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无人水面艇(unmanned surface vessel,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。在无人水面艇研发和使用领域,美国和以色列一直处于领先地位。

国际现状

美国海军从上世[1]  纪90年代开始研究无人水面艇。2007年,美国海军发布《海军无人水面艇主计划》,为无人水面艇赋予了7项任务,同时还界定了无人水面艇的船型、尺寸和标准等要素,这标志着美国无人水面艇走上正规发展阶段。

以色列“保护者”型无人水面艇已经开始批量生产,并装备部队。新加坡海军是它第一个海外用户,在一次演习中,他们利用登陆舰搭载2艘“保护者”无人水面艇,进行海上保卫和封锁行动,据新加坡国防部称,“保护者”无人水面艇是“非常高效的”。

目前,德国、日本也在积极研究无人水面艇。中国无人水面艇的发展尚处于起步阶段,民用方面已取得进展,“天象1号”无人水面艇曾在奥运会青岛奥帆赛期间,作为气象应急装备为奥帆赛提供气象保障服务。

美国

2007年7月23日,美国海军发布了《海军无人水面艇主计划》。该计划从满足美国海军战略计划、舰队发展以及国防部到2020年部队转型的需求等方面,详细介绍了美国海军未来无人水面艇(USV)的发展计划。

发展设想

USV的发展设想是:开发和装备成本节约型的USV,改善海军和联合作战能力,支持本土防御、全球反恐作战、非对称作战和常规战争。为提升USV稳定性和耐波能力,协助打击地区性、跨国界、以及全球范围内的敌人,USV将增大目前和未来的平台。USV将完全实现自动化,从而降低通信/数据交换的需求以及操控人员的负担。此外,USV可通过布放和回收仪器设备,收集、发送和处理各类信息,使美军及其盟军能够以最低的风险或代价攻击目标。

为了实现USV的发展设想,USV主计划确定了以下目标:

(1)确定USV近期(5年)、中期(5年至10年)和未来(10年以上)的能力,具体包括:任务描述和优先性,每项任务的高层次作战概念(CONOPS),并通过对备选能力进行评估,确定这些能力是否适用于USV。

(2)建立USV的性能级别,使各级USV能够满足能力的需求:①推荐若干级别的水面艇,构建高效的、集团化的、互为补充的能力;②在海军项目中,界定USV类型和尺寸的具体范围;③审查各USV级别内部以及彼此之间的模块化和通用化水平。

(3)评估技术要求以及目前的技术准备情况,为USV平台和相关负载的研制提出相应的技术投资策略。

作战使命

根据国防部和海军的指导性文件,这份主计划确定了USV优先发展的7个任务领域,按照优先级排列,包括:反水雷战(MCM);反潜作战(ASW);海上安全(MS);水面作战(SUW);支持特种部队作战(SOF);电子战(EW);支持海上拦截作战(MIO)。针对每一项任务领域,研究团队将开发一种USV任务包,这个任务包包括平台尺寸/类型、负载和可能的应用描述等。

级别

USV主计划推荐了一个非标准级的USV和三个标准级的USV,这4种级别的USV能够完全满足美国海军USV优先发展的7个任务领域的能力需求,具体包括:

“X-级”是一个长3米或更小的非标准级USV,采用非标准模块建造,能够支持特种部队作战、以及海上拦截作战任务。它将提供低层次的情报、侦察、监视能力,以及有限的续航力、有效载荷和适航性,支持有人操作。它可通过一个小型有人驾驶的小艇进行布放,例如,11米的刚性充气艇或充气式作战侦察突击艇。

“海港”级(Harbor Class)USV主要是在海军标准7米刚性充气艇基础上研制的,具有中等续航力,主要是执行海上安全任务,拥有较强的情报、监视和侦察能力,并装备了致命和非致命性武器。“海港级”USV具有7米充气艇的标准接口,可由多型舰艇部署。

“斯诺科勒”级(Snorkeler)USV是一个7米的半潜式水面艇,在航行过程中,除通气管之外,船体其余部分均在水下。相对于其它水面船体类型,这种作业模式可在7级海况下提供更为稳定的平台。“斯诺科勒”级USV将支持反水雷战拖曳(搜寻)/灭雷任务、反潜作战(海上盾牌),另外还可以充分利用相对隐蔽的外形支持特种作战任务。

