邵春水 于大海 韩金良
（1.天津航海仪器研究所 天津 300131）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）
水下无人潜航器（UUV）、水面无人艇（USV）是当前世界上海军强国大力发展的主要无人作战平台，其承担的使命任务和技术特征均与有人作战平台存在差异。鉴于无人作战平台导航装备配置与平台的使命任务和技术状态均有关联，拟借鉴美国为各级无人作战平台承担使命任务进行优先级排序的思路，通过分析无人作战平台对导航装备的原则性能力需求、军民用典型平台的导航装备配置，形成面向我国海军无人作战平台的导航装备发展启示。
2.1 水下无人潜航器（UUV）
根据美国海军于2016 年2 月发布的《2025 年自动水下航行器需求》［1］，UUV 按照尺寸划分为超大型、大型、中型和小型四个级别。超大型UUV 直径大于2.1m，通过岸边或船舶的复杂装卸设备布放，诸如起重机、井型甲板。大型UUV 直径介于0.533m～2.1m 之间，通过任意海基母平台的装卸设备搭载、布放和回收，也可通过岸边或船舶的装卸设备布放。中型UUV 直径介于0.254m～0.533m 之间，从岸边或船舶直接布放，回收需使用装卸设备。小型UUV直径介于0.076m～0.254m之间，通过船舶的舷边布放和回收，而潜艇通常只布放不回收。按照该分类标准，国外典型UUV 包括超大型2型、大型22型、中型20型、小型11型［2～3］。
美国国防部于2007-2013 年期间发布了4 版《无人系统一体化路线图》，针对4个级别的UUV将使命任务按优先级扩充为17 项［4～5］。其中，中小型主要用于情报/监视/侦察、水雷对抗、通信/导航网络节点、传感器隐蔽植入等，大型兼具载荷投送、濒海水面战、大洋反潜战等能力，超大型将进一步提升直接打击与对抗等作战能力。
2.2 水面无人艇（USV）
根据美国海军于2007 年发布的《无人水面艇主计划》及2021 年发布的《海军无人装备总体战略》，无人艇按照尺寸划分为大型、中型、小型和微小型。大型无人艇的艇长大于50m，中型无人艇的艇长介于12m～50m 之间，小型无人艇的艇长介于7m～12m 之间，极小型无人艇的艇长小于7m［6～8］。其使命任务按照优先级排序，包括：反水雷战、反潜作战、海上安全、水面作战、支持特种部队作战、电子战和支持海上拦截作战示［9］。
相对于美国以尺寸作为划分无人作战平台级别的标准，我国更倾向于以排水量作为标准。推测未来可能的划分标准如下：UUV 按照排水量划分为超大型、大型、中型和小型四个级别。超大型UUV 排水量超过100t，大型UUV 排水量介于10t～100t 之间，中型UUV 排水量介于1t～10t 之间，小型UUV 排水量小于1t。USV 按照排水量划分为超大型、大型、中型和小型三个等级。超大型无人艇排水量超过500t，大型无人艇排水量介于10t～100t 之间，中型无人艇排水量介于10t～100t 之间，小型无人艇排水量小于10t。
根据无人平台的使命任务，导航装备应具备时空基准获取能力、运动状态测量能力、环境态势感知能力和自主路径规划能力，其中前三种能力是实现自主路径规划能力的基础［10～11］。
4.1 时空基准获取能力
时空基准获取能力按照参考坐标系的不同划分为绝对时空基准和相对时空基准。获取绝对时空基准可以通过天基的卫星导航系统、岸基的无线电导航系统授时，也可以通过平台自身配置的时钟自守时，而平台的绝对位置可以通过惯性、卫星/无线电、水声、天文以及匹配导航技术获取，其中匹配导航主要是物理场匹配和地形地貌匹配。获取相对时空基准主要是通过数据链、雷达、水声这些具有测距测向能力的技术手段测量相对位置，依托数据链、水声通信信道传输对时报文，实现其他平台与基准平台之间的时间同步。
4.2 运动状态测量能力
运动状态测量能力按照测量的运动参数类别划分为运动方向、运动姿态和运动速度。测量运动方向可采用卫星导航或者惯性导航技术测量平台的航迹向，也可采用天文、惯性、地磁定向技术测量平台的艏向。测量运动姿态的纵横摇主要依靠惯性测姿技术。测量运动速度又分为对地速度和对水速度，对地速度可采用惯性、卫星、水声（多普勒）测速技术，对水速度可通过水声（多普勒）、电磁测速技术，不同的测速结果均可用于航行保障，但惯性测速结果也可用于惯性基准之间的传递对准，水声（多普勒）、电磁测速结果可用于惯导阻尼工作模式。
