邵春水 于大海 韓金良

（1.天津航海儀器研究所 天津 300131）（2.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）

1 引言

水下無人潛航器（UUV）、水面無人艇（USV）是當前世界上海軍強國大力發(fā)展的主要無人作戰(zhàn)平臺，其承擔的使命任務(wù)和技術(shù)特征均與有人作戰(zhàn)平臺存在差異。鑒于無人作戰(zhàn)平臺導航裝備配置與平臺的使命任務(wù)和技術(shù)狀態(tài)均有關(guān)聯(lián)，擬借鑒美國為各級無人作戰(zhàn)平臺承擔使命任務(wù)進行優(yōu)先級排序的思路，通過分析無人作戰(zhàn)平臺對導航裝備的原則性能力需求、軍民用典型平臺的導航裝備配置，形成面向我國海軍無人作戰(zhàn)平臺的導航裝備發(fā)展啟示。

2 美軍無人作戰(zhàn)平臺分類及使命任務(wù)

2.1 水下無人潛航器（UUV）

根據(jù)美國海軍于2016 年2 月發(fā)布的《2025 年自動水下航行器需求》［1］，UUV 按照尺寸劃分為超大型、大型、中型和小型四個級別。超大型UUV 直徑大于2.1m，通過岸邊或船舶的復雜裝卸設(shè)備布放，諸如起重機、井型甲板。大型UUV 直徑介于0.533m～2.1m 之間，通過任意?；钙脚_的裝卸設(shè)備搭載、布放和回收，也可通過岸邊或船舶的裝卸設(shè)備布放。中型UUV 直徑介于0.254m～0.533m 之間，從岸邊或船舶直接布放，回收需使用裝卸設(shè)備。小型UUV直徑介于0.076m～0.254m之間，通過船舶的舷邊布放和回收，而潛艇通常只布放不回收。按照該分類標準，國外典型UUV 包括超大型2型、大型22型、中型20型、小型11型［2～3］。

美國國防部于2007-2013 年期間發(fā)布了4 版《無人系統(tǒng)一體化路線圖》，針對4個級別的UUV將使命任務(wù)按優(yōu)先級擴充為17 項［4～5］。其中，中小型主要用于情報/監(jiān)視/偵察、水雷對抗、通信/導航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、傳感器隱蔽植入等，大型兼具載荷投送、瀕海水面戰(zhàn)、大洋反潛戰(zhàn)等能力，超大型將進一步提升直接打擊與對抗等作戰(zhàn)能力。

2.2 水面無人艇（USV）

根據(jù)美國海軍于2007 年發(fā)布的《無人水面艇主計劃》及2021 年發(fā)布的《海軍無人裝備總體戰(zhàn)略》，無人艇按照尺寸劃分為大型、中型、小型和微小型。大型無人艇的艇長大于50m，中型無人艇的艇長介于12m～50m 之間，小型無人艇的艇長介于7m～12m 之間，極小型無人艇的艇長小于7m［6～8］。其使命任務(wù)按照優(yōu)先級排序，包括：反水雷戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、海上安全、水面作戰(zhàn)、支持特種部隊作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)和支持海上攔截作戰(zhàn)示［9］。

3 我國無人作戰(zhàn)平臺分類設(shè)想

相對于美國以尺寸作為劃分無人作戰(zhàn)平臺級別的標準，我國更傾向于以排水量作為標準。推測未來可能的劃分標準如下：UUV 按照排水量劃分為超大型、大型、中型和小型四個級別。超大型UUV 排水量超過100t，大型UUV 排水量介于10t～100t 之間，中型UUV 排水量介于1t～10t 之間，小型UUV 排水量小于1t。USV 按照排水量劃分為超大型、大型、中型和小型三個等級。超大型無人艇排水量超過500t，大型無人艇排水量介于10t～100t 之間，中型無人艇排水量介于10t～100t 之間，小型無人艇排水量小于10t。

4 無人作戰(zhàn)平臺導航裝備能力要求

根據(jù)無人平臺的使命任務(wù)，導航裝備應(yīng)具備時空基準獲取能力、運動狀態(tài)測量能力、環(huán)境態(tài)勢感知能力和自主路徑規(guī)劃能力，其中前三種能力是實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃能力的基礎(chǔ)［10～11］。

