無人艇在水面靶標應用與關鍵技術研究?

王海濤 刁世倫

（91550部隊43分隊 大連 116023）

1 引言

無人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）［1］也稱為水面機器人，作為一種智能任務平臺，具有海上自主環境感知、認知與行為能力，隨著船舶設計、自主導航、航行控制、無線通信和人工智能等專業領域的發展，在國內外逐漸進入實際應用階段，可承擔海洋資源探測、海洋環境調查、海洋運輸、海上巡邏與搜救、反水雷與反潛、火力打擊等任務［2］。美海軍的無人水面艇總體規劃了七類作戰使命：包括反水雷、反潛、海上安全、海面作戰、特種作戰、電子戰和海上攔截作戰［3～4］。目前美國、以色列、歐洲與日本等西方國家的無人水面艇技術水平較高，而國內的無人水面艇研發與應用尚處于起步階段。

水面靶標為反艦武器海上飛行試驗提供水面模擬艦船目標［5］，給反艦武器提供水面艦船的雷達散射特性、雷達輻射特性、紅外特性及以上復合特性模擬；同時為脫靶量測量、過靶實況等觀測裝備和各種艦載主被動電子干擾裝備提供安裝平臺，完成反艦武器的過靶段的觀測任務和抗干擾性能考核。靶標進行海上試驗保障時無人值守，其靶載設備的操作均為位于陸地遙控站或母艦上的操作人員遙控操作。水面靶標使用時作為海面固定靶或者機動靶使用，在機動靶情況下為人工遙控航行。

2 無人水面艇在水面靶標潛在應用

由于海上使用環境的一致性以及工作時無人值守的共同特點，無人艇技術特點應用于水面靶標上有其先天的優勢。特別是目前的水面機動靶，實際上已具備無人水面艇的雛形，無人艇所具備的自主能力不僅適合于水面靶標應用場合和使用需求，而且可以彌補目前水面靶標存在的很多不足。如圖1所示，利用無人艇相關技術提高水面靶標的保障能力有廣闊的應用場景。

圖1 無人艇在布靶海域應用圖示

1）水面機動靶。目前的機動靶，只是將報廢艦船的航行控制系統改裝為遙控方式后，再加裝無線通信信道，海上試驗保障時機動靶由人工操作，附近有拖船伴航，航行至布靶海域后，機動靶操船人員再跳幫至拖船上，通過遙控終端對機動靶遙控，機動靶編隊控制也是在遙控終端預先編程實現。以上試驗模式在較差海況下作業困難，海上人員工作強度大，試驗現場隨各種工況變化的適應性較差。將無人艇技術應用于機動靶，可提高機動靶的靈活性和多靶標編隊供靶能力。水面機動靶不必再沿海上固定航路航行，可以根據試驗規則和實際海上態勢自行進行航線規劃；利用集群協同的多目標機動靶，編隊模擬更為逼真，為試驗的組織實施提供了更加靈活的技術實施，能夠更好地完成反艦武器對海上編隊的攻擊考核任務。

2）反艦武器末彈道觀測平臺。反艦武器攻擊水面靶標的末彈道測量，對于鑒定武器的末制導精度、評估引戰配合效能和判定殺傷效果起著關鍵的作用。以往末彈道觀測設備均安裝在靶標船體上，無論是雷測還是光測觀察視野均受限，且在試驗中由于武器直接命中船體損耗較大，試驗費效比較低。如果將末彈道觀測設備作為任務載荷安裝在低目標特性的無人艇上，定點停泊在靶標船體周圍進行觀測，無論是采取雷測或光測手段，均可選取最佳的觀測陣位而避免被武器直接擊中，以做到較高的效費比。

3）舷外電子干擾平臺。水面靶標為平臺進行抗干擾試驗，是靶場復雜電磁環境構建的一部分，現代海上電子戰是系統與系統、體系與體系之間的對抗。以美航母戰斗群反導作戰的作戰能力為例，遠程全方位、大縱深、多層次的兵力配置是其電子戰系統配系的特點。在對反艦武器進行抗干擾海上飛行試驗時，可將無人艇作為有源或者無源干擾的安裝平臺，在反艦武器搜索、攻擊水面靶標的整個飛行過程中，有目的地實施有源壓制、欺騙，無源質心、沖淡干擾，達到武器系統抗干擾考核的目的。由于目前現役的舷外有源電子干擾方式多樣，例如可控式NULKA、拖曳式TOAD、；漂浮式SSQ-95、助飛式FLYRT和投擲式Siren等有源誘餌，利用無人艇作為平臺搭載舷外有源干擾設備模擬地方的有源誘餌，具有干擾航路可控、可多次重復使用和試后復盤分析方便的獨特優勢。

4）試驗海域氣象與水文觀測。在海上可長時間可靠地進行重復型工作是無人系統的優點之一，利用無人艇任務航跡點動態實時設定、高精度航跡跟蹤等功能，進行試驗前預定海域的水文與氣象精細觀測，提高觀測的準確率與實時性，為試驗決策提供可靠依據。

