董 超，劉 蔚，李 雪，陳焱琨

（1.國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣州510300；2.國家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510300）

0 引言

無人水面艇是一種可通過遙控模式或者自主模式在水面航行，并可同步開展軍事對抗、環(huán)境調(diào)查、人員搜救、巡邏偵察等活動的智能化水面機(jī)器人。在軍事領(lǐng)域，無人水面艇可用于執(zhí)行海洋戰(zhàn)場環(huán)境調(diào)查、關(guān)鍵海域滅掃雷、海上反潛追蹤、海上防護(hù)/攔截/打擊等任務(wù)；在民用領(lǐng)域，無人水面艇可用于執(zhí)行淺水區(qū)海洋環(huán)境要素調(diào)查、極地冰區(qū)海洋環(huán)境調(diào)查、海上事故應(yīng)急響應(yīng)、海上污染區(qū)環(huán)境監(jiān)測、海上重要人工構(gòu)筑物安防巡邏等任務(wù)，是未來軍民兩用的核心裝備之一［1］。

海洋調(diào)查常面對風(fēng)高浪急、暗礁叢生等惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)作業(yè)手段勞動強(qiáng)度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、作業(yè)效率低。與大型水面船舶相比，無人水面艇體積小、重量輕、吃水淺，具備無人、高效等特點(diǎn)，非常適合在淺水區(qū)、污染區(qū)、極地等復(fù)雜海域環(huán)境中作業(yè)，有助于減輕強(qiáng)度、降低風(fēng)險(xiǎn)、提高效率和節(jié)約成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，分析了無人水面艇在海洋調(diào)查領(lǐng)域中的優(yōu)勢，總結(jié)了國外無人水面艇的應(yīng)用進(jìn)展與現(xiàn)狀。同時(shí)，結(jié)合筆者單位在南海海洋調(diào)查工作中積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析了國內(nèi)無人水面艇的技術(shù)水平和應(yīng)用現(xiàn)狀。最后，針對平臺優(yōu)化、載荷集成等方面，提出了現(xiàn)階段存在的問題和改進(jìn)建議，并對后續(xù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 海洋調(diào)查中無人水面艇的優(yōu)勢

針對傳統(tǒng)海洋調(diào)查手段的不足，無人、高效等特點(diǎn)使得無人水面艇可有效減輕勞動強(qiáng)度、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提高作業(yè)效率和節(jié)約調(diào)查成本。

1.1 減輕勞動強(qiáng)度、降低安全風(fēng)險(xiǎn)

無人水面艇體積小、質(zhì)量小、吃水淺，且無需人員隨艇作業(yè)，非常適合替代傳統(tǒng)海洋調(diào)查手段執(zhí)行淺水區(qū)（例如海島礁周邊、灘涂區(qū)、潮間帶等）海域的海洋環(huán)境調(diào)查。上述海域暗礁叢生，航行安全風(fēng)險(xiǎn)大。同時(shí)，受潮汐變化影響，作業(yè)時(shí)間窗口有限。傳統(tǒng)海洋調(diào)查手段面臨 “大船水淺不敢進(jìn)、小艇作業(yè)太辛苦”的問題。圖1（a）所示為南海典型島礁，礁盤內(nèi)部水深淺，外沿暗礁叢生。每日高潮期時(shí)，時(shí)間窗口較短，在低潮期時(shí)，外沿礁石大多在水面以上，大型船舶無法進(jìn)入，只能采用圖1（b）所示的人工插桿或圖 1（c）所示的小艇趁潮的作業(yè)方式。這兩種作業(yè)方式所面臨的工作環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度高，且作業(yè)人員須避免由天氣、潮汐、海洋生物等引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 淺水區(qū)海洋調(diào)查技術(shù)手段的現(xiàn)狀Fig.1 Current status of marine survey techniques in shallow water areas

除淺水區(qū)問題外，在極地開展海洋環(huán)境調(diào)查時(shí)，大船在缺少海底地形數(shù)據(jù)支持的海域航行，安全風(fēng)險(xiǎn)高，極易發(fā)生觸冰、擱淺等危險(xiǎn)。此外，對于遭受石油泄漏、核輻射污染等的海域，傳統(tǒng)海洋調(diào)查手段也難以開展。上述應(yīng)用領(lǐng)域皆對無人水面艇提出了迫切需求。

