【群体智能集群控制工程实践】第9章 无人舰队系统架构设计

第 9 章　无人舰队系统架构设计

所属卷册：第四卷　无人舰队控制工程实践

把第 6~8 章的空基技术栈迁移到海面，不能只做"平台替换"：水面无人艇（USV, Unmanned Surface Vehicle）在动力学、通信与作战环境三个层面与无人机有本质差异------低速大惯量且欠驱动（多数 USV 无法直接横向推进，只能靠舵与螺旋桨间接控制侧向运动）、海面通信受曲率遮挡与多径衰落双重制约、任务环境是规则密集的航运水域。因此第四卷不是第三卷的复制，而是"同样的集群控制内核 + 海洋物理与海上规则约束"的重新实现。无人舰艇智能航行的关键技术体系（感知-决策-控制三大领域）及其进展可见中文综述1；本章给出无人舰队系统的架构设计------9.1 节完成平台动力学与通信建模，9.2 节完成混合式控制架构与多异构舰队的组织设计。

9.1　水面无人艇（USV）平台适配

9.1.1　USV 动力学特性建模

9.1.1.1　欠驱动特性的运动学约束处理

USV 的水平面运动用三个自由度描述：纵荡（surge，沿艏向）、横荡（sway，沿侧向）与艏摇（yaw，绕垂向旋转）。运动学方程为

x˙=ucos⁡ψ−vsin⁡ψ,y˙=usin⁡ψ+vcos⁡ψ,ψ˙=r(9.1)\dot{x} = u\cos\psi - v\sin\psi, \qquad \dot{y} = u\sin\psi + v\cos\psi, \qquad \dot{\psi} = r \tag{9.1}x˙=ucosψ−vsinψ,y˙=usinψ+vcosψ,ψ˙=r(9.1)

其中 (u,v,r)(u, v, r)(u,v,r) 分别为船体系下的纵荡速度、横荡速度与艏摇角速度。动力学（简化刚体+水动力形式）为 Mν˙+C(ν)ν+D(ν)ν=τ\mathbf{M}\dot{\boldsymbol{\nu}} + \mathbf{C}(\boldsymbol{\nu})\boldsymbol{\nu} + \mathbf{D}(\boldsymbol{\nu})\boldsymbol{\nu} = \boldsymbol{\tau}Mν˙+C(ν)ν+D(ν)ν=τ，展开的水平面形式为

(m−Xu˙)u˙=mvr+Xuu+X∣u∣u∣u∣u+τu(m−Yv˙)v˙=−mur+Yvv+Y∣v∣v∣v∣v(Iz−Nr˙)r˙=Nrr+N∣r∣r∣r∣r+τr(9.2)\begin{aligned} (m - X_{\dot{u}}) \dot{u} &= m v r + X_u u + X_{|u|u} |u|u + \tau_u \\ (m - Y_{\dot{v}}) \dot{v} &= -m u r + Y_v v + Y_{|v|v} |v| v \\ (I_z - N_{\dot{r}}) \dot{r} &= N_r r + N_{|r|r} |r| r + \tau_r \end{aligned} \tag{9.2}(m−Xu˙)u˙(m−Yv˙)v˙(Iz−Nr˙)r˙=mvr+Xuu+X∣u∣u∣u∣u+τu=−mur+Yvv+Y∣v∣v∣v∣v=Nrr+N∣r∣r∣r∣r+τr(9.2)

式(9.2)中 X⋅,Y⋅,N⋅X_{\cdot}, Y_{\cdot}, N_{\cdot}X⋅,Y⋅,N⋅ 为水动力导数（附加质量与阻尼项），τu,τr\tau_u, \tau_rτu,τr 分别为推进力与转艏力矩。欠驱动约束的本质 在于：横荡通道 vvv 没有直接控制力------它的动态由艏摇与纵荡耦合产生（式(9.2)第二式右端无 τv\tau_vτv），侧向运动只能通过"先转向、再靠船体斜航产生侧滑"间接实现。这带来三个工程后果：

