無人水下載具之發展現況及未來趨勢

軍用的無人水下載具勢必能在不遠的將來,擔任潛艦追蹤與獵殺的工作,而成為各 國海軍確保制海的新利器

文 高其瀚

壹、前言

過去四十年來,水下科技的發展日新月異。曾經是科幻小說情節中的無人水下載具,現已成 為商業領域中不可或缺的熱門科技,例如海底石油氣的探勘、海底電纜與管線的監測、水下施工 檢查及港灣建設等。除此,許多先進國家更看好無人水下載具在軍事用途的潛力,例如戰術水文 資料的蒐集、水下監偵、水雷偵蒐與反制,甚至於潛艦的追蹤與獵殺等,故紛紛投入大筆經費, 戮力研發這項可能主宰未來水下戰場的新武力。

到目前為止,全世界共製造了三千多艘無人水下載具,其中大部分是商業及學術用途為主, 而以軍事用途為主的也有數百艘之多1。為了讓讀者能了解這項革命性的水下新科技,在後續章節 中,我們會介紹無人水下載具之背景、系統組成、發展現況及其未來發展之趨勢。

貳、無人水下載具背景介紹

無人水下載具(Unmanned Underwater Vehicle,簡稱為UUV),泛指一般無人居住其中操控運作的水下運動體 2。一般而言,無人水下載具的類型有兩種:有纜及無纜。有纜的無人水下載 具,又稱為「無人水下遙控載具」(Remotely Operated Vehicle,簡稱ROV);而無纜的無人水下載具又稱為「自主式水下載具」( Autonomous Underwater Vehicle,簡稱AUV)。

無人水下遙控載具(ROV;如圖1)需要有一艘支援工作船(母船)將它運送至作業的海域。 母船與ROV之間通常是藉由一條光纖電纜線(或稱臍帶線)相連接,並由母船輸送電源及控制信 號來遙控 ROV執行任務。第一艘學術研究用的ROV是在1940年代出現,可是一直到 1970年代初,才有商用的ROV問世3。現今ROV已完全取代潛水員執行深海的工作,例如海底油田的探勘、海底 電纜的佈放維修、深海採樣等。但因受限於臍帶線的牽絆, ROV有其應用上的缺點,如航速慢、機動性差、不適用於較寬水域之作業,以及無法由潛艦施放等。同時,臍帶線也限制了母船的行 動自由或容易暴露母船的位置(如掃佈雷時)。因此,ROV 較常被運用於商業及學術領域。

不同於ROV,自主式水下載具(AUV;如圖 2)不需母船輸送電源及控制信號而能依據自有的規範行動。母船將它施放後, AUV會根據預先設定的電腦程式執行任務,並於任務完成後,於預


圖1.ROV
圖2.AUV
圖3.ARIES

定的時間及地點與母船會合、回收。另外,部分軍用的 AUV可由潛艦施放(由魚雷管發射),如此,秘密地執行任務時不會暴露母船的位置。所以, AUV較適合軍事用途的應用。然而,AUV在構造上比ROV複雜許多,它必須有高度能量儲存及推進的技術、長距離發射及接收的水下通訊能 力、智慧型的控制系統、精確的導航系統及先進的偵蒐裝備,才能順利達成任務。有鑒於 ROV在運用上有諸多的限制,以及ROV有逐漸被AUV取代的趨勢,在後續篇幅中,我們將以 AUV為主要討論對象。

參、無人水下載具系統組成

若根據先前無人水下載具之「定義」,魚雷可算是最早的自主式水下載具( AUV),唯魚雷並未具備智慧型的導航控制系統、精密的推進與定位系統、水下通訊及長時間水下工作的能力。為 了使讀者對先進的無人水下載具有更深的認識,接下來我們以美國海軍研究院( Naval Postgraduate School)所發展的ARIES 為例,介紹無人水下載具各次系統的基本組成4

美國海軍研究院的AUV研究實驗室是在1987 年成立,在歷經13年的研發與測試,終於在西


元2000年春季成功地發展出ARIES (如圖3)。ARIES的重量為225公斤,長度為3公尺,寬 40公分,高25公分。船體部分是以6061型鋁質外殼包覆著電子模組、 CPU及電池組,而鼻頭部份則是以玻璃纖維的外殼,包覆著偵蒐裝置。 ARIES使用六個12伏特的鉛酸電池,最大速率為4節。當以最大速率潛航時,續航力為 4小時;以經濟速率潛航時,續航力可增加至20小時。AR IES適於淺水域的操作,正常操作深度為30公尺,最深可達 100公尺。ARIES各次系統之組成如下(如圖4):

