深海AUV发展趋势研究

胡庆玉，舒国平，冯 朝

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌443000）

0 引言

随着世界各国对海洋权益的日益重视，海军装备中反潜反水雷装备也逐步向现代化、低成本和低伤亡方向发展[1]，因此，水下无人作战系统成为世界各国军事装备研发的重点，并逐步向深海领域延伸发展。由于深海AUV在深水中作业需要承受高水压，且深海水下的地形、水文环境等非常复杂，许多关键技术需要突破，深海AUV则成为该领域的发展热点。深海 AUV（Autonomous Underwater Vehicle）是深海水下无人航行器，其主要任务包括深海探测、目标识别、深海反制等。

深海AUV在研制和使用上与浅海AUV有显著不同。在结构方面，既考虑耐压舱承压还要考虑舱体受压后的形变产生的密封性下降而发生漏水风险；在总体平衡方面，随着下潜的深度加大，海水密度随之发生很大变化影响了AUV的浮力，使其受力不平衡，这需要在设计过程中充分考虑浮力调节的问题；在导航定位方面，潜入深海的AUV无法采用传统方式校准惯导，需要采用新方式实现该功能。由此可见，深海AUV与浅海AUV相比有诸多自身的特点。

1 深海AUV的发展现状及特点

1.1 国内外发展现状

随着海洋工程技术的发展，深海AUV的许多关键技术不断突破，许多国家都在研究自己的深海AUV用于军事或者民用，初步估计全世界已有十几种不同类型的深海AUV。例如法国的ECA公司，美国的Hydroid公司，金枪鱼机器人公司，挪威的HUGIN系列等，均深入研究并成功开发出深海AUV，国内也有许多科研院校在深入研究深海AUV。因此，当前包括中国在内的各个国家对深海AUV非常重视，深海AUV的应用领域也越来越广阔。

1.2 国内外深海AUV的发展状况

1.2.1 REMUS6000

REMUS6000自主无人水下航行器是Hydroid公司的系列产品中工作深度最大的AUV。其外形及相关组成如图1所示。

图1 REMUS 6000外形图Fig.1 Outside drawing of REMUS 6000

由于REMUS 6000自主水下无人水下航行器自主海底跟踪航行，可携带有效载荷，最大6 000 m水深作业，以测量海水的特性，包括电导率、温度、化学成分，并且通过测深、声呐侧扫、磁学、重力学以及照相术绘制成像海底。REMUS 6000自主水下无人水下航行器的基本形式包括航行器、测深仪、侧扫和沉积层穿透声呐、导航装置和通信装置以及其他相关设备。REMUS 6000自主水下无人水下航行器也可根据用户需求配置专用传感器，以适应特殊要求。 REMUS 6000的主要参数如下：航行器直径71 cm，航行器长度3.96 m，航行器空气中重量862 kg，最大工作深度6 000 m，续航力22 h（典型速度），航速最大 4.5 kn。

1.2.2 Bluefin-21

金枪鱼机器人公司是美国一家知名的自主无人水下航行器的设计和制造商，该公司推出的无人水下航行器包括小型的 Bluefin-9、中型的Bluefin-12、大型的 Bluefin-21。Bluefin-21是一种高度模块化的自主无人水下航行器，可以携带多种传感器和有效载荷。其电源容量大，即使在最大水深也可长期工作，并可由各种应急船舶操作使用。

自由更换模块——无人水下航行器的设计包括可在使命现场更换的有效载荷段和电池模块，各种子系统均可接触，以便加快周转时间，并允许在现场维修，从而加速作业速度。 其外形如下图2所示。

图2 Bluefin-21布放入水Fig.2 Deploying Bluefin-21 into water

Bluefin-21的主要用途是近海勘测、搜索和救捞、反水雷、未爆武器处理、海洋学考察以及考古和探测。该型AUV主要技术参数有：航行器直径533 mm，长度4 930 mm，空气中质量750 kg，最大工作深度4 500 m；续航力：标准有效载荷3 kn时为25 h；航速 4.5 kn；传感器：侧扫声呐、浅层海底剖面仪以及多波束回声测深仪。

1.2.3 HUGIN 系列 AUV

挪威的HUGIN系列自主水下航行器在21世纪问世以来，从原型AUV，逐步发展了HUGIN 1000、3000、4500 以及 HUGIN-MR 等型 AUV。HUGIN 4500型AUV外形如图3。

HUGIN4500AUV是HUGIN系列中最大的，航行器的结构形式与该系列中的其他航行器相同，只不过体积更大、质量更重，主要不同之处在于采用了功率更大的半燃料电池，容量比HUGIN 3000AUV多30%。航行器的尺寸和电池容量允许航行器携带工作能力更强的传感器，例如高分辨率浅层海底剖面仪和侧扫声呐。 目前，HUGIN 4500AUV只作为美国C＆C技术公司的“勘测者III”使用，最大工作水深 4 500 m。 HUGIN 4500AUV主要参数有：航行器直径1 000 mm；长度6 400 mm；空气中重量1 500 kg；最大工作深度4 500 m；传感器侧扫声呐，工作频率为230 kHz或410 kHz，作用距离225 m，分辨率7 m以及工作频率为1～6 kHz的浅层海底剖面仪。航行器上还可安装摄像机系统、多波束测深系统、CTD、深度传感器、多普勒计程仪、超短基线水声定位系统、水声数据调制解调器。

图3 HUGIN 4500 AUV布放入水Fig.3 Deploying HUGIN 4500 AUV into water

目前挪威海军拥有2套休金4500AUV系统，用于反水雷和环境快速评估，配用HISAS 1030高分辨率合成孔径声呐，以3.5 kn航速在400 m水深工作，每小时可探测2 700 km2，续航力17 h，利用侧扫声呐的续航力为24 h，两次使命之间的维护保养时间为1 h。

