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无人潜航器研究报告(四)水中作战平台关键技术


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(四) 无人潜航器 水中作战平台关键技术 目前,世界各国都在积极发展水中无人平台技术,特别是近几年来随着计算机技术

和通信技术的高速发展,在水中无人平台领域引入这些高新的科技大大推进了水中无人平台的发展进程。水中无人平台是水中

无人作战平台的主要载体,它的发展决定了水中作战平台的技术水平。发展水中无人平台是一门多学科综合性的问题,从它的

整体的框架到其搭载的硬件装备,再到其配套的软件技术,都需要相应的科学技术去支撑。下面就对发展水中无人作战平台所

需的关键技术进行分析。 

(一)任务模块技术 发展水中无人作战平台的目的就是利用其去执行各种不同的任务,它的任务使命决定了它的用途和功能。

如果仅仅为了简单的一项任务就建造一个专用的无人作战平台,那将是资源的浪费。如果将各种任务进行分类,然后根据任务

的需求建造相应的任务模块,这些模块可以执行任务的不同进行不同的搭配,在平台上自由的拆装,这将大大的提高了无人作战

平台的通用性,同时降低了整体的建造成本。 发展任务模块技术首先要设计还载体的结构,并为整个模块化的系统订立一个标准。

整体的结构要适合模块的更换,同时也要尽量适合航行体的基本结构要求等,例如总体结构的压力要求,水密性能,载荷等基本条件

都必须要得到满足。并且在整个结构中要尽可能的使用标准化的接口,以便于其它设备及模块的接入。模块中的设备应选用兼容性好

的设备,这样有利于新设备的替换,同时扩展性也比较好。

 (二)高度智能化 由于水下的工作环境的复杂化和不可预知性,因此水中作战平台系统应该不断的改进和完善自身的智能体系结构,

加强系统的应对变化的能力,提升系统的自主学习的能力,使无人作战平台拥有更好的自主性和适应性。水中无人作战平台的自主性和

适应性主要由系统的人工智能技术、集成控制技术和软件系统的性能决定的。目前,人工智能技术主要是人工神经网络技术和基于符号

的推理技术,两项技术各有优缺点,因此,将两项技术结合开发利用可以提高系统的学习和适应能力。对于系统软件的设计和系统集成

控制方面,很多国家都在进行研发,主要集中在以下几个方面:多传感器信息的融合和识别,兼容性好的软件结构体系,潜水器的闭环运

动控制技术等等。 

(三)动力推进与能源开发 目前的水中无人作战平台的工作范围受动力能源的影响很大,续航能力决定了它们的工作范围,能源的效率

决定它们的动力性能。目前的无人作战平台的航速普遍较低,一般都在10节以内,并且工作范围也比较小,工作时间短,这都是受到了

动力性能的限制。因此要提高无人作战平台的能力,提高其动力性能是十分必要的。现在大多数的水中无人平台的能源主要是:银锌电

池,锂电池,碱性蓄电池,铝氧半燃料电池等,这些电池虽然应用比较广泛,但是也都存在一定的不足。为了提高无人作战平台的续航

力,应开发发电效率更高、费效比高、可反复使用的新的能源来提高其动力性能。 (四)导航与定位技术 水中无人作战平台上的探测

与导航设备就是平台的“眼睛”,平台在水中工作时完全依靠探测和导航设备的收集的信息来进行航行和定位的。无人作战平台能否航

行到指定地点进行作业和完成指定的任务,导航技术起到了至关重要的作用。目前的水中无人作战平台的导航设备主要有惯性导航系统、

GPS系统、多普勒速度仪等。目前的水中无人作战平台多采用多种技术组合的导航方式,即利用GPS定位系统结合水下声波定位的方法

进行定位,利用惯性导航系统、多普勒速度仪和卡尔曼滤波器等等设备结合声纳和摄像机拍摄的图像数据进行导航。但是,目前在多种

设备的数据融合方面还存在着不足,需要继续的完善。同时一些国家在开发新型的导航技术,如海底地形匹配导航和重力磁力导航技术

等等,都是发展导航技术的新的方向。 

(五)通信技术 水中无人作战平台的通信联络是多个平台之间信息交换的主要方式。目前水下无人作战平台的通信方式主要有水声通信

和光纤电缆通信两种,其中利用光纤电缆通信属于有线通信,它是利用电缆和光缆作为传输媒介来传递信息,它的特点是传输信号速度快、

可靠性高,但是需要有光缆和电缆来连接两个工作单位,这就限制水中平台的作业范围和灵活性;而水声通信属于无线通信方式,它的作

用距离取决于使用设备的载波频率和发射功率,它的传输速度比较低,传输信息的距离也十分有限,同时水声通信受到环境的影响也很大。

研究水声通信是目前各个国家的发展的重点,他们主要集中于研究水声高速度、远距离传输技术和传输安全性等问题。目前美国还研制成

功了利用激光在水中进行通信,其主要利用的是蓝绿激光通过空中单位发射与水下100米左右深度的潜水器进行通信,但是距离应用到水

下作战平台上还有一定的距离。 

(六)布放与回收技术 水中无人作战平台的布放和回收也是研究水中平台所不可忽略的技术。目前水中无人作战平台多采用潜艇布放的技

术,这样能够既能够扩大水中无人作战平台的活动范围,又能够保持它的隐蔽性。各国对水下平台的回收装置的设计和回收方法方面的研究

比较少,而且进展缓慢。美国在这个方面进行了大量的研究,并进行了一系列的实验。 如在2005年“圣保罗-明尼阿波利斯”号(SSN-708)

