無人水面艇（unmanned surface vessel，簡稱USV），是一種無人操作的水面艦艇。主要用於執行危險以及不適於有人船隻執行的任務。一旦配備先進的控制系統、感測器系統、通信系統和武器系統後，可以執行多種戰爭和非戰爭軍事任務，比如，偵察、搜尋、探測和排雷；搜救、導航和水文地理勘察；反潛作戰、反特種作戰以及巡邏、打擊海盜、反恐攻擊等。在無人水面艇研發和使用領域，美國和以色列一直處於領先地位。目前各國都競相研製無人艇，國內比較知名的單位包括海蘭信、哈爾濱工程大學、中船重工701所、中船重工707所、中科院瀋陽自動化所、北京方位智慧型系統技術有限公司等，無人艇家族正在日益壯大。
基本介紹
- 中文名：無人水面艇
- 外文名：unmanned surface vessel
- 簡稱：USV
- 屬性：一種無人操作的水面艦艇
- 用於：執行危險任務
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國際現狀
美國海軍從上世紀90年代開始研究無人水面艇。2007年，美國海軍發布《海軍無人水面艇主計畫》，為無人水面艇賦予了7項任務，同時還界定了無人水面艇的船型、尺寸和標準等要素，這標誌著美國無人水面艇走上正規發展階段。
以色列“保護者”型無人水面艇已經開始批量生產，並裝備部隊。新加坡海軍是它第一個海外用戶，在一次演習中，他們利用登入艦搭載2艘“保護者”無人水面艇，進行海上保衛和封鎖行動，據新加坡國防部稱，“保護者”無人水面艇是“非常高效的”。
美國
2007年7月23日，美國海軍發布了《海軍無人水面艇主計畫》。該計畫從滿足美國海軍戰略計畫、艦隊發展以及國防部到2020年部隊轉型的需求等方面，詳細介紹了美國海軍未來無人水面艇（USV）的發展計畫。
發展構想
USV的發展構想是：開發和裝備成本節約型的USV，改善海軍和聯合作戰能力，支持本土防禦、全球反恐作戰、非對稱作戰和常規戰爭。為提升USV穩定性和耐波能力，協助打擊地區性、跨國界、以及全球範圍內的敵人。USV將完全實現自動化，從而降低通信/數據交換的需求以及操控人員的負擔。此外，USV可通過布放和回收儀器設備，收集、傳送和處理各類信息，使美軍及其盟軍能夠以最低的風險或代價攻擊目標。
為了實現USV的發展構想，USV主計畫確定了以下目標：
（1）確定USV近期（5年）、中期（5年至10年）和未來（10年以上）的能力，具體包括：任務描述和優先性，每項任務的高層次作戰概念（CONOPS），並通過對備選能力進行評估，確定這些能力是否適用於USV。
（2）建立USV的性能級別，使各級USV能夠滿足能力的需求：①推薦若干級別的水面艇，構建高效的、集團化的、互為補充的能力；②在海軍項目中，界定USV類型和尺寸的具體範圍；③審查各USV級別內部以及彼此之間的模組化和通用化水平。
（3）評估技術要求以及技術準備情況，為USV平台和相關負載的研製提出相應的技術投資策略。
作戰使命
根據國防部和海軍的指導性檔案，這份主計畫確定了USV優先發展的7個任務領域，按照優先權排列，包括：反水雷戰(MCM)；反潛作戰(ASW)；海上安全(MS)；水面作戰(SUW)；支持特種部隊作戰（SOF）；電子戰(EW)；支持海上攔截作戰(MIO)。針對每一項任務領域，研究團隊將開發一種USV任務包，這個任務包包括平台尺寸/類型、負載和可能的套用描述等。
級別
USV主計畫推薦了一個非標準級的USV和三個標準級的USV，這4種級別的USV能夠完全滿足美國海軍USV優先發展的7個任務領域的能力需求，具體包括：
“X－級”是一個長3米或更小的非標準級USV，採用非標準模組建造，能夠支持特種部隊作戰、以及海上攔截作戰任務。它將提供低層次的情報、偵察、監視能力，以及有限的續航力、有效載荷和適航性，支持有人操作。它可通過一個小型有人駕駛的小艇進行布放，例如，11米的剛性充氣艇或充氣式作戰偵察突擊艇。
