水下無人系統發展現狀及其關鍵技術

潘 光, 宋保維, 黃橋高, 施 瑤

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水下無人系統發展現狀及其關鍵技術

潘 光1,2, 宋保維1,2, 黃橋高1,2, 施 瑤1,2

(1. 西北工業大學航海學院, 陜西西安, 710072; 2. 無人水下運載技術工信部重點實驗室, 陜西西安, 710072)

水下無人系統是現代海軍裝備的重要組成部分, 是海軍裝備中新概念、新技術應用最為廣泛的領域。文章回顧了美國制定的水下無人系統發展規劃, 分析了美國水下無人系統體系化、集群化以及對新概念水下無人航行器探索的發展特點; 簡要敘述了俄羅斯、歐洲以及國內水下無人系統的發展現狀, 以及國內外存在的差距; 最后, 針對水下無人系統“自主性、互操作、數據鏈、多平臺協同”等核心問題, 指出了所應突破的技術關鍵。文中的研究將為我國多樣化水下無人系統開發提供依據。

水下無人系統; 體系化; 集群化; 新概念無人水下航行器; 自主航行技術; 水下數據鏈通信技術

0 引言

水下無人系統(unmanned undersea system, UUS)是指具有自主航行能力, 可完成海洋/海底環境信息獲取、固定/移動目標探測、識別、定位與跟蹤以及區域警戒等任務的各類無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)、水下無人作戰平臺及其所必要的控制設備、網絡和人員的總稱。其研究領域涵蓋情報收集、水下及水上偵查監視、作戰打擊和后勤支援等諸多領域, 具有重要的軍事價值, 已成為世界各國海軍裝備的重要研究方向[1]。UUV主要包括自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)和遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV), 其中軍事領域重點發展AUV, 民用領域重點發展ROV。

近年來, 隨著各國對戰場低傷亡率的追求, UUS在海上戰爭中發揮的作用愈發顯著。相比水下有人系統, UUS能夠代替人執行“枯燥的、惡劣的和危險的”(dull, dirty, dangerous, 3D)任務, 具有機動性強、適應能力和生存能力高、無人員傷亡風險、制造和維護成本低等優點, 極大地擴展海軍的作戰能力, 被視為現代海軍的“力量倍增器”。

1 UUS發展現狀

1.1 國外研究現狀

近年來, 世界各主要海軍大國都加快了UUV的研究步伐, 并取得了重要進展。隨著新材料、新能源、人工智能等技術的不斷進步, 大深度、遠航程、大載荷、自主回收成為UUV的發展趨勢[2-3]。

1.1.1 美國

UUS是現代海軍裝備的重要組成部分, 是海軍裝備中新概念、新技術應用最為廣泛的領域。美國歷來對軍事高科技保持著高度的敏感性, 并針對UUS制定了一系列的發展規劃。

2000年, 美國海軍綜合考慮未來50年需求情況制定了一個中、遠期發展規劃, 即《無人水下航行器(UUV)總體規劃》[4], 確定了未來UUV優先發展的4個特征能力: 1) 潛艇跟蹤和追獵; 2) 海事偵察; 3) 水下搜索和調查; 4) 通信和導航援助。2004年, 美國海軍對該規劃進行了修訂, 將UUV的任務最終調整為9項, 包括情報/監視/偵察、反水雷戰、反潛戰、檢查與識別、海洋調查、通信/導航網絡節點、負載投送、信息作戰、時敏打擊, 并提出了多UUV的概念[5]。之后, 美國海軍未單獨針對UUV再次發布規劃, 而是由美國國防部對陸、海、空各類無人系統進行統籌規劃。2007年, 美國國防部發布了《2007-2032年無人系統發展路線圖》[6], 首次提出了地面、水下、空中統一的無人系統總體發展戰略規劃, 并表示未來25年美國將逐步建立一支完善而先進的無人作戰部隊。2009年、2011年、2013年美國國防部又先后對無人系統發展路線圖進行了修訂, 進一步強調了陸?？崭鳠o人系統的協同工作能力。2016年10月, 美國國防科學委員會發布了《下一代水下無人系統》報告, 對于美國國防部在下一個10年及以后如何維持水下優勢提出了重要建議[7]。

