第 10 章 无人舰队核心功能实现
所属卷册：第四卷 无人舰队控制工程实践
第 9 章完成了舰队系统的"骨架"------平台模型、通信配置与混合式组织架构；本章把第 3~5 章的集群算法与第 9 章的海洋约束合成为舰队的三大功能：编队航行 （10.1，含水流与航道的强约束）、协同任务执行 （10.2，巡逻与围捕）与安全保障 （10.3，避碰规则与故障应急）。海上集群控制与空基的根本差异在于：规则优先于优化------舰队的每一项自主行为（机动、通过、占位）都必须满足《国际海上避碰规则》（COLREGs）与航行惯例，算法优化的空间被规则约束在合法窗口内。因此本章的写作主线是"先把规则转译成约束，再在约束内实现算法"。
10.1 舰队编队航行控制
10.1.1 水面编队保持
10.1.1.1 考虑水流扰动的编队控制器设计
第 4 章的编队控制器（偏移一致式(4.7)、领航-跟随式(4.3)）假设平台可产生任意期望加速度，USV 上必须改写：控制器输出是推进力与转艏力矩（式(9.2)的 τu,τr\tau_u, \tau_rτu,τr），且横荡不可控。工程上采用级联结构------外层是"对地航迹级"编队误差控制器，内层是"艏向/速度跟踪"平台控制器（第 9.1.1 节的欠驱动模型在此层处理），两层之间的桥是导引律。考虑海流的编队导引律把流速度作为可测/可估前馈注入期望航向：期望航迹角由编队参考点（如领航者或虚拟结构点）与成员期望相对位置的"对地偏差"驱动，再按流估计修正为期望艏向
ψid=ψiLOS−βi−γicurrent(10.1)\psi_i^{d} = \psi_i^{\mathrm{LOS}} - \beta_i - \gamma_i^{\mathrm{current}} \tag{10.1}ψid=ψiLOS−βi−γicurrent(10.1)
其中 ψiLOS\psi_i^{\mathrm{LOS}}ψiLOS 为视线（LOS）导引角（指向编队期望位置与预测点连线方向），βi\beta_iβi 为侧滑角补偿（式(9.1)的 v/uv/uv/u），γicurrent\gamma_i^{\mathrm{current}}γicurrent 为流修正角（把"对地期望航迹"换算为"对水艏向"）。流修正角的计算用流速度估计 v^c\hat{\mathbf{v}}_cv^c 做速度三角形求解：
γicurrent=arcsin∣v^c×u^ides∣∣v^c∣ ∣u^ides∣ 的符号按流与期望航迹的左右关系取(10.2)\gamma_i^{\mathrm{current}} = \arcsin \frac{\left| \hat{\mathbf{v}}_c \times \hat{\mathbf{u}}_i^{\mathrm{des}} \right|}{|\hat{\mathbf{v}}_c| \, |\hat{\mathbf{u}}_i^{\mathrm{des}}| } \text{ 的符号按流与期望航迹的左右关系取} \tag{10.2}γicurrent=arcsin∣v^c∣∣u^ides∣ v^c×u^ides 的符号按流与期望航迹的左右关系取(10.2)
式(10.2)即经典"漂流修正"：期望对水速度方向在期望对地航迹方向的逆流侧偏一个角度，使对地合成速度恰好指向航迹。工程实现要点：其一，流估计误差直接转化为编队位置系统误差 ------流估计不准时，编队整体沿流方向漂移；缓解办法是编队误差环加入位置积分项（对应第 7.1.1.2 节 I 通道思想，海面场景的 I 通道比空中重要得多），或由编队内"慢速机动成员"（如查证艇）实时上报对地速度差供流估计更新；其二，流场空间差异导致队形内部不一致------大编队跨流场（湾流边界）时各艇遭遇流不同，编队控制器的队形误差与"流估计差异"耦合，需按成员分别估计流（分布式流估计）并按 10.1.1.2 节补偿。
