国外水下无人装备研究现状及发展趋势
原标题：国外水下无人装备研究现状及发展趋势
水下无人装备是一类可辅助或替代人类在复杂、高危的水下特殊环境中进行无人作业的新型装备，在科研考察、民用作业、军事探测与攻防等方面有较为广泛的应用。随着水下无人装备逐渐成为世界各国军事装备的研发“热点”，美海军为保证其继续称霸海洋，加快了在未来水下战的布局。
2011年发布了《水下战纲要》，强调用其他装备部分替代核潜艇执行水下作战任务；2015年发布了《水下战新纪元》，强调建设信息主导的水下战装备体系，加入多种新型的无人装备，传统装备兵力构成和作战模式发生重大变化；2016年，发布了新版《水下战科学与技术目标》，确定了“水下机动战”、“打击防御一体化水下作战”、“确保海战场进入”、“水下自主系统”、“信息优势和网络空间”等10个领域，作为水下战技术发展的重点；2017年，美国防部国防科学委员会发布了《下一代无人水下系统》报告，指出水下无人系统的应用会为美国水下战提供有力支撑，建议加快水下无人系统实战化，扩大发展计划并研究相关技术。
自2001年以来美国防部发布了8版无人系统路线图，2018年公开的《无人系统综合路线图2017-2042》指出，为适应未来海上联合作战需求，无人系统应聚焦全域作战，而非特定作战域，相关技术应支撑跨域指控、跨域通信以及与联合部队的集成。
一、国外水下无人装备现状
本文以水下无人航行器、水下预置装备、水下监听网等典型水下无人装备的研究现状及典型项目案例为牵引，综述国外水下无人装备的发展现状。
⒈ 水下无人航行器
水下无人航行器(UUV)也称无人潜航器，美海军将UUV定义为无人、自带能源、自推进、自主控制(预编程或实时自适应使命控制)或最低程度监控、无缆(除数据光纤)的潜器；俄罗斯海洋科学技术研究所将UUV定义为能够在预定海域深度范围内，按照预编程轨迹航行并完成需要作业的装有仪器设备的潜器。
⑴UUV的发展现状
美国是最早研究、研制UUV且技术最先进的国家，主要的UUV产品有蓝鳍金枪鱼机器人公司的Bluefin系列、WHOI的ABEAUV、Oceanserver公司的IverAUV等，军用UUV的典型型号有便携式的SAHRV、轻型的SMCM和重型的BPAUV等；欧洲国家在UUV的发展上仅此于美国，主要的UUV产品有挪威的REMUS系列(交付美海军)及HUGIN系列、法国的Alister系列、瑞典的SAAB系列、英国的Autosub系列和Tailsman系列、德国的seaOtterMK系列。
另外，我国周边的俄罗斯和日本在UUV研究方面也具备较高的水平，例如俄罗斯海洋技术研究所的SKATAUV和MT-88AUV、日本海洋科学技术中心的深海型URASHIMAAUV等。
⑵UUV典型分类
随着水下作业需求的增加，更多适应不同工作需求的水下无人航行器研制并应用，按照结构及工作模式，主要分为遥控水下航行器(ROV)和自主水下航行器(UUV)。
①遥控水下航行器
ROV一般不自带能源，需要利用一条脐带缆从甲板进行供电，为减少脐带缆的直径和脐带缆承载电流，一般采用高压供电，小型观测型ROV脐带缆较短(<300m)，为节约成本，一般采用交流电，并利用电力载波的形式进行通信，而大型ROV由于功率较大，工作范围广，因而多采用复合脐带缆，包括供电线及信号线(双绞线或光纤)，供电一般为超过700V的直流电。ROV具备较好的实时可操作性，因此多装备摄像机、成像声呐、机械手等设备，进行水下观测、打捞、设备安装/拆除、船舶清洗等作业。
表1 ROV分类表
②自主水下航行器
