国内外无人水面艇USV发展现状调研及启示-战略研究

国内外无人水面艇（USV）发展现状调研及启示陈嵩辉李应选江良科技委摘要：近些年，无人平台（无人机、无人陆地车、无人潜航器和无人水面艇等）在军事领域和民用领域都起到了越来越重要的作用。相比其它无人平台技术与应用的迅速发展，无人水面艇起步较晚，不过其发展速度较快，尤其目前越来越受到全球海上强国的高度重视。我国无人水面艇虽然起步较晚，但是发展较快。本报告是院科技委通过对无人水面艇的国内外发展情况进行详实的跟踪记录，基于对无人水面艇的国内外研制和产品现状情况的调研，结合当前国内外无人水面艇的市场需求情况，经过整理和分析研究，对无人水面艇的未来市场发展前景进行了科学预测，从目前国内外市场的需求以及院长期发展角度，尤其针对我院从单机产品向系统级产品拓展的战略目标，提出了发展建议，以供参考。一、无人水面艇（USV）概述1.1基本概念无人水面艇（UnmannedSurfaceVessel，简称USV），是一种无人操作的水面舰艇，主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务，一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务，比如，侦察、搜索、探测和排雷；搜救、导航和水文地理勘察；反潜作战、反特种作战以及巡逻、打击海盗、反恐攻击等。图1无人水面艇（USV）与其他无人装备相比，无人水面艇的发展相对滞后，但自主程度在不断提升。自主程度是衡量无人系统先进性的核心指标。无人水面艇按自主程度可分为遥控型、半自主型和全自主型三类。由于全自主控制方式对智能化程度要求较高，实现极为困难，尚处于研究探索阶段。目前，各国无人水面艇多采用半自主型。但是，从国外已服役或在研的无人水面艇主要型谱看，全自主型无人水面艇是未来无人水面艇的发展目标。1.2发展历史回顾无人水面艇的发展历史最早可以追溯到1898年，当时著名发明家尼古拉·特拉斯发明了名为“无线机器人”的遥控艇。首次应用于实战则在二战时期，最初设计成鱼雷状用以清除碎浪带的水雷和障碍物。二战后期美国海军还曾通过在小型登陆艇上加装无线电控制的操舵装置和扫雷火箭弹，用于浅海雷区作业。二战结束后，无人水面艇得到了进一步的发展，主要用于扫雷和战场损伤评估（BDA）等任务。随着信息技术、自动控制技术、导航技术及材料科学等方面的进步，无人水面艇技术也得到了新的发展，截止目前，已有十几个国家研制、部署了无人水面艇，见表1。表1无人水面艇发展的里程碑序号时间研究成果国家11898年遥控无人艇（世界上第一艘水面无人艇）美国220世纪60年代遥控扫雷艇美国320世纪60年代小型遥控式无人水面艇俄罗斯420世纪70～80年代由于技术的限制，无人水面艇发展并未获得很大突破，主要应用于军事演习和火炮射击的海上靶标。520世纪90年代遥控猎雷作战样机美国62003年“斯巴达侦察兵”无人艇美国72005年“黄貂鱼”无人水面艇以色列82006年“保护者”无人艇以色列92010年“水虎鱼”无人艇美国102013年大型无人艇，连续自主运行48小时新加坡112014年无人艇具有保护本方舰艇的能力，并可以“蜂群战术”发起自主攻击美国二、无人水面艇国内外发展概况无人水面艇是一种具有自主规划、自主航行能力，并能自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台，可承担情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察、反恐、中继通信等任务。目前，许多国家的海军正积极地开始部署无人驾驶水面航行器，开展无人水面艇研制的国家和地区主要包括美国、以色列、欧洲、日本等，但仅有美国、以色列的部分型号装备了部队，见图2。各国正在竞相发展集反水雷战、反潜战、电子战等能力于一体的多功能无人水面艇。国内对无人艇的研究虽然起步较晚，但是发展较快，逐渐从概念设计阶段过渡到实际应用阶段，不过与国外相比还是有较大的差距。