曹曉霖

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

便攜式水下航行器自主航行或通過艦船、蛙人運(yùn)載器釋放至目標(biāo)區(qū)域，特定地對(duì)港口、航道、淺灘等區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)測(cè)任務(wù)，獲取詳細(xì)的情報(bào)數(shù)據(jù)信息，為水下特種作戰(zhàn)提供信息支撐和保障。同樣，可利用便攜式水下自主航行器對(duì)敵港內(nèi)的艦船、水底通訊樞紐、水下爆炸物等關(guān)鍵目標(biāo)進(jìn)行破壞活動(dòng)，為水下特種作戰(zhàn)提供一種破壞手段［1～2］。

水下特種作戰(zhàn)作為海軍部隊(duì)實(shí)施的一種新的作戰(zhàn)樣式，在未來海上作戰(zhàn)中將發(fā)揮重要作用，而便攜式水下自主航行器是一種典型的水下特種作戰(zhàn)裝備。因此，對(duì)于便攜式水下自主航行器的發(fā)展現(xiàn)狀、特點(diǎn)和典型使用流程等進(jìn)行深入分析，將為海軍的水下特種作戰(zhàn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，具有重要的軍事意義和較高的軍事實(shí)用價(jià)值［3］。

2 AUV的研究現(xiàn)狀

2000 年，美國海軍提出了AUV 在軍事應(yīng)用方面的7 種使命和4 種作戰(zhàn)能力，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，描繪了2030 年之前AUV 的發(fā)展藍(lán)圖。Remus-100 和Remus-6000 智能水下機(jī)器人［4］如圖1和圖2所示。

圖2 Remus-6000智能水下機(jī)器人

圖3 Gavia型自主水下自主航行器

2005 年，德國阿特拉斯電子公司研制成功了Deep C自主式無人潛航器，并在比斯開灣深海水域進(jìn)行了演示活動(dòng)。Deep C 重2.5 t，作業(yè)水深4 km，續(xù)航時(shí)間約50 h，最大裝載能力為250 kg。可執(zhí)行水下管線檢測(cè)、海底電纜鋪設(shè)、海床勘探和海底資源調(diào)查等任務(wù)，其潛在軍事應(yīng)用價(jià)值已引起德海軍的關(guān)注。

Gavia AUV 是冰島TELEDYNE 海洋系統(tǒng)公司研制的一型微型無人自主水下航行器。該型AUV是一種模塊化、易維護(hù)的水下測(cè)繪平臺(tái)，可從艦船或岸基布放，搭載各種探測(cè)設(shè)備，完成水下測(cè)繪、目標(biāo)搜索、地質(zhì)調(diào)查等任務(wù)。

Bluefin-9 型AUV 是美國馬塞諸塞州金槍魚機(jī)器人技術(shù)公司研制的小型快速自主水下自主航行器，該水下機(jī)器人具備水雷戰(zhàn)和情報(bào)收集、監(jiān)視和偵察的能力。它采用獨(dú)立的電池艙和數(shù)據(jù)模塊艙設(shè)計(jì)，很容易通過AUV 頂上的艙口進(jìn)行更換，其更換時(shí)間不超過15 min。因?yàn)锽luefin-9 型AUV 重量小，單個(gè)人員就能從各種艦艇和小船上進(jìn)行部署。Bluefin-9型AUV的實(shí)物照片［5］如圖4所示。

圖4 Bluefin-9型AUV

A9-S 型AUV 是法國ECA 公司生產(chǎn)的便攜式AUV，主要用于精確海岸測(cè)量，適應(yīng)于多種工作平臺(tái)，具備高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，擁有友好的任務(wù)管理系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)動(dòng)靈活，適于進(jìn)行水下目標(biāo)搜索工作。A9-S型AUV實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 A9-S型自主水下自主航行器

我國UUV 技術(shù)研究起步于20 世紀(jì)80 年代，主要由沈陽自動(dòng)化研究所、哈爾濱工程大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國船舶等科研院所開展。Merman300 型AUV 是我國自主研發(fā)的一型便攜式AUV 系統(tǒng)，可根據(jù)任務(wù)需要選裝其他不同的傳感器。能夠執(zhí)行海底地形地貌勘測(cè)、海底管道檢測(cè)、大范圍目標(biāo)搜索及救生等任務(wù)，使用方便快捷，作業(yè)靈活。Merman300型AUV試驗(yàn)圖［3］如圖6所示。

