UUV集群協(xié)同探測(cè)與數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究

周宏坤，葛錫云，邱中梁，馮雪磊，陳南若

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214082)

UUV集群協(xié)同探測(cè)與數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究

周宏坤，葛錫云，邱中梁，馮雪磊，陳南若

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214082)

簡(jiǎn)述無人水下航行器（UUV）集群協(xié)同探測(cè)的原理和特點(diǎn)，介紹國(guó)外UUV集群協(xié)同探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)1種基于主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的UUV協(xié)同探測(cè)方案，分析3種編隊(duì)隊(duì)形的探測(cè)性能，討論了探測(cè)、導(dǎo)航、通信一體化數(shù)據(jù)融合的方法。

UUV；協(xié)同探測(cè)；數(shù)據(jù)融合

0 引 言

目前，無人水下航行器（UUV）的航速、航程、續(xù)航力在逐步提高，并且能攜帶武器，即將具備與潛艇媲美的功能，未來將更多地代替潛艇在作戰(zhàn)一線承擔(dān)情報(bào)偵察、反潛、反艦等任務(wù)。在水下使用多艘UUV組成水下編隊(duì)進(jìn)行協(xié)同探測(cè)，可以提高探測(cè)效率，擴(kuò)大探測(cè)范圍，發(fā)揮更大的作用。在探測(cè)海域水文環(huán)境惡劣、探測(cè)任務(wù)繁雜的情況下，UUV協(xié)同探測(cè)的高度智能化和多功能性，能夠完成單UUV無法完成或難以完成的任務(wù)[1]。

UUV集群協(xié)同探測(cè)具有容錯(cuò)能力強(qiáng)、配置靈活、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可動(dòng)態(tài)調(diào)整的特點(diǎn)，可有效降低成本、擴(kuò)大能力、提高效率和探測(cè)概率。UUV個(gè)體配備不同的任務(wù)模塊，群體間通過資源共享彌補(bǔ)單UUV能力的不足，擴(kuò)大執(zhí)行任務(wù)范圍；合理規(guī)劃UUV集群探測(cè)路徑，可以縮短作業(yè)時(shí)間，覆蓋更大的工作區(qū)域；多艘UUV組成分布式、可靈活快速布放的水下探測(cè)網(wǎng)，可以多角度、多方位地提高遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)概率與精度；UUV集群協(xié)作系統(tǒng)所具有的高度并行性和天然冗余性，提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，提高了系統(tǒng)的柔性和魯棒性；多UUV相互配合，智能化程度高，獲取信息量豐富，能夠使水下戰(zhàn)場(chǎng)更加透明，控制區(qū)域可向前推進(jìn)上百公里[2]。

在深海環(huán)境中，基于UUV集群的協(xié)同探測(cè)技術(shù)需要重點(diǎn)研究自主式目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)以及自動(dòng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，包括研究適合自主式探測(cè)器的干擾背景平滑處理和恒虛警檢測(cè)方法，自主的目標(biāo)被動(dòng)檢測(cè)、定位、跟蹤方法，雙/多基地合成孔徑技術(shù)；研究多個(gè)自主式節(jié)點(diǎn)傳感器信息的時(shí)空統(tǒng)一、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)融合方法；研究網(wǎng)絡(luò)信息的自動(dòng)檢測(cè)融合、分類融合和跟蹤融合方法，發(fā)展網(wǎng)絡(luò)探測(cè)和識(shí)別方式等[3]。

本文針對(duì)水下戰(zhàn)場(chǎng)中偵察、識(shí)別、跟蹤、監(jiān)視等作戰(zhàn)任務(wù)的需要，提出一種基于主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的UUV集群協(xié)同探測(cè)方案與數(shù)據(jù)融合方法，具體分析了UUV編隊(duì)的目標(biāo)定位能力。

