世界無人水面艇發(fā)展綜述

楊文韜

無人水面艇（USV，Unmanned Surface Vehicle），是指依靠遙控或自主方式在水面航行的無人化、智能化作戰(zhàn)平臺。可通過飛機或大型艦艇攜載，到達預(yù)定地點后施放，也可直接在基地近岸使用，實現(xiàn)保護己方、打擊敵方的作用。無人水面艇較無人潛航器和無人機的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已受到世界各海上強國的高度重視。本文將追溯世界無人水面艇的發(fā)展歷史，介紹世界各國USV的服役特點與研制情況，分析其關(guān)鍵技術(shù)，并展望未來發(fā)展趨勢。

無人水面艇發(fā)展回顧

無人水面艇的發(fā)展歷史最早可以追溯到1898年，當(dāng)時著名發(fā)明家尼古拉·特拉斯發(fā)明了名為“無線機器人”的遙控艇。首次應(yīng)用于實戰(zhàn)則在二戰(zhàn)時期，最初設(shè)計成魚雷狀用以清除碎浪帶的水雷和障礙物。諾曼底登陸戰(zhàn)役期間，盟軍為實現(xiàn)其戰(zhàn)略欺騙和作戰(zhàn)掩護的目的，曾設(shè)計出一種裝載大量煙幕劑的無人水面艇，可按預(yù)先設(shè)定的航向機械地駛往欺騙海域，從而造成艦艇編隊登陸的假象。二戰(zhàn)后期美國海軍還曾通過在小型登陸艇上加裝無線電控制的操舵裝置和掃雷火箭彈，用于淺海雷區(qū)作業(yè)。

二戰(zhàn)結(jié)束后，無人水面艇得到了進一步的發(fā)展，主要用于掃雷和戰(zhàn)場損傷評估（BDA）等任務(wù)，如1946年的“十字路口行動”中，原子彈每次爆炸后，均使用無人水面艇收集輻射水域樣品。

到20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)研制了小型遙控式無人水面艇，用于向敵方艦艇發(fā)動自殺式的撞擊爆炸性攻擊。這一時期，美國將一型V-8汽油機驅(qū)動的7米玻璃鋼小艇改裝為遙控掃雷艇，配備到胡志明市南部的第113水雷分隊，用于越南境內(nèi)的掃雷作業(yè)。20世紀(jì)70～80年代，由于技術(shù)的限制，無人水面艇發(fā)展并未獲得很大突破，主要應(yīng)用于軍事演習(xí)和火炮射擊的海上靶標(biāo)。20世紀(jì)90年代，美國研制的遙控獵雷作戰(zhàn)原型（RMOP）艇成功在波斯灣從“庫欣”號驅(qū)逐艦進行了海上作業(yè)。1997年1～2月的“SHAREM 119”演習(xí)中，RMOP進行了長達12天的獵雷行動。

隨著信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)及材料科學(xué)等方面的進步，無人水面艇技術(shù)也得到了新的發(fā)展，截止目前，已有十幾個國家研制、部署了無人水面艇。

無人水面艇發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀當(dāng)前世界在研和現(xiàn)役的無人水面艇，共約88型，其中在研25型，現(xiàn)役或即將服役的63型，可用于執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、傳輸和中繼等C4ISR任務(wù)，支持常規(guī)打擊、介入作戰(zhàn)、布雷、遠程反潛等進攻任務(wù)和防空、防御性反潛、反水雷、水面戰(zhàn)等防御任務(wù)。下面將分別從在研和現(xiàn)役兩方面對無人水面艇的發(fā)展現(xiàn)狀進行介紹。

世界各國在研無人水面艇的基本情況

正在研制無人水面艇的國家大多是美國和其盟國，研制單位包括大型軍火企業(yè)、高校實驗室和軍方研究單位等，并以軍火企業(yè)為主，如表1所示。

這些無人水面艇在技術(shù)成熟度（TRL）、長度、航速、自持力、自主化水平、有效載荷和動力方面的情況各異，從技術(shù)成熟度來看，大多數(shù)達到了TRL6和TRL7的水平，即在相關(guān)環(huán)境或?qū)嶋H作戰(zhàn)環(huán)境下進行了組件或試驗?zāi)Ｐ脱菔尽拈L度、自持力、有效載荷和有效輸出功率等與平臺大小相關(guān)的指標(biāo)看，大部分在研無人水面艇為小型平臺，這是由于小型平臺具有成本優(yōu)勢，且試驗易用性高等因素決定的，但未來投入使用時，其平臺規(guī)模很容易擴大。從航速來看，由于執(zhí)行不同的作戰(zhàn)任務(wù)，因此航速差異較大。

世界各國現(xiàn)役無人水面艇的基本情況

當(dāng)前世界各國已經(jīng)服役及技術(shù)成熟度已達到服役水平的無人水面艇共63型，其中軍事用途的無人水面艇數(shù)量約占70%，其余主要集中在石油/天然氣行業(yè)、大學(xué)和實驗室等研究領(lǐng)域。與軍用無人水面艇相比，民用無人水面艇任務(wù)靈活性更強，可執(zhí)行更加多樣化的任務(wù)。

