便攜式水下自主航行器在水下特種作戰中的應用*

曹曉霖

（中國船舶集團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、蛙人運載器釋放至目標區域，特定地對港口、航道、淺灘等區域實施監測任務，獲取詳細的情報數據信息，為水下特種作戰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敵港內的艦船、水底通訊樞紐、水下爆炸物等關鍵目標進行破壞活動，為水下特種作戰提供一種破壞手段［1～2］。

水下特種作戰作為海軍部隊實施的一種新的作戰樣式，在未來海上作戰中將發揮重要作用，而便攜式水下自主航行器是一種典型的水下特種作戰裝備。因此，對于便攜式水下自主航行器的發展現狀、特點和典型使用流程等進行深入分析，將為海軍的水下特種作戰提供理論依據和技術支撐，具有重要的軍事意義和較高的軍事實用價值［3］。

2 AUV的研究現狀

2000 年，美國海軍提出了AUV 在軍事應用方面的7 種使命和4 種作戰能力，對關鍵技術進行了風險評估，描繪了2030 年之前AUV 的發展藍圖。Remus-100 和Remus-6000 智能水下機器人［4］如圖1和圖2所示。

圖2 Remus-6000智能水下機器人

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行了演示活動。Deep C 重2.5 t，作業水深4 km，續航時間約50 h，最大裝載能力為250 kg。可執行水下管線檢測、海底電纜鋪設、海床勘探和海底資源調查等任務，其潛在軍事應用價值已引起德海軍的關注。

Gavia AUV 是冰島TELEDYNE 海洋系統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、易維護的水下測繪平臺，可從艦船或岸基布放，搭載各種探測設備，完成水下測繪、目標搜索、地質調查等任務。

Bluefin-9 型AUV 是美國馬塞諸塞州金槍魚機器人技術公司研制的小型快速自主水下自主航行器，該水下機器人具備水雷戰和情報收集、監視和偵察的能力。它采用獨立的電池艙和數據模塊艙設計，很容易通過AUV 頂上的艙口進行更換，其更換時間不超過15 min。因為Bluefin-9 型AUV 重量小，單個人員就能從各種艦艇和小船上進行部署。Bluefin-9型AUV的實物照片［5］如圖4所示。

圖4 Bluefin-9型AUV

A9-S 型AUV 是法國ECA 公司生產的便攜式AUV，主要用于精確海岸測量，適應于多種工作平臺，具備高精度慣性導航系統，擁有友好的任務管理系統，其轉彎半徑小、運動靈活，適于進行水下目標搜索工作。A9-S型AUV實物圖如圖5所示。

圖5 A9-S型自主水下自主航行器

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

圖6 Merman300型AUV

3 便攜式水下自主航行器的關鍵技術

雖然各國研究機構及制造廠商在便攜式水下自主航行器的關鍵技術及關鍵部件的研制方面取得了一些成果，但由于工作環境及任務要求等因素的限制，仍存在一些技術難點。其關鍵技術主要有以下幾個方面［6～9］。

1）多傳感器信息融合技術

單一的傳感器采集的數據雖然解決了基礎數據問題，但容易導致局部數據錯誤、不準確而導致環境狀態誤判，然而通過多傳感器信息融合技術可以提高環境狀態判斷準確率，減少誤判，通過對多個數據進行排除明顯錯誤的數據信息達到提升準確率的目的。多傳感器信息的采集錯綜復雜，按其抽象程度分為數據層融合、特征層融合和決策層融合［10～11］。

2）總體集成配置技術

AUV 在未來海上對抗中將具有不可替代的作用，隨著AUV和相關技術的發展，對AUV的執行任務的能力和尺寸要求也愈加嚴格，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。因此，需根據指標和功能要求，對系統指標和功能指標進行分解，并對AUV 的載荷搭載能力和阻力特性等進行深入分析的計算，然后提出總體最優配置。

3）低阻力技術

進行AUV 外形設計時，需綜合考慮其內部空間的使用情況、布放、回收的難易程度和航行效率等因素，同時應充分考慮外形產生的阻力，并應有針對性地進行流體動力仿真優化計算，進而達到大幅減少水下航行阻力和節省寶貴能源的目的，從而提升AUV的續航力。

