水面无人艇技术发展及展望∗

李 伟 李天伟 张尚悦 应荣熔

（1.海军大连舰艇学院航海系 大连 116018）（2.海军大连舰艇学院教务处 大连 116018）

1 引言

水面无人艇（Unmanned Surface Vessels，USV）是一种按照任务需求搭载各种不同的功能模块，自主或者半自主完成一系列任务的具有一定智能性，可高速航行于水面的小型水面船艇［1］。无人驾驶船最早见于20世纪五六十年代出现的靶艇或扫雷艇，但仅限于在有人平台的遥控范围内进行水面作业。随着卫星定位与通讯技术、自主导航技术以及智能规划和控制技术的进步，作为海面任务平台的无人艇使用范围已拓展至远海区域。水面无人艇还未大规模应用，目前主要集中在海上测绘、海上监视侦察、反水雷战等领域。未来，随着装备智能化程度的提升，水面无人艇将逐步具备独立或协同遂行反潜、反舰等作战任务的能力，在海上作战中发挥重要作用。

2 国内外水面无人艇发展现状

目前，稳步推进水面无人艇研制的国家和地区主要包括美国、中国、俄罗斯、以色列、日本以及欧洲主要国家，趋向于发展反舰、反潜、反水雷和电子战等能力于一体的多功能水面无人艇。

2.1 国外发展现状

美国海军已经研制并装备了多个类型的水面无人艇，并针对未来发展制定了清晰的发展路线［2］。“遥控猎雷系统”、“海狐”和“斯巴达侦察兵”已经陆续服役，并积累了一定的无人艇使用经验［3］。2014年在詹姆士河对由5艘自动控制无人艇和8艘远程遥控无人艇组成的编队集群，开展了水面无人艇编队蜂群作战相关试验。13艘无人艇采用智能控制技术，按照一定护卫队形为核心目标组织护航，通过艇群的传感器网络成功识别出模拟的敌方目标船只，艇群按照预设方案随即行动，对敌方目标进行包围和拦截，阻止了敌方威胁迫近己方护卫目标。美国海军未来将持续组织其他水面无人艇试验，并将研究重点向引导无人艇开展多艇协同行动担负复杂任务延伸。2018年初美国海军接收了“海上猎人”反潜无人艇（ACTUV），该型艇是美“反潜连续追踪计划无人舰”计划中的革命性舰艇，一次出行即可连续执行长达3个月的反潜任务。同时，美国海军与军工企业达成协议，开始研发装备有反舰武器系统的无人艇［4］。

以色列水面无人艇研究起步较早，不少型号均已处于试验测试阶段，更有个别型号已经完成实际部署并出口到其他国家［5］。2006年以色列“保护者”无人艇便已装备海军，每3艘编成一个机动编队，主要用于以色列沿海地区和相邻水域巡逻。2017年3月以色列海军成功测试了“海上骑士”无人驾驶导弹艇，是全球首艘具备导弹发射能力的无人艇。

俄罗斯正在研究具有“变革海军战争”潜力的未来无人技术［6］，2016年测试了“探索者”水面无人艇，该艇最高航速25节，自持力7天，艇上安装了复杂的陀螺稳定监视和搜索系统和光电监视系统、声纳设备、无线链路系统、电子压制、远程视觉系统和自动灭火系统。

欧洲各国也积极推进自己的无人系统战略，法国研制了“检验者”水面无人艇，德国研制了“海獭”MKII无人艇，挪威研发了“水雷狙击手”，尤其是英国海军推出了MAST无人艇，速度可以达到50节［7］。

随着日本在2015年1月发布新的军事和国家安全空间战略，日本开始全面提升包括海洋在内的情报、监视与侦察能力（ISR能力），日本防卫技术研究总部宣布正合作研究无人潜航器UUV和USV间的实时数据传输，以加强情报收集的准确性、实效性和有效性［8］。

