无人艇在水面靶标应用与关键技术研究

一、引言

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无人水面艇（USV）又称水面机器人，作为一种智能任务平台，具有在海上独立感知、识别和行动的能力。随着船舶设计、自主导航、导航控制、无线通信、人工智能等专业领域的发展，在国内外已逐步进入实际应用阶段，可承接海洋资源勘探、海洋环境调查、海上运输等业务，海上巡逻搜救、反雷反潜、火力打击等任务。美国海军无人水面舰艇总体规划了七种作战任务：反雷、反潜、海上安全、海上行动、特种行动、电子战和海上拦截行动。目前，美国、以色列、欧洲、日本等西方国家无人水面飞行器的技术水平较高，而我国无人水面飞行器的研发和应用尚处于起步阶段。

水面目标为反舰武器海上飞行试验提供水面模拟舰船目标，为反舰武器提供水面舰船的雷达散射特性、雷达辐射特性、红外特性及以上综合特性仿真；同时，为脱靶量测量、实时目标穿越观测设备和各种舰载主被动电子干扰设备提供安装平台，完成反舰武器目标穿越段的观测任务和抗干扰性能评估。在海上试验支持期间，目标无人值守，目标机载设备的操作由位于陆地遥控站或母船上的操作员远程操作。当使用水面目标时，它被用作海面上的固定目标或移动目标。如果是移动目标，则为手动遥控导航。

二、无人水面艇在水面靶标潜在应用

由于海上使用环境的一致性和无人值守的共同特点，无人艇的技术特点在应用于水面目标时具有其固有的优势。特别是，目前的水面移动目标实际上拥有无人水面舰艇的原型。无人驾驶船舶的自主能力不仅适合水面目标的应用场合和使用需要，而且可以弥补当前水面目标的诸多不足。如图1所示，通过使用无人驾驶艇相关技术来提高水面目标的保障能力有着广泛的应用场景。

图1 无人艇在布靶海域应用图示

（1） 地面机动目标。目前，只有在报废船舶导航控制系统改装后，再加装无线通信信道，机动目标才被改装成遥控模式。海上试验保障时，机动目标由人工操纵，附近有拖船。机动目标操纵员航行到布靶海域后，跳到拖轮上，通过遥控终端对机动目标进行遥控，移动目标编队控制也在遥控终端进行预编程。

上述试验方式在恶劣海况下难以操作，海上人员工作强度高，试验场地对各种工况的适应性差。将无人艇技术应用于机动目标，可以提高机动目标的灵活性和多目标编队的目标供给能力。地面机动目标不必沿固定航路导航，可根据试验规则和实际海况自行规划航路；利用集群协调的多目标机动目标，编队仿真更加逼真，为试验的组织实施提供了更加灵活的技术实现，能够更好地完成反舰武器对海上编队的攻击评估任务。

（2） 反舰武器末段弹道观测平台。反舰武器攻击水面目标的末段弹道测量对识别武器末段制导精度、评估引战配合效率、判断杀伤效果起着关键作用。过去，末端弹道观测设备安装在目标船体上，水雷测量和光学测量的观测范围都受到限制。在试验中，由于直接撞击船体的武器损失较大，试验成本效益相对较低。如果将末端弹道观测设备作为任务载荷安装在目标特性较低的无人驾驶船舶上，并固定在目标船体周围进行观测，则可以选择最佳的观测阵列，避免直接被武器击中，从而实现高效率和高成本比。

（3） 舷外电子干扰平台。水靶平台抗干扰试验是靶场复杂电磁环境建设的一部分。现代海洋电子战是系统与系统、系统与系统的对抗。以美国航母战斗群反导作战能力为例，远程全方位、大纵深、多层次兵力配置是其电子战系统配置的特点。在反舰武器抗干扰海上飞行试验中，无人艇可作为有源或无源干扰的安装平台。在反舰武器搜索攻击水面目标的整个飞行过程中，有目的地实施主动压制、欺骗、被动质心和稀释干扰，从而达到武器系统抗干扰评估的目的。目前，现役有源电子干扰方式多种多样，如可控nulka、拖曳蟾蜍、浮动ssq-95、助飞FLYRT和投掷警报器等。以无人艇为平台，搭载舷外有源干扰设备，模拟局部有源诱饵，具有干扰路径可控、多次重复使用、测试后再磁盘分析方便等独特优势。

（4） 试验海域的气象和水文观测。无人系统的优点之一是可以在海上长时间可靠地进行重复性工作。利用无人驾驶船舶任务航迹点动态实时设置和高精度航迹跟踪功能，可在试验前对预定海域进行精细的水文气象观测，提高观测精度和实时性，为试验决策提供可靠依据。

