海洋环境监测无人艇系统可行性分析报告.docx
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海洋环境监测无人艇系统可行性分析报告
海洋环境监测无人艇系统
可行性分析报告
1 项目背景、意义及需求分析
1.1 项目背景
项目所属产业领域为海洋装备领域。
海洋环境监测无人艇系统（简称无人艇，UnmannedSurfaceVessel，USV）具有高航速、大航程、浅吃水、多功能、机动性强、搭载方便、自主操控等突出优点，它可广泛用于执行海图绘制、海洋环境监测、水文调查、海底地形/地貌探测、资源勘探、气象预报、应对化学或核辐射污染突发事件等任务，因此，USV在民用和军事领域具有极其广泛的应用前景。
目前，美国、法国、英国等发达国家均在大力开发该类型海洋探测系统，并已有几型系统实现了商品化。
针对我国深远海海洋动力环境监测的迫切需求，并满足迅速、广域、灵活、可靠、长期、高精度、智能化海洋探测的需要，开发系列高航速、大航程、自主型移动海洋探测系统具有重要的工程价值。
该系统可为海底地形地貌、海洋资源、海洋环境数据获取提供技术手段，并与自主水下机器人（AUV）、遥控水下机器人（ROV）、波浪滑翔器和无人机（UAV）等联合构成深远海海洋环境立体监测系统。
相比其它移动式观测平台，无人艇的出现较晚，但近年来发展迅速。
目前，国外研制了多型无人艇并成功进行了工程应用，法国、英国和新加坡等国的几款无人艇甚至实现了产品化。
比较其它移动式观测平台，无人艇具有以下几方面的优势：
a突出的环境适应性：
替代或作为有人观测船的补充、在危险或恶劣海洋环境中执行任务；
b大持久力：
续航能力强，具备大范围、立体监测能力；
c浅吃水：
平台吃水浅，尤其适合近岸、浅水、航道、港湾等环境复杂（或危险）海域；
d快速监测能力：
高航速、高机动性，尤其适合核辐射、生物、化学污染等应急性/突发性监测任务；
e智能化与灵活性：
可采用遥控、半自主、全自主操控方式，使用灵活;具备自适应、智能化、高精度重复观测能力；
f通信中继和信息化载体：
作为AUV通信节点或潜标数据定期回传的中继站；作为空中-海面-水中-海底的通讯节点，组成异构通信、感知、监视网络；
g海洋安全领域：
如人员搜救、海上巡逻、海上执法、缉私查毒等；
h多功能：
环境监测、大气探测、气象预报，可在浅海替代浮标（浮标在浅海易受到损坏）等；
i经济性：
建造和使用成本较低（如相对于上百万的AUV），易于精确定位和远程通讯。
因此，无人艇在有效地利用、开发和保护海洋等方面具有广泛的应用前景，其潜在的典型用户包括：
a海洋局——海洋观测、科学考察等；
b海监、渔政、海事——海上巡逻、执法、监测等；
c海警、边防——缉私、查毒、反恐、预警等；
d海洋石油或工程公司——海上重大设备的监测、施工支援、资源勘探与开采等；
e气象部门——大气监测、气象预报、台风等气象灾害观测；
f环境部门——海洋环境污染常态化监测、核生化污染等紧急任务；
g其它海洋经济活动相关企业和部门。
在军事领域，由于无人艇具有高航速、大续航力、经济性好、隐身性、浅吃水、小体积、易批量生产、布置方便等突出优势，因此无人艇非常适合作为一种通用化、无人化、智能化、信息化、经济性的海洋武器装备。
无人艇的优点还在于可搭载多种丰富的传感器，能长期、隐蔽、自主地在海洋中执行使命任务，并可以批量投入战场，从而具备对水面/水下海洋环境的立体、持续感知能力。
在未来的海战中，无人艇可以承担以下的作战功能：
远程预警、大洋反潜和反水雷战、水下-水面通信中继与导航、领海监视、海港安全、协同作战等。
将无人艇搭载于现有的水面舰船等武器装备上，将提高其整体作战能力。
它将在远程预警、长期海域监视、反潜战、海洋组网观测、延伸探测范围、隐蔽侦查、在危险海域进行水雷探测、执行电子战诱骗或干扰敌方舰艇、重要军港或设施的警戒巡逻等作战方面发挥重要作用。