由美國制定的系列發展規劃可以看出, UUV正由單個系統朝向集群化趨勢發展, 并與其他無人系統組網協同, 通過網絡化無人平臺的分布式態勢感知和信息共享, 提高作戰效能。目前, 美國已基本解決了單個UUV技術, 并正在向多UUV自主集群協同及海陸空集群協同發展?？v觀美國UUS的發展, 體系化、集群化以及對新概念水下航行器的探索成為其顯著特點。

1) UUV向體系化發展

美國海軍空間和海戰系統司令部(space and naval warfare systems command, SPAWAR)的先進無人搜索系統(advanced unmanned search system, AUSS), 最大潛深6 000 m, 最大速度5 kn, 一次充電可在深海進行10 h的搜索活動, 攜帶的水聲通信設備可保證在6 000 m的水下向水面傳送電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)電視或側視聲吶數據。

美國在研發水下航行器的過程中, 還特別注重體系化發展。比如由伍茲霍爾海洋研究所設計的REMUS(remote environmental monitoring units)系列化水下航行器(見圖1)。

(a) REMUS 100

(b) REMUS 600????(c) REMUS 6000

圖1 REMUS系列化無人水下航行器

Fig.1 Remote environmental monitoring units(REMUS)

該系列具體包括REMUS 100、REMUS 600、REMUS 3000、REMUS 6000等型號, 可用于反水雷、航道偵察、港口警戒、地形測繪以及深水取樣等任務, 目前有超過150艘REMUS水下航行器在北約國家中使用[8]。該系列水下航行器主要技術參數參見表1。

表1 REMUS系列化水下航行器主要技術參數

2) 新概念型水下航行器研究

美國新一代水下航行器“曼塔” (Manta)主要用于新概念及新技術的試驗[9]。該航行器采用非常規的扁平外形設計, 懸掛在潛艇外部, 由潛艇釋放自主執行任務(見圖2)。Manta采用模塊化結構設計, 可根據任務需要攜載不同的傳感器、武器及對抗設備, 執行情報搜集、偵察、監測、反水雷及反潛等多種任務, 完成任務后返回, 可重復使用。Manta的研制分2期進行, 近期排水量56.9 t, 長度15 m, 寬度5.8 m, 高度1.7 m; 遠期排水量91.700 t, 航程2 000 km。

新一代翼身融合水下滑翔機(X-Ray)由華盛頓大學應用物理實驗室在美國海軍研究辦公室(office of naval research, ONR)資助研發[10]。該滑翔機創造性地采用翼身融合布局外形, 在為能源和有效載荷提供足夠空間的同時, 還能實現高升阻比和大滑翔比(見圖3)。X-Ray翼展6.1 m, 滑翔速度1~2 kn, 用于探測和跟蹤淺水域的安靜型潛艇。美國軍方宣稱X-Ray可以在指定區域內迅速部署并進行長達數月的運行, 監測范圍超過1 000 km。Z-Ray是X-Ray的下一代產品, 具有更好的水動力性能, 其所有子系統在2010年3月進行了不同深度(最大深度300 m)的海洋試驗, 試驗結果十分理想。

(a) X-Ray

(b) Z-Ray

圖3 翼身融合水下滑翔機

Fig.3 Blended-wing-body underwater glider

“深海浮沉載荷”(upward falling payloads, UFP)是由美國國防高級研究局(defense advanced research projects agency, DARPA)提出的一種水下預置無人系統[11]。該系統為在4 000 m深海布置的密封吊艙, 內置傳感器、無人機、導彈等有效載荷, 潛伏期長達數年, 并在需要時遠程遙控激活, 吊艙浮出水面, 釋放有效載荷, 執行軍事任務。UFP項目研究分為3個階段: 概念測試階段(2013年)、樣機開發階段(2014年)、演示驗證階段(2015年~2016年)。美海軍計劃于2017年進行UFP實戰化部署。圖4為UFP概念圖。

