自主式水下航行器水下生存力關(guān)鍵技術(shù)

侯海平，錢家昌，趙 楠，夏 璟

(1. 中國人民解放軍 91039 部隊，北京 102401；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

作為一種模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及擁有自主能力的無人水下平臺，自主式水下航行器（AUV）融合了能源、推進(jìn)、信息處理、水下導(dǎo)航以及自動控制等技術(shù)，可攜帶多種傳感器和任務(wù)模塊，具有自主性、隱蔽性、環(huán)境適應(yīng)性和可部署性等優(yōu)點。AUV 在軍用領(lǐng)域發(fā)展迅速，被廣泛用于執(zhí)行潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)，反水雷戰(zhàn)，海洋偵察和監(jiān)視及情報搜集，信息通信和目標(biāo)攻擊等，極大拓展了水面和水下作戰(zhàn)空間[1]，是當(dāng)今世界主要海軍國家重點發(fā)展的水下作戰(zhàn)裝備。

水下環(huán)境復(fù)雜多變，AUV 無人無纜工作，控制難度大。若在工作中出現(xiàn)事故，輕則造成任務(wù)失敗，重則失事丟失，造成重大損失。在復(fù)雜海洋環(huán)境中保障自身安全已成為AUV 研制和應(yīng)用的一項重要指標(biāo)[2]，保證并提高AUV 水下生存力是持續(xù)推進(jìn)并加強(qiáng)水下戰(zhàn)斗力建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本文提出對AUV 水下生存力關(guān)鍵技術(shù)的分析。

1 AUV 水下生存力

AUV 發(fā)展呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式多元化、功能模塊多樣化、搭載系統(tǒng)集成化、民用領(lǐng)域商業(yè)化、軍用領(lǐng)域?qū)I(yè)化、應(yīng)用模式群體化等特點，被廣泛用于深海作業(yè)、跟蹤巡視、定點監(jiān)測等。在軍事領(lǐng)域，AUV 通過攜帶多種傳感器和作戰(zhàn)模塊，執(zhí)行武器海底發(fā)射、偵察、反潛、警戒、布雷、獵雷等任務(wù)[3–4]。

AUV 的研究與應(yīng)用包括任務(wù)規(guī)劃、方案設(shè)計、樣機(jī)研制、布放回收等，是一個系統(tǒng)性工程，而水下生存力是貫穿AUV 生命周期的重要因素。AUV 生存力是指AUV 在敵方/我方危險區(qū)域執(zhí)行任務(wù)過程中，對于人為威脅、自然危險的抵御和生存能力，主要體現(xiàn)在高自主能力、安全適應(yīng)性、抗毀傷與自救能力等核心要素。美軍近期發(fā)布的系列報告表明，“生存力”是其在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的重點之一。2019 年1 月4 日，美國蘭德公司應(yīng)美海軍研究局要求，發(fā)布《推進(jìn)自主系統(tǒng)發(fā)展——當(dāng)前和未來海上無人平臺技術(shù)分析》報告，提出“認(rèn)真評估復(fù)雜多任務(wù)平臺的戰(zhàn)場生存能力……”[5]。一項關(guān)于美國海軍水下無人航行器（UUV）總體規(guī)劃研究，確定了遠(yuǎn)期發(fā)展和技術(shù)技資的方向，其中關(guān)于“自主性”中提到“將增加復(fù)雜/動態(tài)/戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中設(shè)備的生存性和自適應(yīng)控制……”[6]。美國海軍2021 財年啟動的CLAWS 項目中也提出開發(fā)并演示大型UUV 生存自主技術(shù)。

2 水下生存力影響因素

AUV 水下生存力影響因素按來源可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要指AUV 主要設(shè)備和內(nèi)部工作環(huán)境等，外部因素主要指AUV 航行中海洋自然環(huán)境、人工障礙物和人為威脅等。

2.1 內(nèi)部因素

作為復(fù)雜的水下系統(tǒng)，AUV 傳感器和機(jī)構(gòu)可靠性對水下生存力起決定作用。AUV 執(zhí)行水下任務(wù)會遇到各種故障和危險，對生存力有影響的內(nèi)部因素按故障類型分為以下5 類[3]：

1）主要設(shè)備故障

包括電源系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等設(shè)備不正常工作情況.

