大型AUV及其水面偵察技術淺析

張亞軍

（1.中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.清江創新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

自主水下無人航行器（Autonomous Under-water Vehicle，AUV）是一種自帶能源，通過融合多種探測傳感器，依靠高精度導航控制、自主避碰、目標識別等技術，通過預置指令或接收遙控指令，在指定的水域開展目標隱蔽偵察或情報收集，一旦暴露或戰損，由于不存在人員傷亡，經濟損失也較小，適合執行各種高風險任務。1996年美國國家研究委員會將AUV列為重大項目，為AUV賦予了更多的使命。2000年美國海軍提出了2030年前AUV的發展規劃，明確了包含情報/監視/偵察（ISR）在內的9項使命任務。2005年美海軍發布的《無人水下航行器總體規劃》中規定，將AUV執行ISR作為最優先的任務[1]。目前投入使用的AUV大部分以偵察、探測為主，根據目標所處的空間位置，將AUV搭載的偵察傳感器類型分為水面和水下，提供的情報類型包括圖像情報、信號情報、測量和特征情報[2]。傳統的AUV利用聲學設備以水下探測為主，隨著AUV向大型化和多用途方向發展，AUV功能和應用領域得到不斷拓展，偵察的方向逐步向水面和空中延伸，搭載的偵察載荷由傳統的聲學向光電、電磁等傳感器方向發展。

近年來為提高AUV的裝載能力和作戰能力，各國都積極開展大型AUV的研發[3]。其中美國在此領域的發展最為迅速，尤其是在2016年修改了對大型AUV的采購方案，加強了對大型AUV的研究和試驗驗證。其他國家如俄、英、意、伊朗等國也開展了大型AUV原理樣機以及相關載荷的研制。這些大型AUV在重量和尺度上均突破了以往常規AUV的標準，裝載的載荷更多，擔負的使命也更多樣化，大部分大型AUV均搭載了水面偵察載荷如光電偵察設備、電磁偵察設備，實施對水面、空中等目標的偵察。

1 國內外大型AUV及搭載水上偵察載荷現狀

1.1 美國大型AUV發展現狀

在2016年美海軍的《2025年AUV需求》中，將AUV根據口徑大致分為4個等級，分別為小型、中型、大型和超大型[4-5]，并提出要加強對大型UUV的使用，尤其強調對所研制的“曼塔”（Manta）和“創新型海軍原理樣機”等大型UUV的快速利用[6]。2018年，美公開的《無人系統綜合路線圖2017–2042》中指出為適應未來海上聯合作戰需求，無人系統應聚集全域作戰，相關技術應支持跨域指控[2]。2016年，美海軍在美國海上力量網站上公布了未來幾年開發和用于試驗的大型AUV的細節和采購數量，同年對大型AUV進行了測試。2017年，在美發布的《恢復美國海權》報告中，要求海軍未來裝備大型與智能型AUV，將其作為一種多任務、多功能，并攜帶多種有效載荷的水下作戰平臺[6]。

圖1 “黑魚”超大型AUVFig.1 Black Fish XL UUV

圖2 “回聲旅行者”超大型AUVFig.2 Echo Voyager XL UUV

圖3 “虎鯨”超大型AUVFig.3 Orca XL UUV

圖4 “大鍵琴”重型AUVFig.4 Harpsichord XL UUV

圖5 法國超大型AUVFig.5 XL UUV of Franc

圖6 伊朗研發的大型AUVFig.6 Iranian large UUV

圖7 HSU-001大排量無人潛航器Fig.7 HSU-001 LDUUV

美國有多型在研在役的UUV，覆蓋各種排水量和動力類型，其中重型AUV中，已經服役的有3型，還有多型處于研究階段。在大型UUV中，目前多型在研，近期即將服役的是LDUUV，其余均在論證中[7-8]。在整個大型AUV的研發過程中，美先后提出了多項大型AUV計劃，包括在2002年完成樣機研制的“曼塔計劃”、目前在研的“水螅計劃”和“爪子計劃”，其中最具代表的典型大型AUV裝備有“曼塔”“回聲旅行者”“虎鯨”和“黑魚”等。

1）“曼塔”大型AUV。

美國海軍水下戰中心研制的航行器被命名為“曼塔”（Manta），外形類似“魔鬼魚”的無人潛航器，其中一種長度為25 m，有效載荷14 t。該AUV裝備有模塊化的傳感器系統及武器系統，可通過水聲、無線電、光電搜索任務，執行情報搜集和監視敵方動態，并將信息發回母艇，搜索跟蹤目標并在適當的時機打擊敵方目標。

在“曼塔”上搭載的水面偵察載荷包括安裝于通氣管的情報監視偵察載荷，該偵察載荷利用紅外攝像機和視頻攝像機、雷達信號接收設備進行目標偵察。在2001年對“曼塔”I型進行了攜帶有效載荷包括熱成像儀、雷達偵聽接收機等的試驗。

