基于水聲通信的AUV組網與協同導航

王亭亭,張南南,岳才謙,王奧博,呂 雪

基于水聲通信的AUV組網與協同導航

王亭亭,張南南,岳才謙,王奧博,呂 雪

(中國航天空氣動力技術研究院,北京,100074)

構建穩健的水下通信網絡以提供編隊支撐信息和導航增強信息,是實現多自主水下航行器(AUV)組網編隊的基礎。因此,研究如何在水下通信手段和成熟通信載荷受限的情況下,利用有限資源,構建滿足真實水下環境多AUV編隊需求的通信網絡,對后續開展多AUV協同作業研究具有重要意義。針對當前水下移動組網編隊研究中,由于組網及協同導航工程應用不足,制約了編隊中其他層進一步發展的問題,文中對多AUV網絡通信協議、機制以及協同導航增強的實現進行了研究,設計了一種基于水聲通信的組網與協同導航方案,利用德國Evologics公司的3臺水聲通信機進行網絡構建,并在3臺AUV組成的水下編隊中進行了試驗,驗證了該方案能為AUV編隊提供有效的通信和協同保障。

自主水下航行器; 水聲通信; 組網編隊; 協同導航

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicles,AUV)是一型水下無人無纜式平臺,具有較強的靈活性、機動性和全自主性,可搭載多種載荷以及“察打一體”等特點,是“天-空-潛”一體化跨域協同與集群應用中重要的潛基節點,可承擔偵察、探測、誘餌、震懾和中繼等任務,具有廣闊的發展前景[1-2]。由于海洋環境的特殊性,原本在陸地上傳輸良好的短波、中波和微波等無線電磁波在水下衰減嚴重,幾乎無法傳播; 甚低頻和極低頻通信速率低,且天線過大無法搭載于中小型AUV; 藍綠激光通信目前雖已獲得極高的通信速率,在實驗室環境可達1 Gb/s,但通信距離仍較近,受水質影響大; 其他諸如磁感應通信、量子通信、中微子通信和引力波通信等,仍處于探索階段[3-4]。水聲通信利用聲波在水下的傳播進行信息傳送,是當前實現水下中、遠距離無線通信的唯一工程化手段。然而,目前還沒有一種水聲通信技術或貨架級產品完全滿足AUV編隊集群對通信速率、誤碼率、通信距離以及組網性能的要求[5-9]。通信問題是制約AUV發展的瓶頸之一,尤其是面向集群、協同等編隊應用,通信問題更加明顯[10-11]。突破水下通信手段受限、載荷受限、海洋復雜環境干擾等因素,在有限條件下構建滿足編隊和任務需求的通信網絡,是進行AUV協同編隊與集群研究的基礎,具有重要的意義和工程價值。

針對AUV編隊中的組網問題,國內外開展了大量理論研究,取得較好的仿真效果,但面向工程實際的研究較少。其中,文獻[12]面向2臺AUV組網編隊開展了實際試驗,取得了較好的試驗效果。為更好地滿足水下移動編隊應用需求,文中提出了一種基于水聲通信的組網與協同導航方案,利用德國Evologics公司的3臺水聲通信機,構建了三節點水下移動平臺通信支撐網絡和主從式導航增強系統,并利用3臺AUV進行水下編隊試驗測試。試驗結果證明,該通信網絡能夠傳輸全局任務信息、編隊支撐信息和導航增強信息,為水下移動節點編隊提供有效的通信和協同保障,基本滿足水下編隊的需求。

1 通信網絡與協同系統實現方法

1.1 通信網絡構建

在AUV編隊中,通信網絡主要用于提供節點間的編隊支撐信息,包括任務信息,目標、障礙等態勢信息,必要載荷信息和協同導航信息。編隊成員利用這些支撐信息進行任務規劃、路徑規劃和編隊控制,以保持隊形不散和高效作業。

1.1.1 網絡信息傳輸協議

AUV搭載傳感器獲取的海洋數據包含聲場數據、電場數據、磁場數據、光學圖像或視頻和聲學圖像等,具有多元、異構和大量的特點。遙測數據,岸基指揮站下發的遙控指令,水下平臺之間共享的任務、位置、障礙、目標和態勢等信息的數據量則相對較少。表1列出了編隊網絡中各信息的典型數據量。鑒于水聲通信是半雙工通信,且當前工程化的水聲通信指標僅為50～180kb/s?km,在網絡中傳遞全部信息是不可行的,必須針對不同信息特點進行通信協議和優先級設計。具體如下: 載荷信息幀包長,不需實時交互,僅共享處理結果或關鍵幀; 指令信息幀包短,一旦存在需即時發送,優先級極高,需要極低的通信誤碼率和延遲; 協同導航信息貫穿于編隊始末,需以一定頻率在網絡中共享,但偶爾中斷或誤碼有限幀不會對整個編隊造成影響。