5）布靶海域警戒、巡邏與搜救。為了避免出現海上誤擊事故，布靶海域四周會有一定的兵力進行警戒巡邏，防止商船或漁船意外進入危險海域。為了節省人力、物力，利用無人艇完成掃海任務，執行警戒、告警和驅離作業；另外當有意外海上事故發生時，利用無人艇機動能力強的特點，執行人員搜救或危險區域抵近偵察，都不失為可行的技術解決途徑。

3 水面靶標領域無人艇關鍵技術

無人水面艇的核心設計原則是目標任務指導設計，在艇型設計和艙室布置方面，不必考慮人的承受能力與舒適度，其技術特點和發展潛力與水面靶標的海上試驗需求高度吻合。不過，無人艇如果要在水面靶標領域投入實際使用，還需要解決涉及的關鍵技術問題。

3.1 無人艇目標特性控制技術

對于無人艇的目標特性控制主要是對其雷達散射特性的模擬與控制。無人艇的目標特性控制應從艇型設計、艇載任務載荷安裝統一考慮，通過對艇體的綜合優化布置來實現。

無人艇作為機動靶使用時，模擬對象是中小型水面作戰艦艇的雷達散射和運動特性，一般用角反射體組合來達到雷達散射特性模擬的目的；不過由于艇體幾何尺寸有限，如果雷達散射面積模擬要求較大，則可采用RCS主動增強模擬技術［6］，模擬結果復現包含艦船目標信息和環境信息的雷達回波信號中。

無人艇作為靶區觀測平臺或者舷外有源電子干擾平臺使用時，在水面靶標附近機動航行，為了避免艇體的目標特性影響反艦武器導引頭的搜索與跟蹤，須進行雷達散射隱身設計［7］。無人艇雷達隱形設計的基本流程如下。

1）確定無人艇雷達隱身設計目標，給出導引頭雷達威脅區域、工作頻段和入射仰角范圍要求，確定艇體需做隱形設計的方位角和俯仰角范圍；

2）根據導引頭工作頻段和無人艇外形特征，對無人艇外形進行RCS計算；

3）按照任務載荷布置和加工工藝要求，完成整艇設計和非光滑表面光順處理和融合；

4）對艇體特殊搭載載荷部位進行局部主散射源隱身優化設計，對特定散射強點部位進行雷達吸波材料配置，計算全配置下整艇的雷達散射截面；

5）進行必要的艇體縮比模型或全尺寸陸上、海上RCS測試驗證。

3.2 通信保障

無人艇的通信對象［8］包括岸基（或母艦）支持系統、其他無人與有人平臺；通信手段主要包括微波通信、衛星通信和水聲通信，另外，北斗短報文通信也可應用在應急通信方面。通信系統是連接艇載自主航行系統和岸基支持系統（母艦）的橋梁，具有上下行不對稱、高帶寬和低延時等要求。下行數據為母艦對無人艇的遙控指令信息；上行數據為艇自身工作狀態以及導航雷達、光電載荷等感知傳感器信息，由于上行數據包括大量的設備工作和雷達圖像、視頻等傳感器信息，需先進行信息集成融合后再進行壓縮傳輸。

對于微波信道，由于無人艇的通信天線高度受限，海面引起的多徑衰落對通信質量影響很大。目前無線數據傳輸采用的對抗多徑方法主要有擴頻技術、OFDM技術和SC-FDE單載波頻域均衡等技術。擴頻技術在窄帶系統中比較常用，技術成熟，可在上行鏈路中使用；下行寬帶系統中可采用OFDM或SC-FDE技術。對于衛星通信信道，通信距離不受限制，但是受無人艇平臺限制較大，需解決衛通設備安裝與對艇體搖擺敏感問題。為了在不同的工況下保持無人艇通信暢通，應根據數據類型和實時性要求，艇載通信載荷可智能選擇數據的發送途徑，也就是智能路由選擇技術。

無人艇自組網技術，包括無人艇編隊［9］之間內部的自組網、無人艇與其他有人/無人平臺的自組網技術，要求無縫融入現有的試驗測控網和通信網中。無人艇能夠安全穩定地自主編隊航行并預期完成試驗任務，在很大程度上取決于無人艇之間對艇體運動數據、外界傳感器、任務載荷等信息的互通和互操作水平，要求優化無人艇無線自組織網絡協議，開展組網控制、網絡管理和通信安全防護等裝備研制，在此方面基于MIMO模式的MESH通信技術已得到實際應用。另外，還需解決無人艇與其他平臺的異構組網技術，實現陸海空天潛異構立體組網，為有人/無人平臺協同［10］態勢感知、指揮決策等試驗活動的組織實施提供支撐。