1.2 提高作業(yè)效率、節(jié)約調(diào)查成本

受臺風(fēng)、寒潮等天氣因素的影響，近岸海域的海洋調(diào)查活動常常需要避風(fēng)。在等待天氣滿足作業(yè)條件時(shí)，“干三天、避兩天”的狀況非常普遍。以近岸路由勘察項(xiàng)目為例，在水深大于10m的深水區(qū)，多采用大船拖帶拖魚、掛裝多波束測深儀、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀等聲學(xué)設(shè)備的方式開展綜合地球物理調(diào)查。在水深小于10m的淺水區(qū)，多采用小艇搭載單波束測深儀、側(cè)掃聲吶等聲學(xué)設(shè)備的趁潮掃海方式。將兩種手段結(jié)合使用，可獲取管道、光纜、電纜等海底人工構(gòu)筑物的現(xiàn)狀。一般情況下，由一艘大船攜帶1～2條小艇。即便大船與小艇同時(shí)作業(yè)，日工作量也非常有限，作業(yè)效率不高。

在華南沿海地區(qū)，每年清明節(jié)至6月底期間的海況相對較好，其他月份則臺風(fēng)頻發(fā)，每個(gè)海洋調(diào)查活動平均約有1/3的時(shí)間浪費(fèi)在避風(fēng)上。以近年筆者單位承擔(dān)的某光纜路由勘察項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目在10月～11月開展，期間臺風(fēng)頻發(fā)。該項(xiàng)目海上總作業(yè)時(shí)間56天，避風(fēng)累計(jì)時(shí)間超過30天，有效作業(yè)時(shí)間僅為25天，不足總時(shí)間的50%。該項(xiàng)目租賃了3000t級的大型海洋調(diào)查船開展調(diào)查，而受臺風(fēng)影響，由避風(fēng)產(chǎn)生的船舶和人員開銷超過了300萬，導(dǎo)致成本大幅上升。

針對上述問題，可采用大船和無人水面艇同步作業(yè)的方式，與天氣搶時(shí)間窗口，提高好天氣時(shí)的日均作業(yè)量，縮短總作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到提高作業(yè)效率、節(jié)約調(diào)查成本的目的。圖2為2018年南海某海域海洋環(huán)境綜合調(diào)查的航次現(xiàn)場示意圖，圖中大船為1艘45m長、500t級的海洋調(diào)查船，后甲板空間長為16m、寬為8m，可以攜帶一艘5.5m長的多波束無人水面艇（紅色方框）、3艘1.7m長的單波束無人水面艇（后甲板前部的兩個(gè)橙色方框）、1艘1.7m長的環(huán)境監(jiān)測無人水面艇（后甲板尾部橙色方框）和1艘5m長的保障小艇。5艘無人水面艇同步開展作業(yè)，可有效縮短總作業(yè)時(shí)間，節(jié)省用船成本。同時(shí)，多波束無人水面艇的通信距離約為15km，4艘小無人水面艇均具備通信中斷下的自主跑線和數(shù)據(jù)記錄功能。在無人水面艇作業(yè)期間，大船和保障小艇也可同步開展海洋調(diào)查，進(jìn)一步提高作業(yè)效率、降低調(diào)查成本。

圖2 無人水面艇與大船同步作業(yè)能力分析Fig.2 Analysis of synchronization operating capability of USV and large vehicle

