邵春水 于大海 韓金良

（1.天津航海儀器研究所 天津 300131）（2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）

1 引言

水下無(wú)人潛航器（UUV）、水面無(wú)人艇（USV）是當(dāng)前世界上海軍強(qiáng)國(guó)大力發(fā)展的主要無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)，其承擔(dān)的使命任務(wù)和技術(shù)特征均與有人作戰(zhàn)平臺(tái)存在差異。鑒于無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)導(dǎo)航裝備配置與平臺(tái)的使命任務(wù)和技術(shù)狀態(tài)均有關(guān)聯(lián)，擬借鑒美國(guó)為各級(jí)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)承擔(dān)使命任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序的思路，通過(guò)分析無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航裝備的原則性能力需求、軍民用典型平臺(tái)的導(dǎo)航裝備配置，形成面向我國(guó)海軍無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的導(dǎo)航裝備發(fā)展啟示。

2 美軍無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)分類(lèi)及使命任務(wù)

2.1 水下無(wú)人潛航器（UUV）

根據(jù)美國(guó)海軍于2016 年2 月發(fā)布的《2025 年自動(dòng)水下航行器需求》［1］，UUV 按照尺寸劃分為超大型、大型、中型和小型四個(gè)級(jí)別。超大型UUV 直徑大于2.1m，通過(guò)岸邊或船舶的復(fù)雜裝卸設(shè)備布放，諸如起重機(jī)、井型甲板。大型UUV 直徑介于0.533m～2.1m 之間，通過(guò)任意?；钙脚_(tái)的裝卸設(shè)備搭載、布放和回收，也可通過(guò)岸邊或船舶的裝卸設(shè)備布放。中型UUV 直徑介于0.254m～0.533m 之間，從岸邊或船舶直接布放，回收需使用裝卸設(shè)備。小型UUV直徑介于0.076m～0.254m之間，通過(guò)船舶的舷邊布放和回收，而潛艇通常只布放不回收。按照該分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外典型UUV 包括超大型2型、大型22型、中型20型、小型11型［2～3］。

美國(guó)國(guó)防部于2007-2013 年期間發(fā)布了4 版《無(wú)人系統(tǒng)一體化路線(xiàn)圖》，針對(duì)4個(gè)級(jí)別的UUV將使命任務(wù)按優(yōu)先級(jí)擴(kuò)充為17 項(xiàng)［4～5］。其中，中小型主要用于情報(bào)/監(jiān)視/偵察、水雷對(duì)抗、通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、傳感器隱蔽植入等，大型兼具載荷投送、瀕海水面戰(zhàn)、大洋反潛戰(zhàn)等能力，超大型將進(jìn)一步提升直接打擊與對(duì)抗等作戰(zhàn)能力。

2.2 水面無(wú)人艇（USV）

根據(jù)美國(guó)海軍于2007 年發(fā)布的《無(wú)人水面艇主計(jì)劃》及2021 年發(fā)布的《海軍無(wú)人裝備總體戰(zhàn)略》，無(wú)人艇按照尺寸劃分為大型、中型、小型和微小型。大型無(wú)人艇的艇長(zhǎng)大于50m，中型無(wú)人艇的艇長(zhǎng)介于12m～50m 之間，小型無(wú)人艇的艇長(zhǎng)介于7m～12m 之間，極小型無(wú)人艇的艇長(zhǎng)小于7m［6～8］。其使命任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)排序，包括：反水雷戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、海上安全、水面作戰(zhàn)、支持特種部隊(duì)作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)和支持海上攔截作戰(zhàn)示［9］。

3 我國(guó)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)分類(lèi)設(shè)想

相對(duì)于美國(guó)以尺寸作為劃分無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)更傾向于以排水量作為標(biāo)準(zhǔn)。推測(cè)未來(lái)可能的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：UUV 按照排水量劃分為超大型、大型、中型和小型四個(gè)級(jí)別。超大型UUV 排水量超過(guò)100t，大型UUV 排水量介于10t～100t 之間，中型UUV 排水量介于1t～10t 之間，小型UUV 排水量小于1t。USV 按照排水量劃分為超大型、大型、中型和小型三個(gè)等級(jí)。超大型無(wú)人艇排水量超過(guò)500t，大型無(wú)人艇排水量介于10t～100t 之間，中型無(wú)人艇排水量介于10t～100t 之間，小型無(wú)人艇排水量小于10t。