AUV为无缆、自主式水下航行器，一般具备自主导航、控制、预编程、安全保障、位置回传等功能。在结构设计上，为减少阻力、节约能源、延长潜器的作业时间，AUV常设计为流线型，采用推进器＋尾舵或矢量推进器(Bluefin系列)的结构；在搭载设备上，由于AUV的完全自主性，要求其自身具备惯导、GPS、多普勒等设备完成导航功能，并在浮出水面后，能够通过北斗、铱星等设备进行位置回传，便于装备回收。相较于ROV，AUV没有脐带缆的束缚，活动范围较大，可用于战场前线侦察、探测、突袭。大部分的AUV都是回转体或水滴形，因此常以直径对AUV进行分类，如表2所示。
表2 AUV按直径分类表
由于有些航行器并不是规则形状，不便按尺寸划分，因此国际上还经常利用排水量进行分类，如表3所示。
表3 AUV按排水量分类表
按照航程，可划分近程、中程、远程，如表4所示。
表4 AUV按航程分类表
③其他类型UUV
为适应工作需求，有很多新型UUV被提出，像水下滑翔机、仿生型UUV、海底爬行式UUV等。水下滑翔机(AUG)是一种集水下机器人技术与浮标技术于一体，以净浮力为驱动力的水下机器人，是AUV的一个发展分支。AUG利用水平翼的升力，能够将纵平面的运动转换为水平方向的运动，同时还可以通过自身的俯仰调节装置调节姿态，利用吸排水装置改变重浮力以便实现在纵平面上的锯齿滑翔运动和空间的螺旋运动。
AUG具有低能耗、远航程、自主行动力强等特点，可以实现较大范围、超长时间、垂直剖面连续的水下任务。主要有康期伯格的Seaglider系列、斯克里普斯海洋研究所的Spray Glider、Webb Research Corp公司的Slocum Electric Glider和Slocum Thermal Glider等产品(见图1)。
图1 水下滑翔机
⑶军用UUV的使命任务
UUV技术的发展给海洋作战带来了革命性变化，极大扩大了水下战场的覆盖维度。根据近期及未来水下作战需求，美海军在新的主计划中赋予UUV九大使命任务(见图2)，随着UUV服役数量的增加，逐渐发展精确打击、编队蜂群作战等能力。
图2 军用UUV的九大使命任务
美国一直致力于军用UUV研制，像Bluefin-9，Bluefin-12主要用于反水雷、探测侦察等任务，为提高UUV续航能力、装载能力、作战任务能力，各国积极开展大型和超大型UUV研发，例如美国的Manta，EchoVoyager，ORCA和俄罗斯的“波塞冬”核动力UUV。
⒉ 水下预置装备
水下预置装备是一类预先部署在近海、深远海的重要航道、敌周边要地等前沿作战海域，可在水下隐蔽部署、无人值守、长期待机、远程唤醒的全自主集群作战的新概念武器装备，具有武器打击链路全时、全天候远程唤醒和体系化、网络化、智能化等特点，可长周期、全天候在水下遂行情报/监视/侦察、反潜/反舰/防空/对陆打击、区域封锁、战略威慑等作战任务，可形成覆盖一定区域、维持一段时间的全海域隐蔽、无人自主、长期生存与维持能力。
⑴水下预置装备研究现状
国外潜艇等主要攻击性装备的工作深度一般在300～800m之间，但世界上大部分海域的深度都超过1000m，深海海域区域广阔、环境复杂，可为深海武器提供较好的隐蔽环境，增加攻击的突然性，因此为在海洋中获得更多的利益，世界各国都在积极发展深海军事应用研究，“以深制海”已成为越来越多国家的战略目标。水下预置装备一般长期潜伏于数千米海底，具备探测、通信、上浮、攻击等能力，携带探测/攻击性载荷，可对空中、水面、水下的目标进行监视、打击，概念如图3所示。