“舰队”级(Fleet)USV是一个11米的滑行或半滑行水面艇,在拖曳扫雷具时具有中等航速/续航力,而在支持反潜战、水面战或电子战作战时,“舰队级”级USV能够提供较长的续航力。当移除或替换掉任务模块后,在24小时内,“舰队级”级USV还能支持有人驾驶。

动力

在无人水面艇的动力方面,由于柴油机的可靠性好,油料热效率高,因而应用比较广泛。美国海军无人水面艇发动机的主要供应商是洋马海事公司。该公司提供一系列柴油机,单机最大输出功率达720马力。该公司最新型柴油机采用电子发动机管理系统监视和调节发动机转速、涡轮增压、冷却温度和节流阀,并调整电喷时间和油料流量,确保工作环境下油料完全燃烧并获得最大的燃油热效率。此外,美国还在研究一种高能量密度动力源,推进柴油机作为混合系统中的一部分,再辅以锂电池组和其它可能的动力源,为无人水面艇提供高可靠性、低维护量的发动机,保证它能够在海洋环境和恶劣海况下,无需再加油连续运转2周。

自主技术能够降低USV对于人员和带宽需求,同时扩展超视距作战的战术应用范围,例如,对于海上安全、反潜战和反水雷领域,需要USV长期、独立地运行,并执行长距离航行、探测、评估、危险规避和信息收集等任务。另外,通过自主技术,USV可与多个航行器进行协同作业,这在大规模反潜作战和反水雷战中被视为一项重要的使能能力。提高USV的自主性,需要推动最低层面的信号处理和决策能力,而自主控制水平可根据操作人员的操控频率和复杂性进行衡量。USV必须收集来自传感器的各种数据,自主地识别威胁数据,并做出适当地反应。不可预知的情况或数据信息可能导致航行器放弃任务或改变攻击计划。在提供初始能力时,由于操控人员和航行器之间仍需保持通信联系,因此USV所需的复杂自主技术可能少于其它类型的无人系统。

各种无人系统的武器自主控制技术正通过陆军、海军、空军试验室和美国国防部长办公室“联合地面机器人计划”(JGRE)进行研究。对于近期能力而言,大多数无人系统的武器控制将需要人员参与,以确定正确的打击目标。例如,USV反潜战“杀伤区”或反水雷战“水雷危险区”将依靠人为确定。对于灭雷系统,存在一些特殊的武器发射问题,其中,较为重要的是目标定位精度,灭雷具必须借助低廉的近程传感器定位目标。在开发出可靠的自动目标识别(ATR)算法之前,将需要健壮的、高频带指挥、控制和通信系统来支持人员参与的反水雷战任务。

总之,USV任务的预置程序不可能适应所有任务的动态变化特性,因此USV要能够适应环境和任务的变化。目前,面临的挑战是为USV提供自主的自适应能力,而且未来能力将需要更多无人系统进行自主的、协同作业。

除最小的特种任务航行器之外,所有的USV必须具备自主的障碍规避能力。这些障碍具体包括:大面积岸区、船只、低垂的障碍物(例如在近岸作战中遇到的桥梁、树枝等)、浅水障碍(例如沉船、暗礁和沙洲等)、水面障碍物(例如游泳者、浮标、漂浮的残骸等)、USV拖曳系统遇到的水中障碍物等。

多数任务领域需要USV具备自主的威胁避免能力,这将涉及舰船、小艇、飞机、主动传感器系统(例如雷达)、以及大范围的被动探测系统。这里需要权衡的是,航行器对于拦截或破坏的易损性,以及USV自我保护组件的复杂性和成本。

在所有的任务领域,自动目标识别(ATR)有助于障碍规避和威胁避免,并且是完成反水雷战、海上安全、反潜战和水面作战任务的支撑技术之一。ATR是确保USV无需返回母船或依靠人员遥控执行多步骤任务的关键。

执行所有的任务时,USV都需要进行一定程度的障碍和碰撞规避。尽管船艇控制算法已经足够成熟,但是自主运行过程中的传感器处理技术还不够完善。在某些情况下,USV需要集成声纳、雷达、光学和红外传感器信息,但是目前针对光学和红外传感器的图像处理算法仍处在初期发展阶段。

