國外無人水下航行器裝備與技術現狀及展望
無人機、問空天公眾號聯合出品
《水下無人系統學報》授權
(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部,雲南 昆明,650118)
摘 要:當今,無人水下航行器(UUV)已成為世界各國海軍爭相研製的「熱點」裝備,文中立足於國外UUV的發展歷程及發展規劃,通過參閱大量文獻,詳細梳理了各國UUV發展的主要研究機構,介紹了美國、俄羅斯、日本、韓國及主要歐洲國家典型UUV裝備應用情況和重要技術指標,著重分析了當今國外UUV能源技術、自主控制技術、導航技術、通信技術及負載技術的發展現狀,展望了UUV未來發展方向。
關鍵詞:無人水下航行器; 性能指標; 研究機構; 典型裝備
0 引言
近年來,隨著信息戰向反潛戰場的延伸及現代戰爭追求人員零傷亡理念的發展,無人作戰系統已成為世界各國軍事裝備的研發重點,其重要組成部分的無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)必然成為世界各國爭相研製的「熱點」裝備。
UUV是一種主要以潛艇或水面艦船為支援平台,能長期在水下自主航行並可回收的智能化裝置,藉助母平台可搭載多種感測器、專用設備或武器模塊,並可執行特定的任務使命。當今,UUV以其自主性、靈活性和多用途性,被越來越廣泛地應用於水下戰場偵察/監視、情報收集、預警探測、通信中繼、環境調查、有效載荷預置、水聲對抗、目標感知與識別、獵雷、佈雷、跟蹤打擊及後勤支援等諸多領域[1],在未來海戰中具有越來越重要的地位。根據自主性等級,可將UUV分為遙控式無人水下航行器(remotely operated vehicle,ROV)和自主式無人水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV) 2類。任務包涉及水下偵察、搜索、探測、識別、獵掃雷、時敏打擊和打撈回收等功能模塊。其中,ROV拖帶有用於控制和動力的光電纜,由人工進行控制;AUV則自帶能源動力,採用自主控制模式。
1 發展歷程
UUV的研製最早始於20世紀50年代末,主要用于海洋科學研究。20世紀70年代,UUV常通過遙控方式被用來執行搜探失事潛艇、反水雷等軍事任務。20世紀 80～90年代,隨著小型化組合導航、遠程水下通信、小型低能耗計算機等技術的突破,UUV開始具備半自主控制能力,但由於成本高,未正式列裝。到20世紀90年代末,隨著技術的進一步成熟,UUV在民用領域得到了廣泛應用,並藉助成熟商用技術使其成本明顯降低,逐步出現具備反水雷等功能的 UUV並裝備部隊[2]。
21世紀以來,UUV的自主控制水平和推進動力源比能得到了進一步提高,其任務開始向反潛、水下偵察等領域擴展。期間,美國先後 2次修改了UUV的發展主規劃,在2007年後,將空中、水下和地面多維空間的無人系統進行整合,每2年發布一次《無人系統發展路線圖》並滾動修訂,最新版截至為2013年發布的《無人系統綜合路線圖(2013-2038)》。對軍用 UUV發展影響較大的是2011年美海軍發布的《水下戰綱要》,其中提出要加強對大型UUV、特種作戰航行器、水下分散式網路、全球快速打擊系統等有效負載的利用。針對所開發的有實用價值的研製樣機(如大排量 UUV),為能儘快列入部隊服役,2016年美國防部變革了 UUV的採購辦法,採用邊研製邊採購入役的辦法,以期縮短獲得新研 UUV的採購時間[3]。
歐洲針對 UUV的研究一直在展開,一些關鍵技術的研究更優先於美國。2010年,歐洲防務局(European defence agency,EDA)發布了《海上無人系統方法與協調路線圖》,提出協調歐洲各國力量,共同促進UUV等系統的發展。圖1列舉了國外一些典型UUV的發展歷程[4-5]。
圖1 國外典型無人水下航行器發展歷程
Fig. 1 Development process of typical unmanned undersea vehicle(UUV) abroad
2 主要研究機構
據不完全統計,目前國外主要有十多個國家20多家科研機構在從事UUV的研究開發(見圖2),來源主要有以下幾方面。
