海洋新势力：无人船的关键技术与应用前景解析
海洋新势力：无人船的关键技术与应用前景解析
无人船，即无人水面航行器（Unmanned Surface Vehicle，USV），是海洋技术领域的重要创新。它不仅改变了传统的海洋调查和监测方式，还在军事防务、环境监测等多个领域展现出广阔的应用前景。本文将为您详细介绍无人船的系统组成、关键技术、应用现状及未来发展趋势。
无人船的系统组成
无人船主要由平台系统和任务载荷系统两大部分组成，这两者通过通用接口进行集成。
平台系统
平台系统包括六个子系统：
平台本体分系统：包括船体设计与布置、材料与结构以及平台机械，为整个系统提供浮力、布置空间、执行机构以及必要的防护条件。
动/能分系统：包括推进系统和电源供给系统，为无人船提供水面机动能力，并为控制系统和任务载荷系统等提供电力支持。
感知分系统：包括定位导航系统、外部环境感知系统和平台状态感知系统，为无人船运动决策与控制、自身状态监测提供必要的数据源及硬件、接口支持。
控制分系统：作为无人船的“大脑”，通过全船的感知及控制设备，处理、分析外部空间及内部环境信息，并根据核心控制算法实现自主航行、自主避障等功能。
通信分系统：包括控制端通信设备和执行端通信设备，为无人船搭建执行任务所需数据链路。
交互分系统：包括支持设备和交互软件，为操作人员对无人船实施控制、了解状态信息、下达自主指令等操作。
任务载荷系统
任务载荷系统指无人船用以执行任务的仪器设备及配套伺服机构、装置，可根据不同任务目的、用途规划出不同的任务载荷系统。一般设计为即插即用模块，便于快速更换和升级。
无人船的关键技术
无人船的核心技术主要围绕平台设计、运动控制和通信三个方面展开：
特型平台设计技术：针对不同任务需求，对平台进行特殊设计，如振噪抑制、削弱航行扰动、动稳性优化、电磁兼容性优化等。
强扰动环境下的运动控制技术：开发欠驱动运动控制算法，实现高精度循线航行、高海况自航、自守位等功能。
通信技术：开发健壮性强、稳定性好、低时延、高带宽的微波、水声通信技术，以应对复杂海洋环境下的通信挑战。
无人船应用领域及发展现状
无人船相对于传统载人船舶，具有灵活机动、安全、隐蔽性强、运维费用低廉等优势。其主要应用场景包括：
- 代替从业者执行劳动强度大、安全风险高的工作
- 代替从业者执行重复性、长周期的工作
- 取代部分施工成本高、人力投入大的工作模式或方法
目前，全球多个国家都在积极研发无人船技术。美国在该领域处于领先地位，拥有约19型63艘无人船，广泛应用于反潜、反水雷、情报侦察等领域。中国在无人船技术研究方面起步较晚，但已取得显著进展，部分产品已在海洋调测等领域投入使用。
典型技术和应用成果
- Ocean Infinite公司使用L3-ASV公司生产的C-Worker8无人船，通过与搭载声学探测设备的AUV组网协同搜索马航MH370残骸。
图2 USV和AUV跨介质组网协同工作
图3 无人船搜索马航MH370残骸
- Sail Drone公司推出的风帆动力无人船，通过将原生海洋能作为直接动力实现超长航时，执行中、大尺度物理海洋观测任务。
图4 Sail Drone风帆动力无人船
图5 Sail Drone风帆动力无人船在冰岛附近海域进行水文观测
- 法国ECA公司开发的“Inspector Mk”系列USV可执行浅水/极浅水测量和检查、濒海/沿海水文测量工作、海港/海上设备监测和保护、目标探测和分类等典型任务。
图6 ECA公司“Inspector Mk”系列无人船搭载相干声呐条带测深系统、侧扫声呐和水下机器人用于扫猎雷
- 哈尔滨工程大学在科技部“863项目”支持下开发的“天行一号”无人船，复合动力推进，航速超过50节，具备自主完成地形地貌测绘、水文气象信息采集能力。
图7 哈尔滨工程大学“天行一号”无人船
- 中国第34次南极科考航次使用珠海云洲智能科技有限公司设计、制造的M80海底探测无人船对罗斯海难言岛（中国第五座南极考察站定址地）周边进行全覆盖水深地形测量，为新站建设时雪龙号锚地选址提供依据。
图8 珠海云洲公司M80海底探测无人船搭载多波束条带测深系统进行水下地形测量
无人船技术发展趋势展望
目前，无人船的设计和使用方式仍很大程度上参考传统船舶模式。未来，随着材料技术、传感器技术、智能控制技术的发展，无人船将逐步从“以船为核心”转变为“以任务目的为核心”，形成独立、完整的作业能力。
未来发展的两个重要方向是：
新式特型平台：如具备多模机动能力的可潜无人船，i7 Engineering公司的SUBMARAN风帆可潜无人船就是一个典型例子。
多智能体异构集群协同能力：虽然已有部分机构取得突破，但针对更广阔的海洋调测、防务应用层面，技术水平仍有待提升。
随着技术的不断进步，无人船将在深远海调查、工程领域发挥更大作用，成为海洋调测、海洋工程的常规手段，彻底改变传统的海洋作业模式。