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无人艇在水面靶标应用与关键技术研究
来源:溪流之海洋人生 | 作者:王海涛 刁世伦 | 发布时间: 2021-09-14 | 6583 次浏览 | 分享到:
目前美国、以色列、欧洲与日本等西方国家的无人水面艇技术水平较高,而国内的无人水面艇研发与应用尚处于起步阶段......

无人艇作为机动靶使用时,模拟对象是中小型水面作战舰艇的雷达散射和运动特性,一般用角反射体组合来达到雷达散射特性模拟的目的;不过由于艇体几何尺寸有限,如果雷达散射面积模拟要求较大,则可采用RCS主动增强模拟技术,模拟结果复现包含舰船目标信息和环境信息的雷达回波信号中。

无人艇作为靶区观测平台或者舷外有源电子干扰平台使用时,在水面靶标附近机动航行,为了避免艇体的目标特性影响反舰武器导引头的搜索与跟踪,须进行雷达散射隐身设计。无人艇雷达隐形设计的基本流程如下:

⑴确定无人艇雷达隐身设计目标,给出导引头雷达威胁区域、工作频段和入射仰角范围要求,确定艇体需做隐形设计的方位角和俯仰角范围;

⑵根据导引头工作频段和无人艇外形特征,对无人艇外形进行RCS计算;

⑶按照任务载荷布置和加工工艺要求,完成整艇设计和非光滑表面光顺处理和融合;

⑷对艇体特殊搭载载荷部位进行局部主散射源隐身优化设计,对特定散射强点部位进行雷达吸波材料配置,计算全配置下整艇的雷达散射截面;

⑸进行必要的艇体缩比模型或全尺寸陆上、海上RCS测试验证。

⒉通信保障

无人艇的通信对象包括岸基(或母舰)支持系统、其他无人与有人平台;通信手段主要包括微波通信、卫星通信和水声通信,另外,北斗短报文通信也可应用在应急通信方面。通信系统是连接艇载自主航行系统和岸基支持系统(母舰)的桥梁,具有上下行不对称、高带宽和低延时等要求。下行数据为母舰对无人艇的遥控指令信息;上行数据为艇自身工作状态以及导航雷达、光电载荷等感知传感器信息,由于上行数据包括大量的设备工作和雷达图像、视频等传感器信息,需先进行信息集成融合后再进行压缩传输。

对于微波信道,由于无人艇的通信天线高度受限,海面引起的多径衰落对通信质量影响很大。目前无线数据传输采用的对抗多径方法主要有扩频技术、OFDM技术和SC-FDE单载波频域均衡等技术。扩频技术在窄带系统中比较常用,技术成熟,可在上行链路中使用;下行宽带系统中可采用OFDM或SC-FDE技术。对于卫星通信信道,通信距离不受限制,但是受无人艇平台限制较大,需解决卫通设备安装与对艇体摇摆敏感问题。为了在不同的工况下保持无人艇通信畅通,应根据数据类型和实时性要求,艇载通信载荷可智能选择数据的发送途径,也就是智能路由选择技术。

无人艇自组网技术,包括无人艇编队之间内部的自组网、无人艇与其他有人/无人平台的自组网技术,要求无缝融入现有的试验测控网和通信网中。无人艇能够安全稳定地自主编队航行并预期完成试验任务,在很大程度上取决于无人艇之间对艇体运动数据、外界传感器、任务载荷等信息的互通和互操作水平,要求优化无人艇无线自组织网络协议,开展组网控制、网络管理和通信安全防护等装备研制,在此方面基于MIMO模式的MESH通信技术已得到实际应用。另外,还需解决无人艇与其他平台的异构组网技术,实现陆海空天潜异构立体组网,为有人/无人平台协同态势感知、指挥决策等试验活动的组织实施提供支撑。

⒊航行环境感知与自主决策

水面靶标模拟目标为作战舰艇,应用在此场合的无人艇监测对象主要是靶区海域的海面目标。目前采用的外界环境传感器包括导航雷达、毫米波雷达、激光雷达、光电载荷、AIS和气象站等各种类型传感器设备,实现一定距离范围内的海面目标探测。无人艇基于每种传感器的探测特性对特定目标进行检测、跟踪、识别等由粗至精的融合处理,再结合电子海图和艇内组合导航单元信息,构建水面环境立体态势图,实现无人艇对航行周围环境自主、准确完整的认知,在此基础上才能正确快速进行航行规划、自主航行控制与自主避碰等操作。

不过与其他无人平台无人车、无人机等相比,无人艇所处的海洋环境更为复杂多变,具有动态、不确定和复杂性,尤其是在恶劣的海况下航行时具有其特殊性,在环境感知方面也更加地困难,除了受海上光照、能见度因素等影响外,还面临特殊挑战,如艇体剧烈升沉摇摆、海面目标可观性弱与尺度变化大、浪花飞溅与不规则海岸线外来干扰等困难;而目前各类艇载传感器基本上是从其他应用的现有产品中选取使用,很少根据实际使用环境与探测需求进行针对性的设计与研制,更加剧了对航行环境感知的困难。

同时,国内无人艇基于多传感器的在时间和空间上深入融合理论、实践应用均尚未成熟,因此目前在较复杂航行环境中,完全依靠无人艇自主安全可靠航行在短时间内技术上尚无法实现。所以在复杂情况下,无人艇就需要依托岸基支持系统给予智能决策和相关背景知识支持,在结合岸基支持系统基础上构建无人艇智能环境感知与信息融合、风险预警模型和理论,在此方面硬件条件已具备,可由试验指挥控制中心承担。岸基支持系统通过无线通信信道获取无人艇周围静、动态目标以及航行条件,再进行智能融合关联分析,运用深度学习、知识库、情景计算等智能理论,辅助无人艇进行智能决策,并同时向无人艇提供航行海域海况与气象支持。

⒋海上布放与回收技术

随着向蓝海海军发展和反舰武器射程的提高,无人艇需搭载在母舰上在远海执行试验任务。母舰利用可靠的布放与回收装置,完成高海情下无人艇的收放作业自动化,不需操作人员下水进行辅助吊放操作,对提高无人艇的可用率和试验效率有重要意义。