0 引　言

无人潜航器（UUV）在最近30年获得了高速发展，美国在其《无人系统一体化路线图》中将UUV视为未来海战中能够有效制海和夺取水下战优势的海上力量倍增器，具备执行情报/监视/侦查、检查/识别、反水雷、载荷投送、传感器隐蔽植入、通信/导航网络节点、大洋反潜战、时敏打击、数字绘图、诱饵/探路者、海底地形测绘等多种任务的能力，并将在海床战、反UUV战、电磁机动战、非致命海上控制等新兴作战形态下发挥巨大作用^{[1 − 4]}。

上述任务的执行对UUV的水下工作时间、作业方式的隐蔽性、水下无线通信能力、海上生存能力提出了更为严苛的要求，而这些目标的实现主要受自身携带能源、水下通信、布放回收方式等的限制^{[5 − 7]}。由于几十年来水下致密能源技术一直未取得颠覆性进展，UUV的水下工作时间十分有限，需要频繁返回大型平台充电，传统的母船收放方式受环境影响大、作业成本高、隐蔽性差，极大地降低了UUV的使用效能。水下移动对接作为一种实现UUV与其他移动平台连接的技术，是解决上述问题的理想方法^{[8 - 9]}。

美国伍兹霍尔研究所等单位基于Remus-100型UUV和拖曳式坞站开展了水下移动对接技术研究，使用长基线和超短基线进行导航定位，在美国巴泽兹湾进行了11轮动对接试验，一次对接成功率达到63.6%，证明了利用水下移动平台回收UUV的可行性^[10]。美国佛罗里达大学提出一种通过USV布放回收UUV的技术，USV下方配有定深器的缆绳，Remus-100型UUV在水声信号引导下利用头部安装的钳形闭锁装置扣住缆绳^[11]。中科院沈阳自动化研究所提出了AUV与自主移动坞站对接的系统设计^[12]，该对接系统由2台AUV组成，基于声学导引、PCM动态导引等导引设备和导引方法，在多次湖试中完成对接，入坞成功率达到90%以上，该系统使用的声学导引设备为TrackLink、Evologics超短基线设备^[6]。该团队还针对水面无人艇部署AUV的需求设计了导向罩开合式水下对接装置、水下框笼式对接装置等方案，并进行了水动力学、运动控制仿真等研究工作^[5]。此外，浙江大学等单位也开展了类似研究工作^{[13 - 14]}。目前国外已实现水下对接技术在潜艇、UUV间的演示，而国内还处在关键技术研究阶段，缺乏装备应用为导向的总体设计牵引。

水下移动对接系统一般由对接潜航器和移动坞站组成。相较于潜航器与固定坞站进行的水下固定对接，水下移动对接需在对接过程中额外处理移动坞站的运动稳定性、移动平台实时定位与共享、碰撞安全性、入坞后的防脱离等问题，水下移动对接是比水下固定对接更为复杂的技术。本文针对水下移动对接面对的新问题，提出了移动对接总体解决方案，并开展了对接控制技术研究，设计了水下移动对接技术验证系统，该系统在千岛湖完成了水下移动对接全流程试验。

1 水下移动对接系统设计 1.1 总体设计

水下移动对接系统可应用于UUV与水下、水面有人/无人平台之间的回收、信能传输。水面船回收UUV一般采用UUV出水挂钩的方式，因水面船自身隐蔽性差对于水下移动对接的需求较弱。水下移动对接技术的应用方向更多的应集中在与隐蔽性更好的USV以及水下有人/无人平台之间的连接上。而上述设备因空间极为有限，水下移动对接系统需实现有限尺寸接驳装置下的高成功率对接，因此对接成功率、对接精度成为核心指标，平台可以在航速、航向、工作深度等方面给予配合。

水下移动对接系统中的移动坞站既可以搭载在水面船上，也可以搭载在大型水下平台上。考虑到水面平台受海况、洋流扰动更大，在其上实施的移动对接难度更大，因此选择水面船载移动坞站进行技术研究。潜航器根据其操控方式一般分为欠驱动和过驱动，常见潜航器基本为欠驱动，且欠驱动潜航器运动控制精度低，不具备悬停、侧移等超机动能力，故选择欠驱动潜航器作为对接潜航器进行技术验证。

水下移动对接系统总体沿用声光联合导引方式，具体包括声学超短基线导引、单光源导引、末端喇叭口机械导引，如图1所示。但考虑到复杂洋流、涌浪影响以及对接坞站持续运动带来的定位问题，需在坞站稳定性、对接流程等方面进行针对性设计。

