微小型无人潜航器（UUV）研究现状及应用分析

【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。

【关键词】：无人潜航器；集群技术；水下无人系统；微小型潜航器

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前言

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]。
2 r5 B; d) l+ q( l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。
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微小型UUV

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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]。


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微小型UUV

; `; ?+ Y4 R& Y9 C（一）Bluefin
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]。

$ b- x9 m7 v% O（二）Riptide
1 j8 }- ]% m. ~4 R7 n! F6 O' W2015 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
“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
9 h) N, r! ?# k8 i+ R3 F5 ]“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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微小型 UUV 集群应用

（一）情报侦查任务
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。
6 V6 P, b8 D4 r0 G2 h  n（二）超浅水域反水雷（VSW MCM）
$ p/ U0 k! ~% B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。
% v: d# x+ U( y% H) r（三）反恐防卫
+ }" }) I% H9 ]1 H* g- f; S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- J- h# u8 g6 H, _（四）其他
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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水下无人系统未来发展趋势

（一）采用模块化结构执行多样化任
9 w" L& a1 u% x9 D+ t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。
' k7 H& _% k9 s7 o# g& _1 m（二）构建蜂群系统
4 F' R2 |, M5 I0 |1 w8 p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。
) K, J' \8 F: |; K  f  h; ^' Z（三）增强自主智能技术
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]。
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结语

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。