综上分析可知，研究具有自主知识产权的无人艇监测系统，既有重要经济和工程应用价值；同时，对于保障国家海洋安全、促进海洋科技发展、提升海洋工程竞争力，也有深远的意义。
本项目立足团队前期在海洋环境监测无人艇系统总体设计与系统集成技术及复杂海洋环境下自主决策与控制技术等领域研究所取得成果的基础上，根据我国目前海洋环境监测的实际需求，进行面向工程应用的海洋环境监测技术和系统试验验证技术研究，研制出具有自主知识产权的海洋环境监测无人艇系统，并通过海上试验验证，为我国海洋环境监测、海洋资源勘探、海洋科学研究等领域提供装备保障和技术支持。
1.2 需求分析
海洋蕴藏着非常丰富的生物、矿物资源和能源，是人类赖以生存的第二空间，有效地利用和开发海洋资源对于人类的可持续发展具有重要意义，同时，近年来海洋环境保护、全球气候变暖、海洋安全等问题也越来越受到人们的高度重视。
我国是陆海兼备的大国，海洋是我国实现可持续发展的战略空间和资源保障，关系人民福祉，关乎国家未来。
有效地开发、利用和保护海洋，建设海洋强国，是国家重要发展战略。
（1）执行海洋科研、海洋开发、海洋环境监测等海洋观测任务的广泛需求
海洋观测技术是获取海洋信息的技术，是多学科交叉的海洋高技术，可分为传感器技术、观测平台技术和通讯技术，它是所有海洋活动，包括海洋科学研究、经济发展、环境保护、资源开发、国防建设的基础。
通过几类移动式观测平台的对比分析，如表1所示，可知海洋观测的主要特点：
①观测时空尺度跨度大，例如从厘米级的湍流观测，到上百千米的中小尺度涡旋，甚至几千千米洋流观测；②长期连续性，从变化周期为几个月的动力学系统的观测，到需要几个月甚至几年的海洋温度变化观测，板块运动的观测；③同步性，例如海气相互作用的观测；④越是极端恶劣情况越需要观测，其数据的价值越高，例如风暴潮观测。
这就要求解决观测平台的长期可靠性、低功耗、小型化、抗恶劣环境等技术问题，其中移动式海洋观测平台，包括AUV、USV、ROV、拖曳系统、观测船、滑翔器、漂流浮标、剖面漂流浮标等能实现自动或随动的水平扫描，垂直扫描或者任意形状扫描式的观测，如图1所示。
（a）中国“科学”号科考船（b）CI公司的拖曳系统SeaSoar
（c）WoodsHole的“JASON”ROV（d）HYDROID公司的“RESUM100”AUV
（e）ECA公司的“Inspector”USV（f）某公司的水下滑翔机
图1几种移动式观测平台
表1几类移动式观测平台的对比
平台
续航能力
自主能力
搭载能力
缆
灵活性
观测船
天或月
人工
大多数传感器
无
大范围
拖曳系统（TUV）
依赖母船
定深
绝大多数传感器
有
大范围
有缆水下机器人（ROV）
依母船
遥控
绝大多数传感器
有
母船旁的固定范围
智能水下机器人（AUV）
小时
自主
有限
无
灵活但范围较小
水下滑翔机（UG）
月
规则的自动运动
有限
无
大范围、固定方式
无人水面艇（USV）
天
遥控或自主
大多数传感器
无
灵活且范围大
随着资源、能源开发利用进程的逐步深入，人们对全球气候变化和区域响应的广泛重视，以及工业技术和海洋科学的发展，海洋观测正在发生革命性的变化，主要体现在：
①海洋监测立体化，实现空中、沿岸、水面、水下、海床一体化对海洋环境要素进行同步、立体监测；②监测平台多样化，从岸基、海床基等固定基向海底、水下、水面、星载、机载等运动基推进；③海洋观测系统化、网络化，在海洋中建立一个互动式的、分布的、综合性的传感器网，包括建立区域性的海洋观测系统、海底观测系统、全球海洋观测系统，如图2、3所示。
图2海洋立体观测系统示意图
图3欧盟的2020年海洋立体观测想象图
（2）保卫国家海洋安全、维护海洋权益等军事应用的迫切需求
我国面临着多元复杂的安全威胁和挑战，特别是海洋安全问题尤为突出。
我国具有300万平方公里的管辖海域，其中52%与邻国存在争议。