“海港”級（Harbor Class）USV主要是在海軍標準7米剛性充氣艇基礎上研製的，具有中等續航力，主要是執行海上安全任務，擁有較強的情報、監視和偵察能力，並裝備了致命和非致命性武器。“海港級”USV具有7米充氣艇的標準接口，可由多型艦艇部署。
“斯諾科勒”級（Snorkeler）USV是一個7米的半潛式水面艇，在航行過程中，除通氣管之外，船體其餘部分均在水下。相對於其它水面船體類型，這種作業模式可在7級海況下提供更為穩定的平台。“斯諾科勒”級USV將支持反水雷戰拖曳（搜尋）/滅雷任務、反潛作戰（海上盾牌），另外還可以充分利用相對隱蔽的外形支持特種作戰任務。
“艦隊”級（Fleet）USV是一個11米的滑行或半滑行水面艇，在拖曳掃雷具時具有中等航速/續航力，而在支持反潛戰、水面戰或電子戰作戰時，“艦隊級”級USV能夠提供較長的續航力。當移除或替換掉任務模組後，在24小時內，“艦隊級”級USV還能支持有人駕駛。
動力
在無人水面艇的動力方面，由於柴油機的可靠性好，油料熱效率高，因而套用比較廣泛。美國海軍無人水面艇發動機的主要供應商是洋馬海事公司。該公司提供一系列柴油機，單機最大輸出功率達720馬力。該公司最新型柴油機採用電子發動機管理系統監視和調節發動機轉速、渦輪增壓、冷卻溫度和節流閥，並調整電噴時間和油料流量，確保工作環境下油料完全燃燒並獲得最大的燃油熱效率。此外，美國還在研究一種高能量密度動力源，推進柴油機作為混合系統中的一部分，再輔以鋰電池組和其它可能的動力源，為無人水面艇提供高可靠性、低維護量的發動機，保證它能夠在海洋環境和惡劣海況下，無需再加油連續運轉2周。
自主技術能夠降低USV對於人員和頻寬需求，同時擴展超視距作戰的戰術套用範圍，例如，對於海上安全、反潛戰和反水雷領域，需要USV長期、獨立地運行，並執行長距離航行、探測、評估、危險規避和信息收集等任務。另外，通過自主技術，USV可與多個航行器進行協同作業，這在大規模反潛作戰和反水雷戰中被視為一項重要的使能能力。提高USV的自主性，需要推動最低層面的信號處理和決策能力，而自主控制水平可根據操作人員的操控頻率和複雜性進行衡量。USV必須收集來自感測器的各種數據，自主地識別威脅數據，並做出適當地反應。不可預知的情況或數據信息可能導致航行器放棄任務或改變攻擊計畫。在提供初始能力時，由於操控人員和航行器之間仍需保持通信聯繫，因此USV所需的複雜自主技術可能少於其它類型的無人系統。
各種無人系統的武器自主控制技術正通過陸軍、海軍、空軍試驗室和美國國防部長辦公室“聯合地面機器人計畫”（JGRE）進行研究。對於近期能力而言，大多數無人系統的武器控制將需要人員參與，以確定正確的打擊目標。例如，USV反潛戰“殺傷區”或反水雷戰“水雷危險區”將依靠人為確定。對於滅雷系統，存在一些特殊的武器發射問題，其中，較為重要的是目標定位精度，滅雷具必須藉助低廉的近程感測器定位目標。在開發出可靠的自動目標識別（ATR）算法之前，將需要健壯的、高頻帶指揮、控制和通信系統來支持人員參與的反水雷戰任務。
總之，USV任務的預置程式不可能適應所有任務的動態變化特性，因此USV要能夠適應環境和任務的變化。面臨的挑戰是為USV提供自主的自適應能力，而且未來能力將需要更多無人系統進行自主的、協同作業。
除最小的特種任務航行器之外，所有的USV必須具備自主的障礙規避能力。這些障礙具體包括：大面積岸區、船隻、低垂的障礙物（例如在近岸作戰中遇到的橋樑、樹枝等）、淺水障礙（例如沉船、暗礁和沙洲等）、水面障礙物（例如游泳者、浮標、漂浮的殘骸等）、USV拖曳系統遇到的水中障礙物等。
多數任務領域需要USV具備自主的威脅避免能力，這將涉及艦船、小艇、飛機、主動感測器系統（例如雷達）、以及大範圍的被動探測系統。這裡需要權衡的是，航行器對於攔截或破壞的易損性，以及USV自我保護組件的複雜性和成本。
在所有的任務領域，自動目標識別（ATR）有助於障礙規避和威脅避免，並且是完成反水雷戰、海上安全、反潛戰和水面作戰任務的支撐技術之一。ATR是確保USV無需返回母船或依靠人員遙控執行多步驟任務的關鍵。