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，無人水面艇便已被應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域。在諾曼底登陸戰(zhàn)役中，盟軍將無人水面艇駛往欺騙海域，釋放煙幕劑，造成艦隊(duì)編隊(duì)登陸的假象，達(dá)到了軍事誘騙的目的。20世紀(jì)90年代，自主駕駛技術(shù)出現(xiàn)并被應(yīng)用于無人水面艇領(lǐng)域，先進(jìn)的無人獵掃雷艇開始出現(xiàn)，并逐漸具備了監(jiān)控、偵察、對抗等多種軍事功能。到了現(xiàn)代，隨著控制、通信、網(wǎng)絡(luò)、傳感器等技術(shù)的不斷成熟與完善，無人水面艇的應(yīng)用需求呈多樣化發(fā)展，在民用領(lǐng)域中也逐漸得到了應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，較為著名的無人水面艇包括了美國研制的斯巴達(dá)偵察兵（Spartan Scout）和海洋獵 手 ACUTV （Anti?Submarine Warfare Continuous Trail Unmanned Vessel），以及以色列研制的保護(hù)者（Protector），如圖 3（a）～ 圖 3（c）所示。國外典型的民用無人水面艇如圖3（d）～圖 3（f）所示。其中，意大利研發(fā)的Charlie可用于南極海氣界面的觀測［2］，同時(shí)兼顧淺水區(qū)魚雷探測的軍事用途；日本研發(fā)的UMV?O可用于監(jiān)控海洋和大氣的生物、化學(xué)、物理等參數(shù)；英國ASV Global公司研制了多系列民用無人水面艇。其C?Worker 5型無人水面艇在馬航MH370搜救事件中，與無人水下航行器（AUV）實(shí)現(xiàn)了協(xié)同作業(yè)，共同尋找飛機(jī)殘骸。針對大范圍的海洋調(diào)查問題，歐美多家企業(yè)推出了Wave Glider、Saildrone、C?Enduro等超長航程的無人水面艇，如圖3（g）～ 圖 3（i）所示。通過波浪能、風(fēng)能、太陽能等可再生能源增強(qiáng)無人水面艇的續(xù)航能力，在全球海域進(jìn)行流場、波浪場、地形、溫度、鹽度、生物等方面的綜合性海洋調(diào)查。發(fā)展至今，國外無人水面艇平臺經(jīng)歷了從自動化到智能化、從單艇作業(yè)到集群協(xié)同、從軍事應(yīng)用到軍民共用的發(fā)展歷史，平臺技術(shù)和應(yīng)用推廣也已逐漸走向成熟［3?5］。

圖3 國外無人水面艇平臺的典型代表Fig.3 Typical representatives of overseas USV platforms

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展

3.1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

與歐美相比，我國無人水面艇技術(shù)起步相對較晚，早期研究多集中于高校、研究所等單位主持的基礎(chǔ)研究、型號預(yù)研等項(xiàng)目［6?9］。2008年，由中國航天科工集團(tuán)公司和中國氣象局大氣探測技術(shù)中心聯(lián)合研發(fā)的天象一號，是我國首艘投入工程應(yīng)用的無人水面艇［10］，承擔(dān)了北京奧運(yùn)會青島奧帆賽場比賽海域的水文氣象測量任務(wù)，獲取了風(fēng)向、風(fēng)速、水溫、氣溫等多種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。自2013年以來，在科技、海洋、交通、環(huán)保等行業(yè)的持續(xù)資助下，上海大學(xué)和珠海云洲智能科技有限公司在民用無人水面艇市場中推出了多個(gè)系列的海洋調(diào)查無人水面艇，逐漸帶動了國內(nèi)無人水面艇市場的成熟發(fā)展。在現(xiàn)階段，我國研制與生產(chǎn)無人水面艇的機(jī)構(gòu)已經(jīng)超過了100家，典型的無人水面艇包括了上海大學(xué)研制的精海系列、哈爾濱工程大學(xué)研制的天行一號、華南理工大學(xué)研制的波浪推進(jìn)無人水面艇、中國航天科技集團(tuán)有限公司九院十三所研制的智探一號、珠海云洲智能科技有限公司研制的瞭望者號、四方公司研制的 SeaFly?01 等［11?12］，如圖 4 所示。在軍民應(yīng)用領(lǐng)域，我國已基本完成了無人水面艇平臺在前期技術(shù)儲備和驗(yàn)證階段的工作，大規(guī)模應(yīng)用在短期內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)。

圖4 國內(nèi)無人水面艇平臺的典型代表Fig.4 Typical representatives of USV platforms in China

3.2 應(yīng)用案例分析

筆者單位具有甲級的海洋測繪、工程勘察和檢驗(yàn)檢測等資質(zhì)，擁有各類型海洋聲學(xué)儀器裝備，業(yè)務(wù)覆蓋海洋水文氣象觀測與調(diào)查、海洋地質(zhì)與地球物理調(diào)查、海洋測繪、南海浮標(biāo)觀測網(wǎng)運(yùn)維、海洋聲學(xué)調(diào)查、海洋無人水面艇應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。自2016年起，承擔(dān)無人水面艇研制與應(yīng)用領(lǐng)域中的多項(xiàng)國家重大專項(xiàng)，多次在南海海島礁周邊海域開展了無人水面艇性能測試和工程應(yīng)用工作，取得了大量的研究成果和實(shí)測數(shù)據(jù)。依托《海洋智能無人艇平臺技術(shù)》項(xiàng)目，獲得了 “2016年海洋科學(xué)技術(shù)獎”特等獎。

