楊文韜

無(wú)人水面艇（USV，Unmanned Surface Vehicle），是指依靠遙控或自主方式在水面航行的無(wú)人化、智能化作戰(zhàn)平臺(tái)?？赏ㄟ^(guò)飛機(jī)或大型艦艇攜載，到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)后施放，也可直接在基地近岸使用，實(shí)現(xiàn)保護(hù)己方、打擊敵方的作用。無(wú)人水面艇較無(wú)人潛航器和無(wú)人機(jī)的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已受到世界各海上強(qiáng)國(guó)的高度重視。本文將追溯世界無(wú)人水面艇的發(fā)展歷史，介紹世界各國(guó)USV的服役特點(diǎn)與研制情況，分析其關(guān)鍵技術(shù)，并展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

無(wú)人水面艇發(fā)展回顧

無(wú)人水面艇的發(fā)展歷史最早可以追溯到1898年，當(dāng)時(shí)著名發(fā)明家尼古拉·特拉斯發(fā)明了名為“無(wú)線機(jī)器人”的遙控艇。首次應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)則在二戰(zhàn)時(shí)期，最初設(shè)計(jì)成魚(yú)雷狀用以清除碎浪帶的水雷和障礙物。諾曼底登陸戰(zhàn)役期間，盟軍為實(shí)現(xiàn)其戰(zhàn)略欺騙和作戰(zhàn)掩護(hù)的目的，曾設(shè)計(jì)出一種裝載大量煙幕劑的無(wú)人水面艇，可按預(yù)先設(shè)定的航向機(jī)械地駛往欺騙海域，從而造成艦艇編隊(duì)登陸的假象。二戰(zhàn)后期美國(guó)海軍還曾通過(guò)在小型登陸艇上加裝無(wú)線電控制的操舵裝置和掃雷火箭彈，用于淺海雷區(qū)作業(yè)。

二戰(zhàn)結(jié)束后，無(wú)人水面艇得到了進(jìn)一步的發(fā)展，主要用于掃雷和戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估（BDA）等任務(wù)，如1946年的“十字路口行動(dòng)”中，原子彈每次爆炸后，均使用無(wú)人水面艇收集輻射水域樣品。

到20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)研制了小型遙控式無(wú)人水面艇，用于向敵方艦艇發(fā)動(dòng)自殺式的撞擊爆炸性攻擊。這一時(shí)期，美國(guó)將一型V-8汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的7米玻璃鋼小艇改裝為遙控掃雷艇，配備到胡志明市南部的第113水雷分隊(duì)，用于越南境內(nèi)的掃雷作業(yè)。20世紀(jì)70～80年代，由于技術(shù)的限制，無(wú)人水面艇發(fā)展并未獲得很大突破，主要應(yīng)用于軍事演習(xí)和火炮射擊的海上靶標(biāo)。20世紀(jì)90年代，美國(guó)研制的遙控獵雷作戰(zhàn)原型（RMOP）艇成功在波斯灣從“庫(kù)欣”號(hào)驅(qū)逐艦進(jìn)行了海上作業(yè)。1997年1～2月的“SHAREM 119”演習(xí)中，RMOP進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)12天的獵雷行動(dòng)。

隨著信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)及材料科學(xué)等方面的進(jìn)步，無(wú)人水面艇技術(shù)也得到了新的發(fā)展，截止目前，已有十幾個(gè)國(guó)家研制、部署了無(wú)人水面艇。

無(wú)人水面艇發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀當(dāng)前世界在研和現(xiàn)役的無(wú)人水面艇，共約88型，其中在研25型，現(xiàn)役或即將服役的63型，可用于執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、傳輸和中繼等C4ISR任務(wù)，支持常規(guī)打擊、介入作戰(zhàn)、布雷、遠(yuǎn)程反潛等進(jìn)攻任務(wù)和防空、防御性反潛、反水雷、水面戰(zhàn)等防御任務(wù)。下面將分別從在研和現(xiàn)役兩方面對(duì)無(wú)人水面艇的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

世界各國(guó)在研無(wú)人水面艇的基本情況

正在研制無(wú)人水面艇的國(guó)家大多是美國(guó)和其盟國(guó)，研制單位包括大型軍火企業(yè)、高校實(shí)驗(yàn)室和軍方研究單位等，并以軍火企業(yè)為主，如表1所示。

