自主式水下航行器的概念及技術(shù)發(fā)展

摘 要：“藍(lán)鰭金槍魚21”自主式水下航行器在對馬航客機(jī)MH370的搜尋工作中承擔(dān)水下搜索任務(wù)，進(jìn)入大眾視野，引起了人們對自主式水下航行器的關(guān)注。文章重點介紹了“藍(lán)鰭金槍魚21”以及當(dāng)前自主式水下航行器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：藍(lán)鰭金槍魚21，自主式水下航行器，聲吶

中圖分類號：N04；U66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0131-03

The Concept and Technology Development of Autonomous Underwater Vehicle Technology

—Taking“Bluefin21” as an Example

ZHANG Yanyan

Abstract：“Bluefin21” played an important role in searching for MH370， arousing peoples great interest in AUV. “Bluefin21”， the applications and development of Autonomous Underwater Vehicle Technology will be introduced in this paper.

Keywords： bluefin21，AUV，sonar

收稿日期：2014-06-03

作者簡介：張艷艷（1986—），女，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部審查員，主要審查領(lǐng)域為測量控制領(lǐng)域。通信方式：dongyan_1@sipo.gov.cn。

引 言

“藍(lán)鰭金槍魚21”是美國藍(lán)鰭機(jī)器人公司生產(chǎn)的一款自主式水下航行器，其在對馬航客機(jī)MH370的搜尋工作中承擔(dān)水下搜索任務(wù)，進(jìn)入大眾視野，引起了人們對自主式水下航行器的關(guān)注。筆者重點介紹了“藍(lán)鰭金槍魚21”以及當(dāng)前自主式水下航行器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向。

一 “藍(lán)鰭金槍魚21”自主式水下航行器

“藍(lán)鰭金槍魚21”是一種自主式水下航行器（autonomous underwater vehicle，簡稱AUV），屬于無人水下航行器（unmanned underwater vehicle，簡稱UUV）的一種，與拖曳聲波定位儀不同，其自帶動力裝置，在執(zhí)行任務(wù)時，不需要母艦的線纜拖曳，可以自主在水下航行，通過無線電信號與母艦的控制臺通信。

“藍(lán)鰭金槍魚21”外形與潛艇類似，長4.93m，重750kg，主要包括用于海底掃描的主動聲吶、可以定位的天線系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)以及安裝在尾部的推進(jìn)器等，根據(jù)需要還可以裝載多種探測設(shè)備，最大下潛深度可以達(dá)到4500m，能夠在海床之上35m作業(yè)，辨識距離可達(dá)150m，最高分辨率可以達(dá)到7.5cm，擅長短距離定點查找；其最大航速可達(dá)4節(jié)（7.408km/h），續(xù)航能力為25小時。

“藍(lán)鰭金槍魚21”執(zhí)行一次任務(wù)需要時長約24小時，其中，2小時下潛，16小時水下偵測，2小時上浮，4小時用于下載數(shù)據(jù)。其通過母艦被投放至海中，由母艦上的工作人員使用程序任務(wù)的工具，將工作指令通過無線電發(fā)送到水下航行器，水下航行器接收到該工作指令后潛入水中，由工作人員在程序任務(wù)工具的界面上選擇偵測區(qū)域，并在該偵測區(qū)域內(nèi)設(shè)置搜尋軌道。航行器會沿著這些軌道自動航行，發(fā)射聲吶脈沖掃描海底，脈沖向兩個方向以弧形散開，航行器會接收在脈沖范圍內(nèi)物體的反射聲波，利用“聲波陰影”原理形成航行器下方的海床三維高清地圖，并根據(jù)收集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)特定目標(biāo)物體，待發(fā)現(xiàn)特定目標(biāo)物體后上浮至水面，安裝攝像機(jī)后再次下潛，為母艦上的工作人員提供水下圖像[1]。

二 自主式水下航行器的應(yīng)用領(lǐng)域

自主式水下航行器由于擺脫了線纜拖曳的限制，在水下作業(yè)更為靈活，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊，主要分為民用和軍用兩方面[2-4]：

（1）民用方面。自主式水下航行器可以用于海底搜尋，如“藍(lán)鰭金槍魚21”在搜尋馬航客機(jī)MH370中承擔(dān)的任務(wù)，由于其可以精確描繪海底地貌以及能夠安裝合適的傳感器對海底的一些參量如深度、風(fēng)向、洋流、溫度等進(jìn)行測定，其可以用于海洋環(huán)境監(jiān)測，對石油等海洋資源的勘探，以及對海底設(shè)施如海底隧道、海底電纜、輸油管路等的狀況進(jìn)行監(jiān)測等。

