水面无人艇发展与应用_李家良

Vol. 37, No. 6

　

J un, 2012

　

火力与指挥控制

　

Fire Control &Command Control

　

第37卷　第6期2012年6月

文章编号:1002-0640(2012) 06-0203-05

水面无人艇发展与应用

李家良

(海军驻八三五七所军事代表室, 天津　300308)

　　摘　要:水面无人艇是一种能够在海洋环境下自主航行, 并完成各种任务的小型水面运动平台。介绍了当前无人艇的发展现状, 对无人艇的基本技术特点进行了总结, 对其在反潜战、反水雷战、信息战、非常规作战等领域的应用以及需要解决的关键技术进行了分析。随着未来战争对发展无人作战平台的需求, 无人艇成为海上无人系统的重要组成部分, 并向着智能化、体系化、标准化的方向发展。

关键词:无人艇, 发展现状, 关键技术中图分类号:E 273　　　　文献标识码:A

Development and Application of Unmanned Surface Vehicle

LI Jia-liang

(N aval A gent Of f ice in the 8357Research I nstitute , T ian j in 300308, China )

　　Abstract :Unmanned Surface Vehicle (U SV) is a m otion platform , which can navig ate autonomously in the marine environment and com plete various tasks. The current development of U SV is introduced. The basic technolog y character istics of U SV are presented in the thesis. The applications of U SV include anti-submarine w arfare, mine co unterm easur es, ISR, unconv entional com bat domains and etc. Key technologies in USV development are analy zed. Along w ith the requirements o f unmanned combat system s in futur e war , USV beco me one important com ponent part of unmanned systems at sea. T he USV are developing tow ards the dir ections of intellig ence, sy stematism and standardization.

Key words :USV, development status, key technolog y

引　言

随着作战方式的变革, 无人作战系统是现代武器装备的发展趋势之一, 得到各国重视并在陆/海/空等多维领域涌现出多种多样的无人系统, 如在空中领域发展的无人机平台(U AV) , 在地面发展的无人地面平台(U GV ) , 在水下发展的无人水下航行器平台(UU V ) 以及在水面发展的无人艇平台(U nm anned Surface V ehicle, U SV ) 等。无人平台成为在未来战争中信息对抗、精确打击、完成特殊作战使命的重要手段[1-3]。早在2001年, 美国海军研究办公室提出建造濒海战斗舰(LCS) 时, 在其濒海作战

系统中就提出了利用U SV, U UV 和UAV 共同构成了海军无人作战体系, 完成诸如情报收集、反潜、反水雷、侦查与探测、精确打击等作战任务。图1给出美国演示的无人系统在作战时的联合应用示意。

图1　无人系统联合作战示意

　收稿日期:2011-05-08　　　　修回日期:2011-07-12　作者简介:李家良(1966-　) , 男, 天津人, 高工, 研究方向:

在众多无人平台发展中, 无人机发展的应用较为成熟, 并且应用最为广泛, 无人地面平台和无人水,

　　(总第37-・204・

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较晚, 美国海军对濒海战争和反恐投入的增加推动了无人艇的快速发展, 以美国为代表的西方国家已将其列为重要的发展方向, 从图1也可以看出U SV 在无人系统中具有的重要作用。

本文对无人艇的发展概况、应用领域、系统构成和关键技术等进行了探讨。

驶;

“水虎鱼”无人艇是由美国M eg gitt 防务系统公司研制, 主要目的是用于靶船拖船。

性能参数:

艇长:8M ; 航速:40kn; 最大功率:200Hp;

艇型:刚性充气橡皮艇;

控制形式:遥控, 按预定程序自动驾驶, 手动驾动力:挂机。

1　无人艇国内外发展概况

水面无人艇是一种具有自主规划、自主航行能力, 并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台, 可承担情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察, 反恐, 中继通信等功能。无人艇根据使命的不同, 可采用多种不同的模块, 搭载不同的传感器或执行设备, 执行任务也显示出多样性

[4-6]

图2　“斯巴达侦察兵”无人艇图3　“水虎鱼”无人艇

。

　　*美国“幽灵卫士”无人艇

“幽灵卫士”主要功能是:警戒和防护, 运送货物(

性能参数:

