外军无人水面艇发展研究

空气能

编译：朱丹

来源：智汇杰瑞

从空中的无人侦察机到水面及水下的无人系统，无人技术的发展及运用与日俱增。先进无人系统在海洋安全方面的应用呈爆炸式增长，推动着行业内不断发展新概念、推出新产品。随着无人先进技术的应用，近期的军事冲突可以作为使用无人平台的“测试案例”。例如，2020年亚美尼亚和阿塞拜疆在纳戈尔诺-卡拉巴赫的交战中，大量使用了（作战）无人机。尽管在人迹罕至的山区进行的陆军战役与海军作战相比，似乎没有共同之处，但这表明了一种趋势。尤其是在沿海作战中，航行自由受到限制，态势感知面临挑战。海军进行远程干预已有百年历史，例如，在岸上触发水雷、操控纵火船等。这些中世纪的纵火船是最早的无人水面艇（USV）。如今，所理解的USV虽然是无人的，但处于主动控制下，能与环境进行交互，至少是能对环境作出反应。

一、外军无人水面艇发展历史

德国西门子公司大约从1870年开始，就研发了一种有线遥控的“爆炸运输船”，目的是打击50公里以外的敌方船只。该遥控系统安装在时速为30节的摩托艇上，艇上携带了700公斤炸药，德国称之为FL艇（遥控爆破艇）。FL艇进行了一系列试验，随着第一次世界大战的开始，这些试验被德国帝国海军局评估为“有望用于未来的战术作战”。

在真正的前线作战中，有线遥控对于由海向陆的作战是不实际的，尝试从飞机上控制转向也毫不意外的失败了。FL艇虽然没有成功应用到作战中，但它是第一艘真正的遥控USV。100多年前德意志帝国海军早已认识到USV可适用于海军作战。

反水雷（MCM）一直是一项危险的任务，尤其是模拟扫雷。在过去的战争中，各国的扫雷艇均伤亡严重。因此，希望运用装备了水声和磁模拟系统的USV完成这项任务。二战之后，根据20世纪40年代最初的计划，德国于1956年开始研发遥控模拟扫雷USV。在1959/1960年，首批原型艇“海象”和“海牛1”在德国国防舰艇与海军武器技术中心（WTD71）投入使用。之后，德国海军与工业部门紧密合作，进行了一系列广泛的研究与试验，涉及了遥控与远程作战的方方面面，包括鲁棒的数据传输（上传/下载）、导航精度、无人艇航行安全、操作系统的技术可靠性。

大约经过20年的发展，“海豹”USV于1981年服役。三艘USV加上一艘“林道”级扫雷舰改装的控制平台，组成了“特洛依卡”系统。从那以后，德国海军积累了多年的USV作战经验，包括1991年海湾战争中的MCM任务。

20世纪90年代，在德国MJ-2000项目中，USV执行猎雷任务。该计划中，每个控制平台配备了两艘USV（“海马”），并由USV在可变深度上拖曳合成孔径侧扫声呐。与装备了舰壳声呐的有人舰船相比，这样的传感器前进速度要快很多。海床之上的高度越高，搜索波束范围越宽，覆盖的区域越广。相应的，如果想要获得高分辨率，可以降低高度和搜索范围。值得一提的是，可变深度声呐（VDS）避免了水中温度和盐度声层的问题。指挥平台与无人艇之间控制数据、声呐数据的交换通过强大的通信链路得以保证。“海马”USV需要搭载控制平台进入作业区域，所以需要相当于母舰的耐波性。由于需要较高的适航性，因此选择Abeking &Rasmussen公司的25m小水线面双体船（SWATH）设计。MJ-2000项目在2005年圆满完成，但是因为缺乏预算资金，该项目没有继续进行，德国因此放弃了从FL艇就具有的技术优势。

二、外军无人水面艇面临的关键问题

2.1 无人水面艇尺寸

小型USV可以通过母舰运载到作业区域，其长度大约限制在15m、排水量约为20吨。虽然较大的USV在负载能力、续航性和耐波性方面有明显优势，但其发射和回收较为困难。针对这一问题，目前比利时与荷兰合作的MCM项目中，将专门设计一种有发射和回收系统（LARS）的大型母舰，支持不同种类的USV。