（5） 在目标区域进行警戒、巡逻和搜救。为了避免海上意外攻击，一定数量的部队将在目标区域周围巡逻，防止商船或渔船意外进入危险区域。为节省人力物力，采用无人艇完成扫海任务，进行警戒、警戒和驱逐作业；此外，当海上发生事故时，利用无人艇的强大机动性在危险区域进行搜救或近距离侦察是一种可行的技术解决方案。

三、水面靶标领域无人艇关键技术

无人水面艇的核心设计原则是目标任务指导设计，在艇型设计和舱室布置方面，不必考虑人的承受能力与舒适度，其技术特点和发展潜力与水面靶标的海上试验需求高度吻合。不过，无人艇如果要在水面靶标领域投入实际使用，还需要解决涉及的关键技术问题。

⒈无人艇目标特性控制技术

无人船目标特性控制主要是对其雷达散射特性的仿真和控制。无人艇的目标特性控制应从船型设计和船载任务载荷的安装两个方面考虑，通过船身的综合优化布置来实现。

以无人机作为机动目标时，仿真对象是中小型水面作战舰艇的雷达散射和运动特性。一般采用角反射器组合来模拟雷达散射特性；但由于船体几何尺寸有限，如果雷达散射面积仿真要求较大，可以采用RCS有源增强仿真技术，仿真结果可以在包含舰船目标信息和环境信息的雷达回波信号中再现。

当无人驾驶舰船用作目标观测平台或舷外有源电子干扰平台时，为了避免舰船目标特性影响反舰武器导引头的搜索和跟踪，需要进行雷达散射隐身设计。无人机雷达隐身设计的基本过程如下。

（1） 确定无人船用雷达的隐身设计目标，给出对雷达威胁区域、导引头工作频段和入射仰角范围的要求，确定待隐身设计的船体方位角和俯仰范围；

⑵ 根据导引头的工作频带和无人艇的外形特征，计算无人艇外形的RCS；

（3） 根据任务载荷布置和加工工艺要求，完成整船设计及非光滑表面的平滑处理和集成；

（4） 针对船体特殊载荷部位，优化局部主散射源的隐身设计，针对特定散射强点配置雷达吸波材料，计算全配置下整艘船的雷达截面；

（5） 进行必要的船体规模模型或全尺寸陆上和海上RCS测试验证。

⒉通信保障

无人艇的通信对象包括岸基（或母舰）保障系统及其他无人和有人平台；通信手段主要有微波通信、卫星通信和水声通信。此外，北斗短消息通信也可用于应急通信。通信系统是连接车载自主导航系统和岸基支持系统（母船）的桥梁，具有上下行不对称、高带宽、低延迟的要求。下行链路数据为母船对无人艇的遥控指令信息；上行数据是指船舶自身的工作状态以及导航雷达、光电负载等传感传感器信息。由于上行链路数据包含大量的设备工作和雷达图像、视频等传感器信息，因此需要在压缩传输之前对其进行集成。

在微波信道中，由于无人驾驶船舶通信天线高度的限制，海洋引起的多径衰落对通信质量有很大影响。目前，用于无线数据传输的抗多径方法主要有扩频技术、OFDM技术和SC-FDE单载波频域均衡。窄带系统普遍采用扩频技术，技术成熟，可用于上行链路；OFDM或SC-FDE技术可用于下行链路宽带系统。对于卫星通信信道，通信距离不受限制，但受到无人艇平台的极大限制。必须解决卫星通信设备的安装和对船体摆动的敏感性问题。为了保证无人艇在不同工况下的通信畅通，车载通信负载可以根据数据类型和实时性要求，智能选择数据传输路径，即智能路由技术。

无人机adhoc网络技术，包括无人机编队之间的内部adhoc网络和无人机与其他有人/无人平台之间的adhoc网络技术，需要无缝集成到现有的测试测控网络和通信网络中。无人艇能够在自主编队中安全稳定地航行，并有望完成测试任务，这在很大程度上取决于无人艇之间船体运动数据、外部传感器和任务载荷等信息的互操作性和互操作性。这就需要优化无人机无线adhoc网络协议，开展组网控制、网络管理、通信安全防护等设备的开发，基于MIMO模式的mesh通信技术已经在实践中得到应用。此外，还需要解决无人艇与其他平台之间的异构组网技术，实现陆、海、空、天、潜的异构三维组网，为协同态势感知的组织实施提供支持，载人/无人平台的指挥和决策以及其他测试活动。

⒊航行环境感知与自主决策

水面目标的模拟目标是作战舰艇。本次使用的无人艇监测对象主要是目标区的水面目标。目前使用的外部环境传感器包括导航雷达、毫米波雷达、激光雷达、光电负载、AIS、气象站等类型的传感器设备，以实现一定范围内的海面目标检测。无人艇根据每个传感器的探测特性，从粗到细对特定目标进行探测、跟踪和识别，然后结合艇上电子海图和组合导航单元的信息，构建水面环境的三维态势图，从而实现无人艇对周围环境的独立、准确、完整的认知。在此基础上，可以正确、快速地进行导航规划，实现自主导航控制和自主避碰。