4.1 時空基準獲取能力

時空基準獲取能力按照參考坐標系的不同劃分為絕對時空基準和相對時空基準。獲取絕對時空基準可以通過天基的衛(wèi)星導航系統(tǒng)、岸基的無線電導航系統(tǒng)授時，也可以通過平臺自身配置的時鐘自守時，而平臺的絕對位置可以通過慣性、衛(wèi)星/無線電、水聲、天文以及匹配導航技術(shù)獲取，其中匹配導航主要是物理場匹配和地形地貌匹配。獲取相對時空基準主要是通過數(shù)據(jù)鏈、雷達、水聲這些具有測距測向能力的技術(shù)手段測量相對位置，依托數(shù)據(jù)鏈、水聲通信信道傳輸對時報文，實現(xiàn)其他平臺與基準平臺之間的時間同步。

4.2 運動狀態(tài)測量能力

運動狀態(tài)測量能力按照測量的運動參數(shù)類別劃分為運動方向、運動姿態(tài)和運動速度。測量運動方向可采用衛(wèi)星導航或者慣性導航技術(shù)測量平臺的航跡向，也可采用天文、慣性、地磁定向技術(shù)測量平臺的艏向。測量運動姿態(tài)的縱橫搖主要依靠慣性測姿技術(shù)。測量運動速度又分為對地速度和對水速度，對地速度可采用慣性、衛(wèi)星、水聲（多普勒）測速技術(shù)，對水速度可通過水聲（多普勒）、電磁測速技術(shù)，不同的測速結(jié)果均可用于航行保障，但慣性測速結(jié)果也可用于慣性基準之間的傳遞對準，水聲（多普勒）、電磁測速結(jié)果可用于慣導阻尼工作模式。

4.3 環(huán)境態(tài)勢感知能力

環(huán)境態(tài)勢感知能力按照感知的對象不同劃分為海洋環(huán)境和運動目標。海洋環(huán)境主要包括平臺所處海域的氣象環(huán)境、水文環(huán)境、聲學環(huán)境、地理環(huán)境、物理場和電磁環(huán)境，其技術(shù)手段屬于海洋環(huán)境觀探測專業(yè)。感知運動目標可以通過被動接收和主動探測兩種方式。被動接收主要依靠的是當前軍民領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的船舶自動識別（AIS）系統(tǒng)。主動探測則依賴于平臺自身裝備的傳感器，按照技術(shù)屬性可細分為雷達、聲波和視覺，其中用于導航避碰目標探測的雷達按照不同的頻段分為激光和微波，聲波分為水面用的超聲波和水下用的水聲，視覺主要指的是各種攝像機。

4.4 自主路徑規(guī)劃能力

自主路徑規(guī)劃能力實現(xiàn)的載體是電子海圖以及運行的導航算法。導航算法主要包括多源信息融合算法和路徑規(guī)劃算法。多源信息融合算法用于處理不同信息源提供的時空基準、運動狀態(tài)和運動目標數(shù)據(jù)，自適應(yīng)生成適用于任務(wù)場景需求的統(tǒng)一、可靠的導航信息。路徑規(guī)劃算法用于根據(jù)任務(wù)需要，以時空基準、運動狀態(tài)和周邊環(huán)境態(tài)勢信息為基礎(chǔ)，自動生成平臺的航行路徑，引導平臺按照作戰(zhàn)使命任務(wù)安全航行。

5 典型無人平臺導航裝備配置分析

5.1 國外UUV導航裝備配置

國際上應(yīng)用較為成熟的UUV，美國REMUS600、德國“海獺”、挪威“休金”1000/3000 等UUV 均配備側(cè)掃聲吶。典型有美國EdgeTech 公司研制的2200 系列側(cè)掃聲吶，其采用模塊化設(shè)計，功耗低，支持獨立工作或平臺集中控制，最大工作水深達6000m，通常工作頻率為75kHz～120kHz、75kHz～410kHz 或120kHz～410kHz，可用于執(zhí)行海底目標搜索、地形地貌測量、電纜敷設(shè)定位等任務(wù)［12］。

合成孔徑聲吶是利用勻速直線運動的聲基陣，形成大的虛擬孔徑，以提高聲吶橫向分辨率，具有橫向分辨率與工作頻率、距離無關(guān)的優(yōu)點。其分辨率比常規(guī)側(cè)掃聲納高1～2 個量級，具備超高分辨率的小目標成像能力，美國REMUS600、挪威“休金”1000/3000均有配備。

