无人水面艇技术发展回顾与趋势分析

摘 要 无人水面艇（USV）与无人机、无人车和无人潜航器同属于四大无人平台成员，受到计算机、控制、人工智能、材料、通信、传感器等高新技术的推动，近30年来发展十分迅猛。首先从认识海洋、海洋经济和海洋安全等角度出发，论证了发展USV的必要性，并对其系统组成和技术分类进行了详细的阐述。对USV发展萌芽阶段、起步阶段和快速发展阶段中，各主要军事强国特别是中国的经典型号进行了介绍。最后总结了载体设计、先进材料、自主控制和环境感知四项关键技术和未来发展趋势。

1 引　言

近年来，无人平台技术获得了世界范围内的广泛重视和深入研究，尤其是无人机技术发展尤为迅猛，并在多个领域实现了成功应用。无人水面艇与无人机、无人车和无人潜航器同属于四大无人平台成员,如图1所示。受到控制、计算机、人工智能、材料、通信等高新技术的有力推动，近30年来无人水面艇（Unmanned Surface Vehicles, USV）技术发展较快，并被应用于民用及军事领域。

在2007年，美国海军制定发布了第一个无人艇总体规划图，在规划中把无人艇定义为一种静止时浮于水面，而在运动时几乎持续地同水面接触，具有不同自动操控能力的无人运载器[1]。同其它无人平台一样，无人艇被应用于环境恶劣、危险、枯燥或不适于人的任务中，无人艇的显著特点为：(1)环境适应性强; (2)活动范围广、经济性好; (3)小型轻便、艇型丰富; (4)多种推进方式;(5)信息化载体；(6)减轻人的负担、无人员伤亡[2]。装备在海洋环境中执行任务或作业时，首先要考虑到海洋独特的工作空间环境。相比于其它工作环境，海洋装备的工作效率、性价比和人员设备安全是重要的参考条件。无人艇与常规装备相比，具有自主操控、部署便捷、运维成本低、吃水浅等特点，无人艇通过搭载不同的功能模块，能够无人化、低成本、灵活自主地执行多种海上任务，包括海域测绘、水文气象观测、应对化学/核辐射污染突发事件、情报侦察、反水雷、反恐等[3,4]。

2 研究背景及意义

随着人口剧增，陆上资源的日益匮乏，人们迫切地需要从占地表面积70%的海洋获得资源；近年来海洋环境保护、全球气候变暖等问题也越来越受到人们的高度重视。同时，各军事大国历来极为重视经略海洋，未来海上斗争激烈，维护海洋权益任务艰巨。然而，我们对于海洋的了解甚至落后于太空。发展无人艇技术对于推动海洋开发、保护海洋环境、保卫海洋安全等具有重要作用。对无人艇技术的研究、应用需求，主要体现在以下三个方面：

(1)认识海洋的需要

俄国科学家门捷列夫说：“科学是从测量开始的”。工欲善其事，必先利其器，海上任何活动，无论是海洋开发，还是海洋军事，都需要技术先进、性能可靠、使用方便的监测装备来保驾护航。我国海洋科学考察正在进入世界先进行列，考察区域已由海岸带、近海拓展到三大洋和南北极等远海区域。

随着资源、能源开发利用进程的逐步深入，对全球气候变化的广泛重视以及海洋科学的发展,使得海洋观测正在发生革命性的变化。研制和构建由科考船、卫星、无人艇、无人机、潜/浮标、无人潜航器等有人/无人装备组成的海洋立体监测系统(如图2所示)，将显著提升观测的时间宽度、空间广度，这对有效认识海洋具有深远影响。

欧盟2020年海洋立体监测系统想象图

(2)海洋经济的需要

船舶是极其复杂的系统，为了保证在复杂海洋环境中船舶航行与作业安全，目前船上仍配备了大量技术人员。随着运输、人力等成本高涨，造成了航运经济性较差；同时人工操纵存在失误、疲劳等问题导致海上事故频发；而且由于海上环境恶劣，必须考虑到人员耐受性要求，这严重影响了舰船作业时间和范围。

随着通信、计算机、自动化等科学技术发展，船舶的自动化程度逐渐提高，操控船舶所需的人员变得越来越少。未来船上甚至不再需要配置船员，逐步实现无人化（如图3所示），这将显著提高经济性和适应性。

