楚立鹏， 鄢宏华， 范 强， 付圣峰， 王永皎， 张 博， 梁萱卓

(1.中国电子科学研究院，北京 100041； 2.中国电科发展战略研究中心，北京 100043)

0 引 言

随着新军事革命和科技革命的迅猛发展，现代战争形态已逐步完成从机械化向信息化的过渡，正加速向智能化转变，世界军事强国均大力推动智能化、无人化作战装备发展。在最近几场高新技术局部战争中，大量无人作战装备涌向战场并发挥主导作用，无人化已成为未来智能化战争的重要特征之一。

海军无人作战系统是现代海军装备的一个重要组成部分，可充分利用海洋的隐蔽特性与立体空间优势，以网络信息为中心、以单平台的节点作战能力为基础、以异构集群的协同能力为核心，构建覆盖空中、水面、水下与海底多维空间，机动与固定相结合，可完成多种军事任务的无人装备体系[1]。水下无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)具有隐蔽性好、造价低、收发简单和操作灵活等优势，能有效避免人员伤亡，可深入恶劣、危险环境执行多种军事作战任务，将深刻影响和改变未来海上作战样式，已成为海洋强国争相发展的水下军用装备[2-4]。本文围绕水下无人潜航器，论述国外单体平台、集群组网和装备能力的发展情况，重点研究无人潜航器的无线通信技术与发展趋势，为我国水下无人装备发展提供借鉴和参考。

1 国外水下无人潜航器发展现状

1.1 水下无人潜航器单体平台

无人潜航器的研制始于20世纪50年代，主要用于沉船打捞、水下电缆铺设等民用领域。直到20世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、信息处理技术以及人工智能技术的发展，无人潜航器装备逐渐成熟，世界军事强国开始研究其在军事领域的重要作用[5]。进入21世纪，随着人工智能技术、导航与控制技术、传感器技术和能源技术的不断发展，无人潜航器的智能性、续航力、作业能力均得到大幅提升。近年来，美国、俄罗斯和欧洲等国家和地区加强了无人潜航器系统的装备研制和应用部署等方面的研究，积极推动水下无人自主和跨域协同作战能力生成[6]。2018年3月，俄罗斯推出可携带核弹头的核动力无人潜航器“波塞冬”，搭载波塞冬的特种核潜艇于2020年进入战斗服役。2019年1月，美国海军完成了刀鱼无人潜航器与无人扫雷系统的舰载集成测试，8月美国海军采购30艘[7]。2019年3月，美国海军与波音公司签订合同，制造和测试5艘可执行反水雷、反潜、反舰和电子战等多种任务的超大型水下无人潜航器。2019年9月，通用动力公司首次展示“Bluefin”-12无人潜航器，采用模块化和智能化处理技术，可执行多种水下侦察任务。2020年，美国国防高级研究计划局(DARPA)启动“蝠鲼”(Manta Ray)项目，旨在研制具备远距离、长航时、自主航行能力的无人潜航器，目前该项目已进入全尺寸样机测试和功能演示的第二阶段。

目前，以美国为代表的欧美国家在水下无人潜航器的研究和应用领域处于世界领先水平，多型水下潜航器已广泛应用于军用和民用领域。自2000年开始，美国相继发布了多版《无人潜航器主计划》和《无人系统发展路线图》，作为顶层战略规划文件，为潜航器的发展确定了多层次、全方位、体系性的基本框架，指导美军无人潜航器的技术发展和作战应用[8]。目前，美国比较有代表性的水下无人潜航器主要有General Dynamics公司的“Bluefin”系列，Teledyne Marine公司的“Osprey”、“SeaRaptor”，Lockheed Martin公司的“Marlin MK1”，Phoenix International Holdings公司的“Artemis”，Boeing公司的“Echo”系列，L3Harris OceanServer公司的“Iver”系列，Kongsberg公司的“REMUS”系列和“HUGIN”系列等，如图1所示，具体数据如表1所示。通过搭载不同任务载荷，水下无人潜航器可以执行海洋调查、情报/监视与侦察(ISR)、反水雷、滨海水下作战、特种战部队补给等多种任务。