2）“海馬”大型AUV。

“海馬”（Sea Horse）大型航行器是基于核潛艇攜帶與使用為主導的，長度8.69 m，直徑0.97 m，最大工作潛深300 m，空氣中重量5 000 kg，最大潛深300 m，排水量4.5 t，任務距離1 000 km，于2016年開展了相關試驗。

該AUV具備任務可重構能力，可用于水面與水下情報偵察，反水雷和探潛等任務。

3）“黑魚”超大型AUV。

以“黑魚”（Black Fish）命名的超大型AUV是基于“海馬”原型上重新設計研制的。

該型AUV重點通過安裝有效的偵察載荷，包括電子戰、反潛戰及反水面戰等的有效載荷，開展情報/監視/偵察（ISR）任務和擴展空間作戰，美海軍核潛艇可攜帶“黑魚”來拓展其作戰范圍。

4）“回聲旅行者”超大型UUV。

波音公司研發的“回聲旅行者”（Echo Voyager）超大型UUV，于2017年完成海試。AUV長約15.5 m，重約50 t，載荷重約8 t，潛深達3 000 m以上，可加載長10.36 m的模塊負載艙。該AUV可用于海底大面積監視、投送武器或反水雷，也可用于執行水面情報/監視/偵察。在AUV頂部裝有一個可折疊桅桿，桅桿上集成了自動識別海上船只的自適應信息系統，當UUV浸沒水下時，桅桿放倒與UUV外殼共形：當浮至水面時，桅桿升至4.8 m，并有約2.4 m露出水面。如圖2可看出AUV在近水面時桅桿升起在水面偵察時的狀態[5]。

5）“虎鯨”超大型UUV。

波音公司競標成功的重型UUV被美海軍命名為“虎鯨”（Orca）[9]，該超大型UUV是在“回聲旅行者”基礎上研發的，在外形上像加長版的“回聲旅行者”。基本型長度32 m，重80 t，是可靈活裝配有效載荷的多用途AUV，在甲板后部布置有可折倒式桅桿裝置，桅桿豎起高度為4 m，在舯部加裝一個長約10 m的有效載荷艙段，可搭載包括重型魚雷、水雷等載荷。“虎鯨”服役后，可用于執行隱蔽布放水雷、水下目標偵察以及在水面時對艦隊、海岸線等的電磁信號實施偵察[10-11]。

1.2 俄羅斯“大鍵琴”重型AUV

俄羅斯由于所處地理位置決定了其在海上軍事地位的被動性，所以投入了大量資金研發海上作戰裝備，驗證了多款超大型AUV，包括“大鍵琴”系列重型AUV[12]。該AUV包含“大鍵琴” 1R及其改進型“大鍵琴”2R-PM 2個型號，其中“大鍵琴”1R已在海軍使用[13]。與“大鍵琴 1R”的外觀相比，“大鍵琴”2R的最大區別是在背部有小的隆起結構[10]。該系列UUV長度約7 m，重量約4 t，可由水面艦艇或潛艇攜帶。該AUV配置有側掃聲吶、電磁傳感器和攝像機等多種傳感設備，可執行情報/監視/偵察（ISR）、海底成像、海底掃描、海洋科考等軍民任務[10，13-14]，于2016年完成了水池試驗，并進行了下潛試驗。2018年，俄海軍開始對第二代重型UUV“大鍵琴”進行海試。

1.3 法國超大型無人潛航器

法國AUSS（Autonomous Underwater & Surface System），主要用于執行反潛、反水雷等戰術任務。AUSS 搭載多種傳感器，可搜集聲學、視覺和無線電信號，艏部布置一個可伸縮式天線裝置，必要時，AUSS 可上浮至近水面并調整尾傾至90°，將天線伸出水面，與衛星或其他水面平臺進行數據傳輸和通信[15]。

1.4 伊朗研制的大型AUV

伊朗海軍研制的大型AUV是基于伊朗現有的“加迪爾”（Ghadir）級小型潛艇，進行無人化改造而成的，該UUV采用無指揮臺圍殼、單軸單槳，回轉體布局，在UUV艏部布置高頻前視避碰聲吶，在UUV上層建筑內布置有可折倒的無線電天線及光學潛望鏡，上層后部還布置有可收放式浮標，用于通信及導航[6，16]。

1.5 意大利MGl20/ER大型UUV

意大利研發的MGl20/ER大型UUV采用非金屬材料作為殼體，以降低噪聲和防腐蝕性，可攜帶8名作戰蛙人，而且其搭載有六角形天線，也攜帶了能360°偵測敵方的雷達波，發出早期警報[5]。

