【深度分析】捕获策略：军用USV布放与回收系统的发展
开发鲁棒和可靠的布放与回收系统对释放USV的军事潜能十分重要。
图1 英国国防科技实验室（Dstl）主持了布放和回收吊篮的建造和演示验证工作，该吊篮是专为使用她的XLARS RIB（刚性充气艇）试验床而设计的。图中所示的是2022年1月在索伦特海峡（Solent）中的母船SD Norhtern River号上回收XLARS时的情形
（图片来源：Dstl/Crown）
海军界已广泛认识到，无人海上自主系统将在未来作战中发挥出越来越大的作用，这反映出一种观点：这类系统能以更低的成本提供额外的能力和数量，同时减小军事人员的风险。
一些大型自主航行器可以自部署（self-deployment），但许多“附属”的无人系统专门设计为由较大的“母船”携载、布放和回收。
小型USV（<15 m）已被用于反水雷（MCM）和水道测量任务，它们在兵力保护、情报监视和侦察、反潜战、电子战等其它方面的应用目前正处于开发和实验过程中。
将无人和/或自主系统整合到舰队中面临着一些挑战。例如：定义强大的信息架构是非常必要的，它能够有效地进行指挥和控制（C2），同时提供高度的网络韧性。
人-机组队是另一个备受关注的关键领域，人们正在研究人工智能（AI）/机器学习（ML）对有人-无人作战能做出怎样的贡献。
然而，还要应对一些更平淡或笨拙的作战挑战，其中最重要的是在高动态海洋环境下的母船上安全高效地布放、回收、操作和装载海上自主系统。
坊间证据表明，USV的布放和回收可能一直被忽视，直到最近人们才认识到，由于无法部署，一些有潜力的USV的使用已经受到了影响，更重要的是，在关键任务场景下进行回收是一个难题。安全问题和避免对USV和/或母船造成损伤的问题日显突出：在高海况条件下，海浪运动会造成母船和USV的垂荡，捕获、连接和回收USV的尝试会十分困难。
因此，对在高海况下昼夜布放和回收USVs有明显需求，要在受控方式下避免损伤或降低安全性。同时，由于对船的空间和重量有限制，要求布放和回收设备的占地面积要尽可能小，人员需求最小。从实际使用角度考虑，希望获得能够操作不同类型USVs并能布放与回收载人救生艇的“通用”型布放和回收系统（Launch And Recovery System，LARS）。
出现了2个关键挑战：1）用于布放与回收刚性充气艇（Rigid Inflatable Boat，RIB）的标准吊艇架不适合于回收USV，因为需要人在艇上用吊钩勾住吊环；2）任何回收方法都要求USV必须在受控（遥控或全自主）方式下准确进入到一个“捕获窗”（‘capture window’）内。
图2 TRX的DAPS Gen 1.2装置能与Nett Warrior手持装置集成在一起
（图片来源：Henriksen）
1 JIP LAURA项目的遗产
在联合工业界项目——“海军小艇布放和回收”（Joint Industry Project LAUnch and Recovery of Any small navy craft，JIP LAURA）项目下，2011年初启动了从大船上布放和回收任意小型有人和无人艇的工作，这标志着一个里程碑。
JIP LAURA的目标是通过阶段性的、多年的研发项目来实现一定程度的标准化，它试图为LARS解决方案开发一套需求指南和大纲，旨在设计一个通用的模块系统，能够在最大可行环境包线内布放和回收各种小艇。
开始时确定了5个关键目标：
1）可灵活操作从50 kg到12 t范围内的各类小艇；
2）能在4~5级海况，有时甚至在6级海况下进行维修作业；
3）能在中、低船速下进行作业；
4）布放和回收作业相对迅速（5 min，布放时间目标值为2 min）；
5）操作人员少。
荷兰海洋研究所（Maritime Research Institute Netherlands，MARIN）被任命为JIP LAURA项目经理。MARIN与各研究院所、海军、船厂和设备供应商联合工作，完成了一系列研究活动。
JIP LAURA第1阶段工作于2012年6月完成，涉及到许多工作包（work packages），其中包括：用2种不同的小艇在紧邻母船作业的情况下进行流体动力耐波性试验；初步开发各种布放、回收、操作和装载的设计方案；编制首艇接口规范。
第2阶段从2012年到2014年。其中部分工作是进一步改进先前的布放和回收方案，使之成熟化；同时进行详细分析，包括对相关模型和部件在各种环境条件下的测试，以确保使用问题和机械要求被充分理解。与各利益悠关方一同修改接口规范草案，使其更加成熟。