公司類機構: 美國的藍鰭金槍魚機器人公司、波音公司、洛·馬公司、哥倫比亞公司、通用動力公司、水螅公司、伍德·霍伊公司、諾斯羅普·格魯曼公司等。德國的ATLAS電子公司、法國的 DCNS、義大利的Gaymarine、瑞典Saab水下系統、英國的BAE水下系統、挪威的Kongsberg Maritime公司、澳大利亞國防科學技術研究院等。
軍方類研究機構: 主要為美國的海上系統司令部、海軍水下戰中心、海軍研究局、國防高級研究計劃局、海軍海洋局、海軍研究實驗室等。
大學類研究機構: 主要有美國的華盛頓大學、賓夕法尼亞州立大學應用物理研究所、加州大學、麻省理工學院、威斯康辛大學及挪威海洋大學等。
文中著重對美海軍部分研究機構進行說明[6]。
1) 美國海軍水下作戰中心(naval undersea warfare center,NUWC): 研製有大直徑 UUV(LDUUV)和直徑21 inch的UUV(21UUV)。
2) 美國海軍研究局(office of naval research,ONR): ONR的工程部、材料部、物理科學和技術部都在從事UUV的研究工作,主要涉及UUV的能源與推進、續航力、感測器信號處理、通信、使命管理控制、導航和運載器設計等。
圖2 國外主要UUV研究機構
Fig. 2 Major foreign research institutes for the UUV
3) 美國海軍空間和海戰系統(space and naval warfare systems command,SPAWAR)中心: 主要從事AUV的指揮和控制系統、光纖和水聲通信系統、非金屬材料和運載器總體的研製。
4) 美國國防高級研究計劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)和查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室(Charles Stark Draper labatory,CSDL): 已建成 2個可用作試驗平台的AUV,其長10.97 m,直徑 1.112 m,重 6 804 kg,最大工作深度分別為304.48 m和457.2 m。該航行器採用8.82 kW的無刷電機,最大航速為10 kn,續航力為24 h,均已完成海試。
5) 美國海軍研究生院(naval postgraduate school,NPS)智能水下運載器研究中心: 主要從事用於UUV智能控制、規劃與導航、目標探測與識別等技術的研究,產品有 NPS AUV I、NPS AUV II、ARIES(白羊座)號、Pheonix(鳳凰)號AUV等。
6) 美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole oceanographic institute,WHOI): 研製有遠距離環境監測裝置(remote environmental monitoring units,REMUS)及深海探測器(autonomous benthic explorer,ABE) AUV等產品。其中ABE AUV用於深海海底觀察,機動性好,能完全在水中懸停,或以極低的速度進行定位、地形勘測和自動回塢。該AUV長2 200 mm,速度2 kn,根據電池類型,續航力為12.87～193.08 km,動力採用鉛酸電池、鹼性電池或鋰電池。
7) 通用動力公司和雷聲公司: 主要產品XP-21是一型直徑533 mm的AUV,採用模塊化設計,長度可在 2.44～7.32 m 任意選擇,其標準型的質量為635 kg,航速 0～5 kn,工作深度為 9.14～3 653.63 m,主要用於水雷戰。該 AUV側視聲吶為雙頻、單波束、數字式聲吶,頻率範圍100～500 kHz; 高頻用於探測大型水雷,低頻用於探測沉底雷並對其進行分類。前視聲吶為多波束數字式聲吶,可填補側視聲吶的探測盲區,以探測和分類沉底雷和錨雷,同時也可用於避障。
8) 佩里技術公司: 該公司研製的機動系統試驗(MUST)AUV長為9.144 m,重8 834.8 kg,工作深度為60.96 m,主要供試驗和演示用。該AUV採用7.35 kW 主推進電機,電源為鉛酸懸掛式電解電池組,航速為0～8 kn。推進系統採用6個推進器,使航行器可作懸停、垂直或橫向運動。
