无人艇在水面靶标应用与关键技术研究∗

王海涛 刁世伦

（91550部队43分队 大连 116023）

1 引言

无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）［1］也称为水面机器人，作为一种智能任务平台，具有海上自主环境感知、认知与行为能力，随着船舶设计、自主导航、航行控制、无线通信和人工智能等专业领域的发展，在国内外逐渐进入实际应用阶段，可承担海洋资源探测、海洋环境调查、海洋运输、海上巡逻与搜救、反水雷与反潜、火力打击等任务［2］。美海军的无人水面艇总体规划了七类作战使命：包括反水雷、反潜、海上安全、海面作战、特种作战、电子战和海上拦截作战［3～4］。目前美国、以色列、欧洲与日本等西方国家的无人水面艇技术水平较高，而国内的无人水面艇研发与应用尚处于起步阶段。

水面靶标为反舰武器海上飞行试验提供水面模拟舰船目标［5］，给反舰武器提供水面舰船的雷达散射特性、雷达辐射特性、红外特性及以上复合特性模拟；同时为脱靶量测量、过靶实况等观测装备和各种舰载主被动电子干扰装备提供安装平台，完成反舰武器的过靶段的观测任务和抗干扰性能考核。靶标进行海上试验保障时无人值守，其靶载设备的操作均为位于陆地遥控站或母舰上的操作人员遥控操作。水面靶标使用时作为海面固定靶或者机动靶使用，在机动靶情况下为人工遥控航行。

2 无人水面艇在水面靶标潜在应用

由于海上使用环境的一致性以及工作时无人值守的共同特点，无人艇技术特点应用于水面靶标上有其先天的优势。特别是目前的水面机动靶，实际上已具备无人水面艇的雏形，无人艇所具备的自主能力不仅适合于水面靶标应用场合和使用需求，而且可以弥补目前水面靶标存在的很多不足。如图1所示，利用无人艇相关技术提高水面靶标的保障能力有广阔的应用场景。

图1 无人艇在布靶海域应用图示

1）水面机动靶。目前的机动靶，只是将报废舰船的航行控制系统改装为遥控方式后，再加装无线通信信道，海上试验保障时机动靶由人工操作，附近有拖船伴航，航行至布靶海域后，机动靶操船人员再跳帮至拖船上，通过遥控终端对机动靶遥控，机动靶编队控制也是在遥控终端预先编程实现。以上试验模式在较差海况下作业困难，海上人员工作强度大，试验现场随各种工况变化的适应性较差。将无人艇技术应用于机动靶，可提高机动靶的灵活性和多靶标编队供靶能力。水面机动靶不必再沿海上固定航路航行，可以根据试验规则和实际海上态势自行进行航线规划；利用集群协同的多目标机动靶，编队模拟更为逼真，为试验的组织实施提供了更加灵活的技术实施，能够更好地完成反舰武器对海上编队的攻击考核任务。

2）反舰武器末弹道观测平台。反舰武器攻击水面靶标的末弹道测量，对于鉴定武器的末制导精度、评估引战配合效能和判定杀伤效果起着关键的作用。以往末弹道观测设备均安装在靶标船体上，无论是雷测还是光测观察视野均受限，且在试验中由于武器直接命中船体损耗较大，试验费效比较低。如果将末弹道观测设备作为任务载荷安装在低目标特性的无人艇上，定点停泊在靶标船体周围进行观测，无论是采取雷测或光测手段，均可选取最佳的观测阵位而避免被武器直接击中，以做到较高的效费比。

3）舷外电子干扰平台。水面靶标为平台进行抗干扰试验，是靶场复杂电磁环境构建的一部分，现代海上电子战是系统与系统、体系与体系之间的对抗。以美航母战斗群反导作战的作战能力为例，远程全方位、大纵深、多层次的兵力配置是其电子战系统配系的特点。在对反舰武器进行抗干扰海上飞行试验时，可将无人艇作为有源或者无源干扰的安装平台，在反舰武器搜索、攻击水面靶标的整个飞行过程中，有目的地实施有源压制、欺骗，无源质心、冲淡干扰，达到武器系统抗干扰考核的目的。由于目前现役的舷外有源电子干扰方式多样，例如可控式NULKA、拖曳式TOAD、；漂浮式SSQ-95、助飞式FLYRT和投掷式Siren等有源诱饵，利用无人艇作为平台搭载舷外有源干扰设备模拟地方的有源诱饵，具有干扰航路可控、可多次重复使用和试后复盘分析方便的独特优势。

4）试验海域气象与水文观测。在海上可长时间可靠地进行重复型工作是无人系统的优点之一，利用无人艇任务航迹点动态实时设定、高精度航迹跟踪等功能，进行试验前预定海域的水文与气象精细观测，提高观测的准确率与实时性，为试验决策提供可靠依据。