4 無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)導(dǎo)航裝備能力要求

根據(jù)無(wú)人平臺(tái)的使命任務(wù)，導(dǎo)航裝備應(yīng)具備時(shí)空基準(zhǔn)獲取能力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量能力、環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力和自主路徑規(guī)劃能力，其中前三種能力是實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃能力的基礎(chǔ)［10～11］。

4.1 時(shí)空基準(zhǔn)獲取能力

時(shí)空基準(zhǔn)獲取能力按照參考坐標(biāo)系的不同劃分為絕對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)和相對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)。獲取絕對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)可以通過(guò)天基的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、岸基的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)，也可以通過(guò)平臺(tái)自身配置的時(shí)鐘自守時(shí)，而平臺(tái)的絕對(duì)位置可以通過(guò)慣性、衛(wèi)星/無(wú)線(xiàn)電、水聲、天文以及匹配導(dǎo)航技術(shù)獲取，其中匹配導(dǎo)航主要是物理場(chǎng)匹配和地形地貌匹配。獲取相對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)主要是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈、雷達(dá)、水聲這些具有測(cè)距測(cè)向能力的技術(shù)手段測(cè)量相對(duì)位置，依托數(shù)據(jù)鏈、水聲通信信道傳輸對(duì)時(shí)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)其他平臺(tái)與基準(zhǔn)平臺(tái)之間的時(shí)間同步。

4.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量能力

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量能力按照測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)類(lèi)別劃分為運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度。測(cè)量運(yùn)動(dòng)方向可采用衛(wèi)星導(dǎo)航或者慣性導(dǎo)航技術(shù)測(cè)量平臺(tái)的航跡向，也可采用天文、慣性、地磁定向技術(shù)測(cè)量平臺(tái)的艏向。測(cè)量運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的縱橫搖主要依靠慣性測(cè)姿技術(shù)。測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度又分為對(duì)地速度和對(duì)水速度，對(duì)地速度可采用慣性、衛(wèi)星、水聲（多普勒）測(cè)速技術(shù)，對(duì)水速度可通過(guò)水聲（多普勒）、電磁測(cè)速技術(shù)，不同的測(cè)速結(jié)果均可用于航行保障，但慣性測(cè)速結(jié)果也可用于慣性基準(zhǔn)之間的傳遞對(duì)準(zhǔn)，水聲（多普勒）、電磁測(cè)速結(jié)果可用于慣導(dǎo)阻尼工作模式。

4.3 環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力

環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力按照感知的對(duì)象不同劃分為海洋環(huán)境和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。海洋環(huán)境主要包括平臺(tái)所處海域的氣象環(huán)境、水文環(huán)境、聲學(xué)環(huán)境、地理環(huán)境、物理場(chǎng)和電磁環(huán)境，其技術(shù)手段屬于海洋環(huán)境觀探測(cè)專(zhuān)業(yè)。感知運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可以通過(guò)被動(dòng)接收和主動(dòng)探測(cè)兩種方式。被動(dòng)接收主要依靠的是當(dāng)前軍民領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的船舶自動(dòng)識(shí)別（AIS）系統(tǒng)。主動(dòng)探測(cè)則依賴(lài)于平臺(tái)自身裝備的傳感器，按照技術(shù)屬性可細(xì)分為雷達(dá)、聲波和視覺(jué)，其中用于導(dǎo)航避碰目標(biāo)探測(cè)的雷達(dá)按照不同的頻段分為激光和微波，聲波分為水面用的超聲波和水下用的水聲，視覺(jué)主要指的是各種攝像機(jī)。

