UUV现状报告

浅谈UUV设备的发展现状1.引言海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的要道，也是兵戎相见的战场。21世纪人类将面临人口膨胀和生存空间有限的矛盾，陆地资源枯竭和社会生产需要增长的矛盾，以及生态环境恶化和人类发展的矛盾这三大挑战。占地球表面积7l％的海洋，是一个富饶而远未得到充分开发的宝库。人类要维持自身的生存、繁衍和发展，就必须充分利用海洋资源，这也是人类无法回避的必然选择。对人均资源不丰的我国来说，海洋开发更具有特殊的意义[1,2]。我国拥有32000km的海岸线和300×104k㎡以上的蓝色国土，蓝色国土约为我国陆地国土面积的三分之一，在这辽阔的海域内蕴藏的极其丰富的资源，仅以油气资源为例：已探明的石油储量达(150～200)×108t，天然气储量63000×108m3。这些资源是中华民族未来赖以生存和发展的物质基础。认识海洋、开发海洋需要各种高技术手段，发展这些手段是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展的伟大目标所必不可少的。作为探索海洋空间的最重要手段之一的水下机器人技术应运而生。2.UUV的研究动态与水平无人水下航行器(UnmannedUnderseaVehicle,UUV)的研究工作开始于20世纪中期。美国上世纪60年代研制的遥控水下航行器(RemoteOperatedVehicles,ROV)就参与了打捞沉入地中海870m海底处的氢弹事件。1974年美国使用“探险者”号UUV参与打捞了沉没在夏威夷海域的苏联潜艇。进入21世纪以来，世界上已有10多个国家的1000余艘各种用途的UUV投入到军用或民用的领域。由于AUV在军事和科学研究方面的重要性，在过去的十年中，全世界大约有60个AUV研制计划，并建造了大约200个AUV(大部分为实验用)[3]，但是随着技术的成熟和近海工业发展的需要，商业用途的AUV也开始出现，并且在不断地发展和壮大。由于UUV在军事方面应用的重要性，各国都在不断地研究各种先进的UUV来增强国防实力，它在军事方面的应用主要包括水下搜索、监视、侦察、猎雷、作战海洋学、通信、导航、反潜作战等。美国应用在军事上UUV的数量在不断增多，国内有众多的研究机构如WHOI、MBARI、MIT等，研制了大量的UUV其中包括“短期水雷侦察系统”(Near—TermMineReconnaissance，NMRS)、“长期水雷侦察系统”(Long—TermMineReconnaissanceSystem，LMRS)和REMUS等，研究的范围从超小型的SHARV到DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)的大型的无人水下潜器(UmannedUnderwaterVehicle，UUV)。挪威国防研究机构(FFI)在1990年早期制定了一个连续长期的军用AUV发展计划，它所开发的UUV主要有HUGIN系列如HUGINI、HUGIN3000、HUGIN1000和HUGlNMRS等，挪威皇家海军(RNoN)已经用其进行了多次的猎雷演示实验[4]。法国、俄罗斯等国家也在军用UUV方面做了大量的研究工作。目前UUV已经从研究和开发的阶段，通过操作演示进入到商业开始介入的时期，UUV正处于商业可接受曲线的顶点。众多的调查显示UUV有着巨大的市场需求，包括近海工程、军方和学术界。目前世界上已经有许多的公司和研究机构生产销售商业用途的UUV，其中有MaridanA/S(丹麦)，KongsbergSimrad(挪威)，Bluefin机器人公司(英国)，ISE研究有限公司(加拿大)等，像KongsbergSimrad已经出售给NUIAS公司一艘HUGINI，出售给C&C技术有限公司和ASGeocousult各一个HUGIN3000UUV。