王 石，張建強(qiáng)，楊舒卉，張博倫

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430000；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200000）

0 引言

無人水面艇 （USV，Unmanned Surface Vehicle）作為一種小型水面智能任務(wù)平臺(tái)，涉及船舶設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)融合、人工智能等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容包括任務(wù)規(guī)劃與導(dǎo)航定位、自主航行、智能避障、模式識(shí)別等眾多方面［1］。根據(jù)智能程度的不同可將USV分為3類：1）遙控型USV；2）按照預(yù)設(shè)程序航行并完成任務(wù)的半自主型USV；3）具有自主任務(wù)規(guī)劃、自主航行功能，并可通過搭載的不同傳感器及設(shè)備自主完成環(huán)境感知、目標(biāo)探測(cè)等任務(wù)的全自主型 USV［2］。

USV具有體積小、成本低、高速智能、雷達(dá)反射面積小、無人員傷亡等優(yōu)勢(shì)。在軍用領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)動(dòng)部署、靈活作戰(zhàn)，其通過搭載不同的任務(wù)模塊可完成情報(bào)收集、監(jiān)視偵察、目標(biāo)打擊、掃雷、反潛、毀傷評(píng)估等多種任務(wù)［3］。USV可從港口出航，按照預(yù)定計(jì)劃，履行使命；也可以隨艦攜帶出航，在不適宜派遣軍艦或危險(xiǎn)的區(qū)域獨(dú)立自主完成任務(wù)，極大地拓展了海上的作戰(zhàn)范圍，已成為己方戰(zhàn)斗力的“倍增器”，受到各國(guó)海軍的重視。在民用領(lǐng)域，可用于水文地理勘測(cè)、搜尋救助、中繼通信等，并且無人水面艇是整合低空無人機(jī)和水下機(jī)器人跨網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景［4-5］。

1 國(guó)外無人艇發(fā)展現(xiàn)狀

目前多個(gè)國(guó)家對(duì)USV相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用開展了系統(tǒng)的研究，美國(guó)和以色列技術(shù)最為雄厚［6-11］。

1.1 美國(guó)

美國(guó)是世界上最早開展USV及其相關(guān)技術(shù)研究的國(guó)家之一，并于2007年提出了《美國(guó)海軍USV主計(jì)劃》。近年來，美國(guó)先后推出了“Sea Owl”、“Spartan Scout”、“Ghost Guard”等數(shù)十種 USV 型號(hào)（詳見下頁(yè)表1），部分型號(hào)已服役部隊(duì)，滿足不同的作戰(zhàn)需求，增強(qiáng)海戰(zhàn)靈活性，減少人員傷亡。此外，美國(guó)防部《無人系統(tǒng)2013～2038年路線圖》將USV列為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，并提出了美國(guó)海軍USV使用方案及支持戰(zhàn)略。

1.2 以色列

以色列擁有雄厚的USV研制技術(shù)，在USV領(lǐng)域與美國(guó)難分上下，其研制的USV處于世界領(lǐng)先水平，目前已推出多種型號(hào)的USV，具體見表2所示。

1.3 其他國(guó)家

除美國(guó)和以色列外，世界其他國(guó)家也積極致力于USV相關(guān)問題的研究，取得了大量研究成果［12-17］。法國(guó)Sirehna公司于 2007年成功研制“Rodeur”號(hào)USV，長(zhǎng)9.2 m，主要執(zhí)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、偵察監(jiān)視、反潛、獵雷等任務(wù)。2013年英國(guó)ASV公司成功研制“C-Enduro”號(hào)USV，用來執(zhí)行凱爾特海域的海洋動(dòng)物科研任務(wù)。艇體采用碳纖維材質(zhì)，僅重350 kg，且具有自傾覆能力。該艇集成太陽(yáng)能帆板、輕柴油和風(fēng)力發(fā)電機(jī)3種動(dòng)力系統(tǒng)，能夠以7 kn的航速在海上連續(xù)3個(gè)月不間斷地執(zhí)行任務(wù)。2014年5月，日本EMP公司對(duì)外宣布研制成功“Aquarius”號(hào)USV。該艇長(zhǎng)5 m，翼展最大為8 m，艇體為輕質(zhì)鋁合金材料，采用太陽(yáng)能-電能混合動(dòng)力，巡航速度6 kn，主要用于執(zhí)行港口巡邏警戒、海洋地理探測(cè)、艦船數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。意大利CNR-ISSIA機(jī)構(gòu)研發(fā)的“Charlie”號(hào)無人雙體船，主要用于海洋微表層取樣、氣候監(jiān)測(cè)和魚雷探測(cè)功能。該船配備高效的太陽(yáng)能電池板，由無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可持續(xù)工作20天以上。