2）通信故障

包括子控制系統(tǒng)間、子控制系統(tǒng)與通信設(shè)備間通信通道不通或通信異常情況。

3）艙室環(huán)境失常故障

包括艙室溫濕度異常，電子艙、電池艙進(jìn)水、有煙霧等情況。

4）軸系環(huán)境失常故障

包括軸推力、扭矩、轉(zhuǎn)速、軸溫異常等情況。

5）位姿超限故障

包括深度、離底高度、縱傾角等姿態(tài)超限情況。

2.2 外部因素

根據(jù)形成條件不同，外部因素可分為自然環(huán)境因素和人工障礙因素。

1）自然環(huán)境因素

AUV 水下作業(yè)時受海流、海況和海底地形影響[7]，如浪流環(huán)境對內(nèi)部儀器設(shè)備的震蕩沖擊、躍層導(dǎo)致的掉深超限等。

海流：海流廣泛存在且局部海區(qū)海流有不確定性，對AUV 影響非常大。AUV 在流速較大的海區(qū)航行時，容易失去控制。當(dāng)AUV 航向與流向成一定角度時，在較大橫流作用下，會偏離預(yù)定航向，特別在狹窄航道航行或通過障礙物時，可能會發(fā)生航行碰撞。

海況：風(fēng)浪較大時，波浪會拍打沖擊AUV，對推進(jìn)器和尾軸造成損害，甚至加劇艇體傾斜，導(dǎo)致艇體失去橫穩(wěn)性，對航行安全極為不利。此外，海況還對AUV 聲納的探測效能產(chǎn)生影響。

海底地形：對于水下鋪管、地形測繪等任務(wù)，AUV 需采用定高方式進(jìn)行地形跟蹤航行。水下地形復(fù)雜多變，當(dāng)AUV 進(jìn)行地形跟蹤航行時，一些陡峭或坡度變化劇烈的地形，尤其起伏的珊瑚礁和暗礁會對其構(gòu)成威脅。

2）人工障礙因素

AUV 的作業(yè)深度范圍從幾十米到幾千米不等，水層中有大量已知或未知人工障礙物[8]，對AUV 航行中能否安全躲避提出很高要求。水下障礙物可分為靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物，其中靜態(tài)障礙物有廢棄漁網(wǎng)、沉船殘骸等，動態(tài)障礙物有水下漂浮物和其他水下航行器等，常常是突發(fā)和不可預(yù)知的。

3）人為威脅

AUV 執(zhí)行水下隱蔽任務(wù)時，存在人為威脅因素。一是AUV 殼體具有一定聲反射特性，可能會被敵方主動聲吶搜索和探測到；二是AUV 自身噪聲比海洋背景噪聲高，可能會被聲吶偵察到；三是AUV 平臺若搭載了主動聲吶載荷，發(fā)射信號可能會被敵方聲吶探測到；四是AUV 在日常偵察或作戰(zhàn)應(yīng)用時，可能會受到敵方水下武器攻擊。

3 提高生存力關(guān)鍵技術(shù)

針對生存力的影響因素，需要發(fā)展和實現(xiàn)AUV 生存力關(guān)鍵技術(shù)，按照技術(shù)類型主要分為高自主能力、安全適應(yīng)性、抗毀傷與自救能力，生存力強(qiáng)的AUV 應(yīng)滿足安全回收、可靠性強(qiáng)、通用性好的要求。生存力影響因素及關(guān)鍵技術(shù)對應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 生存力影響因素及關(guān)鍵技術(shù)對應(yīng)關(guān)系圖Fig. 1 Correspondence diagram of survivability influencing factors and key technologies

3.1 高自主能力

AUV 高自主能力包括高自主控制和精確導(dǎo)航的能力。

1）高自主控制技術(shù)

高自主控制技術(shù)涵蓋了對系統(tǒng)自身軟硬件平臺的智能控制以對外部環(huán)境信息反饋的智能控制等[9]，表現(xiàn)為可依據(jù)事先的規(guī)劃指令和作業(yè)過程中的應(yīng)變指令進(jìn)行最優(yōu)自主控制，更重要的是其控制系統(tǒng)可根據(jù)自身對內(nèi)外的感知信息，結(jié)合任務(wù)要求，自主對路徑、規(guī)避及目標(biāo)等做出決策，形成最優(yōu)行動方案。智能自主控制技術(shù)是使AUV 具有自主學(xué)習(xí)和記憶能力，能自主適應(yīng)多變的海洋環(huán)境，PID 控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及容錯控制等算法都己應(yīng)用到AUV 的運(yùn)動控制上。