未来海上无人运输船队想象图

(3)海洋安全的需要

海军是极其复杂的高技术型军种，其发展需要数十年的技术积淀。尽管21世纪以来海军装备信息化水平得以极大提高，然而目前处于最高发展水平的美国海军，一艘常规驱逐舰上仍有数百名战斗和执勤人员，一支航母编队则由上万人组成。生命最为宝贵，然而战争就意味着流血和牺牲，如何减小伤亡并打赢战争显得极为重要，无人武器系统的出现让我们看到了希望。

随着作战方式的变革，无人作战系统成为现代武器装备的发展趋势，得到各国高度重视。主要军事强国正在大力推动有人/无人系统的深度融合，逐步实现智能、协同的海陆空联合作战（如图4所示），这将是未来战争的一个发展趋势。

未来的海陆空立体作战模式想象图

因此，在认识海洋、经略海洋、保护海洋的战略需求驱动下，深入发展无人艇技术、推动无人装备应用，具有显著的理论价值和现实意义。

3 无人艇的系统构成及技术内涵

3.1　系统构成

无人艇的架构设计一般划分为监控站（岸基/母舰监控分系统）、无人艇（本体分系统）两大部分。对于无人艇本体而言，根据任务、功能的不同，无人艇的系统构成主要包括：载体、动力、操纵、控制、感知、通信、导航、载荷、作业、保障等子系统。基于模块化的设计理念，可将子系统细分为各个功能模块。无人艇研制中，依据使命任务需求和总体设计方案，分别对各功能模块进行技术攻关、详细设计、软硬件开发，通过系统集成最终构建出具备自主操控、安全航行及特定功能的无人系统。

一种典型的无人艇系统构成图如图5所示，为了保障无人艇有效运行，其中包含约20个子系统（功能模块），显然无人艇是一个非常复杂的系统。

一种典型的无人艇系统构成图

无人艇的各个子系统（模块）之间紧密联系，相互支撑、缺一不可。无人艇遂行任务时，通过远程通信模块实现无人艇与监控站之间的无线信息交互，接收指控指令，并反馈艇载信息（艇体、环境、目标等数据）；无人艇的核心是智能控制分系统，它结合艇体姿态、环境感知模块获得环境/目标信息及使命任务，进行任务决策、路径规划、障碍规避、航迹跟踪，甚至协同控制；对于一些军用无人艇，会通过目标感知及态势，启动智能打击及防御模块，对目标进行打击或自身防御。在无人艇出现故障后，可以通过故障诊断模块进行分析、处理，启动相应的安全策略。同时，通过自动驾驶模块可以切换遥控模式或自主模式，根据不同任务及需求选择适宜的运行模式。

3.2　技术内涵

（1）技术研究角度

无人艇技术具有多学科交叉融合、集成性和前瞻性的特点，涉及船舶与海洋工程、电子工程、计算机技术、信息技术、控制技术、人工智能、通信技术等众多学科领域。

无人艇的关键技术主要包括载体设计、自主规划与控制、环境感知、布放回收、武器投放、通信、动力、有效载荷等技术。其中，无人艇的通信技术基本上可以借鉴来自水面有人舰船的成熟技术，而动力系统则主要采用柴油发动机或锂电池，因此这两项技术门槛相对较低。而无人艇的有效载荷技术方面的门槛较高，突破难度较大。

①载体设计技术

载体系统是无人艇的“身体”即平台基础，载体设计技术包括无人艇的艇型设计、动力学分析与测试、总体设计与集成、高速航行稳定性、抗倾覆性、浮态自恢复等技术。

目前，无人艇主要包括滑行、排水、多体、水翼、半潜等五类艇型。其中军用领域一般采用滑行或半滑行艇型，而民用领域则一般以排水、多体型为主。

②自主规划与控制技术

如果把无人艇比作一个人的话，那么智能控制系统将是无人艇的“大脑”，而自主技术则是其核心。

自主技术能够降低无人艇对于人员和通信带宽的需求，同时扩展任务范围或改善操控性能。一直以来自主技术都是无人装备的核心研究领域，虽然近年来发展迅速，但是自主等级、可靠性和环境适应性等仍有很大提升空间。

