AUV遠距離快速布放方法研究

孫慶鵬，黃宏友，田 彬

（中國人民解放軍92213部隊，廣東 湛江 524064）

0 引言

隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，無人水下航行器（UUV）的應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)前無人水下航行器可以分為2大類—自主式無人水下航行器（AUV）和遙控式無人水下航行器（ROV）。AUV在水下航程越來越遠，自治程度越來越高，近幾十年來發(fā)展迅速，為探索大洋發(fā)揮了重要的作用；ROV受臍帶纜的影響，一般在母船附近，主要執(zhí)行水下搜尋、救助打撈任務(wù)，其型號種類繁多，發(fā)展日趨完善。本文將結(jié)合近幾十年來 AUV的發(fā)展?fàn)顩r，基于AUV的常用的布放方法，探討幾種應(yīng)急情況下AUV遠距離的布放方法。

AUV的常用布放方式大致可以分為母船布放方式和潛艇布放方式。母船布放方法在國內(nèi)外研究較多，技術(shù)相對成熟，可靠性高；存在的缺點是快速反應(yīng)性不夠，在應(yīng)急救援、搶險救災(zāi)、環(huán)境勘探、態(tài)勢偵查時反應(yīng)不夠迅速，信息獲取速度慢，決策者不能及時獲取所需要的信息。

本文主要研究在應(yīng)急條件下AUV遠距離的快速布放方法，其目的是為了在應(yīng)急條件下更好地發(fā)揮AUV的作用，為數(shù)據(jù)獲取、態(tài)勢掌控、輔助決策等提供支持。本文將主要探討火箭助飛布放、飛機空投布放、水下運載平臺布放、母船雷軌布放、無人水面艇布放等幾種方法，以及這幾種方法的主要特點和技術(shù)難點。

1 火箭助飛布放方法

當(dāng)前，火箭助飛魚雷技術(shù)的研究比較成熟?；鸺w魚雷[1]也稱反潛導(dǎo)彈，是 20世紀(jì) 50年代發(fā)展起來的一種攻擊核潛艇和常規(guī)潛艇的武器。如果將這種技術(shù)移植到AUV的使用上，可以研制出火箭助飛AUV，這將大大促進AUV的使用及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

1.1 布放方法及工作原理

火箭助飛AUV主要由作為工作部的AUV、作為運載體的導(dǎo)彈和分離組件、作為助推器的火箭發(fā)動機等組成?？梢杂伤媾炌Щ蛘邼撏Оl(fā)射，由火箭空中助飛到預(yù)定點，在降落傘的作用下穩(wěn)定減速后入水，并按照預(yù)先設(shè)定的程序進行水下作業(yè)。

AUV在發(fā)射前，可以選擇處于開機、入水后開機、定時開機等狀態(tài)形式。其入水時初始狀態(tài)參數(shù)可以從導(dǎo)彈獲取或者自身傳感器獲取。從導(dǎo)彈獲取時，需要由信號線從導(dǎo)彈引出到 AUV，這樣設(shè)計結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；AUV本身可以帶有GPS、北斗等定位裝置，以及慣導(dǎo)、水下DVL等設(shè)備，可以實時獲取或者推算當(dāng)前所在的位置信息。在 AUV入水工作后，為更精準(zhǔn)獲取當(dāng)前位置，可以定時浮至水面進行位置校準(zhǔn)，之后再執(zhí)行水下任務(wù)。

1.2 主要特點及技術(shù)難點

火箭助飛AUV應(yīng)具有以下特點：1）利用火箭作為助推器，使AUV水下工作前的大部分航程依靠火箭助推動力在空中完成，解決了遠距離的問題；2）具有全天候作業(yè)能力，受海況等影響?。?）具有快速反應(yīng)能力，使用突發(fā)性強，確定海域后可迅速發(fā)射；4）可全方位發(fā)射，與船舶的航向、航速無關(guān)。