10.1.1.2 波浪补偿的航向稳定方法
波浪使 USV 在三个姿态自由度（横摇、纵摇、垂荡）上高频运动。对集群控制的影响分两类：对控制通道的影响 ------波浪力矩在艏摇通道产生周期性干扰（斜浪入射时尤甚），表现为航向持续摆动与推进效率下降（迎浪顶流时"失速"）；对感知的影响------雷达/光电载荷随艇体摇摆，目标检测与测向误差随海况恶化（对应第 9 章感知退化场景管理）。波浪补偿的工程方法分层：
- 航向稳定层（平台内）：艏摇控制器中提高偏航阻尼（波浪中艏摇的干扰频率通常高于控制带宽，用陷波滤波器在波浪频率（如周期 5~12 s 对应 0.08~0.2 Hz）处衰减测量噪声，同时避免控制能量在波浪频率上浪费）；对横摇采用被动/主动减摇（减摇鳍、减摇水舱）或航向/航速调度（横摇共振时改变航向或减速脱离共振区------共振频率与浪向、船型有关，经验上改变相对浪向 20°~30° 即可显著减摇）；
- 导引层滤波：导引律使用"波浪滤波后的位置/航向"（观测器分离波浪高频与低频分量------低频部分进导引，高频部分不进），否则 LOS 导引角随波浪抖动，编队误差指令抖动放大推进器磨损；
- 任务层降级 ：超过平台抗浪包线（如 4 级海况上限）时，编队任务降级为"顶流漂泊保持/返航"，由第 9.2.1.1 节自主度状态机按海况预报触发------海况是舰队任务规划的第一约束，其地位相当于空中任务的风速包线。
图 10-1 建议插入位：斜浪下无补偿与有补偿的艏向记录对比（摆动幅度与能耗），标注波浪频率陷波效果。
10.1.2 狭窄水道编队通行
10.1.2.1 航道约束下的队形调整策略
狭窄水道（港口航道、桥区、岛礁水道）对舰队同时施加三类约束：水平几何约束 （航道宽度 WchW_{\mathrm{ch}}Wch 小于队形宽度）、规则约束 （通航分道、禁锚区、限速）与水文约束（浅水效应------水深变浅时船体附加阻力增大、舵效变化、富余水深不足搁浅）。队形调整策略的核心是"队形压缩 + 序列化通过"的两阶段策略：接近航道口时，把宽大搜索队形先压缩为"窄纵队"（队形几何参数化过渡，第 4.1.2.2 节方法），再在航道内以单列（或小错位双列）通过，出航道后恢复原队形。压缩策略的可行性判据为
Wcol+2dmargin≤Wch(10.3)W_{\mathrm{col}} + 2 d_{\mathrm{margin}} \leq W_{\mathrm{ch}} \tag{10.3}Wcol+2dmargin≤Wch(10.3)
其中 WcolW_{\mathrm{col}}Wcol 为压缩后队形宽度（含艇宽与安全间距），dmargind_{\mathrm{margin}}dmargin 为航道两侧富余（由富余水深、水流横压与定位误差共同决定------海图误差 + GPS 误差 + 流致漂移的联合，工程上单侧余量取艇宽的 0.5~1.0 倍以上）。航道内航行的两个特殊约束：限速与加减速窗口 （航道限速使到达时间预算失效，需按第 5.1.2.1 节时间窗任务重排）与浅水航行的动力储备（浅水阻力增大时式(9.2)的阻尼系数需修正，机动余量下降------通过计划中保留比深水更大的速度余量）。
10.1.2.2 会遇场景的避碰规则实现
水道内与外来船会遇是自主航行的高风险场景。规则实现的第一步是局面识别 ------按 COLREGs 把会遇分为对遇（相互对开）、交叉相遇（不同航向交会）与追越（同向接近）三类，识别判据用相对方位与航向差；第二步是避让责任判定 ------按规则，对遇双方各自向右转向、交叉中"让路船"（对方在自己右舷侧）避让"直航船"、追越船让被追越船1。避碰行动的量化实施常基于最近会遇距离/时间（DCPA/TCPA）：计算相对运动，得到未来最近会遇点参数