本單位在無人水面艇領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)踐主要面向海洋測繪，用于淺水區(qū)、極地冰區(qū)、海上事故區(qū)等海域的海底地形地貌調(diào)查。在現(xiàn)階段，無人水面艇搭載的聲學(xué)設(shè)備的量程大多小于300m，水深數(shù)據(jù)質(zhì)量和自主導(dǎo)航精度評價(jià)依照《海道測量規(guī)范》GB12327?1998和《海洋工程地形測量規(guī)范》GB17501?1998開展，細(xì)則如下：

1）在《海道測量規(guī)范》 GB12327?1998中，關(guān)于水深測量主檢比對不符值限差的要求如下：“水深為0m～20m時(shí)，為0.5m；水深為20m～30m時(shí)，為0.6m；水深為30m～50m時(shí)，為0.7m；水深為50m～100m時(shí)，為1.5m；水深大于100m時(shí)，為水深的3%，超限的點(diǎn)數(shù)不得超過參加比對的總點(diǎn)數(shù)的15%?！?/p>

2）在《海洋工程地形測量規(guī)范》GB17501?1998中，關(guān)于水深測量精度的誤差規(guī)定如下：“在深度測量中，當(dāng)水深小于或等于20m時(shí)，深度測量中的誤差小于或等于±0.2m；當(dāng)水深大于20m時(shí)，深度測量中的誤差為所測深度的±1%?！?/p>

3）在《海道測量規(guī)范》 GB12327?1998中，關(guān)于偏航的規(guī)定如下：“測深線間隔不超過規(guī)定間隔的1/2”，即無人水面艇實(shí)際航線與計(jì)劃航線間的偏差小于相鄰計(jì)劃測線間隔的1/2。

3.2.1 小型單波束無人水面艇的海底地形測繪

2016年4月，使用小型單波束無人水面艇獲取了南海海島礁周邊4個(gè)區(qū)塊、合計(jì)70km的水深數(shù)據(jù)，如圖5所示。調(diào)查區(qū)塊的最大水深小于40m，水深較淺處不足1m，且存在干出礁石，大船無法作業(yè)。作業(yè)的無人水面艇長 2.5m、寬 1.4m、高0.6m、質(zhì)量為120kg、吃水0.5m，在淺區(qū)航行相對安全。在作業(yè)期間，海況為三級，以4.5節(jié)～5.5節(jié)的航速航行，水深數(shù)據(jù)質(zhì)量和自主導(dǎo)航精度滿足規(guī)范要求：

1）主檢比對點(diǎn)共83個(gè)，其中測量到的水深值超限點(diǎn)4個(gè)，超限比例為4.8%，小于限差15%的要求，滿足《海道測量規(guī)范》GB12327?1998中對于水深測量精度的要求。

2）水深小于20m的對比點(diǎn)為47個(gè)，測量中誤差為±0.2m；水深大于20m的對比點(diǎn)為36個(gè)，測量中誤差為±0.22m，滿足《海洋工程地形測量規(guī)范》GB17501?1998中對于精度的要求。

圖5 2016年4月南海海島礁作業(yè)Fig.5 Island reef operation in South China Sea at Apr 2016

3）在作業(yè)過程中，測線間隔為50m，實(shí)際航線與計(jì)劃航線的最大偏差小于3.5m，如圖6所示。圖中，綠色實(shí)線為計(jì)劃測線，藍(lán)色圓圈為實(shí)際測線。

圖6 小型單波束無人水面艇自主導(dǎo)航性能示意圖Fig.6 Schematic of autonomous navigation performance of small-sized simple beam USV

3.2.2 中型多波束無人水面艇海底地形測繪

2016年9月，使用2條中型多波束無人水面艇開展了南海海島礁周邊水下地形測繪綜合性能測試工作，全面驗(yàn)證了無人水面艇的安全性、準(zhǔn)確性、快速性、遠(yuǎn)距離等性能，如圖7所示。調(diào)查區(qū)塊的最大水深小于300m，最淺處約為10m。其中，無人水面艇 A長5.65m、寬2.4m、高2.9m、質(zhì)量為1.1t、吃水0.5m，搭載Reason T50p多波束，波束個(gè)數(shù)為512個(gè)；無人水面艇B長6.28m、寬2.86m、高3.3m、質(zhì)量為2.6t、吃水0.45m，搭載Kongsberg EM 2040多波束，波束個(gè)數(shù)為400個(gè)。在作業(yè)期間，無人水面艇經(jīng)歷了1～4級4個(gè)等級的海況，累計(jì)獲取了150km的多波束數(shù)據(jù)。利用Caris軟件的QC Report功能對檢查線和主測線間的誤差進(jìn)行分析，水深數(shù)據(jù)質(zhì)量和自主導(dǎo)航精度滿足規(guī)范要求：