JIP LAURA第3阶段工作开始于2015年，持续了5年，聚焦于使最有希望的布放及回收方案成熟化，即：针对无人艇、捕虾笼等零速回收概念改装的吊篮（cradle）、吊艇架（davit）系统。开发了增强的模拟方法，并用模型和全尺度试验进行了校验和验证（verification and validation）。
试验于2019年在荷兰的登海尔德（Den Helder）外进行，使用了1艘长66 m的母船和1艘无人刚性充气艇。1个吊篮方案和1个浮动捕获装置演示验证了回收、装载、布放的全过程，1个平面形装置（planar device）被用于捕获和船上装载。
然而，在项目的最后阶段决定，限制过于严格的硬性要求，以防止阻碍军事和商业领域中迅速发展的技术创新。
特别是，由于整个海事企业的资金规模和正在开发的系统领域，人们期望商业领域引领开发工作。
因而，JIP LAURA研究的最后成果是起草了一份“联盟海军工程出版物”（Allied Naval Engineering Publication，ANEP）——ANEP 103，这形成了“标准化建议”（Standardisation Recommendation，STANREC）的基础。
2 NIAG的研究
尽管有这一结论，NATO仍决定坚持开发和执行特定的接口标准，该标准仅涵盖从水面舰船携载、部署和回收军用无人系统的需求。联盟的观点是，对于长期开发和部署能在各国间实现互操作的无人系统而言，制定这样一个标准是必不可少的。
为推进这一事业，北约工业顾问团（NATO Industrial Advisory Group，NIAG）在2021年3月发起了“海上无人系统平台接口标准”（Platform Interface Standards for Maritime Unmanned System（MUS））的研究。作为支持北约海军装备集团舰船设计能力集团（NATO Naval Armaments Group Ship Design Capability Group）和北约海上无人系统创新和协调小组（NATO Maritime Unmanned Systems Innovation and Coordination Cell）的一项工作，NIAG的研究旨在将开发平台接口标准作为开发和部署NATO海上无人系统（MUS）以及实现国家间系统互操作性的重要抓手。
NIAG的研究有许多目标。一项关键任务是研究和确定无人系统在军用平台上的部署趋势，特别是关注军用和民用无人系统、赛博领域间的差距以及对互操作性的挑战。
与此相关，研究也寻求审查现有标准、评估它们的应用情况，并提出开发建议。特别是，NIAG审查了JIP LAURA的研究和报告中所产生的ANEP 103初稿，并提出了改进建议，以作为适用于NATO MUS LARS的STANREC的指南。
NIAG活动也正在寻求识别开发其它军事专用标准的需求，以支持一般MUS作战行动，并便于在各国间实现互操作性。此外，正在探索更大的标准化范围，以支持MUS的几个协同领域，如：信息共享、政策、标准化、条令开发、研究和作战实验、后勤、支援与训练、采办与行业参与等。
NIAG的研究建立在（但不限于）JIP LAURA研究中所使用的作战场景上，更多地考虑了有人和无人水面航行器和水下航行器的布放与回收。要解决的具体问题包括：对在海洋环境中的军用平台上部署MUS的可能途径评估；军事和民间行动之间转换时，MUS登船、携载、布放和回收的具体细节；对ANEP-103的审查，以提高它作为服务于NATO MUS LARS的STANREC的适用性；识别在缺乏有效的接口要求情况下的互操作性风险；根据数据安全性和物理赛博韧性（physical cyber resilience）考虑与MUS接口相关的赛博安全问题。
3 工业界的解决方案
尽管工程师们正在继续开展一定程度的标准化工作，但工业界仍然提出了许多布放和回收USV的备选方案。许多这些LARS解决方案已在USVs应用日益增多的民用领域得到了验证，如：环境研究、海洋调查、油气钻探保障等。
一个例子是：挪威的H Henriksen公司与Vestdavit公司合作，开发了她的专利产品SOLUS系统。SOLUS将1个集成式吊钩/系艇钩系统与吊艇架结合在一起，满足所有相关的“海上生命安全规则”（Safety Of Life At Sea regulations）。