執行所有的任務時，USV都需要進行一定程度的障礙和碰撞規避。儘管船艇控制算法已經足夠成熟，但是自主運行過程中的感測器處理技術還不夠完善。在某些情況下，USV需要集成聲納、雷達、光學和紅外感測器信息，但是針對光學和紅外感測器的圖像處理算法仍處在初期發展階段。
感知技術是一項取得較快發展的技術領域，它直接關係到USV作戰，特別是反水雷戰、反潛戰和水面戰。USV對於這一技術領域的需求是，進一步提高區域覆蓋率（ACR），提高分類和識別能力和非傳統跟蹤技術，改進用於探測化學、生物、核、放射性和爆炸威脅的感測器。在滿足USV反水雷戰任務需求方面，合成孔徑聲納(SAS)技術處於領先的地位。SAS技術能夠大幅擴展探測區域，並能夠提高目標的解析度，這個特性對於反水雷戰模組的開發具有重要意義。此外寬頻水聲技術也具有提高水雷探測範圍的能力。
感測器處理和相關的自主決策技術是USV反水雷戰和反潛戰任務模組正在開發的技術領域。對於反水雷戰模組，主要的技術風險是在識別類似水雷的對象和確定水雷過程中套用的聲納和光學圖像自動處理技術。研究團隊正在開發第二代自動聲納處理設備，並在特定環境下實現了聲納信號的自動處理。但是，用於識別水雷和水面物體的光學處理技術僅僅處於初始研發階段。對於USV反潛戰任務模組來說，最大的技術挑戰主要是在自主處理、目標識別、對抗措施、目標運動分析（TMA）和戰術運用等方面。
USV負載自動布放和回收是一項還未進行開發的技術領域，可能需要很長一段時間才能夠完全實施。
USV主計畫預期USV能力將通過大量不同無人系統聯合作戰得到有效運用，這就需要一個集中控制方案，降低各種特殊硬體、軟體、人員和訓練、以及通信系統的分散程度。美國國防部長辦公室和各軍種無人系統之間的聯合互操作標準研究工作還沒有啟動。但是，海軍和國防部長辦公室已經啟動了“聯合無人系統集中控制先期概念技術演示”（JUSC2 ACTD）項目，在無人系統集中控制技術發展方面邁出了第一步。這個先期概念演示項目在瀕海戰鬥艦的0型（Flight 0）上集成了無人航行器集中控制系統，並且增加了聯合標準（JAUS & STANAG 4586），但是，JUSC2項目僅是減少了操控人員的數量。海軍正在討論將JUSC2項目轉移到統一的集中控制台項目，該項目將為瀕海戰鬥艦、以及其他海軍水面和潛艇等平台開發、集成、配置和維護一個統一標準的集成控制台，這個控制台將完全取代用於單獨無人航行器的分散控制系統。實現這一最終目標的關鍵是制定相應的標準，包括互操作性，通信，艇體、機械和電氣(HM&E)，有效負載的模組化，指揮、控制、通信和計算機（C4）體系結構。
為了完成反水雷戰滅雷、反潛作戰、水面作戰等任務，USV必須攜載並發射相應的武器裝備。從USV發射武器面臨的主要技術挑戰是在各種海況條件下穩定地瞄準目標並獲得準確的彈道。惡劣的海況可能造成USV平台瞄準（例如艦炮、飛彈、非致命性射彈）和武器發射（魚雷、無人潛航器感測器等）等方面的問題。而對於有人操控的USV，保持通信將是USV面臨的一個技術挑戰，特別是在超視距（OTH）範圍。為滿足作戰需要，可靠的中距離聲通信和自主行為也是必需的。計算機輔助探測和計算機輔助分類技術已經進行了演示，而且計算機輔助識別技術已被認為是或即將成為可套用的技術。
將武器裝備到無人系統中是一個具有爭議的問題，這需要航行器本身必須首先滿足作戰條例的要求。武器裝備在任何無人系統上的最初套用，必須確保受到操作人員的主動控制。此外，若存在USV被敵方部隊獲得的可能性，將必須摧毀USV。在這種情況下，遠程銷毀武器以及USV的能力將變得十分重要。隨著武器裝備的部署以及在作戰中地套用，法律觀念、規則和先例將被確定，這將有助於推動有關所有無人系統作戰方面交戰規則（ROE）的制定和完善。
1、USV順利實施軍事行動的關鍵在於USV在作戰區域是否能成功進行部署和回收。面臨的挑戰主要包括：
①部署和回收操作過程以及各種環境下的安全性和可操作性；
②調整部署和回收系統的配置，適應USV的各種型號。
2、主平台接口以及潛在的衝突，包括：
① 主推進器的接近性；
② USV和部署與回收系統之間的機械和流動性的互動作用。
