自主式水下航行器水下生存力关键技术

侯海平，钱家昌，赵 楠，夏 璟

(1. 中国人民解放军 91039 部队，北京 102401；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

作为一种模块化、标准化及拥有自主能力的无人水下平台，自主式水下航行器（AUV）融合了能源、推进、信息处理、水下导航以及自动控制等技术，可携带多种传感器和任务模块，具有自主性、隐蔽性、环境适应性和可部署性等优点。AUV 在军用领域发展迅速，被广泛用于执行潜艇战和反潜战，反水雷战，海洋侦察和监视及情报搜集，信息通信和目标攻击等，极大拓展了水面和水下作战空间[1]，是当今世界主要海军国家重点发展的水下作战装备。

水下环境复杂多变，AUV 无人无缆工作，控制难度大。若在工作中出现事故，轻则造成任务失败，重则失事丢失，造成重大损失。在复杂海洋环境中保障自身安全已成为AUV 研制和应用的一项重要指标[2]，保证并提高AUV 水下生存力是持续推进并加强水下战斗力建设的重要环节，为实现上述目标，本文提出对AUV 水下生存力关键技术的分析。

1 AUV 水下生存力

AUV 发展呈现结构形式多元化、功能模块多样化、搭载系统集成化、民用领域商业化、军用领域专业化、应用模式群体化等特点，被广泛用于深海作业、跟踪巡视、定点监测等。在军事领域，AUV 通过携带多种传感器和作战模块，执行武器海底发射、侦察、反潜、警戒、布雷、猎雷等任务[3–4]。

AUV 的研究与应用包括任务规划、方案设计、样机研制、布放回收等，是一个系统性工程，而水下生存力是贯穿AUV 生命周期的重要因素。AUV 生存力是指AUV 在敌方/我方危险区域执行任务过程中，对于人为威胁、自然危险的抵御和生存能力，主要体现在高自主能力、安全适应性、抗毁伤与自救能力等核心要素。美军近期发布的系列报告表明，“生存力”是其在关键技术领域关注的重点之一。2019 年1 月4 日，美国兰德公司应美海军研究局要求，发布《推进自主系统发展——当前和未来海上无人平台技术分析》报告，提出“认真评估复杂多任务平台的战场生存能力……”[5]。一项关于美国海军水下无人航行器（UUV）总体规划研究，确定了远期发展和技术技资的方向，其中关于“自主性”中提到“将增加复杂/动态/战术环境中设备的生存性和自适应控制……”[6]。美国海军2021 财年启动的CLAWS 项目中也提出开发并演示大型UUV 生存自主技术。

2 水下生存力影响因素

AUV 水下生存力影响因素按来源可分为内部因素和外部因素。内部因素主要指AUV 主要设备和内部工作环境等，外部因素主要指AUV 航行中海洋自然环境、人工障碍物和人为威胁等。

2.1 内部因素

作为复杂的水下系统，AUV 传感器和机构可靠性对水下生存力起决定作用。AUV 执行水下任务会遇到各种故障和危险，对生存力有影响的内部因素按故障类型分为以下5 类[3]：

1）主要设备故障

包括电源系统、推进器系统、舵机系统、导航系统、传感器系统等设备不正常工作情况.

2）通信故障

包括子控制系统间、子控制系统与通信设备间通信通道不通或通信异常情况。

3）舱室环境失常故障

包括舱室温湿度异常，电子舱、电池舱进水、有烟雾等情况。

4）轴系环境失常故障

包括轴推力、扭矩、转速、轴温异常等情况。

5）位姿超限故障

包括深度、离底高度、纵倾角等姿态超限情况。

2.2 外部因素

根据形成条件不同，外部因素可分为自然环境因素和人工障碍因素。

1）自然环境因素

AUV 水下作业时受海流、海况和海底地形影响[7]，如浪流环境对内部仪器设备的震荡冲击、跃层导致的掉深超限等。

海流：海流广泛存在且局部海区海流有不确定性，对AUV 影响非常大。AUV 在流速较大的海区航行时，容易失去控制。当AUV 航向与流向成一定角度时，在较大横流作用下，会偏离预定航向，特别在狭窄航道航行或通过障碍物时，可能会发生航行碰撞。