在坞站稳定性方面，对接坞站位置及姿态需尽量保持稳定并可预测。考虑到水面平台在复杂海况条件下会产生剧烈的垂荡、俯仰运动，对接坞站宜与水面平台解耦，通过柔性拖曳缆连接。该方式同时可有效避免对接潜航器与水面平台的碰撞造成设备损害，此外还可将对接动作下移，为光学导引提供良好的光场条件，提高光学对接导引距离。

在对接流程方面，将水下对接分为两阶段。第一阶段为声学导引阶段，移动坞站直航匀速拖曳，对接潜航器建立与移动坞站的水声定位与通信连接，根据移动坞站的航向、位置等信息计算对接就位点，对接就位点一般设置在移动坞站正后方约100 m处，对接潜航器在声学导引下快速到达对接就位点，随后对接潜航器跟踪对接就位点和移动坞站之间的导引线，直至对接潜航器进入光学导引范围。在跟踪导引线的过程中，结合前次声学测量信息、对接潜航器导航信息综合判断声导引信号的有效性，避免声学定位野值的干扰。第二阶段为光学导引阶段，对接潜航器利用光学探测模块实时探测移动坞站光源相对方位，并快速机动跟踪该点光源，直至对接潜航器进坞。在跟踪导引方向的过程中，结合前次光学导引信息、对接潜航器导航信息综合判断光导引信号的有效性，避免光学定向野值的干扰。进坞后对接潜航器保持推进，待移动坞站锁紧对接潜航器后完成水下移动对接。第一阶段对接潜航器航速可保持相对高速以减小对接流程时间，第二阶段对接潜航器应进行适当降速，以延长光学导引时间，方便进行高精度对接控制，提高对接成功率，并降低进坞碰撞造成的设备损伤。如遇到错过进坞，对接潜航器可适当降速，待其重新进入光学导引范围后直接进入光学导引阶段，如降速后未能进入光学导引范围，则需转入声学导引阶段，对接流程如图2所示。

1.2 声学导引

声学导引采用超短基线设备，超短基线测向基阵布置在移动坞站端，对接潜航器端布置声通信终端。声通信终端发射定位请求信号，超短基线基阵测得该信号方位后反馈该方位信号，对接潜航器声通信终端接收该信息并同步解算两者之间距离，由此获得对接潜航器和移动坞站的相对位置关系。本系统采用自研超短基线设备，定位精度为5°斜距，刷新率最高2 s，最大作用距离3 km。

1.3 光学导引

光学导引采用单光源配合光学测向设备。单光源布置在对接坞站中心线上，导引光开角不小于40°，光源采用绿光。光学测向设备布置在对接潜航器中心线上，能够测量点光源相对自身的方位角，测向精度优于1°。其工作原理如图3所示。

1.4 对接控制

1）声学导引阶段

在声学导引阶段初期，对接潜航器根据超短基线测向信息、测距信息、移动坞站航向、深度等信息计算出对接就位点。到达对接就位点附近后，在水平方向，基于上述信息计算对接潜航器与导引线的横向误差，如图4所示，采用PI控制器控制潜航器航向角使其实现对对接导引线的跟踪。

$ u(k)={K}_{wp}\times \Delta L(k)+{K}_{wl}\sum\limits_{k=0}\Delta L(k)+{K}_{p}\times {e}_{\psi }(k)。$

(1)

式中：$ u(k)$为实际输出的航向控制量；$ \Delta L(k)$为横向误差；$ {e}_{\psi }(k)$为航向误差；$ K_{wp}$、$ K_{wl}$、$ K_{p}$为控制系数。深度方向上，采用相同方法，依据潜航器、移动坞站深度差，控制潜航器俯仰角，实现对移动坞站所在深度的跟踪。

2）光学导引阶段

光学导引阶段，在水平方向，基于对接潜航器光学测向设备测得的水平相对方位角，如图5所示，采用PID控制器控制潜航器航向角使其驶向光源。

$ \begin{split}&u(k)={K}_{p}\times \Delta m(k)+{K}_{l}\sum\limits_{k=0}\Delta m(k)+{K}_{D}\times\\&\qquad \qquad \left[\Delta m(k)-\Delta m(k-1)\right] 。\end{split}$

(2)

