自主式水下航行器水下生存力關鍵技術

侯海平，錢家昌，趙 楠，夏 璟

(1. 中國人民解放軍 91039 部隊，北京 102401；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

作為一種模塊化、標準化及擁有自主能力的無人水下平臺，自主式水下航行器（AUV）融合了能源、推進、信息處理、水下導航以及自動控制等技術，可攜帶多種傳感器和任務模塊，具有自主性、隱蔽性、環境適應性和可部署性等優點。AUV 在軍用領域發展迅速，被廣泛用于執行潛艇戰和反潛戰，反水雷戰，海洋偵察和監視及情報搜集，信息通信和目標攻擊等，極大拓展了水面和水下作戰空間[1]，是當今世界主要海軍國家重點發展的水下作戰裝備。

水下環境復雜多變，AUV 無人無纜工作，控制難度大。若在工作中出現事故，輕則造成任務失敗，重則失事丟失，造成重大損失。在復雜海洋環境中保障自身安全已成為AUV 研制和應用的一項重要指標[2]，保證并提高AUV 水下生存力是持續推進并加強水下戰斗力建設的重要環節，為實現上述目標，本文提出對AUV 水下生存力關鍵技術的分析。

1 AUV 水下生存力

AUV 發展呈現結構形式多元化、功能模塊多樣化、搭載系統集成化、民用領域商業化、軍用領域專業化、應用模式群體化等特點，被廣泛用于深海作業、跟蹤巡視、定點監測等。在軍事領域，AUV 通過攜帶多種傳感器和作戰模塊，執行武器海底發射、偵察、反潛、警戒、布雷、獵雷等任務[3–4]。

AUV 的研究與應用包括任務規劃、方案設計、樣機研制、布放回收等，是一個系統性工程，而水下生存力是貫穿AUV 生命周期的重要因素。AUV 生存力是指AUV 在敵方/我方危險區域執行任務過程中，對于人為威脅、自然危險的抵御和生存能力，主要體現在高自主能力、安全適應性、抗毀傷與自救能力等核心要素。美軍近期發布的系列報告表明，“生存力”是其在關鍵技術領域關注的重點之一。2019 年1 月4 日，美國蘭德公司應美海軍研究局要求，發布《推進自主系統發展——當前和未來海上無人平臺技術分析》報告，提出“認真評估復雜多任務平臺的戰場生存能力……”[5]。一項關于美國海軍水下無人航行器（UUV）總體規劃研究，確定了遠期發展和技術技資的方向，其中關于“自主性”中提到“將增加復雜/動態/戰術環境中設備的生存性和自適應控制……”[6]。美國海軍2021 財年啟動的CLAWS 項目中也提出開發并演示大型UUV 生存自主技術。

2 水下生存力影響因素

AUV 水下生存力影響因素按來源可分為內部因素和外部因素。內部因素主要指AUV 主要設備和內部工作環境等，外部因素主要指AUV 航行中海洋自然環境、人工障礙物和人為威脅等。

2.1 內部因素

作為復雜的水下系統，AUV 傳感器和機構可靠性對水下生存力起決定作用。AUV 執行水下任務會遇到各種故障和危險，對生存力有影響的內部因素按故障類型分為以下5 類[3]：

1）主要設備故障

包括電源系統、推進器系統、舵機系統、導航系統、傳感器系統等設備不正常工作情況.

2）通信故障

包括子控制系統間、子控制系統與通信設備間通信通道不通或通信異常情況。

3）艙室環境失常故障

包括艙室溫濕度異常，電子艙、電池艙進水、有煙霧等情況。

4）軸系環境失常故障

包括軸推力、扭矩、轉速、軸溫異常等情況。

5）位姿超限故障

包括深度、離底高度、縱傾角等姿態超限情況。

2.2 外部因素

根據形成條件不同，外部因素可分為自然環境因素和人工障礙因素。

1）自然環境因素

AUV 水下作業時受海流、海況和海底地形影響[7]，如浪流環境對內部儀器設備的震蕩沖擊、躍層導致的掉深超限等。

海流：海流廣泛存在且局部海區海流有不確定性，對AUV 影響非常大。AUV 在流速較大的海區航行時，容易失去控制。當AUV 航向與流向成一定角度時，在較大橫流作用下，會偏離預定航向，特別在狹窄航道航行或通過障礙物時，可能會發生航行碰撞。