2.2 国内发展现状

国内水面无人艇技术方面的研究发展起步较晚，但进展迅速，多家单位比如中国航天科工集团、哈尔滨工程大学、上海大学、中船重工、中科院等单位，水面无人艇相关技术开展了大量的研究工作并取得了很大的进展［9］。

2008年国内第一艘无人驾驶海上探测船“天象一号”被中国航天科工集团自主研发出来，并投入到青岛奥帆赛的气象保障服务。

2013年，上海大学无人艇团队研制的“精海1号”，经由交通运输部东海航海保障中心组织，成功应用到西南沙诸岛礁的水下地形地貌和水文情况的测量，为我国开展南海岛礁航海保障基础设施设立提供了充分的科学依据。2014年“精海2号”跟随“雪龙”号执行我国第31次南极考察任务。

云洲智能公司推出了可搭载反舰导弹雷达诱饵模块的L30A型无人艇，拉开了国内水面无人艇的军事运用大幕。该型艇能够伴随母舰航行，干扰来袭导弹对母舰提供保护。根据需要，L30A型无人艇可搭载光电监视系统和12.7毫米自动武器站，执行目标跟踪、驱离和拦截等多样化任务。

2017年底，哈尔滨工程大学和深圳海斯比船艇公司共同推出了世界速度最快无人艇，该型“天行一号”无人艇速度能够超过50节，可用于海上执法和危险环境。

2018年2月，华中科技大学工业技术研究院进行了无人艇编队的航行测试，利用5艘无人艇进行编队航行，初步达成了无人艇围捕的测试。

3 水面无人艇技术发展

3.1 水面平台与动力管理技术

水面无人艇的重心、速度、惯性矩等动态性能都会在航行期间发生变化，其流体动力导数也会相应发生变化，进而引起动力学模型的参数、结构变化，风、浪、流等海洋环境对无人艇亦会产生干扰力和干扰力矩，影响到无人艇的水面运动［10］。传统上，高速无人艇运载平台多采用成熟的滑行艇设计。为减小外界环境影响，美国的斯巴达侦察兵无人艇及以色列银色马林鱼无人艇都选择了采用深V型滑行艇作为载体。滑行艇在静水中表现出了优异的快速性，但在波浪中也存在砰击和稳定性等方面的问题。部分研究基于喷水推进方式的无人艇运动建模及其视景仿真方法，根据船舶操纵性和快艇动力学的基本理论，建立无人艇的动力学模型，并基于拖曳水池试验、自航模试验和CFD手段研究高速无人艇船型的水动力相关特性，以期提高水面无人艇动力管理效能。

3.2 环境感知技术

为提高无人艇适用性，需要解决在恶劣海况下，无人艇艇体在持续颠簸条件下的水面目标探测和目标判别，并利用动态背景和低信噪比条件下的目标检测方法，对艇载多种传感器获取的信息进行处理，实现对于不同海上目标的跟踪、检测、识别和行为预测。

3.3 自主控制技术

水面无人艇控制技术的终极目标是达成任务的完成。利用环境感知手段，探测和识别目标，通过自主控制技术实现自主路径规划、驾控避碰和采取合理控制策略，以完成各种任务和作业使命［11］。控制系统是水面无人艇系统的核心，是其智能化、自主性水平的直接体现。目前，蚁群优化算法、离散时间非线性模型预测控制器、模糊LQR控制器都已经引入到无人艇控制技术，开展无人艇在复杂海况条件下的临界机动预测。

3.4 路径规划技术

水面无人艇在静态和动态的海洋环境中要能够达到高度自主性，确保船只、人员及财产安全，智能、快速地处理各种难以预料的状况，就成为路径规划和动态避碰问题的难点［12］。一是规划过程中要考虑USV自身的运动特性及所处的自然环境（如风、浪、流）的影响。二是在海上航行要遵守国际海上避碰规则，将路径规划和动态避碰与国际海上避碰规则进行有效融合，也是无人艇路径规划的难点问题。当前研究主要集中在利用非线性滑模控制的基础上，结合轨迹规划、跟踪和协调控制等多种方法开展无人水面舰艇路径规划。