攻击型核潜艇上装载了AN/BLQ-11水雷侦察系统,在制定海域进行了布放和回收实验,并取得了成功。解决好无人作战平台的布放和回收的

问题,将极大地提高UUV的使用效率。

 (七)平台协作技术 多水中无人作战平台协同作战技术作为无人平台的新的应用方式出现,得到了很多国家的重视。多无人作战平台协同工

作可以更可靠、更快速地完成但平台难以完成的任务。多个平台协同工作涉及到各个平台之间的通信互、信息融合、协同控制等等方面的问题,

下面就这些关键技术进行分析。

 1.多平台系统的体系结构问题 多个水中无人平台构成的系统的结构十分复杂,不仅仅是将多个平台简单的集合起来形成一个整体,而是要建

立起一个合理有效的系统体系结构,使各个平台能够充分的发挥它们各自的效能,使得系统的整体效能之和大于各平台效能的总和。选择合适

的体系结构是研究整个无人平台系统的前提,它的结构框架和控制机制决定了整个系统的构成和功能,是整个系统的基础。多平台系统的结构

研究主要包括两个方面:一是系统中单个平台的结构,而是多个平台间的组织结构。这两个方面也是未来研究多平台系统的两个主要方向。 

2.传感器管理技术 多个水中无人作战平台可以携带多种不同的传感器,在协同执行任务的时候可以利用多个传感器去进行探测,然后将各个

传感器收集的信息进行整合可以得到更多、更全面的探测信息。那么如何协调管理这些传感器,充分利用他们收集的信息资源是研究多平台协

同工作的一项关键技术。多个平台协同工作时能够利用通信网络将各个传感器收集的信息共享给网络中的每个单元,这样可以扩大整个系统的

探测范围,提升了每个平台的观测能力。将这些传感器合理的分配和管理,将极大地提高整个多无人平台系统的作战能力。传感器的管理包括

空间管理、时间管理和模式管理。对于传感器的管理,首先是根据作战的任务将传感器的任务进行合理的规划,即是根据任务内容决定传感器

的分配和任务的分配;然后利用控制指令指导各个传感器去完成任务。

 3.水声通信网络技术 水声通信网络技术是整个多个水中无人平台系统构建的关键技术,也是目前很多机构研究的主要方向。多水中无人作战平

台能否成功的组成协同作战系统以及能否顺利的完成既定的任务都取决于是否拥有良好的水声通信网络技术。由于水下环境的复杂多变,使得

水下通信受到了很多的限制。作为水下主要通信手段的水声通信的传输的距离、传输效率和可靠性都受到了水下环境的影响,因此设计良好的

通信方案和合理的水下网络结构都是克服水声通信不足的必要方法。这些问题都需要进一步的研究。 

4.智能协调与控制技术 多水中无人作战平台一起执行任务的时候,如何管理多个单元,多个单元之间如何协调工作,这些问题都需要有效的协

调与控制技术来解决。管理这些协同的单元涉及到任务的分配机制、资源冲突的解决方案、协调控制方案等等问题,将这些问题合理的解决将使

整个系统资源得到合理的配置,各个单元之间协调地工作,整体效能得到很大的提升。 在整个多平台系统中研究智能协调与控制技术的目的就是

为了使多个平台能够组合成一个整体在这个体系中能够协调的配合工作。多无人平台能够顺利地合作需要是明确的组织方式,而运动和工作中

能够协调地运作需要的是合理运作机制。只有解决好这两个基本点,才能够真正地提高多平台系统的协调与控制技术水平。

 5.多水下平台数据融合技术 多水中无人平台作战系统的最明显的优势就是能够将多个平台的传感器的信息共享给整个系统中的各个单元,使得

战场更加透明化。如何将多个作战平台共享的信息融合,形成每个平台都能够识别的信息数据则是实现信息共享所必须要解决的问题。这个问题

涉及到数据描述的一致性、多数据融合技术、计算机数据库技术和信息过滤技术等等问题,这些都是解决这个问题的关键。对于同构系统来说,

他们采用的是相同的探测设备,在该问题上比较容易解决;但是,对于异构系统来说,系统中的多个平台的结构不同,使用的设备收集的信息模

式也不同,如何将多种模式的数据信息融合过滤形成能被所有平台识别的数据是必须要解决的问题。同时,水下的特殊环境也给水中数据传输制造

了很大的麻烦,这也为多水下无人作战平台的数据融合早成了很大的困难。

 文章来源:《武器与装备研究选编》国际防务科技丛书(2015年第5期,总第15期)

中国电子科学研究院管理研究中心编译/ 图片来自于原报告或互联网。本文来源全球无人机网(www.81uav.cn),

原文链接:http://www.81uav.cn/tech/201802/10/692.html

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