1. 轨迹层必须尊重转弯动力学：USV 不能像无人机一样横向平移，路径规划必须使用"曲率受限 + 最小转弯半径"的路径模型（与第 5 章全局规划的空基假设不同），急转向会导致大侧滑角与失速（舵效下降）；
2. 编队层必须处理侧滑角 ：USV 的实际速度方向与艏向不一致（侧滑角 β=atan2(v,u)\beta = \mathrm{atan2}(v, u)β=atan2(v,u)），编队控制若按"艏向即航向"设计会出现系统性位置误差------工程做法是导引层用"地面速度与航迹角"而控制层用"艏向"，两层间以侧滑角补偿衔接（第 10.1.1 节将给出完整控制器）；
3. 停驻能力差异巨大：多数 USV 无侧推、不能原地回转与横向移动，"悬停等待"（空中模式）在海面退化为"低速绕圈或顶流漂航"------第 7.2.2.2 节"通道口悬停等待"的实现到海面必须改写为"等待机动航线"，这是空海算法迁移中最典型的差异点。欠驱动水面/水下运载体的跟踪与路径跟随控制理论框架（含参数不确定性处理）参见文献2；完整的船舶运动建模（附加质量、阻尼、波浪力等）规范见海洋运载体建模的标准手册3。

9.1.1.2　水流扰动的建模与补偿方法

水面平台时刻处于环境流场中：海流（大尺度、近似恒定）、波浪诱导流（周期性/随机）与风生流。流扰动对集群控制的影响是整体的------全部 USV 共享同一个环境速度场，编队的"队形误差"受均匀流的影响较小（全体被推着走，队形相对关系保持），而"对地轨迹/到达时间"受流影响巨大（单机航迹跟踪出现系统性偏差）。建模的工程分层为：

• 平均流（海流） ：近似恒定速度场 (x˙c,y˙c)(\dot{x}_c, \dot{y}_c)(x˙c,y˙c)，对地速度 = 船速 + 流速度。估计方法：与第 2.2.2 节的线性化配套，用"位置差分与计程仪速度之差"在线估计（观测器/自适应律），或在浅水作业区用潮汐表+ADCP 预报提供先验；
• 波动流（波浪诱导） ：高频成分对控制器的扰动表现为位置噪声与横摇/纵摇运动，不在集群层建模（属于平台内环的抗浪问题，第 10.1.1.2 节），但其时均作用（波浪漂移力，如二阶波浪力把艇推离航向）会缓慢改变平均流估计，需要周期性重估。

流的补偿方法分两级：导引层补偿 （主要）------航迹跟踪导引律中把"流速度"作为前馈项加入期望航向计算（对地速度环的参考由流估计修正），使艇沿对地期望轨迹航行；控制层补偿 （次要）------把流当作作用于式(9.2)的有界扰动，用积分项或扰动观测器抑制其对位置环的稳态影响。工程经验：流估计的更新周期要与任务尺度匹配------对 2 km 级编队巡航，海流更新周期 1~5 min 足够；对近岸狭窄水道作业（第 10.1.2 节），流场空间变化大，需按航段分段估计。流补偿效果的验收指标为"顶流/顺流/横流三种工况下对地轨迹误差统计"------只测静水验收的轨迹控制器在海上毫无意义。

9.1.2　海上通信链路配置

海面通信与空中通信的差异来自物理：曲率遮挡 （天线高度有限，视距距离约为 dLOS≈3.57(h1+h2)d_{LOS} \approx 3.57(\sqrt{h_1} + \sqrt{h_2})dLOS≈3.57(h1 +h2 ) km，hhh 单位为 m------低矮 USV 之间视距仅十几公里，超出即断链）与海面多径（直达波与海面反射波干涉，产生频率选择性衰落）。舰队通信必须按任务距离分层配置（对应第 1.2.2.1 节的延迟-拓扑设计在海洋物理下的具体化）。

