【摘要】:水下无人潜航器(UUV)是当前海洋探测、开发利用的重要工具,也是海军现代装备的重要组成部分之一。首先,针对技术发展和任务需求情况,归纳了微小型UUV的隐蔽性强、灵活性强、遂行任务多样等主要特点;其次,介绍了Bluefin、Riptide、REMUS、SEAScout等4款主流微小型UUV的基本性能和应用领域;再次,针对微小型UUV特点,从情报侦察任务、超浅水域反水雷、反恐防卫等方面进行了应用分析研究;最后,对水下无人系统的未来发展趋势进行展望。 0 ~* X! o" [! m3 \+ g7 _$ W: {
【关键词】:无人潜航器;集群技术;水下无人系统;微小型潜航器 2 }# [, i- {6 g& O- F
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前言 3 k0 R& l- v0 b( d# w2 _! B1 t
无人潜航器(UUV,Unmanned Underwater Vehicle)是以遥控或自主方式,在水下航行的无人化、智能化作战平台 [1]。近些年,各国均加大了针对 UUV 的多年计划,不仅在石油和天然气的勘探、海底管道或电缆线路的勘探铺设等方面有需求和进展,在军事领域的需求也逐年增加 [2]。
( ^4 a0 _& T/ M/ J* S0 }* T以往,UUV 主要用于水下排爆(EOD),使用了主要是直径约为 0.3-0.6m、长度达 6m 的 UUV 集群,在最新研究中提出了大位移 UUV(LDUUV),甚至超大位移UUV(XLUUV)的概念 [3-4]。随着电池技术和材料的发展进步,对于中大型无人平台,不仅开发周期长,且成本高昂,因此最近的技术发展逐步改变利用大型 UUV 的特点,将更多款微小型 UUV 投入市场应用 [5]。微小型 UUV体积小、重量轻,便于存储、布放和回收,可以遂行多样任务,具有诸多优势,随着人工智能技术和计算机技术的迅猛发展,UUV 向着模块化、集成化、小尺寸等目标前进。* Q* X. \: e/ V3 y- q2 m
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微小型UUV
4 V% x$ |2 Z9 N7 W5 ^1 `1 r无人潜航器具有自主性、低风险性、隐蔽性、可部署性、环境适应性等特点,具有商业和军事价值,是目 前海洋技术研究的前沿 [6-8]。 (一)隐蔽性强 微小型 UUV 具有体积小、生存力强、在执行任务时可以减少上浮次数和时间,在完成任务后执行自毁等措施,以降低暴露概率。 (二)灵活性强可根据任务需求,设置布设于 600-6000m 的海水深度,可用于集群作战或有人、无人协同作战,可作为信息中继,为侦查提供情报支持,也可作为诱饵,诱骗目标进行打击 [8]。(三)遂行任务多样可采用模块化设计和开放式系统架构,根据任务需要设置载荷,具备遂行海洋环境情报收集、预警监视、反潜作战以及水下打击等多样化任务的能力 [9]。8 X; w# l. `. L4 I' h5 U
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1 A2 ]/ N/ e/ S( u微小型UUV ; Q8 T& s. k6 e6 R9 `$ ~! x6 ~
(一)Bluefin
( ]' Q7 T6 C7 f4 }5 o8 P蓝鳍金枪鱼(Bluefin)水下机器人公司位于马萨诸塞州昆西市,是一家专业深海探测器材研发公司,专门研究和销售 UUV[10]。目前为止蓝鳍系列产品有“蓝鳍金枪鱼 -9”“蓝鳍金枪鱼 -9M”“蓝鳍金枪鱼 -12S”“蓝鳍金枪鱼 -12D”“蓝鳍金枪鱼 -21”等基本型号,其 中“ 蓝 鳍金枪鱼 -9”“蓝鳍金枪鱼 -9M”为小型UUV,如图 1 所示。可遂行海洋调查、水下环境监测、反水雷(MCM)、爆炸物(UXO)、情报监视和侦查(ISR)等多种任务 [11-12]。以“蓝鳍金枪鱼 -9”为例,其外形长为 1.75m,直径 0.24m,重量 60.5kg,续航力 12h,导航系统主要为 GPS 系统,精度为航迹推算小于航程的0.3%[13]。% V' s# h! S/ O/ A6 d7 k1 F