火箭助飛AUV的研制主要有以下技術(shù)難點。

1）火箭助飛AUV總體方案。

火箭助飛AUV總體方案的研究涉及到水下機器人和導(dǎo)彈兩個行業(yè)，包括彈道式和飛航式火箭助飛AUV兩類。其中彈道式火箭助飛AUV速度高、航程遠；飛航式火箭助飛AUV可以根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)修正空中飛行彈道，導(dǎo)引精度高。如何利用現(xiàn)有的研究成果，全面分析彈道式和飛航式火箭助飛AUV的特點，綜合各方面的優(yōu)勢，制定出總體方案，是進行火箭助飛AUV研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2）AUV與導(dǎo)彈分離及接口技術(shù)。

火箭助飛AUV是利用導(dǎo)彈將輕型AUV運載到預(yù)定位置后，AUV與導(dǎo)彈分離。AUV與導(dǎo)彈分離后的運動狀態(tài)就是降落傘系統(tǒng)空中運動的初始條件。因此，AUV與導(dǎo)彈分離條件及分離過程直接影響著AUV的入水參數(shù)。此外，AUV與導(dǎo)彈分離條件和分離方式的設(shè)計關(guān)系到AUV與導(dǎo)彈能否安全分離及AUV所需承受的最大載荷，這直接影響著AUV的安全性。

3）空投附件。

空投附件包括空中穩(wěn)定裝置、AUV前端保護帽、螺旋槳制止器等。為了保證與導(dǎo)彈分離之后，AUV按預(yù)定的彈道穩(wěn)定減速飛行，并以符合要求的入水參數(shù)入水，必須配備空中穩(wěn)定裝置。AUV入水時，必須采取入水緩沖措施，確保AUV入水時的結(jié)構(gòu)尤其是頭部裝置不損壞。

2 飛機空投布放方法

空投AUV是飛機攜帶AUV到達預(yù)定海域進行空中布放，彌補了AUV航速低、航程短的缺點，且便于攜帶、投放簡便。AUV投放后經(jīng)空中彈道在目標(biāo)區(qū)域附近入水，由于入水點位置的隨機性，AUV投放存在入水散布的問題?？胀禔UV的入水散布誤差會影響其執(zhí)行水下任務(wù)，從而影響 AUV的工作效能。

2.1 布放方法及工作原理

空投AUV的飛機[2-5]可以是直升機、戰(zhàn)斗機，甚至是無人機，不同類型飛機的掛載方式也不同。直升機可以掛載在艙外或者空中吊著 AUV，戰(zhàn)斗機可以掛載在導(dǎo)彈的位置，無人機掛載位置要根據(jù)無人機自身的設(shè)計構(gòu)造來說。同時，AUV各種掛載方法需要經(jīng)過試驗驗證才能正常地投入使用。

這里以直升機為例進行說明，直升機空投AUV在空中必須打開降落傘，并且AUV的開傘充氣時間很短（一般小于0.1 s）。打開降落傘的目的是為了給AUV在下落過程中減速，使其接觸水面時沒有太高的速度，確保AUV入水后各項指標(biāo)正常，能夠正常開展水下作業(yè)。

降落傘[6]主要有有肋導(dǎo)向面?zhèn)恪o肋導(dǎo)向面?zhèn)?、十字形傘、平面圓形帶條傘、盤縫帶傘等幾種。降落傘的開傘方式有一級開傘和二級開傘?？刂平德鋫阕枇γ娣e的方法有傘衣底邊收口、串聯(lián)降落傘系統(tǒng)、多級傘繩收口等方法。AUV具體選用哪種傘型、開傘方式及控制阻力面積的方法，需要根據(jù)AUV的實際情況確定。

AUV入水后，通過本體的微正浮力以及系統(tǒng)自身的控制首先浮出水面，通過 GPS或者北斗信號獲取自己目前所在的位置信息。AUV根據(jù)自己目前所在的位置能夠自動規(guī)劃航路至執(zhí)行任務(wù)的起始點，到達執(zhí)行任務(wù)的起始點后自主開始水下作業(yè)。水下作業(yè)完成后，能夠按照預(yù)先設(shè)定的位置出水，發(fā)送目前所在的位置，等待回收作業(yè)。

