来源：美国海军学院网站、国防科技要闻 （CDSTIC)
无人系统是美海军 “近海战斗舰” (FCS)、“未来水面战舰” (FSC) 及下一代攻击核潜艇 (SSN(X)) 等作战力量不可缺少的组成部分。美海军正在尽多、尽快地试验无人系统, 以积累经验并加快部署。
1海军列编无人系统项目
① 在海军无人系统项目投资组合中, 发展最快的是旨在探测、识别深埋水雷和高度嘈杂环境下水雷的“小刀鱼”无人潜航器项目。该项目于8月底完成承包商试验, 近期完成工厂验收试验, 将于10月底进行海上验收试验, 此后, 将进行研发试验和作战评估。
▲“刀鱼”无人潜航器概念图
② 通用无人水面艇 (CUSV) 也是近海战斗舰水雷对抗措施任务包组成之一, 将充当无人感应式扫雷系统, 该项目目前正处于承包商试验过程中, 此后将进行海军试验和猎雷任务能力评估。
▲德事隆公司的通用无人水面舰艇 (CUSV)
③ 另外, 海军大排量水下无人航行器 (LDUUV) 和超大型水下无人航行器 (XLUUV) 近期也取得了进展。“黑鱼”LDUUV于9月12日完成初始设计评审, 正处于细节设计阶段, 该项目如果在财年得到充分资助, 将寻求在财年第一季度进行关键设计评审; “逆戟鲸”XLUUV正在进行商业承包商的评选, 将于9月底授出初始设计合同。
2潜在可用无人系统原型机
除上述列编项目外, 美海军与海军陆战队一直在尽可能多地试验无人系统原型机, 希望发现无人系统执行新任务的更多可能性。正在试验的系统大多是小型水面艇和潜航器, 可辅助通信或侦察, 拓展任务范围。在UUV方面, 美海军近海战斗舰项目执行办公室无人海上系统项目办公室 (PMS 406) 正与海上系统司令部远征任务项目办公室 (PMS 408)、空间与作战系统司令部作战空间感知与信息战项目办公室 (PMW-120) 合作, 寻求一系列可执行海上感知、海洋探察、水雷对抗及其他任务的小型和中型。
▲水下无人航行器 (UUV)
3未来有人与无人编队
根据规划方案, 美海军部分未来舰船将依靠无人系统完成任务。FCS在一些作战任务领域中将充当无人系统母舰; FSC将包含1艘大型有人战舰、1艘小型有人战舰, 以及一系列无人水面艇; SSN(X) 也将依靠UUV来拓展其作战范围。按照Block V型 “弗吉尼亚” 级攻击核潜艇的设计方案, 它将具备与“黑鱼”UUV的兼容性, 为SSN(X) 的有人-无人编队铺平道路。当前正在进行的2个无人水面艇项目将有助于PMS 406初步了解未来无人水面艇。
① “中等排水量无人水面艇” (MDUSV)项目。“反潜战持续跟踪无人艇” (ACTUV) 已更名为MDUSV, 也称“海猎”号, 一直由海军研究办公室管理。目前, 海军研究办公室正在对第一艘MDUSV进行试验; 海军财年预算则为建造第二艘该型艇提供了资金。
▲反潜战持续跟踪无人艇(ACTUV)
② “幽灵舰队”项目。国防部主导的“幽灵舰队”项目正在试验一种较大型无人水面艇及一些保密的有效载荷。这2个项目都很重要，因为FSC可能最终包含2艘无人水面艇：一艘长约30～46 m, 类似MDUSV; 另一长约61～76 m, 类似“幽灵舰队”无人水面艇, 可搭载更多有效载荷。这些无人水面艇的续航力、速度、有效载荷能力差别较大, 将赋予作战人员更大的灵活性。
简氏分析自主潜航器水下导航挑战及方案
来源：《简氏国际防务评论》、国防科技要闻 (CDSTIC)