3) UUS的集群化發展

隨著各類水下航行器潛深、航程越來越大, 功能越來越多樣化, UUS集群也取得了突飛猛進的發展。美國先后開發了多型海陸空聯合作戰網絡體系, 利用UUV作為水下移動節點, 與其他固定/移動節點構成水下預警系統, 實現海洋數據采集、軍事偵察及信息對抗等任務[12-14]。

美國海軍自1998年起多次進行廣域海網(Seaweb)的海底水聲通信試驗, 旨在提升未來海軍作戰能力。Seaweb是一種典型的海底水聲傳感器網絡, 通過水聲通信鏈路將固定節點、移動節點和網關節點連接成網(見圖5)。美國在2001年的Seaweb2001演習中共布設了40個通信節點, 并利用潛艇“USS Dolphin”號在布網區域中現場進行有關網絡性能的測試。

可部署自主分布式系統(deployable autono- mous distributed system, DADS)是美國ONR和SPAWAR聯合研發的未來海軍瀕海防雷反潛項目, 如圖6所示。美國海軍在2001年6月進行了DADS應用的艦隊作戰(FBE-I)試驗。該試驗系統由14個固定節點及數個移動節點組成, 包括2個傳感器節點、2個浮標網關節點和10個遙控聲吶中繼節點, UUV作為移動節點加入網絡, 網絡服務器部署在岸基指揮中心。

先進可布放系統(advanced deploymental sy- stem, ADS)由美國洛克希德-馬丁公司設計和開發。每個ADS由4個互聯的陣列安裝模塊組成, 每個安裝模塊可釋放UUV, UUV沿預設路線展開體內的光纜和水聽器陣列(見圖7), 實現對潛艇和水面艦船的探測跟蹤, 監測水雷布放活動。ADS之間還可以通過浮標相互通信, 形成更大的水下探測網絡(見圖8)。

水下持續監視網(persistent littoral underwat- er surveillance network, PLUSNet)于2006年開始研制, 它以巡航導彈核潛艇為母節點, 以核潛艇攜帶的UUV為移動子節點, 以水下潛標、浮標、水聲探測陣為固定子節點, 構成一種潛布式海底固定加機動的水下網絡, 如圖9所示。

該系統可獲取海洋環境信息、探測水下目標,為水下作戰提供支撐, 已于2015年形成作戰能力。美國電船公司基于巡航導彈核潛艇, 已經為PLUSNet開發了一種新型搭載系統進行隱蔽布放(見圖10)。美國海軍計劃通過PLUSNet和ADS一起構成未來水下反潛網絡[15]。

4) 其他新項目的研發

2015年, 美國加大了該領域的研究力度, 并發布了多個新項目的研發計劃[2]。

美國科學應用國際公司為DARPA研制的反潛戰持續追蹤無人艇(ASW continuous trail unma- nned vessel, ACTUV)項目, 旨在應對未來安靜型柴電潛艇的威脅。該艇具有探測、跟蹤、告警及規避功能, 能夠進行無線和衛星等多種通信。艇體采用復合材料, 暴露在水面上的部分以及雷達反射截面較小, 具有很好的隱蔽性和淺海航行能力。航速達到27 kn, 作戰半徑達到3 000 km, 續航時間為3個月, 具有極佳的前沿部署能力及大范圍反潛能力。

大直徑無人水下航行器(large displacement unmanned undersea vehicle, LDUUV)具有掃雷、跟蹤、情報偵察、自主工作、智能化攻擊的能力, 可搭載各種類型的導彈、炸彈甚至核彈進行自主攻擊; 既可獨立使用, 也可在包括巡航導彈核潛艇、弗吉尼亞級攻擊核潛艇和水面艦艇等多種平臺上部署。該潛器計劃2017年服役, 2020年具備完全作戰能力。