2.2 主要特點及技術(shù)難點

飛機空投布放的主要特點：

1）反應(yīng)迅速，準(zhǔn)備時間短，能夠快速到達預(yù)定海域執(zhí)行水下作業(yè)，相比于水下航行至目標(biāo)海域能夠節(jié)省很多時間。

2）續(xù)航力強，水下作業(yè)可持續(xù)時間長。AUV空投布放一般是在陌生海域或者有爭議的海域作業(yè)，如果水下遠距離航行過去，勢必消耗AUV大量的電量，AUV的實際作業(yè)時間會大打折扣，其效用較低。

3）隱蔽性差，易受干擾。在AUV布放入水工作后，敵對勢力會千方百計地破壞我方的探測活動，如采用潛艇發(fā)射魚雷、投擲深水炸彈等干擾我方AUV正常作業(yè)。

飛機空投布放的主要技術(shù)難點：

1）掛載方式多樣，通用性不強，難度較大。AUV的樣式多種多樣，不同型號的掛載方式也不一樣，甚至?xí)绊懙斤w機的飛行安全，對飛機的性能要求較高。

2）飛機空投的降落傘需要特制，其形狀大小及安裝位置跟AUV的造型有關(guān)。安裝不恰當(dāng)?shù)奈恢脮笰UV在空投過程中位置出現(xiàn)較大的偏差，或者降落傘沒有起到應(yīng)有的效果，導(dǎo)致AUV入水時速度過快或入水角度不對。

3）AUV的運動過程及入水位置受直升機運動速度及投放高度的影響。在相同條件下，直升機投放速度越大、高度越高，造成的AUV入水點散布就越大。這些現(xiàn)象都將導(dǎo)致AUV入水位置的不確定性，進而影響其水下作業(yè)過程。

4）風(fēng)速向?qū)UV入水點有較大的影響。風(fēng)對AUV空中彈道的影響，將使其飛行方向和飛行距離產(chǎn)生偏差。橫風(fēng)主要影響AUV的飛行方向，縱風(fēng)則主要影響它的飛行距離。

3 水下運載平臺布放方法

水下運載平臺即水下運載器[7-9]，是一個水下高技術(shù)儀器設(shè)備的集成體。它除集成有水下運載器的推進、控制、動力電源、導(dǎo)航等儀器和設(shè)備外，還需根據(jù)應(yīng)用目的不同，配備聲、光、電等不同類型的探測儀器。這樣，水下運載器可以作為人類進行水下研究、觀測和作業(yè)的動態(tài)實驗室平臺，作為人類智能和各種感官、器官在水下的延伸，去完成人類肌體無法直接達到的各種水下環(huán)境的探索任務(wù)。

本節(jié)介紹的水下運載平臺，主要是用來運輸AUV的設(shè)備。在碼頭或者母船上將AUV裝載到水下運載平臺，水下運載平臺再按照預(yù)定的航向?qū)UV運送到目標(biāo)海域。在運送過程中，為了獲取更準(zhǔn)確的位置信息，中途可以上浮獲取 GPS或者北斗信號進行位置校準(zhǔn)。

3.1 布放方法及工作原理

水下運載平臺到達預(yù)定海域后，AUV要開機工作并且從水下運載平臺上釋放出來，其過程就是在水下運載平臺上裝載AUV的反過程。水下運載平臺通過釋放對AUV的束縛，AUV靠自身動力或者浮力離開水下運載平臺，或者水下運載平臺主動遠離AUV。在釋放AUV前，水下運載平臺可以給AUV初始位置信息；或者釋放AUV后，其主動上浮搜索信號，根據(jù)獲得的位置信息確定目前所在的位置。

AUV與水下運載平臺脫離后，水下運載平臺的投送任務(wù)已經(jīng)完成，接下來主要依靠 AUV自身的動力及導(dǎo)航設(shè)備進行工作。AUV作業(yè)完成后可以主動尋找水下運載平臺會合或者等待水下運載平臺前來會合。二者水下結(jié)合后，AUV不再動作，通過水下運載平臺將AUV運回碼頭或者母船附近。