式中：$ u(k)$为实际输出的航向控制量；$ \Delta m(k)$为水平相对方位角；$ K_{p}$、$ K_{l}$、$ K_{D}$为控制系数。深度方向上，采用相同方法，依据垂直相对方位角，控制潜航器俯仰角，实现对光源在深度方向的跟踪。

1.5 移动坞站

移动坞站整体布局及结构设计如图6所示，整体采用喇叭形设计。机械导引口采用辐条式设计，最大外径0.86m，移动坞站中心线上布置光学导引模块，并适度靠前以保证以足够的光学导引开角。声学导引模块布置在顶部以确保与对接潜航器间不被遮挡。拖曳点设置在前部，以确保拖曳的姿态稳定性。水平稳定翼、垂直稳定翼用于辅助姿态稳定。电子舱采用导流外形，减小对周围流体的扰动。电子舱内主要安装有姿态传感器、深度传感器、控制板、硬盘、电池等设备。

水平稳定翼采用两侧对称，上单翼加下反角的形式，改善整体抗横滚稳定性的同时又保持一定滚转能力。采用较大的前缘后掠角使升力面靠近重心，减小流体力力臂，对其进行拖曳姿态仿真计算，单边水翼水平面投影翼展为0.6 m，投影面积为0.3 m²，水翼下反角为27°。

对对接坞站水下拖曳状态进行仿真，以拖点为旋转中心，在对接坞站自身重浮力合力矩和流体作用导致的倾斜力矩的作用下，对接坞站在2 kn拖曳速度下，拖曳纵倾角为4.5°^[15]。

1.6 对接潜航器

对接潜航器采用欠驱动航行器，外径为324 mm，长度约4 m，满舵角回转直径约40 m。为避免对接碰撞对航行器的影响，航行器采用导管内置舵设计，无突出舵片。对接潜航器整体布局如图7所示。光学探测模块在前部中轴线上，声学导引模块安装在前下部。

2 试验验证

在千岛湖开展移动坞站拖曳试验、水下移动对接试验。试验水域长度约1 km，宽500 m，水深约40 m。参试设备包括移动坞站、对接潜航器。

2.1 移动坞站拖曳试验

为验证移动坞站拖曳稳定性，开展移动坞站拖曳试验。移动坞站由试验船拖曳直航，航行速度约2 kn，稳定拖曳状态下，对接坞站拖曳深度在27.6～28 m之间变化，纵倾角变化在3～5°之间，横倾角变化在±1°之间，拖曳试验证明移动坞站拖曳深度、拖曳姿态稳定，纵倾角与理论计算值吻合，如图8所示。

2.2 水下移动对接试验

为验证水下移动对接系统，特别是对接流程的合理性，开展水下移动对接试验。试验中，移动坞站的操作与拖曳试验中相同，保持2 kn左右的速度匀速直航拖曳，拖曳深度约28 m。对接潜航器在任务开始前与移动坞站保持50 m以上距离，在声学导引段，潜航器航速设为3 kn，在光学导引段，潜航器航速降至2.5 kn左右。试验共进行5条次对接任务，4条次对接均在首次进入光学导引后即成功完成进坞，一次对接成功率达到80%，如图9所示。移动对接过程中，以第三条次对接为例，对接潜航器航向、深度、姿态变化如图10所示。

四条次成功入坞的试验中，对接潜航器顺利完成就位点跟踪、导引线跟踪、点光源跟踪等动作，并在距离移动坞站20～30 m距离进入光学导引范围，光学导引时间达到40 s以上，对接潜航器利用该段时间不断调整俯仰角、航向角，实现精确入坞。从移动坞站端摄像头监视视频看，四条次成功入坞撞击点均在喇叭口中心偏上位置，说明对接导引的末端精度一致性良好。未成功对接的航次主要是因声学导引末段超短基线定位数据跳变严重，这与千岛湖复杂的声学环境关系密切。

3 结　语

本文针对水下潜航器与移动平台间的移动对接问题，提出了总体设计思路，具体涉及坞站稳定性、对接流程、对接导引方式等方面。开展了移动坞站和对接潜航器设计与移动对接试验，试验证明，利用324口径欠驱动弱操控潜航器可实现对0.86 m口径的移动坞站的准确对接，坞站喇叭口口径与潜航器口径比值仅为2.6，一次对接成功率达到80%，末端对接精度一致性较高，证明该技术具备良好的发展前景。

后续将开展复杂海上环境下的移动对接测试，并进一步开展末端光学导引研究，提升导引距离和精度，提升对接精度，实现系统小型化，开展UUV-UUV对接等多场景示范应用。