4）降噪技術

AUV 的隱蔽性是其生命力和戰斗力的重要體現和基本保障，對推進系統噪聲特征的控制一直都是水下航行體設計的核心任務。目前在研的AUV降噪方法包括采用機械隔離裝置、吸聲外殼涂層、低噪音推進電機、螺旋槳和泵噴方式等。

5）新型能源技術

AUV 對海軍裝備將起到巨大的推進作用，并且隨著海軍裝備“由近海防御向遠海防衛”的海軍轉型建設需求，AUV 的作業半徑將是其中一個關鍵指標，其中能源的多少極大地限制了AUV 執行任務的半徑。常規的電池只能給AUV 提供2 天的工作時間，而燃料電池可為AUV 提供數天（并有望長達數周）的作業時間，使AUV 可在深遠海目標海區預置潛伏，長時間對目標海區進行監測。

6）導航定位技術

導航設備是AUV 的核心裝備，是提升AUV 快速反應能力、執行任務能力、協同作戰能力以及精確攻擊能力的基礎。在信息化戰爭環境下，發展以慣性導航為核心的自主、可靠、高精度導航定位技術，可為AUV 執行任務提供精確導航定位、定向信息，是進一步發揮AUV作戰效能的重要途徑。

7）平臺小型化、輕量化設計技術

便攜式水下無人偵察作戰平臺以功能需求為牽引開展三維數字化設計，同時利用模塊化、集成化的設計思路開展航行器總體方案設計，通過合理的結構布局和總體設備統籌配置等工作，解決各分系統之間的接口和通信協議等技術問題。同時，在詳細設計階段通過數字化仿真手段進行結構的耐壓密封設計和水動力特性優化設計，同步開展設備試裝性方面的研究工作，達到有效控制航行器總體的重量和尺度，實現航行器小型化、輕量化設計要求。

8）高分辨率探測識別技術

高分辨率探測識別技術主要包含高分辨率小型聲吶集成應用技術、聲吶及圖像自主識別技術和精準控位抵近技術。高分辨率探測識別技術是便攜式水下作戰平臺的核心關鍵技術，其有助于提高水下目標偵察的作戰效率和準確性。該技術主要解決平臺搭載聲吶的電磁兼容和聲相關、小目標自主探測與辨識以及平臺自身姿態精準控制等問題。

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、潛航體和綜合保障系統組成，其中水面遙控系統主要完成人機交互、任務裝定、路徑規劃、探測結果下載、數據分析以及對潛航體的水面遙控；綜合保障系統主要用于潛航體的裝配維修、包裝、運輸防護、水聲通信和定位以及布放回收；潛航體按模塊化設計由頭部模塊、電池模塊、控制模塊、推進模塊及處理模塊組成。便攜式水下自主航行器系統組成如圖7所示。

圖7 便攜式水下無人作戰平臺系統框圖

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指定海域后，首先進行技術準備和設備功能檢查等準備工作。然后，將便攜式水下自主航行器布放入水，按照預先規劃的任務進行水中自主航行。到達任務點后，進行任務執行，并記錄相關信息。任務執行完成后，便攜式水下自主航行器返回至布放點，回收裝備。最后，進行后期數據下載、分析和處理，為后期任務執行提供數據支撐。具體包含以下過程［12～13］：

1）準備

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

2）水中航行

便攜式水下自主航行器布放入水后，按照設置文件的要求進行水中航行，到達目標區域附近后，便攜式水下自主航行器按照規劃的任務模式進行任務執行。

3）任務執行

到達目標區域附近后，便攜式水下自主航行器按照規劃的任務模式進行任務執行，如開啟目標搜索模式，可進行目標搜索，發現可疑目標則抵近目標進行進一步識別，直到任務結束。

4）任務結束返航

任務結束后，便攜式水下自主航行器按照設置文件返航，航行至上浮點，浮出水面并示位，等待回收。

5）回收和數據下載、處理

通過橡皮艇或其它小型運輸裝備將便攜式水下自主航行器進行回收，完成回收后進行簡單的維護保養，最后進行后期數據下載、分析和處理，為后期任務執行提供數據支撐。

6 結語

便攜式水下自主航行器是一種典型的無人作戰裝備，其研制始于20世紀80年代，隨著微電子技術、計算機技術、人工智能技術、小型導航設備、邏輯與軟件技術的發展，成為了一種重要的水下信息搜集平臺，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、模塊化等優點于一體的多功能便攜式水下自主航行器迫在眉睫。