9.1.2.1　远距离通信的卫星/微波链路选型

远海舰队的骨干链路在卫星与微波（岸基微波站接力）之间选择：

• 卫星链路（VSAT/低轨星座） ：覆盖远海、不受曲率限制，但延迟大（GEO 卫星往返约 500 ms、低轨星座约 30~150 ms------必须对照第 1.2.2.1 节的 τmax⁡\tau_{\max}τmax 预算判断可用性：卫星链路上不可能跑高带宽的高频一致性协议，只适合任务指令与状态上报这类低频消息），且带宽昂贵------按第 6.1.2.2 节式(6.1)(6.2)的核算方法，卫星链路只能承载"任务级"数据率；
• 岸基微波（视距接力）：近岸 30~100 km 内可用微波站接力（中继架高克服曲率），延迟小（10 ms 级）、带宽大（10~100 Mbps），但覆盖受岸站布局限制------近岸编队（第 11 章海上测试的典型范围）的主力选择；
• 选用判据 ：以"控制回路要求"反向决定------若任务需要集群层高频协同（编队机动、协同避障），链路必须满足延迟预算，此时卫星链路出局；若任务只是"远程监控+指令注入"（第 9.2.1 节混合架构的岸基角色），卫星链路即可胜任。混合配置是舰队常态：卫星链（任务级）+ 近距自组网（集群级）双栈并存，切换逻辑按距离与链路质量自动裁决。

9.1.2.2　近距自组网的抗多径干扰配置

近距（数公里内）机间/艇间组网面对的核心问题是海面多径。两径传播模型下，接收功率近似按距离的四次方衰减（低掠射角时直达与反射波反相抵消，工程近似式）

Pr≈PtGtGr(hthr)2d4(9.3)P_r \approx \frac{P_t G_t G_r (h_t h_r)^2}{d^4} \tag{9.3}Pr≈d4PtGtGr(hthr)2(9.3)

式中 ht,hrh_t, h_rht,hr 为收发天线高度，Gt,GrG_t, G_rGt,Gr 为天线增益。式(9.3)的两个工程推论：其一，天线架高是海面通信最有效的"增益" ------hhh 翻倍带来约 12 dB 收益（四次方律），USV 桅杆天线高度设计直接决定组网半径；其二，低空无人机在舰队组网中价值巨大------高空节点（舰载无人机中继）同时解决曲率遮挡与多径衰落，是舰队组网的"第一中继选项"（呼应 2.1.2.2 节长程边的谱收益）。抗多径配置手段按成本排序：天线高度与分集（垂直极化/空间分集）、频率分集（多信道自动切换避开衰落凹陷）、扩频与跳频（把频率选择性衰落摊平）、以及链路质量驱动的功率/速率自适应（对应 2.1.1.2 节质量触发拓扑）。组网协议的抗多径验证必须包含"海浪起伏下的链路起伏测试"（第 11.2.1.2 节海上实测校准），静态码头测试的结果不能外推到 3 级海况以上。

9.2　舰队控制架构设计

9.2.1　混合式控制架构

海面任务（海域巡逻、护航、搜救）的监管特性与空基不同：岸基指挥中心对舰队的指令权是法定的（作业许可、用频许可、进入特定水域的授权），而海上链路又无法保证持续在线------因此无人舰队普遍采用岸基监督 + 集群自治的混合架构：正常时集群按任务自主运行，岸基只做监督与高级指令；链路中断或紧急情况时集群进入完全自治模式。架构设计的核心是"权限"与"自主度"的显式建模。

9.2.1.1　岸基指控中心与集群的权限分配

权限分配的工程实现是"自主度状态机 + 指令源仲裁"。自主度状态机定义五个等级：L0 远程遥控 （岸基逐艇指令）、L1 指令执行 （岸基下发任务，艇队自主执行但每步需确认）、L2 任务自治 （岸基下发任务目标，艇队自主规划执行，状态上报）、L3 集群自治 （集群自主决策，岸基仅接收态势）、L4 完全自治（含自主返航与应急处置）。权限分配原则：