同时已有许多的公司拥有商业用途的UUV，并且这些AUV在商业应用也中发挥了重要的作用，例如到目前为止C＆C技术有限公司的AUV在全球范围内已经进行了超过60000km的海底调查，Kokusai海洋工程公司所的AQUAEXPLORER2成功地对台湾海峡内超过400km的埋地电缆进行了检查[5]。2.1UUV简介无人水下航行器(UmannedUnderseaVehicle，UUV)作为一种海上力量倍增器，有着广泛而重要的军事用途，在未来海战中有不可替代的作用。随着UUV及相关技术的发展，UUV已经被用于执行扫雷、侦察、情报搜集及海洋探测等任务，在未来海战中还可能作为水下武器平台、后勤支持平台等装备使用。UUV主要分为遥控水下航行器(RemotelyOperatedVehicle，ROV)和自主式水下航行器(AutorlomouUnderwaterVehicle，AUV)两类。ROV后面拖带电缆或光缆，由人员控制进行工作。ROV的研制开始于20世纪50年代，70—80年代已经发展得相当成熟。随着微电子、计算机、人工智能、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的发展，AUV脱颖而出，目前正处在蓬勃发展阶段。AUV自带能源，采用自治控制方式，灵活自如，可广泛应用于侦察监视、情报收集、跟踪、预警、通信中继、水下攻击等各方面[6]。AUV是水下机器人中的一种，它是无缆式水下机器人，习惯上把它称为自主式水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)。AUV自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成所赋予的使命，可以分为智能式和预编程式两种。．AUV的研究始于20世纪60年代早期，随着Rebikoff的SEASPOOK和美国华盛顿大学SPURV(Self—PropelledUnderwaterResearchVehicle)的研制成功，标志着AUV时代的开始，紧接着出现了众多的AUV如：前苏联的SKAT；日本的0SR—V；美国海军的EAVEWest、RUMIC和UFSS；美国新罕布什尔州大学的EAVEEAST；法国的EPAULARD。但很不幸的是，早期大部分的AUV不是太大、效率低或造价太高就是这3个缺点的一个组合，同时由于有缆遥控水下机器人(RemotelyOperatedVehicle，ROV)其技术要求相对简单使其在20世纪80年早期已经成熟，此时AUV技术还基本处于它的幼年时期。ROV具有一个大脑(人类操作员)连接着一个长的神经系统(脐带)和结实肌肉(液压源)的特点，而AUV则需要自己带有脑和动力源，因此过去的几十年内AUV不是昂贵的军事系统就是低造价的学术研究工具。随着计算机技术、能源和其他相关技术的快速发展，上述问题已经基本得到解决，在20世纪90年代，AUV技术已经开始走向成熟，成为能够完成指定任务的可操作系统[7]。2.2UUV国外发展现状进入21世纪以来，世界上已有10多个国家的1000余艘各种用途的UUV投入到军用或民用的领域。这里先简要介绍美国、法国和日本等国UUV技术的发展状况。美国于上世纪90年代就制定了发展UUV的全面科技计划，提出了近期水雷侦察系统(Near-termMineReconnaissanceSystem,NMRS)和远期水雷侦察系统(Long-termMineReconnaissanceSystem,LMRS)等研制计划，其中NMRS于1998年就作为攻击型核潜艇的制式装备正式服役。该计划中的UUV是一种直径为533mm、由鱼雷管向外发射和回收的装备。其上安装有前视声纳、旁扫声纳、寻的和对接声纳等专用声纳，在浅水和深水中均能工作，航速达4~7kn，任务持续时间为4~5h，控制光缆长达56km，这实际上是一种ROV，是由母船遥控的水下航行器。美国于2002年提出了“21世纪海上力量”的新战略，这是美国海军战略转型的新构想，实际上是海军从原来的深海作战转向适应浅海和近岸作战的战略转变。2004年11月，美国国防部发布了“发展UUV计划”的新要求，明确要发展全自主工作的UUV，并且规定了要发展的UUV的级别、任务和优先级等。