5）布靶海域警戒、巡逻与搜救。为了避免出现海上误击事故，布靶海域四周会有一定的兵力进行警戒巡逻，防止商船或渔船意外进入危险海域。为了节省人力、物力，利用无人艇完成扫海任务，执行警戒、告警和驱离作业；另外当有意外海上事故发生时，利用无人艇机动能力强的特点，执行人员搜救或危险区域抵近侦察，都不失为可行的技术解决途径。

3 水面靶标领域无人艇关键技术

无人水面艇的核心设计原则是目标任务指导设计，在艇型设计和舱室布置方面，不必考虑人的承受能力与舒适度，其技术特点和发展潜力与水面靶标的海上试验需求高度吻合。不过，无人艇如果要在水面靶标领域投入实际使用，还需要解决涉及的关键技术问题。

3.1 无人艇目标特性控制技术

对于无人艇的目标特性控制主要是对其雷达散射特性的模拟与控制。无人艇的目标特性控制应从艇型设计、艇载任务载荷安装统一考虑，通过对艇体的综合优化布置来实现。

无人艇作为机动靶使用时，模拟对象是中小型水面作战舰艇的雷达散射和运动特性，一般用角反射体组合来达到雷达散射特性模拟的目的；不过由于艇体几何尺寸有限，如果雷达散射面积模拟要求较大，则可采用RCS主动增强模拟技术［6］，模拟结果复现包含舰船目标信息和环境信息的雷达回波信号中。

无人艇作为靶区观测平台或者舷外有源电子干扰平台使用时，在水面靶标附近机动航行，为了避免艇体的目标特性影响反舰武器导引头的搜索与跟踪，须进行雷达散射隐身设计［7］。无人艇雷达隐形设计的基本流程如下。

1）确定无人艇雷达隐身设计目标，给出导引头雷达威胁区域、工作频段和入射仰角范围要求，确定艇体需做隐形设计的方位角和俯仰角范围；

2）根据导引头工作频段和无人艇外形特征，对无人艇外形进行RCS计算；

3）按照任务载荷布置和加工工艺要求，完成整艇设计和非光滑表面光顺处理和融合；

4）对艇体特殊搭载载荷部位进行局部主散射源隐身优化设计，对特定散射强点部位进行雷达吸波材料配置，计算全配置下整艇的雷达散射截面；

5）进行必要的艇体缩比模型或全尺寸陆上、海上RCS测试验证。

3.2 通信保障

无人艇的通信对象［8］包括岸基（或母舰）支持系统、其他无人与有人平台；通信手段主要包括微波通信、卫星通信和水声通信，另外，北斗短报文通信也可应用在应急通信方面。通信系统是连接艇载自主航行系统和岸基支持系统（母舰）的桥梁，具有上下行不对称、高带宽和低延时等要求。下行数据为母舰对无人艇的遥控指令信息；上行数据为艇自身工作状态以及导航雷达、光电载荷等感知传感器信息，由于上行数据包括大量的设备工作和雷达图像、视频等传感器信息，需先进行信息集成融合后再进行压缩传输。

对于微波信道，由于无人艇的通信天线高度受限，海面引起的多径衰落对通信质量影响很大。目前无线数据传输采用的对抗多径方法主要有扩频技术、OFDM技术和SC-FDE单载波频域均衡等技术。扩频技术在窄带系统中比较常用，技术成熟，可在上行链路中使用；下行宽带系统中可采用OFDM或SC-FDE技术。对于卫星通信信道，通信距离不受限制，但是受无人艇平台限制较大，需解决卫通设备安装与对艇体摇摆敏感问题。为了在不同的工况下保持无人艇通信畅通，应根据数据类型和实时性要求，艇载通信载荷可智能选择数据的发送途径，也就是智能路由选择技术。

无人艇自组网技术，包括无人艇编队［9］之间内部的自组网、无人艇与其他有人/无人平台的自组网技术，要求无缝融入现有的试验测控网和通信网中。无人艇能够安全稳定地自主编队航行并预期完成试验任务，在很大程度上取决于无人艇之间对艇体运动数据、外界传感器、任务载荷等信息的互通和互操作水平，要求优化无人艇无线自组织网络协议，开展组网控制、网络管理和通信安全防护等装备研制，在此方面基于MIMO模式的MESH通信技术已得到实际应用。另外，还需解决无人艇与其他平台的异构组网技术，实现陆海空天潜异构立体组网，为有人/无人平台协同［10］态势感知、指挥决策等试验活动的组织实施提供支撑。