感知技术是一项取得较快发展的技术领域,它直接关系到USV作战,特别是反水雷战、反潜战和水面战。USV对于这一技术领域的需求是,进一步提高区域覆盖率(ACR),提高分类和识别能力和非传统跟踪技术,改进用于探测化学、生物、核、放射性和爆炸威胁的传感器。在满足USV反水雷战任务需求方面,合成孔径声纳(SAS)技术处于领先的地位。SAS技术能够大幅扩展探测区域,并能够提高目标的分辨率,这个特性对于反水雷战模块的开发具有重要意义。此外宽带水声技术也具有提高水雷探测范围的能力。

传感器处理和相关的自主决策技术是USV反水雷战和反潜战任务模块正在开发的技术领域。对于反水雷战模块,主要的技术风险是在识别类似水雷的对象和确定水雷过程中应用的声纳和光学图像自动处理技术。目前,研究团队正在开发第二代自动声纳处理设备,并在特定环境下实现了声纳信号的自动处理。但是,用于识别水雷和水面物体的光学处理技术仅仅处于初始研发阶段。对于USV反潜战任务模块来说,最大的技术挑战主要是在自主处理、目标识别、对抗措施、目标运动分析(TMA)和战术运用等方面。

USV负载自动布放和回收是一项还未进行开发的技术领域,可能需要很长一段时间才能够完全实施。

USV主计划预期USV能力将通过大量不同无人系统联合作战得到有效运用,这就需要一个集中控制方案,降低各种特殊硬件、软件、人员和训练、以及通信系统的分散程度。目前,美国国防部长办公室和各军种无人系统之间的联合互操作标准研究工作还没有启动。但是,海军和国防部长办公室已经启动了“联合无人系统集中控制先期概念技术演示”(JUSC2 ACTD)项目,在无人系统集中控制技术发展方面迈出了第一步。这个先期概念演示项目在濒海战斗舰的0型(Flight 0)上集成了无人航行器集中控制系统,并且增加了联合标准(JAUS & STANAG 4586),但是,JUSC2项目仅是减少了操控人员的数量。目前,海军正在讨论将JUSC2项目转移到统一的集中控制台项目,该项目将为濒海战斗舰、以及其他海军水面和潜艇等平台开发、集成、配置和维护一个统一标准的集成控制台,这个控制台将完全取代用于单独无人航行器的分散控制系统。实现这一最终目标的关键是制定相应的标准,包括互操作性,通信,艇体、机械和电气(HM&E),有效负载的模块化,指挥、控制、通信和计算机(C4)体系结构。

为了完成反水雷战灭雷、反潜作战、水面作战等任务,USV必须携载并发射相应的武器装备。从USV发射武器面临的主要技术挑战是在各种海况条件下稳定地瞄准目标并获得准确的弹道。恶劣的海况可能造成USV平台瞄准(例如舰炮、导弹、非致命性射弹)和武器发射(鱼雷、无人潜航器传感器等)等方面的问题。而对于有人操控的USV,保持通信将是USV面临的一个技术挑战,特别是在超视距(OTH)范围。为满足作战需要,可靠的中距离声通信和自主行为也是必需的。目前,计算机辅助探测和计算机辅助分类技术已经进行了演示,而且计算机辅助识别技术已被认为是或即将成为可应用的技术。

将武器装备到无人系统中是一个具有争议的问题,这需要航行器本身必须首先满足作战条例的要求。武器装备在任何无人系统上的最初应用,必须确保受到操作人员的主动控制。此外,若存在USV被敌方部队获得的可能性,将必须摧毁USV。在这种情况下,远程销毁武器以及USV的能力将变得十分重要。随着武器装备的部署以及在作战中地应用,法律观念、规则和先例将被确定,这将有助于推动有关所有无人系统作战方面交战规则(ROE)的制定和完善。

1、USV顺利实施军事行动的关键在于USV在作战区域是否能成功进行部署和回收。面临的挑战主要包括:

①部署和回收操作过程以及各种环境下的安全性和可操作性;

②调整部署和回收系统的配置,适应USV的各种型号。

2、主平台接口以及潜在的冲突,包括:

① 主推进器的接近性;

② USV和部署与回收系统之间的机械和流动性的交互作用。

3、USV部署与回收系统接口的通用性和便携性:

① 不能排除在其他水面航行器上应用的固有特性;