TCPA=−(pr⋅vr)∥vr∥2,DCPA=∥pr+TCPA⋅vr∥(10.4)\mathrm{TCPA} = \frac{-(\mathbf{p}_r \cdot \mathbf{v}_r)}{\| \mathbf{v}_r \|^2}, \qquad \mathrm{DCPA} = \left\| \mathbf{p}_r + \mathrm{TCPA} \cdot \mathbf{v}_r \right\| \tag{10.4}TCPA=∥vr∥2−(pr⋅vr),DCPA=∥pr+TCPA⋅vr∥(10.4)
其中 pr,vr\mathbf{p}_r, \mathbf{v}_rpr,vr 为相对位置与相对速度（TCPA 为负表示正在远离）。工程上的避碰决策表以 DCPA/TCPA 阈值（DCPA < 安全距离且 TCPA < 决策时间窗）触发避让行动，行动方向按局面识别结果确定（对遇/交叉让路船右转，追越则改变航向拉开侧距），并持续监视直到"明确远离且让清"------让清判据（DCPA 重新大于阈值）是解除避让的唯一条件，防止避让半途而废导致二次会遇。
图 10-2 建议插入位：三种会遇局面的 COLREGs 避让示意（对遇双右转、交叉让路/直航、追越），标注 DCPA/TCPA 计算几何。
10.2 舰队协同任务执行
10.2.1 协同海域巡逻
10.2.1.1 巡逻区域的动态划分方法
海域巡逻的划分方法与第 7.3.1.1 节网格/Voronoi 划分同源，但海洋条件引入两个新约束：巡逻区域随任务与情报动态调整 （重点海域、热点航线临时加严）与水文-气象约束 （巡逻线穿越渔区/航线繁忙区有规则限制，海况差的区域巡逻效能低）。动态划分方法采用"概率需求场 + 能力加权 Voronoi"：把海域需求量化为需求场 ϕ(q)\phi(\mathbf{q})ϕ(q)（重点海域、近期事件区域高值），巡逻艇 iii 的负责区由加权划分决定：
Vi={q∈A:∥q−pi∥ηi≤∥q−pj∥ηj, ∀j},ηi=vi⋅ton,iRi(10.5)V_i = \left\{ \mathbf{q} \in \mathcal{A} : \frac{\| \mathbf{q} - \mathbf{p}_i \|}{\eta_i} \leq \frac{\| \mathbf{q} - \mathbf{p}j \|}{\eta_j}, \ \forall j \right\}, \qquad \eta_i = \frac{v_i \cdot t{\mathrm{on},i}}{R_i} \tag{10.5}Vi={q∈A:ηi∥q−pi∥≤ηj∥q−pj∥, ∀j},ηi=Rivi⋅ton,i(10.5)
其中 ηi\eta_iηi 为艇 iii 的巡逻能力指数（巡航速度 viv_ivi、每日在航时间 ton,it_{\mathrm{on},i}ton,i 与任务区半径 RiR_iRi 的复合），高速艇与长在航艇自然分得更大责任区；需求场的变化（情报更新、事件发生）通过更新划分权重触发边界重划------重划是慢速的（分钟级），与第 7.3.1.2 节"概率图更新与区域重划解耦"同一原则。巡逻任务的海上无人系统全景（覆盖搜索、跟踪、救援各型任务的方法体系）见综述2。
10.2.1.2 异常目标的协同查证流程
