自主航行器及其技术发展趋势研究

引言

"可上九天揽月,可下五洋捉鳖",诗人以其浪漫主义的想象道出了人类走向大海、走向蓝天、征服自然的豪迈情怀。人类航行的脚步是随着人类认识自然、征服自然、改造自然的能力越来越强而越走越远的。但人类自身毕竟存在许多的局限,因而在深海、深空及有毒、有害等不适宜人类生存的条件下如何实现航行依然是一项重要的技术难题。由此,针对自主航行器的研究开发逐渐走入了人们的视野。

1自主航行器

自主航行是人类征服自然的又一个梦想,而且已经部分实现。目前已经发明了许多自主航行器,如导弹、无人飞机、无人驾驶汽车、自主水下航行器(水下机器人)、卫星、航天飞机等。导弹可以按照预定航迹自主飞向目标攻击敌人:无人飞机在海湾战争中大显身手,在侦查、指挥控制、建立战时即时通信链路、精确打击、打击效果评估等方面发挥了独特的作用:卫星在遥感、精确导航制导与控制、通信等方面发挥了无可比拟的作用:自主水下航行器(水下机器人)在水下监听、自主攻击、深海探测等方面将发挥不可替代的作用[1-7]。

早在2012年,互联网就已经报道了美国科歌研发的自动驾驶汽车已在复杂自然道路上自主航行超过30万km。目前,人类探索的目光已经投向深空、深海,出现了深空探测器、深海探测器。在恶劣条件下实现自主航行、高速航行成为近年来又一个人类力求征服的目标,发展高性能的无人飞机、无人驾驶汽车、自主水下航行器(水下机器人)、高超声速飞行器已逐渐成为当今世界各国竞相开展的研究。

2自主航行器的技术特点

所谓自主航行技术是指航行器不依赖外界支持,完全依靠航行器自身所载设备,自主确定自身所处位置、速度和姿态,自主控制和调整航行器姿态和方位,直至抵达目的地的航行。自主航行具有完全自主、不受干扰、强隐蔽等特点。

2.1导航技术和导航设备

实现自主航行需要有导航技术和导航设备。导航技术就是将航行器(如飞机等航空器,卫星、宇宙飞船等航天器,汽车等陆地航行器以及轮船、潜艇等水上和水下航行器)从一个位置引导到另一个位置(目的地)的技术。

导航设备是可自主地确定航行器所处位置、速度、姿态和航向的设备。目前实现导航的方式主要包括惯性导航、无线电导航、卫星导航、星光导航、匹配导航、相对导航等,对应的导航设备称为惯性导航设备、无线电导航设备、卫星导航设备、星光导航设备、匹配导航设备、相对导航设备等。

2.2航迹规划与控制技术

实现自主航行也需要航迹规划与控制技术。航行器按照规划的航线航行,导航设备确定航行器当前所处的实际位置、速度、姿态和航向,与航行器预期航线和当前时刻实际应达到的位置、速度、姿态和航向比较,控制系统根据二者的偏差进行误差校正和控制,引导航行器到达预期目的地。

2.3能源动力和推进技术

实现自主航行同样需要能源动力和推进技术。现有的实现自主航行的能源主要包括化学能、核能、太阳能、风能,如汽车、飞机的发动机将石油等化学原料转化为电力、推进动力:核潜艇将核聚变或核裂变释放的能量转化为电力、推进动力:无人飞机用具有光伏效应的材料制作机翼收集太阳能,将太阳能转化为电力、推进动力。

现有的动力或推进技术主要包括三大类:一是火箭推进技术,如导弹等运载体,依靠自身携带的固体或液体氧化剂和燃烧剂燃烧,产生动力和推力,实现对航行器的推进:二是发动机技术,如吸气式发动机、排气式发动机、冲压发动机、超燃冲压发动机等,将石油等化学原料转化为电力、推进动力:三是电动推进技术,首先将核能、太阳能、风能、化学能转化为电能,然后将电能转化为电力、推进动力。

3自主航行器分类

自主航行器是一种依靠自身导航制导与控制设备完成航行任务的系统。自主航行器包括陆地自主航行器、空间自主航行器和水中自主航行器。陆地自主航行器包括无人驾驶汽车、无人战车、无人驾驶扫雷车、无人驾驶坦克、机器人士兵、生命探测机器人、月球探测车、火星探险车等,空间自主航行器包括无人飞机、导弹、人造卫星、深空探测器等,水中自主航行器包括自导鱼雷等。

自主导航技术已经在国民经济、社会生活、军事等领域得到了广泛应用,形成了无人驾驶汽车、无人飞机、导弹、深空探测器和水下航行器等各类不同用途的自主航行器。

3.1陆地自主航行器

陆地自主航行器包括无人驾驶车(汽车、战车、扫雷车、坦克等)、自主移动机器人(机器士兵、生命探测机器人、排爆/核生化特种作业机器人等)、月球探测车、火星探险车等。

3.2空间自主航行器

通常可将空间分为4层:

