隨著全球人口的不斷增加，對各種能源的需求逐漸增多。海洋因具有豐富的生物資源、礦產資源和水資源等自然資源而成為各國開發研究的重點。海洋調查是人們探索海洋、認識海洋、利用海洋的基本手段，隨著材料科學和信息技術的不斷發展，各種技術手段、作業方法逐漸出現。傳統的海洋調查通常以調查船、浮標和潛標等為平臺，搭載各種儀器設備和傳感器完成海底探測、物理海洋觀測和生化環境監測等任務。
目前，傳統調查平臺在環境複雜、工況惡劣的水域作業有著很大的局限性。大船受自身體積、吃水深度的影響，不適合作業；小船抗風浪能力差、人員設備危險性高，且會在往返、補給和救治等環節上浪費大量時間；浮標和潛標雖然可在惡劣環境條件下，長期連續進行綜合監測，但是機動性差，收放困難，設備成本高。
新時代信息技術和控制技術的發展使得人工智慧和無人系統成為當前研究的潮流，為海洋調查的發展提供了新的思路，無人自主潛器、無人船和智能浮標等新型載體得到長足發展。其中無人船以船形浮體為載體，安裝有動力系統、控制系統、通信系統和任務載荷，通過控制端發布命令進行遠程控制。與載人調查船相比，無人船的優點在於無人值守，在相同作業內容下勞動強度低、操作風險小；與浮標、潛標等原位觀測手段相比，無人船具有一定的機動性，易於部署、回收；與無人自主潛器相比，無人船的定位、通信等伺服技術相對簡化，同時續航力有一定的優勢。因此，推廣無人船在海洋調查領域的應用，可有效彌補傳統觀測手段的缺陷，加大海洋開發力度，對推動我國海洋事業的發展具有重要意義。
一、研究背景
無人船是一種可執行某項或某類任務，並基於任務目的進行功能設計的水面機器人，最初主要用於軍事領域，如協助完成警戒巡邏、情報收集、監視偵察、掃獵雷、探潛、火力打擊和充當通信中繼等戰術支持任務。近年來，無人船在民用領域廣泛投入使用，執行水體探測、海上搜救和海底打撈等任務。
無人船最早在二戰時期作為一次性的制導武器投入使用。進入21世紀之後，隨著通信和人工智慧等技術的發展，制約無人船發展的技術瓶頸得到解決，無人船高速發展，在軍用和民用領域不斷有新產品問世。美國和以色列的無人船項目研究較早，技術領先，其產品主要應用於軍事領域。目前全球約有50種無人船平臺，其中軍用佔70%，美國佔50%。2008年，通用動力公司為美國海軍交付2艘「港灣」級反潛無人船，主要用於執行反潛任務；2012年，美國展示新型無人船「食人魚」，該船具有掃雷、探測和攻擊等功能。
以色列拉斐爾武器設計局和以色列航空防禦公司聯合研發的「保護者」無人船於2003年投入使用，主要用於本土防禦和反恐作戰，同時可完成部隊保護和監視偵查等任務。此外，俄羅斯、英國、挪威等國家也正在加快軍用水面無人航行器的研究步伐。在民用領域，目前也有部分適用於海洋調查的成熟產品，如英國ASV公司旗下的C-worker系列和C-Enduro、OceanScience公司的Z-Boat系列和Sea-Robtics等，這些產品可用於海洋環境保護、航道測量和海洋搜救等。
相比於美國和以色列主導的無人船研究，我國起步較晚，但發展速度很快，已從概念設計過渡到實際運用階段。2008年7月，航天科工集團公司瀋陽航天新光集團有限公司自主研發的「天象1」號無人船進行下水測試並取得成功，這是我國自主研發的第一艘實際應用的無人駕駛沿海航行探測平臺。近年來，無人船事業蓬勃發展。目前，上海大學、珠海雲洲智能科技有限公司和哈爾濱工程大學等在無人船領域不斷取得技術進步，佔據領先地位。上海大學無人艇工程研究院是國內成立的第一個水面無人艇專業研究機構，其代表性成果為「精海」系列無人艇，其中「精海1～4」號已成功完成南海島礁和南極羅斯海等海域的應用，目前正在研發的有「精海」號環境監測系列無人艇和「精海」號生態浮標等。珠海雲洲智能科技有限公司是我國第一家致力於無人船艇研究和生產的企業，其針對海洋調查應用的產品有MB08海底探測無人船、M40A多用途無人船、ME120多用途無人船和L30高速無人船等。哈爾濱工程大學在無人水面艇（USV）的運動控制和仿真方面研究較深，包括運動控制、目標檢測和路徑規劃等。