1 集群協(xié)同探測(cè)的分類

UUV集群協(xié)同探測(cè)的分類按聲吶系統(tǒng)可分為協(xié)同主動(dòng)探測(cè)和協(xié)同被動(dòng)探測(cè)；按照目標(biāo)種類可分為協(xié)同固定目標(biāo)探測(cè)和協(xié)同移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)；按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為主從結(jié)構(gòu)協(xié)同探測(cè)和并列結(jié)構(gòu)協(xié)同探測(cè)；按協(xié)同探測(cè)時(shí)機(jī)可分為預(yù)先協(xié)同探測(cè)和臨時(shí)協(xié)同探測(cè)[4]。

主/被動(dòng)工作模式的選擇主要由目標(biāo)是否發(fā)聲決定，被動(dòng)模式主要用于檢測(cè)水面艦船、潛艇或敵方主動(dòng)聲吶發(fā)出的聲信號(hào)，執(zhí)行隱蔽低頻遠(yuǎn)程警戒；主動(dòng)工作模式主要用于探測(cè)敵方安靜型潛艇、水下航行器、水雷等低噪聲或不發(fā)聲目標(biāo)，還包括海底監(jiān)聽設(shè)備、軍用電纜等。一般分為遠(yuǎn)程警戒探測(cè)與近程高分辨率探測(cè)。對(duì)于水聲探測(cè)來說，利用UUV集群作為探測(cè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)聲吶系統(tǒng)具有更大的孔徑，有利于提高目標(biāo)探測(cè)精度。

UUV協(xié)同探測(cè)固定目標(biāo)與協(xié)同探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的區(qū)別在于UUV使用的探測(cè)設(shè)備和數(shù)量要求不同。在探測(cè)裝備的選擇方面與主/被動(dòng)工作模式的選擇相同，由于固定目標(biāo)一般不向外發(fā)射物理場(chǎng)，因此應(yīng)使用主動(dòng)探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)；UUV探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)可使用被動(dòng)設(shè)備探測(cè)其輻射噪聲，必要時(shí)使用主動(dòng)探測(cè)設(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。在UUV的數(shù)量方面，由于固定目標(biāo)沒有位移，所以探測(cè)時(shí)需要的UUV數(shù)量相對(duì)較少，而探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)位置的變化和UUV航程航速的限制，可能會(huì)需要數(shù)量較多的UUV才能完成任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇和具體作業(yè)任務(wù)有關(guān)。在并列網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)中每個(gè)成員智能化程度相差不大。這種網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航系統(tǒng)需要各成員的相互依賴、相互補(bǔ)充，或者每個(gè)成員都有獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng)。主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)往往由少量主UUV和多臺(tái)從UUV組成，主節(jié)點(diǎn)智能化程度較高，起到導(dǎo)航和控制從節(jié)點(diǎn)的作用，從節(jié)點(diǎn)智能化程度較低，趨向于單一功能節(jié)點(diǎn)。隨著從節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，少量主節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷將越來越重，因此逐級(jí)進(jìn)行主從型擴(kuò)展是大型水下網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

UUV預(yù)先協(xié)同探測(cè)是指在UUV執(zhí)行探測(cè)任務(wù)之前，利用一定的時(shí)間進(jìn)行協(xié)同組織，安排各UUV的分工和協(xié)同方法。臨時(shí)協(xié)同探測(cè)是指在UUV執(zhí)行某一任務(wù)的過程中，根據(jù)情況的變化臨時(shí)抽調(diào)某些UUV進(jìn)行協(xié)同探測(cè)。顯然，預(yù)先協(xié)同探測(cè)能夠?qū)μ綔y(cè)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)協(xié)同計(jì)劃進(jìn)行周密的安排，而臨時(shí)協(xié)同探測(cè)則能夠?qū)?fù)雜的海洋環(huán)境做出及時(shí)的反應(yīng)。

2 集群協(xié)同探測(cè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于UUV集群協(xié)同探測(cè)的研究和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了30多年時(shí)間，形成了一系列的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用成果。相比而言，國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，許多研究都還處于理論和仿真階段。