“休金”1000/3000 上配置的Kongsberg 公司HISAS1030合成孔徑聲吶，工作頻率為60kHz～120kHz，最大量程可達260m，實際分辨率在全量程內(nèi)均優(yōu)于5cm×5cm［13］。

除側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶外，多波束測深聲吶也是UUV 常用聲吶之一。其利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點水深值，在執(zhí)行大范圍海底搜索和地形測繪時效果顯著。據(jù)悉，大多數(shù)軍民用UUV 均為該類聲吶留有接口，如挪威“休金”1000/3000、德國“海獺”等大型UUV。

從國外典型UUV 的環(huán)境態(tài)勢感知傳感器配置來看，側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶適合配置在國內(nèi)各級別的UUV 上，多波束測深聲吶可根據(jù)國內(nèi)大型、超大型UUV的使命任務(wù)和載荷能力視情配置。

5.2 民用自動駕駛汽車傳感器配置

無人艇水線以上主要配置有雷達天線、GPS 天線、攝像機、激光雷達以及艙內(nèi)的羅經(jīng)，水線以下配置有前向避障聲吶和側(cè)掃聲吶。其中水線以上用于支持無人駕駛功能的環(huán)境態(tài)勢感知傳感器與民用帶有自動（輔助）駕駛功能的汽車配置類似?？紤]到目前民用自動駕駛汽車領(lǐng)域發(fā)展較快、應(yīng)用較廣，傳感器的配置方案和使用經(jīng)驗相對更成熟，其方案對無人艇的導航裝備配置有一定的借鑒意義。

攝像機的優(yōu)勢在于能夠得到豐富的紋理、特征信息，不足之處在于易受光照強度和角度影響，拍攝高速運動物體易產(chǎn)生運動模糊等。相對于其他傳感器，攝像機除用于測距之外，還可用于車道線檢測、交通標識符檢測等。常用的車載攝像機分為組合攝像機和魚眼攝像機。組合攝像機是指由不同視野角度和景深范圍的相機構(gòu)成的單目/雙目/三目攝像機，用于探測不同范圍內(nèi)的目標。魚眼攝像機是由十幾個不同的透鏡組合而成，具有寬視野的特點，通常在車的前后左右各安裝一顆，拼接成360°全景圖用于檢測車身周圍5m范圍內(nèi)的物體。

毫米波雷達的優(yōu)勢在于測量距離遠，受天氣影響小，不足之處在于某些材質(zhì)（如行人）回波較弱，對金屬材質(zhì)特別敏感，導致易發(fā)生虛警，切向目標敏感度差等。車載毫米波雷達通常安裝在汽車的前方，用于探測200m以內(nèi)的目標，并且和攝像機的目標輸出進行融合。

超聲波雷達的優(yōu)勢在于受雨水、粉塵、泥沙的干擾較小，在空氣中穿透性強，短距離測距精度高，不足之處在于受氣溫影響較大，車速較快時測距誤差較大等。短距離超聲波雷達測量范圍在3m 以內(nèi)，用于探測近處的障礙物。近距離超聲波雷達測量范圍在5m 以內(nèi)，用于探測近處的障礙物和判斷旁邊的空車位。

激光雷達的優(yōu)勢在于對光照變化不敏感，不受夜晚場景影響，測距精度較高，感知周圍信息量相對豐富，不足之處在于性能受雨雪、霧天、粉塵等氣候影響會下降，對某些低發(fā)射特性材料的測距精度不佳等。

目前自動駕駛汽車的環(huán)境態(tài)勢感知方案差異主要在于是否配置激光雷達，以特斯拉為代表的車企采用的是以攝像機視覺圖像為主，不安裝激光雷達的方案，其他大部分車企則采用以激光雷達為主，輔以視覺圖像的方案。對于海軍無人艇來說，考慮到海上使用環(huán)境下視覺圖像特征相對較少，更適合以激光雷達為主的方案。