近年来，日本、越南、菲律宾、韩国等周边国家，纷纷采取先行占领、先行开发等非法手段，加紧掠夺我国的海洋资源，并对我国的主权完整和海洋安全构成了严重威胁和挑战。
我国有1．8万多公里大陆海岸线，500平方米以上的岛屿6500多个，岛屿岸线1．4万多公里，因此对其实施防卫、管辖，维护边海防安全的任务复杂繁重。
以上问题的有效解决，要求我国具有强大的海军实力和综合制海能力。
目前，我国沿海地区，特别是南海区域，由于特殊的地理因素和政治因素的影响，使其具备相当大的敏感性和危险性。
比如对特殊任务的首末区等危险区域内的敏感目标实施实时监测、记录；对于敏感海区的特定目标进行抵近侦查;对特定区域海况实时监测和记录;对于未知海域进行地形地貌探测等。
由于无人艇具有自主性、丰富搭载能力、经济性、隐身性、体积小、易批量生产、携载方便等突出优势，因此无人艇非常适合作为一种通用化、无人化、智能化、信息化、经济性的海洋装备，用以执行上述敏感、危险的任务。
2 国内外技术发展现状
无人艇作为一个无人海洋运载平台，可以在海洋中承担长时间、大范围、低成本的海洋科研与工程任务，因此它在民用、军事领域皆具有广泛的应用前景。
无人艇是一个庞大的家族，它的使用领域非常广泛，在民用领域包含：
海底探测、环境监测、气象预报、生物研究、水文观测（测量）、海图绘制、通信中继、资源勘探与开采、污染调查/化学检测、细菌/核辐射监测等用途；而在军事领域包含：
反潜战、反水雷、反恐、电子战、濒海作战、情报/监视与侦查（ISR）、领海监视、海港/海上设备监测和保护、海上目标探测与分类等用途。
下面简要介绍国内外无人艇技术的研究现状。
2.1 国外技术发展现状及趋势
（1）民用领域
世界各海洋强国投入了大量的人力和物力，积极开展USV技术的相关研究，并有几型USV实现了工程化应用。
其中，最具有代表意义的是法国ECA公司的“InspectorMk2”号USV、英国ASV公司的“C-CAT4”号USV、美国VirginiaBased公司的“UnmannedOceanVehicle”型USV、意大利机器人技术集团的“Charlie”号USV。
法国ECA公司开发了“InspectorMk2”号USV（如图4所示），该艇吃水很小，显著特点是配备了已获得专利的旋转艇艏臂——可搭载用于浅水/极浅水测量、探测和目标分类的多种水声设备。
“InspectorMk2”的主要特征为：
易于配置的传感器平台（托架）、高航行精度的反复测量、高持久力、高可靠性和运行效率、增强的艇员安全性。
该艇采用铝合金船体，长8.4m、宽2.95m、吃水0.5m、重4.7t（1t有效载荷）；配备两台柴油发动机和喷水推进器，最高航速25kn，续航时间20h（6kn）；可采用全自主、遥控或手动控制模式；可在四级海况下工作，并获得了BV船级社认证。
“InspectorMk2”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4ECA公司“InspectorMk2”号USV
2006年，英国ASV公司研制了“C-CAT4”号多用途双体USV（如图5所示）。
“C-CAT4”是一种多用途工作级USV，它具有轻量化、易于布置和高机动性等特点，该艇可用于水质采样、海洋环境评估、濒海和沿岸测量等任务。
该艇采用铝合金双体型船体，航速6kn、长4.25m、宽2.9m、高2.5m、吃水0.6m、重600—1000kg；配置了2个DC电机推进（3.6kw）和一台小型、低噪声舷内柴油发电机，续航力48h（柴油发电机）或8h（纯电池），航程200海里；在船体和甲板结构上能搭载350kg的有效载荷，该系统可采用20英尺的标准集装箱运输。
“C-CAT4”配备ASV公司基于ASView海图的控制系统，具备一定自主航行能力，也可利用无线遥控；通信方式为可达10km的UHF无线电台或卫星/GSM通信模块。