2）精確導(dǎo)航技術(shù)

AUV 航行時存在隨時間不斷累積的誤差，對長航時影響很大[10]。AUV 導(dǎo)航性能評估與校正結(jié)果直接決定了長航時AUV 執(zhí)行任務(wù)的成敗。可在慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)上，用GPS 進(jìn)行誤差修正來實現(xiàn)精確導(dǎo)航，該方法需要天線或上浮完成定位，隱蔽性差。也可采用聲波定位和水下環(huán)境地形輔助的聲學(xué)導(dǎo)航，但難度大。目前，美國考慮采用精確水下地形顯示導(dǎo)航系統(tǒng)，但只能針對特定區(qū)域。

3.2 安全適應(yīng)性

航行安全是指AUV 航行時需要滿足不同水下工作環(huán)境考驗，保證其安全性，具體涉及環(huán)境適應(yīng)技術(shù)、低特征性、可靠通信鏈、實時避障技術(shù)和續(xù)航技術(shù)等。

1）環(huán)境適應(yīng)技術(shù)

針對海流、渦流、地形等潛在威脅，AUV 應(yīng)具有環(huán)境自主調(diào)整適應(yīng)能力[11]。

海流適應(yīng)性：航路規(guī)劃中有效利用航行路線與海流構(gòu)成夾角，實現(xiàn)任務(wù)效果與安全性的綜合最優(yōu)。對于智能AUV，可通過掌握海流和潮流信息，利用海流對航行器本身的有利推力，綜合任務(wù)路徑規(guī)劃要求，自主整定航行控制參數(shù)，以節(jié)省自身攜帶能源的消耗。

海底地形適應(yīng)性：對于采用定高方式進(jìn)行地形跟蹤航行AUV，要求其自主控制垂直面深度，實現(xiàn)對海底地形的精確跟蹤，保證地形跟蹤航行安全性。

2）低特征性

低特征性主要指AUV 對于自身特征包括噪聲特征、磁特征、RCS 特征、尾流特征等的隱蔽能力。

低特征性使航行器既不易被敵方兵力發(fā)現(xiàn)，降低自身威脅，又可在敵方攻擊時，高效規(guī)避敵方精確打擊武器。仿生AUV 具有隱蔽性、突防性和欺騙性，將被用于各戰(zhàn)術(shù)領(lǐng)域。如美水下作戰(zhàn)中心主導(dǎo)開發(fā)“蝠鲼”無人艇外形與蝠鲼很像，不僅有強(qiáng)勁動力，且可搭載多種探測器，甚至是小型魚雷等進(jìn)行自主攻擊。

3）可靠通信鏈

可靠通信鏈?zhǔn)侵窤UV 指控過程中通信鏈路抗攔截、防阻塞、反誘騙及信道加密等，是保證AUV 指揮控制、體系支援可行性的關(guān)鍵技術(shù)支撐，也是防止敵方開展信息攻擊進(jìn)而實現(xiàn)反AUV 的主要保障。

4）實時避障技術(shù)

實時避障技術(shù)是指AUV 具備自主識別障礙物、評估當(dāng)前碰撞危險度及決策避障路徑的能力，包括以下3 個方面[8,12]：

環(huán)境和目標(biāo)感知識別：AUV 所處環(huán)境大多情況下是未知和不確定的，AUV 感知系統(tǒng)利用傳感器實時獲得的局部環(huán)境信息，對障礙物目標(biāo)特征構(gòu)建識別。

避障評估與規(guī)劃：AUV 依據(jù)當(dāng)前地形復(fù)雜度、本體機(jī)動性和運(yùn)動狀態(tài)，對障礙物的狀態(tài)估計預(yù)測，實時評估與障礙物碰撞的危險程度，并進(jìn)行局部或全局路徑重規(guī)劃，自主決策當(dāng)前避障行為動作。