③环境感知技术

环境感知系统是无人艇的“眼睛”，是实现自主航行和作业的前提。

近年来，尽管在无人艇传感器及处理技术方面有了较大发展，但在环境感知技术领域仍存在较多技术问题。比如海上视觉感知算法，当前仍处在初期发展阶段，可靠跟踪、识别能力亟待提高。

④武器投放技术

载荷系统是无人艇的“拳头”，为执行反水雷、反潜、反恐等任务，要求无人艇能够携载、投送专门的武器（载荷）。

面临的主要技术挑战是在各种海况下可靠地跟踪、瞄准目标并遂行打击。目前，主要是通过遥控站的方式进行武器控制，还未实现自主式武器控制。

⑤布放与回收技术

部署系统是无人艇的“保障”，布放回收技术是无人艇能否成功运行的关键。

无人艇布放回收技术面临的挑战，包括布放、回收作业的安全和可操作性，系统的通用、自主与可移植性，无人艇与母平台潜在冲突等。目前，美国的无人艇布放回收技术水平最高、发展最快。

（2）军事应用角度

无人艇作为一种依靠遥控、半自主、自主甚至全自主方式在水面运行的无人化平台，它通过搭载多种传感器、特种装备或武器模块等载荷，在目标海域执行反水雷、反潜、反舰、电子战以及海上安全等任务使命。

2007年7月，美国海军首次发布《海军无人艇总体计划》，该计划中规划了无人艇的七项使命任务和五大重点发展技术，成为了美国海军无人艇技术研发、作战运用的纲领性文件。其中，七大任务使命包括反水雷、反潜、海上安全、反舰、支持特种部队作战、电子战、支持海上封锁行动；五大重点发展技术包括自主技术、障碍规避技术、载荷/武器耦合技术、布放与回收技术、先进船体/机械/电气/系统技术[5]。

4 无人艇技术的研究现状

参考技术发展水平、遂行任务能力等因素，可将无人艇技术的发展分为三个主要阶段。

4.1　萌芽阶段

萌芽阶段为二战时期至20世纪90年代初。无人艇的发展历史最早可以追溯到1898年，当时著名发明家尼古拉特斯拉发明了一艘名为Wireless robot的遥控艇。

在二战时期，无人艇第一次被应用在实战中。1944年，盟军在诺曼底登陆期间，开发了可以运载大量烟幕剂的无人艇，按照预先设定的航向驶往特定海域，造成盟军舰队登陆的假象，实现其作战掩护和战略欺骗的目的。二战后期，美国海军还曾通过在小型登陆艇上加装无线电控制的操舵装置和扫雷火箭弹，用于浅海雷区作业。

二战结束后，无人艇得到了进一步发展，主要用于扫雷和战场损伤评估等任务，如1946年的“十字路口行动”中，原子弹每次爆炸后，均使用无人艇收集辐射水域样品。20世纪60年代苏联开发了小型遥控无人艇，主要用于向敌方舰艇发动自杀式的撞击爆炸性攻击。20世纪70至80年代，由于技术的限制，无人艇技术并未获得很大突破，主要应用于军事演习和火炮射击的海上靶标（如下图所示）。

美国军事演习中的无人靶船

4.2　起步阶段

起步阶段为20世纪90年代至本世纪初。20世纪90年代后，随着关键技术的发展，真正意义上的无人艇开始出现。比较典型的是美国研制的遥控猎雷作战原型艇（如图7所示），成功在波斯湾跟从库欣号驱逐舰进行了海上作业。1997年1~2月的“SHAREM 119”演习中，该艇进行了长达12天的猎雷行动。

美国AN/WLS-1型遥控猎雷作战艇

这一阶段，无人艇更多地处在概念武器的试验和验证阶段，逐步具备了现代无人艇的基本技术特征，具有较高的自主航行能力，这与早期遥控式无人艇有本质区别。

4.3　快速发展阶段

快速发展阶段为21世纪初至今。随着计算机、信息、控制、导航、通信、新材料等相关技术的进步，无人艇技术得到了快速发展，其自主等级、性能显著提升，并向智能化方向发展[6,7,8,9,10,11]。下面从单无人艇及多无人艇两个角度，简要回顾国内外近年来的研究进展。