USV上配备有1台轻型绞车卷筒及Dyneema缆和1根结实的伸缩杆（Dyneema缆比相同的钢缆轻8倍，从而使系统全重最小）。母船上的吊艇架系统也要进行改装，使之能够使用Dyneema缆。
回收由母船上的1名操作手进行控制。USV回到母船旁的停放位置，甲板操作手启动伸缩杆，将Dyneema缆伸到甲板高度，使操作手能够抓住绳索。然后，绳索的软链被分别送入系艇系统和吊艇架，USV随后被回收。
Henriksen公司称，SOLUS易于使用，仅需很少的操作人员，已证明未经训练的操作手能在高海况（大于4级海况）下操作。除SOLUS外，Henriksen公司也开发了利用船尾滑道布放和回收USVs的“捕获爪”（Capture Claw）系统。
2020年9月，Henriksen公司宣布，她已与Mantas USVs家族的开发和制造商——海上战术系统公司（Maritime Tactical System）结成了全球战略伙伴关系。该协议将她的布放与回收技术与Mantas X-级和中型（7~20 m）USVs结合在一起。
美国的RC Dock公司是另一家专为USVs开发了LARS的公司。可在她的通用、低成本的自浮式船坞上操纵起重机或吊艇架，这样就不需要USV操作人员，或无需对专用吊艇架系统进行投资。设备仅占用较小的甲板面积，拆解后可装入20 ft或40 ft国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）集装箱。
按该公司的说法，浮动式设计的优点是：母船和USV的升沉起伏规律是相同的。这意味着，即使在高海况和有一定速度情况下，USV的遥控操纵员只要执行简单的“驶入”机动动作，就能控制USV入坞。另一个关键特性是：船尾采用的是全开放的起吊结构布局，实际上对任何入坞的无人平台的甲板或桅杆高度、或对甲板上安装的载荷没有限制。
布放和回收组件被设计用于在近岸恶劣条件下和在移动的支援船上操作，它可以部署在可承重的任何两点式吊艇架上。这些系统完全按照ABS规则和标准设计，在试验中的承重已达到21 t。
系统的打开、关闭和锁止功能是全自动的，且与USV上的锁止-释放系统同步。所有功能和过程阶段都通过1台手持终端和遥控操作员显控台进行监视和控制。
图3 RC Dock公司宣布拥有目前世界上最大的全自主USV LARS
（图片来源：RC Dock）
以色列成立的Sealartec公司开发了一种已获专利的自主布放与回收（Autonomous Launch and Recovery，ALR）解决方案，它将流体动力漂浮结构与1个机器人捕获装置、自主过程控制和决策算法结合在一起。在2019年试验了1套原型样机，现在根据与BAE Systems公司的合同，将为在2022年晚些时候开始的试验提交第2套ALR演示样机。
据公司首席执行官Amitai Peleg称，在他识别了市场上的潜在差距后，就成立了Sealartec公司。他说：“在过去数十年中，越来越多的USV制造商进入了市场，但他们一直关注艇和自主性领域，而未将布放与回收作为他们的问题。现在开始认识到，当他们的客户开始能够发挥USVs的潜力的时候，他们需要对这个问题有一个很好的回答。”“在大多数意义上，商业领域和军事用户的需求是非常相似的。然而，海军用户可能更需要在高海况下的获得较大的作战包线，而商业市场则对成本更敏感。”
Sealartec公司的ALR系统基于拖缆式捕获装置，一旦与USV的艇艏接合，就可将系统拉入吊篮中——这为USV操作者提供了一个足够宽的虚拟捕获带，只需将艇艏对准驶入。Peleg说“我们已决定设计一个解决方案，从艇艏捕获USV，并将其拉入坞舱，而不是靠‘强行驾驶’的传统且危险的方法。所以我们已设计了一套捕获系统，在6级海况下，能在运动中自主拖曳USV。”“一旦USV驶入捕获带，2个机械捕捉臂自主启动，与安装艇艏的捕获装置对接，USV在被动状态下被拖入吊篮的尾部。剩下的过程包括：USV被拖到吊篮上方，而不是拖进吊篮内；以正确的顺序约束所有的自由度，直到艇和吊篮合为一体并锁止，准备起吊。”
Sealartec公司从Elbit System深度技术孵化器中筹集资金，设计和开发了一个ALR工程样机。Peleg说，“我们有一个可在PowerPoint中展现的可靠方案，我们用1︰25的缩比模型进行了5级海况下的水槽试验。但我们知道，还必须进一步构建和测试系统，以增强市场信心。我们建造自己的5 m长的USV，以演示艇上无人的遥控回收。”