3、USV部署與回收系統接口的通用性和便攜性：
① 不能排除在其他水面航行器上套用的固有特性；
② 不能對整個主平台的配置造成過大影響；
③ 減少主平台速度和作戰概念方面的限制；
④ 研製簡單的系統，使得人力需求、維護和作戰所需的數量最小化。
4、自動的USV部署和回收過程可分為自主歸航、位置調整、附著和“上船”。面臨的挑戰主要包括：
① 為解決低航速情況下與USV部署和回收有關的指揮問題，開發船上通用指揮和控制系統，
提高航行器的作業性能；
② 研製被動感測器和控制系統集成技術，為自主進行USV部署和回收提供必要的支持；
③ 研製用於USV布放的堅固的抓持/吸附機械裝置，減少對USV和艦上系統的影響。
滿足這些技術和工程問題以及自動化操作的問題，將會大幅提高裝備了USV的艦艇作戰能力。此外，由於USV部署和回收作業僅能在較低海況條件下進行，將會對整個軍事行動造成影響，因此USV部署和回收設備的開發目標包括在更高航速和更惡劣海況條件下實現安全作業。
以色列
“保護者”由以色列拉斐爾武器發展局開發，以9米長的剛性充氣艇為基礎，噴水推進，航速超過30節，最大作戰有效載荷1 000千克。其感測器載荷主要包括導航雷達和“托普拉伊特”光學系統，其中“托普拉伊特”系統為多感測器光電載荷系統，包括有第三代前視紅外感測器（8～12微米）、黑白/彩色電荷耦合裝置（CCD）攝像機、目視安全雷射測距儀、先進關聯跟蹤器和雷射指示器（選件）等，可在白天、夜晚以及各種不利的天氣條件下完成手動和自動晝/夜觀測及目標指示。艇上武器主要配備的是“微型颱風”武器系統。該武器系統以拉斐爾武器發展局的“颱風”遙控穩定武器系統為基礎，可使用12．7毫米機槍或40毫米自動榴彈發射器。在噸位稍大的“保護者”上還可選裝一門30毫米艦炮。此外，該系統還配裝有全自動火控系統和晝夜用照相機，形成了一套完整的綜合無人作戰系統，可由幾十海里外的海岸控制站或海上指揮平台實施遙控指揮，晝夜執行作戰任務。另外，據拉斐爾武器發展局透露，“保護者”無人水面艇的作戰指揮權將屬以軍總參謀部下屬的國土安全局，日常巡邏維修則由以色列海軍負責。首批將服役12艘，每三艘編成一個機動編隊，輪流在靠近埃及的加沙地區巴勒斯坦人控制區海岸線、以色列本土沿海地區和與黎巴嫩相鄰水域進行巡邏。
保護者無人水面艇
保護者無人水面艇設計特點
其一，是採用模組化。“保護者”艇長9米，全艇採用模組化設計，可根據任務的不同需要，按照“即插即用”的原則，將不同的設備像搭積木一樣快速安裝在艇上，使之可執行反恐、情報偵察和監視、水雷戰、反潛戰和火力支援等多種任務。
其二，突出隱身性。在外形設計上，上甲板沒有雷達反射物和增大雷達反射截面的設施，也沒有90°交角，艇體側面和上層建築為小角度傾斜。此外，它還在一些部位採用了雷達吸波材料。
套用
1、反恐
以色列研製“保護者”的初衷就是希望它能發揮攔截不明身份船隻的優點，避免水兵面臨小型武裝或自殺式襲擊的威脅，實現官兵零傷亡。
2、情報、偵察和監視
3、火力支援
“保護者”裝備有12．7毫米機槍，有的甚至是30毫米艦炮。以色列還考慮在後續“保護者”上加裝新型艦載飛彈，用於對付有重裝甲的艦艇，甚至在危急時刻攻擊直升機。
4、與其它無人平台協同作戰。
以色列在無人機方面的發展相對比較成熟，實現無人水面艇和無人機的協同作戰將會成為以色列海軍在無人水面艇發展方面的新嘗試。
隨著國家對海洋的重視，有效的利用和開發海洋資源，進行海洋科研、海洋開發、海洋環境監測、保衛國家海洋安全、海洋權益，關係人民福祉，關乎國家未來。無人艇作為海上無人系統最為典型的無人智慧型平台系統，引起各海洋強國重視。利用無人艇的吃水淺、機動性強等優點，進行海洋測繪，提供海洋地理信息、數據和基礎圖形，對海洋氣象要素、海洋水質要素、海洋生物要素等進行監測，評定海洋環境質量、界定污染環境程度、預報監測赤潮、海冰等自然災害，為漁業和水產養殖提供水質信息，為執法提供依據，為相關部門及時採取有效救災措施提供及時全面的信息，對海上經濟目標進行巡航保護和海洋監控違法行為等，無人艇意義重大，其套用價值不容小覷。