美國(guó)關(guān)于UUV協(xié)同探測(cè)的應(yīng)用研究主要在水雷探測(cè)領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)美國(guó)海軍提出的水下考察、測(cè)量和輔助通信/導(dǎo)航能力，Bluefin機(jī)器人技術(shù)公司等多家單位聯(lián)合開展了一項(xiàng)“分布式偵察與探測(cè)的協(xié)作自主性（CADRE）”研究。該系統(tǒng)由3種不同類型的UUV組成，分別執(zhí)行導(dǎo)航、探測(cè)和識(shí)別水雷等使命。麻省理工學(xué)院聯(lián)合北約SACLANTCEN研究所開展的水聲探測(cè)項(xiàng)目“通用海洋陣列技術(shù)聲吶（GOA Ts）”，將小型、廉價(jià)的AUV通過與最新的通信技術(shù)組合起來，形成移動(dòng)平臺(tái)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這些平臺(tái)可以獨(dú)立工作或者協(xié)同工作，以單基地、多基地方式完成潛水區(qū)探雷、探潛等戰(zhàn)術(shù)任務(wù)[3]。英國(guó)Nekton研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的水下多智能體平臺(tái)（UMAP）由4臺(tái)小型、廉價(jià)、易于操作的Ranger UUV和支持的軟件結(jié)構(gòu)組成，目的是作為多UUV研究的平臺(tái)，研究?jī)?nèi)容包括分布式搜索算法、編隊(duì)控制、海洋學(xué)調(diào)查等[5]。

美國(guó)海軍海洋水雷戰(zhàn)中心（NOMWC）UUV編隊(duì)配備排級(jí)/指揮所任務(wù)分析（PMA）單元和數(shù)據(jù)融合單元（DFC），用于支持獵雷、海上防御偵查、指揮所任務(wù)分析、反水雷（MCM）數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)戰(zhàn)術(shù)和環(huán)境分析、變化檢測(cè)和MCM目標(biāo)數(shù)據(jù)融合等，提供一種高效、快速遠(yuǎn)程的獵雷方式。

3 集群協(xié)同探測(cè)技術(shù)研究

3.1 方案設(shè)計(jì)

假設(shè)UUV編隊(duì)由5艘不同功能的UUV組成，均由深海水下平臺(tái)釋放。該編隊(duì)采用主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中1艘作為主節(jié)點(diǎn)（0#），其他4艘為從節(jié)點(diǎn)（1#～4#），所有節(jié)點(diǎn)均配備舷側(cè)陣聲吶，如圖1和圖2所示。

0#主節(jié)點(diǎn)配置智能控制中心，負(fù)責(zé)控制整個(gè)編隊(duì)的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)；配置高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為編隊(duì)提供導(dǎo)航信息；配置大容量、高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于多傳感器數(shù)據(jù)融合；搭載低頻主動(dòng)聲吶、拖曳聲吶，具備編隊(duì)周圍360°，100 km警戒搜索能力；配置大功率遠(yuǎn)/近程通信設(shè)備，用于對(duì)潛、對(duì)岸、對(duì)浮標(biāo)、對(duì)UUV從節(jié)點(diǎn)、對(duì)水下固定節(jié)點(diǎn)的信息和數(shù)據(jù)傳輸；配備環(huán)境參數(shù)測(cè)量設(shè)備，用于海洋水體參數(shù)的測(cè)量。

1#從節(jié)點(diǎn)要求具備高航速的特點(diǎn)，可定時(shí)（或受命）上浮水面進(jìn)行水面?zhèn)刹椤⑼ㄐ乓约矮@取定位信息。主要配備電子偵測(cè)、通信和定位相關(guān)設(shè)備，用于對(duì)水面艦船的雷達(dá)與無線電信號(hào)的偵測(cè)、識(shí)別和通信，對(duì)低空飛機(jī)的雷達(dá)與無線電信號(hào)的偵測(cè)與通信，對(duì)衛(wèi)星的通信和定位等；配備磁探儀用于水下磁異常探測(cè)。

