引言

"可上九天攬月,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、走向藍天、征服自然的豪邁情懷。人類航行的腳步是隨著人類認識自然、征服自然、改造自然的能力越來越強而越走越遠的。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現(xiàn)航行依然是一項重要的技術(shù)難題。由此,針對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夢想,而且已經(jīng)部分實現(xiàn)。目前已經(jīng)發(fā)明了許多自主航行器,如導彈、無人飛機、無人駕駛汽車、自主水下航行器(水下機器人)、衛(wèi)星、航天飛機等。導彈可以按照預定航跡自主飛向目標攻擊敵人:無人飛機在海灣戰(zhàn)爭中大顯身手,在偵查、指揮控制、建立戰(zhàn)時即時通信鏈路、精確打擊、打擊效果評估等方面發(fā)揮了獨特的作用:衛(wèi)星在遙感、精確導航制導與控制、通信等方面發(fā)揮了無可比擬的作用:自主水下航行器(水下機器人)在水下監(jiān)聽、自主攻擊、深海探測等方面將發(fā)揮不可替代的作用[1-7]。

早在2012年,互聯(lián)網(wǎng)就已經(jīng)報道了美國科歌研發(fā)的自動駕駛汽車已在復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)了深空探測器、深海探測器。在惡劣條件下實現(xiàn)自主航行、高速航行成為近年來又一個人類力求征服的目標,發(fā)展高性能的無人飛機、無人駕駛汽車、自主水下航行器(水下機器人)、高超聲速飛行器已逐漸成為當今世界各國競相開展的研究。

2自主航行器的技術(shù)特點

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,直至抵達目的地的航行。自主航行具有完全自主、不受干擾、強隱蔽等特點。

2.1導航技術(shù)和導航設(shè)備

實現(xiàn)自主航行需要有導航技術(shù)和導航設(shè)備。導航技術(shù)就是將航行器(如飛機等航空器,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)從一個位置引導到另一個位置(目的地)的技術(shù)。

導航設(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。目前實現(xiàn)導航的方式主要包括慣性導航、無線電導航、衛(wèi)星導航、星光導航、匹配導航、相對導航等,對應(yīng)的導航設(shè)備稱為慣性導航設(shè)備、無線電導航設(shè)備、衛(wèi)星導航設(shè)備、星光導航設(shè)備、匹配導航設(shè)備、相對導航設(shè)備等。

2.2航跡規(guī)劃與控制技術(shù)

實現(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,導航設(shè)備確定航行器當前所處的實際位置、速度、姿態(tài)和航向,與航行器預期航線和當前時刻實際應(yīng)達到的位置、速度、姿態(tài)和航向比較,控制系統(tǒng)根據(jù)二者的偏差進行誤差校正和控制,引導航行器到達預期目的地。

2.3能源動力和推進技術(shù)

實現(xiàn)自主航行同樣需要能源動力和推進技術(shù)。現(xiàn)有的實現(xiàn)自主航行的能源主要包括化學能、核能、太陽能、風能,如汽車、飛機的發(fā)動機將石油等化學原料轉(zhuǎn)化為電力、推進動力:核潛艇將核聚變或核裂變釋放的能量轉(zhuǎn)化為電力、推進動力:無人飛機用具有光伏效應(yīng)的材料制作機翼收集太陽能,將太陽能轉(zhuǎn)化為電力、推進動力。

現(xiàn)有的動力或推進技術(shù)主要包括三大類:一是火箭推進技術(shù),如導彈等運載體,依靠自身攜帶的固體或液體氧化劑和燃燒劑燃燒,產(chǎn)生動力和推力,實現(xiàn)對航行器的推進:二是發(fā)動機技術(shù),如吸氣式發(fā)動機、排氣式發(fā)動機、沖壓發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機等,將石油等化學原料轉(zhuǎn)化為電力、推進動力:三是電動推進技術(shù),首先將核能、太陽能、風能、化學能轉(zhuǎn)化為電能,然后將電能轉(zhuǎn)化為電力、推進動力。

3自主航行器分類

自主航行器是一種依靠自身導航制導與控制設(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、機器人士兵、生命探測機器人、月球探測車、火星探險車等,空間自主航行器包括無人飛機、導彈、人造衛(wèi)星、深空探測器等,水中自主航行器包括自導魚雷等。

自主導航技術(shù)已經(jīng)在國民經(jīng)濟、社會生活、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、導彈、深空探測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)、自主移動機器人(機器士兵、生命探測機器人、排爆/核生化特種作業(yè)機器人等)、月球探測車、火星探險車等。

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,目前世界各國正在投入大量的人力、物力、財力開發(fā)利用該區(qū)域,如各國正在爭相研發(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、導彈、高超聲速巡航導彈、人造衛(wèi)星、深空探測器等。

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)使命要求進行模塊優(yōu)化組合、實現(xiàn)多種功能的綜合集成系統(tǒng),涉及航行器總體、流體力學、控制、導航、信息、計算機、自動化、動力和推進、材料和傳感器等多個學科和相關(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)境時空變化的監(jiān)測、海底地形地貌調(diào)查與勘測以及深海技術(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)海洋救險和打撈。

4自主航行器的技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展,在相關(guān)需求的強烈驅(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:

4.1智能化

將人工智能技術(shù)應(yīng)用于導航系統(tǒng),使航行器具有某些人類的智能思維行為,形成智能自主導航器。智能自主導航器充分利用現(xiàn)代信息感知能力,并依靠內(nèi)置的智能計算機,使載體能夠在復雜干擾情況下自行探測、判定、選擇和跟蹤目標,自動選擇導航方式、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)以及微機電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展,自主導航系統(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,也會帶來相關(guān)分系統(tǒng)的小型化和低功耗。

可以預見,隨著微米和納米技術(shù)的發(fā)展,微機電系統(tǒng)技術(shù)和微米、納米技術(shù)必將進一步促進導航敏感器的微小型化進程。為了減少導航配置,盡可能提高導航敏感器的復用程度,在不同的任務(wù)階段采用相同的導航敏感器。美國的深空探測任務(wù)往往借用科學探測有效載荷相機作為導航相機完成視覺導航任務(wù),如旅行者號和深空I號探測器。

4.3高精度復合導航

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

復合導航或組合導航帶來了以下三方面的優(yōu)點:

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

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

(3)冗余性與容錯性。組合導航系統(tǒng)的各子導航系統(tǒng)分別感測同一信息,得到的導航信息具有冗余性,提高了整個導航系統(tǒng)的容錯能力和可靠性。

4.4自診斷、自修復、高可靠性、長運行時間

長航時、高可靠性、高安全性運行是現(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、自診斷、自修復和容錯技術(shù),具備故障預報、壽命預測和健康管理功能。

4.5惡劣環(huán)境適應(yīng)性

無人戰(zhàn)車、戰(zhàn)場機器人、無人飛機等軍事用途的地面自主航行器,必須面對和適應(yīng)核輻射沾染、電子對抗等惡劣戰(zhàn)場環(huán)境:水中自主航行器必須面對和適應(yīng)復雜的背景水聲、噪聲、水中電子對抗等惡劣的水中環(huán)境:空間自主航行器必須面對和適應(yīng)太陽黑子、磁爆、人為空間對抗等空間惡劣環(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,在對未知自然領(lǐng)域的開拓與探索中將會扮演不可或缺的重要角色。盡管目前相關(guān)領(lǐng)域依然有著進一步優(yōu)化的潛力,但隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,自主航行器必將得到廣泛應(yīng)用。