海况：风浪较大时，波浪会拍打冲击AUV，对推进器和尾轴造成损害，甚至加剧艇体倾斜，导致艇体失去横稳性，对航行安全极为不利。此外，海况还对AUV 声纳的探测效能产生影响。

海底地形：对于水下铺管、地形测绘等任务，AUV 需采用定高方式进行地形跟踪航行。水下地形复杂多变，当AUV 进行地形跟踪航行时，一些陡峭或坡度变化剧烈的地形，尤其起伏的珊瑚礁和暗礁会对其构成威胁。

2）人工障碍因素

AUV 的作业深度范围从几十米到几千米不等，水层中有大量已知或未知人工障碍物[8]，对AUV 航行中能否安全躲避提出很高要求。水下障碍物可分为静态障碍物和动态障碍物，其中静态障碍物有废弃渔网、沉船残骸等，动态障碍物有水下漂浮物和其他水下航行器等，常常是突发和不可预知的。

3）人为威胁

AUV 执行水下隐蔽任务时，存在人为威胁因素。一是AUV 壳体具有一定声反射特性，可能会被敌方主动声呐搜索和探测到；二是AUV 自身噪声比海洋背景噪声高，可能会被声呐侦察到；三是AUV 平台若搭载了主动声呐载荷，发射信号可能会被敌方声呐探测到；四是AUV 在日常侦察或作战应用时，可能会受到敌方水下武器攻击。

3 提高生存力关键技术

针对生存力的影响因素，需要发展和实现AUV 生存力关键技术，按照技术类型主要分为高自主能力、安全适应性、抗毁伤与自救能力，生存力强的AUV 应满足安全回收、可靠性强、通用性好的要求。生存力影响因素及关键技术对应关系如图1 所示。

图1 生存力影响因素及关键技术对应关系图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确导航的能力。

1）高自主控制技术

高自主控制技术涵盖了对系统自身软硬件平台的智能控制以对外部环境信息反馈的智能控制等[9]，表现为可依据事先的规划指令和作业过程中的应变指令进行最优自主控制，更重要的是其控制系统可根据自身对内外的感知信息，结合任务要求，自主对路径、规避及目标等做出决策，形成最优行动方案。智能自主控制技术是使AUV 具有自主学习和记忆能力，能自主适应多变的海洋环境，PID 控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及容错控制等算法都己应用到AUV 的运动控制上。

2）精确导航技术

AUV 航行时存在随时间不断累积的误差，对长航时影响很大[10]。AUV 导航性能评估与校正结果直接决定了长航时AUV 执行任务的成败。可在惯性导航基础上，用GPS 进行误差修正来实现精确导航，该方法需要天线或上浮完成定位，隐蔽性差。也可采用声波定位和水下环境地形辅助的声学导航，但难度大。目前，美国考虑采用精确水下地形显示导航系统，但只能针对特定区域。

3.2 安全适应性

航行安全是指AUV 航行时需要满足不同水下工作环境考验，保证其安全性，具体涉及环境适应技术、低特征性、可靠通信链、实时避障技术和续航技术等。

1）环境适应技术

针对海流、涡流、地形等潜在威胁，AUV 应具有环境自主调整适应能力[11]。

海流适应性：航路规划中有效利用航行路线与海流构成夹角，实现任务效果与安全性的综合最优。对于智能AUV，可通过掌握海流和潮流信息，利用海流对航行器本身的有利推力，综合任务路径规划要求，自主整定航行控制参数，以节省自身携带能源的消耗。

海底地形适应性：对于采用定高方式进行地形跟踪航行AUV，要求其自主控制垂直面深度，实现对海底地形的精确跟踪，保证地形跟踪航行安全性。

2）低特征性

低特征性主要指AUV 对于自身特征包括噪声特征、磁特征、RCS 特征、尾流特征等的隐蔽能力。

低特征性使航行器既不易被敌方兵力发现，降低自身威胁，又可在敌方攻击时，高效规避敌方精确打击武器。仿生AUV 具有隐蔽性、突防性和欺骗性，将被用于各战术领域。如美水下作战中心主导开发“蝠鲼”无人艇外形与蝠鲼很像，不仅有强劲动力，且可搭载多种探测器，甚至是小型鱼雷等进行自主攻击。