表1 編隊網絡中各信息的數據量

1) 協議幀設計

為綜合通信帶寬利用率和組解包復雜度,協議幀設定為非定長幀,通過標志位確定幀類型。采用CRC16進行校驗。協議共分為3種: 指令協議、協同導航協議和載荷協議。

2) 幀優先級設計

設定指令協議優先級>協同導航協議優先級>載荷協議優先級。

1.1.2 網絡信息傳輸機制

文中設計針對3個水下移動節點的網絡信息傳輸系統。考慮到水聲通信機的半雙工特點,在保證數據可雙向傳輸的情況下,提高整個網絡數據吞吐效率,采用集中式拓撲結構構建水下通信定位網絡,由主節點負責統籌與2個從節點之間的信息交換,圖1所示。

圖1 系統組成

主節點通信決策過程如下。

1) 主節點切換到設備指令模式,改變遠端地址,將鏈路切換到對從1節點通信,進入數據模式。利用A線發送協同導航信息,并接受來自a線的從1節點信息。

2) 主節點切換到設備指令模式,改變遠端地址,將鏈路切換到對從2節點通信,進入數據模式。利用B線發送協同導航信息,并接受來自b線的從2節點信息。

3) 當出現廣播式任務指令和障礙信息時,先在當前鏈路高優先級發布,再切換鏈路做高優先級發布。全部發送確實成功后,在當前鏈路繼續(返回步驟1)或2))。

4) 當出現針對性指令時,如處于正確鏈路,直接高優先級發送;否則,切換鏈路做高優先級發送。全部發送確實成功后,在當前鏈路繼續(返回步驟1)或2))。

5) 當需交互A/a線大數據量載荷信息時,暫時阻塞B/b線。結束后返回步驟2)繼續。

6) 當需交互B/b線大數據量載荷信息時,暫時阻塞B/b線。結束后返回步驟2)繼續。

從節點通信決策過程如下。

1) 從節點初始狀態為監聽模式,為減少電量損耗,不發送任務數據。

2) 當收到主節點信息時,表明主從通信鏈路建立,開始發送信息,完成發送后進入監聽模式。

1.2 協同導航增強

水下移動節點在進行協同導航時,一般攜帶水聲測距裝置或超短基線(ultra-short baseline,USBL)水聲定位系統,通過距離或位置共享,降低導航系統的導航誤差。在主從式協同導航中,主節點裝備高精度設備,從節點裝備低精度設備,從節點通過獲得與主節點的位置關系提高自身導航精度,并通過水聲通信確定自身在系統中的位置。主從式兼顧了導航精度和成本,是水下協同定位導航研究的主要方向之一,尤其在子編隊群中優勢明顯。

在此采用USBL裝置獲得主從節點間的相對位置。USBL定位原理如圖2所示。

圖2 超短基線水聲定位系統原理圖

主節點搭載帶USBL功能的水聲通信機,從節點搭載僅具有通信功能的水聲通信機。USBL給出的是從節點相對于主節點,在USBL體坐標系下的相對位置信息(X,Y,Z),因此需要經過坐標轉換,獲得增強的從節點位置[13]。

圖3 導航增強位置解算

2 系統設計與半物理仿真測試

1) 硬件設計

采用德國EvoLogics公司的1臺S2C R48/78 USBL和2臺S2C M48/78水聲通信機搭建水聲通信網絡,如圖4所示。該通信機依托掃頻-擴頻載波(sweep-spread carrier,S2C)調制技術,實現了定位-通信深組合。定位天線和調制解調器除了共用1套電子電路,還共用相同信號來實現信息傳輸和位置估計,從而實現在連續定位的同時還能進行數據傳輸,保證了定位和控制的實時性[14-16]。該通信機的具體性能指標如表2所示。

圖4 S2C R48/78 USBL和S2C M48/78水聲通信機

主節點選用S2C R48/78 USBL,從節點選用S2C M48/78,3臺設備采用組網載波,其他初始化設置如下: S2CR 48/78 USBL為數據模式,本地地址1,遠端地址為2; S2CR 48/78-1為數據模式,本地地址為2,遠端地址為1; S2CR 48/78-2為數據模式,本地地址為3,遠端地址為1。采用RS232串口通信,屬性值為19200-8-N-1。

表2 USBL通信機性能指標

2) 軟件設計

網絡通信與導航增強程序采用C++編程并在Linux系統上運行,采用Intel?Atom? E3800嵌入式中央處理器(central processing unit,CPU)模塊(四核1.91GHz),應用多線程編程機制保證各子任務并行執行。