图3 水下预置装备应用概念图
水下预置装备本质是强国提升自身战略优势、扩展军事控制范围、形成“非对称”优势的一种手段，需有强大的海军及经费支撑，因此水下预置装备的开发及研制主要集中在美俄等军事强国，例如美国的“上浮式有效载荷”、“海德拉”及俄罗斯的“赛艇”等项目。
⑵国外典型水下预置装备
①美国“上浮式有效载荷”
美国于2013年启动“上浮式有效载荷”(UFP)项目，JeffreyKrolik牵头负责，旨在以较低成本部署非致命性武器/传感器有效负载，用于战时或国际紧张局势期间提供必须的支援和态势感知。UFP是一种预先部署于深海(6000m)海底并可长期潜伏的分布式水下无人系统，其搭载的有效负载为非致命性武器/传感器，在接收到远程唤醒指令时，负载运载器从海底释放，利用其自身浮力快速上浮到海面，然后发射有效载荷。其概念图如图4所示。
图4 UFP系统
此装备优点是：分布式大深度部署，隐蔽性好；成本低，可远距离部署，易形成“非对称”作战优势。缺点是：固定式系泊，不可移动，暴露后丧失作战威胁能力；需要远程唤醒及上浮作战，机动性、时效性差；单兵威胁能力小，需要多UFP集群部署作战。
②美国“海德拉”系统
2013年，美国国防高级研究计划局战术技术办公室向外界公开发布了新型水下无人作战平台“海德拉”系统(HydraSystem)的研制计划，其概念图如图5所示。
图5 Hydra系统概念图
结构上类似于集装箱，采用模块化设计，可搭载多类型武器负载，像无人潜航器、无人机、能源补给站、水下通信网络节点、导弹、UFP等。具备水下移动能力，可根据任务设定进行转场，隐秘航行至前线，具有功能扩展性、使用经济性、快速部署等能力具备水下通信探测能力，可发射上浮式系缆通信载荷与卫星通信。此装备优点是：系统化设计，功能丰富，具备自主移动能力，隐蔽性好。缺点是：体型庞大，结构复杂，移动有限。
③俄罗斯水下无人预置武器发展
2013年俄罗斯在白海进行了“赛艇”导弹的发射试验，该系统概念图如图6所示。载荷导弹和发射装置集成在一体，可由潜艇运输布放，固定于海底，并长期待机，在接到远程命令后，从海底发射升空进行目标打击。另外，有消息称俄罗斯为应对美国的“非对称能力”，准备在美海岸附近部署“鼹鼠”核预置武器，该武器可埋进海底沙层，进行休眠，直到被唤醒引爆。
图6 俄罗斯“赛艇”示意图
⑶水下无人预置装备分类
水下无人预置装备作为新型武器，可按照作战功能、方式、模式进行分类。
①按作战功能分类
▲侦察预警型：侦察预警型水下预置系统主要功能为预警、监视、探测、侦察，载荷可为潜射无人机、通信浮标等，一般部署与战略前沿地带或海上关键利益区(重要航道、海峡)。
▲攻防打击型：攻防打击型水下预置系统主要功能为拦截、打击、突袭，载荷可为潜射导弹、鱼雷等，受国际安全环境制约，一般部署与战略后方用于国土防御或短期部署海上战略要地。
②按作战方式分类
▲直接型：直接性水下预置系统指接收到远程信号后，水下预置系统发射具备攻击性的载荷，对目标进行打击，像俄罗斯的“赛艇”就属于直接性水下预置武器系统。
▲间接性：间接性水下预置系统并不是直接的对目标进行精确打击，而是在接收信号后，直接引爆，间接的引起地震、海啸等灾害，利用这些灾害完成城市或军事基地的打击，像俄罗斯提出的“鼹鼠”就是这类武器。
③按作战模式分类
▲被动型：被动型水下预置系统为触发式武器，像UFP为远程唤醒触发，水雷、锚雷为触发式引爆。
⒊ 水下监听网络
