无人艇(USV)助力海洋强国，关键技术都有哪些？

中国有1.8万公里的海岸线和1.4万公里的岛礁海岸线，大量海洋资源有待开发。海上安全是国家安全的核心之一。随着海上强国战略的实施，海洋已成为大国博弈的“主战场”。特别是近年来，科威特-19爆发后，一带一路建设和世界形势的变化，导致了西方国家在我国海域的军事演习，威胁着我国的海洋安全。

同时，随着科学技术的发展，智能化无人设备和技术得到了广泛的应用。跨越“空-天-地-海”的无人系统是未来的发展趋势。

在民用领域，越来越多的机器人系统被用来代替人们的工作，尤其是将人们从潜在的危险、不合适和无聊的工作中解放出来。

在军事应用上，发展无人作战系统，将从根本上改变未来战争形态。

无人作战系统是西方国家未来战略的重要组成部分。它直接指向南中国海。它将通过无人水面和水下设备、无人机和其他武器，突破中国的国防，威胁中国的国家安全。

未来战场可能成为无人系统之间的竞争，而不是人类之间的竞争。因此，在建设海洋强国的过程中，迫切需要先进的新型海洋智能设备，如无人驾驶船舶，这是我们成为海洋强国的关键支撑力量。

什么是无人艇

无人艇，这里特指“无人水面艇”（USV），是指依靠遥控或自主方式在水面航行的无人化、智能化机器人平台。因此，它也叫海洋机器人、海上无人系统。具有自主导航、自主避障能力，并可以自主完成海面、水下环境信息感知、目标探测及各种作业任务。

众所周知，飞机和飞机、飞机、地面和水可以通过无线电进行通信。然而，由于海水中存在某种导电介质，传统的无线电波很难穿透海水并在海面下进行通信。长波/超长波水下通信系统在现代国家得到了广泛的应用。其在海水中的衰减小于其他频段，在水中的传播深度可达100m，基本满足深水通信的需要。然而，它需要一个巨大的发射天线或超高的发射功率，这使得发射设备非常容易受到敌人的攻击；装载和上传的频带较窄，只能与岸基进行单向通信，不能进行双向通信；另外，隐蔽性差，水下传输速率低。潜艇主要依靠漂浮接收信息，降低了潜艇的隐蔽性，增加了潜艇的风险系数。

因此，无人水面飞行器的出现为连接水面和水下通信提供了革命性的设备，成为开辟“空-天-地-海”无人作战系统的重要跨域节点。同时，未来的海战可能是无人驾驶航母搭载一系列小型无人艇和无人机，与地面移动机器人和水下机器人合作完成登陆、抢岛等作战。因此，无人驾驶水面飞行器是一种颠覆性的技术，可以改变未来海上游戏的规则。

目前世界上正在研制无人艇的国家主要是美国及其盟国，研制单位包括大型军火企业、高校实验室和军工研究单位等，以军工企业为主。除此以外，正在开发无人艇的国家有以色列、瑞典、新加坡、意大利和英国等。

在已经服役及技术成熟度已达到服役水平的无人艇中，军事用途的无人艇数量约占70%，其余主要集中在石油/天然气行业、大学和实验室等研究领域。从尺寸、自持力、有效载荷和有效输出功率等与平台大小相关的指标看，大部分在研无人艇为小型平台。较小的平台具备成本低、试验便利的优点。

在任务领域方面，主要集中在海事安全、情报监视侦察（ISR）、反水雷、环境调查、反恐、禁毒、石油和天然气基础设施的保护等领域。由于大多数无人艇需要有一定的环境感知的能力，以便远程操作人员或算法可以对环境做出响应，因此执行“情报收集”类任务的无人艇数量最多。

鉴于无人艇的功能特点，它在海图测绘、水下探测和海洋环境监测等方面均具有重要应用价值，正在成为重要的海洋无人装备。

国内也有包括中船集团、珠海云洲和多所高校在内的单位开展无人艇的研究工作。国内外对无人艇研究的热潮，更加坚定了我们发展无人艇的决心。

无人艇的关键技术

无人艇需要具备什么样的特殊能力才能在海洋上完成如此之多的重要任务呢？

首先，我们看一张南海岛礁水面之下的地形地貌图，又称为海图。就像地图一样，海图是我国主权的象征，具有重要的战略意义。我国有300万平方公里的海域面积，在这么广阔的海域之下，海图对船舶航行，乃至整个国家的海洋经济和国防安全都是至关重要的。

对海图的测量，一般通过海测船来进行。而据估计，我国广阔的海域里面，东海有岛礁3500多个，南海有1700多个。这些岛礁附近很多地方水深不到5米。在这些岛礁周边测绘海图，用海测船显然是不行的，但是岛礁周边的海图对中国的海洋权又非常重要。我们通过机器人相关的研究基础，开发无人艇来解决这个问题。

无人艇吃水很浅，能够实现自主航行、自主避障、自主地进行岛礁测绘。通过无人艇上的声纳发射声波到海底或者暗礁再反射回来，再通过专门的声呐测绘法，海底的地形地貌就出来了。

但是，由于无人艇所处的水面环境十分复杂，不仅包含静态障碍物，同时受海况、其他舰船航行的影响，因此相比于无人机、无人驾驶汽车等其他无人系统，自主性成为影响无人艇的关键技术因素，其他无人系统自主性方面的技术并不适合无人艇，这里面有几个技术难点。

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第一，岛礁周边的水流紊乱，裂流、涡流多，给无人艇带来很大的干扰。