圖1 美國(guó)典型的USVs

圖2 以色列的典型USVs

圖3 近年來其他國(guó)家典型的USVs

2 國(guó)內(nèi)無人水面艇發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國(guó)USV相關(guān)技術(shù)的研究尚處于起步階段，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)較為薄弱，并且無人艇應(yīng)用主要集中在民用領(lǐng)域，與美國(guó)、以色列等USV技術(shù)雄厚的國(guó)家相比還存在很大差距。典型的有以下幾種：

表1 美國(guó)典型的USV

表2 以色列典型的USV

2.1 “天象一號(hào)”

2008年曾在青島奧帆賽期間提供氣象保障服務(wù)的“天象一號(hào)”是由新光集團(tuán)研制成功的我國(guó)首艘海上氣象探測(cè)USV，艇長(zhǎng)6.5 m，艇體采用碳纖維材料，搭載自動(dòng)駕駛、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)搜索、圖像處理和傳輸?shù)认到y(tǒng)，可在海面連續(xù)作業(yè)20 天［18-19］。

2.2 “精海”系列

上海大學(xué)于2013年和2014年研制成功“精海1號(hào)”和“精海2號(hào)”USV。2013年“精海1號(hào)”跟隨“海巡166號(hào)”，順利完成南沙諸島礁和西沙的水文情況的測(cè)量和海底地貌地形探測(cè)工作，為今后在南海島礁建立航海保障基地打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2014年，“精海2號(hào)”隨“雪龍”號(hào)遂行南極科考任務(wù)，發(fā)現(xiàn)了一處適合“雪龍”號(hào)拋錨的新錨地，并探明了附近12 km2水域的水下地貌，繪制了大比例尺海圖，為人類和平利用南極做出貢獻(xiàn)［20］。

2015年，由七○一所設(shè)計(jì)的“海翼1號(hào)”完成階段性試驗(yàn)。該USV配備有雷達(dá)、北斗、超短波通信及光電系統(tǒng)，具有自主航行、遠(yuǎn)程基站操控、人工駕駛3 種控制功能［21-23］。

2016年亞洲防務(wù)展會(huì)上，保利集團(tuán)與哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合推出一款高速USV，艇長(zhǎng)為13 m，寬4 m，吃水0.6 m，最高航速80 kn，配備高清攝像頭和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，主要用于執(zhí)行水面監(jiān)視和港口巡邏等任務(wù)。

海軍工程大學(xué)艦艇指揮與控制系長(zhǎng)期致力于智能UUV和USV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)的研究，并于2016年11月對(duì)其最新研制成功的“Sturgeon”號(hào)USV開展了首次湖試，該艇采用噴水推進(jìn)，最大航速大于40 kn，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，艇上搭載先進(jìn)的導(dǎo)航、光電系統(tǒng)及各種探測(cè)設(shè)備等，并配備有衛(wèi)星、超短波等多種通信方式和可拆卸的任務(wù)模塊，配合先進(jìn)的USV智能控制算法，可實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、區(qū)域控制、自主巡航、伴隨航行、智能避碰等多種工作模式。

圖4 國(guó)內(nèi)典型的USVs

3 無人水面艇的典型作戰(zhàn)應(yīng)用

3.1 情報(bào)偵察與監(jiān)視

情報(bào)收集是完成任務(wù)的前提，也是戰(zhàn)場(chǎng)上己方最重要的力量倍增器，利用USV隱身性好的特點(diǎn)潛入敵戰(zhàn)區(qū)，布放監(jiān)聽設(shè)備開展戰(zhàn)術(shù)情報(bào)收集工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定海域的持續(xù)監(jiān)視。另外，艦艇編隊(duì)航行到達(dá)危險(xiǎn)海域時(shí)，可控制多個(gè)無人艇在一定距離和方位伴隨有人艦艇編隊(duì)航行，擴(kuò)大防御縱深，增加防御層次，延長(zhǎng)對(duì)來襲武器的預(yù)警時(shí)間，最大限度地保護(hù)我方有生力量。

3.2 反水雷戰(zhàn)