二、無人船在海洋調查領域的應用
當前在海洋調查領域，調查設備和作業手段方面已有很大進步，但受調查平臺自身局限性的制約，在一些特殊的、危險的水域內，調查工作仍難以開展或採集到的數據較差。在淺灘、水庫和近岸水域等調查區，常規海洋調查船的體積較大，吃水較深，一般無法到達，有發生傾覆、翻船等危險事故的可能性，會造成人員傷亡和設備損失；在測量水下地形時，仍以人員操控為主，受其理論水平和實際工作經驗的影響，外業採集數據會存在一定的誤差。根據調查現狀，結合無人船機動靈活、安全、隱蔽性強等特點，可將無人船引入海洋調查領域，作為一種新型調查平臺使用。根據海上作業的任務，將其分為海洋環境觀測和海底探測2類。
海洋環境觀測
目前海洋環境觀測技術主要可歸納為浮標和潛標技術、岸基臺站觀測技術、船基海洋觀測技術、海洋遙感技術、海床基觀測技術和水下自航式海洋觀測平臺技術。以船舶為活動平臺進行海洋溫鹽深測量，海流觀測是主要方向。在用無人船觀測海洋環境時，可搭載全球導航衛星系統（GNSS）、以CTD為代表的多參數剖面測量系統、氣象觀測系統、ADCP和高光譜水質儀等模塊，進行風暴潮、赤潮等災害的監測，海洋動力環境的調查，深海浮標、潛標等的在線檢定、標定。在進行海上工作時，無人船同時搭載多種任務設備，可進行綜合調查；內置GNSS定位，相比有人船循線更加精確；部分數據可實時回傳，使用者可第一時間進行數據分析。目前無人船很少應用於海洋環境觀測領域，主要是因為：
海洋環境觀測用到的溫度和鹽度等數據，與水體深度有關，需對不同層次的水體進行取樣或測量，而無人船平臺體量小，搭載的空間有限，觀測設備多為固定安裝，因此在測量深度、取樣數量等方面都受到限制，傳統調查船平臺反而更有優勢。
有人船在進行海洋環境觀測時受到海流、波浪和生物等因素的影響，經常要手動操控觀測設備，以達到修正數據或規避風險的目的。而當前應用於無人船的控制技術還不夠發達，在突發海況下，無人船的應變、自我調控能力不足，目前只能作為常規環境觀測的補充手段，如要大量投入到環境觀測中，還需要進行技術革新。
海底地形地貌探測
水聲探測技術是海底探測的主要手段，其基本內容包括聲層析技術、聲成像技術、高解析度聲學多波束測深技術、多功能海底地層剖面聲探測技術和多媒體聲通信技術等。用於海底探測的無人船搭載GNSS、單波束測深儀、側掃聲吶，合成孔徑聲吶、條帶測深系統、淺地層剖面儀和投放式聲納等模塊，可執行水深地形測量、海底目標物檢測和沉積環境調查等任務。無人船平臺具有遠程遙控、全球定位系統（GPS）自動導航、自主航行和自動避障等功能，可在視距外作業。工作時，先在基站上下載作業水域的地圖，輸入坐標，規劃測線，然後將任務下達給無人船，即可開始工作。作業過程中，可通過遠程控制等方式調整側掃聲吶等測量儀器的參數。在淺水區、島礁區和危化品區等常規測量船難以進入的區域，可採用母船與無人船聯合作業的模式來提升作業效率。2016年6月至8月，TerraSond使用C-Worker5無人船（見圖1）結合32m長的調查船Q105在阿拉斯加白領海域進行海道測量。無人船作為力量倍增器，在大船旁邊採集多波束和拖曳式側掃數據，協同作業。5.5m的無人船採集了4213km的測線數據，完成了44%的工程量，實現了業內第一生產效率。
