海上的较量—— 上海大学精海无人艇系列研发纪实

■ 彭 艳　骆阿雪

海上的较量—— 上海大学精海无人艇系列研发纪实

■ 彭 艳骆阿雪

近年来，捷足先登的上海大学在国内无人艇研制领域一直处于领先行列，该校与东海航海保障中心上海海事测绘中心（原上海海事局海测大队）、青岛北海船舶重工有限公司联合开发、自行设计并成功研制出我国第一艘“无人艇”。

2014年11月11日，在中国和平利用军工技术协会组团参加第十届珠海航展，并推出独具特色的展中展中，上海大学的“无人艇”成为展会亮点，吸引了包括政府部门、企业、国内外新闻界在内的大量观众参观、咨询，尤其受到军方的高度关注。

无人艇，作为一种机动灵活的水面移动舰艇，行动隐蔽、不易遭敌攻击，在军事和科考中用途广泛。因此近年来世界各国竞相开展对无人艇的研究，特别是欧美等国家已将无人艇的发展提升到战略高度。美国、以色列在无人水面艇的研究方面处于领先地位，德国、日本等国也在积极研究无人水面艇。我国对此也不甘后人，目前已将无人测量艇研制应用列入中国海事局海事测绘“十二五”发展规划。

近年来，捷足先登的上海大学在国内无人艇研制领域一直处于领先行列，该校与东海航海保障中心上海海事测绘中心（原上海海事局海测大队）、青岛北海船舶重工有限公司联合开发、自行设计并成功研制出我国第一艘“无人艇”。

合作攻关　首创国内“无人艇”

2010年9月初，原上海海事局海测大队准备造一艘具有自主航行能力的无人艇，解决在浅滩以及较浅的内河湖泊流域，载人船因吃水问题无法进行测量的难题。有关同志找到学校机自学院，请学院协助该科研项目的顺利实施。接到这个具有挑战性的项目后，机自学院非常支持，并联系了青岛北船重工游艇厂，连同原上海海事局海测大队，三方一起开会讨论项目的推进工作。

无人艇的研发主要遇到两个难题，一是无人艇面对的环境非常复杂。相较无人机在飞行过程中相对平稳的大气环境来说，无人艇在海面上面对的则是不断拍打撞击的海浪，以及光线在水面反射造成的干扰和近海较多的障碍物对传感器形成的严重影响。二是由于一般海上目标的距离较近，而诸如激光、红外等传感器的优势在于探测较远的目标，这就对无人艇传感系统的准确性和可靠性提出了更大的挑战。

经三方研究决定：由原上海海事局海测大队主要负责提供高性能的多波束测量系统、惯导系统，上海大学主要负责自主控制系统设计、自主功能实现，青岛北船重工游艇厂主要负责具有抗倾覆能力的高性能船体设计。

在这个项目中，上海大学机自学院的谢少荣教授担任总协调和管理，陈金波主要负责系统设计，饶进军主要负责自主导航与控制。经过近半年的努力，于2011年的5月，上海大学完成了系统设计及各部分的设备调试，此时，游艇厂的船体制造也已基本完成。2011年7月，在青岛用了2个多月的时间，设备基本安装完毕。接下来的任务就是进行设备测试了。

2011年9月底，无人艇海上调试正式进行。由于海上天气多变，且又临近秋冬，调试员们在户外要么被晒得脱皮，要么被风吹得骨头疼，大家都咬牙坚持着，绝不能影响调试进度。有时候碰到海上起大风不能调试，大家就在工厂里边修改样机，边做室内试验。

就在大家的齐心努力下，经过无数次室内试验和海上系统调试，我国第一艘无人艇样机终于攻克了自主航行、自动目标识别、智能避碰等技术难题，做好了接受各级专家严苛审核的准备。

2013年5月29日，原上海海事局、上海大学与青岛北海船舶重工有限责任公司三方联合开发、自行设计研制的我国第一艘“无人艇”——水面无人智能测量平台工程样机接受了来自交通运输部海事局组织的工程样机及海上试验项目验收专家的评审。

此次评审由中国海洋大学、解放军信息工程大学、海军航保部等十几个单位、包括中国工程院院士组成的专家评审团，对样机进行了遥控与自主导航航行、水面及水下障碍的自动避障、远距离自主航行等功能的试验，通过了中国船级社的检验，实现了海洋多要素综合测量功能，评审认为，该“平台”具有集成度高、操作方便等特点，满足设计要求，具有创造性、科学性、前瞻性和实用性，并一致通过评审。无人艇的研制成功既为我国无人艇的发展和生产奠定了基础，也使企业今后拓宽市场应用领域有了良好开端。

“精海1号”巡航南海

无人水面艇（unmanned surface vessel，简称USV），可用于反水雷攻击、舰艇（包括航母）处于停泊或低速状态时对周围海域的反潜（包括入侵蛙人、潜艇）手段之一，能更大限度地扩展海军探测敌方潜艇的能力，支持舰艇作战，提高海战时的传感覆盖，快速建立海战空间优势，在远洋护航中对海盗进行威慑和打击，成为未来海上侦查、作战和作业的新宠。

对我国来说，近年国际形势风云变化，围绕海洋资源争夺、岛礁主权、海域划界和通道安全的争端进一步加剧，海洋权益的维护亦面临十分错综复杂的形势，特别是东海、南海海域及其岛礁的维权需求，因此十八大报告首度将建设海洋强国提升至国家发展战略高度，指出：“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”。