（1）单无人艇技术方面

美国、以色列等军事强国高度重视无人艇技术发展，持续大力投入，据统计在研、现役无人艇共约19型63艘（美国占总数的50%），在情报侦察、反水雷、反潜等领域发挥了重要作用，典型代表有Protector（保护者）、Spartan（斯巴达）、Sea Hunter（海上猎手）。

2003年，美军在葛底斯堡号巡洋舰上部署了第一艘斯巴达侦察兵号无人艇，在阿拉伯湾地区参与执行了“伊拉克自由行动”和“持久自由行动”等任务。2007年，美国海军发布《海军无人艇主计划》（如图8所示），为无人艇赋予了7项任务，同时还界定了无人艇的船型、尺寸和标准等要素，这标志着美国无人艇走上了正规发展阶段。

2007年美国海军首次发布《海军无人艇总体计划》

2010年，美国预先研究计划局（DARPA）启动了海上猎手大型反潜无人艇研制项目（如下图所示）。海上猎手由美国DARPA与海军共同资助雷多斯工程公司研制，2010年3月正式启动，2015年11月交付，2016年4月命名下水，计划部署100艘。海上猎手号反潜持续跟踪无人艇是目前美国甚至全球最先进的无人水面装备，专门为对抗中国、俄罗斯的潜艇（尤其是安静型潜艇）而研制，达到以建造潜艇不到1/10的成本消除敌方潜艇威胁的目的，被美国军方誉为“预示美国机器人在作战领域取得的巨大进步，可以改变美国海上作战的性质”。

美国DARPA的海上猎手号反潜持续跟踪无人艇

2014年，哈尔滨工程大学在国家863项目支持下研制了天行Ⅰ号多任务高速无人艇（如下图所示）。该艇采用复合推进方式，艇长12m，满载排水量7.5t，最高航速50kn，续航力1000km，可以四级海况安全航行，具备自主航行、危险感知与规避功能，以及全自主海洋环境监测/侦察、地形探测等多任务能力[11]。

哈尔滨工程大学的天行Ⅰ号多任务高速无人艇

2018年，珠海云洲智能有限公司展示了瞭望者Ⅱ号察打一体导弹无人艇（如图11所示）。在艇艏位置配备四联装导弹装置，采用图像制导方式，火力覆盖范围为5km，同时还搭载了先进的光电系统和雷达系统。据报道这是中国第一艘导弹无人艇，也是全球第二个成功发射导弹的无人艇，填补了国内导弹无人艇这一技术空白。

珠海云洲公司的瞭望者Ⅱ号察打一体无人艇

（2）多无人艇技术方面

2014年，美国海军研究局（Office Naval Research,ONR）使用13艘无人艇进行了蜂群战术测试（如图12所示），在测试中，所有无人艇成功实现将各自获得的数据进行共享并遵循一致作战协议，集群拦截了潜在敌方舰船。但在测试中一旦无人艇蜂群形成基体认知，每艘无人艇将各自执行蜂拥行动而缺乏计划性，即所有无人艇会涌向第一个威胁，而忽略其他危机。

美国ONR首次测试多无人艇集群协同防护重要目标

2016年，美国ONR再次进行了无人艇蜂群技术演示验证（如下图所示）。测试中共使用4艘无人艇执行重要港口巡逻警戒任务。据报道新版本的软件系统在自主协同、行为引擎和自主目标识别方面取得了突破性进展，使得无人艇蜂群具有更丰富的作战行为模式和更高的自主水平。

美国ONR第二次测试多无人艇集群协同港口警戒

2017年，哈尔滨工程大学在山东海域完成了7艘同构无人艇的群体编队海上试验（如下图所示）。并于2018、2019年多次完成了3艘异构无人艇的协同编队、水上目标围捕等外场演示试验。

哈尔滨工程大学的7艘无人艇编队海上试验

2018年，在南海万山群岛海域，珠海云洲智能有限公司开展了一场迄今为止最大规模的无人艇多艇编队技术测试（如图15所示）。在复杂多变的实际海况中，由56艘同构无人艇组成的海上编队整齐划一地前行，成功完成了躲避岛礁、穿越人工设置的桥洞等任务，并能快速切换编队造型，完成无人艇编队的队形保持、队形变换等多项测试科目。