6 國內(nèi)無人作戰(zhàn)平臺導航裝備配置啟示

鑒于時空基準獲取和運動狀態(tài)測量傳感器的種類和配置方案相對成熟，在無人作戰(zhàn)平臺上的主要發(fā)展趨勢是降低尺寸、重量、功耗，即低SWaP 綜合指標，以減少對平臺資源的占用，本文主要分析了典型無人平臺的環(huán)境態(tài)勢感知傳感器，進而形成了如圖1所示的國內(nèi)無人作戰(zhàn)平臺導航裝備配置圖。

圖1 無人作戰(zhàn)平臺導航傳感器配置圖

6.1 水下無人潛航器（UUV）

必配的導航裝備包括衛(wèi)星導航設(shè)備、慣性導航設(shè)備、聲學計程儀、測深/測潛儀、時頻基準設(shè)備、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、攝像機和電子海圖，如果設(shè)計的小型UUV 活動范圍有限，也可不配電子海圖。選配的導航裝備包括電磁計程儀、長基線、重力儀、多波束測深聲吶、超短基線。電磁計程儀一般不配置，如果超大型UUV 有聲靜默環(huán)境下為慣性導航設(shè)備提供阻尼速度的需求可選配。長基線、超短基線根據(jù)UUV 任務(wù)海域水下預置導航設(shè)施建設(shè)情況、編組平臺之間協(xié)同需求等因素視情選配，對于載荷能力有限的UUV 平臺可考慮研制綜合基線，整合長基線和超短基線功能。超大型UUV 可根據(jù)自身載荷能力配置重力儀，用于物理場匹配定位。大型、超大型UUV 可視情選配多波束測深聲吶，用于地形匹配定位，選配多波束測深聲吶后可不配置測深儀。

6.2 水面無人艇（USV）

必配的導航裝備包括衛(wèi)星導航設(shè)備、慣性導航設(shè)備、無線電導航設(shè)備、時頻基準設(shè)備、AIS 接收機、激光雷達、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、攝像機和電子海圖，如果設(shè)計的小型無人艇活動范圍有限，也可不配電子海圖。選配的導航裝備包括磁羅經(jīng)、聲學計程儀、電磁計程儀、長基線、天文導航設(shè)備、超短基線、毫米波雷達、導航雷達、超聲波傳感器。磁羅經(jīng)是指便攜式磁羅經(jīng)，對于中型以上的無人艇，如果設(shè)計成支持人員上艇操作，可在艇上設(shè)計預留接口，由上艇人員隨身攜帶上艇安裝，以備應(yīng)急使用。考慮到無人艇通常吃水不深，速度較快，艇下的水聲環(huán)境一般不適合安裝電磁計程儀和聲學計程儀，如果大型、超大型無人艇的艇下水聲環(huán)境比較好可考慮安裝兩型計程儀。長基線、超短基線根據(jù)UUV 任務(wù)海域水下預置導航設(shè)施建設(shè)情況、水面/水下協(xié)同需求等因素視情選配，如果兩種基線都需要配置，物理形態(tài)上可考慮綜合基線，整合長基線和超短基線功能。超大型無人艇如果載荷能力較強，有足夠的資源安裝天文導航設(shè)備，可考慮配置一臺天文導航設(shè)備作為備用的定位、定向手段。毫米波雷達和導航雷達均用于目標的測距、測速，小型、中型無人艇通常機動能力較強，需要關(guān)注的周圍運動目標態(tài)勢區(qū)域有限，可考慮配置毫米波雷達搭配激光雷達，實現(xiàn)近程、遠程目標探測，大型、超大型無人艇相對于中小型無人艇慣性增大，機動能力可能相對弱一些，需要關(guān)注的周圍運動目標態(tài)勢區(qū)域較大，可考慮配置導航雷達搭配激光雷達，實現(xiàn)遠程、近程目標探測。超聲波傳感器由于探測距離有限，比較適合安裝在機動能力較強的小型、中型無人艇上，大型、超大型無人艇如果慣性較大，機動能力不足以躲避超聲波傳感器探測范圍內(nèi)目標的話，無需配置超聲波傳感器。

7 結(jié)語

國內(nèi)無人作戰(zhàn)平臺尚處于快速發(fā)展的起步階段，通過分析提出的導航裝備配置有助于針對性地面向不同級別平臺研制通用或?qū)Ｓ脤Ш窖b備，形成譜系化、階梯化導航能力，避免導航裝備型譜產(chǎn)生亂象。