（2）軍事方面。自主式水下航行器主要可用于水雷對抗，其不僅可以偵測水雷的位置、類型、數(shù)量，為潛艇通過水雷區(qū)域提供一條安全通道，還可以在偵測到水雷后，通過機(jī)器人對水雷裝藥，待航行器返回后，通過遙控裝置引爆，實現(xiàn)自主摧毀水雷的目標(biāo)；還可以采用自主式水下航行器作為通信接口，完成海面上艦船與潛艇以及指揮中心等其他海上設(shè)置之間的通信；還可以用于探測潛艇的存在以及對海域上各種情報的收集。

三 自主式水下航行器技術(shù)的發(fā)展方向

根據(jù)當(dāng)前制約自主式水下航行器的幾個因素確定其發(fā)展方向主要在以下幾個方面：

（1）續(xù)航能力是制約“藍(lán)鰭金槍魚21”及其他自主式水下航行器水下探測的重要因素之一，以“藍(lán)鰭金槍魚21”為例，其續(xù)航能力最大為25小時，那么在將其投放海中時就需要開始倒計時，以保證在25小時之內(nèi)將其回收，而其在海底航行的速度最高只有4節(jié)，并且受海底復(fù)雜地貌以及洋流的影響，其航行速度往往會比較小，導(dǎo)致其一次下潛的搜尋范圍有限，搜尋效率較低，那么解決這一問題的根本措施就是改善其供電源。藍(lán)鰭機(jī)器人公司已經(jīng)在開發(fā)海下充電站，期望能夠?qū)崿F(xiàn)航行器在海下進(jìn)行充電，在充電的同時下載相關(guān)收集數(shù)據(jù)直接將數(shù)據(jù)傳回母艦。研制新的電池材料如采用納米電池存儲和轉(zhuǎn)換電化學(xué)能、開發(fā)高性能的電池以保證航行器長時間在海底自主航行是自主式水下航行器的一個重要發(fā)展方向。

（2）精密準(zhǔn)確的導(dǎo)航是保證自主式水下航行器完成預(yù)定航行任務(wù)的保證，水下導(dǎo)航技術(shù)是影響自主式水下航行器發(fā)展的另一個重要因素。當(dāng)前的水下導(dǎo)航技術(shù)主要有航位推算和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、聲學(xué)導(dǎo)航、基于地磁導(dǎo)航、基于重力場導(dǎo)航等，但由于水下導(dǎo)航的環(huán)境更為復(fù)雜、信息源少、作業(yè)時間長等特點，單一的導(dǎo)航方式在精度上以及可靠性上往往無法滿足航行器水下航行的需求，將多種導(dǎo)航技術(shù)組合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，以提高導(dǎo)航的精度和可靠性，是自主式水下航行器水下導(dǎo)航的重要發(fā)展方向[5]。

（3）自主式水下航行器與母艦之間的通信方式也是影響自主式水下航行器發(fā)展的一個重要因素，當(dāng)前的通信方式主要有光纖通信、無線電通信等。為了增強(qiáng)自主式水下航行器在復(fù)雜海底環(huán)境中作業(yè)的能力，研制高品質(zhì)、大容量的通信技術(shù)勢在必行。

（4）為了增強(qiáng)自主式水下航行器的探測能力，研制大容量的新型存儲設(shè)備、高性能的控制以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對增強(qiáng)自主式水下航行器的智能化程度、提高其執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力也是很有必要的。

四 結(jié) 論

自主式水下航行器具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)成為世界各國的研發(fā)熱點，隨著科技的進(jìn)步，將會有性能更為優(yōu)良的自主式水下航行器出現(xiàn)，其將在民用及軍用方面發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 藍(lán)鰭金槍魚21型自主式水下航行器[EB/OL].（2014-07-04）[2014-06-03]，http：//baike.sogou.com/v67745457.htm？cid=xw4.bk.sy.

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[3] 劉淮. 應(yīng)用前景廣闊的無人水下航行器[J]. 船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，2004（12）：23-27.

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[5] 嚴(yán)衛(wèi)生，徐德民，李俊，等. 自主水下航行器導(dǎo)航技術(shù)[J]. 火力與指揮控制，2004（29）：12-15，19.