3.2 主要特點及技術(shù)難點

水下運載平臺的主要特點：

1）航行隱蔽，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。水下運載平臺除進行位置校準(zhǔn)外全程在水下航行，在敵人未布放聲吶的情況下，很難發(fā)現(xiàn)其在水下的位置。

2）航行安全，受外部干擾較小。由于其在我方控制范圍內(nèi)開始布放，航行過程又在水下，敵方很難發(fā)現(xiàn)我方水下目標(biāo)去向。

3）探測距離遠，探測范圍廣。AUV在水下運載平臺布放前耗電量較小，主要耗電集中在水下運載平臺，所以到達探測區(qū)域后有充足的能源進行水下探測。

4）水下航行速度慢，獲取信息實時性較差。水下運載平臺將AUV運輸?shù)侥繕?biāo)海域所需的時間遠遠大于火箭助飛布放或者空投布放，信息比較滯后，影響我方實時掌握態(tài)勢信息，工作會有一定的被動性。

水下運載平臺的主要技術(shù)難點：

1）AUV控制技術(shù)[10]。AUV需要長時間裝載在水下運載平臺上進行航行，其位置會對水下運載平臺的機動性能有較大的影響。長時間攜帶 AUV將消耗其大量的能力，對其續(xù)航力有較大的影響。同時，為保證運載平臺在水下可靠航行，其浮力應(yīng)該能夠動態(tài)調(diào)節(jié)。

2）遠距離精確導(dǎo)航控制技術(shù)。水下運載平臺在遠距離航行時，主要依靠自身攜帶的慣導(dǎo)系統(tǒng)。最常見的慣導(dǎo)設(shè)備有加速度計、DVL，其在水下進行航位推算。但是，受海流不規(guī)則流動的影響，其航位推算會隨著時間產(chǎn)生較大的偏差。為糾正其在航行過程中的位置偏差，可以在航行一段時間或者距離后出水校準(zhǔn)位置，然后繼續(xù)航行，這將會增大其暴露的風(fēng)險。

3）大航程動力推進技術(shù)。水下運載平臺要想航行得遠，就必須有充足的能源。這就需要研發(fā)由直流電動機、無級變速裝置、高能電池和高效螺旋槳組成的動力推進系統(tǒng)。同時，其可靠性、安全性、防水性、低噪聲特性也要考慮進去。其設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

4）水下數(shù)據(jù)通信技術(shù)。水下運載平臺與岸基平臺的通信、水下運載平臺與碼頭的通信、水下運載平臺與AUV的通信主要是采用水聲通信技術(shù)。如何實現(xiàn)水聲高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是目前研究的重點，因為水聲通信受海域情況的影響比較大。

5）高效低功耗傳感器及數(shù)據(jù)采集技術(shù)。水下運載平臺在航行過程中為避免障礙物、與其它設(shè)備通信、數(shù)據(jù)采集等都要消耗大量的能量，研究低功耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)就是以盡可能少的能量獲取需要的數(shù)據(jù)。

4 母船雷軌布放方法

一般船舶上沒有雷軌，但是雷軌加裝比較簡單。水面艦船一般都有雷軌裝置，雷軌的好處是方便用來運輸魚雷、水雷等武器設(shè)備。水面艦船布放魚雷可以通過雷軌運輸?shù)桨l(fā)射位置，裝填到發(fā)射平臺后進行氣動發(fā)射。水雷一般可以通過雷軌直接運輸?shù)酱?，在合適的地點直接將水雷推到海水中。如果將水雷這種布放方法移植到AUV布放上，將大大提高AUV的快速反應(yīng)時間，而且不需要母船，在停車狀態(tài)下就可以進行布放。將其投放到預(yù)定目標(biāo)點后，可以快速進入水下作業(yè)狀態(tài)，減少了航行至目標(biāo)點的時間，節(jié)省了能源，提高了效率。

4.1 布放方法及工作原理

母船雷軌布放AUV的主要方法步驟：1）到達預(yù)定目標(biāo)點前，在母船上對AUV進行技術(shù)準(zhǔn)備，準(zhǔn)備完畢后將 AUV吊放到雷軌軌車上并固定AUV及雷軌。為保證AUV順利布放，母船船尾雷軌一般是向下傾斜的。2）準(zhǔn)備進行布放時，首先解除雷軌及AUV的限制，推動軌車向母船船尾移動至雷軌傾斜處。到達預(yù)定目標(biāo)點后，推動雷車沿雷軌向下滑動，AUV及雷車借助向下的慣性進入水中，在母船航行的同時可將雷車通過纜繩收回。