這些無(wú)人水面艇在技術(shù)成熟度（TRL）、長(zhǎng)度、航速、自持力、自主化水平、有效載荷和動(dòng)力方面的情況各異，從技術(shù)成熟度來(lái)看，大多數(shù)達(dá)到了TRL6和TRL7的水平，即在相關(guān)環(huán)境或?qū)嶋H作戰(zhàn)環(huán)境下進(jìn)行了組件或試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱菔?。從長(zhǎng)度、自持力、有效載荷和有效輸出功率等與平臺(tái)大小相關(guān)的指標(biāo)看，大部分在研無(wú)人水面艇為小型平臺(tái)，這是由于小型平臺(tái)具有成本優(yōu)勢(shì)，且試驗(yàn)易用性高等因素決定的，但未來(lái)投入使用時(shí)，其平臺(tái)規(guī)模很容易擴(kuò)大。從航速來(lái)看，由于執(zhí)行不同的作戰(zhàn)任務(wù)，因此航速差異較大。

世界各國(guó)現(xiàn)役無(wú)人水面艇的基本情況

當(dāng)前世界各國(guó)已經(jīng)服役及技術(shù)成熟度已達(dá)到服役水平的無(wú)人水面艇共63型，其中軍事用途的無(wú)人水面艇數(shù)量約占70%，其余主要集中在石油/天然氣行業(yè)、大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室等研究領(lǐng)域。與軍用無(wú)人水面艇相比，民用無(wú)人水面艇任務(wù)靈活性更強(qiáng)，可執(zhí)行更加多樣化的任務(wù)。

在任務(wù)領(lǐng)域方面，目前無(wú)人水面艇側(cè)重的任務(wù)類別較少，主要集中在海事安全、情報(bào)監(jiān)視偵察（ISR）、反水雷和環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域。已投入現(xiàn)役的無(wú)人水面艇，共可以執(zhí)行148個(gè)獨(dú)立任務(wù)，可總結(jié)為16種不同類型，近80%的任務(wù)可以歸為情報(bào)搜集、表征物理環(huán)境收集、反水雷、海事安全和訓(xùn)練測(cè)試平臺(tái)等5類。而在電子戰(zhàn)、軍事欺騙、惡劣環(huán)境下的ISR、惡劣環(huán)境中部署傳感器、通信中繼、布雷、水面作戰(zhàn)和地面打擊等應(yīng)用方面仍然存在空白。

由于大多數(shù)無(wú)人水面艇需要有一定的環(huán)境感知的能力，以便遠(yuǎn)程操作人員或算法可以對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)，因此執(zhí)行“情報(bào)收集”類任務(wù)的無(wú)人水面艇數(shù)量最多。此外，執(zhí)行“表征物理環(huán)境”類任務(wù)的無(wú)人水面艇大部分都是民用部門(mén)用來(lái)進(jìn)行環(huán)境調(diào)查工作的，執(zhí)行“反水雷”任務(wù)的無(wú)人水面艇大多為歐洲國(guó)家裝備的感應(yīng)掃雷無(wú)人艇。

在研制和使用國(guó)家方面，無(wú)人水面艇的研制、開(kāi)發(fā)和使用主要集中在美國(guó)及其盟國(guó)，且美國(guó)在該領(lǐng)域具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。除美國(guó)海軍外，其他國(guó)家研制使用的無(wú)人水面艇大致可歸為兩類。一類是先進(jìn)的海事安全和ISR無(wú)人水面艇，正在開(kāi)發(fā)的國(guó)家有以色列、瑞典、新加坡、意大利和英國(guó)等，已投入使用的國(guó)家有尼日利亞、以色列和新加坡。該類無(wú)人艇可執(zhí)行港口安全、海洋領(lǐng)域感知、反恐、禁毒、石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的保護(hù)等任務(wù)。第二類為歐洲國(guó)家海軍裝備的感應(yīng)掃雷無(wú)人艇，現(xiàn)已裝備丹麥、瑞典、德國(guó)和英國(guó)海軍。在平臺(tái)大小方面，無(wú)人水面艇體積較小，且正在研制的無(wú)人水面艇也呈現(xiàn)小型化的特點(diǎn)。由于較小的平臺(tái)具備成本低、試驗(yàn)便利的優(yōu)點(diǎn)，因此目前服役的無(wú)人水面艇約60%長(zhǎng)度都在7米或以下。用于海事安全的無(wú)人水面艇長(zhǎng)度一般在7～11米，而一些體積較大的無(wú)人水面艇則用于較大載荷需求的任務(wù)，如感應(yīng)掃雷。