圖1ASV採集多波束和拖曳側掃數據
三、無人船關鍵技術研究
無人船平臺關鍵技術研究
無人船平臺可搭載的任務載荷類型主要包括聲學探測設備、非接觸式/接觸式水質檢測設備、雷射測量設備、磁力儀和小型重力儀等，其核心任務是獲得高質量的測量數據，因此無人平臺發展的關鍵技術應體現在以下3方面：
降低平臺對任務載荷的擾動。
水面測量屬於動態測量，一方面會與自由液面及一定深度範圍內的液體發生固態耦合作用，另一方面平臺航行及自身動力系統會產生振動和噪聲，這些都會對任務載荷產生影響。
提高循線精度。
循線精度包括偏航距和航向穩定性2方面。水面自主測量平臺根據控制端預設測線循線航行，其航行控制算法的優劣直接影響數據的質量和作業效率，具體表現為相對於實際航跡與預設航線之間的最大偏航距和航行過程中的艏向與預設航線矢量方向之間的時變關係及航向穩定性。
提高通信系統的可靠性。
水面自主測量平臺作業時需向控制端實時回報其自身狀態及任務載荷狀態，因此通信系統的實時性、穩定性和帶寬等直接決定平臺的適用性。
無人船任務載荷適配性研究
無人船只有集成安裝任務載荷之後才能執行指定任務，必須重視對其搭載能力或任務載荷適配性的考核。對於無人船平臺來說，能否適配一種任務載荷，主要需從以下4個方面進行評估：
載荷系統總重量。
水面自主測量平臺的有效載重應大於載荷系統總重量，否則平臺的安全性和航行性能都會受到影響。
載荷幹端體積。
水面自主測量平臺的甲板和幹艙空間應滿足任務載荷幹端布置和安裝需求。
載荷溼端面積、阻水面積。
水面自主測量平臺的儲備推力應大於任務載荷溼端產生的阻力。
載荷功耗、接口。
水面自主測量平臺的能源供應主要為電力，需滿足任務載荷最大功耗需求，同時物理接口與電氣接口一致。
四、海洋調查無人船工作環境分析
從無人船的特點和各種任務載荷來看，其未來主要解決兩大難題，即：代替從業者執行勞動強度大、安全風險高的工作；代替從業者執行重複性、長周期的工作。結合海洋環境水深、水動力條件和水底地形地貌的差異，建議將無人船的工作環境分為島礁區、濱海區、淺海區、半深海區和深海區。
島礁區
島礁區為沿岸島嶼之間的內水道和熱帶珊瑚島附近水域。沿岸島嶼之間的內水道狹窄曲折，受岸形限制，有淺灘、礁石等航海危險物，缺少足夠的船調轉空間。該區域水深受限，水流作用強，會受到潮流、潮差的影響。對於熱帶珊瑚礁附近的水域，其海流潮流特點更為複雜，暗礁眾多，水深變化大，水動力複雜。島礁區航路短，距離危險物近，距離方位變化快，採用傳統調查技術在該區域工作效率低、危險大且耗費大量人力和物力，部分區域可能受政治因素的影響，獲取水深、地形等基礎數據的難度很大。我國南沙島礁即為此類典型區域。
濱海區
濱海區指平均低潮線以上至特大風暴能到達的地帶，為陸海交互環境，可分為後濱帶、前濱帶和濱外帶。濱海區環境極為複雜，是潮流、底流等強烈作用的地帶。在此處航行尤其要注意海岸帶的特點。海岸帶通常可分為基巖海岸、砂質海岸、淤泥質海岸和生物海岸4類，其中基巖海岸地勢險峻、坡陡水深、海岸曲折，附近多島嶼、礁石，如遼東半島、山東半島；砂質海岸的堆積物顆粒較粗，海灘寬闊平坦，如臺灣西側海岸；淤泥質海岸的堆積物顆粒較細，海岸寬度大、坡度小，海岸線平直，如珠三角海岸；生物質海岸可分為紅樹林海岸和珊瑚礁海岸，人員、船舶不易靠近。
淺海區
淺海區指平均低潮線至200m水深的地帶，一般位於陸架以內和島嶼外一定範圍內。由於淺海帶始終處於海水面以下，水動力較弱。波浪影響地區主要是大陸架上部。潮流和洋流可影響整個大陸架，但流速較低，主要起搬運作用。