图2主要生产无人水面艇（USV）的国家分布2.1国外概况鉴于各种作战需要，尤其是反恐作战的需要，各国海军加大了对于无人水面艇的研发力度，并且随着无人水面艇中的制导技术和控制技术取得了进步，迎来了高速发展阶段，目前国外研制无人水面艇的主要机构包括美国的诺斯罗普·格鲁曼公司、雷声公司、洛克希德·马丁公司、达信防务系统公司、Meggitt防务系统公司、LiquidRobotics公司、SeaRoboticsCorporation、美国海军研究所和以色列的拉斐尔公司、埃尔比特系统公司、航空航天工业公司、航空防御系统公司、航空防务系统公司，以及英国的奎奈蒂克公司等等。2.1.1美国USV研制成果美国是全球海军实力最强大的国家，USV发展一直受到美国海军的关注，其发展思路和顶层规划十分明确和清晰，在相关研发方面居世界领先地位。21世纪初，美国海军在《21世纪海上力量—海军设想》中提出，在2015年前将新型无人平台引入05101520253035主要生产无人水面艇的国家无人水面艇数量未来网络化作战体系中。2007年7月，美国海军首次发布《海军无人水面艇主计划》，设定了无人水面艇的7项使命任务—反水雷战、反潜战、海上安全、反舰战、支持特种部队作战、电子战、支持海上封锁行动，为美国工业界、学术界和国际合作伙伴指明了未来无人水面艇的发展重点及技术攻关方向。此后，美国军方开始统筹各军种无人系统发展，并统一发布《无人系统路线图》，对无人水面艇的作战需求、关键技术领域以及与其他无人系统之间的互联互通性进行了总体规划。其中，2013年12月发布的最新版《无人系统路线图》对无人水面艇未来5年（近期）、10年（中期）、25年（远期）的技术发展重点和能力需求做出了更细致的说明：无人水面艇近期的技术发展重点将围绕增强型动力系统、通信系统和传感器系统等方面，中远期则将重点开发高效自主系统、障碍规避算法以及安全架构等；无人水面艇近期的能力需求是提高在本地受控区域执行特定任务的自主性并提高联网能力，中期将扩展行动范围并增加任务类型，远期则实现在全球自主执行任务。《无人系统路线图》提出无人水面艇面临的技术挑战主要包括海上持久能力、恶劣环境中的生存能力等。同时还指出，为将无人系统潜能最大化，未来各类无人系统必须实现无缝互操作技术。在过去几年间，美国海军对开发无人水面艇的投资已超过5亿美元，现已有多种型号在研制、实验和评估之中，见表2。表2美国的无人水面艇成果名称控制方式性能任务最大载荷厂商/机构海上猫头鹰遥控航速45节；续航能力10小时（12节航速）和24小时（5节航速）；雷区侦察、浅海监视、海上拦截和保护港口码头周边的安全。200千克美国研究所于90年代牵头开发，是美国海军开发无人水面艇的首次尝试。斯巴达侦察兵遥控或半自动航速28节（海情为3级以下，最大航速50节）；续航能力8小时（最大48小时）；航程150海里（最大1000海里）对情报、监视和侦察、舰队保护、精确打击、反潜1350-2300千克美国海军国防项目，其先期技术概念演示项目于2002年启动幽灵卫士遥控或自动航速40节以上；最大功率为266马力海上警戒和防护-美国机器人船舶公司水虎鱼遥控或自动航速40节以上；最大功率为200马力海军的水面靶标-美国Meggitt防务公司无人远程猎雷霆遥控航速10节以上；最大航程700米；续航能力20-40小时；深度达深水30英尺以下；对水雷（尤其是锚雷和沉底雷）进行快速侦察、探测、分类、识别并准确定位；反潜探索；水面监视；沿海情报侦察与收集-洛克希德·马丁公司于90年代提出三体船型无人水面艇遥控航速35节；情报监视、侦察搜索和水雷对抗--蓝色骑士遥控或自主航速50节（可在3级海况下正常工作）；攻击作战排水量129吨采用了全模块化设计结构，可根据战场需要更换不同的武器和传感器海猎号遥控船长40米深入追踪敌人潜水艇-美国国防部高级研究计划局（DARPA）2.1.2以色列USV研制成果以色列也非常重视无人水面艇的研制，近年来先后推出了多种型号的无人水面艇，见表2。