9) 麻省理工學院的 Sea Grant′s AUV 實驗室:是一家主導海上水下機器人的高級研發者,主要從事各種梯度海洋、環境、溫度及水下能源的研究,培養了許多從事海洋高技術探索的研究生和科學家。
3 主要裝備及應用
目前一般將 UUV分為攜帶型、輕型、重型和大型4個級別,作戰使命及特徵分別如下。
1) 大型 UUV: 排水量＞2 000 kg; 主要用於反水雷、察打一體及特種作戰; 可進行水下搜救、水下補給維修、清掃航道及破壞水下工程設施等;通過水聲模擬、干擾和壓制裝置對來襲目標進行誘騙干擾; 通過攜帶各種作戰功能集成模塊載荷、蛙人輸送艙段實施各種特種作戰及運送負載。
2) 重型UUV: 排水量300～2 000 kg; 用於反水雷、察打一體、搜探、跟蹤、攔截及布雷; 可通過水聲模擬、干擾和壓制裝置對來襲目標進行誘騙干擾; 可攜帶輕型水下武器(魚雷、導彈、水雷、深水炸彈)在重要港口基地航道對潛艇跟蹤並實施攔截、在作戰區域進行布雷等。
3) 輕型UUV: 排水量為50～300 kg; 用於反水雷、搜探、海洋調查及戰場保護; 可通過攜帶側掃聲吶、合成孔徑聲吶、Boss聲吶、前視聲吶及高清水下攝像機/照相機等設備對作戰海域的水雷進行滅雷; 可通過攜帶的海洋測量設備對戰場進行調查; 可通過各種通信、導航及定位設備對水下航行器或武器進行精確定位,並進行實時通信。
4) 便攜型 UUV: 排水量＜50 kg; 用於反水雷、海洋調查及戰場保護; 可通過攜帶淺水探測設備(探測聲吶、成像聲吶、水下電視機)、識別設備(水下結構物)和水下檢查設備,對港口、水下設施和艦船外殼進行檢查,防止蛙人潛入,起到水下保護作用; 可利用光電探測設備及雷達、通信等電子信號偵察等設備對水下物體進行偵察並識別; 具有與輕型UUV相同的滅雷、精確定位和實時通信功能。
目前,美國、俄羅斯、挪威及瑞典等國已有多型軍用 UUV交付部隊。其中,有 2型便攜型UUV用於反水雷; 輕型UUV中,有4型用於反水雷,1型用于海洋調查; 重型UUV中,有3型用於反水雷,2型用於失事潛艇搜索,1型用于海底地圖繪製; 大型 UUV中,有 1型用於反水雷,1型用於偵察、反水雷和通信。另有10多型UUV正處於探索和研發中,其中: 輕型UUV中,1型用於反水雷,1型用于海洋環境調查; 重型 UUV中,有4型用於反水雷,1型用於情報偵察,1型用于海洋環境調查; 大型 UUV中,有多型用於執行反水雷和察打一體任務。
主要海軍國家典型 UUV裝備體系及主要技術指標分別見圖3和表1。
圖3 國外UUV裝備體系及典型代表
Fig. 3 Equipment systems and typical types of the UUV abroad
3.1 美國
美國有多型在研在役 UUV,覆蓋各種排水量和動力類型。其中,便攜型UUV 2型,均在役,全部用於反水雷; 輕型UUV中,4型用於反水雷,1型用于海洋環境調查,均在役; 重型 UUV中,在役3型,在研多型,且多型用於反水雷,1型用於情報偵察,1型用于海洋環境調查; 大型 UUV中,目前多型在研,近期即將服役的是LDUUV[7],其餘皆處在論證與研發階段。上述多型UUV中,僅1型為滑翔式,其餘均為電動力推進型。
美國研發的UUV在動力(比能210 Wh/kg)、自主化水平(等級達6級)、導航精度(航程×0.1%)及水聲通信(10～20 km範圍內速率達330 b/s)等關鍵技術領域均處於世界領先地位。其服役的典型型號有SAHRV(便攜型)、SMCM增量2(輕型) 和BPAUV(battlespace preparation AUV)(重型)等。SAHRV是REMUS-100的軍用版,在原版基礎上更換了聲吶等任務模塊,已裝備「奧斯汀」級兩棲船塢運輸艦,並同時向英國、比利時、德國、荷蘭、紐西蘭和新加坡等國出售,是目前銷售數量最多、應用範圍最廣的反水雷UUV[8]。
表1 國外主要UUV技術指標一覽表
Table 1 Main technical specifications of the UUV abroad
注: *REMUS系列由美國企業研製,產品已裝備美海軍,之後該企業被挪威收購,為挪威所有。
SMCM增量2型是在民用UUV「金槍魚-12」的基礎上發展而成,可由水面艦艇上的A型吊架布放和回收,原計劃用於反水雷。由於發展重點調整,美國已停止該UUV的進一步研發,轉而發展重型的SMCM增量3型UUV[9]。