在2019年位于以色列北海岸外的一系列试验期间，进行了USV自主布放与回收的演示验证。在这些全尺度的概念验证试验中，海洋调查船Bat Galim号在4级海况下作业，演示验证了基本的ALR的可操作性和功能。
图4 Sealartec公司在2019年ALR系列试验期间，用海洋调查船Bat Galim号演示验证了USV的布放和回收能力
（图片来源：Sealartec）
Sealartec公司已完成了将向BAE System公司交付的一型新的大型ALR工程开发模型的构建、集成和深化工作。2022年7月交付给英国，并嵌入了许多对初样机的改进技术，系统采用更通用的吊篮组件，能够容纳BAE System公司的Pacific 24和StormBlade救生艇。再往前看，BAE System公司正计划获得一型适合10.5 m艇体的大型吊篮。
计划2022年下半年用民船进行初始试验。BAE System公司正在与潜在的终端用户讨论利用军舰进行试验的可能性。
在法国，Chantiers de l’Atlantique公司与NOV-BLM PRODUCTS和Clemessy公司联合开发、建造和试验了一型漂浮吊篮式LARS。该系统源于Chantiers de l’Atlantique公司对比利时/荷兰rMCM项目（详见《数字海洋与水下攻防》微信公众号“比-荷海军新型遥控反水雷项目”一文）的失败的投标，它已完成了工程化，能够布放和回收USVs和AUVs，以及重20 t、长14 m的有人艇。
该LARS系统已被设计为从船尾而不是舷侧某个位置操作。Chantiers de l’Atlantique公司的造船工程师Adrien Benoist说：“在母船尾部布放和回收小艇的关键优点是，我们可以避免大船与被回收小艇间的相互作用。另外，这种方式也安全得多，例如在小艇失去推进动力的情况下。”
使用一个漂浮式吊篮意味着，吊篮的纵倾、横摇和升沉规律与要回收的小艇相匹配，而不是与母船相匹配。此外，不存在偏航问题，因为吊篮被连接在母船尾部。
Chantiers de l’Atlantique公司于2022年6月初在法国圣纳泽尔（Saint-Nazaire）沿海进行了3周的LARS原型样机海试。试验是为了验证在高海况下的操作性，公司将此次试验描述为“表现非常好，在海况方面的结果好于预期。”在试验中使用了一个浮动平台，试验表明，LARS在4级海况下可安全操作，而无需人工干预；期望系统的被动波浪补偿系统最大能承受5级海况。
《简氏》理解Chantiers de l’Atlantique公司为法国海军的Batiment de GuerredesMines MCM母舰项目建议的LARS。该公司也为法国海军新兴的海床战项目提出了同样的系统，这反映出它也具备布放和回收大型UUV的能力。
法国武装力量部（French Ministry of Armed Forces）于2022年2月发布了《海床战战略》，要求采购潜深达6 000 m的AUV。
评述
如果海军要充分利用USVs的潜力，将其作为他们未来混合舰队的一个组成部分，则安全、高效和鲁棒的海上布放和回收能力是必不可少的。
尽管JIP LAURA和NIAG的研究一直在寻求发现标准化的潜力，但目前工业界主导的开发工作仍主要是针对具体USV和母平台的定制方法。
比利时/荷兰的rMCM项目是要向比利时海军和荷兰皇家海军提供下一代能力——基于母舰使用的一种舷外MCM系统“工具箱”。
比利时海军和机器人公司（Belgium Naval & Robotics）是法国海军集团公司（Naval Group）和ECA集团公司的联合体，于2019年与比利时国防部签订了rMCM项目的合同。这项为期10年的合同价值20亿欧元（21.1亿美元），包括提供12艘排水量为2 700 t的母舰（每个国家6艘），加上从ECA集团的无人海上集成系统舷外MCM套件发展而来的基于无人/自主系统的MCM工具箱。
图5 2022年 1月，在经注册的近海支援船VN Rebel号上进行了为rMCM项目设计的LARS装备的海试
（图片来源：Naval Group）