图1 美国典型的水下无人潜航器示意图

表1 美国典型水下无人潜航器指标

1.2 水下无人潜航器集群组网

经过数十年的发展，潜航器单体已具备较强的水下作业能力，但由于潜航器平台搭载空间、续航、载荷能力等多种因素制约，潜航器单体执行多样化任务能力受限，难以适应愈发复杂的信息化、网络化、体系化对抗作战要求。面临战场环境的高度对抗性、不确定性和动态性，潜航器作战样式已逐步从单平台作战向多节点集群作战方向发展。

(1)新罕布什尔大学潜航器协同项目

20世纪80年代，国外率先开展了水下无人集群系统的研究工作。1987年，美国新罕布什尔大学在DARPA海军技术办公室资助下，进行了2台潜航器协同编队、协同搜索、协同区域扫描的验证性试验。

(2)协作自主的分布式侦察与探测系统(CADRE)

为实现美国海军UUV总体规划中提出的海底搜索和调查以及通信导航救援功能，Bluefin机器人技术公司联合多家单位研发了协作自主的分布式侦察与探测系统(CADRE)。该系统水下部分由3种不同类型的潜航器组成，分别执行导航、探测和识别水雷等任务，能够自主执行广域反水雷侦察任务[9-10]。

(3)濒海持续水下监控网络(PLUSNet)

为加强对沿海区域的监控，实现对常规潜艇的探测与跟踪，美国海军研究办公室(ONR)资助了濒海持续水下监控网络(PLUSNet)项目。该项目的水下机动节点由多个水下无人潜航器和水下滑翔机组成，具备目标探测和环境数据连续收集能力，通过多节点自主协同工作，可实现水下大范围常态化监视[11]。

(4)分布式敏捷反潜系统(DASH)

为实现对水下潜艇的分布式网络化预警探测，DARPA投资研发了分布式敏捷反潜系统(DASH)。系统的深海部分主要利用数十个水下无人潜航器组网，搭载声纳从下向上探测，有效提升探测精度，实现对敌方潜艇的大范围跟踪监视。

(5)自主海洋取样网络(AOSNⅡ)

在水下无人集群的海洋应用方面，自主海洋取样网络(AOSNⅡ)项目具有较强代表性，由水面浮标和数艘水下无人潜航器组成的网络节点长时间、大规模部署，在海洋环境监测方面发挥了重要作用。

(6)欧盟水下无人集群相关进展

除美国以外，欧盟也大力支持水下无人集群技术研究。GREX[7]项目主要研究水中无人集群指挥控制系统的设计和开发，异构通信网络信息交互，水中多节点在复杂环境下的协调控制等，2009年11月在葡萄牙海域开展了水上、水下4节点的协同路径跟踪和编队航行等试验。2009年，欧盟第七科技框架计划(FP7)资助了自主水下潜航器协同感知控制(CO3AUVs)[9]项目，该项目主要研究多UUV系统仿真环境开发、受约束的水下协同通信、地磁导航技术、协同行为设计等。2014年，欧盟的潜航器集群研究开始走向应用，大动态水声移动组网技术(WiMUST)研究多个水下无人潜航器动态组网问题，利用水下无人潜航器拖曳小型水听器阵，靠底接收地层反射声波信息，有效降低海洋环境噪声和阵元位置姿态影响，提升地震勘探精度和作业效率。