4.3 环境态势感知能力
环境态势感知能力按照感知的对象不同划分为海洋环境和运动目标。海洋环境主要包括平台所处海域的气象环境、水文环境、声学环境、地理环境、物理场和电磁环境，其技术手段属于海洋环境观探测专业。感知运动目标可以通过被动接收和主动探测两种方式。被动接收主要依靠的是当前军民领域广泛应用的船舶自动识别（AIS）系统。主动探测则依赖于平台自身装备的传感器，按照技术属性可细分为雷达、声波和视觉，其中用于导航避碰目标探测的雷达按照不同的频段分为激光和微波，声波分为水面用的超声波和水下用的水声，视觉主要指的是各种摄像机。
4.4 自主路径规划能力
自主路径规划能力实现的载体是电子海图以及运行的导航算法。导航算法主要包括多源信息融合算法和路径规划算法。多源信息融合算法用于处理不同信息源提供的时空基准、运动状态和运动目标数据，自适应生成适用于任务场景需求的统一、可靠的导航信息。路径规划算法用于根据任务需要，以时空基准、运动状态和周边环境态势信息为基础，自动生成平台的航行路径，引导平台按照作战使命任务安全航行。
5.1 国外UUV导航装备配置
国际上应用较为成熟的UUV，美国REMUS600、德国“海獭”、挪威“休金”1000/3000 等UUV 均配备侧扫声呐。典型有美国EdgeTech 公司研制的2200 系列侧扫声呐，其采用模块化设计，功耗低，支持独立工作或平台集中控制，最大工作水深达6000m，通常工作频率为75kHz～120kHz、75kHz～410kHz 或120kHz～410kHz，可用于执行海底目标搜索、地形地貌测量、电缆敷设定位等任务［12］。
合成孔径声呐是利用匀速直线运动的声基阵，形成大的虚拟孔径，以提高声呐横向分辨率，具有横向分辨率与工作频率、距离无关的优点。其分辨率比常规侧扫声纳高1～2 个量级，具备超高分辨率的小目标成像能力，美国REMUS600、挪威“休金”1000/3000均有配备。
“休金”1000/3000 上配置的Kongsberg 公司HISAS1030合成孔径声呐，工作频率为60kHz～120kHz，最大量程可达260m，实际分辨率在全量程内均优于5cm×5cm［13］。
除侧扫声呐、合成孔径声呐外，多波束测深声呐也是UUV 常用声呐之一。其利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点水深值，在执行大范围海底搜索和地形测绘时效果显著。据悉，大多数军民用UUV 均为该类声呐留有接口，如挪威“休金”1000/3000、德国“海獭”等大型UUV。
从国外典型UUV 的环境态势感知传感器配置来看，侧扫声呐、合成孔径声呐适合配置在国内各级别的UUV 上，多波束测深声呐可根据国内大型、超大型UUV的使命任务和载荷能力视情配置。
5.2 民用自动驾驶汽车传感器配置
无人艇水线以上主要配置有雷达天线、GPS 天线、摄像机、激光雷达以及舱内的罗经，水线以下配置有前向避障声呐和侧扫声呐。其中水线以上用于支持无人驾驶功能的环境态势感知传感器与民用带有自动（辅助）驾驶功能的汽车配置类似。考虑到目前民用自动驾驶汽车领域发展较快、应用较广，传感器的配置方案和使用经验相对更成熟，其方案对无人艇的导航装备配置有一定的借鉴意义。
摄像机的优势在于能够得到丰富的纹理、特征信息，不足之处在于易受光照强度和角度影响，拍摄高速运动物体易产生运动模糊等。相对于其他传感器，摄像机除用于测距之外，还可用于车道线检测、交通标识符检测等。常用的车载摄像机分为组合摄像机和鱼眼摄像机。组合摄像机是指由不同视野角度和景深范围的相机构成的单目/双目/三目摄像机，用于探测不同范围内的目标。鱼眼摄像机是由十几个不同的透镜组合而成，具有宽视野的特点，通常在车的前后左右各安装一颗，拼接成360°全景图用于检测车身周围5m范围内的物体。
毫米波雷达的优势在于测量距离远，受天气影响小，不足之处在于某些材质（如行人）回波较弱，对金属材质特别敏感，导致易发生虚警，切向目标敏感度差等。车载毫米波雷达通常安装在汽车的前方，用于探测200m以内的目标，并且和摄像机的目标输出进行融合。