獵掃雷艦是目前單位噸位最貴的艦艇，并且部隊(duì)的裝備量較少，在執(zhí)行大面積水域掃雷任務(wù)時(shí)單獨(dú)依靠獵掃雷艦不僅耗時(shí)長(zhǎng)而且成本高。研制可攜帶式掃雷USV，由獵掃雷艦或其他艦艇釋放，可通過自主或遙控方式在指定海域與掃雷艦聯(lián)合作業(yè)，提高掃雷效率且成本較低。

3.3 反潛戰(zhàn)

搭載有反潛設(shè)備的USV可由艦艇或艦隊(duì)攜帶，到達(dá)威脅海域釋放，在艦艇或艦隊(duì)周圍形成向外延伸的移動(dòng)反潛警戒網(wǎng)，提高己方艦艇的反潛作戰(zhàn)能力。

3.4 信息戰(zhàn)

由于USV具有較好的隱身性，攜帶不同功能載荷的USV，可以在危險(xiǎn)海域執(zhí)行ISR任務(wù)包括電子干擾、通信中繼、欺騙等。

3.5 其他

USV還可以完成海上封鎖/攔阻、可疑目標(biāo)打擊、特種作戰(zhàn)、后勤支援與補(bǔ)給、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、取證等任務(wù)，并且多艘搭載相同或不同任務(wù)載荷的USV協(xié)同可在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能。

4 我國(guó)無人水面艇發(fā)展建議

無人水面艇屬于“無人作戰(zhàn)系統(tǒng)”的重要組成部分。在制定我國(guó)無人水面艇研發(fā)指導(dǎo)思想時(shí)，必須深刻理解“海軍無人作戰(zhàn)系統(tǒng)”的內(nèi)涵和特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和實(shí)際海洋形勢(shì)，本文對(duì)我國(guó)無人水面艇發(fā)展給出如下幾點(diǎn)建議：

1）加強(qiáng)總體設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)無人艇與海上信息系統(tǒng)的集成。無人艇指揮控制系統(tǒng)不僅要考慮無人艇與控制基站之間的關(guān)系，更要強(qiáng)調(diào)與海戰(zhàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)的綜合集成，通過海戰(zhàn)場(chǎng)的統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)，使用統(tǒng)一的通信、指揮和控制體系，使無人艇與其他武器裝備連接成一個(gè)無縫的有機(jī)整體，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出單個(gè)系統(tǒng)的合力。

2）建立統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，促使無人艇向著模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)無人艇發(fā)展十分迅速，取得了可喜的成果但是并未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。隨著國(guó)內(nèi)無人艇各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破和發(fā)展，應(yīng)迅速完善我國(guó)無人艇體系架構(gòu)等共性標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)無人艇的通用性和模塊化發(fā)展，為無人艇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制等提供依據(jù)。

3）攻克關(guān)鍵技術(shù)，不僅要不斷增強(qiáng)其自主控制能力，提高智能化水平，而且還要考慮其隱身性能，研究具有吸波、透波性能的特殊材料和特殊外型，使無人艇具備“高智能”、“強(qiáng)隱身”特性，在增強(qiáng)其自主能力的同時(shí)，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

4）既要發(fā)展水面艦艇與潛艇攜帶的小型、多用途無人水面艇，又要研制能夠獨(dú)立出航，具備長(zhǎng)航時(shí)、獨(dú)立作戰(zhàn)能力的大型無人水面艇。

5）無人艇技術(shù)的發(fā)展應(yīng)充分體現(xiàn)軍民融合的方針。

5 結(jié)論

隨著各國(guó)對(duì)海洋權(quán)益要求日益強(qiáng)烈，歸屬權(quán)存在爭(zhēng)議的海域和島嶼摩擦與沖突不斷升級(jí)，面對(duì)日益緊張的國(guó)際形勢(shì)和復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，具有成本低、高速智能、部署機(jī)動(dòng)、隱身性好、無人員傷亡等優(yōu)勢(shì)USV作戰(zhàn)平臺(tái)受到廣泛關(guān)注。在未來戰(zhàn)場(chǎng)上，我海軍將面臨情報(bào)偵察、掃雷、反潛、信息戰(zhàn)等多種作戰(zhàn)使命，而USV可以高效、零人員傷亡地完成以上任務(wù)。因此，開展USV及其相關(guān)技術(shù)的研究，研制智能高速、隱身性好、適應(yīng)性強(qiáng)的先進(jìn)USV，并盡早裝備我海軍，對(duì)提高我軍海戰(zhàn)能力和維護(hù)海上權(quán)益具有重要意義。