無人水面艇關鍵技術及軍事應用

徐筱波 葉鍇 王登峰

摘? ? 要：無人水面艇作為新興武器裝備，以其獨特的優(yōu)良性能完成海上各種軍事任務。本文從通信、導航和航行控制系統三個方面，綜述了無人水面艇的關鍵技術和軍事應用。

關鍵詞：無人艇；關鍵技術；軍事應用

中圖分類號：E925.6? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Key Technologies and Military Applications of USV

XU Xiaobo，? YE Kai，? WANG Dengfeng

（ The 723 th Research Institute of CSSC，? ?Yangzhou 225101 ）

Abstract： As an emerging weapon and equipment， the unmanned surface vessel （USV） can be competent to undertake the various military tasks on the naval battlefield by virtue of its unique advantages. This article summarizes the key technologies and military applications of USV from three aspects of communication， navigation and sailing control systems.

Key words： unmanned surface vessel; key technology; military application

1? ? ?前言

進入21世紀以來，高新技術發(fā)展日新月異，軍用武器裝備領域也面臨重大變革，并呈現出向無人化迅速擴展的新趨勢，各類無人裝備層出不窮，如空中無人機、地面無人作戰(zhàn)車等，其中軍用無人水面艇（以下簡稱無人艇）是一種集船舶設計、運動控制、人工智能、環(huán)境感知等技術于一體的無人化水上軍用艦船。無人艇相較于傳統有人艦船，具有以下優(yōu)點：

（1）體積小、靈活性高、機動性強；

（2）功能更多元，建造與日常維護費用更低；

（3）能執(zhí)行高危任務，避免非必要人員傷亡，降低軍事行動敏感性。

為實現無人艇自主感知水面態(tài)勢、智能分析環(huán)境變化、精準控制航向軌跡，需要依靠通信、導航和航行控制三大系統，構成一個從偵查、判斷、決策再到執(zhí)行的完整鏈路。如圖1所示，這三大系統相輔相成，其中蘊含的關鍵技術共同保障無人艇執(zhí)行海上軍事任務的可靠性。

2? ? 無人艇關鍵技術

2.1? ?通信技術

通信系統是無人艇和遠程遙控系統之間的橋梁，目前無人艇的通信技術主要集中在無線電通信、衛(wèi)星通信和水聲通信三個方面：

（1）無線電通信

無線電通信多用于近距離高速率數據傳輸，其天線位于無人艇桅桿最高處，尺寸小、結構簡單但增益較高，通常運用30～300 MHz波段的超短波，寬度是短波頻段的10倍，通信量大且信噪比高；但無線電通信易受環(huán)境因素制約，在遠距離會出現中斷；常見的無線電信號，包括QPSK信號、QAM信號，信號調制波形，如圖2所示；

（2）衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信多用于超視距數據傳輸，其天線置于船身后部，尺寸大、增益高并裝配有伺服機構，采用Ku、Ka頻段衛(wèi)星信號，同時支持低軌寬帶衛(wèi)星通信與高軌窄帶衛(wèi)星通信，覆蓋面積比無線電通信更大，但傳輸延遲也更大，終端功耗也較高；

（3）水聲通信

水聲通信多用于海底環(huán)境監(jiān)測，其聲頭一般安裝在船體底部，水下聲信道與無線電信道相比，傳播速度較低，且受海底環(huán)境噪聲、海水信道隨機多徑干擾影響，信噪比低，通信效果較差，需通過擴頻技術、混沌序列降噪算法、多路信號并行等方法提高聲波傳輸效率。

無人艇通信系統具有上下行鏈路不對稱的特點：其上行數據為無人艇傳感器提供的自身狀態(tài)信息；下行數據為指揮站對無人艇的遠程指令信息。針對船體通信天線高度受限的問題，上行鏈路可使用窄帶擴頻技術，下行鏈路可采用正交頻分復用（OFDM）技術。OFDM技術運用多載波調制，將信道分成若干正交子信道，使高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，從而減少碼間串擾，保障信道均衡性；由于上行數據包含大量圖像、視頻信息，尤其是導航雷達中高分辨率視頻需要至少4 Mbps的傳輸速率，自動雷達標繪技術相較于數據壓縮，通過自動捕捉目標并以矢量形式展現避碰信息，在艦載數據處理評估方面更為高效[1]。

2.2? ?導航技術

導航系統提供無人艇的實時方位、航向、速度等參數信息，由各類傳感器獲取，如導航雷達、激光雷達、衛(wèi)星定位設備、聲吶、慣性傳感器、視覺傳感器等。以上傳感器充當了無人艇的眼睛，要充分做好各類傳感器數據的融合運用。

以LaneTo3.0導航模塊為例，其采用MEMS慣性傳感器與載波差分（RTK）衛(wèi)星導航組合技術，將衛(wèi)星導航的載波相位信息與慣性器件（三軸陀螺與三軸加速度計）的相對角運動與線運動測量功能相結合，通過多維擴展卡爾曼濾波技術，確定無人艇三維（航向、俯仰、傾斜）導航測姿。