海況：風浪較大時，波浪會拍打沖擊AUV，對推進器和尾軸造成損害，甚至加劇艇體傾斜，導致艇體失去橫穩性，對航行安全極為不利。此外，海況還對AUV 聲納的探測效能產生影響。

海底地形：對于水下鋪管、地形測繪等任務，AUV 需采用定高方式進行地形跟蹤航行。水下地形復雜多變，當AUV 進行地形跟蹤航行時，一些陡峭或坡度變化劇烈的地形，尤其起伏的珊瑚礁和暗礁會對其構成威脅。

2）人工障礙因素

AUV 的作業深度范圍從幾十米到幾千米不等，水層中有大量已知或未知人工障礙物[8]，對AUV 航行中能否安全躲避提出很高要求。水下障礙物可分為靜態障礙物和動態障礙物，其中靜態障礙物有廢棄漁網、沉船殘骸等，動態障礙物有水下漂浮物和其他水下航行器等，常常是突發和不可預知的。

3）人為威脅

AUV 執行水下隱蔽任務時，存在人為威脅因素。一是AUV 殼體具有一定聲反射特性，可能會被敵方主動聲吶搜索和探測到；二是AUV 自身噪聲比海洋背景噪聲高，可能會被聲吶偵察到；三是AUV 平臺若搭載了主動聲吶載荷，發射信號可能會被敵方聲吶探測到；四是AUV 在日常偵察或作戰應用時，可能會受到敵方水下武器攻擊。

3 提高生存力關鍵技術

針對生存力的影響因素，需要發展和實現AUV 生存力關鍵技術，按照技術類型主要分為高自主能力、安全適應性、抗毀傷與自救能力，生存力強的AUV 應滿足安全回收、可靠性強、通用性好的要求。生存力影響因素及關鍵技術對應關系如圖1 所示。

圖1 生存力影響因素及關鍵技術對應關系圖Fig. 1 Correspondence diagram of survivability influencing factors and key technologies

3.1 高自主能力

AUV 高自主能力包括高自主控制和精確導航的能力。

1）高自主控制技術

高自主控制技術涵蓋了對系統自身軟硬件平臺的智能控制以對外部環境信息反饋的智能控制等[9]，表現為可依據事先的規劃指令和作業過程中的應變指令進行最優自主控制，更重要的是其控制系統可根據自身對內外的感知信息，結合任務要求，自主對路徑、規避及目標等做出決策，形成最優行動方案。智能自主控制技術是使AUV 具有自主學習和記憶能力，能自主適應多變的海洋環境，PID 控制、模糊控制、神經網絡控制、自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及容錯控制等算法都己應用到AUV 的運動控制上。

2）精確導航技術

AUV 航行時存在隨時間不斷累積的誤差，對長航時影響很大[10]。AUV 導航性能評估與校正結果直接決定了長航時AUV 執行任務的成敗?？稍趹T性導航基礎上，用GPS 進行誤差修正來實現精確導航，該方法需要天線或上浮完成定位，隱蔽性差。也可采用聲波定位和水下環境地形輔助的聲學導航，但難度大。目前，美國考慮采用精確水下地形顯示導航系統，但只能針對特定區域。

3.2 安全適應性

航行安全是指AUV 航行時需要滿足不同水下工作環境考驗，保證其安全性，具體涉及環境適應技術、低特征性、可靠通信鏈、實時避障技術和續航技術等。

1）環境適應技術

針對海流、渦流、地形等潛在威脅，AUV 應具有環境自主調整適應能力[11]。

海流適應性：航路規劃中有效利用航行路線與海流構成夾角，實現任務效果與安全性的綜合最優。對于智能AUV，可通過掌握海流和潮流信息，利用海流對航行器本身的有利推力，綜合任務路徑規劃要求，自主整定航行控制參數，以節省自身攜帶能源的消耗。

海底地形適應性：對于采用定高方式進行地形跟蹤航行AUV，要求其自主控制垂直面深度，實現對海底地形的精確跟蹤，保證地形跟蹤航行安全性。

2）低特征性

低特征性主要指AUV 對于自身特征包括噪聲特征、磁特征、RCS 特征、尾流特征等的隱蔽能力。

低特征性使航行器既不易被敵方兵力發現，降低自身威脅，又可在敵方攻擊時，高效規避敵方精確打擊武器。仿生AUV 具有隱蔽性、突防性和欺騙性，將被用于各戰術領域。如美水下作戰中心主導開發“蝠鲼”無人艇外形與蝠鲼很像，不僅有強勁動力，且可搭載多種探測器，甚至是小型魚雷等進行自主攻擊。