近年来，国外注重研究水下微小无人集群相关技术[12]。2015年9月，欧盟资助的CoCoRo[13]项目进行了水下41个节点组成的集群试验，以验证机器人网络是否具备群体认知能力。2017年1月，美国加州大学进行了16个微小水下探索者[14]组成的水下试验，这些微小机器人可模仿海洋浮游生物的行为，在三维空间内采集海洋环境信息。2018年，美国Aquabotix公司开发的 Swarm Diver[15]水下微小无人机投入市场，能以40个以上个体的集群模式工作，除了用于海洋环境监控、3D数据网络收集等民用领域外，还成功应用于协助美国海军搜寻定位水底“未爆炸军械”。

1.3 水下无人潜航器装备能力

随着单体平台和集群组网能力的不断提升，水下无人潜航器的作战应用领域不断拓展，逐步形成了多种任务能力，典型应用主要包括情报、监视与侦察、反水雷、反潜、海洋调查等。

(1)情报、监视与侦察

无人潜航器水面/水下机动航行的特性，使其具备持续收集水声信号、电磁信号、光电图像、水文信息等情报数据的能力，可应用于爆炸物及生化武器的搜索定位、近岸及港口隐蔽监视、水下探测系统探测与定位等多种任务场景，扩展现有水下预警探测能力，提升水下战场态势感知能力。

(2)反水雷

无人潜航器体积小、机动性强的特性能够将水面舰船的反水雷能力延伸到敌近岸浅水、水面封锁等受禁区域，通过搭载多种传感器实现对水雷的自主探测、识别与定位，综合多源情报信息后完成水雷清除，在保障人员安全的前提下，有效提高反水雷效率，降低水面舰艇编队通航风险。

(3)反潜

水下无人潜航器执行机动反潜任务，主要目的有两个，一是从源头要道对潜艇进行监视、跟踪；二是在水面舰艇编队作业区域和前进航路进行巡逻反潜，清除敌潜艇威胁。水下无人潜航器布放灵活，通过多个潜航器集群组网，可快速构建水下反潜栅栏，实现区域范围内对潜艇的探测、识别与跟踪。

(4)海洋调查

水下无人潜航器集群具备数量和网络优势，通过搭载不同的水文环境和地质环境监测设备，可对指定海域进行连续、多轮次、全覆盖式监测，并能将监测数据快速回传至数据中心进行处理、分析，快速完成战场环境数据收集，建立战场数据库，近实时支撑作战部署与战术调整。

2 无人潜航器无线通信技术研究分析

在未来新型海战中，制信息权的争夺将尤为激烈。水下无人潜航器作为重要的水下无人作战单元，执行的任务愈发复杂，要求潜航器与有人平台、其他无人平台、集群节点之间具备高效、可靠的通信手段，实现信息与态势共享，保障无人潜航器顺利完成作战任务。通过分析国外主流水下无人潜航器通信方式，结合研究工作实践，潜航器现有通信技术总结如下。

2.1 水面通信技术

综合国外水下无人潜航器产品介绍和相关文献资料，不同型号的无人潜航器基本集成2～3种水面通信模块，少数型号具备4种水面无线通信手段，保障潜航器与母艇、岸基指挥所/数据中心的通信连通。

(1)卫星通信

卫星通信技术被广泛应用于水下无人潜航器平台上，实现远距离、超视距通信，大多数潜航器平台均集成了卫星通信模块。当潜航器赴较远海域执行情报搜集或侦察监视任务时，卫星通信是数据回传和接收指令的可靠方式。此外，卫星通信仅在潜航器上浮至水面时短时间使用，被探测、定位的概率较小，有利于保障潜航器的隐蔽性和安全性。

目前，国外水下无人潜航器集成的卫通模块主要包括铱星和海事卫星，以铱星通信模块为主。铱星系统作为一种低轨星座，工作在L/Ka频段，可为潜航器提供全球通信连接，通信速率相对较低，根据潜航器平台尺寸选用不同模块，速率从几至几十千比特率不等。海事卫星系统作为一种高轨同步星座，工作在L频段，可为潜航器提供几千比特率的通信带宽，并且具备运动中连续通信能力。考虑到无人潜航器的搭载能力和波浪起伏的水面环境，卫星通信模块通常采用小型化、低功耗、全向卫星天线，保障潜航器进行卫星通信时的可靠性、连续性。