1. 默认状态与降级方向明确：正常任务态 L2/L3；链路中断自动降级 L3/L4（自治升级而非停摆）；人员安全事件（碰撞危险、进入禁航区）岸基可越级夺取 L0------"夺取"是单向硬切换，实现上要求岸基指令通道独立于集群数据链路（卫星链），保证网络故障下指挥通道仍可用；
2. 越权与拒绝机制：艇队对岸基指令的执行需校验"任务合法性"（禁航区冲突、电量不足、与当前任务冲突）------不是无条件服从，校验规则预先固化并记录拒绝原因上报；
3. 状态机迁移必须留痕：每次自主度切换记录触发源（链路、指令、事件）与时间戳，供第 8.2.1 节式(8.4)式的事后归因------海上事故调查中"当时谁在控制"必须有不可辩驳的日志链。

权限切换的仲裁用"切换代价函数"量化------从自治切到遥控的代价是重新建立时延受限的控制回路（可能失败），从遥控切到自治的代价是任务中断与状态同步时间，工程上给每种迁移设定明确的触发阈值与超时回退（切不过去就保持原状态并告警），防止状态机在临界链路质量下"反复横跳"（与第 2.1.1.2 节滞回思想一致）。

9.2.1.2　通信中断时的自主决策逻辑

海上通信中断比空中更频繁且恢复更慢（卫星链雨衰、微波站故障、艇间距离超视距），因此舰队架构必须把"中断是常态"写入设计。中断时的自主决策逻辑分三个时间尺度：秒级（维持安全） ------艇队执行第 8.2.2.2 节的本地安全模式（减速停车/顶流维持/安全抛锚条件判断）；分钟级（维持任务价值） ------集群按中断前任务计划的"应急分支"继续执行（预设的返航航线、待机区域、避让规则），这一层要求任务计划本身包含应急分支（任务层输出不止主计划，还带"断链预案"）；小时级（重规划）------长时间失联后按时间表升级自主权：继续任务 → 区域待机 → 自主返航，各阶段的时间阈值由电池/燃油、海况预报与任务价值联合计算并在出发前固化。决策逻辑的验收是中断注入演练（第 8.2.2.2 节方法的海上版，第 11.2 节给出流程），重点检验：任何时刻单点故障（含指挥艇失联）都不导致"全队无人决策"。

9.2.2　多异构舰队协同架构

9.2.2.1　不同功能 USV 的角色定义

实际舰队的异构性来自任务分工：巡逻型 （续航长、传感器全、负责区域巡航与态势感知）、查证型 （速度快、机动好，负责抵近目标查证）、救援型 （载员/物资输送能力，负责人员救助）、中继型 （大功率通信载荷，负责舰队组网骨干）等。异构架构设计的核心问题不是"每条艇有多少传感器"，而是角色（role）与编队位置、通信职责、任务分配规则的绑定：

• 编队位置绑定：中继型布置在队形几何中心或高处（组网收益最大，对应 2.1.2.2 节长程边结论）；巡逻型分布在队形外围（传感器视野最大化）；救援型置于队内安全位置（低风险暴露）；
• 通信职责绑定：中继型承担舰队-岸基骨干与队内汇聚，其链路预算按"全队数据率+1 级冗余"设计（式(6.2)的舰队版），其余艇按"邻居子集"通信（分层拓扑，第 2.1 节结论的工程形态）；
• 任务分配绑定：角色差异即第 5.1.2.2 节异构能力向量（能力集含续航、速度、载荷、救援物资），任务分配算法自动把"查证任务"派给"速度型"、把"救援任务"派给"救援型"------角色的物理差异通过能力集进入分配层，架构层不需要特判逻辑。