3.5 网络化通信技术

随着无线电通信、卫星通信等通信技术的迅速发展，舰船通信技术大多由多媒体技术、信息技术和电信技术等多种技术的集成［13］。无人艇在与母船或者地面站信息交互时，需要通过数据链路。现有的技术包括利用超高频扩频通信结合卫星通信方式进行数据传输，通信信息涵盖了图像信息、视频信息、控制指令、姿态信息、位置信息等，为提高信息传输的实时性和安全性，需要开展数据传输中的带宽、抗干扰等研究。

3.6 多任务载荷一体化技术

有效载荷是无人系统执行侦察、监视、电子对抗、打击、战效评估任务的关键因素，应用于无人系统的有效载荷包括通用传感器（光电、雷达、信号、气象、生化）、武器、货物（传单、补给品）等。

4 水面无人艇未来发展趋势

4.1 由军用领域向民用领域拓展

水面无人艇起源于军事应用需求，随着作战能力提升和功能拓展，未来水面无人艇必将进一步加大在现代海战中的作用。与此同时，水面无人艇的使用范围也已经逐步扩展至民用领域，比如进行近岸浅水区域测绘、极区等复杂水域航行、海上监控、海上救助、海区巡航等。随着相关技术的发展，无人艇自主控制能力的不断提升和平台支持能力的不断提高，将会有越来越多的重复性强、危险性高等其他不适宜直接由人员完成的任务由水面无人艇加以完成。

4.2 由关注航行性能向支持技术拓展

由于无人艇使用的领域目前主要集中在特定应用领域，尤其是在民用领域还未大规模推广，部分研究机构和研究人员在开展无人艇技术研究时，主要关注点集中在影响无人艇适航性的指标，比如无人艇船体设计、航速及动力系统控制、航向和航行姿态控制能力等。未来无人艇的推广，必将牵引研究热点向功能支持模块延伸，比如艇载监视及识别技术、艇载武器系统、艇载集成通信系统等。

4.3 由单一功能型号向通用平台拓展

全自主智能无人艇在海上执行任务过程中，尤其是在远海执行任务时，岸基控制终端支持有限，需要无人艇具备应对不同海区条件和复杂海上态势的能力，单一功能模块难以满足海上需求，需要将不同的功能模块集成在无人艇上，如航线规划、目标识别、导航定位及勤务模块等。同时，大型无人艇载荷能力强，开展功能模块集成相关技术研究，发展通用平台能够增强无人艇的适用性。

4.4 由单艇控制向编队协同控制拓展

海上任务区域大，当面临复杂任务时，无人艇编队可以弥补单艇性能的局限性和不足。例如，在执行对潜搜索攻击任务时，由于声纳等观测器材作用距离限制，单艇搜索效能不高，难以实现局部海区的覆盖，容易导致水下目标脱离接触。同时，如果无人艇在执行任务的过程中被敌方兵力摧毁或自身故障等原因影响，无法继续完成任务，艇群中的其他无人艇可以继续执行任务。另外，当执行海上任务需要兼顾防空、反潜及对水面目标攻击等不同任务时，单艘无人艇由于体积限制无法完成，如果让不同作战用途的无人艇协作完成类似任务，单艇的局限性将得到解决。

5 结语

水面无人艇最显著的特点是具备独立自主运行的能力，对于任务决策、智能控制、非结构环境感知等方面的研究将不断提高水面无人艇的智能水平。同时，未来多学科的交叉融合也将极大地促进水面无人艇相关技术的快速发展。随着水面无人艇军事应用的不断深入，大型化、智能化、隐身化和可拓展性将是一个发展趋势，尤其是集群控制技术一旦取得突破，将引领水面无人艇由配角变为主角，改变海上作战样式。