“C-CAT4”可搭载相干声纳、侧扫声纳、多波束声纳、IMU、ADCP、绞盘和DGPS等设备，其典型应用包括：
河流、湖泊、水库、港口/海港和沿岸测量，水质采样和监测，被动式水听器阵列的部署与拖曳等。
美国VirginiaBased公司开发了完全依赖于混合能源推进的自主式USV——OceanCruiser和OceanExplorer（如图6所示），显著特征是配置了刚性帆板，该帆板可以将风能直接转化为推进动力；同时，帆板上还铺设有太阳能电池板。
USV的突出优点是不需要燃油，仅依靠自力推进并能自主运行，还能为传感器、通信系统等提供持续的电力供应，因此USV具有几乎无限的自持力，缺点是该艇航速较低。
该USV非常适应于执行情报/监视与侦查、海洋观测等数据搜集任务。
艇上还配备了蓄电池，即使在阴天该艇依然能正常航行，并且保证在低风速或夜间仍具有持续的动力供应。
图5ASV公司的“C-CAT4”号USV
（a）OceanCruiser（b）OceanExplorer
图6美国VirginiaBased公司的混合能源推进USV
2005年，在意大利海军资助下，意大利机器人技术集团研制了“Charlie”号双体USV（如图7所示），该艇长2.4m、宽1.7m、重约300kg，动力源为12V，40Ah的铅酸电池，并配有4组32W的柔性太阳能电池板。
“Charlie”采用螺旋桨推进，并配备了基于舵的操纵系统，两个固联舵机安装在推进器后，利用无刷DC直流电机驱动。
导航设备为GPS并集成了KVH型陀螺仪，艇载单板计算机，操作系统为GNU/Linux，并利用C++语言开发了实时计算机控制系统。
图7意大利机器人技术集团的“Charlie”号USV
（2）军事领域
美国、以色列、英国、法国、德国和日本等西方军事强国，已将USV作为重要军事项目进行研究和开发，其中最具代表性的是美国“Spartan”和以色列“Protector”等USV。
2007年，美国海军发布了第一个《无人艇总体规划图》，并在其濒海作战体系中，明确提出利用USV与AUV、UAV共同构成海军无人作战装备体系，完成诸如反潜、反水雷、侦察与探测等特种作战任务（如图8所示）。
美国作为目前世界上唯一的超级大国，其USV的研制处于世界领先水平，主导着全球USV的发展方向，主要研究单位有：
空间和海战系统中心、海军研究所、海军水面战中心等。
图8美国海军无人作战装备体系架构
美国空间和海战系统中心是“Spartan”号USV研究计划的主要成员，2002年起，由美国主持并联合法国、新加坡等共同研制，已应用于“持久自由行动”和“伊拉克自由行动”等实战中，该中心还研制了“SSCSanDiego”、“FreedomSentinel”等多型USV（如图9所示）。
“Spartan”是一艘硬壳充气型高速USV，它既能自主航行也可遥控操作，艇长7m、排水量2t，最高航速50kn，可搭载1350—2300kg的有效载荷。
“Spartan”是一艘由标准组件构成并可重配置、多功能的半自主USV。
“Spartan”的标准配置为：
无人驾控系统、摄像机、导航雷达、GPS、通信系统等，多数为成熟产品。
以色列不但是“Spartan”号USV研究计划的成员之一，并且还独立开发了“Protector”等先进的USV，主要研究机构：
拉法尔（Rafael）公司、航空防务系统公司、埃尔比特（Elbit）系统公司等。
2003年，以色列拉法尔公司和航空防务系统公司联合研制了一种多用途USV，即著名的“Protector”号USV，该艇是以色列USV研究的典型代表（如图10所示）。
“Protector”是一艘硬壳充气式水面艇，全长9m，排水量4t，动力采用柴油发动机和喷水推进器，最高航速40kn，最大有效载荷1000kg。
“Protector”主要用于执行海上兵力保护、情报/侦察与监视（ISR）、反水雷战、电子战、精确打击以及反恐等任务，旨在最终替代海军现役的快速攻击艇。