(二)Riptide1 j% ~) D4 j& r2 [
2015 年,由于传统 UUV 行业出现变动,Riptide 提出了自主式方案(Riptide Autonomous Solutions)。该方案的第一个产品就是微型 UUV(Micro-UUV),这是一种新型的、高度灵活的、开源的自主式潜航器。这种微型UUV 具有开放的硬件和软件接口,为用户提供了可靠性和鲁棒性强的平台,以促进技术的开发。该潜航器的设计是在动力特征上进行了高效率的优化,其基座直径约为 0.12m,长度约为 1m,重量约为 9.98kg,标准系统的额定深度为 300m[4],如图 2 所示。(三)REMUS; H* b* `' m. V5 J1 |; k
“雷姆斯”(REMUS)无人潜航器是由加利福尼亚州蒙特利的 UUV 制造商水螅公司制造研发,最知名的微小型 UUV 为“REMUS-100”,全球范围内出售了 600 余台,广泛应用于科研、商业和军事领域 [14]。REMUS-100是为沿海 100 米深度左右的工作环境设计的小体积、轻重量的 UUV,并且增加了水文和海上调查装置,包括多普勒测速仪、侧扫声纳装置、温度盐度传感器等,还可扩充多重设备,其水下作业时间可达 10 小时,航行距离20 海里以上,已实现在海岸巡逻、海洋环境监测、飞机残骸勘测等领域的作业 [15-16],如图 3 所示。(四)SEAScout
" l* p* d# S5 F! t+ y, G7 R$ |“海探”(SEAScout)是一款微型 UUV,有 QinetiQNorth America 公司开发研制生产的产品,具有可重配置的有效载荷能力,长度约为 10 英寸、4.5 英寸直径载荷段,新一代 SEAScout 增强了耐用性、通信和导航精度。可以执行多种海上任务,如诱饵、信息中继、数据采集、情报侦察等,最大下潜深度 200m,采用 GPS、九轴 IMU、深度传感器组成导航系统 [10],如图 4 所示。
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' X" u9 g& {) \& F5 r6 p! t, ^! s. {" c微小型 UUV 集群应用 6 u8 `+ Y, Y( k; o( w7 R% O
(一)情报侦查任务
) h B8 v# f: _水下无人集群任务,包括情报侦察、近岸港口监视、水文监测、后法部署声纳等任务 [18],水下平台种类繁多,对于小型 UUV 来说,充分利用其成本小、隐蔽性好等特点进行任务部署。美军对海军特种战(Naval SpecialWarfare-NSW)定义的任务是在极浅水域(Very ShallowWater-VSW)进行水文侦查,利用小型 UUV 群,对可疑雷区和特定区域内水雷的位置进行评估和侦测,并不引爆雷区,随后将信息反馈给指挥所进行任务布置 [19]。已进行实验的 SAHRV 型号,就是首先进行任务编程,随后在任务区进行阶梯搜索,再将收集到的数据反馈进行分析。
' R. R& k& b h7 A" x(二)超浅水域反水雷(VSW MCM)
! k5 m) r3 y- f8 ^: F( D反水雷(MCM)的任务是要迅速建立安全作业区和运输路线,在 7-10 天或更短的时间内建立安全区域,区域范围应当在 100-900平方海里,包括侦查、清除水雷、机械和电磁扫测、保护安全区域等过程 [18]。美国圣地亚哥空间和海军作战系统中心(SSC SD)在利用小型 UUV进行任务部署时,利用 REMUS 或 CETUS 平台对海区进行探测,并将任务分为两个阶段 [19]。该 UUV 系统包括操作艇及指挥、控制、通信和计算接口(C4I),UUV装备了精确的导航和目标定位信息,首先对水雷进行探测并避免引爆后返回,再调整第二组 UUV 载荷,对海区进行评估和确认目标,并在指挥员的指令下对雷区进行清扫。
9 z! H4 T" h4 M. M& s(三)反恐防卫* z- \* r: D. i$ L- k4 B