最大马力:266Hp; 艇型:普通滑行艇; 控制形式:按预定程序自动驾驶

[7]

目前多个国家都开展了无人艇技术的相关研究, 美国和以色列在无人艇研究和应用方面走在世界前列, 国内对无人艇的研究还处在概念设计阶段, 与国外相比还有较大的差距。1. 1　国外发展概况

(1) 美国发展概况

*美国“斯巴达侦察兵”无人艇

“斯巴达侦察兵”无人艇(Spartan Scout USV ) 属于美国海军国防项目, 其先期技术概念演示项目在2002年启动, 从技术上已达到了无人自主控制能力, 并能根据需求按模块化方式更替任务模块。“斯巴达侦察兵”无人艇主要目标是:通过网络化的ISR 增强战场空间预警能力; 保护部队免受非对称威胁的攻击; 尽量减少作战时人力参与以降低人员伤亡风险; 对无人艇的无人传感器和武器效能进行验证。“斯巴达侦察兵”已经在美国海军“葛底斯堡”舰艇上部署, 对情报、监视和侦察、舰队保护、精确打击、反潜等任务进行了分析, 并已参加了海湾地区的“持久自由行动”等作战行动。

性能参数:

船长:7m ～11m ; 载重量:3000～5000磅; 续航力:150n min; 自持力:8h;

航速:28kn ～50kn; 艇型:可充气硬质船体。“斯巴达侦察兵”无人艇可以由母船工作人员通过数据链遥控控制, 为了反潜应用, “斯巴达侦察兵”与法国泰利斯水下系统公司合作, 可在艏部装载基于“直升机折叠式声系统”(FLASH) 主动吊放声纳实现反潜功能。

并可随时更改航路。

除了以上一些无人艇

之外, 美国还有很多公司

幽灵卫士”无人艇在开发研制各种无人艇。图4　“

例如海军机器人舰船国际公司(MRVI ) 的“拦截者”无人艇, 美海军研究局的大拖力无人艇等等。在无人艇方面, 美国已制定了相关的规划和标准, 始终站在技术发展制高点, 代表着U SV 的发展方向。

(2) 其他国家发展概况

除美国外, 世界上许多国家也在积极发展自己的无人艇装备。

*以色列“保护者”无人艇

“保护者”无人艇(Protector U SV) 由拉斐尔武器设计局和以色列航空防御系统公司联合研发, 首批无人艇在2003年就已经向以色列国防军交付, 该

艇主要用于本土防御和反恐作战, 并可完成部队保护、监视侦察等任务。“保护者”USV 加载的有效载荷有:前视红外传感器、照相机/摄像机、先进关联跟踪器、激光测距仪、激光指示器、搜索雷达等。另外在武器方面搭载有12. 7m m 口径机枪、40m m 口径自动榴弹发射器、计算机火控系统等一套综合无人作战系统, 还可选装30mm 的舰炮。“保护者”采用模

李家良:水面无人艇发展与应用

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维及轻质复合材料取代传统的钢材料以减轻艇体重量。该艇性能优越, 可满足多种任务需求, 拥有广阔的应用前景。

性能参数:

船长:9m ～11m 推进系统:柴油机+喷水推进器;

速度:40kn ; 有效载荷:1000kg ;

艇型:硬壳充气艇; 控制方式:自主操纵或遥控; 远距离操控。

*以色列“银色马林鱼”无人艇

以色列埃尔比特(Elbit) 系统公司于2006年公布了其用于海上巡逻的自主无人艇“银色马林鱼”。

性能参数:

艇长:10. 67m; 排水量:4000kg; 载荷:2500kg; 最大航速:45kn; 最大航程:500n m ile; 续航时间:24h; 控制方式:遥控、自主操作。

另外Elbit 系统公司还推出了小型无人艇黄貂鱼, 具有体积小隐身性好等特点, 其最大航速约40kn, 有效载荷150kg , 自续航大于8h, 主要完成船舶航线清理, 海岸和水下目标识别, 情报侦察与监视, 电子战和电子侦察等功能。