然而，与其他无人平台、无人飞行器和无人机相比，无人艇的海洋环境更加复杂、动态、不确定和复杂，尤其是在恶劣海况下航行时。在环境感知方面也更难。除了受到海洋照明和能见度因素的影响外，它还面临着特殊的挑战，如船体的严重垂荡和摆动、海洋目标的弱可观测性和大范围变化、浪花飞溅和不规则海岸线的外部干扰；目前，各种车载传感器基本上都是从其他应用的现有产品中选择的，很少根据实际使用环境和检测要求进行设计和开发，这使得导航环境的感知更加困难。

同时，基于多传感器的国内无人艇时空深度融合的理论和实际应用还不成熟。因此,目前,在更加复杂的导航环境中,依靠无人驾驶飞机在短时间内独立,安全,可靠地导航在技术上是不可能的。因此，在复杂情况下，无人艇需要依托岸基保障系统给予智能决策和相关背景知识支持，构建基于岸基保障系统的无人艇智能环境感知与信息融合、风险预警模型和理论。在这方面，硬件条件是可用的，可以由测试指挥和控制中心承担。岸基保障系统通过无线通信信道获取无人艇周围的静态和动态目标及导航条件，然后进行智能融合相关分析，运用深度学习等智能理论，知识库和情景计算，帮助无人艇进行智能决策，同时为无人艇提供航行海域的海况和气象支持。

⒋海上布放与回收技术

    随着蓝海海军的发展和反舰武器射程的提高，需要在母船上搭载无人艇在公海进行试验任务。母舰采用可靠的安置回收装置，完成无人艇在高海况下的收放作业自动化，无需操作人员进行辅助吊装和放船作业，这对提高无人艇的可用性和测试效率具有重要意义。

   目前，国内外无人艇采用的收放技术主要有悬挂式、艉滑道式和坞舱式三种。起重和释放技术包括艉部起重和侧部起重，应用广泛。可通过电磁阀开关和挂钩释放布局；复苏更为复杂。首先，弹射机构将弹射头和引线从船上弹射出来，然后PTZ机构控制弹射机构的姿态，确保弹射头和引线弹射到母船上，然后对接机构将船体与母船连接并提升。船尾滑道式通过滑道装置完成无人艇的收放。在回收过程中，选择合适的冲洗和排放时间。无人艇以高于航母航速的速度进入船尾滑道，通过滑道前的阻挡绳与艏钩机构连接。阻挡缓冲机构吸收无人艇的冲洗和排放动能，使无人艇在短距离内被阻挡和停止；在铺设过程中，无人艇的吊钩由电控机构打开，船首与屏障电缆分离，然后滑向水面。坞式收放技术将无人艇存放在母船坞内，展开前打开舱口向船舱内注水，支架上无人艇浮起后打开锁定装置，手动遥控将其从支架上拉开；恢复程序与上述过程相反。

悬挂和释放技术对航速和海况的适应性差，安全性低。然而，由于传统习惯，过去大多数海上船舶都使用这种方法，因此无需对承运人的船体进行重大改动。目前，它被广泛应用并不断发展；船坞缩回技术受船速、海况等因素影响较小，但对船体空间结构要求较高；艉滑道缩回技术在适应海况、空间要求、航速和可操作性等方面具有较好的综合性能，更适合无人艇的缩回和缩回需要。这就要求未来的试验支持船的设计和建造要综合考虑各种类型的无人船的回缩和回缩要求，以及设计无人船的特殊回缩和回缩装置。

四、结语

综上所述，地面目标试验的需要与无人飞行器固有的技术特点高度一致，在这一领域有着广阔的发展前景。今后要以水面目标的海试要求为牵引，借鉴西方国家无人艇的相关建设经验和技术，统筹规划，加强无人艇型谱方面的顶层设计和标准化，机载设备和任务载荷、岸基支持系统和舰载支持设备，攻克关键技术，展示先进可靠的专业机载传感传感器和任务载荷的建设，逐步形成成熟可靠的自主控制与传感理论体系和技术架构，不断提高无人艇的自主控制能力、环境感知能力和智能化水平，加快无人艇技术向水面目标保障能力的转化。

  B+ X% M& m) R  g# B4 x& j' n【作者简介】文/王海涛 刁世伦，来自91550部队43分队。第一作者王海涛，男，硕士，高级工程师，研究方向为战场环境与目标特性及海上靶场测控技术；第二作者刁世伦，男，工程师，研究方向为海上靶场测控技术。文章来自《舰船电子工程》（2021年第6期），参考文献略，用于学习与交流
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