以色列埃尔比特系统公司2016年推出的“海鸥”平台，是小型且高度灵活的多功能USV，装备了模块化载荷，能支持反潜战（ASW）、反水雷战（MCM）、电子战（EW）、海上安全及海底勘测等任务，并配备了任务控制系统和数据链通信系统。“海鸥”USV最大速度超过30节，续航时间可达到4天，在5级海况下已进行了任务演示。由母船控制1~2艘“海鸥”USV，也可选择由路基控制站进行控制。在视距范围内，数据链通过射频（RF）传递；超视距范围，可使用卫星通信（SATOM）。如果数据链中断，该USV能自主运行并返回预定的位置。埃尔比特系统公司已多次证明了“海鸥”能在远超出视距的情况下运行。

在“海鸥”USV上集成一个小型无人机（UAV）能扩展无人平台的作战能力，使其远远超过ASW和水雷战功能。该舰载小型UAV能够“点水回收”。无人机产生的视觉信息能传输到陆基控制站以及出海船只的作战管理系统。“海鸥”USV是专为水下战设计的多功能平台，它的可切换载荷套件包含电子战（EW）系统、光电（EO）和红外（IR）系统，以便提升态势感知及情报收集能力。通过在USV上配备小型UAV，其海上监视能力和情报收集能力将得到提升。

注：埃尔比特公司在“海鸥”USV上引进了新技术，进一步增强了它在繁忙的海洋环境中自主运行和克服通信挑战的能力。该USV具有自动目标识别能力的360度全景视频系统、以及先进的专利自动导航系统（ANS），进一步提高了USV的感知和避碰能力，使其能按照《1972年国际海上避碰规则公约》运行，确保了USV能安全地航行在船只密集的港口以及交通繁忙的海上，并且能在与控制站没有通信的情况下自主完成任务。

图1 “海鸥”无人水面艇从2017年起在以色列海军服役，并不断进行改进和升级。图中，该平台正在进行反水雷演习

英国阿特拉斯电子公司（AEUK）、法国ECA集团、以及泰利斯公司正在研发的无人系统也展示了其扫雷功能。

相比小型USV，大中型USV续航力更久、航行距离更远，但同时它们还要保持高性价比，并且容易适应新的任务场景。美海军未来的中型无人水面艇（MUSV）长度将在12m~50m，排水量最大到500吨。2020年，L3哈里斯科技公司获得了MUSV项目的合同，负责设计和建造一艘新型MUSV原型艇，后续9艘MUSV待定。初步的设计基于一艘商用近海补给船，无人平台长度为60m，将集成公司ASView自主技术。

美海军对“海上猎手”MUSV进行了严格的测试。“海上猎手”航程长（可达10,000海里）、可用性强，采用三体船型，长度40m，排水量约140吨，其后续的改进版为“海鹰”，2017年下水，2021年4月已交付美国海军。大型无人水面艇（LUSV）也在美军的计划中。

2.2、自主性

通常，USV作业需要与操作者高度交互，任务越复杂，交互工作量越大。因此，需要利用自动化和自主性把操作者从简单工作中解放出来，把敏感的或关键的决策留给操作者。自主和自动化之间很难有一个清晰的界限，即便是自动化系统也是通过编程或功能链对输入的参数做出反应。控制算法及其相关参数越复杂，系统的自主性就越高，人类的角色就越能从操作者转变为观察者/监督者。

表1 自主程度的定义

第一艘USV（中世纪晚期的“火攻船”）在船上最后一名操作员离开之后，就没有任何人为干预的可能性。上文所述的FL船，正如它的名字一样，纯遥控掌舵，操作员完成所有的控制输入（即，自主程度1级）。德国海军“海豹”USV有着更先进的导航自主性，其航路点由操作员编程设定，自动驾驶仪根据当前环境条件（风和洋流）进行转向，达到了自主程度2级。该系统能对简单的、低动态环境做出反应。

现代USV自主程度较高。例如，通过跟踪其它船只的航向和速度来确定具有通行权的区域，并相应地改变其航向或速度。对于自身的任务执行，USV将会回到中断点，继续原来的路线——这达到了自主程度3级。

系统能对更复杂、动态程度更高的环境做出响应，并考虑多层边界条件。本文所举的例子中，不仅要考虑其他船只的行为，还要考虑任务中断位置的航行条件。如果是因为机动规避引起的中断，根据实际观察的交通情况，USV可能会识别出一条横穿任务路径的航路，该航路并不在操作员的计划中。然后，USV将再次进行任务规划，避免可能发生碰撞的航路——这达到了自主程度4级。

如果自主程度更高，USV的潜力将得到全部运用。操作员此时应专注于任务，而不是如何操作USV。由于USV可以在复杂环境中交互和行动，操作员无需再做简单决策，交互和行动操作包括了与其它系统的合作。USV根据其系统的数据库和算法中定义的交战规则行动，如同“人在回路”一样。USV在最大范围下使用，特别是超视距（BLOS）情况下，有可能会失控。在海上环境中，由于恶劣的天气条件或敌方的主动干扰，USV执行任务时的有效控制距离（通信距离）可能会大大缩短。