1.6 印度大型AUV項目

2023年3月，印度國防部也啟動了開發超大型AUV的項目，據介紹，當超大型AUV通過試驗后，印度海軍將采購多達12艘的超大型AUV[18]。該AUV有效載荷長度將達50 m，寬度將達5 m。在桅桿上安裝L波段雷達和攝像機，可用于情報/監視/偵察，反潛和反水面戰等。

1.7 國內大型AUV及其水上偵察技術現狀

國內在大型AUV上開展了多項關鍵技術突破和裝備研究。2019年公開展示的2艘國產HSU-001大排水量無人潛航器，長約5 m、直徑1 m。扁平的頭部安裝有大型聲吶，可執行偵察、海底地形勘測等探測任務。背部搭載有2部桅桿，在桅桿上安裝了光學和電磁信號偵察的傳感器，可執行水上目標的偵察和情報搜集。桅桿在不使用時，可向下折疊成流線型船體[18-19]。

2 基于大型AUV的水上偵察能力分析

目前AUV大多只能執行單項任務，成本高昂，效費比高，因此美國海軍提出了“任務可重組無人航行器”（MRUUV）發展規劃，這種UUV能夠攜帶多種有效載荷，用于執行ISR、水雷偵察等任務[20]。隨著人工智能和電子技術的發展，UUV的任務負載系統可根據不同的使命任務而配備，通過配備聲學、電子或光學設備開展相應的偵察任務[7]。美海軍在《2025年AUV需求》中提到，在2025年AUV所有能執行的行動預測中，大型AUV要通過利用光學、電磁、聲學進行情報/監視/偵察和電磁機動戰[4]。

通過對國內外目前已公開的多型大型AUV及其主要功能的分析，大部分AUV都通過在桅桿上安裝有水面偵察載荷，基本具備了水面偵察的能力，實現了大型AUV對水下、水面、岸基和空中目標偵察、監視的能力，可提供的情報類型包括通信信號、雷達信號、聲學等信號。美軍設想利用AUV進入接近敵方的通信塔的敏感海域進行通信偵聽，以達到獲得通信情報的目的[2]。美海軍認為未來可通過UUV完成重要的聲場、光電和電磁等數據收集任務，將補充和擴展現有的情報/監視/偵察能力[3]。所以說在大型AUV上裝備圖像偵察設備、電磁信號偵察設備和雷達等，使其在水面上具備光電偵察、電子信號偵察和雷達偵察能力，可有效延伸AUV的作戰范圍，大幅提升AUV在作戰體系中的貢獻率，實現AUV的跨域作戰。

大型AUV搭載水面偵察載荷的類型、性能指標與其需偵察監視的區域和范圍、目標類型和特性有關。基于大型AUV水面偵察的范圍可分為水面、岸基或空中，其中水面目標類型包括艦船、漁船等，岸基目標主要包括安裝在岸基的設施、停靠岸基的船只等，空中目標包括如反潛機、反潛巡邏機、無人機等，可根據作戰任務搭載一種或幾種水面偵察載荷。

2.1 基于大型AUV的水面光電偵察能力

國外軍用大型AUV為滿足情報、監視、反潛戰等需求，搭載在AUV上的光電探測設備發展方向為水面光電偵察設備的智能化[22]。AUV光電探測設備包括水面光電偵察設備和水下電視等，其中水面偵察設備在UUV上浮水面后開展偵察工作，可對大中型水面艦船、空中目標和海岸目標進行晝夜偵察與識別[21]，具有被動工作、隱蔽性好、信息直觀、分辨率高的特點，可實現全天候，大范圍的目標獲取。

AUV水面光電偵察能力特指搭載適裝于AUV平臺的光電偵察載荷，當AUV在水面或近水面航行或漂浮時，可直觀獲取水面、岸基、空中的目標及相關場景圖像信息，并從復雜的背景中發現和識別目標、估算目標參數和跟蹤目標。但由于受海浪、AUV姿態、航行狀態、水霧等的影響，AUV水面光電圖像質量較差，為了提高AUV獲取的水面圖像質量，可通過對圖像去霧、增強、融合等方法，使圖像成像效果和紋理信息更清楚，目標效果更理想[23]。

2.2 大型AUV電子信號偵察能力

大型AUV電子信號偵察能力是指通過在AUV上搭載電磁偵察設備對雷達、無線電通信設備等發射的電磁信號獲取和處理的能力，通過將目標的微弱電磁信號收集起來，經過放大、信號處理，提取出信號的技術參數、通信內容、所在位置等情報信息特征。由于不主動發射電磁波，只接收目標輻射源發出的電磁波屬于無源工作，具有隱蔽性好的特點。