2#從節(jié)點(diǎn)主要用于海底地形地貌測(cè)量、水雷探測(cè)、輔助地形匹配導(dǎo)航、輔助海底打撈等作業(yè)，主要裝備聲學(xué)成像系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)等。

3#從節(jié)點(diǎn)具備水聲對(duì)抗能力，首先可用作為潛艇模擬器，利用主動(dòng)聲吶模擬水面、水下艦艇的自噪聲，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)欺騙；其次是攜帶水聲干擾器和氣幕彈等裝備，干擾敵方聲吶工作。

4#從節(jié)點(diǎn)具備水下作業(yè)和攻擊能力，攜帶作業(yè)工具用于布放/排除水雷，攜帶微型炸藥用于引爆水雷，攜帶小型魚雷用于攻擊敵方水下航行器，配備特種工具用于破壞敵方UUV導(dǎo)航、通信、推進(jìn)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方UUV、水下滑翔機(jī)、潛標(biāo)的捕獲。

以上的UUV節(jié)點(diǎn)均采用模塊化設(shè)計(jì)和組裝，任務(wù)模塊可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行選擇性安裝。

3.2 水下警戒探測(cè)技術(shù)

水下警戒探測(cè)技術(shù)包括波束形成技術(shù)和分布式定位技術(shù)。波束形成技術(shù)以UUV編隊(duì)組成的均勻離散直線陣為研究對(duì)象，陣元間距根據(jù)目標(biāo)聲波的波長(zhǎng)設(shè)定，以獲得最窄波束寬度或最低旁瓣級(jí)。分布式定位技術(shù)是一種基于距離（時(shí)延）的定位方法，理論上接收陣間距越大定位精度越高。分布式定位系統(tǒng)的性能和目標(biāo)與接收陣列之間的幾何關(guān)系、水聲信道與聲線追蹤、目標(biāo)定位解算、信號(hào)檢測(cè)、時(shí)間同步與測(cè)量、抗多徑/多址干擾等很多因素有關(guān)。

基于移動(dòng)編隊(duì)的水下探測(cè)，最大優(yōu)點(diǎn)就是聲吶陣列可根據(jù)目標(biāo)的頻率特性、環(huán)境噪聲特性、信號(hào)處理方法等方面的要求進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，獲取最大陣列增益，實(shí)現(xiàn)最佳探測(cè)效果。當(dāng)編隊(duì)采用主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模式，為保證穩(wěn)定的通信速率（1.2 kbps）和可靠的定位距離，主從節(jié)點(diǎn)間隔不超過10 km。UUV集群探測(cè)編隊(duì)隊(duì)形可根據(jù)任務(wù)要求分為一字橫排型結(jié)構(gòu)（I型）、一字縱排型結(jié)構(gòu)（II型）以及十字交叉型結(jié)構(gòu)（III型），如圖3所示。

1）一字橫排型搜索

單個(gè)UUV的舷側(cè)陣可以看成一個(gè)均勻直線陣，分布式UUV集群可看做是一個(gè)五元均勻離散陣，如圖4（a）所示。

對(duì)于連續(xù)型舷側(cè)陣，其指向性函數(shù)為

式中：假設(shè)6B型燃?xì)廨啓C(jī)、LM2 500型天然氣內(nèi)燃機(jī)和J920型天然氣內(nèi)燃機(jī)計(jì)劃建設(shè)臺(tái)數(shù)分別為x、y和z，x、y、z均為非負(fù)整數(shù)；單臺(tái)機(jī)組造價(jià)分別為A、B和C(萬元/臺(tái))；單機(jī)容量分別為I、J和K(MW)；島內(nèi)電廠供電能力和“十三五”內(nèi)新增氣電容量之和為L(zhǎng)(MW)；遠(yuǎn)景最大負(fù)荷為P(MW)；島內(nèi)備用容量為R(MW)。