除了以色列之外, 英国, 德国, 日本等国也都开发了自己的无人艇。如英国开发的“芬里厄”(FENRIR) 无人艇, 德国Veers M M SV 3无人艇, 日本Yam aha 公司开发的UM V-H 和U M V-O 两型无人艇等。1. 2　国内发展概况

国内的无人艇技术的发展起步较晚, 多数还处于概念设计阶段, 关键技术与美国等西方发达国家差距比较大。目前主要开展研究的沈阳新光公司和

哈尔滨工程大学等单位。

图5　“保护者”无人艇

服务。

“天象一号”无人艇总长6. 5m , 船体用碳纤维制成, 采用诸多国际前沿技术。实现的功能包括智能驾驶、雷达搜索、卫星应用、图像处理与传输等。“天象一号”无人艇驾驶有两种方式, 一种是人工遥控方式, 另一种为按预定航线自动航行方式, 在自主航行状态下如果途中遇到障碍物则可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行[9]。

哈尔滨工程大学也开展了水面无人艇研制工作

[10-11]

, 已经完成了“××号”无人艇的设计和实艇

建造等工作, 并且开展了相关技术研究和海上试验。该无人艇艇体为刚性充气艇, 配备有雷达、摄像机、激光探测仪等目标探测设备, 磁罗经、GPS 等导航设备, 推进方式采用喷水推进。1. 3　无人艇基本特点

从国内外发展情况, 目前研制的无人艇具有以下几个特点:

(1) 艇型特点:对于艇型来说, 目前国际普遍采取的形式是硬壳充气艇, 长度普遍在6m ～11m 之

间。对于无人艇, 要保证航行时具有足够稳性和抗沉性。采用充气艇的方式, 艇底采用内设刚性龙骨的V 型结构, 充气胎与骨架、板件组合, 可在正常(充气) 工作压力下使整艇具有足够刚性, 气胎分隔成3个～5个独立气室也可以保证艇的抗沉性。另外四周充气部分也可以起到良好的抗冲击缓冲作用。艇体边界有充气浮力胎, 可极大地避免风浪中倾覆危险;

(2) 动力特点:无人艇大多采用柴油机作动力, 在推进形式来说有舷外机(螺旋桨) 和喷水推进等方式, 其中由于采用喷水推进的舰船具有传动机构简单, 机动性和操纵性好、吃水浅、效率高等特点[12], 在小型高速无人艇上得到广泛应用;

(3) 操控特点:无人艇操控方式为无人遥控/按既定方案运行/自主运行等方式, 在完全自主运行方式下, 对无人艇的智能化程度要求较高, 实现也较为复杂;

(4) 应用特点:无人艇大多采用模块化设计, 根据任务的不同, 可采用多种不同的模块。无人艇部署机动灵活, 使用方便, 可跟随战斗舰船出航执行任务, 并可以危险区域或者不适宜派遣有人舰船的区域独立自主执行任务, 拓展了海上作战范围, 具有良好的费效比, 避免人员生命危险。

图6　“银色马林鱼”无人艇

[9]

图7　“天象一号”无人艇

　　新光集团研制的无人驾驶海上探测船“天象一2　无人艇应用领域

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无人艇可以快速、高效、低成本地以集群方式完成大范围的水雷探测与定位任务。猎扫雷舰是单位吨位最贵的舰船, 保有量有限, 单独依靠猎扫雷舰完成大面积区域的扫雷任务需要花费较长的时间且成本较高, 如果采用扫雷舰携带多水面无人艇式进行联合作业, 无人艇通过艇员遥控或者自主航行方式执行扫雷任务, 就可以在花费较少的情况下较快地完成任务;

(2) 反潜战:面对舰船日益增长的来自水下潜艇的威胁, 无人艇提供了一种反潜的新手段, 无人艇可以携带反潜设备, 在主力舰队周围形成移动的向外延伸的反潜警戒网, 并可长时间不停地作业, 提高舰队的反潜能力;

(3) 信息战:无人艇可携带各种电子设备执行ISR 任务, 包括执行通信中继、电子干扰、欺骗任务等, 由于无人艇本身具有较好的隐身性, 可以到达危险海域完成各种任务;

