要參數(shù)如下：航行器直徑71 cm，航行器長度3.96 m，航行器空氣中重量862 kg，最大工作深度6 000 m，續(xù)航力22 h（典型速度），航速最大 4.5 kn。

1.2.2 Bluefin-21

金槍魚機(jī)器人公司是美國一家知名的自主無人水下航行器的設(shè)計(jì)和制造商，該公司推出的無人水下航行器包括小型的 Bluefin-9、中型的Bluefin-12、大型的 Bluefin-21。Bluefin-21是一種高度模塊化的自主無人水下航行器，可以攜帶多種傳感器和有效載荷。其電源容量大，即使在最大水深也可長期工作，并可由各種應(yīng)急船舶操作使用。

自由更換模塊——無人水下航行器的設(shè)計(jì)包括可在使命現(xiàn)場更換的有效載荷段和電池模塊，各種子系統(tǒng)均可接觸，以便加快周轉(zhuǎn)時(shí)間，并允許在現(xiàn)場維修，從而加速作業(yè)速度。 其外形如下圖2所示。

圖2 Bluefin-21布放入水Fig.2 Deploying Bluefin-21 into water

Bluefin-21的主要用途是近海勘測、搜索和救撈、反水雷、未爆武器處理、海洋學(xué)考察以及考古和探測。該型AUV主要技術(shù)參數(shù)有：航行器直徑533 mm，長度4 930 mm，空氣中質(zhì)量750 kg，最大工作深度4 500 m；續(xù)航力：標(biāo)準(zhǔn)有效載荷3 kn時(shí)為25 h；航速 4.5 kn；傳感器：側(cè)掃聲吶、淺層海底剖面儀以及多波束回聲測深儀。

1.2.3 HUGIN 系列 AUV

挪威的HUGIN系列自主水下航行器在21世紀(jì)問世以來，從原型AUV，逐步發(fā)展了HUGIN 1000、3000、4500 以及 HUGIN-MR 等型 AUV。HUGIN 4500型AUV外形如圖3。

HUGIN4500AUV是HUGIN系列中最大的，航行器的結(jié)構(gòu)形式與該系列中的其他航行器相同，只不過體積更大、質(zhì)量更重，主要不同之處在于采用了功率更大的半燃料電池，容量比HUGIN 3000AUV多30%。航行器的尺寸和電池容量允許航行器攜帶工作能力更強(qiáng)的傳感器，例如高分辨率淺層海底剖面儀和側(cè)掃聲吶。 目前，HUGIN 4500AUV只作為美國C＆C技術(shù)公司的“勘測者III”使用，最大工作水深 4 500 m。 HUGIN 4500AUV主要參數(shù)有：航行器直徑1 000 mm；長度6 400 mm；空氣中重量1 500 kg；最大工作深度4 500 m；傳感器側(cè)掃聲吶，工作頻率為230 kHz或410 kHz，作用距離225 m，分辨率7 m以及工作頻率為1～6 kHz的淺層海底剖面儀。航行器上還可安裝攝像機(jī)系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、CTD、深度傳感器、多普勒計(jì)程儀、超短基線水聲定位系統(tǒng)、水聲數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。

圖3 HUGIN 4500 AUV布放入水Fig.3 Deploying HUGIN 4500 AUV into water

目前挪威海軍擁有2套休金4500AUV系統(tǒng)，用于反水雷和環(huán)境快速評估，配用HISAS 1030高分辨率合成孔徑聲吶，以3.5 kn航速在400 m水深工作，每小時(shí)可探測2 700 km2，續(xù)航力17 h，利用側(cè)掃聲吶的續(xù)航力為24 h，兩次使命之間的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間為1 h。

1.2.4 探索者級 AUV

加拿大 ISE公司的 AUV長約 4.5 m，直徑0.69 m。根據(jù)搭載負(fù)載的不同，其空氣中重量在580～800 kg之間，其最大潛深為3 000 m。其巡航速度在1～5 kn之間，在AUV的負(fù)載段可攜帶各種不同的負(fù)載。1.1 m長的可伸縮通信天線，此天線有助于任務(wù)的再規(guī)劃并且可以增加母船和航行器之間的通信距離。殼體包括1個(gè)7075-T6的鋁質(zhì)圓柱段和2個(gè)7075-T6型的鋁質(zhì)端部封蓋，內(nèi)部可使用的直徑為61 cm，長度為159.5 cm。端部封蓋利用鋁質(zhì)夾緊裝置與圓柱體連接起來。自由進(jìn)水分段采用玻璃鋼制造。 航行器續(xù)航力：120 km＠3 kn。配置的傳感器：多普勒計(jì)程儀、深度傳感器、高度計(jì)、固定在桅桿上的GPS天線和超短基線應(yīng)答器作為定位裝置、導(dǎo)航裝置、無線電通信和銥星通信系統(tǒng)。此外，應(yīng)急設(shè)備包括應(yīng)答器、定位器、閃光燈和射頻無線電信標(biāo)。

1.2.5 CR-02 型深海 AUV

該型深海AUV由沈陽自動化研究所研制，可用于深海水下資源調(diào)查，海洋環(huán)境調(diào)查等，主要參數(shù)有：最大作業(yè)深度6 000 m，水下最大航速2 kn，續(xù)航力 10 h，直徑 800 mm，長度 4.5 m，重量1 500 kg。根據(jù)任務(wù)要求，潛航體搭載了水下相機(jī)，側(cè)掃聲吶，淺剖儀等探測設(shè)備。