半深海區
半深海區指陸架以外、島弧以內、水深在200m～2000m的陸坡區。此處海洋動力環境特徵顯著。海面波浪以深水波為主，濁流作用強，同時要考慮氣象因素對海上作業的影響。該區域距離陸地遙遠，傳統海洋環境觀測手段成本高，且設備不易回收。無人船可作為定點或移動觀測平臺，發揮其機動靈活的特點，充當浮標、潛標觀測的補充手段。
深海區
深海區指水深大於2000m的區域，對於體積小、抗風浪能力較差的無人船來說，其作業受限，在母船的配合下，只能進行少部分海洋環境觀測。目前探測深層海底，使用的換能器一般體積大、質量大，無人船內的載荷空間小，載重能力有限，還不足以支持其工作。此外，無人船吃水淺，抗風浪性能差，相較於常規船舶姿態變化大，導致搭載設備的指向性降低，束控多波束、參量陣淺剖等設備的波束穩定功能可能失效。
五、無人船分類及任務載荷分析
在海上各種工作環境下作業時，考慮其水動力、水深和海底地形地貌等條件的差異，需使用不同類型的無人船，結合作業目的，搭載適用的調查設備。這就對無人船的分類方式及其適配任務載荷提出了要求。目前無人船的分類方法有很多，可根據動力、水域、船型、驅動、航速和應用等要素進行劃分。針對無人船的5種工作環境，提出一種新的分類方式，按照體量、吃水深度等條件，將無人船平臺分為微型平臺、小型平臺、中型平臺、大型平臺和超大型平臺，並對各類型無人船適配的任務載荷提出建議。
微型平臺
微型平臺船長小於2m，吃水深度小於0.3m。可搭載GNSS、單波束測深儀和小型側掃聲吶等設備，在海島礁盤內、基巖質和生物質海岸等地帶作業。在平潮水深小於3 m的區域，需趁潮作業。鑑於工作環境的特殊性，無人船應設計防剮蹭、防擱淺或自帶脫困裝置，此類產品有Deep Ocean Engineering公司的PHANTOM USV I-1650和Teledyne公司的Z-BOAT等。
小型平臺
小型平臺船長在2m～4m，吃水深度小於0.4m，任務載荷為GNSS、單波束測深儀、側掃聲吶或單頻合成孔徑聲吶（固定安裝作業）、相干聲吶條帶測深系統或小型淺水多波束條帶測深儀和小型三維雷射掃描儀。同時搭載GNSS和高頻單波束測深儀，可用於礁盤內平潮時段水深3m以淺區域的水深地形測量、淺點掃測；同時搭載GNSS、相干聲吶條帶測深系統和三維雷射掃描儀，可用於礁盤周邊、瀉湖內水深20m以淺區域水深地形測量；同時搭載GNSS、小型淺水多波束和三維雷射掃描儀，可用於礁盤周邊、瀉湖內水深20m～50m以淺區域水深地形測量。此類產品有PHANTOM H-3000 USV和珠海雲洲M40無人船等。
中型平臺
中型平臺船長在4m～6m，吃水深度小於0.6m，任務載荷為GNSS、單波束測深儀（含雙頻）和側掃聲吶或雙頻合成孔徑聲吶（拖曳式作業）。同時搭載GNSS、多波束條帶測深系統和大量程三維雷射掃描儀，可用於港口、碼頭周邊和島嶼周邊的水下及水上地形一體測量；同時搭載GNSS、拖曳式側掃聲吶或雙頻合成孔徑和淺地層剖面儀，可用於近淺海沉積環境調查。要求船體抗浪性好、穩性高。此類產品有AutoNaut無人船（5m規格）。
大型平臺
大型平臺船長在6m～8m，任務載荷為GNSS、單波束測深儀（含雙頻）和側掃聲吶或雙頻合成孔徑聲吶（拖曳式作業）、淺地層剖面儀和中水多波束條帶測深系統。同時搭載GNSS、單波束測深儀（含雙頻），中水多波束系統，可用於深遠海水深地形測量；同時搭載GNSS、拖曳式側掃聲吶或雙頻合成孔徑聲吶和淺地層剖面儀，可用於深遠海沉積環境調查。該類船能以海島為母港，在其周圍一定範圍內執行任務，如「精海3」號和MAPB7。