(4) 其他:无人艇还可支持海上封锁或者拦阻任务、通过无人艇可以长时间地对港口, 海湾等区域进行侦察监视, 保证海上安全、可以对可疑目标进行清理, 并可参与反恐作战以及特种部队的非常规作战任务。

涉及众多的技术领域, 其关键技术包括:载体总体设计与集成技术、环境感知技术、自主决策与控制技术、无线通信技术等。

(1) 载体的总体设计和系统集成技术:包括:基于模块化思想的无人艇载体设计和集成技术; 在复杂海洋环境下无人艇高速航行的稳定性理论与方法和无人艇的抗倾覆性、浮态自恢复能力研究等;

(2) 环境感知技术:由于无人艇在海面航行时受到风浪流的影响较大, 需要解决在恶劣海况下, 艇体在持续颠簸条件下的水面目标探测和识别技术, 这就需要开展在海面环境下障碍识别新理论和新方法研究, 以及动态背景和低信噪比条件下的目标检测方法研究, 对多种传感器获取信息进行处理, 完成目标的跟踪、检测、识别与轨迹预测;

(3) 自主决策与控制技术:主要内容为复杂海洋环境下无人艇自主决策理论与方法, 运动的非线性控制理论与方法。自主决策和自动控制技术的高低体现了无人艇的智能化程度的高低。环境感知、信息综合处理和自主导航技术是无人艇实现智能化运动控制的前提, 无人艇控制系统体系架构要满足可靠性高, 容错性好等要求。为了提高无人艇的自主能力, 航迹规划是必不可少的关键技术之一, 基于电子海图和给定航路约束点情况下, 无人艇需要自主规划出一条符合一定原则和约束条件的最优路径, 采用在线规划时还需满足实时性要求。此外无人艇还要解决在动态目标威胁下的局部避碰规划问题;

(4) 无线通信技术:无人艇与母船或者地面站之间需要通过数据链路进行信息交互, 如利用超高频扩频通信结合卫星通信方式进行数据传输, 传递信息包括图像信息、视频信息、控制指令、姿态信息、位置信息等, 需要考虑无人艇数据传输中的带宽、抗干扰和实时性等问题。

3　无人艇系统组成与关键技术

智能化的无人艇系统总体构成示意如图8所示, 图8中针对需求可搭载或裁剪不同的应用模块, (如搭载或者裁剪反水雷战模块, 反潜战模块, 监视和侦察模块等)

。

4　结　论

本文对国内外无人艇发展概况、特点、关键技术等进行了分析, 随着载体设计技术、电子技术、通信技术、控制技术的发展, 无人艇正朝着模块化、智能化、体系化、标准化等方向发展, 其执行任务也呈多样化趋势。智能化的水面无人艇可在未来高技术战争中将发挥越来越重要的作用, 针对我国无人艇方面的研究与国外先进水平还存在较大差距的情况, 应该制定专门规划, 加大投入, 以需求为牵引, 积极开展无人艇各项关键技术的研究, 推进无人艇的实

8

李家良:水面无人艇发展与应用

(总第37-1253) 　　　　・207・

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中国指挥与控制学会(筹) 启事

各有关单位:

由李德毅、戴浩等院士和北方自动控制技术研究所等单位发起, 中国科协作为业务主管单位的“中国指挥与控制学会”, 已经民政部民函[2012]77号文批准筹备成立。

为做好学会筹备工作, 从即日起发展单位会员, 有意作为中国指挥与控制学会单位会员的单位, 请及时与我们联系。

凡经审核批准为单位会员的, 均可推荐1名代表参加于2012年9月在北京召开的“中国指挥与控制学会”成立大会暨第一次全国会员代表大会。

凡志愿申请作理事单位或常务理事单位的, 经审核批准后, 均可推荐1名专家作为理事候选人人选。请务于2012年7月25日前将有关材料返回。联系人:刘义平　黄迎馨

电　话:0351-8725026　0351-8725289

邮　箱:liuyp207@yahoo. com. cn 　huang yingx in2004@163. com 传　真:0351-8725207　编辑部收

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国指挥与控制学会筹备组