1）無人水面艇A使用全波束采集主測線數(shù)據(jù)，使用256個(gè)中央波束采集檢查線數(shù)據(jù)，主檢比對僅對256個(gè)中央波束數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)符合2級標(biāo)準(zhǔn)檢查點(diǎn)的比例超過了99%。

2）無人水面艇B采用全波束采集主測線和檢查線數(shù)據(jù)，除去質(zhì)量較差的邊緣波束，符合2級標(biāo)準(zhǔn)檢查點(diǎn)的比例超過了99%。

3）在作業(yè)過程中，測線間隔為50m～300m，實(shí)際航線與計(jì)劃航線的偏差大多位于5m～20m之間，最大偏差小于30m，大多落在測線間隔的10%之內(nèi)，如圖8所示。圖中，綠色實(shí)線為計(jì)劃測線，藍(lán)色圓圈為實(shí)際測線。

圖7 2016年9月南海海島礁作業(yè)Fig.7 Island reef operation in South China Sea at Sep 2016

圖8 中型多波束無人水面艇自主導(dǎo)航性能示意圖Fig.8 Schematic of autonomous navigation performance of medium-sized multi-beam USV

3.2.3 多無人水面艇同步作業(yè)海底地形測繪

2018年9月，攜帶1艘中型多波束無人水面艇和3艘小型單波束無人水面艇開展了南海海島礁周邊水下地形測繪性能測試工作，驗(yàn)證了多艇同步作業(yè)技術(shù)。調(diào)查區(qū)塊的最大水深小于45m，最淺處約為5m。中型無人水面艇長5.5m、寬2.5m、高2.9m、質(zhì)量為1.2t、吃水0.5m，搭載 Reason T50p多波束，波束個(gè)數(shù)為512個(gè)。小型單波束無人水面艇長 1.7m、寬 0.8m、高 0.4m、質(zhì)量為0.04t、吃水0.2m，搭載 SDE?18+單波束測深儀。在作業(yè)期間，1艘中型多波束無人水面艇和2艘小型單波束無人水面艇同時(shí)進(jìn)行下水作業(yè)，將另1艘小型無人水面艇作為備份，用時(shí)3天，累計(jì)獲取了280km測線的多波束數(shù)據(jù)和86km測線的單波束數(shù)據(jù)。經(jīng)評價(jià)，水深數(shù)據(jù)質(zhì)量和自主導(dǎo)航精度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

4 存在問題與發(fā)展建議

無人水面艇由艇體平臺、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、保障系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)等部分組成，其核心關(guān)鍵技術(shù)集中于導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制［1］。本文結(jié)合海洋調(diào)查的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析無人水面艇在平臺優(yōu)化、載荷集成、感知避障、布放回收、協(xié)同作業(yè)等方面存在的問題，并提出建議。

4.1 平臺優(yōu)化

作為搭載設(shè)備執(zhí)行海洋調(diào)查的設(shè)備的載體，無人水面艇的自身性能對于數(shù)據(jù)質(zhì)量而言至關(guān)重要。海洋調(diào)查大多使用聲學(xué)設(shè)備，對載體的航向保持、姿態(tài)穩(wěn)定性等提出了較高的要求。以某3t級無人水面艇為例，在3級海況下，艇體的橫搖（roll）經(jīng)常超過了10°，在部分時(shí)候超過了15°，這導(dǎo)致了多波束回波數(shù)據(jù)的不完整。對于無人水面艇而言，自主導(dǎo)航精度（實(shí)際航線與計(jì)劃航線間的偏差）是一項(xiàng)非常重要的考核指標(biāo)，可反映無人水面艇在導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方面的綜合性能。但對于多波束測量而言，自主導(dǎo)航精度并非越高越好，其在固定的偏差范圍內(nèi)保持航向穩(wěn)定更為重要。若因追求精度而頻繁調(diào)整航向，導(dǎo)致平臺姿態(tài)穩(wěn)定性下降，反而適得其反。對側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶等地形地貌探測設(shè)備，同樣需優(yōu)化設(shè)備在航向穩(wěn)定方面的性能。