“Protector”既可自行航行，也能遥控操作，遥控操作时由岸基或海基双控制台操纵，一个控制台是航向控制台，负责控制艇的航向；另一控制台是任务控制台，负责控制艇载传感器的工作和武器发射等。
2006年，以色列埃尔比特系统公司公布了其最新开发的可应用于海上巡逻的USV——“Silvermarlin”，并于2007年初开始海试。
该艇被称为第2代USV，可以遥控操纵，但主要是自主操作。
（a）“Spartan”号USV（b）“SSCSanDiego”号USV
图9美国的典型军用USV
（a）“Protector”号USV（b）“Silvermarlin”号USV
图10以色列的典型军用USV
2.2 国内研究现状
目前，国内开展了一些USV的相关研究，主要单位有：
中华造船厂、9318厂、中国航天科工集团新光公司、哈尔滨工程大学、上海大学、上海海事大学等，已研制出多型专用遥控靶艇、无人艇。
虽取得了一些研究成果，但同国外发达国家相比，仍有较大的技术差距。
1972年，中华造船厂建造了国内第一艘遥控扫雷艇（312型）；2005年，9318厂建造了312A型遥控扫雷艇，它采用艇具合一式扫雷设备，用于执行沿岸海区扫雷任务。
2002年，我国北方某基地装备部通信修理所将一艘退役导弹快艇改装为无人遥控靶艇；2007年，2艘217型遥控靶艇交付部队，可通过远距离摇控指挥，实现对靶船航速、航向、灯光信号识别等要素的战术控制（如图11所示）。
图11某基地的217型遥控靶艇
中国航天科工集团新光公司研发了“天象一号”USV（如图12所示），可按预定航线行驶，并有避障能力。
该艇长6.5m，宽2.4米，总高3.5m，重2.3t，船体用碳纤维制成，集成了智能驾控、卫星应用、雷达搜索、图像传输与处理等系统。
2008年，“天象一号”USV在奥运会青岛奥帆赛期间，作为气象应急装备为奥帆赛提供了气象保障服务。
实验表明该艇的风速、风向、气温、湿度、水温等测量值均与浮标测量值相近，而且它还能完成浮标无法做到的能见度的测量，并且还提供浪高、海水盐度等水文数据的测量。
图12新光公司的“天象1号”USV
上海海事大学研制的“Silverfrog”号USV为双体型铝合金小艇，艇长2.7m、宽1.48m、型深0.36m，艇重60kg，有效载荷100kg；该艇航速可达6kn（艇重60kg时），使用60Ah的锂电池组供电，在3—4kn航速下，续航时间为2h。
“Silverfrog”采用基于无线局域网络的控制系统，由岸基监控系统和USV载体组成，通过监控系统下达控制指令以控制USV的航行，无线网络的有效通信距离可达1nmile。
目前该艇进行了海港监视、水质量采样、水文测量等试验。
上海大学研制了某无人测量艇，该艇长6m、宽3m，采用了抗倾覆能力的高性能船型，具备一定的自主功能，艇上搭载了声纳测量设备，2013年，参与了南海水域巡航任务（如图13所示）。
据报道该无人艇设计目标是为了适应内陆江河、海洋等不同水域的工作环境，并防水、防盐雾腐蚀；能够在风浪中精准测量、顺利回传数据；基于无线遥控操作，并能按照既定路线避障前行。
图13上海大学的某无人测量艇
2009年，在某973重大项目支持下，由哈尔滨工程大学牵头，联合国防科技大学、江苏科技大学等优势单位，系统深入地开展了USV技术研究，成功研制出“Xianglong”号智能USV，并于2010-2012年多次进行了海洋试验。
目前，突破了USV的总体设计与系统集成、流体力学性能分析、自主决策与运动控制、海洋环境感知、系统仿真与外场试验等一系列关键技术。
该艇搭载了智能控制系统、航海雷达、光电探测系统、组合导航系统、无线通信、北斗等多种设备，具备了无人自主航行、自主危险规避、海面目标探测能力。
2012年，在山东某海域的大量海洋试验中，“Xianglong”号智能USV实现了自主航行、自主多目标检测与危险规避、环境探测等演示试验，顺利通过了专家组的验收（如图14所示）。