3）可靠通信鏈

可靠通信鏈是指AUV 指控過程中通信鏈路抗攔截、防阻塞、反誘騙及信道加密等，是保證AUV 指揮控制、體系支援可行性的關鍵技術支撐，也是防止敵方開展信息攻擊進而實現反AUV 的主要保障。

4）實時避障技術

實時避障技術是指AUV 具備自主識別障礙物、評估當前碰撞危險度及決策避障路徑的能力，包括以下3 個方面[8,12]：

環境和目標感知識別：AUV 所處環境大多情況下是未知和不確定的，AUV 感知系統利用傳感器實時獲得的局部環境信息，對障礙物目標特征構建識別。

避障評估與規劃：AUV 依據當前地形復雜度、本體機動性和運動狀態，對障礙物的狀態估計預測，實時評估與障礙物碰撞的危險程度，并進行局部或全局路徑重規劃，自主決策當前避障行為動作。

實時避障智能控制：AUV 根據避障評估與規劃結果，進行實時行為決策，繞開動態礙航物，減少威脅。運動中，隨著動礙航物數量增加，運動的不確定性增加，避障難度也隨之增大。

5）續航技術

續航能力是決定AUV 作戰效能的關鍵因素，遠航程、長航時的AUV 才能滿足未來海上戰場的作戰需求[9]。

動力能源是AUV 動力系統及負載設備能否正常工作、性能提升和任務拓展的關鍵影響因素，電池是AUV 水下工作的唯一動力能源，大能量密度、長續航能力、安全可靠、能大潛深運行的電池技術是未來AUV 動力的發展方向。如俄羅斯正在發展重型AUV，燃料電池或核動力推進系統將允許AUV 航行超過一個月。國際上正在研究類似熱機系統等具有潛力的創新技術和新型能源，如發射性同位素電池等，具有壽命長、質量輕等優點[13]。

3.3 抗毀傷與自救能力

AUV 執行水下任務時易被敵方武器攻擊或出現各種故障?？箽?、強故障診斷與容錯控制以及自救能力能為保證AUV 水下生存力提供保障。

1）抗毀傷能力

抗毀傷能力是指航行器面臨敵方武器打擊時，通過合理的結構加強、冗余備份和防護裝甲，具備對于爆炸、沖擊、高溫等極端條件的抵抗能力，以降低航行器部件損毀，進而提高生存能力。

2）故障診斷與容錯控制技術

AUV 故障診斷與容錯控制技術可以及時對傳感器故障、推進系統故障和設備自身安全故障進行診斷，并進行容錯控制，減輕AUV 的故障損害，保證繼續水下作業。若故障未被及時檢測出，可能會帶來災難性后果。2005 年英國Autosub-2 號AUV 作業時可能因硬件故障導致電力供應中斷而丟失，2010 年美國伍茲霍爾海洋研究所（WJOI）ABE 號AUV 作業時可能因玻璃浮球內爆摧毀系統導致失聯丟失。因此，AUV 應具備實時狀態監測、自身故障診斷及檢測出故障后措施應對的能力。一些先進的人工智能方法和分布式應急處理策略已逐漸運用到故障診斷中[3,14–15]。

3）自主應急自救技術

系統故障診斷并進行容錯控制后，若仍無法保證AUV 的安全性，需進行自主應急自救。在操作人員無法干預情況下， AUV 主要通過安全拋載方式實現應急自救，安全自救系統在應急工況下通過產生正浮力自動上浮至水面，啟動通信定位系統達到自救目的。對于智能AUV 自救系統，當應急系統檢測出高優先級故障，立即將作業工況切換至應急工況，并根據故障優先級進行應急決策，輸出應急結論并執行應急智能自救處理[2]。AUV 自主應急自救系統向著小型化、集成化、多種方式冗余化等方向發展。

4 結 語

AUV 水下生存力事關水下作戰力量的發展，AUV的研發、裝備和體系化應用，必將顛覆傳統海戰模式。應大力發展無人水下平臺技術，提高其技術性能和作戰能力。