珠海云洲公司的56艘无人艇编队海上试验

5 无人艇关键技术的发展趋势

无人艇技术研发和应用历史已逾80年，伴随着计算机技术、通讯技术、自动控制、信息技术、动力与能源技术、材料技术、人工智能等高新技术的日益发展，无人艇应用领域将不断拓展，呈现出综合化发展的良好态势。无人艇的发展目标已经由完成某些特定任务，向拥有智能决策、群体协同能力迈进[12,13,14]。

综合国内外无人艇技术研究现状及未来需求，无人艇关键技术发展将呈现四个主要趋势。

5.1　载体设计技术

（1）总体采用模块化设计和开放式体系结构，降低研发成本，兼具执行多种任务的能力。

模块化设计和开放式体系是分别设计系统的不同组件，将系统细分为较小的部分的方法，这些部分可以独立搭建，然后在不同的系统中用于执行多个功能。目前，各国开发的无人艇几乎都采用了模块化设计和开放式体系架构。可根据不同的作战任务进行不同的功能组合。整个设计是高度模块化的，可以根据所需任务、有效负载或环境条件来替换或修改每个模块。例如美军研发的斯巴达侦察兵号无人艇，技术成熟的模块囊括了监视和侦察、反舰作战、排除水雷、反潜、目标打击等模块，可在一个小时内利用“即插即用”型任务模块完成一艘基本版斯巴达侦察兵无人艇装配。模块化设计和开放式体系结构提高了无人艇研发进度和功能的多样性，同时有效降低了科研成本。

（2）任务驱动的高性能、新概念艇型设计层出不穷，无人艇的载体性能得到显著提升，并演变出更多新功能。

当前无人艇的载体构型，仍以滑行、排水、多体、水翼、半潜等五类艇型为主。但是随着军民领域对高性能的不断追求，对新需求、工作域的逐渐扩展，导致常规无人艇型，已较难满足或适应高性能、新任务对载体的苛刻需求。比如，研究可变结构、多航态的载体，提升隐蔽性或高海况生存能力；研制具备海陆两栖航行能力的复合型载体，以应对岛礁、濒海任务需要；探索具备水下、水面、空中跨域适应性的新型航行器，以适应隐蔽潜行、快速突防的需要；研究具备高海况甚至全海况安全航行、超长航时续航能力的大型/多体载体，以执行反潜、有人/无人协同作战等使命。总之，推动无人艇工作空间从单域向多域、跨域发展，工作时间从局部短期向广域长航时发展，环境耐受性从低海况向高海况发展，将是一个发展趋势。

（3）研发续航持久高效的动力系统，提高无人艇的活动半径和续航能力。

在实际应用中，无人艇主要执行环境监测、情报搜集、海域监视以及反水雷等任务，要求无人艇具有出色的续航能力。目前，已经有国家着力研究长航时的无人艇。例如，美国开发的SD 1021号和海上猎手号无人艇，英国研发的C-Enduro号无人艇等利用多种动力提高续航能力。

根据目前技术，主要从能源技术方面提高无人艇续航能力，例如用高性能电池、高能比燃料和新型能源等增大动力系统提供的能量。此外，基于太阳能、风能和波浪能等海洋能捕获技术，开发海洋能驱动的新型无人艇，并成功获得了工程应用，在这方面民用领域的研究最为活跃。

5.2　先进材料技术

先进材料技术将有可能为无人艇提供更轻、更坚固、更隐身的基础平台。先进材料是指能够提供物理或功能方面高性能、新属性的材料。先进材料技术在无人艇上的应用体现在以下几个方面：

（1）电磁隐身。导电纳米棒分散于液晶超结构中的可调超材料结构体能够吸收和反射电磁能量，可以帮助无人艇获得期望的隐身效果。

（2）艇型优化。一种名为纳米工程电活化表面的材料有可能实现船壳的变形，在作战时艇体的形变将改变艇体的空气动力、水动力和声传播（吸收）效率等。

（3）电子设备小型化。分子电子材料技术的应用不仅可以提高设备的可靠性和降低成本，而且可以减轻重量并减少耗电量。设备小型化带来最大的好处就是可以增加更多的负载，无人艇的多功能性更强、综合性能更佳[15,16,17,18]。