無(wú)人水面艇的技術(shù)特點(diǎn)

由于無(wú)人水面艇所處的環(huán)境在縱向上要跨越空氣和水兩種介質(zhì)，因此其功能任務(wù)、性能指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)同其他無(wú)人平臺(tái)有很大區(qū)別。

在功能和任務(wù)方面，相比于無(wú)人機(jī)和無(wú)人潛航器，無(wú)人水面艇兼具無(wú)人機(jī)執(zhí)行水面任務(wù)和無(wú)人潛航器執(zhí)行水下任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，使其可作為跨水面（域）網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，用于收集、處理和傳遞信息。單獨(dú)或協(xié)同其他有人/無(wú)人平臺(tái)執(zhí)行C4ISR、軍事欺騙、信息作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、水面作戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、后勤保障、支援地面進(jìn)攻、搜救、測(cè)試、訓(xùn)練等任務(wù)。endprint

在性能指標(biāo)方面，相比于無(wú)人機(jī)，無(wú)人水面艇在續(xù)航時(shí)間、有效載荷、水面以下部署傳感器方面具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；但在速度、航程、自主性方面不及無(wú)人機(jī)。相比于無(wú)人潛航器，在續(xù)航時(shí)間、推進(jìn)力、速度、航程、有效載荷、水面以上部署傳感器、通信方面有優(yōu)勢(shì)明顯；但由于無(wú)人水面艇無(wú)法改變深度接近目標(biāo)，并且隱身性僅能通過(guò)外型設(shè)計(jì)解決，因此在水下傳感器部署和隱身性方面不及無(wú)人潛航器。

在關(guān)鍵技術(shù)方面，由于無(wú)人水面艇所處的水面環(huán)境十分復(fù)雜，不僅包含靜態(tài)障礙物，同時(shí)受海況、其他艦船航行的影響，因此，相比于其他無(wú)人系統(tǒng)，自主性成為影響無(wú)人水面艇的關(guān)鍵技術(shù)因素，而且其他無(wú)人系統(tǒng)自主性方面的技術(shù)并不適合無(wú)人水面艇。

本文對(duì)于無(wú)人水面艇和其他無(wú)人平臺(tái)均存在的傳感器、通信與數(shù)據(jù)接口、動(dòng)力等技術(shù)問(wèn)題不再詳細(xì)介紹，僅對(duì)無(wú)人水面艇發(fā)展起關(guān)鍵作用的自主性技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。為了準(zhǔn)確衡量現(xiàn)役和在研無(wú)人水面艇的自主化水平，現(xiàn)對(duì)自主化程度進(jìn)行如下定義：

級(jí)別0：無(wú)自主性 （全部依賴遠(yuǎn)程控制）

級(jí)別1：簡(jiǎn)單的半自主性（具備路點(diǎn)導(dǎo)航能力，但無(wú)防撞功能）

級(jí)別2：半自主性（具備路點(diǎn)導(dǎo)航以及防撞功能）

級(jí)別3：高級(jí)半自主性（生成到目的地的最佳路線）

級(jí)別4：多數(shù)環(huán)境下的自主性（應(yīng)用驅(qū)動(dòng)）

級(jí)別5：所有環(huán)境下的完全自主性（應(yīng)用驅(qū)動(dòng)）

無(wú)人水面艇在執(zhí)行最簡(jiǎn)單的任務(wù)和功能（如在預(yù)定地點(diǎn)部署）時(shí)，即需要一定等級(jí)的自主能力和基本防撞能力，而在執(zhí)行如武器發(fā)射等高復(fù)雜性任務(wù)或處于高海況等較復(fù)雜環(huán)境中時(shí)，便對(duì)自主性提出了更高要求。對(duì)于無(wú)人水面艇自主性方面的研究，美國(guó)目前處于領(lǐng)先地位。

