微小型无人潜航器（UUV）研究现状及应用分析

作者：刘星璇、范学满，海军潜艇学院

来源：《信息系统工程》（2021年第8期）、溪流之海洋人生

一、前言

无人潜航器（UUV）是以遥控或自主方式，在水下航行的无人化、智能化作战平台。近些年，各国均加大了针对UUV的多年计划，不仅在石油和天然气的勘探、海底管道或电缆线路的勘探铺设等方面有需求和进展，在军事领域的需求也逐年增加。

以往，UUV主要用于水下排爆（EOD），使用了主要是直径约为0.3～0.6m、长度达6m的UUV集群，在最新研究中提出了大位移UUV（LDUUV），甚至超大位移UUV（XLUUV）的概念。随着电池技术和材料的发展进步，对于中大型无人平台，不仅开发周期长，且成本高昂，因此最近的技术发展逐步改变利用大型UUV的特点，将更多款微小型UUV投入市场应用。微小型UUV体积小、重量轻，便于存储、布放和回收，可以遂行多样任务，具有诸多优势，随着人工智能技术和计算机技术的迅猛发展，UUV向着模块化、集成化、小尺寸等目标前进。

二、微小型UUV的主要特点

无人潜航器具有自主性、低风险性、隐蔽性、可部署性、环境适应性等特点，具有商业和军事价值，是目前海洋技术研究的前沿。

1、隐蔽性强

微小型UUV具有体积小、生存力强、在执行任务时可以减少上浮次数和时间，在完成任务后执行自毁等措施，以降低暴露概率。

2、灵活性强

可根据任务需求，设置布设于600～6000m的海水深度，可用于集群作战或有人、无人协同作战，可作为信息中继，为侦查提供情报支持，也可作为诱饵，诱骗目标进行打击。

3、遂行任务多样

可采用模块化设计和开放式系统架构，根据任务需要设置载荷，具备遂行海洋环境情报收集、预警监视、反潜作战以及水下打击等多样化任务的能力。

三、微小型UUV发展现状

1、Bluefin

蓝鳍金枪鱼（Bluefin）水下机器人公司位于马萨诸塞州昆西市，是一家专业深海探测器材研发公司，专门研究和销售UUV。目前为止蓝鳍系列产品有“蓝鳍金枪鱼-9”“蓝鳍金枪鱼-9M”“蓝鳍金枪鱼-12S”“蓝鳍金枪鱼-12D”“蓝鳍金枪鱼-21”等基本型号，其中“蓝鳍金枪鱼-9”“蓝鳍金枪鱼-9M”为小型UUV，如图1所示。

图1 Bluefin小型UUV示意图

可遂行海洋调查、水下环境监测、反水雷（MCM）、爆炸物（UXO）、情报监视和侦查（ISR）等多种任务。以“蓝鳍金枪鱼-9”为例，其外形长为1.75m，直径0.24m，重量60.5kg，续航力12h，导航系统主要为GPS系统，精度为航迹推算小于航程的0.3%。

2、Riptide

2015年，由于传统UUV行业出现变动，Riptide提出了自主式方案。该方案的第一个产品就是微型UUV（Micro-UUV），这是一种新型的、高度灵活的、开源的自主式潜航器。这种微型UUV具有开放的硬件和软件接口，为用户提供了可靠性和鲁棒性强的平台，以促进技术的开发。该潜航器的设计是在动力特征上进行了高效率的优化，其基座直径约为0.12m，长度约为1m，重量约为9.98kg，标准系统的额定深度为300m，如图2所示。

图2 Riptide微小型UUV的布局

3、REMUS

“雷姆斯”（REMUS）无人潜航器是由加利福尼亚州蒙特利的UUV制造商水螅公司制造研发，最知名的微小型UUV为“REMUS-100”，全球范围内出售了600余台，广泛应用于科研、商业和军事领域。REMUS-100是为沿海100米深度左右的工作环境设计的小体积、轻重量的UUV，并且增加了水文和海上调查装置，包括多普勒测速仪、侧扫声纳装置、温度盐度传感器等，还可扩充多重设备，其水下作业时间可达10小时，航行距离20海里以上，已实现在海岸巡逻、海洋环境监测、飞机残骸勘测等领域的作业，如图3所示。

图3 REMUS-100小型UUV

4、SEAScout

“海探”（SEAScout）是一款微型UUV，有QinetiQNorthAmerica公司开发研制生产的产品，具有可重配置的有效载荷能力，长度约为10英寸、4.5英寸直径载荷段，新一代SEAScout增强了耐用性、通信和导航精度。可以执行多种海上任务，如诱饵、信息中继、数据采集、情报侦察等，最大下潜深度200m，采用GPS、九轴IMU、深度传感器组成导航系统，如图4所示。