巡逻中"发现异常目标 → 协同查证"是高频任务，流程设计的目标是在规则框架内最大化查证效率 。标准流程分四步：第一步，发现与建档 ------巡逻艇发现异常（AIS 缺失/静止、航向可疑、光学目标异常），本地建档并广播"异常报告"（位置、航向、特征、置信度）；第二步，任务分配 ------岸基或指挥艇按第 5 章分配算法指派查证艇（能力匹配：距目标近、速度快、载荷适用者优先，同时保持巡逻覆盖不塌陷------被抽调艇的巡逻区由邻艇临时接管，触发 10.2.1.1 的区域重划）；第三步，协同查证 ------多艇从不同方位接近（查证队形），保持 COLREGs 安全距离与"目标-艇"相对态势记录（证据链要求：记录时间、位置、传感器原始数据）；第四步，处置与上报 ------查证结果（正常/可疑/违法）上报并归档，可疑目标按预案移交或持续跟踪。流程的两个硬性要求：查证全程遵守避碰规则与海域规则 （不得为贴近目标而违反规则------法律合规优先于情报获取）；每一步决策留痕（异常报告的响应链可追溯，供事后审计与训练复盘）。
10.2.2 协同目标围捕
10.2.2.1 围捕队形的生成算法
围捕（如围堵可疑走私船、围控失事渔船）是把目标"封在包围圈内"的任务，队形生成与普通编队的差异在于包围圈中心是运动目标 且成员必须分布在对目标的所有方位 。围捕队形的生成分两层：围捕圈定义 ------以目标预测位置为中心、以期望围捕半径 RenvR_{\mathrm{env}}Renv 为半径的圆周上按角色数均分方位角（θi=θ0+2πi/Nc\theta_i = \theta_0 + 2\pi i / N_cθi=θ0+2πi/Nc，NcN_cNc 为参与围捕的艇数），加上"缺口控制"（刻意留出朝向岸基/我方救援方向的缺口，防目标逃往危险区或把目标驱向预定水域）；围捕点分配------按第 5.1.2 节拍卖/一致性束把围捕点集分配给各艇（到达时间同步性优先------围捕圈必须同时合拢，否则目标从迟到的缺口逃逸，任务价值函数中"同时到达"权重最高）。队形生成的工程参数：围捕半径按目标机动能力（速度、回转半径）设定为"目标在围捕艇反应时间内无法穿越包围圈"的最小值，缺口位置与开度由战术想定输入。
10.2.2.2 运动目标的包围圈收缩控制
围捕圈成形后的任务是随目标运动并逐步收缩。收缩控制的数学形态为：包围圈参考点跟踪目标预测位置，半径按收缩律随时间减小，各艇在"保持自己方位角"的约束下随圈运动：
Renv(t)=R0 e−kt+Rmin,θ˙i(t)=跟踪目标方位变化(10.6)R_{\mathrm{env}}(t) = R_0 \, e^{-k t} + R_{\min}, \qquad \dot{\theta}_i(t) = \text{跟踪目标方位变化} \tag{10.6}Renv(t)=R0e−kt+Rmin,θ˙i(t)=跟踪目标方位变化(10.6)
其中收缩速率 kkk 与最小半径 RminR_{\min}Rmin 是战术参数（RminR_{\min}Rmin 由安全距离、目标可能的冲撞行为与 COLREGs 让清要求共同决定------围捕不是逼近到零距离，而是在规则允许的最近距离维持包围态势）。收缩过程的两类失效及其处理：目标逃逸 ------目标从某方位突穿包围圈，围捕降级为"重新围捕"（全体转向目标新位置重新成形，流程回到 10.2.2.1，收缩速率参数按目标机动能力上调）；成员掉队------某艇动力/链路失效，缺口出现，此时邻位艇横向补位（第 4.2.1.2 节状态级队形重构的舰版）而非全圈重排，补位期间收缩暂停（防缺口扩大）。围捕的全过程性能验收以仿真与海上演习的"围捕成功率 × 完成时间"记录，并与纯静态包围（不收缩）基线对比，验证收缩策略的收益。
10.3 舰队安全保障
10.3.1 自主避碰与避障
10.3.1.1 符合 COLREGs 规则的避碰决策