超大型平臺
超大型平臺船長在8m以上，任務載荷為GNSS、單波束測深儀（含雙頻）、中水多波束條帶測深系統和投放式聲吶。同時搭載GNSS、單波束測深儀（含雙頻）和中水多波束條帶測深系統或投放式聲吶系統，可進行深遠海水深地形測量；同時搭載GNSS、單波束測深儀（含雙頻）、中水多波束條帶測深系統和淺地層剖面儀，可進行深遠海沉積環境調查。此類產品有INSPECTOR Mk 2 USV和33'WAM-V USV等。
六、無人船發展趨勢
當前無人船正朝著模塊化、智能化、體系化和標準化等方向發展，其中用於海洋調查的無人船能按照技術設計要求自主航行完成計劃測線，可實時監控設備的狀態並根據現場工況進行調節，具備數據本地存儲、遠程下載等功能。受限於導航精度、控制技術、動力續航及船體材料等技術條件，目前該類型無人船常應用於內陸河流、湖泊及淺海區域，如何在強風浪條件下保持船體的穩定性和安全性仍是各研究組織急需攻克的難題。2015年TerraSond公司承接了NOAA測量工程，布放無人船沿白令海峽進行海岸線測量。
測量使用3.7m長的C-Target 3 ASV軍用無人船，改裝後搭載測量儀器，用於海道測量數據採集。然而，由於海況惡劣，不能安全布放和回收ASV，從而導致生產效率很低。因此，在2016年使用C-Worker 5調查時定製設計了收放系統（LARS），確保其在惡劣海況下的安全回收和布放（見圖2），甚至有些回收是在1.8m浪高下進行的，工作得以順利完成。
圖2Q105 LARS系統布放C-Worker5
對於海底探測無人船，仍需最大限度地提高其穩性，儘可能地減弱船體振動、噪聲、擾流和氣泡效應等對設備的影響，增大帶寬，實現數據可回傳，並發展多條無人船協調作業、同步測量的模式，提高作業效率，最終在搭載常規探測設備實現傳統調查手段的基礎上，實現搭載大量程雷射掃描儀，投放式聲吶，可投放、回收航空攝影、雷射測量用無人機及執行特殊任務的無人潛器等。對於環境觀測無人船，應增大航程，提高其在危險海況下的生存能力，最終在實現傳統調查手段的基礎上，實現投放、回收新型觀測裝置或平臺，如無人機、自升降浮標和水下滑翔器等。
隨著無人船技術的不斷進步，未來在海洋調查領域可採用無人船開展水面環境複雜、氣象條件惡劣及政治敏感區的海洋調查（例如，礁石較多的基巖質海岸淺水區域水深地形測量），氣象條件不穩定、平流霧和雷暴多發季節的海上作業，大型船舶不易抵達的敵佔海區的水深地形測量和海洋環境調查等。
七、結論
無人船具有機動、靈活、安全性高的特點，可彌補常規調查平臺在環境複雜、工況惡劣的水域作業的局限性，故將其引入海洋調查領域，作為一種新的調查平臺使用。目前無人船主要用於海底探測和海洋環境觀測，受導航精度、控制技術、動力續航及船體材料等條件制約，多在內陸河流、湖泊及淺海區域作常規調查使用，如何在強風浪條件下保持船體的穩定性和安全性，降低平臺對任務載荷的擾動，是目前各研究組織急需攻克的難題。本文根據水深、水動力和水底地形地貌等條件，將無人船的工作環境分為島礁區、濱海區、淺海區、半深海區和深海區5類。結合作業環境，以無人船的體量、吃水深度為依據，建議將其分為微型平臺、小型平臺、中型平臺、大型平臺、超大型平臺，並對適配任務載荷進行了分析。可以預測隨著平臺技術的不斷進步，無人船最終可在搭載常規探測設備實現傳統調查手段的基礎上，實現搭載無人機、無人潛器和自升降浮標等，成為一種安全可靠的常規調查平臺。
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