BPAUV 是在民用 UUV「金槍魚-21」的基礎上發展而來,曾多次參加美國艦隊的作戰演習及海上試驗,目前已裝備近海戰鬥艦,主要用於反水雷[10]。
此外,美國 WHOI的 ABE AUV最大潛深達6 000 m,最大速度2 kn,巡航速度1 kn,考察距離≥30 km,考察時間≥50 h,可在沒有母船支持下,長時間執行海底科考任務,它是對載人水下航行器和ROV的補充,以構成科學的深海考察綜合體系,為載人水下航行器提供考察目的地的詳細信息。
由美國Hydroid公司生產的REMUS是先進的UUV系列產品。其中REMUS 6000工作深度25～6 000 m,高度模塊化,代表了UUV的最高水平。
3.2 歐洲
歐洲主要有挪威、英國、法國、德國及瑞典等國在研製UUV,並在鋰離子電池、導航等關鍵技術領域與美國水平相當或接近。
挪威原有「休金」系列UUV,收購美國海德羅伊德公司後,先後研製出包括「休金」系列 3型、REMUS系列3型、Seaglider滑翔式 UUV 等多款成熟產品,型號數量僅次於美國。
法國擁有「阿里斯特(Alister)」系列 UUV,其中「Alister-9」為軍用 UUV。該 UUV於 2013年 7月開始海試,已有 6艘先後服役,服役後其名稱變更為「Alister-100s」[11]。
德國有 3型軍用 UUV,分別是「海獺」 MK I 、MK II型和DeepC,前者由丹麥早期的「馬瑞丹-600」型民用 UUV 升級而來,有試驗性質,已交付使用; 「海獺」 MK II是德國最先進的UUV,採用模塊化設計,目前尚處於在研階段; DeepC已交付德國海軍用於試驗。這3款UUV均可用於反水雷,DeepC還可執行偵察、通信任務[11]。
瑞典擁有2型UUV,分別是「雙鷹 SAROV」和「AUV 62 MR」。前者能在遙控與自主間切換使用,尚處於試驗狀態; 後者主要裝備於潛艇,已獲多個訂單,可用於反水雷及反潛戰訓練誘餌。
3.3 俄羅斯
俄羅斯對UUV的研究始於20世紀60年代末期,先後研製了 MT-88(1988年)、「管道海獅」(1994年)等,主要用於深海水下搜索或海圖繪製。20世紀90年代之後,由於經濟原因,停止了相關研發,直到2012年8月,才重新宣布為水下特種作戰研發UUV[12]。
3.4 日本
日本自研 UUV主要用於石油勘探、深海打撈等民用領域,技術水平與歐美相當,但沒有自研軍用UUV,其海上自衛隊使用的UUV多外購美國,典型型號包括REMUS-600和Gavia。此外,日本的R2D4水下機器人長4.4 m,寬1.08 m,高0.81 m,重1.506 kg,最大潛深4 000 m,能自主收集數據,可用於探測噴涌熱水的海底火山、沉船、海底礦產資源和生物等[5]。
3.5 韓國和印度
韓國的 UUV主要用於深海探測,典型民用型號為OKPO-6000,尚無軍用 UUV服役。印度軍用 UUV尚處於實驗室開發階段,主要在研產品為「瑪雅」[5]。
4 技術現狀
能源、自主控制、導航、通信及任務載荷是UUV最關鍵的5個系統(見圖4),能源是心臟,自主控制是大腦,導航和通信是感官,任務載荷是作業工具。
圖4 UUV組成示意圖
Fig. 4 Composition of an UUV
4.1 能源技術
由於工作環境特殊,UUV的能源應滿足比能量高、能量密度大、安全性好、可靠性高、易控制、價格低廉、耐低溫、耐高壓、耐腐蝕且環境污染小(無環境污染)等條件。電池具有結構簡單、可承壓、無振動與雜訊、可靠性高、工作溫度範圍寬、使用成本低等優點,是絕大部分電力推進型軍用UUV的能源。UUV常用的電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、銀鋅電池和鋰/鋰離子電池系列以及燃料電池(見表2)。鉛酸電池、鎳鎘電池和銀鋅電池主要用於國外早期UUV,前兩者因比能量和能量密度低,後者因壽命短,已被鋰/鋰離子電池取代。
表2 UUV各類電池性能對比
Table 2 Comparison among performance of different batteries for an UUV