(1)地面20km以内、大气层内的空间,该区域适宜飞机等飞行器飞行,称为航空区:

(2)距地面20~100km的空间,该区域内大气极为稀薄,属目前尚未很好开发利用的空间,称为临近空间,目前世界各国正在投入大量的人力、物力、财力开发利用该区域,如各国正在争相研发的高超声速飞行器就飞行在该区域:

(3)100km以上、太阳系内的空间称为太空,目前各类人造卫星均在该空间飞行:

(4)太阳系之外的空间称为外太空或深空,火星探测器就属于这类飞行器。目前,人造的空间自主航行器主要包括无人飞机、导弹、高超声速巡航导弹、人造卫星、深空探测器等。

3.3水下自主航行器

水下自主航行器是一种智能化、自主航行、可根据任务使命要求进行模块优化组合、实现多种功能的综合集成系统,涉及航行器总体、流体力学、控制、导航、信息、计算机、自动化、动力和推进、材料和传感器等多个学科和相关技术。发展自主式水下航行器具有重大的军事和民用价值。在民用方面,自主式水下航行器可用于:

(1)海洋资源勘察与开发、海洋环境时空变化的监测、海底地形地貌调查与勘测以及深海技术等:

(2)水下设施检查,如水下建筑、水坝、水下管道、水下电缆等:

(3)海洋救险和打捞。

4自主航行器的技术发展趋势

随着科技的发展,在相关需求的强烈驱使下,自主航行技术和自主航行器得到了快速发展。纵观自主航行技术和自主航行器的发展,主要呈现如下趋势:

4.1智能化

将人工智能技术应用于导航系统,使航行器具有某些人类的智能思维行为,形成智能自主导航器。智能自主导航器充分利用现代信息感知能力,并依靠内置的智能计算机,使载体能够在复杂干扰情况下自行探测、判定、选择和跟踪目标,自动选择导航方式、航行方式和航行路线,规避在航线上敌方可能的拦截和干扰,极大地提高了航行器的抗干扰能力、突防能力和精确打击能力。

4.2低成本、小型化

随着现代微电子技术、光电子技术以及微机电系统技术的不断发展,自主导航系统正朝着小型化、模块化、集成化和一体化的方向快速发展。微小型化技术不但可以降低载体功能部件自身的质量,也会带来相关分系统的小型化和低功耗。

可以预见,随着微米和纳米技术的发展,微机电系统技术和微米、纳米技术必将进一步促进导航敏感器的微小型化进程。为了减少导航配置,尽可能提高导航敏感器的复用程度,在不同的任务阶段采用相同的导航敏感器。美国的深空探测任务往往借用科学探测有效载荷相机作为导航相机完成视觉导航任务,如旅行者号和深空I号探测器。

4.3高精度复合导航

单一形式的自主导航技术各有其优缺点,在航行器上单独使用某一导航系统时,往往很难满足对导航性能的要求,在实践中通常会采用复合导航或组合导航技术。复合导航即组合两种或两种以上非相似导航系统,综合利用数字滤波、最优估计、信息融合技术,把各导航系统的导航信息融合在一起,得到比任何单一导航方式更高的导航精度。

复合导航或组合导航带来了以下三方面的优点:

(1)高精度。组合导航系统的精度高于任何单一导航方式的导航精度。

(2)互补性与高适应性。组合导航系统充分利用不同导航方式的优点,相互取长补短,使组合导航系统具有单一导航方式所不具备的功能,提高了导航系统的适应性和使用范围。

(3)冗余性与容错性。组合导航系统的各子导航系统分别感测同一信息,得到的导航信息具有冗余性,提高了整个导航系统的容错能力和可靠性。

4.4自诊断、自修复、高可靠性、长运行时间

长航时、高可靠性、高安全性运行是现代自主航行器发展的必然要求。为此,现代自主航行器上普遍带有故障自检测、自诊断、自修复和容错技术,具备故障预报、寿命预测和健康管理功能。

4.5恶劣环境适应性

无人战车、战场机器人、无人飞机等军事用途的地面自主航行器,必须面对和适应核辐射沾染、电子对抗等恶劣战场环境:水中自主航行器必须面对和适应复杂的背景水声、噪声、水中电子对抗等恶劣的水中环境:空间自主航行器必须面对和适应太阳黑子、磁爆、人为空间对抗等空间恶劣环境。

5结语

自主航行器作为一类充满前景的技术设备,在对未知自然领域的开拓与探索中将会扮演不可或缺的重要角色。尽管目前相关领域依然有着进一步优化的潜力,但随着科学技术的不断发展与完善,自主航行器必将得到广泛应用。