3.3 航行环境感知与自主决策

水面靶标模拟目标为作战舰艇，应用在此场合的无人艇监测对象主要是靶区海域的海面目标。目前采用的外界环境传感器包括导航雷达、毫米波雷达、激光雷达［11］、光电载荷［12］、AIS和气象站等各种类型传感器设备，实现一定距离范围内的海面目标探测。无人艇基于每种传感器的探测特性对特定目标进行检测、跟踪、识别等由粗至精的融合处理，再结合电子海图和艇内组合导航单元信息，构建水面环境立体态势图，实现无人艇对航行周围环境自主、准确完整的认知，在此基础上才能正确快速进行航行规划、自主航行控制与自主避碰等操作。

不过与其他无人平台无人车、无人机等相比，无人艇所处的海洋环境更为复杂多变，具有动态、不确定和复杂性，尤其是在恶劣的海况下航行时具有其特殊性，在环境感知方面也更加地困难，除了受海上光照、能见度因素等影响外，还面临特殊挑战，如艇体剧烈升沉摇摆、海面目标可观性弱与尺度变化大、浪花飞溅与不规则海岸线外来干扰等困难；而目前各类艇载传感器基本上是从其他应用的现有产品中选取使用，很少根据实际使用环境与探测需求进行针对性的设计与研制，更加剧了对航行环境感知的困难。同时，国内无人艇基于多传感器的在时间和空间上深入融合理论、实践应用均尚未成熟，因此目前在较复杂航行环境中，完全依靠无人艇自主安全可靠航行在短时间内技术上尚无法实现。所以在复杂情况下，无人艇就需要依托岸基支持系统给予智能决策和相关背景知识支持，在结合岸基支持系统基础上构建无人艇智能环境感知与信息融合、风险预警模型和理论，在此方面硬件条件已具备，可由试验指挥控制中心承担。岸基支持系统通过无线通信信道获取无人艇周围静、动态目标以及航行条件，再进行智能融合关联分析，运用深度学习、知识库、情景计算等智能理论，辅助无人艇进行智能决策，并同时向无人艇提供航行海域海况与气象支持。

3.4 海上布放与回收技术

随着向蓝海海军发展和反舰武器射程的提高，无人艇需搭载在母舰上在远海执行试验任务。母舰利用可靠的布放与回收装置［13］，完成高海情下无人艇的收放作业自动化，不需操作人员下水进行辅助吊放操作，对提高无人艇的可用率和试验效率有重要意义。

目前国内外无人艇采用的收放技术主要有三种：吊放式、艉滑道式和坞舱式。吊放式收放技术包括艉部吊放和舷侧吊放，应用较为普遍，布放可利用电磁阀开关与吊钩解脱；回收则较为复杂，首先通过弹射机构把弹射头和引线从艇上自主控制弹出，然后云台机构控制弹射机构的姿态确保把弹射头和引线弹到母船上，然后对接机构把艇体与母船对接并起吊。艉滑道式通过滑道装置完成无人艇收放作业，回收时选择合适冲排时机，无人艇以高于母舰航速进入艉部滑道，通过滑道前方阻拦索与艇艏挂钩机构挂接，阻拦缓冲机构吸收无人艇冲排动能，使其在短距离内受到阻拦而停止；布放时无人艇由电控机构打开挂钩，艇艏与阻拦索分离解脱后下滑至水面。坞舱式收放技术将无人艇存储在母舰坞舱内，布放前打开舱门向舱内注水，在托架上的无人艇浮起后打开锁定装置，人工遥控其驶离托架；而回收作业程序与上述过程相反。

吊放式收放技术对母舰航速、海况适应性较差，安全性较低，但由于传统习惯，海上作业舰船以往大都采用此种方式，不需对母舰船体做大的改动，目前大量采用且继续发展；坞舱式收放技术受航速、海况等因素的影响较小，但对船体空间结构要求高；艉滑道式收放技术在适应海况、空间需求、母舰航速、可操作性等方面综合表现更好，更适合于无人艇收放需求。这就要求今后的试验保障舰设计建造时综合考虑各型无人艇收放需求，设计专用的无人艇收放装置。

4 结语

综上所述，水面靶标试验需求与无人艇的先天技术特点高度吻合，在此领域有广阔的发展前景。今后应以水面靶标的海上试验需求为牵引，借鉴西方国家无人艇相关建设经验与技术，进行总体规划，在无人艇型谱、艇载设备和任务载荷、岸基支持系统和母舰保障装备等方面加强顶层设计与标准化工作，攻克关键技术，论证建设先进可靠的专业艇载感知传感器和任务载荷，逐步发展成熟可靠的自主控制与感知理论体系和技术架构，不断提高无人艇自主控制能力、环境感知和智能化水平，加速促进把无人艇技术转化为水面靶标保障能力。