自主航行器及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

引言

"可上九天攬?jiān)?可下五洋捉鱉",詩人以其浪漫主義的想象道出了人類走向大海、走向藍(lán)天、征服自然的豪邁情懷。人類航行的腳步是隨著人類認(rèn)識(shí)自然、征服自然、改造自然的能力越來越強(qiáng)而越走越遠(yuǎn)的。但人類自身畢竟存在許多的局限,因而在深海、深空及有毒、有害等不適宜人類生存的條件下如何實(shí)現(xiàn)航行依然是一項(xiàng)重要的技術(shù)難題。由此,針對(duì)自主航行器的研究開發(fā)逐漸走入了人們的視野。

1自主航行器

自主航行是人類征服自然的又一個(gè)夢(mèng)想,而且已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)發(fā)明了許多自主航行器,如導(dǎo)彈、無人飛機(jī)、無人駕駛汽車、自主水下航行器(水下機(jī)器人)、衛(wèi)星、航天飛機(jī)等。導(dǎo)彈可以按照預(yù)定航跡自主飛向目標(biāo)攻擊敵人:無人飛機(jī)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中大顯身手,在偵查、指揮控制、建立戰(zhàn)時(shí)即時(shí)通信鏈路、精確打擊、打擊效果評(píng)估等方面發(fā)揮了獨(dú)特的作用:衛(wèi)星在遙感、精確導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、通信等方面發(fā)揮了無可比擬的作用:自主水下航行器(水下機(jī)器人)在水下監(jiān)聽、自主攻擊、深海探測(cè)等方面將發(fā)揮不可替代的作用[1-7]。

早在2012年,互聯(lián)網(wǎng)就已經(jīng)報(bào)道了美國(guó)科歌研發(fā)的自動(dòng)駕駛汽車已在復(fù)雜自然道路上自主航行超過30萬km。目前,人類探索的目光已經(jīng)投向深空、深海,出現(xiàn)了深空探測(cè)器、深海探測(cè)器。在惡劣條件下實(shí)現(xiàn)自主航行、高速航行成為近年來又一個(gè)人類力求征服的目標(biāo),發(fā)展高性能的無人飛機(jī)、無人駕駛汽車、自主水下航行器(水下機(jī)器人)、高超聲速飛行器已逐漸成為當(dāng)今世界各國(guó)競(jìng)相開展的研究。

2自主航行器的技術(shù)特點(diǎn)

所謂自主航行技術(shù)是指航行器不依賴外界支持,完全依靠航行器自身所載設(shè)備,自主確定自身所處位置、速度和姿態(tài),自主控制和調(diào)整航行器姿態(tài)和方位,直至抵達(dá)目的地的航行。自主航行具有完全自主、不受干擾、強(qiáng)隱蔽等特點(diǎn)。

2.1導(dǎo)航技術(shù)和導(dǎo)航設(shè)備

實(shí)現(xiàn)自主航行需要有導(dǎo)航技術(shù)和導(dǎo)航設(shè)備。導(dǎo)航技術(shù)就是將航行器(如飛機(jī)等航空器,衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器,汽車等陸地航行器以及輪船、潛艇等水上和水下航行器)從一個(gè)位置引導(dǎo)到另一個(gè)位置(目的地)的技術(shù)。

導(dǎo)航設(shè)備是可自主地確定航行器所處位置、速度、姿態(tài)和航向的設(shè)備。目前實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的方式主要包括慣性導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、星光導(dǎo)航、匹配導(dǎo)航、相對(duì)導(dǎo)航等,對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航設(shè)備稱為慣性導(dǎo)航設(shè)備、無線電導(dǎo)航設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、星光導(dǎo)航設(shè)備、匹配導(dǎo)航設(shè)備、相對(duì)導(dǎo)航設(shè)備等。

2.2航跡規(guī)劃與控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)自主航行也需要航跡規(guī)劃與控制技術(shù)。航行器按照規(guī)劃的航線航行,導(dǎo)航設(shè)備確定航行器當(dāng)前所處的實(shí)際位置、速度、姿態(tài)和航向,與航行器預(yù)期航線和當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際應(yīng)達(dá)到的位置、速度、姿態(tài)和航向比較,控制系統(tǒng)根據(jù)二者的偏差進(jìn)行誤差校正和控制,引導(dǎo)航行器到達(dá)預(yù)期目的地。