AUV上搭載電子信號偵察載荷主要包括雷達信號偵察和無線電通信信號偵察。

目前還沒有相關文獻對大型AUV的電磁偵察能力和技術進行公開的、詳細的介紹。

2.3 大型AUV雷達偵察能力

AUV雷達偵察能力是指在AUV上搭載專門的小型化雷達，通過自身發射強大的電磁波，對岸基、水面、空中的目標進行偵察，從而發現目標，由于雷達偵察需要發射電磁波，工作時會暴露自身。雷達一般體積、功耗較大，目前還沒有在AUV上搭載雷達進行偵察的研究和應用。

3 基于大型AUV的水上偵察關鍵技術分析

軍事需求和戰略決策是武器裝備發展的依據，分析幾年來國內外AUV的發展，無一不說明AUV已經成為水下戰場的重要力量。美海軍學會網站2016年刊發的《2025年AUV需求》中提出AUV的作戰能力主要取決于以下4個主要特征：續航能力，有效載荷，自主性，指揮、控制及通信[4，17]。AUV要突破常規戰場，提升作戰能力，關鍵因素是其作為武器平臺，可搭載的載荷能力以及載荷技術的發展和應用，所以說大型化、綜合化、任務多功能化將是未來大型AUV發展的方向[10]。

由于AUV可承載的重量和體積、功耗有限，同時作為無人系統，其控制和處理均來自設定軟件，智能化程度還較低，無法像有人裝備那樣實時進行修正。同時，作為水下作業的主力軍，AUV在水面偵察時，由于空間、高度、水面航行姿態等將會影響偵察效果，所以如何實現大型AUV水面偵察載荷功能的最大化，確保偵察有效，還需開展以下幾方面技術的研究。

1）水面偵察載荷小型化總體集成技術研究。

目前艦船搭載的水面偵察載荷的尺度、重量、功耗、散熱、耐壓均不符合AUV搭載要求，為了提高作戰效能和滿足多任務和多功能化要求，對于AUV搭載的水面偵察載荷需在功能和性能滿足要求的前提下，從電磁兼容、結構和散熱設計、安裝方式、桅桿收放、小型化、空間優化等方面開展相關技術研究。

2）面對復雜任務的智能控制及應急處理技術。

AUV能夠長時間自主獨立行動是其執行情報/監視/偵察等任務的前提，但目前AUV基本處于初級智能階段[20]。為了實現隱蔽的水面偵察，AUV應盡可能減少與母船或岸基指揮中心的聯系，自主開展和完成偵察任務。因此，需要開展復雜環境下AUV自主偵察任務的智能控制技術和應急處理技術研究，提高其智能化程度和自適應能力，以降低人不在回路時AUV的風險，提高AUV的安全性和可靠性。

3）高比能量能源技術。

動力系統決定了大型AUV的續航力和載荷能力，目前常規的AUV動力采用鋰離子電池，但其比能量相對較低，急需一種高比能、高可靠、低成本、快速充電、環境適應能力強、具有一定的功率特性的能源技術，以提高大型AUV的航程和執行任務的能力。

現在研究較多的有燃料電池、半燃料電池、混合電池。其中燃料電池的優點是效率高、噪聲低、可擴展性好，為大型AUV最佳的動力源之一，各國研究機構已在大力發展大容量、高功率密度的燃料電池技術[24]。美海軍在建造大型AUV時，動力來源也優先考慮燃料電池[25]。燃料電池最大的問題是如何提高儲氫和供氫材料及裝置的質量比，且燃料制備、儲運還不成熟，成本也較高，這些都是急需解決的問題。

4）多源偵察系統的協同探測技術。

從智能化偵察和多功能化要求出發，AUV上配備多傳感器是必然趨勢。大型AUV通過電磁、可見光、紅外等多種傳感器偵察、跟蹤和識別目標。由于不同的傳感器系統性能指標和處理速度不同，探測到的目標形式多樣化，探測距離和目標特征信息也不同，均已超出了以往綜合信息處理的能力，所以需開展大型AUV復合探測系統下的多源協同探測和信息處理技術研究。

4 結束語

AUV是一種在潛航狀態中到達預定位置，通過預置指令或接收遙控指令，進行隱蔽偵察和情報收集。隨著AUV向大型化和多用途方向發展，不僅可充分發揮AUV作為無人平臺的隱蔽性高、機動性強、部署成本低的特點，同時由于具備了長續航力、較強的載荷能力，在未來的海戰中將發揮更大的作用。

美國、俄羅斯、法國等都開展了大型AUV樣機的研究和試驗。雖然目前對大部分大型AUV均處于試驗階段，在役的較少，但隨著大型AUV動力與能源的突破，水面偵察載荷技術以及水面多源偵察協同技術的發展，在未來實現大型AUV對水下、水面和空中目標立體化的偵察、監測和探測，構建水面、水下立體化情報監視偵察網，實現AUV的跨域偵察和作戰將成為可能。