2019年水下無人系統發展綜述

chaiwuge 2020-04-09

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王雅琳，劉都群，楊依然

2019年水下無人系統發展綜述

摘要：本文對2019年世界各主要國家和地區水下無人系統的發展情況進行了綜合梳理分析。首先研究了美國和日本發布的水下無人系統相關戰略規劃，之后整理了世界主要國家和地區水下無人系統裝備發展情況，并對水下無人系統的關鍵技術（水下光學通信技術，水下導航技術，能源動力技術，協同作戰技術）發展情況進行了總結。綜述表明世界各主要軍事強國從戰略規劃、裝備研制和技術攻關等維度不斷推進水下無人系統能力建設，全面提升水下無人自主作戰和跨域協同作戰能力水平。

引言

水下無人系統可執行海洋探測、水下監視與偵察、反水雷和反潛等各類作戰任務，具有很高的軍事價值，已成為世界各主要軍事國家拓展水下作戰域、占據海洋作戰優勢的重要支撐裝備。2019年，美國、俄羅斯、日本和歐洲等國家和地區從規劃、裝備、技術和部署等層面加速推進水下無人系統發展，全面提升水下無人自主作戰和跨域協同作戰能力水平。

戰略規劃

2.1　美國

2019年2月，美國海軍水下作戰需求部門（N97）負責人發表演講時表示，未來可能將無人潛航器納入美國海軍355艘艦船的目標內。6月，美國國會研究處（CRS）發布《海軍大型水面無人艇和水下無人潛航器背景和相關問題》報告，指出包括超大型無人潛航器（XLUUV）在內的大型無人系統十分重要，美國海軍正在采取加速采辦策略使其盡快服役，未來將成為美國海軍構建分布式艦隊架構的關鍵。

2019年11月，美國海軍潛艇部隊司令在2019年海軍潛艇聯盟年度研討會上表示，美國海軍計劃成立第二無人潛航器中隊（UUVRON-2），并使無人系統擴展到艦隊規模。UUVRON-2將部署在東海岸，但美海軍沒有給出具體時間安排。第一無人潛航器中隊（UUVRON-1）于2017年底成立，計劃在2024年前配備45艘無人潛航器。

2.2　日本

2019年8月，日本防衛省防衛裝備廳公布《多域綜合防衛力量構建研究開發愿景》文件，基于2018年公布的新版《防衛計劃大綱》中提出的能力需求，旨在對日本未來的技術創新進行指導，其中強調了增強現有水下作戰能力，從整體上實現長航時水下無人系統的裝備部署，提升無人裝備的認知和判斷能力。

具體而言，在警戒監視方面，提出部署能在廣域執行協同作戰的無人潛航器和艦艇，發展聲吶探測技術和高速大容量水下通信技術；在支援作戰方面，實現無人潛航器的自動投放、回收、補給、供電，增強地面及艦艇對水下無人系統的有效指揮控制及支援；在應對方面，實現以廉價手段應對敵方無人潛航器，提升己方無人潛航器隱身性能和干擾目標傳感器能力。

3、裝備研制

3.1　美國

美國海軍于2019年1月完成瀕海戰斗艦反水雷任務模塊中刀魚（Knifefish）無人潛航器和無人掃雷系統的艦載集成測試。測試期間，刀魚無人潛航器和無人掃雷系統都成功驗證了與瀕海戰斗艦之間的通信鏈路，并執行了多次發射和回收演示。8月，刀魚無人潛航器進入小批量生產（LRIP）階段，美國海軍計劃采購30艘。刀魚無人潛航器是瀕海戰斗艦反水雷任務模塊的重要組成部分，用于在高雜波環境下探測和識別掩埋雷、沉底雷和漂雷。

圖1 刀魚無人潛航器 Fig.1 Knifefish UUV

2019年2月，美國海軍授予波音公司合同，制造和測試4艘XLUUV。3月，該合同內容擴展到制造第5艘XLUUV。XLUUV是一種采用模塊化和開放式架構的水下潛航器，可執行反水雷、反潛、反艦和電子戰等任務，由波音公司和洛克希德·馬丁公司兩家公司開展項目競標。波音公司的回波旅行者（Echo Voyager）長15.5m，橫截面為2.6m×2.6m的正方形，空重50t，可航行12038km。最大可容納長10m、體積56.6m3的模塊化載荷，也可在外部掛載載荷。

圖2 回波旅行者無人潛航器 Fig.2 Echo Voyager UUV

美國海軍還于2019年5月采購了蜂群潛水者（SwarmDiver）超輕型無人潛航器。該無人潛航器長0.75m，重1.7kg，潛深50m，速度7.9636km/h，工作時間達2h30min，可執行集群式偵察和反水雷任務，布放和回收可由單人操作。