此外，聲學(xué)設(shè)備對載體的振動和噪聲提出了較高的要求。為實(shí)現(xiàn)低振動和低噪聲，雙體結(jié)構(gòu)、電動雙推進(jìn)器、聲學(xué)設(shè)備中線掛裝入水的結(jié)構(gòu)為最優(yōu)，這也是目前市面上中小型無人水面艇采用最多的平臺布局。與單體結(jié)構(gòu)相比，雙體結(jié)構(gòu)低速穩(wěn)定性好，利于開展聲學(xué)調(diào)查，但其負(fù)載空間相對有限。電力推進(jìn)振動小、噪聲低，但其續(xù)航力較差，在高負(fù)載時(shí)續(xù)航力較差的劣勢尤為明顯。單從續(xù)航力的角度出發(fā)，采用柴油或油電混合的推進(jìn)方案更優(yōu)。綜合上述分析，研制海洋調(diào)查無人水面艇應(yīng)綜合海區(qū)特點(diǎn)、功能定位、載荷特性、經(jīng)費(fèi)預(yù)算等因素，全面考慮艇體結(jié)構(gòu)、能源動力、載荷布局等的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以優(yōu)化平臺性能。

4.2 載荷集成

目前，針對無人水面艇開發(fā)的專用型載荷較少，大多數(shù)設(shè)備的安裝方式與大船相同。無人水面艇載荷集成的優(yōu)化空間非常大，以集成單波束測深儀為例，傳統(tǒng)的集成方法如下：

1）在無人水面艇端，加裝單波束測深儀的探頭和工控主機(jī)，以及GPS定位設(shè)備。

2）在控制基站端，通過通信鏈路遠(yuǎn)程訪問無人水面艇端工控主機(jī)的遠(yuǎn)程桌面，進(jìn)行單波束測深儀的設(shè)置與數(shù)據(jù)采集。

3）在控機(jī)基站端，通過FTP服務(wù)等方式遠(yuǎn)程下載水深數(shù)據(jù)。

上述集成方式實(shí)現(xiàn)簡單，但缺點(diǎn)明顯。首先，工控主機(jī)厚重的顯示屏和機(jī)箱對無人水面艇而言非必要，其額外負(fù)重將導(dǎo)致無人水面艇的航速下降、續(xù)航力降低；其次，穩(wěn)定、可靠的通信鏈路是使用遠(yuǎn)程桌面操控?zé)o人水面艇端設(shè)備的必要條件，這對于中小型無人水面艇而言難以實(shí)現(xiàn)。目前，市面上大多數(shù)中小型無人水面艇搭載的通信系統(tǒng)僅能保證2km的可靠通信距離。通信失連后，無人水面艇端的聲學(xué)設(shè)備將處于失控狀態(tài)。針對以上兩方面的問題，可以從以下幾方面完善載荷集成方式：

1）優(yōu)化工控主機(jī)的體積和質(zhì)量，或者將單波束的控制功能以芯片方式集成至無人水面艇的核心控制模塊內(nèi)。

2）使用時(shí)間戳同步技術(shù)，將單波束測深儀采集的水深數(shù)據(jù)和GPS獲取的位置信息進(jìn)行同步打包，將信息存儲在無人水面艇端的存儲器內(nèi)。

3）在無人水面艇端架設(shè)斷點(diǎn)續(xù)傳服務(wù)器，保證通信鏈路通暢時(shí)的數(shù)據(jù)下載。

4）對下載完畢的數(shù)據(jù)段，在控制基站通過數(shù)據(jù)回放程序復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)格式存儲。

上述集成方式可有效降低載荷的體積和空間，并保證通信失連后的數(shù)據(jù)自主采集。對于多波束測深儀、側(cè)掃聲吶等設(shè)備，該集成思路同樣有效。但受進(jìn)口設(shè)備軟硬件接口封閉因素的影響，該集成思路目前在國產(chǎn)化程度低的設(shè)備上難以實(shí)現(xiàn)。除此之外，艇端聲速采集、分層水樣采集、艇載智能絞車等功能的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化，對于載荷集成也非常重要。