1.2.4 探索者级 AUV

加拿大 ISE公司的 AUV长约 4.5 m，直径0.69 m。根据搭载负载的不同，其空气中重量在580～800 kg之间，其最大潜深为3 000 m。其巡航速度在1～5 kn之间，在AUV的负载段可携带各种不同的负载。1.1 m长的可伸缩通信天线，此天线有助于任务的再规划并且可以增加母船和航行器之间的通信距离。壳体包括1个7075-T6的铝质圆柱段和2个7075-T6型的铝质端部封盖，内部可使用的直径为61 cm，长度为159.5 cm。端部封盖利用铝质夹紧装置与圆柱体连接起来。自由进水分段采用玻璃钢制造。 航行器续航力：120 km＠3 kn。配置的传感器：多普勒计程仪、深度传感器、高度计、固定在桅杆上的GPS天线和超短基线应答器作为定位装置、导航装置、无线电通信和铱星通信系统。此外，应急设备包括应答器、定位器、闪光灯和射频无线电信标。

1.2.5 CR-02 型深海 AUV

该型深海AUV由沈阳自动化研究所研制，可用于深海水下资源调查，海洋环境调查等，主要参数有：最大作业深度6 000 m，水下最大航速2 kn，续航力 10 h，直径 800 mm，长度 4.5 m，重量1 500 kg。根据任务要求，潜航体搭载了水下相机，侧扫声呐，浅剖仪等探测设备。

图4 探索者AUV回收Fig.4 Recovery of Explorer AUV

图5 CR-02外形图Fig.5 Outside drawing of CR-02

1.2.6 海神 6000 型深海 AUV

该型AUV应用于深远海搜救型AUV，是我国首个用于深远海搜救的AUV，主要参数有：最大工作深度6 000 m，直径880 mm，长度7.5 m，最大航速5 kn，最大续航力24 h。根据任务需要搭载了USBL、飞机黑匣子搜索声呐阵、深海测深侧扫声呐、水下相机、CTD、深海声通机、前视声呐等多个探测设备。

图6 海神6000回收Fig.6 Recovery of Haishen 6000

2 深海AUV关键技术

深海AUV的研制需要突破许多技术，而其最关键的技术主要有动力能源技术、导航定位技术、水下通信技术、自主任务控制技术。

2.1 动力能源技术

由于深海AUV需要工作在深海水下的特殊环境，因此，对动力能源的要求较高，需要能源密度高、安全性好、易于维护、成本低、甚至需要电池承受深海水压等条件，因此，通常选择电池作为动力能源的载体。通常，在深海AUV中使用的电池主要有铅酸电池、银锌电池、锂离子电池，而目前，深海AUV中使用的锂离子电池居多[2-4]。

锂离子电池中的二次电池的比能量和能量密度分别达到铅酸电池和镍镉电池的4倍和2倍以上，寿命是银锌电池的130倍，已成为目前国外应用的主流，美国的REMUS系列AUV均采用了二次锂离子电池[5]。

2.2 导航定位技术

由于深海AUV在水下航行过程中，普遍采用惯导与计程仪组合的方式进行导航，而深海AUV无法实时浮出水面对惯导进行校准，因此，导航定位将是深海AUV的关键技术之一。目前国外一些研发机构采用其他设备辅助定位的方式，例如挪威的HUGIN系列采用了惯性导航装置，多普勒计程仪的组合下，利用水下超短基线定位装置进行辅助定位的组合导航，其导航精度令人满意。

随着导航定位技术的不断深入研究，未来的深海AUV惯性导航装置不断提高纯惯性导航精度使得深海AUV的导航定位精度将提升一个数量级，并有望不依赖多普勒计程仪和卫星定位装置便可达到导航精度要求[6-7]。

2.3 水下通信技术

深海AUV在水下作业过程中，唯一可以与工作母船进行通信的方式是水声通信的方式；而水声通信传输速率低，通信可靠性受到海洋环境影响较大，信号衰减严重，因此，各个国家均投入大量人力物力研究该领域技术。目前典型的该领域技术发展方向包括水声信道编码技术、水声扩频技术等，并逐步改善水声通信的质量[8]。

此外，水下无人航行器的通信组网技术也是各国家研究的重点，但目前成功应用于产品的只有少数国家。

2.4 自主任务控制技术

自主任务控制技术既是深海AUV的关键技术，也是深海AUV的核心技术，该技术包括对作业任务的管理，智能规划，自主状态检查和自主故障处理，自主避开障碍物以及自主航行。自主任务控制技术未来将朝着智能分析任务，并根据任务自主规划航路，根据当前的航行状态和设备状态，自主优化作业的时间和路径。

3 深海AUV的发展趋势

从上述国内外深海AUV的发展状况，可以看出深海AUV的发展正向着小型化、智能化、快速投送、快速反应的方向发展，其发展大致分为3个阶段：

第1个阶段，研制可以在深海水下航行的AUV，解决深海水下航行所需的关键技术，例如大深度耐压舱的设计加工技术，耐压密封技术，以及水下航行控制技术。

第2个阶段，在第1个阶段的基础上研发负载装备技术，并对探测、目标识别、布放和回收对接等关键技术进行深入研究，并最终形成面向实战应用的，成熟度高的产品。

第3阶段，优化深海AUV。研制小体积、小重量、使用便捷、智能化程度高、使用可靠、水下作业高效的深海AUV。此外，在军用领域能适应深海环境的同时也要适应水下网络战的要求，具备通信中继、侦察和反水雷、反潜等功能。对潜在敌目标识别，并实时与其他装备进行通信。必要时可以接收水面或者岸上指挥员的指令。