圖6 Merman300型AUV

3 便攜式水下自主航行器的關(guān)鍵技術(shù)

雖然各國研究機(jī)構(gòu)及制造廠商在便攜式水下自主航行器的關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵部件的研制方面取得了一些成果，但由于工作環(huán)境及任務(wù)要求等因素的限制，仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面［6～9］。

1）多傳感器信息融合技術(shù)

單一的傳感器采集的數(shù)據(jù)雖然解決了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)問題，但容易導(dǎo)致局部數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、不準(zhǔn)確而導(dǎo)致環(huán)境狀態(tài)誤判，然而通過多傳感器信息融合技術(shù)可以提高環(huán)境狀態(tài)判斷準(zhǔn)確率，減少誤判，通過對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排除明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息達(dá)到提升準(zhǔn)確率的目的。多傳感器信息的采集錯(cuò)綜復(fù)雜，按其抽象程度分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合［10～11］。

2）總體集成配置技術(shù)

AUV 在未來海上對(duì)抗中將具有不可替代的作用，隨著AUV和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)AUV的執(zhí)行任務(wù)的能力和尺寸要求也愈加嚴(yán)格，所以在有限的尺寸要求條件下怎么配置或攜帶更多的載荷或傳感器將是AUV 面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此，需根據(jù)指標(biāo)和功能要求，對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)和功能指標(biāo)進(jìn)行分解，并對(duì)AUV 的載荷搭載能力和阻力特性等進(jìn)行深入分析的計(jì)算，然后提出總體最優(yōu)配置。

3）低阻力技術(shù)

進(jìn)行AUV 外形設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮其內(nèi)部空間的使用情況、布放、回收的難易程度和航行效率等因素，同時(shí)應(yīng)充分考慮外形產(chǎn)生的阻力，并應(yīng)有針對(duì)性地進(jìn)行流體動(dòng)力仿真優(yōu)化計(jì)算，進(jìn)而達(dá)到大幅減少水下航行阻力和節(jié)省寶貴能源的目的，從而提升AUV的續(xù)航力。

4）降噪技術(shù)

AUV 的隱蔽性是其生命力和戰(zhàn)斗力的重要體現(xiàn)和基本保障，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)噪聲特征的控制一直都是水下航行體設(shè)計(jì)的核心任務(wù)。目前在研的AUV降噪方法包括采用機(jī)械隔離裝置、吸聲外殼涂層、低噪音推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳和泵噴方式等。

5）新型能源技術(shù)

AUV 對(duì)海軍裝備將起到巨大的推進(jìn)作用，并且隨著海軍裝備“由近海防御向遠(yuǎn)海防衛(wèi)”的海軍轉(zhuǎn)型建設(shè)需求，AUV 的作業(yè)半徑將是其中一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其中能源的多少極大地限制了AUV 執(zhí)行任務(wù)的半徑。常規(guī)的電池只能給AUV 提供2 天的工作時(shí)間，而燃料電池可為AUV 提供數(shù)天（并有望長達(dá)數(shù)周）的作業(yè)時(shí)間，使AUV 可在深遠(yuǎn)海目標(biāo)海區(qū)預(yù)置潛伏，長時(shí)間對(duì)目標(biāo)海區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

6）導(dǎo)航定位技術(shù)

導(dǎo)航設(shè)備是AUV 的核心裝備，是提升AUV 快速反應(yīng)能力、執(zhí)行任務(wù)能力、協(xié)同作戰(zhàn)能力以及精確攻擊能力的基礎(chǔ)。在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下，發(fā)展以慣性導(dǎo)航為核心的自主、可靠、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)，可為AUV 執(zhí)行任務(wù)提供精確導(dǎo)航定位、定向信息，是進(jìn)一步發(fā)揮AUV作戰(zhàn)效能的重要途徑。

7）平臺(tái)小型化、輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)

便攜式水下無人偵察作戰(zhàn)平臺(tái)以功能需求為牽引開展三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，同時(shí)利用模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思路開展航行器總體方案設(shè)計(jì)，通過合理的結(jié)構(gòu)布局和總體設(shè)備統(tǒng)籌配置等工作，解決各分系統(tǒng)之間的接口和通信協(xié)議等技術(shù)問題。同時(shí)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通過數(shù)字化仿真手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耐壓密封設(shè)計(jì)和水動(dòng)力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)，同步開展設(shè)備試裝性方面的研究工作，達(dá)到有效控制航行器總體的重量和尺度，實(shí)現(xiàn)航行器小型化、輕量化設(shè)計(jì)要求。