(2)无线电通信

卫星通信虽能解决无人潜航器远距离通信问题，但受限于通信带宽，不适于传输视频图像和数据量较大的情报资料，因此，无人潜航器大多集成超短波、数传电台等视距通信模块，满足高速率数据传输需求。超短波、数传电台通信模块根据发射功率、载波频段、天线形式和海况的不同，潜航器对母艇通信距离一般为数公里至数十公里。

水下无人潜航器工作时，通常以水面舰艇或潜艇为母艇，到达任务海域时，母艇释放无人潜航器入水，按照规划航迹执行作战任务。当任务完成或有基于事件触发的通信需求(如故障告警)时，潜航器可上浮至水面，通过无线电与母艇进行视距范围通信，快速回传情报、故障信息，接收母艇新的作战指令。

此外，部分大型水下无人潜航器上还安装了低频(频率低于300 kHz)接收机[16]，用于单向接收简短的指控信息和激活信息等。

(3)WIFI通信

作为当今使用最广的一种无线网络传输技术，WIFI具有信号强、传输速率快、安全性较强等特点，被广泛应用于水下无人潜航器平台上。潜航器执行任务前，通过WIFI网络快速加载任务类型、任务区域范围、规划路径等任务数据，潜航器回收后，可通过WIFI网络卸载搜集的情报数据，对平台状态进行检测和调试等，减少有线通信插拔次数，辅助提升无人潜航器甲板作业效率。

(4)数据链通信

目前加装数据链通信模块的水下无人潜航器数量较少，Kongsberg公司的“HUGIN”系列大型水下无人潜航器加装了Link终端，在网络范围内，能够快速、准确地传输水下环境信息和目标信息。通过数据链，水下无人潜航器可以与其他作战单元进行安全、快速的信息交互，提升联合作战能力。

2.2 水下通信技术

绝大多数水下无人潜航器都集成了水声通信机，用于水下工作时将探测信息回传母艇和实时接收母艇的指控命令。受限于水声信道的复杂性和水声调制解调器的功率和尺寸，当前水下无人潜航器能够进行水声通信的有效距离较短。对于小型潜航器而言，水声通信距离为几百米至几公里，通信速率为几千比特率，可以传输压缩过的视频图像和传感器数据，初步满足水声通信需求。

水声通信技术的另一重要应用为水下无人潜航器集群组网。开展多潜航器水下编队研究与应用，需解决潜航器节点间的通信问题，水声通信是当前首选的通信手段。无人潜航器通过水声通信交换位置、航向、航速等信息，在队形控制算法的动态调整下，完成队形变换与保持、巡线航行、避障等协同动作，在次基础上执行集群化作战任务。

2.3 新质通信技术

近年来，蓝绿光通信技术的发展给无人潜航器水下近距离高速通信提供了一种新手段。蓝绿光的波长位于水的透射窗口，水对蓝绿光的吸收系数小，使得蓝绿光通信可在水下传输相对较远的距离[17]，且传输速率高、保密性强、能耗低。当前，在深海环境中，光通信试验速率可达数百兆比特每秒。

水下光通信的特性较为匹配水下无人潜航器搭载空间小、能源有限的平台特性，成熟应用后将显著提升潜航器与其他平台的通信能力，进一步释放潜航器单体与集群的智能化作业能力，为实现这一目的，还需要研究解决基于无人潜航器平台的收发端动态对准和海水中杂质对通信效果的影响。