基于人工智能（AI）和自主学习，未来系统能在动态环境中、甚至可能在有源干扰下自主运行。USV必须融合所有的信息和传感器数据，并对其进行合理性检查。因此，必须对单项数据继续评估和加权，以识别传感器故障，剔除干扰数据。这样一来，USV就可以根据电子海图和GPS数据轻易完成沿海区域的自主导航。如果将沿海雷达数据和地图数据相融合可以实现一个非常可靠的系统。由于初步的定位是基于GPS系统的，因此系统可能会被GPS欺骗干扰。在此情况下，自主系统必须在多传感器数据融合的框架下，检查所有传感器的功能性、以及数据和信息的合理性，并把它们与其它可用数据折叠起来。

图2 “海鸥”USV正在进行试验，该平台集成了小型UAV，以提升其情报收集能力

图3 美海军第二艘中型无人水面艇原型船“海鹰”，2021年4月交付

综上所述，可以看出无人作业通常需要与操作员进行较高程度的互动。因此，需要利用自动化和自主性把操作员从简单工作中解放出来，去处理敏感和关键的决策。后续将初步探讨无人系统的未来发展，着重讨论通信及协同方面，最终目标是实现真正的无人体系。

一直以来，研发和使用无人机都是为了执行危险任务。以模拟扫雷为例，该方法高效但很危险，过去曾导致了无数受害者，因为需要有人扫雷舰携带扫雷装置越过雷区。上文所说的德国“托意卡”系统，就是为了舰员从这项危险又枯燥的工作中解脱出来。

在机器人领域，完成“3D”（单调、危险、肮脏）任务推动了自动化的发展。对于未来的USV，“3D”很可能还要扩展复杂及动态（环境）带来的困难。利用现有船只作为USV平台有着良好的基础，因为其设计成熟，高度自动化的综合导航和平台管理系统，可进行正常的人工操作，并且为远程数据传输也提供了接口。传感器也同样必须是高度自动化的，且在原则上可以远程操作传感器。自主系统可以接入这些遥控接口，所以看起来似乎只需要编程就能实现，其实不然。

2.3 安全的通信

USV的遥控和传感器数据的传输取决于鲁棒且安全的通信系统。无线电通信定义了数据链和相应数据网络的距离、可靠性和安全性的物理框架；光通信和水声通信则差强人意；卫星通信（SATCOM）是一种可靠的远距离通信方式，但通常资源有限；剩下超高频/甚高频（UHF/VHF）通信已久经考验，可用于UAV作战。但对于USV数据上传和下载来说仍然存在限制，因为这些频率基本上都是视距（LOS）链路。通信距离首先受到发射和接收天线高度的限制，大约在视距范围内。更糟糕的是，如果USV很小而被波浪遮盖、或者其天线因为船体剧烈摇晃“消失在视线之外”，通信距离还会进一步减少。通信链路总有被中断的风险。自主行为可以弥合这些通信缺口，并重建数据链。毫无疑问，运用机载中继站（例如，UAV）能显著增加通信距离，但代价就是系统将变得更复杂。

传输带宽仍然是一个挑战。数据传输速率大约是每1kHz带宽1-2kbit/s。语音或控制数据传输没有问题，只需小于10kbit/s即可，但是传感器数据要求较高，音频需要256kbit/s、高分辨率视频则超过4000kbit/s。

随着新技术的发展，数据量显著增加。例如，来自低分辨率相机的图像，现在变成了高清（HD）图像。因此必须要减少所传输的数据量。数据压缩是一个有效的方法，但舰载数据处理和评估更为高效。相对于把压缩的原始雷达数据传输到控制平台用于威胁评估来说，传输导航雷达的ARPA（自动雷达标绘仪）方案所需的数据量肯定更少。

增强自主性（见表1）不仅能把USV操作者从大量工作中解放出来，还能减少原始数据和信息，包括相关操作命令的传输。

海军作战单位大多数都不是单舰作战。当考虑中队或者任务组作战（需要考虑系统网络）时，就要涉及到连接多个USV、中继站和控制平台的数据通信网络，战术无线广域网（WWAN），或者类似于Link11/16/22的战术无人机数据链（TDDL）。TDDL通过不同网络节点进行数据交换，从而允许无人机进行超视距作战，以及在复杂电磁环境中作战。无线电链路传输的信息不仅仅能被预期的地址接收，也能被敌军截获，还可能被干扰、被攻击。因此，保持鲁棒的、加密的无线电数据链路，或者利用低概率拦截/探测（LPI/LPD）技术隐藏数据链是很重要的，北约的TDL网络正是如此。