圖3 蜂群潛水者無人潛航器 Fig.3 SwarmDiver UUV

美國國防預先研究計劃局（DARPA）于2019年1月發布垂釣者（Angler）項目公告，開發能在深海環境中發現和操縱物體的深海無人潛航器及控制系統，要求在沒有全球定位系統（GPS）的深海環境中能夠自主執行搜索操縱目標的任務。11月，DARPA授出6份項目合同，其中萊多斯公司、諾斯羅普·格魯門系統公司及L3哈里斯技術公司將為垂釣者項目開發一個綜合解決方案，以應對技術和業務領域的所有挑戰；碩電公司、愛迪泰克公司和吉特韋爾公司將重點開發針對導航、自主和感知領域的解決方案。

圖4 垂釣者項目概念圖 Fig.4 Angler concept figure

3.2　俄羅斯

俄羅斯于2018年3月推出核動力無人潛航器波塞冬，最大潛深1km，可攜帶核彈頭。2019年1月，俄羅斯國防工業部門消息稱，俄羅斯海軍計劃部署32艘波塞冬無人潛航器執行作戰任務。2月，波塞冬無人潛航器成功完成測試，進入工廠試驗階段。

4月，俄羅斯09852型別爾戈羅德號特種核潛艇下水，成為首艘搭載波塞冬無人潛航器的潛艇。該潛艇原本是安泰級多功能攻擊核潛艇，后改裝為無人潛航器運載平臺，波塞冬無人潛航器裝備于潛艇底部。別爾戈羅德號將于2020年進入戰斗服役。第二艘攜載波塞冬無人潛航器的09851型哈巴羅夫斯克號特種核潛艇將于2020年春季下水，預計2022年服役。該潛艇是北風之神級核動力彈道導彈潛艇的縮小版。未來俄羅斯還將對2艘949A型奧斯卡Ⅱ級巡航導彈核潛艇進行改裝，以攜載波塞冬無人潛航器。

3.3　其他國家

英國國防部于2019年4月發布公告，旨在設計、改裝和測試超大型無人潛航器。項目為期三年，分兩個階段。第一階段為期一年，主要是超大型無人潛航器的研究、設計和改裝；第二階段為期兩年，主要是測試超大型無人潛航器承擔系列任務的能力。公告特別提到秘密收集情報、傳感器的部署和回收，以及反潛作戰等能力；還明確國防部計劃尋求模塊化的有效載荷設計，以執行一系列額外任務。

通用動力公司任務系統分部于2019年9月首次展示金槍魚（Bluefin）-12輕型無人潛航器。該無人潛航器長4.83m，直徑0.32m，重250kg，采用與金槍魚-9相同的傳感器和測量設備，具有模塊化、智能化、數據處理和可擴展作業范圍的特點。澳大利亞是首個購買金槍魚-12的國家。

圖5 金槍魚-12無人潛航器 Fig.5 Bluefin-12 UUV

法國海軍集團和ECA集團于2019年10月展示了其為比利時和荷蘭設計的反水雷聯合解決方案，包括A18-M無人潛航器、T18-M拖曳聲吶以及無人機和掃雷設備等。比利時和荷蘭海軍將在未來20年各自形成包括6艘艦艇、10類80艘水下無人系統在內的反水雷力量。

4、技術攻關

4.1　水下光學通信技術

日本海洋研究開發機構與島津制作所在日本防衛省資金支持下，研發了穩定的水下光通信技術，并實現產品化。這是自2015年防衛省啟動“安全保障技術研究推進制度”以來首例技術產品化案例。該水下光通信設備外形為直徑15cm、高30cm的圓柱體，可根據水的混濁度改變藍、綠、紅三種半導體激光束，以100Mbps的傳輸速度實現10m距離內的雙向通信。預計2020年春，其通信距離將增至100m。

4.2　水下導航技術

2019年4月，慣性實驗室（Inertial Labs）宣布推出新版AHRS-II-P姿態和航向參考系統模型，可在操縱時使用來自全球導航衛星系統（GNSS）的額外輸入來增加動態精度和方向計算外，還能夠測量和輸出水平/垂直位置、速度、航向、姿態和慣性測量單元（IMU）數據。AHRS-II-P還可以從外部獨立磁羅盤數據、GNSS地面跟蹤和定位器等獲取輔助數據。該系統可以為無人潛航器等各種無人系統提供絕對定位。

2019年8月，英國國家海洋學中心（NOC）與Sonardyne公司、L3哈里斯技術公司共同參與了一項為期兩年的持久性無人潛航器精確定位（P3AUV）項目，目標是在無船舶支持的情況下無人潛航器可持續進行海洋觀測。項目團隊正在開發新方法，以提供更高的定位精度，同時降低對電力的需求并增強自主性。