圖4 探索者AUV回收Fig.4 Recovery of Explorer AUV

圖5 CR-02外形圖Fig.5 Outside drawing of CR-02

1.2.6 海神 6000 型深海 AUV

該型AUV應(yīng)用于深遠(yuǎn)海搜救型AUV，是我國首個(gè)用于深遠(yuǎn)海搜救的AUV，主要參數(shù)有：最大工作深度6 000 m，直徑880 mm，長度7.5 m，最大航速5 kn，最大續(xù)航力24 h。根據(jù)任務(wù)需要搭載了USBL、飛機(jī)黑匣子搜索聲吶陣、深海測深側(cè)掃聲吶、水下相機(jī)、CTD、深海聲通機(jī)、前視聲吶等多個(gè)探測設(shè)備。

圖6 海神6000回收Fig.6 Recovery of Haishen 6000

2 深海AUV關(guān)鍵技術(shù)

深海AUV的研制需要突破許多技術(shù)，而其最關(guān)鍵的技術(shù)主要有動力能源技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、水下通信技術(shù)、自主任務(wù)控制技術(shù)。

2.1 動力能源技術(shù)

由于深海AUV需要工作在深海水下的特殊環(huán)境，因此，對動力能源的要求較高，需要能源密度高、安全性好、易于維護(hù)、成本低、甚至需要電池承受深海水壓等條件，因此，通常選擇電池作為動力能源的載體。通常，在深海AUV中使用的電池主要有鉛酸電池、銀鋅電池、鋰離子電池，而目前，深海AUV中使用的鋰離子電池居多[2-4]。

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AUV均采用了二次鋰離子電池[5]。

2.2 導(dǎo)航定位技術(shù)

由于深海AUV在水下航行過程中，普遍采用慣導(dǎo)與計(jì)程儀組合的方式進(jìn)行導(dǎo)航，而深海AUV無法實(shí)時(shí)浮出水面對慣導(dǎo)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此，導(dǎo)航定位將是深海AUV的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外一些研發(fā)機(jī)構(gòu)采用其他設(shè)備輔助定位的方式，例如挪威的HUGIN系列采用了慣性導(dǎo)航裝置，多普勒計(jì)程儀的組合下，利用水下超短基線定位裝置進(jìn)行輔助定位的組合導(dǎo)航，其導(dǎo)航精度令人滿意。

隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的不斷深入研究，未來的深海AUV慣性導(dǎo)航裝置不斷提高純慣性導(dǎo)航精度使得深海AUV的導(dǎo)航定位精度將提升一個(gè)數(shù)量級，并有望不依賴多普勒計(jì)程儀和衛(wèi)星定位裝置便可達(dá)到導(dǎo)航精度要求[6-7]。

2.3 水下通信技術(shù)

深海AUV在水下作業(yè)過程中，唯一可以與工作母船進(jìn)行通信的方式是水聲通信的方式；而水聲通信傳輸速率低，通信可靠性受到海洋環(huán)境影響較大，信號衰減嚴(yán)重，因此，各個(gè)國家均投入大量人力物力研究該領(lǐng)域技術(shù)。目前典型的該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展方向包括水聲信道編碼技術(shù)、水聲擴(kuò)頻技術(shù)等，并逐步改善水聲通信的質(zhì)量[8]。

此外，水下無人航行器的通信組網(wǎng)技術(shù)也是各國家研究的重點(diǎn)，但目前成功應(yīng)用于產(chǎn)品的只有少數(shù)國家。

2.4 自主任務(wù)控制技術(shù)

自主任務(wù)控制技術(shù)既是深海AUV的關(guān)鍵技術(shù)，也是深海AUV的核心技術(shù)，該技術(shù)包括對作業(yè)任務(wù)的管理，智能規(guī)劃，自主狀態(tài)檢查和自主故障處理，自主避開障礙物以及自主航行。自主任務(wù)控制技術(shù)未來將朝著智能分析任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)自主規(guī)劃航路，根據(jù)當(dāng)前的航行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，自主優(yōu)化作業(yè)的時(shí)間和路徑。

3 深海AUV的發(fā)展趨勢

從上述國內(nèi)外深海AUV的發(fā)展?fàn)顩r，可以看出深海AUV的發(fā)展正向著小型化、智能化、快速投送、快速反應(yīng)的方向發(fā)展，其發(fā)展大致分為3個(gè)階段：

第1個(gè)階段，研制可以在深海水下航行的AUV，解決深海水下航行所需的關(guān)鍵技術(shù)，例如大深度耐壓艙的設(shè)計(jì)加工技術(shù)，耐壓密封技術(shù)，以及水下航行控制技術(shù)。

第2個(gè)階段，在第1個(gè)階段的基礎(chǔ)上研發(fā)負(fù)載裝備技術(shù)，并對探測、目標(biāo)識別、布放和回收對接等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，并最終形成面向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用的，成熟度高的產(chǎn)品。

第3階段，優(yōu)化深海AUV。研制小體積、小重量、使用便捷、智能化程度高、使用可靠、水下作業(yè)高效的深海AUV。此外，在軍用領(lǐng)域能適應(yīng)深海環(huán)境的同時(shí)也要適應(yīng)水下網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的要求，具備通信中繼、偵察和反水雷、反潛等功能。對潛在敵目標(biāo)識別，并實(shí)時(shí)與其他裝備進(jìn)行通信。必要時(shí)可以接收水面或者岸上指揮員的指令。