鋁氧燃料電池 比能高,壽命長,無噪音,適用對可靠性要求不高的UUV 挪威休金3000 260～400固體氧化物燃料電池 比能高,壽命短,適用於大排水量遠航程UUV 美國LDUUV 400～500 4 燃料電池質子交換膜燃料電池 比能在一次和二次鋰電池間,適用未來UUV DeepC 200～400
鋰/鋰離子電池中的二次電池的比能量和能量密度分別達到鉛酸電池和鎳鎘電池的4倍和2倍以上,壽命是銀鋅電池的 130倍,已成為目前國外應用的主流,美國的REMUS系列及挪威「休金I」型UUV均採用二次鋰離子電池,比能量最高達到210 Wh/kg。
燃料電池僅在少數商用 UUV或實驗平台使用,新型燃料電池多處於實驗室開發階段,在用的質子交換膜和鋁氧燃料電池比能量達 400 Wh/kg,在研的固態氧化物和鋰/過氧化氫燃料電池比能量分別達500 Wh/kg和725 Wh/kg[13-14]。
鋰離子電池未來仍將大量應用在便攜型、輕型及重型 UUV上,重點改進正負極活性材料的電化學比容量,以提高能量密度。2020年後,燃料電池技術將成熟並廣泛裝備在軍用巨型 UUV平台上,未來將重點突破燃油重整器和高功率密度技術。據報道,美國正在開發比能量500 Wh/kg的燃油重整固態氧化物燃料電池[15]。
4.2 自主控制技術
UUV的自主控制涉及諸多方面,包括綜合運用智能體系結構、軌跡規劃與避障、運動控制演算法等技術,它們決定了 UUV如何處理獲取的數據、如何模擬思考和行動過程。先進的UUV能在預定路徑上進行一定程度的自主判斷,如避障、迂迴及路徑優化等,緊急時還能利用水聲通信對 UUV進行干預,自主控制技術等級達到6級(見表3)。
表3 UUV自主控制技術對比
Table 3 Comparison among autonomous control technologies of an UUV
自主控制技術未來的發展方向是進一步優化邏輯演算法、路徑優化方法。根據目前美國在研潛載大型UUV的自主性描述,2017年將可以探測、定位和識別水面船隻並判斷其意圖、探測和避開各種漁網和漁具,同時發展協同能力和自主控制技術等級提高到8級。到2030年,將向9級過渡。
4.3 導航技術
UUV的導航系統受大小、重量、電源使用的限制及水介質的特殊性、隱蔽性等因素影響,實現精確導航難度較大。現有產品多綜合使用慣性導航、衛星導航、多普勒計程儀及聲學導航等技術,其性能對比見表4。
表4 UUV常用導航系統性能對比表
Table 4 Comparison of commonly used Navigation system for an UUV
常用導航技術中,慣性導航針對UUV體積小,攜帶能量有限的特點,具有低功耗、低成本、體積小、堅固且可靠性高等優點的光纖陀螺捷聯慣導系統是發展的熱點; 衛星導航是 UUV在水面或接近水面航行時的主要輔助導航方式(如美國的GPS、中國的北斗系統),常用於校準慣性導航系統長時間累積的誤差。目前幾乎所有的 UUV均裝備了GPS接收機,該系統發展重點與技術難點是GPS接收機的抗干擾問題; 多普勒計程儀發展的重點與難點是與慣性導航系統的數據融合;聲學導航技術主要有長基線導航、短基線導航和超短基線導航3種; 地球物理信息導航將實時測量的重力梯度、地磁、海底地形地貌等信息與平時測量掌握值之間進行匹配,從而獲得導航信息。
美國在 UUV導航技術方面處於世界領先地位,其BPAUV的導航系統包括LN250慣性導航系統、多普勒計程儀及GPS接收機,導航精度為航程的 0.1%[10]。挪威最先進的「休金-1000」UUV導航系統包括慣性導航系統、多普勒計程儀、超短基線水下定位系統、GPS接收機等,並將地形匹配導航作為可選方案,其自主工作模式下實時導航精度接近美國水平[11]。
未來 UUV導航系統將通過研發新的慣性感測器、積累更多的地球物理數據等手段,不斷追求導航系統的高精度、小型化、低成本,並向不依賴GPS的方向發展,根據美國UUV發展規劃,將重點發展海底地形匹配技術,未來的目標是將綜合導航精度提高2個量級。
4.4 通信技術