2.3能源動(dòng)力和推進(jìn)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)自主航行同樣需要能源動(dòng)力和推進(jìn)技術(shù)。現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)自主航行的能源主要包括化學(xué)能、核能、太陽能、風(fēng)能,如汽車、飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)將石油等化學(xué)原料轉(zhuǎn)化為電力、推進(jìn)動(dòng)力:核潛艇將核聚變或核裂變釋放的能量轉(zhuǎn)化為電力、推進(jìn)動(dòng)力:無人飛機(jī)用具有光伏效應(yīng)的材料制作機(jī)翼收集太陽能,將太陽能轉(zhuǎn)化為電力、推進(jìn)動(dòng)力。

現(xiàn)有的動(dòng)力或推進(jìn)技術(shù)主要包括三大類:一是火箭推進(jìn)技術(shù),如導(dǎo)彈等運(yùn)載體,依靠自身攜帶的固體或液體氧化劑和燃燒劑燃燒,產(chǎn)生動(dòng)力和推力,實(shí)現(xiàn)對(duì)航行器的推進(jìn):二是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù),如吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等,將石油等化學(xué)原料轉(zhuǎn)化為電力、推進(jìn)動(dòng)力:三是電動(dòng)推進(jìn)技術(shù),首先將核能、太陽能、風(fēng)能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,然后將電能轉(zhuǎn)化為電力、推進(jìn)動(dòng)力。

3自主航行器分類

自主航行器是一種依靠自身導(dǎo)航制導(dǎo)與控制設(shè)備完成航行任務(wù)的系統(tǒng)。自主航行器包括陸地自主航行器、空間自主航行器和水中自主航行器。陸地自主航行器包括無人駕駛汽車、無人戰(zhàn)車、無人駕駛掃雷車、無人駕駛坦克、機(jī)器人士兵、生命探測(cè)機(jī)器人、月球探測(cè)車、火星探險(xiǎn)車等,空間自主航行器包括無人飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、深空探測(cè)器等,水中自主航行器包括自導(dǎo)魚雷等。

自主導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,形成了無人駕駛汽車、無人飛機(jī)、導(dǎo)彈、深空探測(cè)器和水下航行器等各類不同用途的自主航行器。

3.1陸地自主航行器

陸地自主航行器包括無人駕駛車(汽車、戰(zhàn)車、掃雷車、坦克等)、自主移動(dòng)機(jī)器人(機(jī)器士兵、生命探測(cè)機(jī)器人、排爆/核生化特種作業(yè)機(jī)器人等)、月球探測(cè)車、火星探險(xiǎn)車等。

3.2空間自主航行器

通?？蓪⒖臻g分為4層:

(1)地面20km以內(nèi)、大氣層內(nèi)的空間,該區(qū)域適宜飛機(jī)等飛行器飛行,稱為航空區(qū):

(2)距地面20~100km的空間,該區(qū)域內(nèi)大氣極為稀薄,屬目前尚未很好開發(fā)利用的空間,稱為臨近空間,目前世界各國(guó)正在投入大量的人力、物力、財(cái)力開發(fā)利用該區(qū)域,如各國(guó)正在爭(zhēng)相研發(fā)的高超聲速飛行器就飛行在該區(qū)域:

(3)100km以上、太陽系內(nèi)的空間稱為太空,目前各類人造衛(wèi)星均在該空間飛行:

(4)太陽系之外的空間稱為外太空或深空,火星探測(cè)器就屬于這類飛行器。目前,人造的空間自主航行器主要包括無人飛機(jī)、導(dǎo)彈、高超聲速巡航導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、深空探測(cè)器等。

3.3水下自主航行器

水下自主航行器是一種智能化、自主航行、可根據(jù)任務(wù)使命要求進(jìn)行模塊優(yōu)化組合、實(shí)現(xiàn)多種功能的綜合集成系統(tǒng),涉及航行器總體、流體力學(xué)、控制、導(dǎo)航、信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、動(dòng)力和推進(jìn)、材料和傳感器等多個(gè)學(xué)科和相關(guān)技術(shù)。發(fā)展自主式水下航行器具有重大的軍事和民用價(jià)值。在民用方面,自主式水下航行器可用于:

(1)海洋資源勘察與開發(fā)、海洋環(huán)境時(shí)空變化的監(jiān)測(cè)、海底地形地貌調(diào)查與勘測(cè)以及深海技術(shù)等:

(2)水下設(shè)施檢查,如水下建筑、水壩、水下管道、水下電纜等:

(3)海洋救險(xiǎn)和打撈。

4自主航行器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的發(fā)展,在相關(guān)需求的強(qiáng)烈驅(qū)使下,自主航行技術(shù)和自主航行器得到了快速發(fā)展?？v觀自主航行技術(shù)和自主航行器的發(fā)展,主要呈現(xiàn)如下趨勢(shì):