超声波雷达的优势在于受雨水、粉尘、泥沙的干扰较小，在空气中穿透性强，短距离测距精度高，不足之处在于受气温影响较大，车速较快时测距误差较大等。短距离超声波雷达测量范围在3m 以内，用于探测近处的障碍物。近距离超声波雷达测量范围在5m 以内，用于探测近处的障碍物和判断旁边的空车位。
激光雷达的优势在于对光照变化不敏感，不受夜晚场景影响，测距精度较高，感知周围信息量相对丰富，不足之处在于性能受雨雪、雾天、粉尘等气候影响会下降，对某些低发射特性材料的测距精度不佳等。
目前自动驾驶汽车的环境态势感知方案差异主要在于是否配置激光雷达，以特斯拉为代表的车企采用的是以摄像机视觉图像为主，不安装激光雷达的方案，其他大部分车企则采用以激光雷达为主，辅以视觉图像的方案。对于海军无人艇来说，考虑到海上使用环境下视觉图像特征相对较少，更适合以激光雷达为主的方案。
鉴于时空基准获取和运动状态测量传感器的种类和配置方案相对成熟，在无人作战平台上的主要发展趋势是降低尺寸、重量、功耗，即低SWaP 综合指标，以减少对平台资源的占用，本文主要分析了典型无人平台的环境态势感知传感器，进而形成了如图1所示的国内无人作战平台导航装备配置图。
图1 无人作战平台导航传感器配置图
6.1 水下无人潜航器（UUV）
必配的导航装备包括卫星导航设备、惯性导航设备、声学计程仪、测深/测潜仪、时频基准设备、侧扫声呐、合成孔径声呐、摄像机和电子海图，如果设计的小型UUV 活动范围有限，也可不配电子海图。选配的导航装备包括电磁计程仪、长基线、重力仪、多波束测深声呐、超短基线。电磁计程仪一般不配置，如果超大型UUV 有声静默环境下为惯性导航设备提供阻尼速度的需求可选配。长基线、超短基线根据UUV 任务海域水下预置导航设施建设情况、编组平台之间协同需求等因素视情选配，对于载荷能力有限的UUV 平台可考虑研制综合基线，整合长基线和超短基线功能。超大型UUV 可根据自身载荷能力配置重力仪，用于物理场匹配定位。大型、超大型UUV 可视情选配多波束测深声呐，用于地形匹配定位，选配多波束测深声呐后可不配置测深仪。
6.2 水面无人艇（USV）
必配的导航装备包括卫星导航设备、惯性导航设备、无线电导航设备、时频基准设备、AIS 接收机、激光雷达、侧扫声呐、合成孔径声呐、摄像机和电子海图，如果设计的小型无人艇活动范围有限，也可不配电子海图。选配的导航装备包括磁罗经、声学计程仪、电磁计程仪、长基线、天文导航设备、超短基线、毫米波雷达、导航雷达、超声波传感器。磁罗经是指便携式磁罗经，对于中型以上的无人艇，如果设计成支持人员上艇操作，可在艇上设计预留接口，由上艇人员随身携带上艇安装，以备应急使用。考虑到无人艇通常吃水不深，速度较快，艇下的水声环境一般不适合安装电磁计程仪和声学计程仪，如果大型、超大型无人艇的艇下水声环境比较好可考虑安装两型计程仪。长基线、超短基线根据UUV 任务海域水下预置导航设施建设情况、水面/水下协同需求等因素视情选配，如果两种基线都需要配置，物理形态上可考虑综合基线，整合长基线和超短基线功能。超大型无人艇如果载荷能力较强，有足够的资源安装天文导航设备，可考虑配置一台天文导航设备作为备用的定位、定向手段。毫米波雷达和导航雷达均用于目标的测距、测速，小型、中型无人艇通常机动能力较强，需要关注的周围运动目标态势区域有限，可考虑配置毫米波雷达搭配激光雷达，实现近程、远程目标探测，大型、超大型无人艇相对于中小型无人艇惯性增大，机动能力可能相对弱一些，需要关注的周围运动目标态势区域较大，可考虑配置导航雷达搭配激光雷达，实现远程、近程目标探测。超声波传感器由于探测距离有限，比较适合安装在机动能力较强的小型、中型无人艇上，大型、超大型无人艇如果惯性较大，机动能力不足以躲避超声波传感器探测范围内目标的话，无需配置超声波传感器。
国内无人作战平台尚处于快速发展的起步阶段，通过分析提出的导航装备配置有助于针对性地面向不同级别平台研制通用或专用导航装备，形成谱系化、阶梯化导航能力，避免导航装备型谱产生乱象。
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