8）高分辨率探測(cè)識(shí)別技術(shù)

高分辨率探測(cè)識(shí)別技術(shù)主要包含高分辨率小型聲吶集成應(yīng)用技術(shù)、聲吶及圖像自主識(shí)別技術(shù)和精準(zhǔn)控位抵近技術(shù)。高分辨率探測(cè)識(shí)別技術(shù)是便攜式水下作戰(zhàn)平臺(tái)的核心關(guān)鍵技術(shù)，其有助于提高水下目標(biāo)偵察的作戰(zhàn)效率和準(zhǔn)確性。該技術(shù)主要解決平臺(tái)搭載聲吶的電磁兼容和聲相關(guān)、小目標(biāo)自主探測(cè)與辨識(shí)以及平臺(tái)自身姿態(tài)精準(zhǔn)控制等問題。

4 便攜式水下自主航行器組成

便攜式水下自主航行器一般由水面遙控系統(tǒng)、潛航體和綜合保障系統(tǒng)組成，其中水面遙控系統(tǒng)主要完成人機(jī)交互、任務(wù)裝定、路徑規(guī)劃、探測(cè)結(jié)果下載、數(shù)據(jù)分析以及對(duì)潛航體的水面遙控；綜合保障系統(tǒng)主要用于潛航體的裝配維修、包裝、運(yùn)輸防護(hù)、水聲通信和定位以及布放回收；潛航體按模塊化設(shè)計(jì)由頭部模塊、電池模塊、控制模塊、推進(jìn)模塊及處理模塊組成。便攜式水下自主航行器系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 便攜式水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)系統(tǒng)框圖

5 便攜式水下自主航行器的典型使用流程

便攜式水下自主航行器到達(dá)指定海域后，首先進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備和設(shè)備功能檢查等準(zhǔn)備工作。然后，將便攜式水下自主航行器布放入水，按照預(yù)先規(guī)劃的任務(wù)進(jìn)行水中自主航行。到達(dá)任務(wù)點(diǎn)后，進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，并記錄相關(guān)信息。任務(wù)執(zhí)行完成后，便攜式水下自主航行器返回至布放點(diǎn)，回收裝備。最后，進(jìn)行后期數(shù)據(jù)下載、分析和處理，為后期任務(wù)執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐。具體包含以下過程［12～13］：

1）準(zhǔn)備

首先便攜式水下自主航行器根據(jù)操作流程進(jìn)行功能檢查，一切就緒后將裝備布放入水，準(zhǔn)備工作完成。

2）水中航行

便攜式水下自主航行器布放入水后，按照設(shè)置文件的要求進(jìn)行水中航行，到達(dá)目標(biāo)區(qū)域附近后，便攜式水下自主航行器按照規(guī)劃的任務(wù)模式進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行。

3）任務(wù)執(zhí)行

到達(dá)目標(biāo)區(qū)域附近后，便攜式水下自主航行器按照規(guī)劃的任務(wù)模式進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，如開啟目標(biāo)搜索模式，可進(jìn)行目標(biāo)搜索，發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)則抵近目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別，直到任務(wù)結(jié)束。

4）任務(wù)結(jié)束返航

任務(wù)結(jié)束后，便攜式水下自主航行器按照設(shè)置文件返航，航行至上浮點(diǎn)，浮出水面并示位，等待回收。

5）回收和數(shù)據(jù)下載、處理

通過橡皮艇或其它小型運(yùn)輸裝備將便攜式水下自主航行器進(jìn)行回收，完成回收后進(jìn)行簡單的維護(hù)保養(yǎng)，最后進(jìn)行后期數(shù)據(jù)下載、分析和處理，為后期任務(wù)執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)語

便攜式水下自主航行器是一種典型的無人作戰(zhàn)裝備，其研制始于20世紀(jì)80年代，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、小型導(dǎo)航設(shè)備、邏輯與軟件技術(shù)的發(fā)展，成為了一種重要的水下信息搜集平臺(tái)，目前世界上使用的便攜式水下自主航行器超過萬套。目前國內(nèi)還未形成集多功能于一體的便攜式水下自主航行器裝備，因此研究集小型化、智能控制、高安全性、模塊化等優(yōu)點(diǎn)于一體的多功能便攜式水下自主航行器迫在眉睫。