UUV在執行任務時,相互間、與母艇(艦)以及支援平台間需要傳輸大量的指令和數據,對通信能力提出了較高要求。目前用於 UUV的通信技術主要有水聲通信和無線電通信,見表 5。其中: 無線電通信是 UUV在水面採用的主要方式;水聲通信是 UUV在很長時間內都將採用的水下通信方式,目前該技術發展已較為成熟,國外很多機構都已研製出小型化的水聲通信數據機,並在UUV上使用。如美國「金槍魚」和RUMUS系列 UUV均採用伍茲·霍爾海洋研究所研製的低功耗水聲通信系統,傳輸速率為80～5 400 b/s[16]。
表5 UUV各類通信技術對比表
Table 5 Comparison of communication technologies for an UUV
UUV水聲通信技術發展方向是提高通信距離和通信速率,發展網路通信能力。由於水聲通信存在傳播速度低、可用頻寬窄、信號衰減嚴重等缺點,各國均在研究相關技術以求得到改善。典型技術方向包括水聲信道編碼技術(增加信道容量,提高傳輸速率)、自適應均衡技術(提高抗干擾能力)以及時反通信技術(減少功耗、提高傳輸距離)。此外,現在水聲通信技術已發展到網路化階段,將網路技術(Ad Hoc)應用到水聲通信網路中,可以在海洋里實現全方位、立體化通信(可以實現無人航行器組網),但目前只有少數國家試驗成功(美國已於2016年9月成功進行了無人航行器移動組網的試驗)[3]。
4.5 任務負載技術
UUV的任務負載系統主要是針對不同使命任務而配備的水聲、電子或光學設備,其中聲吶設備是UUV的關鍵負載,對精度、重量和體積有很高要求。國外合成孔徑聲吶成熟產品最大掃海效率為2.88 km2/h,成像解析度5 cm2,3 kn時探測距離260 m[5]。該產品材料製備工藝先進,能製備出大面積的壓電陶瓷材料,切割質量穩定,切割後陣元一致性好,成品體積重量小。未來合成孔徑聲吶的發展方向是利用光纖水聽器等技術,提高作用距離、降低自重。
5 發展規劃及展望
5.1 發展規劃
1994年,美國正式將UUV研發列入美海軍發展計劃,提出優先發展 UUV的水雷偵察、情報監視偵察和海洋調查能力[1]。2000年,發布第1版《美海軍UUV總體規劃》,確定了無人航行器的7項任務: 情報監視偵察、反水雷、海洋調查、通信導航、反潛戰、武器平台、後勤補給與支援。2004年,發布第 2版《美海軍 UUV總體規劃》[17],將UUV的任務最終調整為9項,包括情報監視偵察、反水雷、反潛戰、探察與識別、海洋調查、通信/導航節點、設備運送、信息作戰和時敏打擊,並依據直徑、排水量、續航力及有效載荷等指標將UUV劃分為攜帶型、輕型、重型和大型等4類[17]。此後,為建立地面、水下、空中統一的無人系統整體發展戰略規劃,美國未再單獨針對 UUV 發布規劃,並於2007～2013年間,陸續發布了4版《無人系統(一體化)路線圖》[18-21]。這一階段,針對UUV的研發重點在於加大對UUV作戰概念和使用方法的探索,提出了利用UUV組建水下偵察預警網路、為UUV配備武器和感測器使其成為察打一體系統等概念,以進一步牽引UUV的發展。
EDA於2010年發布了《海上無人系統方法與協調路線圖》[22],提出協調各國力量,共同促進無人航行器等無人系統發展,重點突破感測器、平台、通信、指控、自主控制以及反水雷等關鍵技術; 採用按需並量力而為的策略,根據參與國需求和能力設定關鍵技術發展次序。目前已啟動部分項目,如2011年11月,EDA授予挪威、義大利、德國等價值 475萬歐元的合同,為海上無人系統開發共形陣列性能評估模型,為共形聲吶陣提供開發軟硬體工具[23]。
5.2 展望
綜合分析國外 UUV發展現狀,未來的發展重點集中在以下幾方面。
1) 向網路化、協同化和集群化發展。UUV尺寸小、航速低,單位時間機動範圍小,探測和水聲通信距離短,單 UUV的作戰和作業範圍非常有限。多 UUV組成一體化偵察、探測、打擊網路,協同作戰和作業,是提高其作戰能力和作業效率的有效手段,也是UUV的必然發展趨勢。目前,使用多UUV協同探雷、探潛、測量海洋環境參數和探測水下目標等已經成為研究的熱點。美國和北約國家正在開展相關理論研究和海上試驗研究,重點為多UUV的協同控制、協同導航和定位、網路化通信技術、協同作戰和作業策略等。水下無人集群化作戰(業)的各項研究課題已成為研究重點,美國正在驗證蜂群和蟻群的作戰模型,當前水下無人集群作戰(業)的數量已達 101個。隨著智能化深度自學習的進一步深入,各種實戰模擬編隊演算法不斷完善,以便攜型及輕型為主的微小型UUV群作戰(業)模式將是未來發展方向。
