自主水下航行器集群组网技术发展与展望

自主水下航行器的应用领域广泛, 可在复杂且危险的水下环境中执行任务, 如海洋资源勘探、水域监测和区域拒止等。然而, 单个航行器搭载传感器的类型和数量有限, 无法满足水下环境任务多样、作业区域广以及作业时间长的需求。因此, 自主水下航行器集群组网技术的发展显得尤为重要。自主水下航行器借助水声通信、协同探测和控制决策等关键技术, 实现自主水下航行器的集群组网, 形成同构或异构集群进行协同作业。通过集群组网, 可以充分发挥不同航行器平台的能力优势, 实现多平台之间的信息共享、任务协同和资源整合, 从而自主完成更复杂的海上作业任务。这种集群化的作业方式不仅提高了任务执行效率, 还可降低作业成本, 并提升海洋领域的探测、监测和应对能力。文中介绍了国内外自主水下航行器集群组网研究现状, 总结了相关关键技术和挑战, 展望了未来发展趋势, 为开展自主水下航行器集群基础理论研究与实践应用研究提供参考。 随着海洋强国战略的不断推进, 我国在海洋资 源开发、海洋生态文明建设以及海洋权益维护等 方面的活动日益增加。现有的各种海洋作业平台 各有其独特优势, 但也存在一定的局限性。例如, 有人大型船只综合作业能力强, 但遇恶劣海况时, 人员风险大且运行成本高昂, 通常为单点作业, 广 域长时同步作业代价大。海面浮标作业网具有广 域作业能力, 但以海表层数据的观测为主, 且随波 逐流, 受控机动能力弱。海底观测网通常使用光 电复合海缆为众多海底原位观测设备和水下接驳 坞等海床基作业设备提供能源和通信链路, 实现 特定海域物理、化学、生物和地质等过程的高分辨 原位实时观测[1] , 建设成本高, 作业区域难以触及 远离陆地的深远海区域。自主水下航行器和水下 滑翔机等水下无人平台已经取得了显著的发展与 广泛的应用[2]。然而, 在执行复杂多样的海洋观探 测任务时, 由于单个平台所搭载的传感器载荷类 型、数量以及能量储备有限, 往往难以满足任务的 多变性需求[3]。 自主水下航行器集群组网技术有效提升了水 下环境中的协同作业与通信能力。组网成员之间 能够自主协同, 高效完成包括海洋勘测、环境监测 及搜寻救援在内的多种复杂任务。节点之间的实 时信息交流, 确保每个成员都能获取到最新的任 务数据和环境信息; 同时, 通过智能算法协调行动, 共同达成预定目标。这种协作能力使得自主水下 航行器集群组网成为海洋探索与利用领域的重要 技术突破。因此, 以各型自主水下航行器为核心 装备, 同时辅助无人艇、浮标、潜标、海底锚系以 及海床基等装备组成异构自主水下航行器集群, 进行体系化协同作业显得尤为重要[4]。目前已有 不少针对同构无人集群的研究, 如水下滑翔机集 群等[5] , 异构集群组网、跨域组网以及形成敏捷、 机动集成系统方面的应用实践处于起步阶段。同 时, 由于复杂海况所带来的不确定性以及模糊性, 水声通信、集群感知及控制决策等多项关键技术 仍亟待突破。文中回顾了近年来自主水下航行器 集群的发展现状及最新研究进展, 并对相关技术 发展趋势进行进一步展望。