在任務(wù)領(lǐng)域方面，目前無人水面艇側(cè)重的任務(wù)類別較少，主要集中在海事安全、情報監(jiān)視偵察（ISR）、反水雷和環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域。已投入現(xiàn)役的無人水面艇，共可以執(zhí)行148個獨立任務(wù)，可總結(jié)為16種不同類型，近80%的任務(wù)可以歸為情報搜集、表征物理環(huán)境收集、反水雷、海事安全和訓(xùn)練測試平臺等5類。而在電子戰(zhàn)、軍事欺騙、惡劣環(huán)境下的ISR、惡劣環(huán)境中部署傳感器、通信中繼、布雷、水面作戰(zhàn)和地面打擊等應(yīng)用方面仍然存在空白。

由于大多數(shù)無人水面艇需要有一定的環(huán)境感知的能力，以便遠程操作人員或算法可以對環(huán)境做出響應(yīng)，因此執(zhí)行“情報收集”類任務(wù)的無人水面艇數(shù)量最多。此外，執(zhí)行“表征物理環(huán)境”類任務(wù)的無人水面艇大部分都是民用部門用來進行環(huán)境調(diào)查工作的，執(zhí)行“反水雷”任務(wù)的無人水面艇大多為歐洲國家裝備的感應(yīng)掃雷無人艇。

在研制和使用國家方面，無人水面艇的研制、開發(fā)和使用主要集中在美國及其盟國，且美國在該領(lǐng)域具備領(lǐng)先優(yōu)勢。除美國海軍外，其他國家研制使用的無人水面艇大致可歸為兩類。一類是先進的海事安全和ISR無人水面艇，正在開發(fā)的國家有以色列、瑞典、新加坡、意大利和英國等，已投入使用的國家有尼日利亞、以色列和新加坡。該類無人艇可執(zhí)行港口安全、海洋領(lǐng)域感知、反恐、禁毒、石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的保護等任務(wù)。第二類為歐洲國家海軍裝備的感應(yīng)掃雷無人艇，現(xiàn)已裝備丹麥、瑞典、德國和英國海軍。在平臺大小方面，無人水面艇體積較小，且正在研制的無人水面艇也呈現(xiàn)小型化的特點。由于較小的平臺具備成本低、試驗便利的優(yōu)點，因此目前服役的無人水面艇約60%長度都在7米或以下。用于海事安全的無人水面艇長度一般在7～11米，而一些體積較大的無人水面艇則用于較大載荷需求的任務(wù)，如感應(yīng)掃雷。

無人水面艇的技術(shù)特點

由于無人水面艇所處的環(huán)境在縱向上要跨越空氣和水兩種介質(zhì)，因此其功能任務(wù)、性能指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)同其他無人平臺有很大區(qū)別。

在功能和任務(wù)方面，相比于無人機和無人潛航器，無人水面艇兼具無人機執(zhí)行水面任務(wù)和無人潛航器執(zhí)行水下任務(wù)的優(yōu)勢，使其可作為跨水面（域）網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，用于收集、處理和傳遞信息。單獨或協(xié)同其他有人/無人平臺執(zhí)行C4ISR、軍事欺騙、信息作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、水面作戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、后勤保障、支援地面進攻、搜救、測試、訓(xùn)練等任務(wù)。endprint

在性能指標(biāo)方面，相比于無人機，無人水面艇在續(xù)航時間、有效載荷、水面以下部署傳感器方面具備獨特優(yōu)勢；但在速度、航程、自主性方面不及無人機。相比于無人潛航器，在續(xù)航時間、推進力、速度、航程、有效載荷、水面以上部署傳感器、通信方面有優(yōu)勢明顯；但由于無人水面艇無法改變深度接近目標(biāo)，并且隱身性僅能通過外型設(shè)計解決，因此在水下傳感器部署和隱身性方面不及無人潛航器。

在關(guān)鍵技術(shù)方面，由于無人水面艇所處的水面環(huán)境十分復(fù)雜，不僅包含靜態(tài)障礙物，同時受海況、其他艦船航行的影響，因此，相比于其他無人系統(tǒng)，自主性成為影響無人水面艇的關(guān)鍵技術(shù)因素，而且其他無人系統(tǒng)自主性方面的技術(shù)并不適合無人水面艇。

本文對于無人水面艇和其他無人平臺均存在的傳感器、通信與數(shù)據(jù)接口、動力等技術(shù)問題不再詳細介紹，僅對無人水面艇發(fā)展起關(guān)鍵作用的自主性技術(shù)進行進一步分析。為了準(zhǔn)確衡量現(xiàn)役和在研無人水面艇的自主化水平，現(xiàn)對自主化程度進行如下定義：