比干扰更严重的是黑客入侵USV，其后果是损坏、丢失USV，甚至完全接管USV并用于对抗。有效的通信加密和网络安全对所有USV和控制平台来说都是必不可少的，这包括从母港就开始持续保护USV不受任何形式的访问、未经授权的登船和操作，而不仅仅是在作战区域。

2.4 互操作性

不仅仅是USV，海上交通还有其它参与者，因此，USV在这一环境中要确保安全作业。USV不仅要与有人平台进行交互，还要与其它水下的、水面的、空中的无人系统进行交互。根据这些平台和系统是军用还是民用，是中立、友军还是敌军，其交互程度也有所不同。这样安全参与到海上交通中，可以看作是和平时期的海空一体化。无人桥楼能按照国际法规，保持适当的观望和监视，其作用不可低估。自动雷达监视需要与光学和声学监视相结合，同时也要监视公共无线电频道，并响应其他人的机动目的澄清或紧急呼叫。这就意味着需要复杂的数据融合，并且面临着互操作性评估的挑战。大部分在役的USV比它们的有人控制平台小得多。所以，两个平台之间的互操作性存在巨大差异，最典型的就是距离、续航力和耐波性方面。USV要进行能量补给——燃料补给或电池充电。考虑到部署周期较长，因此还需要进行维护。小型USV可以从海上回收，并运到控制平台上。虽然有发射回收系统（LARS）这样的现代技术，但这项工作仍然需要良好的航海技术。

大型USV有足够的续航力和耐波性，所以不可能进行发射和回收，它们必须与母舰一起进行补给和维护。德国海军通过“海豹”无人艇，在这方面积累了长期的经验，事实证明，海况是主要限制因素，通常需要一个避风港来完成这一操作。

目前，USV仍然是控制平台的远程组件。通过升级相关的通信和指控（C2）系统，可以轻松实现与其它单元共享USV功能和传感器数据，但是必要的物理支持（主要指补给和维护、以及小型USV的发射回收系统）需要特殊装备的母舰。作战单元具有USV功能是理想状态。

三、未来海战体系

单个平台要实现目标检测和跟踪、以及武器的火力控制和部署，自动化和自主性是必要的，尤其是无人平台和USV。为了实现有人-无人协同，已部署的无人机及其载人控制平台将通过多传感器数据融合进行相互补充、相互支持。协同自主是美国国防部在《无人系统路线图》中提出的真正的实现体系的方法。在体系网络中，将选择最合适的单元执行子任务。网络化系统的能力远大于子系统单项能力的总和。

2020年亚美尼亚和阿塞拜疆之间的冲突进一步揭示了侦察以及低成本、“可穿戴”式作战无人机或游荡弹药无疑是有效的；作战可以“充满了各种传感器”。例如，私人电话的信号可以被捕获并用于弹药瞄准。因此，观测电磁频谱很重要。可以预见，来自友方编队的动作都会被探测到，并被敌方所知。攻击随时有可能发生，可能会导致较大损失。较大的人员损失是不可接受的，因此必须使用无人系统。从之前的报告中可以假设，对人员的威胁随着离海岸距离的增加而减少。为了取得战场主导权必须进行有机的、三维的态势感知。

为什么USV对战中不使用外源主动传感器？USV可以利用多元静态技术提高精确度，并增加反侦察难度；理想状态下，有人单元能在战场中保持完全的被动。可部署多个专用于警戒和侦察USV（例如，“海鸥”系统）来主动搜索潜艇，同时有人的ASW护卫舰通过被动拖曳声纳获取目标数据，并给另一个有人单元分配任务，部署舰载直升机或位置优越的USV（例如“海鸥”）进行鱼雷交战。

未来，随着无人机自主性以及近传感器数据分析的进一步增加，需要实时传输的数据将越来越少，所以，有可能通过多个网络节点，把相关的数据传输到控制平台。未来的水面作战舰艇将作为运输和部署无人艇的母舰，成为无人系统的指挥和供给平台。

四、结束语

建立海上作战体系还有很长的路要走，虽然随着科技的发展，有不少可用的解决方案，但它们是独立的、片面的，缺乏一个通用的架构以及统一的接口。美国海军在协同和融合方面开展了研究，美国的军工企业也明显认识到了体系的重要性，正在大力研发、测试相应的平台、子系统和组件。

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