第 10.1.2.2 节处理了单一会遇，多目标复杂会遇（多船交叉、渔船群、混合动力的局面）需要系统化的避碰决策框架。框架分三层：感知与融合层 （第 9 章感知栈输出全部目标与状态；AIS 目标与雷达目标关联------AIS 提供静态信息（船名、类型、尺寸）与动态信息（对地航向速度），雷达提供无 AIS 目标------关联失败的目标按雷达数据保守处理）；风险分层层 （对每个目标算 DCPA/TCPA，按"紧迫局面"（DCPA/TCPA 进入阈值）与"紧迫危险"（无法仅靠本船行动避免碰撞）分档------不同档触发不同决策带宽）；决策层（多目标避让的冲突裁决按"规则优先、后果最小"执行------先满足规则义务（让路船义务、直航船保向保速的义务），再选择使总体风险最小的机动（速度调整优先于大幅转向，转向幅度大于可辨别的 10°~15°，机动时机在 10.2.1.2 节查证流程的"合理时机"框架内------COLREGs 要求避让行动"及早、明确"）1。
工程实现的关键难点是规则与算法的一致性验证：避碰算法在仿真中通过了，海上未必合法。对策是把规则检查做成独立于避碰算法的一条"规则校验链"------算法的每个候选机动先过规则校验器（局面分类 + 义务判定 + 行动方向合法性，与 9.2.1 节架构中"指令合法性校验"同构），非法机动被拒绝并触发备选机动搜索。该架构保证：即使避碰算法的内部逻辑有缺陷，输出到执行层的机动始终规则合法。
10.3.1.2 浅滩/暗礁的感知与规避方法
海上固定障碍（浅滩、暗礁、沉船）与动态目标在性质上不同：它们是静态但可能未被海图精确标示 的（海图误差、海床变化），规避逻辑是"测深数据驱动"。感知手段为多波束/单波束测深仪（水下探测，量程有限）与卫星影像/历史海图（先验），规避策略是"先验约束 + 实时校核"：航路规划（第 5.2 节）以海图水深为硬约束（安全水深 = 吃水 + 富余水深 + 波浪富余），航行中测深实时校核------实际水深低于安全阈值立即触发转向（按第 5.2.2.2 节式(5.7)的重规划触发逻辑，障碍对象换成"水深等深线"）。工程要点：其一，潮汐校核 ------安全水深随潮位变化，浅水区通行必须用实时潮位修正（大潮差海域（数米）中"潮时错过即搁浅"，航行窗口计划与潮汐表联动）；其二，浅水区机动能力下降 （舵效差、回转半径大、船体下沉），规避机动要在"水更浅之前"完成------浅水区的速度上限与转向裕度要预留给探测盲区（测深仪前向覆盖有限）；其三，探测不确定性管理------多波束数据稀疏区（浅滩间缺口）按最浅读数保守建模，宁可绕行不可侥幸穿越。
10.3.2 故障应急处理
10.3.2.1 动力失效艇的拖带协同策略
海上故障与空中的本质区别是没有"悬停/返航"选项 ：动力失效（主机故障、螺旋桨缠网、燃油耗尽）的艇只能漂航（受风流漂移），若任务区有岸线/航路/平台，漂航艇是次生风险源。故障应急的第一优先级是受控处置 ：动力失效艇立即广播故障（位置、状态、漂移估计------流与风作用下的漂移速度按 9.1.1.2 节的流估计与风速计算），指挥体系（岸基或指挥艇）评估漂移轨迹（与航路、岸线、浅滩的相遇时间），决定"弃艇回收"（打捞/遥控应急舵）或"拖带救援"。拖带协同的关键参数是拖带速度与编队队形：拖带配置为"拖带艇 + 被拖艇"的短纵队（拖缆长度、拖带速度受被拖艇耐波性限制，通常 3~6 kn 量级），护航艇在旁伴随（承担 COLREGs 义务------拖带组合体在海上规则中有专门的号灯号型与机动限制，其他船应让清）。拖带机动的实现要点：接近被拖艇时采用"顺风顶流方向接近"（降低相对漂移速度，对应 LOS 导引的变体）、带缆作业由艇员或自动带缆装置完成（无人化程度低的环节）、起拖后逐步加车验证拖带稳定（拖带偏荡是常见失效------拖缆过短或速度不当导致被拖艇横摆，通过拖缆长度调整与速度微调消除）。编队级处置：原编队因拖带任务重组（第 9.2.2.1 节角色再分配的应急实例），被拖艇的任务由其能力匹配的邻艇接管（第 5 章分配重算）。
10.3.2.2 通信失效后的返航逻辑设计