3）可靠通信链

可靠通信链是指AUV 指控过程中通信链路抗拦截、防阻塞、反诱骗及信道加密等，是保证AUV 指挥控制、体系支援可行性的关键技术支撑，也是防止敌方开展信息攻击进而实现反AUV 的主要保障。

4）实时避障技术

实时避障技术是指AUV 具备自主识别障碍物、评估当前碰撞危险度及决策避障路径的能力，包括以下3 个方面[8,12]：

环境和目标感知识别：AUV 所处环境大多情况下是未知和不确定的，AUV 感知系统利用传感器实时获得的局部环境信息，对障碍物目标特征构建识别。

避障评估与规划：AUV 依据当前地形复杂度、本体机动性和运动状态，对障碍物的状态估计预测，实时评估与障碍物碰撞的危险程度，并进行局部或全局路径重规划，自主决策当前避障行为动作。

实时避障智能控制：AUV 根据避障评估与规划结果，进行实时行为决策，绕开动态碍航物，减少威胁。运动中，随着动碍航物数量增加，运动的不确定性增加，避障难度也随之增大。

5）续航技术

续航能力是决定AUV 作战效能的关键因素，远航程、长航时的AUV 才能满足未来海上战场的作战需求[9]。

动力能源是AUV 动力系统及负载设备能否正常工作、性能提升和任务拓展的关键影响因素，电池是AUV 水下工作的唯一动力能源，大能量密度、长续航能力、安全可靠、能大潜深运行的电池技术是未来AUV 动力的发展方向。如俄罗斯正在发展重型AUV，燃料电池或核动力推进系统将允许AUV 航行超过一个月。国际上正在研究类似热机系统等具有潜力的创新技术和新型能源，如发射性同位素电池等，具有寿命长、质量轻等优点[13]。

3.3 抗毁伤与自救能力

AUV 执行水下任务时易被敌方武器攻击或出现各种故障。抗毁伤、强故障诊断与容错控制以及自救能力能为保证AUV 水下生存力提供保障。

1）抗毁伤能力

抗毁伤能力是指航行器面临敌方武器打击时，通过合理的结构加强、冗余备份和防护装甲，具备对于爆炸、冲击、高温等极端条件的抵抗能力，以降低航行器部件损毁，进而提高生存能力。

2）故障诊断与容错控制技术

AUV 故障诊断与容错控制技术可以及时对传感器故障、推进系统故障和设备自身安全故障进行诊断，并进行容错控制，减轻AUV 的故障损害，保证继续水下作业。若故障未被及时检测出，可能会带来灾难性后果。2005 年英国Autosub-2 号AUV 作业时可能因硬件故障导致电力供应中断而丢失，2010 年美国伍兹霍尔海洋研究所（WJOI）ABE 号AUV 作业时可能因玻璃浮球内爆摧毁系统导致失联丢失。因此，AUV 应具备实时状态监测、自身故障诊断及检测出故障后措施应对的能力。一些先进的人工智能方法和分布式应急处理策略已逐渐运用到故障诊断中[3,14–15]。

3）自主应急自救技术

系统故障诊断并进行容错控制后，若仍无法保证AUV 的安全性，需进行自主应急自救。在操作人员无法干预情况下， AUV 主要通过安全抛载方式实现应急自救，安全自救系统在应急工况下通过产生正浮力自动上浮至水面，启动通信定位系统达到自救目的。对于智能AUV 自救系统，当应急系统检测出高优先级故障，立即将作业工况切换至应急工况，并根据故障优先级进行应急决策，输出应急结论并执行应急智能自救处理[2]。AUV 自主应急自救系统向着小型化、集成化、多种方式冗余化等方向发展。

4 结 语

AUV 水下生存力事关水下作战力量的发展，AUV的研发、装备和体系化应用，必将颠覆传统海战模式。应大力发展无人水下平台技术，提高其技术性能和作战能力。