3) 半物理仿真測試

在水池環境利用3臺通信機進行無移動下的通信測試,如圖5所示。3個子程序demo1、demo2、demo3分別模擬主節點、從1節點和從2節點。導航增強信息占15個字節。打印“ssss”設定為收到組網支撐信息的標識,“dwBytesReadUSBL:15”設定為成功收到導航增強信息的標識。從圖中可以看出,demo2、demo3均能穩定接收到demo1發來的導航增強信息和用于編隊的支撐信息。

3 AUV搭載試驗

采用3臺AUV搭載文中設計的組網通信與協同導航系統進行試驗,航行器巡航速度最大不超過4 kn,主節點攜帶2個水聲通信機分別實現對無人水面艇(unmanned surface vessel,USV)的通信和水下3臺航行器的組網通信以及導航增強,水面利用USV中繼實現岸基操作人員對水下編隊的監控,如圖6所示。

1) 節點入網時間測試

斷開水下某節點的水聲設備,模擬節點離網,重新上電,記錄當前時刻為1,收到友軍(另外2臺AUV)節點的信息后記錄時刻為2,以時間差?=2-1估計節點入網時間,如表3所示,平均入網時間12 s。

2) 編隊下的數據交互測試

選取3臺AUV的編隊數據進行分析,如圖7所示。在此段軌跡中,主AUV根據預編程任務要求需改變軌跡,且此時3臺AUV需由10 m間距“一”字型調整到30 m間距“一”字型。當主AUV變軌跡時,會自主將新的全局任務信息下發給從AUV。該全局任務信息能夠使從AUV的任務系統在網絡通信質量差時,仍能進行有效的目標位置預測,從而提升通信網絡再建立的可能性。圖7中,“ο”表示從節點收到的主節點的位置信息,根據該位置信息和隊形要求,從節點估計自身目的位置并進行位置調整,盡量保證編隊不散; “*”表示主節點對從節點的導航增強信息,利用該信息,從節點校正自身導航數據,實現更精準的導航; “☆”代表主AUV發出新的全局任務信息時所處的位置; “□”表示從AUV2收到新的全局任務信息時所處的位置; “△”表示從AUV3收到新的全局任務信息時所處的位置。

圖6 基于AUV平臺的測試系統組成

表3 節點入網時間

從圖7可以看出,航行過程中,導航增強信息、編隊支撐信息和全局任務信息均實現了成功收發。但數據成功收發的離散度大且不規律,顯示了運動實況下網絡質量比靜態時有所降低。

圖8和圖9顯示了從節點AUV2和AUV3與主節點AUV1的位置偏差和編隊目標位置偏差。

圖7 AUV編隊軌跡圖

從整個過程中偏差的變化趨勢可以看出,3個編隊節點在編隊間距上的控制較好,在北向距離跟隨上的控制有較大波動,但存在恢復趨勢。以上表明文中所構建的組網通信與協同導航方案能基本滿足三節點水下實況移動編隊需求。

圖8 從AUV2誤差圖

圖9 從AUV3誤差圖

4 結束語

文中開展了基于水聲通信的水下AUV組網通信協議、通信機制以及協同導航增強相關技術研究,利用3臺Evologics水聲通信機和3臺AUV構建了組網通信與協同導航演示系統,通過AUV水下編隊變隊形試驗,驗證了所提方法能為水下編隊提供有效的通信和協同導航支撐。下一步將針對復雜編隊路徑和復雜協同任務開展實驗研究,從而使3臺水下航行器組成的編隊單元能執行具有實際意義的協同任務。

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AUV Networking and Cooperative Navigation Based on Underwater Acoustic Communication

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(China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

Constructing a robust underwater communication network to provide information related to formation support and navigation enhancement is the main objective of multi-autonomous undersea vehicle(AUV) formations. As a result,the allocation of limited resources to build a communication network that fulfills the requirements of multi-AUV formations in the actual environment,while considering limited underwater communication means and mature communication loads,is important for the research on multi-AUV cooperative operations. The application of networking and collaborative navigation engineering is insufficient in existing research on underwater mobile network formation,restricting the development in other layers. The multi-AUV network communication protocols,mechanisms,and enhanced implementation of cooperative navigation are therefore investigated in this study. A networking and coordination navigation scheme based on underwater acoustics communication is designed. This network is composed of three underwater acoustic communicators from Evologics,Germany. Experiments are thereafter conducted in an underwater formation composed of three AUVs. The results indicate that the communication network can provide effective communication and cooperation guarantee for the AUV formation.

autonomous undersea vehicle; underwater acoustic communication; network collaboration

TB567; U674.941

A

2096-3920(2021)04-0400-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.005

王亭亭,張南南,岳才謙,等. 基于水聲通信的AUV組網與協同導航[J]. 水下無人系統學報,2021,29(4): 400-406.

2020-11-04;

2020-12-04.

國家自然科學基金(11872348).

王亭亭(1992-),女,碩士,工程師,主要從事無人系統導航制導與控制相關技術研究.

(責任編輯: 許 妍)