美国海军计划要在2030年前组建一支有大约2000艘不同级别UUV的部队，主要使用在浅海、近岸处的对敌情报搜集和侦察监视，进行反潜战和反水雷战，满足近海和港口等地的国土防卫和反恐需要等。图1为美国海军全自主UUV构想图[8]。图1美国海军全自主UUV构想图法国在反水雷战领域一向具有先进技术。2008年年末，法国海军武器装备总署要求用创新技术的UUV来替代舰队的13艘扫雷艇，因为这些艇的运行成本可能比潜艇还要高。DCNS公司获得了对这些扫雷艇进行技术改造的合同，TUS公司从DCNS处承担了反水雷系统和UUV的设计任务，研究计划将于2010年7月完成。TUS采用的核心技术是使用自主式的UUV，可使其与母船分离，因此母船不再需要特殊设计的扫雷艇，成本可大大降低。而这种新一代灭雷用的UUV与10年之前设计使用的ROV灭雷相比又上了一个新台阶。这是一种真正的无人扫雷技术。图2为DCNS公司研制的UUV示意图。图2DCNS公司的UUV日本，已为发展UUV技术进行了相应的投资，主要的研究领域包括：高性能电池、无污染的推进系统、高效的热机技术、高数据率水声通信技术、低成本的地形匹配和精密导航技术、低噪声和低电磁的传感器技术、涂层隐身技术、控制UUV的人工智能、神经网络和模糊逻辑等技术、高可靠性和低维护技术等。图3和图4分别是东京大学研制的Twin-Burger2号水下机器人和PTEOROA25号水下机器人。图3东京大学的Twin-Burger2号水下机器人图4日本东京大学PTEOROA25号水下机器人美国海军UUV总体规划(2004年)中提出的UUV的主要功能包括：(1)对敌方进行情报搜集、侦察和监视其要地，这是现阶段的重要任务。(2)部署能够发现和摧毁对方的水雷区，这是近期发展的重点。(3)执行反潜作战任务，不仅要能发现、跟踪和攻击敌方潜艇，还要能进入敌方潜艇(或舰艇)基地发动毁灭性打击。(4)作为水下运载工具，运送特种部队所需的装备，在特定水域布放自动监视器和水雷、炸弹等。当然还可执行反恐和国土防卫任务，承担通信导航任务，参与电子战，完成干扰敌军通信网络和作为诱饵诱骗敌方潜艇等。图5[3]和图6[5]分别为美国海军的UUV任务规划图和多个水下航行器的反水雷水声通信网络概念图。图5UUV任务规划图图6多水下航行器的反水雷水声通信网络概念图为了完成上述多方面的海上作战任务，美军提出了发展四种不同级别的UUV，这四种UUV示意图如图7所示。图7美国规划的四种UUV示意图(1)小型便携式UUV，其尺寸(直径)仅在70mm到230mm之间，重量在45kg以下，可以从潜艇的各种小型发射管中发射出来，例如从声纳浮标和水声对抗器材的发射管中发射出来。其航程仅在10海里左右，作业时间在10~20h范围。这类UUV可执行的任务有：情报、监视和侦察，浅水域反水雷、监视和灭雷，一次性通信/导航网络的节点。(2)轻型UUV，其直径为324mm，可利用现役轻型鱼雷装具实现发射和回收，连续工作时间可达到20~40h，主要完成港口的情报搜索、监视和侦察，对水雷区域的侦察，作为移动式通信/网络的节点，以及采集海洋信息等。(3)重型UUV，其直径达533mm，可利用现役潜艇鱼雷发射管发射，重量达到1000kg以上，低载荷下可连续工作40~80h，其任务包括战术性情报搜集、监视和侦察、反水雷、以及作为潜艇模拟器诱骗敌方鱼雷等。(4)大型UUV，直径在1m左右，排水量可达10t，在高载荷下还可工作100~300h。这种UUV适用于在大多数美国攻击型核潜艇上安装。其任务是持续的情报搜索、监视和侦察任务、特种作战和紧急攻击任务、水雷战及反潜战等。图8美国海军水下作战中心MANTA使用效果图2.2国内UUV发展现状UUV在国内的研究基本上围绕两个中心来进行，一是以中科院沈阳自动化所为核心，与中船重工集团702所、中科院声学所、哈尔滨工程大学等单位合作，先后研制出“探索者”号(1000m)水下航行器。在中国大洋矿产资源开发研究协会支持下，中科院沈阳自动化研究所与俄罗斯科学家合作研制开发CR—01型/CR—02型(6000m