图4 SEAScout自主水下航行器

四、微小型UUV集群应用

1、情报侦查任务

水下无人集群任务，包括情报侦察、近岸港口监视、水文监测、后法部署声纳等任务，水下平台种类繁多，对于小型UUV来说，充分利用其成本小、隐蔽性好等特点进行任务部署。美军对海军特种战（Naval Special Warfare-NSW）定义的任务是在极浅水域（Very Shallow Water-VSW）进行水文侦查，利用小型UUV群，对可疑雷区和特定区域内水雷的位置进行评估和侦测，并不引爆雷区，随后将信息反馈给指挥所进行任务布置。已进行实验的SAHRV型号，就是首先进行任务编程，随后在任务区进行阶梯搜索，再将收集到的数据反馈进行分析。

2、超浅水域反水雷（VSWMCM）

反水雷（MCM）的任务是要迅速建立安全作业区和运输路线，在7-10天或更短的时间内建立安全区域，区域范围应当在100～900平方海里，包括侦查、清除水雷、机械和电磁扫测、保护安全区域等过程。美国圣地亚哥空间和海军作战系统中心（SSCSD）在利用小型UUV进行任务部署时，利用REMUS或CETUS平台对海区进行探测，并将任务分为两个阶段。该UUV系统包括操作艇及指挥、控制、通信和计算接口（C4I），UUV装备了精确的导航和目标定位信息，首先对水雷进行探测并避免引爆后返回，再调整第二组UUV载荷，对海区进行评估和确认目标，并在指挥员的指令下对雷区进行清扫。

3、反恐防卫

利用REMUS等小型UUV群在反恐防卫领域主要完成三项任务：船舶搜索、停泊区搜索、特定小区域搜索，UUV的主要任务均为信息采集和传递。例如，在UUV群里，REMUS可分别装备900kHz的单扫声纳和1.2MHz的单扫声纳，CETUS装备2.4MHz的单扫声纳和深度传感器，这样会采集到更多样具有战术意义的水文环境信息。

4、其他

UUV集群通常还可以执行反潜战、保护作业区域等任务，但微小型UUV通常不单独执行此类任务，可与中、大型UUV或有人航行器协作执行任务，也可以通过调整UUV的载荷进行任务部署。

目前，UUV集群和大多数商用潜航器的自主性都非常低，每个单独的任务必须预先编程。NSWCPCD的科学家和工程师们，正在利用新型微型UUV进行更高层次的自主性实验，以期能够在无需预先编程的情况下，执行对未知海区的勘测任务。海军研究人员计划对微型UUV进行自主性研究，并坚信可以利用这一新工具的灵活性和易用性迅速实现目标，供UUV集群及其他UUV用户使用。

五、水下无人系统未来发展趋势

1、采用模块化结构执行多样化任务

采用模块化、开放式的机构，能够提高装备维修效率、降低保障压力。应该根据UUV作战使命的不同，规划了“微、小、中、大”尺寸UUV的发展思路，并在各级支持下逐步落实，UUV使命任务更加细化，实际应用也趋于成熟。目前无人潜航器大多只执行单项任务，成本高昂，后期维护难，因此美国通过调整无人系统标准信息，使工业部门着重无人潜航器模块化载荷的开发，已完成了自动化、任务载荷、传感器数据、通信技术4方面的标准化制定，模块化的设计将大大提高产品的利用率、遂行多样任务。

2、构建蜂群系统

目前，微小型UUV因成本低、性价比高、应用范围广等特点，其市场份额逐年增大，UUV集群的部署应用也增多，且由于UUV在电量存储方面的突破性进展，续航力更强，电磁也可以在更小、更低廉的平台进行测试，可以执行更长续航时间的任务，例如“蜂群”等。充分发挥机器人技术革命优势，构建无人自动化“蜂群”作战系统，水下无人平台的蜂群战术，相比有人航行器在作战时，更具有数量优势、成本优势、时敏优势，也是未来水下无人系统应用趋势。

3、增强自主智能技术

无人系统的控制技术发展由遥控到半自主，未来的发展趋势是自主，即AUV。目前无人潜航器大多需要操作人员进行遥控或提前编程，随着技术进步，正在试验部分型号的自主航行及集群协同作业。自主技术能够提高UUV的活动范围，实现超远距离的反水雷、反潜、反舰等任务，也能对人力资源的依赖。引入人工智能技术，提高水下无人系统的自主性，通过加强UUV局部通讯能力，实现局部快速最优编组，可以降低水下恶劣的通信条件对集群控制的影响。

六、结语

水下无人系统相较有人系统，具有隐蔽性强、灵活性强、遂行任务多样等特点，能够以数量优势弥补单一平台功能不足的缺陷，以多数量的分布式无人平台集群，遂行水下侦察、反水雷、反恐防卫及反舰等其他任务，对未来海战意义重大。海洋是国家安全的重要屏障，UUV作为海洋探测和海洋防卫的重要新型装备，大力开发和研制UUV技术及应用，随着人工智能技术的迅猛发展，水下无人系统呈现出模块化、智能化、集群协同应用是未来发展的趋势。