每艘母舰将携载2艘18 t的Inspector 125 USVs，USV布放与回收被确定为rMCM能力的关键设计要素，作业要求的门限值为在5级海况以上（包括5级海况）。于2022年6月9日在荷兰鹿特丹举行的“水下防务技术”（Undersea Defence Technology，UDT）2022年欧洲年会上，ECA集团商务开发总监Antony Penn说，从母舰上执行远程MCM任务是有效的“资产流动管理，而布放与回收系统成为了一个单独瓶颈”。他补充说：“我们曾寻找商用货架LARS产品，但市场上没有。”
为满足这一需求，海军集团公司已与Meunier起吊设备公司（Meunier Lifting Equipment）、及ECA集团合作开发了一种合适的布放与回收系统。母舰上配备2套LARS系统，分别安装在左右舷中间稍偏后位置的“任务区”（mission bays）处，靠近母船的重心。
每套LARS组件包含2具自动机械臂，用于布放和回收舷边的浮坞——“吊篮”。经过DNV-GL（挪威船级社）认证的吊艇架的工作载荷上限是26 t。
2019年11月，用位于荷兰瓦赫宁根（Wageningen）的MARIN试验设施进行了验证LARS设计方案的初始水池试验。这些试验模拟了5/6级海况下各个方向涌来的波浪。
2021年在法国的滨海拉塞纳（La Seyne-sur-Mer）进行静态试验后，于2022年1月在法国土伦外用经注册的近海支援船VN Rebel号进行了集成试验，首次将4个主要分系统集成在一起。这些分系统分别是：以遥控方式操作的LARS；浮坞；将USV锁定在浮坞中的安全系统；以及Inspector 125 USV。
英国国防科技实验室（Defence Science and Technology Laboratory，Dstl）在Progeny海洋研究框架（Maritime Research Framework）下主持了ALR系统的开发和演示验证。
在2022年初的海试中，由BMT防御公司和L3Harris技术公司联合团队设计和建造的吊篮式LARS与经改装的RIB（刚性充气艇）一同参加了试验。该项目由国防部首席科学顾问资助，并与最新发布的《国防人工智能战略》保持一致，其项目输出将影响皇家海军对未来从舰船（如护卫舰）上使用USV的思考。
图6 在2021年9月的拖曳试验期间，XLARS USV正在驶入回收吊篮
（图片来源：Dstl/Crown）
在设计布放与回收系统的同时，L3Harris公司也研究引导XLARS进入吊篮“捕获窗”的方法。Mcintyre说：“他们去市场寻找不同的传感系统，在这种情况下，被选中的传感器是一种货架产品——“光探测和测距”（Light Detection and Ranging，Lidar）系统，这是一种光电/红外系统，以及一部毫米波雷达。”“我们考虑了这些不同传感器各自的利弊，将它们融合在一起，为USV提供“环境景象”（‘world view’），从而理解吊篮在何处。由此他们可以开发导引USV的控制算法。”
吊篮试验采用分阶段试验的方法。Mcintyre说：“我们起初做一些基础性的提升试验。这要经过一个十分严谨的设计过程，在对吊篮进行海试之前，我们想确信它是安全的……然后我们进行一些支援船后的拖曳试验，这是为了了解吊篮如何放在水里以及它的耐波性。”
下一步是了解XLARS如何停靠在吊篮里，最初是由一个舵手驾驶小艇，以探索所有静态和拖拽条件下的相互作用。这使得团队能在SD Northern River号船上进行系统海试之前建立对系统的信心。
2022年1月在索伦特海峡（Solent）（译注：濒临英吉利海峡北侧）进行了超过2周的试验，试验按领域和复杂性分阶段进行。首先在朴茨茅斯海军基地（Portsmouth Naval Base）旁试验了悬挂在Northern River号右舷的布放和回收式吊篮，然后又在斯皮德黑德海峡（Spithead）（译注：英吉利海峡中的一个小海峡，为开阔避风的深水海峡）锚地进行了一系列静态试验。在怀特岛（Isle of Wight）南部的试验正在进行中。
Mcintyre说：“我们先开始静态试验，逐步进展到提升出水，然后再在船后拖曳。我们也分步试验USV的控制方法，先从一名舵手驾驶小艇开始，然后过渡到遥控，以建立对最终全自主驶入吊篮的信心。”
对系统的要求随时间而增加，虽然平静的海况意味着不可能全面考核回收包线的边界。Mcintyre解释道：“天气一直非常好，使我们无法对系统进行充分的高强度测试。然而，我们能够演示和验证在2级海况下成功将小艇停入吊篮的能力。”
编译：Whitehead
译自：Janes Defence and
Intelligence Review