而发展无人艇技术，既可提升我国海洋军事装备能力，提高我国履行国际公约、维护国家主权及海洋权益的能力，也可为我国维护海洋权益、处理南海等热点地区的局势提供新的选择。

由上海大学等三方联合研发的无人艇“精海1号”，在刚刚完成各种性能测试之际，便加入了这场海上的较量。2013年2月，“精海1号”搭载在中国海巡166轮上，对南海各岛礁和军港附近的海域进行测量，在南海岛礁测绘过程中，该艇曾驶入中越争议海区勘测，获取了大量宝贵资料。

“精海1号”无人艇为全封闭艇，最大航速18节，具有高抗倾覆性、集成度高、操作方便等特点。实现了遥控与自主导航航行、路径规划、路径跟踪、水面及水下障碍的自动避障避碰、远距离自主航行等功能；实现了单波束、多波束声呐测深，前视多波束声呐、侧扫声呐探测，多普勒流速流向测量等海洋多要素综合测量功能，其综合性能满足海事测绘部门对复杂水域进行测量作业的需求。

这次参与南海水域巡航任务，也是因为南海岛礁不适合大的测量船进行测量，需要使用无人测量艇，上海大学参与无人艇研制的陈金波、饶进军两位老师作为技术保障随队前往。由于路上颠簸，很多人包括陈金波和饶进军都出现了晕船症状，好在他们晕得不太厉害，遇到风浪船剧烈摇晃的时候，他俩还能坚持保护设备避免受损。

经过两天航程，他们安全抵达目的地，没来得及休整，南海巡航任务就开始了。所幸的是，两周的南海航行比预料的要平稳得多，风浪也没有想象的大，到达永兴岛后，便开始对永兴岛的码头进行测量。两人主要负责船的运行，从显示数据来看测量任务完成得不错。之后几天，又继续对东门礁、南薰礁、美济礁、仙鹅礁、赤瓜礁、永暑礁巡航并测量，基本完成了既定任务。不过中途也出现了一些小故障，有一次无人艇在执行任务的时候突然偏离了预定路线，而信号设备却都显示为正常，这下可急坏了陈金波、饶进军两人，直到收回无人艇彻底检查时才发现是船底控制方向的舵歪了。两人心里的石头这才算落地。

历时14天，顺利完成南海巡航任务后，陈金波、饶进军介绍说：“由于无人水面艇独有的大惯性大滞后的运动学与动力学特性，实现自主航 迹跟踪存在较大的难度。大家经过潜心研究和反复摸索，才解决了无人艇的自主航迹跟踪问题，经过水面试验效果良好。此次南海巡航检验了这一研究成果，对这一成果的应用与推广，将使0米线水下测量成为可能，为我国海洋测量事业提供了新的有效途径和技术手段。”

同时他们又表示：“南海是神圣不可侵犯的祖国领海，面对这片蓝色疆土，我们每个人都有责任去保护它。能够亲身经历这样一次巡航任务，我们感到无比光荣。尽管之前遇到各种各样困难，但现在看来都算不上什么了。”

“精海2号”出征南极

2014年10月30日上午10点，中国极地中心码头，随着国家海洋局刘赐贵局长一声令下，雪龙号长笛响起，中国第三十一次南极科考队起航出发。此次科考中，上海大学联合交通运输部东海航保中心、中船重工青岛北船自主研发的水面无人艇“精海2号”随着雪龙号远赴南极罗斯海域进行极地海洋测绘工作，成为中国首艘远赴极地执行自主测绘的水面无人艇。

针对我国南极第五座新建科考站——维多利亚地科考站的建站需求，上海大学联合交通运输部东海航保中心、中船重工青岛北船自主研发的水面无人艇在此次科考中承担新站所在海域——罗斯海域的海洋测绘工作。由于极地海域的复杂性，如大量浮冰、冰山、暗礁和浅滩，使得常规测量船在这一区域的海洋测绘存在极大危险。此次科考中，具有吃水浅、速度快、机动性高、自主性强等优点的水面无人艇“精海2号”将替代常规有人测量船完成高风险、高危险性的极地海域海洋测绘任务。

精海系列无人艇局部图

“精海2号”无人艇，除了保持“精海1号”无人艇的自主控制和测量功能外，还具备三模控制功能和低温技术，并安装了多波束测深系统、双频测深仪、侧扫声纳、浅地层剖面仪、声学多普勒流速剖面仪（ADCP）等水声测量设备以完成水文探测，适用于岛礁、近海浅水域以及南极等水下地形、地貌探测。

在已有成功研发应用的基础上，上海大学等单位进一步深化核心技术研究，拓宽应用范围，形成多元化产品系列。精海系列无人艇利用模块化、标准化技术实现了灵活高效的遥控与自主导航航行、任务航迹点动态实时设定、高精度航迹跟踪、自动避障避碰、远距离自主航行、高可靠的数据传输、智能数据存储、宜人化操作和健康监控等功能；并实现控制设备和测绘设备远程管理，根据任务需求实现所需设备的上电或断电操作，达到保护设备、节省能源、实现超长距离作业的目的；配置RTK-DGPS定位系统，同时配备北斗定位系统作为冗余终端，在数据链中断的情况下，仍可通过北斗基站获得无人艇的位置，具备全时全天候的海上精确定位能力。

近期，精海系列又迎来了第三代成员，作为代表最新研发成果的“精海3号”也将搭载在海航调查船上对岛礁和近海浅水域等水下地形地貌、水文进行探测和自主航道测量。