2016年5月, 英國BAE公司開始為DARPA研發“深海導航定位系統”(POSYDON)項目。該系統由固定部署在海底的大量水聲傳感器組成, 水下航行器無需浮上水面尋求GPS定位, 也無需釋放任何射頻傳輸信號, 即可根據傳感器的坐標推算出自身位置信息, 因此可最大限度地降低被探測的風險、成本和動力消耗。該項目研制時間暫定48個月, 分3個階段進行。

1.1.2 俄羅斯

近年來, 俄羅斯大力發展UUV顛覆性技術。2015年11月, 俄披露了正在研發的一種水下高速自主航行器——“海洋多用途系統Status-6”, 該航行器可攜帶核彈頭, 并可在沿海地區破壞敵方重要經濟區域, 造成大范圍的放射性污染。該航行器下潛深度約1 000 m, 速度可達56 kn, 續航約10 000 km。該航行器預計于2019年生產出原型機[2]。

1.1.3 歐洲

瑞典薩博(SAAB)公司一直致力于UUV的研究, 在2015年的英國防務展上, 該公司展出了該領域的多項研發成果。其中, AUV62-MR水雷探測系統具有水雷探測、反水雷、遠程作業與高階自主能力, 采用模塊化設計, 可執行多種任務; 多功能水下航行器SUBROV則是一種最新型的遠程操作UUV, 可被任何潛水艇運載發射, 適于21英寸標準級魚雷發射管; 海黃蜂(Sea Wasp)是一種水下非常規爆炸處理裝置, 采用模塊化設計, 具有優異的適航性, 可執行多任務[2]。

英國南安普敦海洋中心研制的海洋調查與監視水下航行器AutoSub是一個大潛深、遠航程的多用途水下航行器, 最大工作深度1 600 m, 航程500 km。

德國阿特拉斯電子公司研制的無人水下偵察航行器DeepC, 重2.4 t, 續航時間達60 h, 最大航程400 km, 巡航速度4 kn, 最大航速6 kn, 有效載荷300 kg, 最大潛深4 000 m。

1.2 國內發展現狀

近年來, 我國針對單UUV技術的研究已取得突出進展, 中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學、西北工業大學、天津大學、上海交通大學等單位都在該領域進行了大量研究。

中國科學院沈陽自動化研究所研制的系列化水下航行器, 包括“探索者”號航行器、“CR01”航行器、“CR02”航行器、“潛龍一號”、“潛龍二號”航行器等。其中“潛龍二號”在“潛龍一號”的基礎上, 在機動性、避碰能力、快速3D地形地貌成圖、浮力材料國產化方面均有較大提高, 為我國海底多金屬硫化物調查和勘探提供高效、精細、綜合的先進手段。

哈爾濱工程大學在“十二五”國家863計劃支持下, 完成了300 kg級小型自主水下航行器(智水-Ⅳ)的研制, 在蓬萊海域實現了自主連續航行110 km和自主布放等多項功能演示, 最大潛深達1 000 m。

西北工業大學在“十一五”、“十二五”期間分別研制了“300 m航深、300 km航程”和“500 m航深、500 km航程”遠程智能水下航行器, 突破了航行器低速橫向平移與回旋、水下懸停矢量推進與操縱、新型稀土永磁推進電機等關鍵技術, 具有航路自主規劃和安全布放回收能力。此外, 西北工業大學還研制了50 kg級便攜式水下航行器, 航程50 km, 最大工作水深200 m, 具有安全可靠、便于操作、易于維護等優點, 可快速靈活擴展功能模塊, 滿足海洋環境探測和水下觀測的需求。

天津大學研制的“海燕”號水下滑翔機, 采用變浮力滑翔、螺旋槳推進的混合運動模式, 在南海北部水深大于1500 m海域不間斷工作30天, 最大航程超過1 000 km, 創造了中國水下滑翔機無故障航程最遠、時間最長、剖面運動最多、工作深度最大等諸多紀錄。