1.推進與運動控制系統:ARIES前進的力量,主要是來自尾部的兩組推進器。至於航向及姿 態的保持,則是由船體上方的兩具舵葉及船身前後各一組的水平翼來控制。

2.導航系統:ARIES的導航系統包括慣性導航儀、都卜勒聲速儀、卡爾曼濾波器( Kalman Filter)及差動式衛星導航系統。潛航時,ARIES使用前三者導航;浮航時,則使用差動式衛星 定位系統導航,並用以校正先前潛航時所累積之誤差。

3.聲納及影像偵蒐系統:ARIES使用ST-725 型掃瞄聲納或ST-1000型縱剖面掃瞄聲納,以避開水下障礙物及搜尋目標,另位於艏部的前視聲納可做 360度的掃瞄。在影像方面,ARIES使用一部定焦、廣角的數位像機及數位影像紀錄器,當錄影時,螢幕上會顯示作業的日期、時間、位 置及深度等資料。

4.通訊系統:ARIES使用兩種通訊模式:無線電及聲波。當 ARIES浮航時,會透過無線電數據機(Radio Modem),以高頻無線電傳送指揮、管制及系統狀態等訊號;潛航時,則透過聲音數據

圖5. Multiple Vehicles Network
圖4.ARIES 各系統組成

圖6. Maridan M-600
圖7. Hugin 3000
圖8. AE-2

機(Acoustic Modem),以低頻的聲波通訊。

5.電腦系統架構:ARIES使用雙電腦架構執行任務。電腦的主要規格為 Pentium 166 MHz的CPU、64 MB RAM、2.5 GB硬碟、四條串聯埠及網路卡。兩部電腦的總功率為48瓦,但各司其 職,其中一部負責資料的處理,名為QNXT,而另一部負責導航及伺服控制的是 QNXE。使用兩部電的好處是CPU的解算速度快、效率高,而且還可以區隔不同類型的軟體,降低錯誤的發生率。

除了上述各次系統之組成外,ARIES 在設計上還有一項特色,那就是利用Network的概念,使多艘的 ARIES載具能夠相互聯繫並共同作業。由於真實的水下環境存著相當複雜的通道響應 (Channel Response),往往使得聲傳數據的距離及資料傳輸率受到相當的限制。因此,由一艘 ARIES擔任Network Server,負責協調、聯繫其他多艘無人水下載具共同執行任務,可有效解決 水下通訊及資料傳輸的問題。例如,在圖5中,『1』號位置的 ARIES擔任Network Server,它


圖9. REMUS
圖10.Odyssey IIC
圖11.ALISTERs
圖12.Autosub-1

圖13.OKPO 6000
圖14.LMRS

正透過Acoustic Modem與其他兩艘ARIES聯繫,並協調出共同執行搜索任務的方式及路徑;而當 擔任Server的載具移動至『2』號浮航位置時,它會藉由Radio Modem將所有執行任務AUVs的位置、狀態及所蒐集到的情資回報給母船。同時, Sever也接收來自母船的新任務,並於再度下潛時,利用Acoustic Modem傳送給其他的載具。

ARIES為一典型學術研究的AUV,但並不代表所有無人水下載具的設計及運用概念都是如此。 原則上,無人水下載具各次系統的組成,可隨著運用的不同而改變,但唯一不變的是其本身只是 一艘「載具」。下一章,我們進一步介紹各種類型的無人水下載具。

肆.無人水下載具發展現況

目前,全世界已有十六個國家有能力製造出各種不同類型的無人水下載具 5。由於無人水下載具的種類繁多,我們無法一一介紹。然而,依其運用的不同,我們可將無人水下載具概分為商 用、科學應用及軍用三大類6