AUV入水后，其狀態(tài)一般是頭部向下傾斜的，利用自身的微正浮力和動力調(diào)整在水中的狀態(tài)。AUV首先獲取自身所在的位置和狀態(tài)信息，然后按照預(yù)先設(shè)定的航路執(zhí)行水下作業(yè)任務(wù)，作業(yè)完畢后在預(yù)定目標(biāo)點待命等待回收。

4.2 主要特點及技術(shù)難點

母船雷軌布放的主要特點：

1）操作簡單，技術(shù)準(zhǔn)備時間短。在母船航行至目標(biāo)海域的過程中可以進行技術(shù)準(zhǔn)備，到達預(yù)定區(qū)域后通過雷軌布放，只需較少的人員就可以完成。

2）安全系數(shù)高。船舶在航行狀態(tài)下通過雷軌布放，受海況影響比漂泊狀態(tài)下顯著減小。

3）布放時間短，效率高。傳統(tǒng)通過吊車進行水面布放時，需要母船調(diào)整航行然后停車漂泊。吊車在起吊過程中需要較多人員牽引繩子以保障 AUV的安全。因此，傳統(tǒng)布放方法消耗的時間較多。

母船雷軌布放的主要技術(shù)難點：

1）AUV的造型多種多樣，因此，需要根據(jù)每個型號的AUV定制特種的雷車，并且固定起來也比較麻煩。

2）AUV的布放過程中要避免磕碰。當(dāng) AUV體型較長、重量較大時，在推動雷車滑行入水的過程中，AUV可能會接近垂直入水，并且威脅到人員和母船推進器的安全。

3）沒有雷軌的母船需要加裝雷軌，這就會造成船體的改動，并影響船體的安全性，因此需要統(tǒng)籌考慮。

4）在航行過程中回收雷車具有較大的危險性，需要統(tǒng)籌考慮航向、航速、風(fēng)向、流速等多方面的因素。

5 無人水面艇布放方法

無人水面艇[11]（USV）是一種小型水面智能任務(wù)平臺，其研制過程涉及船舶設(shè)計、運動控制、數(shù)據(jù)融合、人工智能等多個專業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于USV的研究日趨成熟。本節(jié)研究的USV布放AUV方法，對于提高AUV快速作戰(zhàn)效能具有較強的現(xiàn)實意義。

5.1 布放方法及工作原理

USV布放AUV方法主要可以分為4種：

1）AUV裝載在USV艇內(nèi)。當(dāng)AUV布放時，首先解脫對AUV的束縛，USV通過減小浮力使本體下沉。AUV接觸水面后，USV向前航行，或者AUV向后退車，實現(xiàn)二者分離。分離后，USV通過增加浮力恢復(fù)正常狀態(tài)。

2）AUV裝載在USV的底部。解除對AUV的束縛后，AUV首先在重力作用下下沉。USV前進并帶動AUV上的重力模塊，與AUV分離。分離后AUV呈微正浮力狀態(tài)。

3）AUV固定在USV的舷側(cè)。解脫束縛后，在海流的作用下，二者可以自動分離，或者 USV主動航行，與AUV分離。

4）USV拖帶AUV。到達目標(biāo)海域后，USV通過發(fā)送指令使二者分離，AUV進入自主工作狀態(tài)。

USV與AUV分離前，AUV要完成啟機工作，檢測各項功能正常后才可以分離。二者分離后，AUV需要主動獲取當(dāng)前所在的位置信息和狀態(tài)信息，然后按照預(yù)先設(shè)定的程序自主執(zhí)行水下作業(yè)任務(wù)。作業(yè)完畢后，USV與AUV會合，二者結(jié)合后，返回預(yù)先設(shè)定的區(qū)域待命。