目前, 國內的研究主要集中于單UUV技術階段, 在航行器集群協同方面開展了一些前期研究, 同時需具備航程數千公里、最大工作水深數千米指標的UUV。此外, 還應重視產品的體系化發展, 研發遠離岸基、自主遠程隱蔽航渡、自行展開軍事對抗的關鍵裝備, 加強對新概念航行器的探索。

2 UUS關鍵技術

UUS是多學科交叉、融合的綜合系統, 蘊涵著大量的基礎科學和前沿技術, 是一個龐大的系統工程。圍繞解決UUS“自主性、互操作、數據鏈、多平臺協同”等核心問題, 需要重點突破以下共性關鍵技術。

2.1 自主航行技術

為了確保UUS能夠在復雜海洋環境中自主協同地完成各項任務, 必須解決環境自適應、自主對接與回收、編隊協同控制、協同導航與定位等技術問題。

1) 環境自適應技術

UUV執行任務時, 能夠根據海洋環境、任務需求、運動約束、通信約束等多時空約束, 合理規劃出最優的航跡或者航路點, 以節約能源、規避危險區域等。航行過程中, 由于海洋環境的變化, UUV根據實時測量信息, 需要避開在其航行路徑上的障礙物或者危險區域, 因此UUV還要求有自主避障的能力, 以適應環境的變化。

此外, 一些任務中UUV要在海底隱蔽航行, 為了保證UUV的安全性, 要求能夠與海底保持一定的高度航行, 因此, 在海底起伏的情形下, UUV要能夠根據海底地形自主調節距底高度。

2) 自主對接與回收技術

為了實現UUV能源補給、數據傳輸的功能, 必須解決UUV與水下基站的自主對接與回收問題。目前, 美國已經實現了在自主海洋采集網絡(autonomous ocean sampling network, AOSN)中通過固定的水下回收器收集UUV的數據并對其補充能量。國內中科院沈陽自動化研究所和哈爾濱工程大學已經進行了一些水面艦船和潛艇通過釋放回收器實現UUV回收的研究, 西北工業大學則開展了潛艇發射管回收UUV時的流體動力和微速控制方面的研究[16-17]。

為此, 圍繞UUV在復雜海洋環境下長時間作業的需求, 應重點解決水下自主對接非定常力學特性分析、水下自主對接過程微速操縱性分析、基于聲學/光學信息融合的水下對接目標定位與定向等關鍵技術。

3) 編隊協同控制技術

多UUV協作過程中, 需能夠自主進行任務分配。巡航過程中, UUV通過與其他平臺的信息交互, 使多個平臺之間保持一定的距離航行, 并隨時共享相互間的探測信息, 當UUV探測到環境信息變化需要改變隊形時, UUV能夠通過相互之間的協調來自主完成隊形變換。當對目標進行協同攻擊時, UUV之間能夠根據指定的方式對目標實施打擊。圖11為UUV編隊協同控制示意圖。

4) 協同導航與定位技術

高精度的導航定位是多UUV系統完成任務的基礎。通過UUV間導航信息的共享, 即多UUV間的協同導航, 在提高系統整體導航定位精度的同時, 既可降低導航定位成本, 還可擺脫基陣/母船的束縛, 使用區域靈活。目前, 協同導航與定位主要有領航跟隨式和分布式2種。領航跟隨式中, 領航UUV配置高精度導航傳感器, 跟隨UUV配置低精度導航傳感器, 領航UUV的數量一般2～4個, 理論上跟隨UUV數量不受限制; 跟隨UUV一般需與領航者通信, 并且領航UUV間需要具備配合能力。分布式中, 每個UUV具有相同的導航傳感器配置與同等地位, 一般要求UUV與多個鄰居通信, 由于目前世界先進的美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研制的水聲通信系統Modem較可靠的通信率也只有32 Bytes/10 s, 故適合于UUV數量較少的場合。