級別0：無自主性 （全部依賴遠程控制）

級別1：簡單的半自主性（具備路點導(dǎo)航能力，但無防撞功能）

級別2：半自主性（具備路點導(dǎo)航以及防撞功能）

級別3：高級半自主性（生成到目的地的最佳路線）

級別4：多數(shù)環(huán)境下的自主性（應(yīng)用驅(qū)動）

級別5：所有環(huán)境下的完全自主性（應(yīng)用驅(qū)動）

無人水面艇在執(zhí)行最簡單的任務(wù)和功能（如在預(yù)定地點部署）時，即需要一定等級的自主能力和基本防撞能力，而在執(zhí)行如武器發(fā)射等高復(fù)雜性任務(wù)或處于高海況等較復(fù)雜環(huán)境中時，便對自主性提出了更高要求。對于無人水面艇自主性方面的研究，美國目前處于領(lǐng)先地位。

美國海軍始終大力推進無人水面艇自主性方面的研究，并積極吸收民事部門針對自主性和網(wǎng)絡(luò)化操作的研究成果。其中，海軍研究局綜合使用三種互補的方法以實現(xiàn)無人艇的導(dǎo)航和自主能力。第一種方法采用了由海軍航空作戰(zhàn)中心開發(fā)的通用導(dǎo)航地理空間工具包和美國海軍航空系統(tǒng)司令部的戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)進行路徑導(dǎo)航和靜態(tài)障礙物回避。第二種方法借鑒了噴氣推動實驗室火星車上的自主系統(tǒng)，使無人水面艇能夠更加主動地對環(huán)境做出反應(yīng)。第三種方法基于霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的研究成果，首先對環(huán)境中的每個對象賦予若干屬性值，隨后通過算法分析這些對象對無人水面艇任務(wù)的預(yù)期影響，最后針對這些對象做出適當(dāng)調(diào)整。

除此之外，美國海軍研究局還資助美國航空航天局的噴氣推進實驗室開發(fā)了機器人代理命令和傳感（CARACaS）控制系統(tǒng)，旨在使用最少的人工干預(yù)完成無人水面艇的操控和導(dǎo)航。該系統(tǒng)包含環(huán)境感知分系統(tǒng)、決策分系統(tǒng)和決策規(guī)則三個子系統(tǒng)。其中，環(huán)境感知分系統(tǒng)為一個360度的電光系統(tǒng)，配備自動目標(biāo)識別系統(tǒng)、立體光電紅外系統(tǒng)、雷達和自動識別系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)；決策分系統(tǒng)包含一個靜止障礙避碰系統(tǒng)和動態(tài)傷害規(guī)避系統(tǒng)，遵從國際海上避碰規(guī)則，并能夠跟蹤海面環(huán)境的動態(tài)目標(biāo)；決策規(guī)則名為“CASPER”規(guī)則，可根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和約束條件來規(guī)劃下一步行動計劃。

無人水面艇未來發(fā)展趨勢

除了自主性這一關(guān)鍵技術(shù)外，影響無人水面艇作戰(zhàn)效能和使用方式的因素還包括：無人水面艇的部署/回收與補給、通用平臺和模塊化載荷、續(xù)航力等方面。這些技術(shù)因素的突破，不僅可以大大拓展無人水面艇的作戰(zhàn)使用方式，還可以對其作戰(zhàn)效能產(chǎn)生重要影響，將成為無人水面艇未來發(fā)展的趨勢。

提高部署/回收與補給能力

除進行自我部署外，無人水面艇都需要通過水面艦艇、飛機等其他平臺進行部署和回收。在惡劣海況或高速航行時，實現(xiàn)部署/回收，不僅可以提高效率，還可以降低搭載平臺的風(fēng)險和相應(yīng)成本。對于無人水面艇的海上補給，可有效拓展無人水面艇的活動范圍和續(xù)航能力，減少其部署和回收次數(shù)，提高其行動效率和隱蔽性。

采用模塊化載荷和通用平臺

無人水面艇最初即以改裝已有平臺為基礎(chǔ)，采用模塊化有效載荷和通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的平臺、技術(shù)、組件、接口等，這樣可有效降低無人水面艇的研制、使用風(fēng)險和成本，簡化后勤維修的難度，同時增強其與其他平臺之間相互協(xié)調(diào)的能力。

提高續(xù)航力

當(dāng)前，為執(zhí)行偵察監(jiān)視、反水雷、反潛等任務(wù)，各國海軍對無人水面艇的續(xù)航能力要求越來越高，而對速度、耐波能力及有效載荷/動力等方面之間的權(quán)衡，又制約了其續(xù)航能力的增強。目前除了增大平臺尺寸以提高續(xù)航力外，還可通過轉(zhuǎn)化太陽能、海浪能量的形式為無人水面艇提供能源。

無人水面艇相比于其他無人系統(tǒng)具備獨特的優(yōu)勢，擁有良好的應(yīng)用前景。隨著制約其發(fā)展的技術(shù)因素逐步得到解決，無人水面艇的應(yīng)用范圍和作戰(zhàn)能力必將不斷拓展。endprint