3.3 航行環境感知與自主決策

水面靶標模擬目標為作戰艦艇，應用在此場合的無人艇監測對象主要是靶區海域的海面目標。目前采用的外界環境傳感器包括導航雷達、毫米波雷達、激光雷達［11］、光電載荷［12］、AIS和氣象站等各種類型傳感器設備，實現一定距離范圍內的海面目標探測。無人艇基于每種傳感器的探測特性對特定目標進行檢測、跟蹤、識別等由粗至精的融合處理，再結合電子海圖和艇內組合導航單元信息，構建水面環境立體態勢圖，實現無人艇對航行周圍環境自主、準確完整的認知，在此基礎上才能正確快速進行航行規劃、自主航行控制與自主避碰等操作。

不過與其他無人平臺無人車、無人機等相比，無人艇所處的海洋環境更為復雜多變，具有動態、不確定和復雜性，尤其是在惡劣的海況下航行時具有其特殊性，在環境感知方面也更加地困難，除了受海上光照、能見度因素等影響外，還面臨特殊挑戰，如艇體劇烈升沉搖擺、海面目標可觀性弱與尺度變化大、浪花飛濺與不規則海岸線外來干擾等困難；而目前各類艇載傳感器基本上是從其他應用的現有產品中選取使用，很少根據實際使用環境與探測需求進行針對性的設計與研制，更加劇了對航行環境感知的困難。同時，國內無人艇基于多傳感器的在時間和空間上深入融合理論、實踐應用均尚未成熟，因此目前在較復雜航行環境中，完全依靠無人艇自主安全可靠航行在短時間內技術上尚無法實現。所以在復雜情況下，無人艇就需要依托岸基支持系統給予智能決策和相關背景知識支持，在結合岸基支持系統基礎上構建無人艇智能環境感知與信息融合、風險預警模型和理論，在此方面硬件條件已具備，可由試驗指揮控制中心承擔。岸基支持系統通過無線通信信道獲取無人艇周圍靜、動態目標以及航行條件，再進行智能融合關聯分析，運用深度學習、知識庫、情景計算等智能理論，輔助無人艇進行智能決策，并同時向無人艇提供航行海域海況與氣象支持。

3.4 海上布放與回收技術

隨著向藍海海軍發展和反艦武器射程的提高，無人艇需搭載在母艦上在遠海執行試驗任務。母艦利用可靠的布放與回收裝置［13］，完成高海情下無人艇的收放作業自動化，不需操作人員下水進行輔助吊放操作，對提高無人艇的可用率和試驗效率有重要意義。

目前國內外無人艇采用的收放技術主要有三種：吊放式、艉滑道式和塢艙式。吊放式收放技術包括艉部吊放和舷側吊放，應用較為普遍，布放可利用電磁閥開關與吊鉤解脫；回收則較為復雜，首先通過彈射機構把彈射頭和引線從艇上自主控制彈出，然后云臺機構控制彈射機構的姿態確保把彈射頭和引線彈到母船上，然后對接機構把艇體與母船對接并起吊。艉滑道式通過滑道裝置完成無人艇收放作業，回收時選擇合適沖排時機，無人艇以高于母艦航速進入艉部滑道，通過滑道前方阻攔索與艇艏掛鉤機構掛接，阻攔緩沖機構吸收無人艇沖排動能，使其在短距離內受到阻攔而停止；布放時無人艇由電控機構打開掛鉤，艇艏與阻攔索分離解脫后下滑至水面。塢艙式收放技術將無人艇存儲在母艦塢艙內，布放前打開艙門向艙內注水，在托架上的無人艇浮起后打開鎖定裝置，人工遙控其駛離托架；而回收作業程序與上述過程相反。

吊放式收放技術對母艦航速、海況適應性較差，安全性較低，但由于傳統習慣，海上作業艦船以往大都采用此種方式，不需對母艦船體做大的改動，目前大量采用且繼續發展；塢艙式收放技術受航速、海況等因素的影響較小，但對船體空間結構要求高；艉滑道式收放技術在適應海況、空間需求、母艦航速、可操作性等方面綜合表現更好，更適合于無人艇收放需求。這就要求今后的試驗保障艦設計建造時綜合考慮各型無人艇收放需求，設計專用的無人艇收放裝置。

4 結語

綜上所述，水面靶標試驗需求與無人艇的先天技術特點高度吻合，在此領域有廣闊的發展前景。今后應以水面靶標的海上試驗需求為牽引，借鑒西方國家無人艇相關建設經驗與技術，進行總體規劃，在無人艇型譜、艇載設備和任務載荷、岸基支持系統和母艦保障裝備等方面加強頂層設計與標準化工作，攻克關鍵技術，論證建設先進可靠的專業艇載感知傳感器和任務載荷，逐步發展成熟可靠的自主控制與感知理論體系和技術架構，不斷提高無人艇自主控制能力、環境感知和智能化水平，加速促進把無人艇技術轉化為水面靶標保障能力。