2.2 水下數據鏈通信技術

為了實現UUV多平臺間的數據共享, 必須解決水下遠程高速動態通信、水下網絡與空中網絡互聯等技術問題。

1) 水下遠程高速動態通信技術

在執行大范圍、遠航程任務時, 航行器之間以及航行器與母平臺之間需要進行遠程高速動態通信, 以實現信息傳輸與共享。為了實現水下遠程高速動態通信, 重點需要突破深海聲信道遠程通信技術、遠程低誤碼率指令信息傳輸技術以及信息傳輸抗截獲技術等。

2) 水下網絡與空中網絡互聯技術

UUV主要以聲學通信為主, 然而水聲通信存在著水聲信道時域和空域不斷變化、多途效應擴展嚴重、具有頻率選擇性信道衰落、可用頻帶資源有限等限制, 使得UUV的通信距離和帶寬受到限制, 并且誤碼率高。為了實現水下網絡與空中網絡的互聯, 重點需要突破基于移動節點的水聲組網通信技術、水下中繼水聲通信技術、水下網絡-浮標-衛星中繼通信技術等。通過多個移動節點之間的相互通信, 構建水下移動聲學網絡, 將水面浮標作為中繼, UUV可以與衛星實現通信, 從而實現?？仗烊灰惑w協同工作。

3 結束語

海洋是我國經濟可持續發展的重要戰略空間, 更是國家安全的重要屏障。UUS作為海洋防衛的重要裝備, 是我國現代海軍崛起、建設藍水海軍的重要組成部分。

當今各軍事大國都在加緊各類UUS的研制和開發, 美國在該領域的研究更在體系化、集群化以及對新概念水下航行器的探索等方面凸現其技術優勢。相比而言, 我國尚需在系統的集群協同、超遠航程與超大潛深、自主隱蔽作戰等方面加大投入和研發。

鑒于UUS的發展趨勢, 未來研究方向及重點應基于以下幾方面: 1) 仿生技術、人工智能技術將在UUS中扮演越來越重要的角色, 也是我國實現彎道超車的技術突破點; 2) 應盡快召集國內相關技術優勢單位, 在充分調研的基礎上, 制定我國UUS的發展路線圖, 指導相關技術研究; 3) 將UUV與無人水面船、無人地面車輛、無人機等無人系統統籌考慮, 同時開展多種異構無人平臺的聯合協同作戰研究。

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(責任編輯: 楊力軍)

Development and Key Techniques of Unmanned Undersea System

PAN Guang1,2, SONG Bao-wei1,2, HUANG Qiao-gao1,2, SHI Yao1,2

(1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Key Laboratory for Unmanned Underwater Vehicle, Xi′an 710072, China)

Unmanned undersea system(UUS) concerns most of the new concepts and new technologies for modern naval equipment. This paper reviews the development of UUSs in the United States, and analyzes the three features of these UUSs, i.e., the systematization, the clustering, and the exploration of the new concept unmanned undersea vehicle(UUV). This paper also briefly describes the current development of UUSs in Russia, Europe and China, and points out the development gap between China and the United States. Finally, in view of the key aspects of UUSs, such as autonomy, interoperability, data link and multi-platform cooperation, the corresponding key technologies are emphasized. This study may provide a reference for the development of diversified UUSs in China.

unmanned undersea system(UUS); systematization; clustering; new concept unmanned undersea vehicle (UUV); autonomous navigation technology; underwater data link communication technology

TJ630.1; TP242.6

A

2096-3920(2017)01-044-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.003

2017-03-13;

2017-03-25.

潘 光(1969-), 男, 博士, 長江學者特聘教授, 研究方向為水下航行器總體設計、流體力學、水下武器發射與回收技術等.

[引用格式]潘光, 宋保維, 黃橋高, 等. 水下無人系統發展現狀及其關鍵技術[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(1): 44-51.