4.1智能化

將人工智能技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng),使航行器具有某些人類的智能思維行為,形成智能自主導(dǎo)航器。智能自主導(dǎo)航器充分利用現(xiàn)代信息感知能力,并依靠?jī)?nèi)置的智能計(jì)算機(jī),使載體能夠在復(fù)雜干擾情況下自行探測(cè)、判定、選擇和跟蹤目標(biāo),自動(dòng)選擇導(dǎo)航方式、航行方式和航行路線,規(guī)避在航線上敵方可能的攔截和干擾,極大地提高了航行器的抗干擾能力、突防能力和精確打擊能力。

4.2低成本、小型化

隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、光電子技術(shù)以及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展,自主導(dǎo)航系統(tǒng)正朝著小型化、模塊化、集成化和一體化的方向快速發(fā)展。微小型化技術(shù)不但可以降低載體功能部件自身的質(zhì)量,也會(huì)帶來相關(guān)分系統(tǒng)的小型化和低功耗。

可以預(yù)見,隨著微米和納米技術(shù)的發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和微米、納米技術(shù)必將進(jìn)一步促進(jìn)導(dǎo)航敏感器的微小型化進(jìn)程。為了減少導(dǎo)航配置,盡可能提高導(dǎo)航敏感器的復(fù)用程度,在不同的任務(wù)階段采用相同的導(dǎo)航敏感器。美國(guó)的深空探測(cè)任務(wù)往往借用科學(xué)探測(cè)有效載荷相機(jī)作為導(dǎo)航相機(jī)完成視覺導(dǎo)航任務(wù),如旅行者號(hào)和深空I號(hào)探測(cè)器。

4.3高精度復(fù)合導(dǎo)航

單一形式的自主導(dǎo)航技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn),在航行器上單獨(dú)使用某一導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí),往往很難滿足對(duì)導(dǎo)航性能的要求,在實(shí)踐中通常會(huì)采用復(fù)合導(dǎo)航或組合導(dǎo)航技術(shù)。復(fù)合導(dǎo)航即組合兩種或兩種以上非相似導(dǎo)航系統(tǒng),綜合利用數(shù)字濾波、最優(yōu)估計(jì)、信息融合技術(shù),把各導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息融合在一起,得到比任何單一導(dǎo)航方式更高的導(dǎo)航精度。

復(fù)合導(dǎo)航或組合導(dǎo)航帶來了以下三方面的優(yōu)點(diǎn):

(1)高精度。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度高于任何單一導(dǎo)航方式的導(dǎo)航精度。

(2)互補(bǔ)性與高適應(yīng)性。組合導(dǎo)航系統(tǒng)充分利用不同導(dǎo)航方式的優(yōu)點(diǎn),相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,使組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有單一導(dǎo)航方式所不具備的功能,提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的適應(yīng)性和使用范圍。

(3)冗余性與容錯(cuò)性。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的各子導(dǎo)航系統(tǒng)分別感測(cè)同一信息,得到的導(dǎo)航信息具有冗余性,提高了整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和可靠性。

4.4自診斷、自修復(fù)、高可靠性、長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間

長(zhǎng)航時(shí)、高可靠性、高安全性運(yùn)行是現(xiàn)代自主航行器發(fā)展的必然要求。為此,現(xiàn)代自主航行器上普遍帶有故障自檢測(cè)、自診斷、自修復(fù)和容錯(cuò)技術(shù),具備故障預(yù)報(bào)、壽命預(yù)測(cè)和健康管理功能。

4.5惡劣環(huán)境適應(yīng)性

無人戰(zhàn)車、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人、無人飛機(jī)等軍事用途的地面自主航行器,必須面對(duì)和適應(yīng)核輻射沾染、電子對(duì)抗等惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境:水中自主航行器必須面對(duì)和適應(yīng)復(fù)雜的背景水聲、噪聲、水中電子對(duì)抗等惡劣的水中環(huán)境:空間自主航行器必須面對(duì)和適應(yīng)太陽黑子、磁爆、人為空間對(duì)抗等空間惡劣環(huán)境。

5結(jié)語

自主航行器作為一類充滿前景的技術(shù)設(shè)備,在對(duì)未知自然領(lǐng)域的開拓與探索中將會(huì)扮演不可或缺的重要角色。盡管目前相關(guān)領(lǐng)域依然有著進(jìn)一步優(yōu)化的潛力,但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,自主航行器必將得到廣泛應(yīng)用。