2) 建設集群移動式 UUV+固定式水下裝備信息體系,發揮水下預警探測能力。水下預警探測裝備體系效能的發揮,除了基於大量布放于海底的水下感測器對自水下的威脅目標和武器進行早期發現、跟蹤外,更重要的是能夠對水下目標進行快速識別,為組織對抗行動提供依據。因此,為了保障水下預警探測體系的高效運轉,還必須充分對各種UUV游弋水下獲取的目標信息進行處理和應用,分析挖掘出有價值的信息資源,重點建設全球型的水下信息體系,實現從空中-海面-水下多維空間的全天侯監聽、採集、記錄、保存和分析所能得到的各種水聲信息,以構建集群分布移動式UUV+固定式水下信息裝備體系水聲信息體系網。
3) 任務領域向探測、反潛方向擴展。UUV目標小、隱蔽性強、可連續工作的特點非常適合執行探測和攻擊艦艇、潛艇等任務,在較長時間裡,由於動力、自主及通信等技術的限制,只能用于海洋調查、反水雷這類相對簡單的任務。隨著續航力、自主化、智能化程度的提高和水下通信能力的進步,UUV逐漸具備了執行更複雜任務的能力。近年來,國內外都在積極研究UUV在聯合反潛、網路化水下探測預警等領域的應用。
2011年,美國國防高級研究計劃局提出分散式敏捷反潛概念,在深海利用多艘配備主動聲吶的 UUV對上方海域進行監測,及時發現所在海域內的潛艇,見圖 5。2013年 4月的試驗表明,UUV的通信和機動探潛能力能夠滿足分散式敏捷反潛概念的需要,證明概念可行,美國將加速推進有關概念的實現[5]。
圖5 分散式敏捷反潛項目作戰示意圖
Fig. 5 Operational schematic of distributed agile submarine hunting(DASH) project
4) 靈活輕便和大型多功能並舉。在潛載UUV方面,為了提高單 UUV設備的任務能力,增大 UUV的航程,美國在經歷了單任務潛載UUV、多任務小型潛載 UUV的失敗後決定發展大直徑多功能UUV,該UUV屬於大型UUV,是未來潛載UUV的發展方向。
在艦載 UUV方面,主要集中發展攜帶型和重型 2類。以美國為例,典型型號為 REMUS 100S、斯洛克姆滑翔機、金槍魚-21和 REMUS 600S,前兩者屬於攜帶型UUV,已處於服役狀態,後兩者屬於重型UUV,尚在試驗階段。美國曾對輕型UUV進行過研發,如水面反水雷UUV增量1和增量2,但已被重型UUV所取代。
另外,美國還在積極探索大型或超大型UUV的實戰可能性,以取代潛艇的有人作戰模式,以大型 UUV作為預置水下武器庫裝備長期潛伏在海底,或長時間在重要海域無人值守,同時攜帶大量微小型 UUV在作戰前沿,形成以大型或超大型UUV為母基地的區域水下群作戰。
5) 盡量採用成熟商用技術,用集成化的方式,把專業領域先進技術製成模塊化專用裝置,以適應作戰平台上根據特殊要求所需的各種功能模塊的定製。
6) 變革通信方式,創新通信能力建設。水下通信技術是 UUV系統與平台之間信息互交的關鍵。目前,UUV水下通信主要採用聲學通信系統、光纖電纜等,未來可大力發展多維平台間高品質的光-聲通信,在數據被傳送之前,首先進行預處理,壓縮數據以減少傳送的數據總量,提高聲通信的數據傳輸率,降低誤碼率。當UUV在經過某個節點通信基陣點時,採用快速通信可大大提高傳輸率,當 UUV上浮水面進行充電時可與水面通信區域網、GPS等進行數據交換,從而實現5D一體的通信方式。
7) 發展獨立的組合導航系統。在UUV上要建立慣性導航、地磁匹配導航、地形匹配導航、多普勒導航等獨立組合導航系統。因航行器搭載的感測器存在固有誤差,慣性導航系統實際上不能完全滿足所有 UUV的導航要求,但通過建立GPS接收機來提供理想的精確定位修正值,則需要航行器浮至水面進行定位校正,這樣易暴露UUV的行蹤,同時減少了UUV執行任務的時間。因此,未來的 UUV必須發展自己的獨立導航系統,減少對外界的依賴(如 GPS)。目前美海軍水下戰中心開始發展非傳統性導航技術(non-traditional navigation,NTN),包括利用海底地形匹配、地形跟蹤及引力導航,如深海測量地形匹配技術,就是採用了GPS和定量定位估算的形式,以形成自己真正的水下精確定位導航系統,即深海導航定位系統(positioning system for deep ocean navigation,POSYDON)。