均勻離散線陣的指向性函數(shù)為

式中：L為連續(xù)陣長(zhǎng)度；λ為聲波波長(zhǎng)；N為離散陣陣元數(shù)；d為陣元間距。

對(duì)于均勻分布直線陣來說，布陣間距根據(jù)噪聲相關(guān)性特點(diǎn)一般為半波長(zhǎng)，增大間距可以增加分辨力，但是旁瓣變高，減小間距能降低旁瓣，但分辨力降低。由均勻直線陣的特點(diǎn)可知，陣列的法向波束最窄，定向方向越偏離法向方向主瓣越寬，實(shí)際中只用法線附近一個(gè)小的扇面進(jìn)行定向[6]。

設(shè)舷側(cè)陣長(zhǎng)度為2個(gè)波長(zhǎng)，UUV節(jié)點(diǎn)間距設(shè)為半波長(zhǎng)，陣元數(shù)為5，繪制指向性如圖4（b）所示。可以看出，UUV集群構(gòu)成的五元節(jié)點(diǎn)陣波束方向與前進(jìn)方向一致（0°方向），舷側(cè)陣波束方向與前進(jìn)方向垂直（90°方向），因此這種隊(duì)形型適合前后、左右同時(shí)進(jìn)行定向搜索。

在使用節(jié)點(diǎn)陣列進(jìn)行被動(dòng)探測(cè)時(shí)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，此時(shí)節(jié)點(diǎn)間距不超過150m（半波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)聲波頻率5 Hz），利用高速水聲通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)使用節(jié)點(diǎn)陣列進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)時(shí)，為提高節(jié)點(diǎn)距離應(yīng)盡可能大；當(dāng)需要探知目標(biāo)的深度信息時(shí)，UUV集群變換隊(duì)形成上下梯形結(jié)構(gòu)，這樣可以在垂直方向形成孔徑。

2）一字縱排型搜索

為提高目標(biāo)的定向精度，可UUV集群可以變換為一字縱向搜索隊(duì)形，此時(shí)五元節(jié)點(diǎn)陣與舷側(cè)陣的主波束方向相同，組成復(fù)合陣的指向性函數(shù)為

設(shè)舷側(cè)陣長(zhǎng)度為2個(gè)波長(zhǎng)，UUV節(jié)點(diǎn)間距為半波長(zhǎng)，陣元數(shù)為5，得到3種陣列的指向性如圖5所示。從圖中可以看出，和UUV的舷側(cè)陣相比，復(fù)合陣的旁瓣級(jí)下降14 dB，主瓣寬度降低了9.2°。同樣，UUV節(jié)點(diǎn)的間距可以進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，提高探測(cè)精度。這個(gè)隊(duì)形的特點(diǎn)是復(fù)合指向性的主波束窄，定向精度最高，所以這種陣型適合兩側(cè)小區(qū)域高精度定向測(cè)量。同時(shí)該隊(duì)形缺點(diǎn)也很明顯：前后區(qū)域定向探測(cè)能力較弱。

3）十字交叉型搜索

十字交叉型搜索隊(duì)形一般采用分布式主動(dòng)搜索探測(cè)模式，如圖6所示。其中，主UUV的低頻主動(dòng)聲吶實(shí)施全指向或定向發(fā)射，5個(gè)節(jié)點(diǎn)接收目標(biāo)回波信號(hào)預(yù)處理后，再將信號(hào)回傳給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)綜合各種信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，解算得到目標(biāo)的距離和方位信息。工作時(shí)主從節(jié)點(diǎn)間距不超過10 km，采用低速水聲通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，搜索距離可達(dá)到上百千米。

分布式定位采用基于距離的被動(dòng)測(cè)量，如圖6所示。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，有

式中：R為主從節(jié)點(diǎn)之間的距離；c是聲波傳播速度；τi為聲信號(hào)到各節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)間。