声纳测绘要求无人艇必须稳定地走直线，但是岛礁的周边浪很大，走直线特别困难。需要用抗涌流的控制方法让它走得准。

例如，无人艇在岛礁周边测绘的时候，一个大浪过来，它会偏离原来的航线，通过无人艇上的传感器，能测出它的偏移量，根据偏移量的大小施以一个反作用力，就能回到航线上来。

但是如果在海上航行的话，一个浪过来之后造成一个偏移量，而下一个浪的大小还不知道，所以偏移量带有一定的盲目性。怎么办呢？解决办法就是通过无人艇上的雷达将它周边的海浪信息收集起来，建成一个动态的扰动空间模型。无人艇上面有很多的传感器，把它的姿态测出来，形成一个姿态空间。虽然姿态空间和扰动空间都是不停变化的，只要把扰动空间和姿态空间对应起来，找到一个映射关系，就知道该怎样来控制无人艇的纠偏量，达到走得准的效果。

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无人艇的关键技术

第二个关键问题是避障。

无人艇对静态目标避障是很容易的，通过雷达，激光测定它的位置，用一定的算法就可以避开。但是在海上的时候，除了礁石，还有很多正在航行的船舶，该如何避障？

人在奔跑的时候，遇到另一个人跑过来，会估计自己的速度、方向，还会估计对方的速度和方向，然后通过大脑的判断和反应就可以避免碰撞。海上的船舶也是利用这个原理，通过无人艇上的传感器和雷达，把对方的信息估算出来。但是因为无人艇在海上的航行的时候，它的速度和方向都是有误差的，通过误差信息去估计对方的误差信息，会有更大的偏差。所以还需要将这两方的误差信息计算成误差锥体，在两个锥体没有交集的时候，才能实现移动避障。

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第三个关键技术是无人艇的回收。

因为无人艇的航行距离只有几百公里，如果进行远海航行作业的话，必须要跟母舰配合着使用。可是在海上，三级、四级的海风是很常见的，无人艇作业完成之后，再回到母船一直是非常困难的事情，美国也在研究解决方案。海风大的时候大船和无人艇都会晃得十分厉害，让两边的吊钩结合对接，把无人艇吊上来，难度非常大。

通过在无人艇上做一个抛射的牵引绳，需要回收的时候，就把牵引绳自动抛到母舰甲板上面来，工作人员就能实现回收。在扰动的情况下做回收，这个方法的效果比较好。

长年奋斗在海洋一线的上海大学“精海”人

除了上述关键技术外，影响无人艇作战效能和使用方式的因素还包括：无人艇的部署/回收与补给、通用平台和模块化载荷、续航力等方面。这些技术因素的突破，不仅可以大大拓展无人艇的作战使用方式，还可以对其作战效能产生重要影响，将成为无人艇未来发展的趋势。

“精海”无人艇和它背后的团队

通过攻克上述关键技术，上海大学一批青年教师怀着“海上报国”的梦想，研制出10余艘无人艇模型，并命名为“静海”。这里的第一层含义是充分发挥“精卫围垦”的战斗精神，研制的无人艇能够准确执行海上任务。

青年团队成立了上海大学无人艇工程研究所，这是中国第一家水面无人艇专业研究机构。是集机械、控制、通信、力学、材料、计算机等相关学科为一体的跨学科研究中心。

学院核心研究人员由40余名青年人才组成，包括全国有突出贡献的中青年专家、全国优秀青年、上海市领军人才、上海市优秀学科带头人、青年科技明星、上海市优秀青年教师等。人才队伍建设成效显著，队伍还在不断壮大。

承担了数十项国家、省、部级重点项目。代表性成果包括京海无人艇、极地科研机器人、水下机器人、上海世博会多功能扫描艇、小型飞行机器人、国庆60周年海宝机器人；科研成果已获得130多项专利，发表论文300余篇。

研制的“精海”系列无人艇成功完成了南海、南极洲罗斯海岛礁探测、环境监测、应急救援等重要应用，推动了海洋监测智能化、无人化；静海系列无人艇还获得了国家技术发明二等奖、上海市科技进步一等奖、中国航海学会科技进步一等奖等10多项奖项，上海市技术发明奖一等奖。

自2009年起，上海大学“精海”无人艇团队研发了从精海1号到精海10号的一系列无人艇。我国从北到南3.2万公里的海岸线和岛礁岸线，都遍布“精海”无人艇的身影。

2013年，精海1号随中国海事166海巡船赴南海巡航，探测南海海域，实现我国无人艇在南海第一次应用。

2014年，精海2号装备于雪龙号科考船，探测南极罗斯海，首次为雪龙号极地科考船在南极罗斯海找到锚地，并绘制了难言岛附近1:5000大比例尺海图，助力国家极地战略。

2015年，精海3号随向阳红19船赴东海进行大范围海图测绘，填补了岛礁群海域、浅滩测绘空白。

2016年，精海3号完成对南海七连屿岛礁海域探测。

2017年，精海3号完成海岸带综合地质调查。

2018年，精海3号、精海7号在东海“桑吉轮”重大撞船事故中，成功完成沉船探测以及污染水样取样，为大规模凝析油泄漏事件评估和处置提供了重要数据支持。

其间，团队进行了一千多次的试验，每一艘无人艇的成功研发，背后都是团队用“精卫填海”般的精神换来的。

我们这个平均年龄32岁的年轻团队，怀揣着海洋强国的理想，勇于攻克“卡脖子”技术。团队成员不怕冷风吹，不怕海水泡，忍得住晕船，耐得住寂寞，能征善战，长年奋斗在海洋一线，为实现海洋强国坚持不懈，努力奋斗，彰显出持续不断的创新活力和惊人的爆发力。我们相信，通过一代代“精海”人不断创新和努力，海洋强国终将实现。

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