（a）海洋试验中的“Xianglong”号智能USV
（b）自主高速航行试验（c）多障碍下自主危险规避试验
图14哈尔滨工程大学的“Xianglong”号智能USV
3 研究目标及主要研究内容
3.1 研究目标
在引进部分关键技术的基础上，重点研究海洋环境监测无人艇系统的总体设计与系统集成技术、复杂海洋环境下自主决策与控制技术、面向工程应用的海洋环境监测技术、系统试验验证技术，研制一套具有自主知识产权的自主无人艇监测系统，并通过水文气象参数测量的海上试验验证，为我国海洋环境监测、资源勘探、科学研究等提供技术支撑。
3.2 主要研究内容
本项目研究以高性能船舶、智能控制、导航、通信、海洋探测、计算机、信息等相关学科领域的发展为依托，开展工程应用研究，突破相应的系统总体设计技术与关键技术，并着眼于自主海洋监测系统的长远发展。
在国家具体的应用背景下，将军用技术转化为民用产品。
并在对比国外产品性价比的基础上，实现经济性、可靠性、自主化、实用化和工程应用的目标，完成总体规划、用材和加工渠道选择等工作，从总体上提高我国在智能无人艇技术这一多学科交叉领域的科学技术水平和装备的研发水平，突破相关技术瓶颈，从一定程度上提升海洋工程的竞争力。
本项目的主要研究内容如图15所示。
图15项目主要研究内容框架图
（1）面向海洋监测的系统总体设计与集成技术
a面向海洋监测任务需求的载体设计
针对无人艇监测系统在执行海洋监测任务时不同类型探测设备对系统的特殊需求，工程应用对系统可靠性、实用化的要求，以及指南中无人艇监测系统的技术指标。
将计算流体力学方法和水池试验相结合，开展载体艇型、型线和总布置等内容的优化设计，并制定载体设计方案。
同时，针对声学探测作业对推进系统噪声、振动等的苛刻要求，系统大续航力对推进效率、燃油经济性、可靠性等需求，探讨基于复合动力的推进系统设计方法，提高推进效率和续航力。
从而解决无人艇监测系统的总体设计问题，为实现无人艇监测系统的安全航行和海洋监测任务奠定基础。
b基于模块化的系统集成
针对无人艇监测系统对多样化、复杂化作业任务的需求，综合考虑多类型设备搭载、空间布置、电气接口、扩展性等问题。
分别从硬件系统集成和软件系统集成角度，基于模块化设计方法，研究模块间的合理布局与划分，并确定各任务模块间的信息交互方法，解决无人艇监测系统的系统集成问题。
c多样化监测载荷与无人艇监测系统的适配性
针对声学、光学、电学等不同类型海洋监测载荷的搭载与海上作业对无人艇监测系统的特殊要求，并考虑海洋监测任务的多种工作模式特性（自主作业、遥控作业等）。
拟研究多样化、多工作模式监测载荷与无人艇监测系统的适配性问题，保证无人艇监测系统在复杂海洋环境中高效、可靠地完成海洋监测任务。
d远程集成监控系统设计
针对实用化、可靠性、人性化需求，基于用户为中心的设计思想，并结合人机工程方法，开发人机界面友好、操作方便的一体化、高可靠集成监控系统软件，使其具备虚拟驾控、无线遥控、任务控制、远程监控、调试等多种功能。
（2）复杂海洋环境下自主决策与控制技术
针对无人艇工作环境复杂、高速航行、运动特性、复杂约束条件等特点，以及其广域、可靠、安全、自主地执行复杂任务的需求。
深入研究无人艇监测系统的自主决策和危险规避、自适应运动控制、动态目标检测等问题，最终解决其在复杂海洋环境中长期、安全、自主航行问题，并实现海洋监测任务。
a自主决策与危险规避
针对无人艇面临复杂工作环境以及高速航行的特点，面向多样化作业任务和多层次自主性需求，设计一种无人艇自主决策系统；研究适于高速航行无人艇规避各种危险的有效策略，为实现无人艇自主航行与危险规避提供技术支撑。
b自适应运动控制
针对无人艇在复杂海洋环境中高速稳定航行的需求，考虑无
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