美國(guó)海軍始終大力推進(jìn)無(wú)人水面艇自主性方面的研究，并積極吸收民事部門(mén)針對(duì)自主性和網(wǎng)絡(luò)化操作的研究成果。其中，海軍研究局綜合使用三種互補(bǔ)的方法以實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的導(dǎo)航和自主能力。第一種方法采用了由海軍航空作戰(zhàn)中心開(kāi)發(fā)的通用導(dǎo)航地理空間工具包和美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部的戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)進(jìn)行路徑導(dǎo)航和靜態(tài)障礙物回避。第二種方法借鑒了噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室火星車上的自主系統(tǒng)，使無(wú)人水面艇能夠更加主動(dòng)地對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)。第三種方法基于霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的研究成果，首先對(duì)環(huán)境中的每個(gè)對(duì)象賦予若干屬性值，隨后通過(guò)算法分析這些對(duì)象對(duì)無(wú)人水面艇任務(wù)的預(yù)期影響，最后針對(duì)這些對(duì)象做出適當(dāng)調(diào)整。

除此之外，美國(guó)海軍研究局還資助美國(guó)航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了機(jī)器人代理命令和傳感（CARACaS）控制系統(tǒng)，旨在使用最少的人工干預(yù)完成無(wú)人水面艇的操控和導(dǎo)航。該系統(tǒng)包含環(huán)境感知分系統(tǒng)、決策分系統(tǒng)和決策規(guī)則三個(gè)子系統(tǒng)。其中，環(huán)境感知分系統(tǒng)為一個(gè)360度的電光系統(tǒng)，配備自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)、立體光電紅外系統(tǒng)、雷達(dá)和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)；決策分系統(tǒng)包含一個(gè)靜止障礙避碰系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)傷害規(guī)避系統(tǒng)，遵從國(guó)際海上避碰規(guī)則，并能夠跟蹤海面環(huán)境的動(dòng)態(tài)目標(biāo)；決策規(guī)則名為“CASPER”規(guī)則，可根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和約束條件來(lái)規(guī)劃下一步行動(dòng)計(jì)劃。

無(wú)人水面艇未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

除了自主性這一關(guān)鍵技術(shù)外，影響無(wú)人水面艇作戰(zhàn)效能和使用方式的因素還包括：無(wú)人水面艇的部署/回收與補(bǔ)給、通用平臺(tái)和模塊化載荷、續(xù)航力等方面。這些技術(shù)因素的突破，不僅可以大大拓展無(wú)人水面艇的作戰(zhàn)使用方式，還可以對(duì)其作戰(zhàn)效能產(chǎn)生重要影響，將成為無(wú)人水面艇未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

提高部署/回收與補(bǔ)給能力

除進(jìn)行自我部署外，無(wú)人水面艇都需要通過(guò)水面艦艇、飛機(jī)等其他平臺(tái)進(jìn)行部署和回收。在惡劣海況或高速航行時(shí)，實(shí)現(xiàn)部署/回收，不僅可以提高效率，還可以降低搭載平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)和相應(yīng)成本。對(duì)于無(wú)人水面艇的海上補(bǔ)給，可有效拓展無(wú)人水面艇的活動(dòng)范圍和續(xù)航能力，減少其部署和回收次數(shù)，提高其行動(dòng)效率和隱蔽性。

采用模塊化載荷和通用平臺(tái)

無(wú)人水面艇最初即以改裝已有平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用模塊化有效載荷和通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)、技術(shù)、組件、接口等，這樣可有效降低無(wú)人水面艇的研制、使用風(fēng)險(xiǎn)和成本，簡(jiǎn)化后勤維修的難度，同時(shí)增強(qiáng)其與其他平臺(tái)之間相互協(xié)調(diào)的能力。

提高續(xù)航力

當(dāng)前，為執(zhí)行偵察監(jiān)視、反水雷、反潛等任務(wù)，各國(guó)海軍對(duì)無(wú)人水面艇的續(xù)航能力要求越來(lái)越高，而對(duì)速度、耐波能力及有效載荷/動(dòng)力等方面之間的權(quán)衡，又制約了其續(xù)航能力的增強(qiáng)。目前除了增大平臺(tái)尺寸以提高續(xù)航力外，還可通過(guò)轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能、海浪能量的形式為無(wú)人水面艇提供能源。

無(wú)人水面艇相比于其他無(wú)人系統(tǒng)具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，擁有良好的應(yīng)用前景。隨著制約其發(fā)展的技術(shù)因素逐步得到解決，無(wú)人水面艇的應(yīng)用范圍和作戰(zhàn)能力必將不斷拓展。endprint