LaneTo3.0硬件由衛(wèi)星基帶信號處理電路、射頻阻抗匹配和濾波、MEMS慣性傳感器、CPU處理器以及其他模塊組成，通過深組合算法，實現在無衛(wèi)星信號區(qū)域自動切換到純慣性導航，持續(xù)定位；導航模塊支持RTK差分功能，外部差分信息經過串口進入內部處理器，外部衛(wèi)星信號經阻抗匹配和濾波，由基帶單元處理得到本地觀測量，并與基站差分觀測量進行雙差計算，以處理衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、電離層和對流層誤差等難以消除的系統誤差，最終得到無人艇三維姿態(tài)、三維速度矢量、不間斷累計路程等高精度定位信息。

通過各類算法的綜合運用，無人艇實現了智能分析感知目標，判斷環(huán)境威脅，根據任務要求動態(tài)調整，合理控制航向、速度，選取最優(yōu)路徑的目的：

（1）遺傳算法

遺傳算法是迄今為止應用最為廣泛的路徑搜索方式，它通過不斷淘汰不符合條件的個體提高工作效率。但因其計算量龐大，在環(huán)境動態(tài)變化較大的場景中耗時較長，應對突發(fā)狀況實時性差，主要用于全局路徑的規(guī)劃上[2]；

（2）勢能算法

勢能算法與磁鐵的作用相仿，使無人艇與目標點相互吸引，而與障礙物則相互排斥，從而快速形成局部最短路徑，因其計算量較小，適用于計算臨近水域航行路線[3]；

（3）視線算法

視線算法起源于導彈制導，也受到無人艇導航借鑒，它的原理是使無人艇航向始終朝著目標點，降低因海流、風流產生的誤差[4]。

2.3? ?航行控制技術

航行控制系統操縱無人艇的船舵和螺旋槳等動力設備，控制船體移動。海洋環(huán)境復雜多變，海浪易導致光學識別算法失效，風流會降低圖像識別準確度，海雜波干擾目標探測，惡劣天氣會引發(fā)船體軌跡異?；蚴Э?，因此無人艇航行的運動特性是非線性、大慣性、大時滯，其運動控制本質上是對復雜非線性與欠驅動系統的控制。

大部分船艇航行控制技術，使用的是理想化的線性數學模型，但實際上船舶的水動力系數會隨時間和所處環(huán)境而發(fā)生改變，無法提前獲取準確數值。近年來，許多新型魯棒控制研究被運用于船艇航行控制技術中，如Lyapunov穩(wěn)定性理論、魯棒性增量平滑算法、廣義動態(tài)模糊神經網絡自適應性控制[5]等。然而結合環(huán)境干擾因素，尤其在高海況下各種擾動的耦合、流體阻尼和測量誤差的增大，控制船體的難度也隨之提高，所以深入研究不同海況下的控制模型，運用變論域控制策略和動態(tài)面控制技術，方能實現對無人艇航行的精準把控。

海上事故近六成是因碰撞產生，當前的避碰技術包括：動態(tài)窗口法、人工勢場法和速度障礙法等；設計無障礙的局部路徑，也可以通過激光雷達聚類分析點云數據尋求安全區(qū)域[6]；而針對水下障礙物如淺灘、暗礁等的自主避碰問題研究才剛剛起步，為使無人艇駛向遠海，必須遵守海上避碰規(guī)則，深入研究船艇超越、相向行駛、路徑交叉等各種實際場景。

3? ? 無人艇軍事應用

3.1? ?通信數據鏈

無人艇的軍事應用已經引起世界各國密切關注，諸多國家投入大量精力對其進行研究，重點針對如何實現無人艇與岸基控制站之間良好通信這一應用需求開展對應設計。

（1）岸基控制中心與無人艇之間，可采用點對多點的星型網絡應用場景，通過拓寬數據鏈，滿足作戰(zhàn)指令下達與無人艇數據回傳的要求。整個系統由主鏈、副鏈、衛(wèi)通鏈等多條鏈路通信組網，如圖3所示；

（2）根據戰(zhàn)場實際情況不同，系統可以自動切換通信鏈路，鏈路之間也具備自組網能力。其中，主鏈具備較大的通信容量，能給予控制站和無人艇較大的數據帶寬；副鏈擁有更強的鏈路穩(wěn)定性，在主鏈無法正常運作時，能提供基本的指控數據傳輸；衛(wèi)星鏈可在超視距范圍維持數據鏈的正常聯通，使無人艇的作戰(zhàn)范圍大大提升。為了保證系統各成員節(jié)點能穩(wěn)定及時地與主節(jié)點之間傳輸數據，主、副鏈可采用時分多址（TDMA）的設計方式，各成員節(jié)點與主節(jié)點通過固定的分配時隙發(fā)送數據；衛(wèi)通鏈則采用頻分多址（FDMA）的設計方式，有效保障各節(jié)點對數據傳輸的基本需求，并且減少設備體積、降低能耗。