4.4 自主路徑規(guī)劃能力

自主路徑規(guī)劃能力實(shí)現(xiàn)的載體是電子海圖以及運(yùn)行的導(dǎo)航算法。導(dǎo)航算法主要包括多源信息融合算法和路徑規(guī)劃算法。多源信息融合算法用于處理不同信息源提供的時(shí)空基準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)，自適應(yīng)生成適用于任務(wù)場(chǎng)景需求的統(tǒng)一、可靠的導(dǎo)航信息。路徑規(guī)劃算法用于根據(jù)任務(wù)需要，以時(shí)空基準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和周邊環(huán)境態(tài)勢(shì)信息為基礎(chǔ)，自動(dòng)生成平臺(tái)的航行路徑，引導(dǎo)平臺(tái)按照作戰(zhàn)使命任務(wù)安全航行。

5 典型無(wú)人平臺(tái)導(dǎo)航裝備配置分析

5.1 國(guó)外UUV導(dǎo)航裝備配置

國(guó)際上應(yīng)用較為成熟的UUV，美國(guó)REMUS600、德國(guó)“海獺”、挪威“休金”1000/3000 等UUV 均配備側(cè)掃聲吶。典型有美國(guó)EdgeTech 公司研制的2200 系列側(cè)掃聲吶，其采用模塊化設(shè)計(jì)，功耗低，支持獨(dú)立工作或平臺(tái)集中控制，最大工作水深達(dá)6000m，通常工作頻率為75kHz～120kHz、75kHz～410kHz 或120kHz～410kHz，可用于執(zhí)行海底目標(biāo)搜索、地形地貌測(cè)量、電纜敷設(shè)定位等任務(wù)［12］。

合成孔徑聲吶是利用勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的聲基陣，形成大的虛擬孔徑，以提高聲吶橫向分辨率，具有橫向分辨率與工作頻率、距離無(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。其分辨率比常規(guī)側(cè)掃聲納高1～2 個(gè)量級(jí)，具備超高分辨率的小目標(biāo)成像能力，美國(guó)REMUS600、挪威“休金”1000/3000均有配備。

“休金”1000/3000 上配置的Kongsberg 公司HISAS1030合成孔徑聲吶，工作頻率為60kHz～120kHz，最大量程可達(dá)260m，實(shí)際分辨率在全量程內(nèi)均優(yōu)于5cm×5cm［13］。

除側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶外，多波束測(cè)深聲吶也是UUV 常用聲吶之一。其利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)水深值，在執(zhí)行大范圍海底搜索和地形測(cè)繪時(shí)效果顯著。據(jù)悉，大多數(shù)軍民用UUV 均為該類(lèi)聲吶留有接口，如挪威“休金”1000/3000、德國(guó)“海獺”等大型UUV。

從國(guó)外典型UUV 的環(huán)境態(tài)勢(shì)感知傳感器配置來(lái)看，側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶適合配置在國(guó)內(nèi)各級(jí)別的UUV 上，多波束測(cè)深聲吶可根據(jù)國(guó)內(nèi)大型、超大型UUV的使命任務(wù)和載荷能力視情配置。

5.2 民用自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器配置

無(wú)人艇水線(xiàn)以上主要配置有雷達(dá)天線(xiàn)、GPS 天線(xiàn)、攝像機(jī)、激光雷達(dá)以及艙內(nèi)的羅經(jīng)，水線(xiàn)以下配置有前向避障聲吶和側(cè)掃聲吶。其中水線(xiàn)以上用于支持無(wú)人駕駛功能的環(huán)境態(tài)勢(shì)感知傳感器與民用帶有自動(dòng)（輔助）駕駛功能的汽車(chē)配置類(lèi)似?？紤]到目前民用自動(dòng)駕駛汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展較快、應(yīng)用較廣，傳感器的配置方案和使用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)更成熟，其方案對(duì)無(wú)人艇的導(dǎo)航裝備配置有一定的借鑒意義。

攝像機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于能夠得到豐富的紋理、特征信息，不足之處在于易受光照強(qiáng)度和角度影響，拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊等。相對(duì)于其他傳感器，攝像機(jī)除用于測(cè)距之外，還可用于車(chē)道線(xiàn)檢測(cè)、交通標(biāo)識(shí)符檢測(cè)等。常用的車(chē)載攝像機(jī)分為組合攝像機(jī)和魚(yú)眼攝像機(jī)。組合攝像機(jī)是指由不同視野角度和景深范圍的相機(jī)構(gòu)成的單目/雙目/三目攝像機(jī)，用于探測(cè)不同范圍內(nèi)的目標(biāo)。魚(yú)眼攝像機(jī)是由十幾個(gè)不同的透鏡組合而成，具有寬視野的特點(diǎn)，通常在車(chē)的前后左右各安裝一顆，拼接成360°全景圖用于檢測(cè)車(chē)身周?chē)?m范圍內(nèi)的物體。

毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量距離遠(yuǎn)，受天氣影響小，不足之處在于某些材質(zhì)（如行人）回波較弱，對(duì)金屬材質(zhì)特別敏感，導(dǎo)致易發(fā)生虛警，切向目標(biāo)敏感度差等。車(chē)載毫米波雷達(dá)通常安裝在汽車(chē)的前方，用于探測(cè)200m以?xún)?nèi)的目標(biāo)，并且和攝像機(jī)的目標(biāo)輸出進(jìn)行融合。

超聲波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于受雨水、粉塵、泥沙的干擾較小，在空氣中穿透性強(qiáng)，短距離測(cè)距精度高，不足之處在于受氣溫影響較大，車(chē)速較快時(shí)測(cè)距誤差較大等。短距離超聲波雷達(dá)測(cè)量范圍在3m 以?xún)?nèi)，用于探測(cè)近處的障礙物。近距離超聲波雷達(dá)測(cè)量范圍在5m 以?xún)?nèi)，用于探測(cè)近處的障礙物和判斷旁邊的空車(chē)位。

激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)光照變化不敏感，不受夜晚場(chǎng)景影響，測(cè)距精度較高，感知周?chē)畔⒘肯鄬?duì)豐富，不足之處在于性能受雨雪、霧天、粉塵等氣候影響會(huì)下降，對(duì)某些低發(fā)射特性材料的測(cè)距精度不佳等。

目前自動(dòng)駕駛汽車(chē)的環(huán)境態(tài)勢(shì)感知方案差異主要在于是否配置激光雷達(dá)，以特斯拉為代表的車(chē)企采用的是以攝像機(jī)視覺(jué)圖像為主，不安裝激光雷達(dá)的方案，其他大部分車(chē)企則采用以激光雷達(dá)為主，輔以視覺(jué)圖像的方案。對(duì)于海軍無(wú)人艇來(lái)說(shuō)，考慮到海上使用環(huán)境下視覺(jué)圖像特征相對(duì)較少，更適合以激光雷達(dá)為主的方案。

6 國(guó)內(nèi)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)導(dǎo)航裝備配置啟示

鑒于時(shí)空基準(zhǔn)獲取和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量傳感器的種類(lèi)和配置方案相對(duì)成熟，在無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)上的主要發(fā)展趨勢(shì)是降低尺寸、重量、功耗，即低SWaP 綜合指標(biāo)，以減少對(duì)平臺(tái)資源的占用，本文主要分析了典型無(wú)人平臺(tái)的環(huán)境態(tài)勢(shì)感知傳感器，進(jìn)而形成了如圖1所示的國(guó)內(nèi)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)導(dǎo)航裝備配置圖。

圖1 無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)導(dǎo)航傳感器配置圖

6.1 水下無(wú)人潛航器（UUV）

必配的導(dǎo)航裝備包括衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、慣性導(dǎo)航設(shè)備、聲學(xué)計(jì)程儀、測(cè)深/測(cè)潛儀、時(shí)頻基準(zhǔn)設(shè)備、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、攝像機(jī)和電子海圖，如果設(shè)計(jì)的小型UUV 活動(dòng)范圍有限，也可不配電子海圖。選配的導(dǎo)航裝備包括電磁計(jì)程儀、長(zhǎng)基線(xiàn)、重力儀、多波束測(cè)深聲吶、超短基線(xiàn)。電磁計(jì)程儀一般不配置，如果超大型UUV 有聲靜默環(huán)境下為慣性導(dǎo)航設(shè)備提供阻尼速度的需求可選配。長(zhǎng)基線(xiàn)、超短基線(xiàn)根據(jù)UUV 任務(wù)海域水下預(yù)置導(dǎo)航設(shè)施建設(shè)情況、編組平臺(tái)之間協(xié)同需求等因素視情選配，對(duì)于載荷能力有限的UUV 平臺(tái)可考慮研制綜合基線(xiàn)，整合長(zhǎng)基線(xiàn)和超短基線(xiàn)功能。超大型UUV 可根據(jù)自身載荷能力配置重力儀，用于物理場(chǎng)匹配定位。大型、超大型UUV 可視情選配多波束測(cè)深聲吶，用于地形匹配定位，選配多波束測(cè)深聲吶后可不配置測(cè)深儀。