基于以色列拥有丰富的无人机研制技术，通过将无人机技术应用于无人水面艇的研发，使其具有独特的竞争优势。以色列的无人水面艇的研制种类仅次于美国，研制水平处于世界先进行列，而且少数无人水面艇也成功出口海外。表2以色列的无人水面艇成果型号控制方式性能任务最大载荷厂商/机构保护者遥控或自主航速达40节；排水量4吨；海上兵力保护；情报监视和侦察；反水雷战；电子战；精确打击；反恐1000千克拉斐尔公司和航空防务系统公司于2003年联合研制海星遥控航速45节；续航300海里；港口/战略设施保护；海岸巡逻；舰船和石油钻机保护；ISR任务；目标标示；干扰和诱饵；兵力保护和延伸光电磁场2500千克以色列航空航天工业公司黄貂鱼遥控航速40节；续航能力8小时近岸情报侦察与监视；电子战和电子侦察150千克以色列埃尔比特系统公司独资研制银色马林鱼自主或遥控最大航速45节；最大航程500海里；续航时间24小时ISR任务；兵力保护/反恐；反舰和反水雷；搜索与救援；港口和水道巡逻；电子战2500千克以色列埃尔比特系统公司开发，是第二代无人水面艇“KATANA”的新一代无人水面艇自动或遥控-保护专属经济区、海上边界、港口安全、离岸天然气钻井平台和管道；浅水巡逻和电子战远近目标进行辨识、追踪和分类；提供实时情报图像，并根据指令对目标发动进攻等-“KATANA”是以色列航空航天工业公司生产的无人水面艇家族的最新成员2.1.3其他国家的USV美国、以色列发展的USV主要是服务于国家，而其他国家发展的USV更多服务于民用领域，比如航运、航道测量、海洋环境保护等，包括英国、法国、德国、意大利、瑞典、新加坡等国家也积极开展无人水面艇的研制工作，见表3。表3其他国家的无人水面艇成果型号主要载荷国家厂商/机构备注快速机动扫雷-英国奎奈蒂克公司2008年完成演示艇生产；2009年开始测试哨兵微波控制链、昼夜高分辨率照相机、声纳、雷达、可选的光电传感器、化学传感器和环境传感器已经海试海上系列快速靶标前视摄像机、麦克风/扩音器、GPS导航装置英国自主水面艇公司2008年-2009年英国海军在公海对该类靶标艇进行了测验萨普尔GPS导航系统、音频（目前是甚高频）、视频通信系统加拿大加拿大国际潜艇工程公司2001年已开始相关测试工作ART-STER无人靶标艇导航摄像机、侧扫声纳、回音探测器、磁力计法国法国ECA公司法海军预计采购超过6艘InspectorK-Ster灭雷器、侧扫声纳、前视/障碍规避声纳、多波段回声探测仪、磁力计法国ECA公司2006年12月向海军交付7艘，用于测试莱茵曼陀卫星、雷达、光电等传感器德国德国莱茵曼陀防务公司2009年进行了一系列海试U-RANDER可见光/红外照相机、指南针、惯性传感器、GPS、前视/侧扫声纳意大利意大利CalzoniS.r.l.公司曾在“北约港口保护试验-2008”展出SAM3电磁信号效应器、电力/液压驱动声信号效应器和电信号效应器瑞典考库姆AB公司2008年8月进行了综合测试金星部队保护模块：雷达、光电传感器、小口径遥控武器；反潜战：主动式吊放声纳；水雷战：合成孔径雷达、一次性水雷失效装置；电子战、海上监视和精确火力：电子战系统、近程导弹系统新加坡新加坡电子技术公司与法国联合研制2010年在新加坡航展上展出；2011年完成于Hitrole海军型遥控武器站的集成2.2国内概况目前，我国也紧随日本、英国、德国等国家加入无人水面艇开发研制行列。在无人水面艇的研发和应用领域，国内虽然起步较晚，但发展很快，目前已从最初的概念设计阶段逐渐过渡到实际运用阶段。我国现在自主研发无人水面艇的单位包括高等院校、科研院所和相关企业，比如哈尔滨工程大学、上海大学、上海海事大学、大连海事大学，中科院沈阳自动化研究所以及沈阳航天新光公司、珠海云洲智能科技有限公司等等，已成功应用的几种无人水面艇见表4，在海洋开发建设、水上工程应用等领域有广泛的应用前景。表4我国无人水面艇的研制成果型号控制方式性能任务厂商/机构天象1号自主或遥控航程达数百公里；一次连续作业20天左右应对海洋突发事件和在海洋、大型湖泊等方面的环境监测以及灾害预警等“天象1号”是沈阳航天新