5.2 主要特點及技術(shù)難點

USV布放的主要特點：

1）無人參與。USV與AUV從航渡、開始執(zhí)行作業(yè)任務(wù)到返回，全過程都靠預(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)，控制人員可以通過無線電、北斗、GPS等獲取目標(biāo)狀態(tài)及位置信息。

2）成本低，可重復(fù)性好。USV由于體積小，消耗的燃油等物資遠遠少于大型船舶，同時也不易被敵方發(fā)現(xiàn)。

3）航速快，效率高。USV的航速可達到30 kn以上，可以迅速完成部署并執(zhí)行任務(wù)。

USV布放的主要技術(shù)難點：

1）受海況影響較大。USV由于體積小，重量輕，在風(fēng)浪較大的情況下無法執(zhí)行任務(wù)，具有一定的局限性。

2）USV攜載或者拖曳AUV，對本身的機動性能和浮態(tài)具有一定的影響，需要進行綜合分析考慮。

3）USV本身的導(dǎo)航精度會存在一定的偏差，航行位置需要定期進行校準(zhǔn)，面對風(fēng)和海流的自我控制能力不是很強，續(xù)航力也只有幾百海里。

4）USV回收 AUV，在沒有人員參與的情況下，具有較大的難度，需要二者高度協(xié)同才可完成回收任務(wù)。

6 不同平臺遠距離快速布放的注意事項

在火箭助飛AUV布放過程中，由于AUV飛行速度較快，其內(nèi)部構(gòu)造要抗震，入水時要能夠抗沖擊，整體構(gòu)架要進行加固，這無疑增加了 AUV的重量；飛機布放AUV時，其布放主要是要做好抗沖擊，在入水時其頭部會受到較大的沖擊力，需要特別加固；使用水下運載平臺進行布放時，要克服在水里長期浸泡的影響，防止電器元件老化或者銹蝕引發(fā)的系統(tǒng)故障；進行母船雷軌布放時，其入水頭部也要做好抗沖擊措施；使用USV進行布放時，AUV也要做好加固措施，防止因遠距離航行顛簸引起系統(tǒng)故障。

AUV的尺寸也會對布放有較大的影響。AUV重量較大時，在進行火箭助飛布放或空投布放的時候，其所需要加固的部位也就越多，火箭助飛所需要的燃料越多，降落過程中需要的降落傘越大；水下運載平臺布放的機動性能也將受到影響，母船雷軌布放的操作也比較麻煩，無人艇的機動性能及浮態(tài)也會受到較大影響。從中可以看出，隨著 AUV重量的增加，布放難度系數(shù)都將加大。

與傳統(tǒng)的布放方式相比，這幾種布放方式的研究還不是很充分。如何加固AUV、加固強度多少、受沖擊的大小還缺乏定性分析和定量計算的數(shù)據(jù)，需要進行建模仿真計算和實際投放檢驗。

在使用這幾種快速布放方式進行 AUV布放的同時，其海上回收問題也需要進行認真的考慮。在爭議海域如何安全回收是一個比較麻煩的問題，有2種解決辦法：1）預(yù)留足夠的電量，執(zhí)行完任務(wù)后航行至無爭議區(qū)域等待回收；2）預(yù)留電量不足的情況下，在無爭議區(qū)域釋放水下運載平臺，通過水下運載平臺與AUV對接，將其運載或者拖曳至安全區(qū)域進行回收。在進行 AUV回收時，同時要考慮的問題是這種非常規(guī)的布放方式會對AUV的結(jié)構(gòu)有較大影響，在回收時會增加相應(yīng)的回收困難。

7 結(jié)束語

本文研究的在應(yīng)急條件下AUV遠距離非常規(guī)布放方法，可操作性強，應(yīng)用前景廣闊。使用過程中要考慮其主要特點、技術(shù)難點以及應(yīng)該注意的事項。在實際使用時，具體選用哪種非常規(guī)布放方式還與所處的環(huán)境有關(guān)。同時，后續(xù)還有很多工作要做，相關(guān)的理論研究和實踐數(shù)據(jù)積累需要不斷地進行仿真和試驗獲取才能逐步完善。