无人水面艇

无人水面艇（unmanned surface vessel，简称USV），是一种智能化的小型水面平台,可以代替有人水面艇在特定水域完成一些烦琐的、复杂的甚至危险的任务。

1898年，发明家尼古拉·特斯拉发明了名为“无线机器人”的遥控艇。但直到二战期间，无人艇才被正式用于作战。德国海军研制的无人摩托艇FL-Boote装载大量炸药，可用无线电控制，对盟军舰艇实施自杀式攻击。受损的盟军也以其人之道还治其人之身。诺曼底登陆中，美国海军投入“豪猪”“长橇”等数种无人艇，装载大量炸药，炸毁德军布置在滩头的大量地雷、水雷等，完成了部分浅滩破障任务。随着二战的落幕，无人艇的发展进入低速运行阶段。很长一段时期，无人艇只被用于清除战争遗留水雷、战场损伤评估以及环境检测等任务。到了20世纪七八十年代，无人艇多用作军事演习中的海上靶标，如美国的“火鱼”靶船、苏联的1784型靶船等。此时的无人艇大多由电缆发送导航信号或依托母船进行无线控制，自主能力非常有限。

20世纪九十年代后期，微电子、信息技术快速发展，无人艇研发迎来新机遇。例如，声波和磁场扫描技术的应用，使无人艇具备海上监视和侦察能力；远程控制和探测技术的应用，奠定了无人艇遂行海域探索、目标搜救等任务的基础。由此，具有一定自主能力的无人艇开始出现，在有人舰艇难以作业的海域充当人类的眼睛和耳朵，并在反舰、反恐、舰艇防护等领域崭露头角。

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。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。

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。

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。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。

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。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。

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。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。

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。

在实际应用中,根据使命任务的不同,无人水面艇的结构和功能也不相同,一般包括以下六个方面:

船体一般可以分为单体船、双体船和三体沿等多种类型，这些不同的船体设计对应不同的无人水面艇应用,代表了一些基本的设计问题和无人水面艇的发展趋势。单体船因其便于安装和装载的设计而得到广泛应用。双体船和三体船具有更好的系统稳定性,降低了在危险水域倾覆的风险,同时提供了更大的有效载荷能力和冗余,因此应用较为广泛。

现有的大多数无人水面艇的航向和速度分别是由方向舵和螺旋桨(或喷泵)推进系统控制的,其他的(主要是双体无人水面艇)则是由船体上的两个独立推进器提供差动推力控制的。无人水面艇通常不配备额外的侧推机构,即可用执行器的数量少于无人水面艇的运动自由度,因此可以认为是是欠驱动的无人水面艇。全驱动的无人水面艇比欠驱动的无人水面艇更容易操作,但是全驱动系统的成本较高;欠驱动系统的成本较低,但控制较为复杂,这对无人水面艇控制的安安全性和精确度是重大挑战。

根据具体任务的不同,可选择摄像机、雷达、声呐以及其他类型的传感器,并与惯性测量单元和全球定位系统结合使用,完成特定任务。为了使无人水面艇保持良好的运行状态,提高其性能,通常还需配备状态监测和健康管理系统,如船体结构强度检测、舱室温/湿度监测、电子设备健康状态与能耗评估管理等,保证无人水面艇能在各种条件下有效运行。

自主航行系统是无人水面艇中最重要的组成部分,一般由船载计算机和软件以及相关设备组成,共同管理整个无人水面艇系统,实现自主功能,保证无人水面艇具有高度的自主性。

通信系统不仅包括与指控系统和其他船舶进行协同控制的无线通信,还包括艇载各种传感器、执行机构和其他设备的有线/无线通信,因此,通信系统的可靠性至关重要。

指控系统是无人水面艇使命任务的顶层决策与管理里部分,可以配置在岸基地面站、移动指控中心或海上母船。一般来说,使命任务是通过无线通信系统分配给无人水面艇的。无人水面艇及其艇载设备的实时状态都由指控系统监控,而对于远程操作的无人水面艇,控制命令也从指控系统发送。

无人水面艇的主要优势在于其可以无人自主航行,具有较强的适应能力和生存能力。基于相应的控制策略,无人水面艇能够实现现航向控制和航迹控制等运动控制任务。

无人水面艇质量小,体积小,对航道及港口的水深和拥挤程度要求较低,可以适应各种水域,应用范围较广。

无人水面艇可以通过搭配不同的功能模块来完成特定的任务。模块化的设计不仅可以保证无人水面艇的灵活性,还能够节约人力成本和物力成本。

与常规船舶相比,无人水面艇由于不需要安置操纵人员,因此艇型限制较少,不仅包括单体、双体和三体等艇型,也包括半潜和地勉效翼等艇型。

无人水面艇可以采用多种能源作为动力,这些能源包括燃油、电能风能、太阳能、波浪能等。

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。“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。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。

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。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。2023年11月29日，俄罗斯金吉谢普机械制造厂透露，该企业向俄罗斯国防部交付首批一共10艘无人艇，最快于年底之前在俄乌冲突区域经受实战的考验。这批GRK700维齐尔无人艇吃水很浅，隐身性能强，可以以每小时80公里的速度续航200多公里，可携带重达600公斤的炸弹。俄罗斯军方将可以在规定重量以内灵活选择艇上配备的武器，更重要的是，这批无人艇可以随时改造为“自杀式无人船”，金吉谢普机械制造厂为此已经进行了一段时间的测试。

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。在2023年拉斯佩齐亚SeaFuture展会上，意大利一家公司研制的SAND无人水面艇受到关注。该水面艇航速12节时可自主航行48小时，同年5月，该无人水面艇在增加新系统后进行了发射、回收无人潜艇器的测试，有望在未来遂行水雷战、反潜战任务，且还在增强协作自主任务能力。

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。

中国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。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。

无人艇图赏

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。

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。

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。

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。