8) 改進控制系統,提高自學習、自適應能力。現代海戰要求 UUV必須能夠在苛刻的水下環境(如: 淺水域、海底地形複雜、海面交通繁忙等)中完成任務。因此,未來的 UUV應具有較高的智能化水平,能夠執行複雜的水下工作,並與環境發生交互作用,根據環境的變化,在一定的範圍內自行調整自身的行為,完成指定的工作,成為高度智能化的深度自學習生態智能。
9) 開發從大數據中獲取有用信號的處理技術。未來UUV將大幅度改進信號處理技術,通過來自於合成孔徑聲吶、聲吶陣列、水下水文探測、目標識別所獲得各種數據分析,從大數據中提取有各種特徵的聲學數據,以進行水下目標定位與探測,提高空間增益和圖像解析度,使從聲吶獲得的影像更為清晰,提高 UUV水下複雜環境下執行任務的能力。
當今,世界各軍事大國都認識到 UUV在未來海戰中具有廣闊的應用前景,加快了開發及研製的步伐。相信在未來高科技信息化海戰中UUV定將發揮巨大作用。
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Review and Prospect of Equipment and Techniques for Unmanned Undersea Vehicle in Foreign Countries
ZHONG Hong-wei
(Kunming Branch of the 705 Research Institute,China Shipbuilding Corporation,Kunming 650118,China)
Abstract:An unmanned undersea vehicle(UUV) has become the research hotspot of navy in many countries. This paper analyzes the development process and planning of some typical types of UUV equipment in the foreign countries,including the USA,Russia,Japan,Republic of Korea,and major European countries. According to a large amount of literature,the major research institutes for UUV development in these countries are listed,the applications and key technical parameters of the typical UUV equipment are introduced,the foreign development status of the UUV technologies of energy,autonomous control,navigation,communication,and loading is discussed,and development trend of the UUV is forecast.
Keywords:unmanned undersea vehicle(UUV); technical parameter; research institute; typical type of equipment
中圖分類號:TJ630.1; TP242.6
文獻標識碼：A
文章編號：2096-3920(2017)03-0215-11
[引用格式]鍾宏偉. 國外無人水下航行器裝備與技術現狀及展望[J]. 水下無人系統學報,2017,25(3): 215-225.
DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.001
收稿日期:2017-02-22;
修回日期：2017-07-19.
作者簡介:鍾宏偉(1964-),男,碩士,高級工程師,主要從事魚雷及水下航行器前瞻性技術研究.
(責任編輯: 楊力軍)
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