城茈峆括UVs

1.Maridan M-600:丹麥Maridan A/S公司發展的M-600(如圖6),已於2001年元月交付給De Beers Marine公司,並於同年四月開始執行南非海域的探礦作業。 M-600 使用鉛酸電池,可潛深600公尺,最大速率5節。當以最佳速率 3節航行時,續航力為12小時。M-600導航系統的主要裝置包括雷射陀螺儀( Laser Gyro)、頻率為1200 KHz的都卜勒聲速儀(Doppler Log)、差動式衛星天線(Differential GPS)。在偵蒐/調查儀器方面,由於M-600是採模組化之概念設計, 因此,M-600所攜帶的調查儀器種類,可依據顧客的需求而更改。 M-600經常攜帶的偵蒐/調查


圖15.RMS

儀器有:多聲束回音測距儀(Multi-beam Echo-sounder)、側掃聲納(Side Scan Sonar)、海底地層剖面儀(Sub-bottom Profiler)及水中數位相機。

2.Hugin 3000:挪威Kongsberg公司發展的Hugin 3000 AUV(如圖7),已於2000年元月在墨西哥灣作業,C&C Technologies公司利用Hugin 3000 為油氣公司完成了6000浬長的海底管線調查。Hugin 3000使用鋁氧燃料電池,可潛深3000公尺,並可以4節的航速續航 45小時。Hugin 3000導航系統的主要裝置包括慣性導航、都卜勒聲速儀搭配超短基線( Super Short Base Line)之聲波定位、差動式衛星天線(Differential GPS)。在偵蒐/調查儀器方面,Hugin 3000配有多聲束系統、側掃聲納及海底地層剖面儀。

3.AE及AE-2:日本KDD公司發展的Aqua Explorer(AE)及Aqua Explorer 2(AE-2;如圖8)交給K-MARINE公司營運,執行海底電纜線的檢查。 AE-2是AE的改良,使用鋰電池,續航力為24小時(為AE的六倍, AE使用鉛酸電池)。作業時,AE-2與母船間有兩組水下聲波通訊鏈 路,其中一組傳輸較慢(250 bits/s)負責傳遞監測及控制信號;另一組傳輸率較快(32K bits/s)則負責影像之傳輸。另外,AE-2潛航時,藉由磁測儀可以偵測到海底電纜的磁場,進而尋獲 電纜。AE-2曾於2000年完成跨越台灣海峽400公里的海底電纜檢查作業。

科學應用型AUVs

1.遙控環境監視單元組(Remote Environmental Monitoring Units,簡稱REMUS):由美國Woods Hole海洋系統實驗室所發展的REMUS,為一艘小型、低成本的無人水下載具(直徑 7.5吋、長54吋、重64磅;如圖9),其用途為近岸水域的監視作業(可多艘同時作業)。由於體 積小,REMUS攜帶非常方便,而且無需任何裝備,即可用小型船隻施放及回收。雖然體積小, REMUS卻可支援並加裝各類型的偵蒐裝備。REMUS使用鉛酸或鋰電池,當攜帶側掃聲納及都卜勒海 流剖面儀(Acoustics Doppler Current Profiler,簡稱ADCP)時,以速率3節潛航時的續航力為3個小時。目前,已有 10艘REMUS被用來從事海洋科學的研究。

2.Odyssey IIC:由美國麻省理工學院(MIT)發展的Odyssey IIC(如圖10),為Odyssey系列科學研究型的無人水下載具。第一艘 Odyssey是在1992年於新英格蘭進行海域測試,並接著於隔年在南極圈順利完成測試。後來於 1999年至2000年間,MIT與Monterey Bay Aquarium Research Institute(MBARI)及Bluefin Robotics公司共同研發出一款新穎的軟、硬體架構,MIT第二代的無人 水下載具遂改名為Odyssey IIC。Odyssey IIC可潛深6000公尺,使用銀鋅電池,以3節速率潛航時的續航力為 12小時。作業時Odyssey IIC攜帶CTD、ADCP、照相機及側掃聲納進行海洋


圖 華航空難搜救人員正從研究船上施放ROV情形

之研究。

3.ALISTER:由法國發展的ALISTER為一艘搜索與調查用的無人水下載具(如圖 11)。它有兩款型式,潛深300公尺型及3000公尺型。除了體積及耐壓技術不同外,這兩款 AUV幾乎使用相同的電腦、電池及推進系統。ALISTER 300的長度為3.2公尺,寬為1.1公尺,高為1.2公尺;而ALISTER 3000的長度為3.5公尺,寬1.35公尺,高為1.4公尺。ALISTER 使用鋰離電池,最大潛航速率為8節。ALISTER的基本配備為,壓力感應器、都卜勒聲速儀、磁測儀,配 合任務時,還可以加裝數位相機、側掃聲納、管線追蹤器、 CTD、ADCP、GPS衛星導航系統、聲波通訊系統及聲波定位系統(如超短基線或長基線定位系統)。