传统的水下监听网络是由水下声呐阵列、岸基分析处理组件以及通信电缆等组成的固定式水声监视系统，但随着潜艇技术的发展，固定式监视模式无法全方位完成反潜监听任务，因而大量的水下无人航行器被纳入到水下监听网络，作为机动性探测补充，形成了多平台、多手段、多元化、网络化、体系化的完整水下监听网络。
⑴水下监听网发展现状
美国作为超级海洋强国，20世纪50年代起，就开始研制海底声呐监视系统(SOSUS)，主要部署在北大西洋、亚太平洋地区，后陆续建设或研制了综合水下监视系统(IUSS)、广域海网(Seaweb)、濒海水下持续监视网络(PLUSNet)、可部署自主分布系统(DADS)、深海对抗项目(DSOP)、拖线阵监视系统(SURTASS)等。
⑵国外典型水下监听网
①广域海网
“广域海网”(Seaweb)是一个由多传感器组成，具有水下监测、水声通信等功能的水下监听网络系统，20世纪90年代，由美海军SPAWAR太平洋系统中心、得克萨斯大学应用研究实验室、北约海底研究中心、加拿大大西洋国防研究与发展中心及挪威国防研究机构等单位联合开展，美军希望借此项目解决水下作战的自组网通信问题，并用于广域反潜预警，概念如图7所示。
图7 广域海网概念图
Seaweb是一个依赖庞大电子数据库的系统，拥有多个移动和固定平台，包括潜艇、无人潜航器、固定海底阵列等，其海底阵列利用多种最新的传感器技术，手段也不仅仅是老式的声学手段，可能还包括磁场、光学等手段。
②近海水下持续监视网
“近海水下持久监视网”(PLUSNet)是由美国宾夕法尼亚大学研发的具备半自主控制能力的网络化设施，概念如图8所示。
图8 近海水下持续监视网概念图
PLUSNet在“蒙特利湾2006”试验期间，利用10多艘舰艇、30多个UUV以及各种浮标、潜标进行协同组网，验证该系统的网络通信与自主能力。
③深海对抗项目
深海对抗项目是一种部署在深海底部、具有反潜战监视能力的深海预警系统，由美国国防高级研究计划局(DARPA)在2010年启动，主要用于获取水下作战环境、提升反潜能力、确保航母编队安全等。
DSOP依托美国强大的空海军力量，利用水面舰艇及飞机等多种方式进行广域布放，DSOP系统能够利用浮标天线与岸基指控中心进行通信，融入空海一体化系统。DSOP项目2013年利用订制的UUV携带传感器进行了为期6天的深海测试试验，期间进行了2次4450m共计11h的潜航，下一步将利用配备声呐的无人潜航器进行协同组网测试。
二、关键技术
⒈防水耐压及防腐
该技术是保证水下无人装备正常工作的前提条件。水下无人装备需要水下长时间航行/驻留，承担相应水深的压力，合理的机械设计及新型材料选型可保证外形结构不变形，例如深海耐压要求下，舱体一般采用环肋圆柱或者球壳，材料选用钛合金、不锈钢等。另外，长期水下工作，海水腐蚀、浮游生物附着都有可能影响水下无人装备的工作状态。
⒉控制导航及定位
由于水下无人装备的装备特性及隐蔽性要求，不能实时利用GPS等定位系统进行坐标校正，控制导航及定位技术是水下无人装备能否完成制订任务的基本保证。目前水下无人装备多采用多传感器信息融合的方法，即利用GPS/北斗、惯导、多普勒测速仪(DVL)等进行组合导航。近年随着大数据及处理技术的发展，地磁导航、基于视觉/声呐图像的地形匹配导航、即时定位与地图构建(SLAM)等技术新方向兴起，但目前多被应用于水下无人装备辅助导航。
⒊目标探测与识别
⒋通信组网