（3）無人艇在復雜電磁環(huán)境下需具備抗干擾能力。在水上登陸戰(zhàn)中，無人艇面對敵軍岸基雷達釋放的干擾信號，為避免通信數據鏈阻斷，數據采集基站會向移動站連續(xù)發(fā)送差分改正數據，保證無人艇定位準確，并且用場強儀記錄回傳數據，分析信號強度，判斷是否影響地面指揮中心。

（4）通信鏈路的網絡安全也十分重要，有效的通信加密對無人艇平臺來說必不可少。應用大數據分析建立網絡安全防御機制，進行安全態(tài)勢識別并終止網絡入侵，包括從母港開始就持續(xù)保護無人艇不受任何形式的訪問、未經授權的登船和操作，而不僅僅針對作戰(zhàn)區(qū)域。

3.2? ?編隊協同導航

鑒于無人艇體積小、速度快、隱蔽性好的自身優(yōu)勢，若能促成編隊協同作戰(zhàn)，則可實現集群打擊和迷惑敵艦的作用，從而在攻防兩端產生聚合效應。圖4為中國企業(yè)云洲智能進行的一場大規(guī)模無人艇多艇編隊協同性能測試。該測試由56艘無人艇組成的艦艇編隊在復雜多變的海面狀況下，完成了集群隊形保持、隊形自主變換、動態(tài)任務分配、協同避障等多個測試項目，呈現出無人艇鯊群式戰(zhàn)術在海上軍事行動中蘊含的無限可能。

在海上防空反導作戰(zhàn)中，以有人艦艇編隊為核心，可在防區(qū)外圍布置艦空導彈無人艇群，在防區(qū)內層布置電子干擾無人艇群。當敵方發(fā)射反艦導彈時，運用無人艇編隊協同導航，先用外圍防空導彈進行硬殺傷，再通過誘騙、遮蔽等干擾手段進行軟殺傷，由遠及近、軟硬兼施地建立起防空體系，實現縱深防御和梯次對抗，極大地延伸了編隊防空反導區(qū)域。

無人艇編隊協同導航的技術，難點在于人艇協同、艇間協同和跨平臺協同三方面：人艇協同是操作員與無人艇在分布式狀態(tài)下，通過收集編隊整體信息和單個無人艇信息快速規(guī)劃路徑，需要做到準確且高效；艇間協同要求無人艇不只是根據自身所處環(huán)境自主制定決策，還需與其他無人艇隨時保持信息交互，在協同航行時控制好艇間距；跨平臺協同指無人艇與其它有人或無人平臺協同作戰(zhàn)，實現海陸空天多維一體化，多平臺間共享信息與載荷，促使無人艇群更快發(fā)現戰(zhàn)略目標，提高艦隊導航效率，推動無人艇協同作戰(zhàn)時的集成性[7]。

3.3? 智能航行控制

隨著無人艇及相關技術的日趨完善，在海戰(zhàn)場上出現了更大尺寸、更久續(xù)航的無人艇，用以執(zhí)行面向遠海的軍事任務。例如美國“海上獵人”號無人艇，其全長40 m、排水量達到140 t，能夠持續(xù)航行18500 km，主要用于偵察和跟蹤潛艇[8]。無人艇在執(zhí)行軍事任務過程中，需要獨立完成環(huán)境感知、目標分析并做出智能化航行控制。

在反水雷戰(zhàn)中，母艦派出無人艇進入雷區(qū)，無人艇先通過聲吶系統探測并完成海底地形測繪，從中智能識別出錨雷、漂雷、沉底雷等不同的形態(tài)：對于錨雷，通常使用拖帶掃雷器割斷錨纜，漂浮到水面后引爆或者切割；對于漂雷，在定位后可以用機炮攻擊引爆；對于沉底雷，通過釋放滅雷器接觸水雷將其引爆。由于拖帶式掃雷需要無人艇以一定的速度駛過布雷的海面，機炮和滅雷器都會使無人艇被引爆產生的沖擊波波及，這些都需要激光測距雷達測算出無人艇與水雷的距離，并在掃雷任務實施前智能規(guī)劃好航線及航速。

在海域巡邏任務中，安防無人艇在航行過程中需要面對的海上目標既有島礁等靜態(tài)目標，又有船體等動態(tài)目標?；谀繕烁櫡?，無人艇智能分析目標種類、距離、移動速度、運動軌跡并結合自身狀態(tài)，根據視野內多個目標的權重動態(tài)制定出局部路徑。當遇到敵方艦艇來襲時，無人艇可根據敵方規(guī)模和動向做出智能判斷，選擇警示驅逐、快速反擊或立即回港，保護巡邏海域安全，提升監(jiān)管效能。

4? ? 結束語

本文綜述了無人艇的關鍵技術，分析了部分典型軍事應用。在高新科技智能化浪潮的席卷下，無人艇有望成為傳統艦艇的全新武器，在維護海洋主權的爭端中大展拳腳。我國勢必要加大無人艇的研發(fā)投入，加快建立標準體系，確保在未來海戰(zhàn)場上爭得一席之地。

參考文獻

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