海上通信失效（卫星链断、艇间链断）的处置在第 9.2.1.2 节定义了自主决策框架，返航逻辑是其最重要的具体化。返航逻辑的设计要点有三：其一，返航触发分级 ------返航不是"断链即返航"：秒级断链（链路抖动）触发待机，分钟级断链按任务预案（继续当前安全航线/机动到安全区），只有超过小时级阈值或出现安全事件（电量不足、海况恶化、任务区风险升级）才触发自主返航；触发判据在出发前按任务参数固化（电量返航阈值 = 当前点至最近安全锚地航程 × 1.5 裕度 + 流的影响）；其二，返航航路预规划 ------返航航路与主任务航路一样是任务规划的正式输出（任务层输出的"断链预案"之一）：包含安全锚地/回收点选择、避开浅滩航路（10.3.1.2 约束）、以及断链期间的避碰模式（自主避碰继续启用------返航不豁免 COLREGs 义务）；其三，返航后的状态恢复------返航到位后艇队进入"锚地待命"（按潮汐与富余水深选择锚位，或漂航待命），周期性广播信标等待链路恢复；链路恢复后按第 8.2.2.2 节四阶段流程重新纳入指挥。返航逻辑的验收是第 11.2 节海上演练的标准科目------模拟"指挥链全断 + 电量临界"双故障，考核自主返航的航路合法性、避碰行为与到位精度。
本章小结
本章实现无人舰队三大功能，核心工程结论为：编队航行受水流（式(10.1)(10.2)）与波浪双重补偿、窄水道通过以式(10.3)判据压缩队形并遵守会遇规则（式(10.4) DCPA/TCPA）；协同任务以能力加权划分（式(10.5)）与查证流程管理巡逻、以围捕圈成形与收缩（式(10.6)）完成围捕；安全保障以"规则校验链"保证所有机动 COLREGs 合法、以测深驱动的浅滩规避与分级返航逻辑兜底。贯穿全章的方法论：海上自主性的每一条算法输出都要过"规则合法 + 安全可行"双校验------这与第 9.2.1 节的权限架构、第 8 章的测试哲学一脉相承。第 11 章给出验证这些能力的池试/仿真与海上实船测试流程。
思考与练习
- 用式(10.1)(10.2)推导：横向流 2 kn、期望对地航迹正北 4 kn 时所需的修正艏向角；若流估计误差 0.5 kn，编队对地位置误差的漂移速率是多少？
- 会遇计算：本船航向 000°、速度 12 kn，目标相对方位 045°、距离 2 nm、对地速度 15 kn 航向 270°------计算 DCPA/TCPA（式(10.4)），判定局面类型与避让责任，给出合法避让机动建议。
- 设计三艇围捕 8 kn 目标的队形（艇速 14 kn）：确定初始围捕半径、收缩速率（式(10.6)）与最小半径，仿真验证"目标直逃/转向逃逸"两种想定下的围捕成功率。
- 巡逻区域动态划分：给 4 艘不同速度/在航时间的巡逻艇（能力指数式(10.5)）划分 200 nm² 海域，加入两个热点区域（需求场高值）后重划，比较重划前后的巡逻覆盖时间均衡性。
- 编写"指挥链全断+电量临界"的返航逻辑用例：声明触发条件、返航航路约束（含一个浅滩禁入区）、避碰模式与到位判据，并与第 8.2.2.2 节空中恢复流程做差异对比表。
参考文献
1 Cockcroft A N, Lameijer J N F. A Guide to the Collision Avoidance RulesM. 7th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2012.
2 Li J, Zhang G, Jiang C, et al. A survey of maritime unmanned search system: theory, applications and future directionsJ. Ocean Engineering, 2023, 285: 115359.