海洋论坛▏基于无人潜水器的有效载荷探讨

近年来，随着空中无人机（UAV）的井喷式发展，其在各领域内的应用范围越来越广泛。而与之相对的水下无人潜水器，也逐渐步入了发展快车道。这些种类各异的无人潜水器活跃在海洋科学研究、海洋工程施工、水下安保和水下作战等各类民用及军用领域，特别是2014年马航MH370失踪事件中UUV的华丽亮相，更是将其推到众人瞩目的前台。

图1 MH370事件中登场的蓝鳍金枪鱼UUV

无人潜水器，我们习惯称之为无人水下机器人，通常分为无人遥控潜水器（简称为ROV）和自主水下无人航行器（简称为AUV或UUV）两大类。它们最大的区别是ROV通过脐带电缆与母船连接，操作者通过监视器可以看到水下情况并实时操控载体的运动和各种设备的开关；而AUV则完全脱离母船，根据事先规划的路线，自主地执行使命，其作业范围比ROV更大。由于自身具有灵活的机动性、良好的隐蔽性和较强的续航力等技术特点，AUV在海洋探测领域发挥着独特的作用，被称为水下力量的倍增器。

图2 带有脐带电缆的ROV

无人潜水器是一个特征明显的多学科融合、交叉发展的前沿研究领域，长期以来，我国在该领域的研究重心主要集中在潜水器其平台自身上，包括其载体结构、控制系统、导航系统、动力推进系统、能源供应系统等各个方向，而搭载在无人潜水器上用以实现与执行各种功能使命的各种电子和机械装备——即有效载荷的研究并未受到足够重视。同时，我国在各类高性能声纳领域进行了持续的科研投入，并获得了丰硕的成果，但对于此类声纳的小型化、低功耗的平台适装性研究投入则有所不足。随着越来越多的资源在海洋中被发现，世界各国对于海洋维权的意识不断增强，为了扩大对海洋的搜探、感知范围和能力，世界各国尤其是西方发达海洋国家越来越依仗于AUV、ROV等无人平台，开发利用各类海洋资源，收集海洋环境信息，及时有效的实现海洋维权均是现实而迫切的需求。由于无人潜水器的储能和空间均十分有限，因此对其搭载的各类有效载荷在重量尺寸、功耗效率、以及系统集成技术方面提出了极高的要求，而传统的高性能水下感知设备，如高精度成像声纳、高速通信声纳和高效探测声纳往往体积比较庞大，且功耗较高，无法适装于该类无人平台。因此，针对无人潜水器的研究与开发不仅包括潜水器平台本身，其搭载的有效载荷也是至关重要的组成部分。

图3 无人潜水器的各类有效载荷

根据载荷所具备的功能进行分类，无人潜水器所搭载的各种有效载荷主要分为两大类：航行保障载荷与任务载荷。航行保障载荷是无人潜水器在水中正常航行所不可或缺的电子设备，这些载荷保障无人潜水器（主要是AUV）能够在水中安全、稳定的按照规划的航线航行，是潜水器执行各种任务与使命的基本保障。典型的航行保障载荷包括多普勒计程仪、惯性和电磁导航设备、避碰声纳等。惯性和电磁导航设备实时提供位置信息，保障潜水器的正常航行。多普勒计程仪能够提供潜水器的航行速度和深度信息， 通过与惯性导航设备构成组合导航系统，能够提高导航系统的精度。避碰声纳能够保障潜水器的航行安全，避免在航行过程中碰到舰船、水下山石等。可以说这些航行保障载荷是潜水器不可或缺的重要组件。任务载荷是指无人潜水器执行不同使命任务所搭载的相应的机电设备，从任务的划分来看，可以分为三大部分，执行通信任务的通信载荷，侧重成像与信息搜集功能的成像载荷，以及侧重探测与侦察功能的探测载荷。搭载通信载荷的无人潜水器能够与其它潜水器或海上舰船、潜艇、浮标、潜标等建立通信链路，进行信息交互，可以及时将搜集的情报和信息及时传达给指控中心，也能够实时接收指控中心下达的命令，因此通信载荷在潜水器执行军事防卫和海洋开发任务中发挥着至关重要的作用。

图4通信载荷设备及工作图

成像载荷在军事和民用领域都具有极大的应用价值。在军用领域中，无人潜水器搭载成像载荷可以执行反水雷和战区地形测绘等任务，帮助军方把握战场主动，降低战争伤亡与损失。在民用领域中，搭载成像载荷的无人潜水器可以执行水下地形地貌测绘、海底资源勘探、海洋环境数据采集、水下目标探测，以及海底科考、航道清淤、水下搜救等任务，为海洋开发提供重要的技术支撑，具有成本低效率高的优点。典型的成像载荷包括高分辨成像声纳载荷、侧扫声纳载荷、前视成像载荷、多波束声纳载荷、水下激光成像仪、水下摄像机等。

图5 高分辨率成像声纳载荷主机

探测载荷主要应用于军事领域，其主要功能是发现目标并获取目标的方位、距离、速度等信息，以实现对目标的探测、定位与跟踪，是海军执行情报搜集、监视与侦察任务的有效手段。典型的探测载荷包括舷侧阵探测声纳、拖曳阵探测声纳等。根据上述分析，可以看出，无人潜水器的有效载荷在无人潜水器的发展过程中具有十分关键的意义，决定着潜水器的应用价值与发展前景。随着国民经济领域海洋开发的不断推进，以及军事应用的迫切需求，无人潜水器所搭载的各种载荷必然面临十分巨大的市场需求。因此，研究、开发并生产相应的无人潜水器有效载荷装备，对于海洋科研、海洋工程和国防事业都具有重要意义。

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