5.3　自主控制技术

鉴于无人平台特性，自主控制技术一直是非常重要的研究方向。目前较为成功的自动控制系统有以色列银色马林鱼号、黄貂鱼号无人艇搭载的自动舵手系统，这是一套具有高度自适应性和决策能力的智能决策专家系统，能够根据所处任务环境和执行任务的种类自主完成无人艇的控制。

（1）高新技术驱动自主等级不断提升，环境适应性更强、支持任务更复杂。

随着博弈论、智能决策、控制论、机器学习、群智优化等先进技术及新方法的不断涌现，并与无人艇进行有效融合，将逐渐突破高级任务决策、快速路径规划、自主多动态危险规避、敏捷运动控制等核心算法，推动无人艇的自主等级不断提升。

目前美国开发了一套成熟的海上自主导航系统，主要融合了人工智能、三维数字成像和传感器融合技术，显著提高了无人艇单独执行任务或与其它平台协同作业时的自主能力。可以预见人工智能技术、先进计算机技术和新型信息处理技术的融合应用，将会是未来无人艇自主控制技术发展的一个趋势。

（2）面向实战注重多平台、跨平台组网，提高协同化作战能力。

考虑到未来战争将是海陆空天多维一体作战的模式，无人艇与其它有人或无人平台协同作战是未来发展的一个重要趋势。从技术角度讲，如果采用相同的标准和开放式体系架构设计，无人艇就可以同其它有人/无人平台共享信息、载荷，从而与作战网络中的其他平台无缝连接，使得这些平台能够在网络的支持下集成一个整体，实施多维、一体化作战。目前，美、以、俄、英和中国均在积极开展相关研究与实践。

5.4　环境感知技术

无人艇的环境感知技术主要包括光视觉、雷达、红外以及水声等感知手段。环境感知技术是实现无人艇自主航行、自主作业的基础，也是无人艇具备智能特征的关键。

（1）多传感器信息融合处理，提供实时精确的环境感知信息。

环境感知领域的信息和判断可以作为无人艇控制和规划的依据，环境感知信息来源也不再局限于单个传感器的输入，将相机和雷达、水声及红外等其他传感器信息融合的技术也为无人艇环境感知技术开辟了新的道路，但当前仍存在许多研究难题，包括克服各个传感器的缺点，提供实时、准确的环境感知信息等，毫无疑问多传感器信息融合是未来无人艇环境感知的关键技术。未来无人艇的环境感知、决策控制和作业技术将更加深入融合。

（2）水面图像的增强复原研究，在复杂恶劣天气条件下获取失真度低的环境信息。

无人艇需要在雨、雾、雪、浪等恶劣天气下开展工作，这些工作环境使得水面图像模糊不清，图像的质量退化，一些关键信息存在丢失或损坏。需要建立一种满足恶劣天气环境的水面图像增强复原机制，根据外界环境自适应对图像进行复原，保留图像的关键信息，并满足水面图像目标信息获取的实时性要求。

（3）传统感知算法和深度学习感知算法的融合研究。

传统的感知算法具有理论性强、应用广和可靠性高的特点，深度学习的感知算法具有鲁棒性强、准确度高等特点。可以融合传统算法和深度学习算法，即克服传统算法鲁棒性低、准确度低和深度学习算法需要大量数据、人工标注等缺点，构建拥有两种算法优势的感知框架，提高无人艇的环境感知性能。

6 结束语

无人艇的最大特点是具有独立自主运行的能力，因此研究如何提高无人艇的智能水平非常重要。近年来，一些研究为提高无人艇的智能水平做出了积极贡献，包括任务决策、智能控制、非结构环境感知等，但仍有许多问题需要解决。其次，多学科交叉融合将极大促进无人艇技术的发展。有人/无人平台（无人机、无人艇、无人车及无人潜航器等）协同执行任务将是大势所趋，因此必须高度重视多平台协同技术研究和验证。

随着无人艇技术日趋完善、运维成本不断降低，可望在科考、测绘、运输、勘探、救援等任务场景获得大量应用。军用无人艇作为未来海战场的重要节点，大型化、智能化、功能及隐身化将是一个发展趋势，各种高性能、新型无人艇也将不断涌现。

来源丨《无人系统技术》2019年第6期