利用 REMUS 等小型 UUV 群在反恐防卫领域主要完成三项任务:船舶搜索、停泊区搜索、特定小区域搜索,UUV 的主要任务均为信息采集和传递 [19]。例如,在UUV 群里,REMUS 可分别装备 900 kHz 的单扫声纳和1.2MHz 的单扫声纳,CETUS 装备 2.4MHz 的单扫声纳和深度传感器,这样会采集到更多样具有战术意义的水文环境信息。) t H# U4 v% f
(四)其他$ w' ?; q+ j q- C; g1 c
UUV 集群通常还可以执行反潜战、保护作业区域等任务,但微小型 UUV 通常不单独执行此类任务,可与中、大型 UUV 或有人航行器协作执行任务,也可以通过调整 UUV 的载荷进行任务部署。目前,UUV 集群和大多数商用潜航器的自主性都非常低,每个单独的任务必须预先编程。NSWC PCD 的科学家和工程师们,正在利用新型微型 UUV 进行更高层次的自主性实验,以期能够在无需预先编程的情况下,执行对未知海区的勘测任务。海军研究人员计划对微型UUV 进行自主性研究,并坚信可以利用这一新工具的灵活性和易用性迅速实现目标,供 UUV 集群及其他 UUV用户使用 [20]。
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5 \# F! V' V- V+ b% _2 f水下无人系统未来发展趋势
% f6 L6 h7 m* I(一)采用模块化结构执行多样化任8 x" J1 |& e! K3 J
采用模块化、开放式的机构,能够提高装备维修效率、降低保障压力。应该根据 UUV 作战使命的不同,规划了“微、小、中、大”尺寸 UUV 的发展思路,并在各级支持下逐步落实,UUV 使命任务更加细化,实际应用也趋于成熟 [21]。目前无人潜航器大多只执行单项任务,成本高昂,后期维护难,因此美国通过调整无人系统标准信息,使工业部门着重无人潜航器模块化载荷的开发,已完成了自动化、任务载荷、传感器数据、通信技术 4 方面的标准化制定[22-23],模块化的设计将大大提高产品的利用率、遂行多样任务。
q! }( U, |2 V+ l( ?(二)构建蜂群系统
+ C! v; X) \" v; i: w目前,微小型 UUV 因成本低、性价比高、应用范围广等特点,其市场份额逐年增大,UUV 集群的部署应用也增多,且由于 UUV 在电量存储方面的突破性进展,续航力更强,电磁也可以在更小、更低廉的平台进行测试,可以执行更长续航时间的任务,例如“蜂群”等 [24]。充分发挥机器人技术革命优势,构建无人自动化“蜂群”作战系统,水下无人平台的蜂群战术,相比有人航行器在作战时,更具有数量优势、成本优势、时敏优势,也是未来水下无人系统应用趋势。
0 {7 ~7 L1 u* V: v(三)增强自主智能技术5 O! o8 ?/ z5 R0 J) d4 C# w8 E! S
无人系统的控制技术发展由遥控到半自主,未来的发展趋势是自主,即 AUV。目前无人潜航器大多需要操作人员进行遥控或提前编程,随着技术进步,正在试验部分型号的自主航行及集群协同作业 [24]。自主技术能够提高 UUV 的活动范围,实现超远距离的反水雷、反潜、反舰等任务,也能对人力资源的依赖。引入人工智能技术,提高水下无人系统的自主性,通过加强 UUV 局部通讯能力,实现局部快速最优编组,可以降低水下恶劣的通信条件对集群控制的影响 [25]。! z% O9 n! R1 u6 @5 a
+ I3 c) Y. }; U结语 1 w' i" {0 @8 u! v4 q( Y; m
水下无人系统相较有人系统,具有隐蔽性强、灵活性强、遂行任务多样等特点,能够以数量优势弥补单 一平台功能不足的缺陷,以多数量的分布式无人平台集群,遂行水下侦察、反水雷、反恐防卫及反舰等其他任务,对未来海战意义重大。海洋是国家安全的重要屏障,UUV 作为海洋探测和海洋防卫的重要新型装备,大力开发和研制 UUV 技术及应用,随着人工智能技术的迅猛发展,水下无人系统呈现出模块化、智能化、集群协同应用是未来发展的趋势。 ( `0 j; q$ Z5 M4 v( G6 Y5 m5 h6 q
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