通信组网技术将各类水下无人装备及岸基系统之间形成联动，是个体到集群、单兵作战到系统对抗跨越的助推剂，目前水下通信仍以水声为主，蓝绿激光通信、电磁波通信局限性较大，地壳波导通信技术尚不成熟。水下无人装备由于体型限制，多搭载小型低功耗水声通信机，目前研究多集中在复杂编码超低功耗值守技术、低功耗信号处理技术、深水换能器技术以及高效线性功率放大技术等方面。组网方面多采用自适应的介质接入控制、多路径路由等协议，前者通过提升信道效率来提高网络的吞吐量和接入效率，后者通过在网络节点间建立多条转发路径来提升网络的抗毁能力。
⒌能源系统
高能长效能源安全使用和水下持续能源补充是水下无人装备工作多长、功能载荷多少的基础支撑。电池是目前较为常见的储能单元，按照电池种类可分为锂电池(锂离子电池、聚合物锂离子电池)、铅酸蓄电池、碱性电池(镍镉电池、镍氢电池)、燃料电池(碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)及固态氧化物燃料电池(SOFC))、锌银电池等；按照使用次数可分为一次电池、二次电池，其中一次电池具有较低的自损率，储存寿命长达10年，比较符合长期潜伏型水下无人装备的需求。水下无人装备航行/系泊在水下，如果能够充分利用海洋能、太阳能对供电单元进行能源补充，将极大地延长装备潜伏/工作时间，减少回收、维护消耗。
⒍健康管理
为保障水下无人装备有效运行，要求具备全寿命周期的健康管理能力，能够根据装备监控数据和先验知识，定位故障、评估性能衰退情况和预测寿命，生成故障处理和系统维护方案。健康管理技术包含分布式监控、故障诊断及综合评估等，分布式监控将总系统划分为数据采集层、数据表达层、状态监控层、故障诊断层、评估预测层和决策维护层6个层级。构建分层分布式框架结构，各部分之间相互独立且耦合关联，为各子系统的检测、诊断、定位以及平台总体的综合性评估提供基础支撑；故障诊断基于语义和知识图谱技术构建装备的故障图谱，建立现象及故障之间的逻辑关系，结合平台实际工况数据分析，精准定位故障问题并根据故障等级给出应对措施；综合评估利用监控数据及故障诊断结果，对设备性能衰退、电池安全性与环境适应性进行评估，建立寿命评估模型，实现功能失效、寿命预测，基于诊断、评估及预测信息，结合健康管理目标做出合适的维护方案。
三、国外水下无人装备发展趋势
水下无人系统研究包含水声、控制、电子、机械等多个学科，涉及领域广、组织复杂，经过多年的发展，逐渐展现出6个发展趋势。
⒈长航时、大深度方向延伸
深海即深度>1000m的海域，全球海洋的90%海域属于深海海域，约占地球表面积的65%，深海空间广阔，蕴含各种资源和能源，具有较大的战略意义。未来的海上战争是跨越空、水面、水下的多维立体战争，更大的潜深带来更佳的水下位势，随着“以深制海”概念的不断推进，为获得更好的隐蔽性和突袭效果，各国把更深海域、更长时间作为海洋研究的重点，深海无人航行器、深海预置装备、深海预警系统等具备长航时、大深度工作能力的新型深海装备应运而生。美国的Bluefine-21AUV最大工作深度4500m，REMUS6000可工作于6000m的深海，SlocumUnderwaterGlider水下滑翔机可进行航程4000km、为期5年的巡航任务；日本的深海载人潜器SHINKAI可下潜至6500m，日本水下技术中心(JMSTC)研制的URASHIMAAUV可工作于6000m水深，航程超过300km。
⒉模块设计集成化