4.Autosub-1及Autosub-2:由英國Southampton 海洋中心發展的Autosub-1是一艘海洋科學研究用的無人水下載具,它的長度將近 7公尺,直徑0.9公尺,外形像是一具發胖的魚雷(如圖12)。它的最大作業深度為 1600公尺,以4節速率潛航時的續航力為150小時。Autosub-2 為Autosub-1的改良,尤其是作業深度與續航力。至2001年 5月止,Autosub已完成271次任務,並航行3,596公里。在2001 年元月,Autosub曾在南極的冰山下作業。

5.OKPO 6000:由南韓大宇重工與俄羅斯合作發展的OKPO是一艘可執行深海任務的多用途 無人水下載具,它的長度為3.8公尺,直徑0.7公尺(如圖13 ),使用銀鋅電池,可潛深6000公尺,以3節速率潛航時,續航力為 10小時。作業時配備側掃聲納、CTD及照相機。南韓大宇


圖 無人水下遙控載具需要有一艘支援工作船(母船)將它運送至作業的海域。母船與ROV之間通常是藉由一條光 纖電纜線(或稱臍帶線)相連接,並由母船輸送電源及控制信號來遙控 ROV執行任務。完成施放後,作業人員即可在母船上以遙控方式進行操作。

重工與俄羅斯的合作始於1992年底,歷經 50次淺海域測試後,1996年實施首次深海測試,潛深2300公尺。 1998年OKPO參加南韓「研究發展協會」主辦的深海探險,當時曾潛深 4800公尺。

軍用型AUVs

無人水下載具在軍事用途的發展,其實遠早於商業及學術用途,但研發初期並不順利。後 來,在商業界及學術界技術及資金的投入後,克服了許多技術上的瓶頸,軍方才又重拾興趣。在 世界各國海軍中,美國海軍在無人水下載具的研發居於領先的地位,其發展成功的軍用型無人水 下載具有下列幾種7

1.遠程水雷偵查系統(Long Term Mine Reconnaissance System,簡稱LMRS):為一魚雷造型的無人水下載具,主要任務為雷區偵察及水雷反制,直徑為 21英吋(如圖14),由洛杉磯級核子動力潛艇魚雷管發射及回收,以 3節速率潛航時,續航力為60小時。LMRS配備完整聲納組合,包括前視聲納、避障聲納、側掃聲納(具目標識別能力),可反制沉雷及繫留雷。


2.遙控獵雷系統(Remote Minehunting System,簡稱RMS):RMS(如圖15)是由洛克希德馬丁集團研發,專門配屬於各型水面作戰艦艇上,執行水雷反制作業而不需專業獵雷艦之支援。 RMS的精密偵雷裝備可有效的偵測、識別水雷,並紀錄其正確的位置,以利水雷的清除。除獵雷外, RMS還可以執行近岸偵查及反潛作戰。RMS的動力源是一部370 匹馬力的柴油主機,水下航速可超過10節。由於使用柴油主機的關係, RMS需要一根呼吸管將空氣導入燃燒室,也因而限制其潛航 的深度。在偵蒐裝備部分,RMS配有一具AN/AQS-20A拖曳式聲納,而 AN/AQS-20A本身是由左右兩側的側掃聲納、前視聲納、下掃聲納、被動聽音聲納及光學雷射攝影機組成。預於 2004年開始於DDG-91型驅逐艦上服役。

伍、未來發展趨勢

一個優良的無人水下載具,須集先進導航操控系統、能源與推進系統、通訊及環境感測技術 於一體。未來無人水下載具將朝下列方向發展:

1.硬體技術的突破:為降低成本、減少能源之消耗,無人水下載具的硬體技術將會朝向體積 小、相容性高及模組化的概念設計。由於國際間的技術合作愈趨密切,高相容性與模組化將大幅 降低無人水下載具的製造成本。另外,硬體裝置的縮小,將可設計出體積更小的無人水下載具, 進而減少能源的消耗,增加續航力8