当前, 各国都在研发能携带多种有效载荷或运送潜水员执行一系列任务的自主潜航器, 同时用于指导潜航器编组行动的作战概念也已制定出来。其最大的特点是具有越来越大的自主性, 这可拓展作战范围、减少人员伤害、减轻人员工作量等。因此, 自主潜航器具备能在各种海况下自主和精确导航的能力显得尤为重要。
▲无人系统的组合使用具有提升作战效能的潜力
1水下导航挑战
无人潜航器面临的主要导航挑战在于, 水下缺乏电磁传播条件, 因而没有GPS信号, 也无法进行远距离的高带宽无线电通信。此外, 没有全面超精确的海底地图、海底环境动态变化等原因, 也让当前使用的所有导航技术无法发挥作用。
2当前的自主潜航器导航方案
① 让平台在航行过程中定期浮出水面, 重新进行GPS定位, 然后修正航向, 下潜继续执行任务。这一方案的缺点在于无法秘密行动, 并且需要潜航器频繁离开作战空间。
② 使用多普勒测速仪 (DVL), 利用发射的声波与接收的水底反射波之间的多普勒频移, 测量舰船相对于水底的航速和累计航程。这种方案在自主潜航器靠近海底运行时最为有效。
▲Hydroid公司REMUS 100潜航器采用300 kHz多普勒测速仪 (DVL), 可在距离海底250 m的高度进行操作
③ 磁罗盘也是广泛使用的导航辅助工具, 其成本相对较低, 并且能提供某种航向基准。然而, 海底磁性等潜在影响导致其精确性欠缺。
④ 加装惯性导航系统(INS), 该系统通常与多普勒测速仪及其他信息结合使用, 生成更精确的导航能力。惯性导航系统包括环形激光陀螺系统及光纤陀螺系统, 目前关注提高精度、降低尺寸、重量和功率 (SWaP)。不过, 目前大部分惯性导航系统是为飞机、导弹等平台, 没有为自主潜航器进行优化。环形激光陀螺系统容易抖动, 因而会产生噪音, 泄露潜航器的行动; 光纤陀螺系统虽然没有噪音, 但在同等尺寸下, 其性能表现不如环形激光陀螺系统。基于微电机系统 (MEMS) 的惯性导航系统可能是潜在的改进选项, 既能显著减小SWaP, 又能降低成本, 但过去来, MEMS技术发展缓慢, 目前的MEMS惯性导航系统需要GPS辅助, 用于无人潜航器平台, 则性能和精确性均不如环形激光陀螺系统及光纤陀螺系统。
▲波音公司“回声旅行者”大型无人潜航器可容纳更多的导航系统
3其他潜在导航方案
① 地形相对导航。可用于在拥有详细海底地图及其他相关地形信息的情况。美海军研究局正在开发“基于海床特征地貌的导航”(FBN), 即通过声呐、摄像机等感知水下地标, 然后基于这些水下地标进行导航。
② 声学导航系统。该系统可以提供高度精确的导航, 但要依靠一部应答器为自主潜航器导向, 因此最好在操作人员对所处工作范围拥有一定程度控制力的环境下使用。将应答器放置在海底和基础设施上, 能让航行器严格按照预先设定的路线航行, 并为其提供精确的定位信息, 适用于执行巡逻任务等。
③ 同步定位和制图。该方案通过潜航器所搭载有效载荷收集到的数据构建地图, 然后利用该地图作为导航工具。使用合成孔径声呐数据可以提高该方案的保真度, 并能在大体上充当一种导航信息, 不过功耗很大。
④ 使用可以广域部署的多个较小系统代替以较高速度航行的单一较大潜航器。通过使用多个较小系统可以降低对高功率电池及大尺寸潜航器的要求。这些较小系统组成的任务团队中, 包括一部可以浮至水面接收GPS数据、然后将数据传输给团队其他成员的航行器, 另外只需一部航行器安装惯性导航系统, 然后通过数据传输和共享, 即可实现团队协同完成任务。
⑤ 基于视觉的导航。先进摄像头与高性能计算相结合, 可以给水下环境带来巨大的影响。