由于水下装备作业环境的特殊性，致使水下装备造价普遍高于陆地和空中装备，因此功能单一、扩展能力较差的装备不具备经济性、实用性价值，集成化模块设计将装备按照功能、类型进行分类集成，形成多个模块，这种设计便于装备的功能扩展，能够适应多类型作业环境及作战任务。美国曾提出“任务重组式无人潜航器”概念，即把UUV组成分为基本单元和任务载荷单元2个部分，基本单元保证UUV基本航行，包括推进器、电池、控制设备、导航设备、通信设备，任务载荷单元为扩展模块，可通过配置不同任务载荷执行情报、侦察、巡逻、打击、反水雷等多种作战任务，例如探测任务配置侧扫声呐、前视声呐等探测设备。
Bluefine系列UUV采用模块化设计，推进器、电池、电源管理、控制及导航、数据记录等模块/设备独立密封，之间通过水密接插件进行连接，在部件故障或电池电量较低时，可直接更换，节约检修、充电时间；REMUS600和Iver3等UUV采用独立的任务段，可根据任务需求进行任务段更换。
⒊多类无人集群协同化
随着无人平台的广泛应用，无人平台向集群化、智能化和网络化方向发展趋势日益明显，在网络中心战背景下，以UUV、水下预置装备、水下监听网络为主的多类型水下无人装备，基于信息共享技术实现集群协同作战，将成为未来水下攻防体系的重要组成部分。美国的PLUSNet项目中，利用UUV携带探测传感器辅助水下固定式水声监视系统，弥补固定式水声监控系统探测范围有限、机动性差的缺点。美国海军组织的年度海军技术演习(ANTX)中，利用UUV和USV搭载传感器进行数据收集，并实现数据自动融合、跟踪方案实时生成、武器适时发射等协同作战任务。
⒋探测识别自主化
⒌有人无人协同作战
水下无人平台具有低成本、高自主、灵活机动、隐蔽、综合作战效能高、无人员伤亡等特征，不仅能够降低战争损耗与风险，还能够扩展有人平台的感知范围、作战领域和作战效能，突破有人平台的工作约束与作战局限性，是应对未来“非对称”、“非接触”战争的新型作战装备。但受限于当前水下无人平台的自主化水平，在未来相当长一段时间内，多无人平台全自主协同作战实现难度很大，如何在水下作战环境下发挥无人和无人平台各自的优势，形成水下有人-无人的协同作战能力，已成为当前各国广泛关注的焦点。
瑞典的SAABSUBROV可像重型鱼雷一样安装于533mm鱼雷管，由潜艇进行操控，美国的“曼塔”(Manta)UUV、俄罗斯的“波塞冬”核动力攻击型UUV都计划装备于潜艇，辅助潜艇执行水下作战任务。水下有人-无人协同并非简单意义上不同类型水下作战平台的相互协作，而是有人系统与无人系统间系统级协同，是一种更高程度上有人与无人系统的深度融合，涉及到整个系统各个环节的良好配合，包括协同态势感知与评估、协同任务分配、协同航路规划、协同跟踪控制、战场智能决策和目标打击效能评估等。
⒍海上信息网络化
海上无人装备最基础的应用就是探测，信息共享是探测数据效能最大化的有效途径，网络化是解决信息共享问题的最优方案，网络作为陆海空天网是五大战略空间的一种，因其无处不再、高效互通的特点，已被广泛应用于军民各方面。海上信息网络化利用水声、射频、卫星等通信手段将海上无人装备串联组网，便于服务器系统入网对信息进行采集、分化、提取、融合处理，供应需方使用。在作战应用方面，信息网络化是海上作战群各作战单元之间的纽带，同时也是作战群融入整个海上作战体系的关键，美国提出“空海一体战”、“跨域海上监视与精确打击”、分布式作战管理、“作战云”等概念，都十分强调水下信息网络的互联互通能力。
四、结语
本文介绍国外水下无人装备的研究进展，分析了水下无人潜航器、水下预置装备、水下监听网等典型装备的发展趋势及应用特点。
来源|溪流之海洋人生 作者： 冯景祥等返回搜狐，查看更多
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