4.3 感知與避障

目前，無人水面艇的感知與避障主要通過雷達(dá)、視覺、聲學(xué)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)［1］。雷達(dá)存在近端盲區(qū)，故其僅適用于遠(yuǎn)端目標(biāo)，且易受海況、海面反射、平臺晃動等因素的影響。視覺傳感器適用于近端目標(biāo)信息的獲取，其對遠(yuǎn)端目標(biāo)的成像質(zhì)量較差，且易受雨、霧、浪花、平臺晃動等因素的影響。對于水下目標(biāo)感知，避障聲吶等聲學(xué)設(shè)備是當(dāng)前唯一可行的技術(shù)手段，但因聲學(xué)圖像信噪比低、解譯難度大等因素的影響，避障聲吶等聲學(xué)設(shè)備的應(yīng)用效果欠佳。針對高海況、障礙物場復(fù)雜的海洋環(huán)境，尚無有效的感知與避障方案。基于多傳感器信息融合的環(huán)境感知和智能避障，是未來重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。

4.4 布放回收

布放回收直接影響著無人水面艇的操作難度和安全等級。常見的布放回收方式包括側(cè)吊式、A型架式、滑道式、拋纜式、托架式、船塢式等［13］。各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)不一，需結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)選擇最佳的布放回收方式。在實(shí)際應(yīng)用中，若無人水面艇屬于大船標(biāo)配，與大船同步建造，則建議參考船載救生艇和快艇的設(shè)計(jì)思路，為無人水面艇配備專用布放回收系統(tǒng)，以便于后期的操作與維護(hù)。若無專業(yè)母船支持，建議使用后甲板船舷低、A型架凈寬大的母船，以便于人工操作脫鉤、捕獲、解纜、系纜等，降低布放回收難度。

4.5 協(xié)同作業(yè)

單一無人水面艇的功能和效率相對有限，多艇協(xié)同和多平臺協(xié)同作業(yè)技術(shù)可進(jìn)一步提高無人水面艇的作業(yè)效率和數(shù)據(jù)采集精度。對水深較淺的海域，將多條小型單波束無人水面艇進(jìn)行組網(wǎng)協(xié)同測量，可提高高潮期間的作業(yè)量，縮短任務(wù)執(zhí)行周期。對于水深極淺、包含大量干出礁石的海域，無人機(jī)和無人水面艇協(xié)同作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值較高——無人機(jī)負(fù)責(zé)干出礁石區(qū)域，無人水面艇負(fù)責(zé)航行安全區(qū)，二者可協(xié)同測量并一體化成圖。對于需要高精度海底地形測量的應(yīng)用問題，可將AUV攜帶聲學(xué)設(shè)備貼底采集高精度的海底地形地貌，由無人水面艇為AUV提供水下定位和通信支持。上述協(xié)同作業(yè)技術(shù)的發(fā)展，可進(jìn)一步拓展無人水面艇的應(yīng)用領(lǐng)域。

5 結(jié)論與展望

針對海洋調(diào)查的應(yīng)用難點(diǎn)，本文詳細(xì)分析了我國無人水面艇的最新進(jìn)展，并對未來技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。經(jīng)多年持續(xù)投入，我國海洋調(diào)查無人水面艇的自主導(dǎo)航、智能控制、遠(yuǎn)程通信、人機(jī)交互、載荷集成等技術(shù)已基本成熟，并已逐漸開展了對復(fù)雜海洋環(huán)境下的環(huán)境感知、智能避障、協(xié)同作業(yè)等技術(shù)的探索。應(yīng)用實(shí)踐表明，在四級海況內(nèi)（含四級）使用無人水面艇開展海底地形地貌調(diào)查，水深數(shù)據(jù)質(zhì)量和自主導(dǎo)航精度均滿足行業(yè)規(guī)范的技術(shù)要求，具備進(jìn)入大規(guī)模工程應(yīng)用的條件。除海底地形地貌調(diào)查外，針對物理海洋、海洋生物化學(xué)等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用相對較少。除此之外，我國在基于可再生能源的長航程無人水面艇的研制與應(yīng)用方面滯后，尚不具備使用無人水面艇開展全球綜合性海洋調(diào)查的技術(shù)能力。在未來發(fā)展過程中，須加大上述兩方面的研制與應(yīng)用力度，進(jìn)一步推動我國海洋調(diào)查無人水面艇平臺技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。