② 不能对整个主平台的配置造成过大影响;

③ 减少主平台速度和作战概念方面的限制;

④ 研制简单的系统,使得人力需求、维护和作战所需的数量最小化。

4、自动的USV部署和回收过程可分为自主归航、位置调整、附着和“上船”。面临的挑战主要包括:

① 为解决低航速情况下与USV部署和回收有关的指挥问题,开发船上通用指挥和控制系统,

提高航行器的作业性能;

② 研制被动传感器和控制系统集成技术,为自主进行USV部署和回收提供必要的支持;

③ 研制用于USV布放的坚固的抓持/吸附机械装置,减少对USV和舰上系统的影响。

满足这些技术和工程问题以及自动化操作的问题,将会大幅提高装备了USV的舰艇作战能力。此外,由于USV部署和回收作业仅能在较低海况条件下进行,将会对整个军事行动造成影响,因此USV部署和回收设备的开发目标包括在更高航速和更恶劣海况条件下实现安全作业。

以色列

“保护者”由以色列拉斐尔武器发展局开发,以9米长的刚性充气艇为基础,喷水推进,航速超过30节,最大作战有效载荷1 000千克。其传感器载荷主要包括导航雷达和“托普拉伊特”光学系统,其中“托普拉伊特”系统为多传感器光电载荷系统,包括有第三代前视红外传感器(8~12微米)、黑白/彩色电荷耦合装置(CCD)摄像机、目视安全激光测距仪、先进关联跟踪器和激光指示器(选件)等,可在白天、夜晚以及各种不利的天气条件下完成手动和自动昼/夜观测及目标指示。

艇上武器主要配备的是“微型台风”武器系统。该武器系统以拉斐尔武器发展局的“台风”遥控稳定武器系统为基础,可使用12.7毫米机枪或40毫米自动榴弹发射器。在吨位稍大的“保护者”上还可选装一门30毫米舰炮。此外,该系统还配装有全自动火控系统和昼夜用照相机,形成了一套完整的综合无人作战系统,可由几十海里外的海岸控制站或海上指挥平台实施遥控指挥,昼夜执行作战任务。另外,据拉斐尔武器发展局透露,“保护者”无人水面艇的作战指挥权将属以军总参谋部下属的国土安全局,日常巡逻维修则由以色列海军负责。首批将服役12艘,每三艘编成一个机动编队,轮流在靠近埃及的加沙地区巴勒斯坦人控制区海岸线、以色列本土沿海地区和与黎巴嫩相邻水域进行巡逻。

设计特点

其一,是采用模块化。“保护者”艇长9米,全艇采用模块化设计,可根据任务的不同需要,按照“即插即用”的原则,将不同的设备像搭积木一样快速安装在艇上,使之可执行反恐、情报侦察和监视、水雷战、反潜战和火力支援等多种任务。

其二,突出隐身性。在外形设计上,上甲板没有雷达反射物和增大雷达反射截面的设施,也没有90°交角,艇体侧面和上层建筑为小角度倾斜。此外,它还在一些部位采用了雷达吸波材料。

第三,吸收新技术。艇体采用玻璃钢复合材料,可降低艇体受损程度和减少维修费用。为加固艇体结构和减轻艇重,大量使用碳纤维及轻质复合材料取代传统的钢材料,艇的边梁和框架也使用碳纤维材料。

应用

1、反恐

以色列研制“保护者”的初衷就是希望它能发挥拦截不明身份船只的优点,避免水兵面临小型武装或自杀式袭击的威胁,实现官兵零伤亡。

2、情报、侦察和监视

“保护者”上配备先进的导航雷达、全球定位系统、红外传感器、摄像头等,能够获取周围的海上图像,搜集情报,进行实时监视。这些传感器和母舰或岸边指挥所之间拥有多个视频通道,可传输图像和数据信息。

3、火力支援

“保护者”装备有12.7毫米机枪,有的甚至是30毫米舰炮。以色列还考虑在后续“保护者”上加装新型舰载导弹,用于对付有重装甲的舰艇,甚至在危急时刻攻击直升机。

4、与其它无人平台协同作战

目前,以色列在无人机方面的发展相对比较成熟,实现无人水面艇和无人机的协同作战将会成为以色列海军在无人水面艇发展方面的新尝试。 



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