角色不是永久的：任务阶段变化（巡逻→集中搜救）需要角色再分配------能力向量不变，但"当前角色"（谁当指挥艇、谁当中继艇）可通过第 3 章一致性与第 5 章分配重新选举，动态角色管理的触发条件与第 4.2.1.2 节队形切换的触发框架一致。

9.2.2.2　异构平台的数据标准化接口

异构舰队协同的最大工程障碍是"各艇各家数据格式"------不同厂商 USV 的导航数据、任务数据、载荷数据格式各异，直接互通会产生大量定制胶水代码与歧义。数据标准化接口设计的三个层次：

1. 数据字典层：定义统一的状态/消息字段集（艇标识、位置与姿态、速度、任务状态、载荷状态、健康状态）及其单位与坐标约定（统一用 WGS84 + 本地 ENU 或专用海图坐标系，时间戳统一 UTC）------接口表的字段语义是数据互通的宪法；
2. 序列化与传输层：统一消息序列化（如基于既有生态的二进制/JSON 方案，对应第 6.2.1 节的 QoS 分档------舰队消息同样分实时状态/关键指令/大块数据三类 QoS）；
3. 接口适配层：各厂商平台经"适配器"（翻译网关）接入舰队总线，适配器只做格式转换不做语义判断（语义检查在数据字典层完成，避免每厂商一套业务逻辑）。

标准化接口的工程验收是"插拔测试"：任意异构艇接入舰队总线后，在 30 min 内完成身份注册、状态上报与指令响应全流程，且数据字典校验通过率 100%------该测试是第 11.2 节海上多艇联合测试的前置条件，任何"需要写专属代码才能互通"的接入都应在岸上解决而不是拖到海上。

本章小结

本章完成了无人舰队系统的架构设计：平台层（欠驱动运动学式(9.1)、水动力模型式(9.2)、流扰动补偿）、通信层（卫星/微波/近距自组网分层选型、两径衰落式(9.3)与抗多径配置）、组织层（岸基-集群混合架构与自主度状态机、异构舰队角色绑定与数据标准化接口）。与第三卷的差异集中在三条：欠驱动约束改写轨迹与编队设计 、海面物理改写链路预算 、监管与规则改写权限架构。这三条差异将在第 10 章（编队航行、协同任务、安全保障）与第 11 章（水池/仿真/海上测试）中贯穿始终。

思考与练习

1. 由式(9.1)推导：USV 以恒定 u,ru, ru,r 回转时稳态回转半径与侧滑角的关系，并用式(9.2)的横荡方程说明为何欠驱动艇的稳态转向必然带侧滑。
2. 计算 3 艘 USV（天线高 2 m）之间的视距通信距离；若任务要求 50 km 艇间链路，画出三种方案（加高中继艇至 50 m/岸基微波/卫星）的延迟-带宽对比表。
3. 设计一个 4 级自主度状态机的迁移表：为每条迁移定义触发条件、超时回退与日志要求，并论证"链路中断时 L2 应自动升 L3 而非降 L1"的理由。
4. 对"巡逻+查证+救援"三型艇编队，写出各自能力向量（式(5.4)框架），设计一个角色再分配想定（巡逻中发现落水人员）并描述分配与队形切换的联动过程。
5. 设计异构艇接入测试用例（数据字典校验、状态上报、指令响应三流程），给出通过判据与 30 min 时间预算的分配方案。

参考文献

1 楼建坤, 徐蒙源, 岳林, 等. 无人舰艇智能航行技术进展与前沿J. 中国舰船研究, 2025, 20(1): 3--14.

2 Aguiar A P, Hespanha J P. Trajectory-tracking and path-following of underactuated autonomous vehicles with parametric modeling uncertaintyJ. IEEE Transactions on Automatic Control, 2007, 52(8): 1362--1379.

3 Fossen T I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion ControlM. 2nd ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2021.