2.能源系統的開發:無人水下載具執行任務時間的要求,將愈來愈長。新的能源必須提供無 人水下載具更長的續航力,如數月、甚至數年以上。目前核電池 [2]及太陽能電池9,都已經能夠符合這項需求。相信在目前優異的電池技術基礎上,未來的能源系統將會更持久、也會更安全。

3.導航技術的提昇:精確的導航與定位,是無人水下載具成功執行任務的基本要素。由於無 人水下載具在水下作業的時間愈來愈長,慣性導航所累積之誤差將無法接受,而又不能老是叫無 人水下載具浮出水面,使用GPS衛星定位來修正慣性導航的誤差。因此,利用聲波定位及水下環 境地形導航的技術,將更形重要10

4.智慧型的自主控制系統:由於無人水下載具所面臨的操作環境非常嚴苛,非智慧型自主控 制系統是無法獨立在複雜、動態的水下環境中操作。而且未來將有更多軍事用的無人水下載具加 入水下的戰場,屆時,只有高度智慧的水下載具才能在險惡的戰術環境中生存,進而主宰水下戰 場。

5.從單一載具到多個載具:除了單一的無人水下載具的發展外,未來的趨勢是朝向多個載具 彼此互相協調、共同執行任務的方向發展。無論是水文資料的蒐集、海底的搜索與調查或是水雷 的反制,多個無人水下載具同時作業的方式將有加乘加倍的效果。美國海軍在其「無人水下載具 總體規劃」(UUV Master Plan)中11,就是規劃多艘無人水下載具共同執行潛艦的追蹤與獵殺。

陸、結語

美國海軍的無人水下載具(LMRS)將於今年開始服役,執行情報蒐集、水下監偵及水雷反制 等任務。以目前科技發展的速度來看,軍用的無人水下載具勢必能在不遠的將來,擔任潛艦追蹤


與獵殺的工作,而成為各國海軍確保制海的新利器。屆時,潛艦再也無法像過去一樣主宰海洋。 有鑑於此,我海軍應嚴密注意中共發展無人水下載具的現況,掌握水下科技發展的契機,並審慎 評估無人水下載具的建案需求,進而達成確保制海、維護海權的重責大任。

1.John Westwood, What the Future Holds for ROVs and AUVs, Underwater Magazine, May/June 2000.

2.林武文,「無人水下載具發展趨勢及軍事之運用」,海下技術季刊,第11卷,第4期,pp. 43-48。

3.王兆璋、劉金源、黃千芬,「無人水下遙控載具之簡介」,海下技術季刊,第9卷,第2期,pp. 4-9。

4.David B. Marco, Anthony J. Healey, Current Developments in Underwater Vehicle Control and Navigation: The NPS ARIES AUV, Proceedings of IEEE Oceans 2000, http://web.nps.navy.mil/~me/healey/papers/Oceans2000.pdf .

5.Clifford Funnell,Jane’s Underwater Technology 2002-2003,5th ed., Jane’s Information group limited, Coulsdon, UK, 2002.

6.邱逢琛,「自主式水下載具(AUV)的時代已經來臨了」,海下技術季刊,第12卷,第3期,pp. 30-32。

7.Robert L.Wernli,Recent U.S.Navy Underwater Vehicle Projects,http://www.dt.navy.mil/ip/mfp/24th_US_Papers.

8.Robert L.Wernli, Low-Cost UUVs for Military Applications,Sea Technology, December 2002,pp. 33-37.

9.David A. Patch, A Solar Energy System for Long-Term Deployment of AUVs, International UUV Symposium, 2000. http://www.ausi.org/publications/UUVS00Solar.pdf.

10.鄭勝文、邱逢琛、蔡進發、郭振華,「自主式水下載具整合型研究計畫」成果報導, http://www.na.ntu.edu.tw/chinese/research/lab/uv/auv1_result.html.

11.Barbara Fletcher, The U.S. Navy’s Master Plan: A Vision for UUV Development, Underwater Magazine, July/August 2001.

海軍中校高其瀚

海軍官校正期七十八年班

美國海軍研究院電信工程碩士

現任教於海軍官校戰術組