4.3　能源動力技術

2019年2月，先進技術國際公司（ATI）與通用原子電磁系統公司（GA-EMS）簽訂合同，開發和測試一款原型鋰離子容錯（LiFT）電池系統，為美國海軍大排量無人潛航器（LDUUV）原型機黑魚（Snakehead）提供推進動力和系統能源。LiFT電池系統憑借模塊化設計和單電池容錯功能，可防止鋰離子電池故障，并在保持能源供給的同時提高安全性，同時簡化安裝、使用和維護工作。此外，電池系統采用靈活架構支撐配置，能滿足有人和無人潛航器需求。

2019年3月，通用原子電磁系統公司完成鋁動力系統（ALPS）的首次端到端演示，為該公司試驗罐設施中的遙控潛航器供電。演示時，鋁動力系統用于產生氫氣和氧氣，并輸送至泰萊達能源系統公司的燃料電池發電，進而驅動遙控潛航器。這次演示首次表明鋁動力系統可以與燃料電池系統集成，用于驅動無人潛航器。演示期間收集的結果和數據將用于繼續測試和優化鋁動力系統，以滿足未來水下平臺的能源需求。

4.4　協同作戰技術

2019年5月，雷錫恩公司利用開放式體系結構和無人航空系統控制標準開發出一項新技術。借助該技術，美國海軍可在艦上賽博加固的控制站內管理一支由空中、水下和水面無人系統組成的編隊。

2019年6月，DARPA發布海上作戰實時信息（TIMEly）項目公告，將開發異構海上通信架構，并完成演示驗證。TIMEly項目是馬賽克戰概念的衍生物，其目標是構建可快速重構的空中、水面和水下軍事力量，重點關注網絡協議和信息交換等技術，同時掌握水下環境對網絡鏈接距離、容量、延遲和安全的限制。該項目設想采用動態可重構的響應式架構，并吸收水下通信和海上無人系統前沿技術。

2019年8月，美國海軍舉行先進海軍技術演習（ANTX），主題為“戰爭準備：水下安全”，重點展示了有人/無人平臺協同作戰的能力。雷錫恩公司演示了協同探測和識別類似水雷目標的能力，并使用無人潛航器清除該目標。雷錫恩公司的AQS-20C拖曳聲吶由一艘水面無人艇拖入水中，一旦聲吶探測到可能的水雷，梭魚（Barracda）無人潛航器就通過A型聲吶浮標發射器從無人艇發射。梭魚無人潛航器裝有浮動組件，可與常規無人水面艇（CUSV）進行射頻數據連接。戰術任務計劃經由CUSV從瀕海戰斗艦傳遞至梭魚無人潛航器。一旦梭魚無人潛航器搜索并鎖定水雷目標，就在其附近位置待機，待瀕海戰斗艦作戰人員確認目標后就指示該無人潛航器自爆以引爆水雷。通用動力公司任務系統分部演示了使用有人和無人平臺實現跨域多級指揮、控制和通信（C3）的能力。這些平臺包括通用動力公司的金槍魚-9無人潛航器、無人艇和岸基模擬潛艇作戰系統、模擬水面作戰系統和模擬任務作戰中心。演示中，還使用通用動力公司的4G LTE無線寬帶網絡提供實時三維可視化和通信。該演示針對對抗環境中多個平臺之間從高層作戰規劃到戰術任務執行的通信挑戰，

通用動力公司利用戰區級規劃工具，實現了有人潛艇、無人潛航器和無人艇的跨域指控通信。該架構將海底和水面平臺連接在一起，通過人工智能技術支持，增強了反潛作戰和水下作戰規劃能力，以及海上行動的現場評估和執行能力。此外，該架構為水手提供了所有活動的三維虛擬現實視圖。

2019年9月，美國海軍爆炸物處理第一機動部隊（EODMU-1）在極淺的北極水域（深度為3～12m）利用無人潛航器完成遠征排雷測試。期間，EODMU-1使用劍魚（Swordfish）和王魚（Kingfish）無人潛航器，對該水域進行了探雷、水文測量和行動環境情報準備，以人機結合模式完成了排除極淺水域水雷威脅的任務。

5、結束語

2019年，美國重點關注水下無人系統實戰能力建設，逐步將水下無人系統納入艦隊作戰范疇，同時發展多類無人潛航器并開展先進技術演習；俄羅斯加速核動力無人潛航器發展，旨在搶占不對稱作戰優勢；歐洲和日本從規劃、裝備及技術維度加大投入，推動水下無人作戰能力發展。隨著相關能力水平的不斷發展，未來水下戰場將愈加復雜，帶來更多挑戰，需要密切關注。