3 无人潜航器通信手段发展趋势分析

(1)声、光、电磁多手段互补，提升通信可靠性

无人潜航器具备水面、水下机动航行和作业能力，是未来海上作战体系重要的无人化作战装备。随着“分布式作战”、“机器人部队”、“智能化战争”等新型作战概念的发展与实施，无人潜航器在未来战场上将发挥更为重要的作用。在联合作战行动中，无人潜航器需与天基、岸基、空中、水面、水下的多型有人/无人平台协同执行预警探测、态势共享、火力打击等多种作战任务，需要频繁的与其他作战节点建立通信连接，这就要求潜航器平台在综合考虑体积、功耗、布局等因素的前提下，集成水声、光学、电磁等多种通信手段，同时具备空中和水下无线接入能力，实现与其他作战平台/系统的高效信息通联。此外，潜航器集成水声、卫通、超短波等多种通信手段，使得平台能够根据通信业务需求自主选择适配的通信手段，提高自主通信效率。考虑到未来海上作战复杂电子对抗环境，潜航器具备多种通信手段可有效提升保底通信能力，在一种或几种通信方式被干扰压制的条件下，仍能与其他作战单元进行信息交互，提升通信可靠性。

(2)加强高速率数据传输技术研究

可靠的通信连接是无人潜航器执行联合作战任务的基础，高速率数据传输技术是释放潜航器自主作战能力的关键。随着无人潜航器任务复杂度不断提高，需要的数据和情报信息就越多，除了平台自带传感器的数据外，需要高速率通信技术及时提供指挥中心的情报信息和其他平台的传感器数据，支撑潜航器快速、准确完成自主决策。当前潜航器平台搭载的卫通、超短波等无线通信模块存在通信速率低、恶劣海况下连接稳定性差等问题，未来针对无线通信手段的研究，应充分考虑潜航器的应用场景，重点发展高速率无线数据传输技术，增强潜航器的空域数据/情报接收能力。在水下通信方面，除了持续攻关水声通信、蓝绿光通信技术外，需要重点发展空海跨介质一体化高速通信技术，创新性研究中微子通信、引力波通信和量子通信等新兴通信技术应用于水下通信的技术路径，探索将多种通信手段组合，构建局部通信网络，增强无人潜航器的数据/情报获取能力。

(3)通信模块向着小型化、低功耗、标准化发展

相较于有人平台，水下无人潜航器装备体积小、重量轻，导致搭载能力有限，无法集成大型通信载荷。除此之外，现有潜航器大多采用电池供电，考虑到整体重量和动力系统推力限制，潜航器搭载的电池数量有限，各任务系统需在能源受限的情况下共用平台电力，这就要求各任务系统严格控制模块功耗。基于越发复杂的能力要求和通信保障需求，潜航器通常需配置声学、光学和无线电等多种通信模块，鉴于平台体积和能源保障制约，潜航器平台上的通信模块在设计制造时要注重尺寸和功耗控制，通过元器件高度集成和不同通信载荷工作模式的优化，确保满足性能要求的条件下，缩减模块体积和功耗，增加可执行任务时间。此外，现有无人潜航器平台种类较多，外形和尺寸差异较大，搭载的通信载荷在物理参数和技术体制方面不尽相同，不同平台的通信载荷共用性较差。未来，随着潜航器应用领域不断拓展，潜航器数量将持续增多，管理维护的难度加大，各任务系统将根据不同平台规格逐渐实现规范化、标准化，通信载荷也将向标准化、模块化、通用化发展，增强通信载荷的适装性和可维护性。

4 结 语

水下无人潜航器是未来海战的重要作战装备，世界海洋军事强国相继出台了相关的战略规划文件，指导水下无人平台的技术发展和作战应用。我国应重视无人潜航器的军事应用研究，加强顶层谋划，成体系布局潜航器型号装备，抢占水下无人作战的制高点。鉴于无人装备的智能化水平和联合作战的需求，潜航器的通信能力对其遂行多样化作战任务具有重要影响，应充分借鉴国外先进技术和经验，加强基于水下无人平台的通信载荷研究，推动无人化作战装备融入未来海上联合作战体系。