解方程得到

這里，如果采用主動(dòng)探測(cè)，則目標(biāo)距離D可以利用回波測(cè)距法直接測(cè)量，可以進(jìn)一步提高方位的測(cè)量精度，增加集群探測(cè)的系統(tǒng)冗余性。

式中：σφ，στ分別為方位估計(jì)和時(shí)延估計(jì)誤差。由上式可知，十字交叉陣的定位精度只和時(shí)延有關(guān)，水平面內(nèi)具有相同的探測(cè)精度。

綜上所述，在大范圍內(nèi)采用I型一字橫向搜索隊(duì)形，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后可改變?yōu)镮I型一字縱向搜索隊(duì)形，提高定向精度，確定方向后變換為III型十字交叉搜索隊(duì)形，更具需要使用被動(dòng)測(cè)距或主動(dòng)測(cè)距進(jìn)行精確定位。在被動(dòng)檢測(cè)過程中，UUV編隊(duì)可根據(jù)噪聲信號(hào)獲取對(duì)方目標(biāo)的聲紋特征，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和情報(bào)收集。

4 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

分布式移動(dòng)探測(cè)和定位系統(tǒng)作為水下信息網(wǎng)重要一環(huán)，目前的問題在于水下多種傳感器之間的網(wǎng)絡(luò)連接和信息融合。UUV可作為水下聲吶組網(wǎng)的探測(cè)和通信結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水下信息的獲取和傳遞。一旦發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，UUV集群可進(jìn)行跟蹤監(jiān)視，并將收集的信息進(jìn)行有效融合、處理，生成情報(bào)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)，達(dá)到更有效的目標(biāo)定位、跟蹤與攻擊。從UUV編隊(duì)角度來說，數(shù)據(jù)融合指的是節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換情報(bào)共享，從整個(gè)體系而言數(shù)據(jù)融合包括編隊(duì)對(duì)潛、對(duì)岸、對(duì)空天整個(gè)作戰(zhàn)信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互，如圖7所示。

UUV之間的通信和定位問題是實(shí)現(xiàn)UUV協(xié)同探測(cè)的基礎(chǔ)。UUV集群探測(cè)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置要求比較高，由于主節(jié)點(diǎn)導(dǎo)航定位精度高，從節(jié)點(diǎn)導(dǎo)航定位能力弱，因此主節(jié)點(diǎn)需要利用水聲定位系統(tǒng)（超短基線系統(tǒng)），對(duì)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，同時(shí)將位置信息、指令信息發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，這里水聲定位與通信系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)。UUV主節(jié)點(diǎn)除利用自身的慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航以外，還可以利用其他UUV從節(jié)點(diǎn)獲得的信號(hào)進(jìn)行組合導(dǎo)航與定位。

1）UUV集群導(dǎo)航定位

慣性導(dǎo)航（INS）和水聲測(cè)速（DVL）組合作為水下載體使用最成熟的技術(shù)，已經(jīng)在國(guó)外獲得了廣泛應(yīng)用。主節(jié)點(diǎn)上配置INS和DVL，采用DVL速度測(cè)量作為觀測(cè)量進(jìn)行SINS/DVL自主導(dǎo)航定位。慣性導(dǎo)航（INS）、衛(wèi)星導(dǎo)航定位（GPS）以及超短基線（USBL）組合導(dǎo)航定位，主要利用1#從節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星定位功能、超短基線定位功能以及水聲通信功能。首先主節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令（或定時(shí)）控制1#從節(jié)點(diǎn)上浮水面接收GPS位置信息（或者無線電導(dǎo)航信息），1#從節(jié)點(diǎn)將接收到的位置信息發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的1#從節(jié)點(diǎn)的位置信息，再利用超短基線測(cè)得的相對(duì)于位置信息，解算得到自身的位置信息，修正慣導(dǎo)累積的導(dǎo)航誤差。此外，還可以利用地形匹配導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航。

2）水下戰(zhàn)場(chǎng)信息收發(fā)