6.2 水面無(wú)人艇（USV）

必配的導(dǎo)航裝備包括衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、慣性導(dǎo)航設(shè)備、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航設(shè)備、時(shí)頻基準(zhǔn)設(shè)備、AIS 接收機(jī)、激光雷達(dá)、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、攝像機(jī)和電子海圖，如果設(shè)計(jì)的小型無(wú)人艇活動(dòng)范圍有限，也可不配電子海圖。選配的導(dǎo)航裝備包括磁羅經(jīng)、聲學(xué)計(jì)程儀、電磁計(jì)程儀、長(zhǎng)基線(xiàn)、天文導(dǎo)航設(shè)備、超短基線(xiàn)、毫米波雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、超聲波傳感器。磁羅經(jīng)是指便攜式磁羅經(jīng)，對(duì)于中型以上的無(wú)人艇，如果設(shè)計(jì)成支持人員上艇操作，可在艇上設(shè)計(jì)預(yù)留接口，由上艇人員隨身攜帶上艇安裝，以備應(yīng)急使用?？紤]到無(wú)人艇通常吃水不深，速度較快，艇下的水聲環(huán)境一般不適合安裝電磁計(jì)程儀和聲學(xué)計(jì)程儀，如果大型、超大型無(wú)人艇的艇下水聲環(huán)境比較好可考慮安裝兩型計(jì)程儀。長(zhǎng)基線(xiàn)、超短基線(xiàn)根據(jù)UUV 任務(wù)海域水下預(yù)置導(dǎo)航設(shè)施建設(shè)情況、水面/水下協(xié)同需求等因素視情選配，如果兩種基線(xiàn)都需要配置，物理形態(tài)上可考慮綜合基線(xiàn)，整合長(zhǎng)基線(xiàn)和超短基線(xiàn)功能。超大型無(wú)人艇如果載荷能力較強(qiáng)，有足夠的資源安裝天文導(dǎo)航設(shè)備，可考慮配置一臺(tái)天文導(dǎo)航設(shè)備作為備用的定位、定向手段。毫米波雷達(dá)和導(dǎo)航雷達(dá)均用于目標(biāo)的測(cè)距、測(cè)速，小型、中型無(wú)人艇通常機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)，需要關(guān)注的周?chē)\(yùn)動(dòng)目標(biāo)態(tài)勢(shì)區(qū)域有限，可考慮配置毫米波雷達(dá)搭配激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)近程、遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)，大型、超大型無(wú)人艇相對(duì)于中小型無(wú)人艇慣性增大，機(jī)動(dòng)能力可能相對(duì)弱一些，需要關(guān)注的周?chē)\(yùn)動(dòng)目標(biāo)態(tài)勢(shì)區(qū)域較大，可考慮配置導(dǎo)航雷達(dá)搭配激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、近程目標(biāo)探測(cè)。超聲波傳感器由于探測(cè)距離有限，比較適合安裝在機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)的小型、中型無(wú)人艇上，大型、超大型無(wú)人艇如果慣性較大，機(jī)動(dòng)能力不足以躲避超聲波傳感器探測(cè)范圍內(nèi)目標(biāo)的話(huà)，無(wú)需配置超聲波傳感器。

7 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)尚處于快速發(fā)展的起步階段，通過(guò)分析提出的導(dǎo)航裝備配置有助于針對(duì)性地面向不同級(jí)別平臺(tái)研制通用或?qū)Ｓ脤?dǎo)航裝備，形成譜系化、階梯化導(dǎo)航能力，避免導(dǎo)航裝備型譜產(chǎn)生亂象。