實時避障智能控制：AUV 根據(jù)避障評估與規(guī)劃結(jié)果，進(jìn)行實時行為決策，繞開動態(tài)礙航物，減少威脅。運(yùn)動中，隨著動礙航物數(shù)量增加，運(yùn)動的不確定性增加，避障難度也隨之增大。

5）續(xù)航技術(shù)

續(xù)航能力是決定AUV 作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素，遠(yuǎn)航程、長航時的AUV 才能滿足未來海上戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求[9]。

動力能源是AUV 動力系統(tǒng)及負(fù)載設(shè)備能否正常工作、性能提升和任務(wù)拓展的關(guān)鍵影響因素，電池是AUV 水下工作的唯一動力能源，大能量密度、長續(xù)航能力、安全可靠、能大潛深運(yùn)行的電池技術(shù)是未來AUV 動力的發(fā)展方向。如俄羅斯正在發(fā)展重型AUV，燃料電池或核動力推進(jìn)系統(tǒng)將允許AUV 航行超過一個月。國際上正在研究類似熱機(jī)系統(tǒng)等具有潛力的創(chuàng)新技術(shù)和新型能源，如發(fā)射性同位素電池等，具有壽命長、質(zhì)量輕等優(yōu)點[13]。

3.3 抗毀傷與自救能力

AUV 執(zhí)行水下任務(wù)時易被敵方武器攻擊或出現(xiàn)各種故障。抗毀傷、強(qiáng)故障診斷與容錯控制以及自救能力能為保證AUV 水下生存力提供保障。

1）抗毀傷能力

抗毀傷能力是指航行器面臨敵方武器打擊時，通過合理的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、冗余備份和防護(hù)裝甲，具備對于爆炸、沖擊、高溫等極端條件的抵抗能力，以降低航行器部件損毀，進(jìn)而提高生存能力。

2）故障診斷與容錯控制技術(shù)

AUV 故障診斷與容錯控制技術(shù)可以及時對傳感器故障、推進(jìn)系統(tǒng)故障和設(shè)備自身安全故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行容錯控制，減輕AUV 的故障損害，保證繼續(xù)水下作業(yè)。若故障未被及時檢測出，可能會帶來災(zāi)難性后果。2005 年英國Autosub-2 號AUV 作業(yè)時可能因硬件故障導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷而丟失，2010 年美國伍茲霍爾海洋研究所（WJOI）ABE 號AUV 作業(yè)時可能因玻璃浮球內(nèi)爆摧毀系統(tǒng)導(dǎo)致失聯(lián)丟失。因此，AUV 應(yīng)具備實時狀態(tài)監(jiān)測、自身故障診斷及檢測出故障后措施應(yīng)對的能力。一些先進(jìn)的人工智能方法和分布式應(yīng)急處理策略已逐漸運(yùn)用到故障診斷中[3,14–15]。

3）自主應(yīng)急自救技術(shù)

系統(tǒng)故障診斷并進(jìn)行容錯控制后，若仍無法保證AUV 的安全性，需進(jìn)行自主應(yīng)急自救。在操作人員無法干預(yù)情況下， AUV 主要通過安全拋載方式實現(xiàn)應(yīng)急自救，安全自救系統(tǒng)在應(yīng)急工況下通過產(chǎn)生正浮力自動上浮至水面，啟動通信定位系統(tǒng)達(dá)到自救目的。對于智能AUV 自救系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)急系統(tǒng)檢測出高優(yōu)先級故障，立即將作業(yè)工況切換至應(yīng)急工況，并根據(jù)故障優(yōu)先級進(jìn)行應(yīng)急決策，輸出應(yīng)急結(jié)論并執(zhí)行應(yīng)急智能自救處理[2]。AUV 自主應(yīng)急自救系統(tǒng)向著小型化、集成化、多種方式冗余化等方向發(fā)展。

4 結(jié) 語

AUV 水下生存力事關(guān)水下作戰(zhàn)力量的發(fā)展，AUV的研發(fā)、裝備和體系化應(yīng)用，必將顛覆傳統(tǒng)海戰(zhàn)模式。應(yīng)大力發(fā)展無人水下平臺技術(shù)，提高其技術(shù)性能和作戰(zhàn)能力。