水下作戰(zhàn)平臺(tái)對(duì)UUV集群的控制指令可通過釋放前平臺(tái)預(yù)置、遠(yuǎn)程水聲通信置入；作戰(zhàn)信息網(wǎng)對(duì)UUV集群的控制指令可通過衛(wèi)星/無線電置入（利用1#從節(jié)點(diǎn)）、水下固定通信節(jié)點(diǎn)置入、遠(yuǎn)程水聲通信置入這幾種方式實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)水下UUV編隊(duì)需要上傳情報(bào)時(shí)間時(shí)，首先各從節(jié)點(diǎn)將獲得的信息匯總到主節(jié)點(diǎn)中，然后由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、融合和壓縮，最后通過多種方式向外傳遞，包括對(duì)潛和對(duì)岸的遠(yuǎn)程水聲傳輸、利用1#從節(jié)點(diǎn)攜帶衛(wèi)星和無線電傳輸、水下固定節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)榷喾N方式。

3）集群智能化探測(cè)與作業(yè)

當(dāng)集群探測(cè)到目標(biāo)后，主節(jié)點(diǎn)發(fā)出決策指令，進(jìn)行抵近偵查與監(jiān)視，情報(bào)收集與跟蹤，水雷布放和排除等任務(wù)，必要時(shí)還可以展開攻擊或進(jìn)行捕獲，任務(wù)完成后將情報(bào)利用多種方式傳輸上網(wǎng)。

4）故障決策

編隊(duì)中，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障無法工作后會(huì)自動(dòng)上浮到水面，然后發(fā)出定位信號(hào)等待回收。如果自動(dòng)上浮失敗沉到海底，主節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)其定位并將位置信息發(fā)送給信息網(wǎng)，然后智能化決策（或接收指令）是否重新編隊(duì)繼續(xù)執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。

5 結(jié) 語

本文提出的一種基于5艘UUV編隊(duì)的集群協(xié)同探測(cè)方案，配置多種傳感器和作業(yè)工具，具備全面的信息獲取能力和特種作業(yè)能力，警戒搜索范圍從幾十米的淺海到幾千米的深海都能夠覆蓋。理論分析表明：基于該方案的波束形成探測(cè)技術(shù)和分布式移動(dòng)探測(cè)技術(shù)，擁有強(qiáng)大的靈活性和自適應(yīng)性，具有較高的定位精度和探測(cè)效率，能夠極大地增強(qiáng)水下的信息探測(cè)和組網(wǎng)能力，有效地保障了水下載人作戰(zhàn)平臺(tái)的安全性，并且可實(shí)現(xiàn)性較高。

在UUV集群協(xié)同探測(cè)數(shù)據(jù)融合過程中，不僅僅需要探測(cè)設(shè)備、定位設(shè)備，數(shù)據(jù)融合軟硬件的技術(shù)的發(fā)展，還需要依靠UUV的能源系統(tǒng)與推進(jìn)、水下遠(yuǎn)距離通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的突破，在發(fā)展水下探測(cè)技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)以及基礎(chǔ)性技術(shù)研發(fā)，比如復(fù)雜海洋環(huán)境建模、海洋“大數(shù)據(jù)”、材料、計(jì)算機(jī)控制等基礎(chǔ)性技術(shù)。

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Research on UUVs cooperative detection and data fusion

ZHOU Hong-kun,GEXi-yun,QIU Zhong-liang,Feng Xue-lei,CHEN Nan-ruo
(State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles,China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)

Principle and characteristic of unmanned underwater vehicles(UUVs)cooperative detection are described in this paper,and the developments and applications status abroad are introduced as well.A master-slave network based scheme for cooperative detection is proposed here,and the detection performances are analyzed according to three different formation patterns,and the data fusion approach integrating detection,navigation and communication is discussed.

UUV；cooperative detection；data fusion

TB566

A

1672–7649(2017)12–0070–06

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.015

2017–03–22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11674075)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016YFC0303700)

周宏坤(1987–)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)槁晠燃八晫?duì)抗系統(tǒng)與設(shè)計(jì)。