異構滑翔器水聲通信技術研究現狀和發展趨勢

田德艷，張小川，2，*，鄒司宸，孫芹東，2，張文清，2

（1. 青島海洋科技中心，山東 青島 266237；2. 海軍潛艇學院，山東 青島 266199）

0 引言

隨著海洋資源的開發和利用，海洋監測平臺如水下滑翔器、波浪能滑翔器、浮標、潛標等重要的水下無人平臺，可搭載各種傳感器和科考設備，被廣泛應用于海洋環境監測、水下組網、軍事偵察等領域。水下滑翔器[1-3]依靠調節浮力實現升沉，借助水動力實現水中滑翔，可動態實現海洋大范圍、全海深的立體觀測。與傳統的水下航行器相比，水下滑翔器具有優越的機動性、可控性，兼具小成本、低能耗、長航時和對母船的依靠性小等優點。水面波浪能滑翔器[4-6]是一種依靠波浪能驅動的水面無人自主觀測平臺，輔以太陽能充電結構，可長期、自主地執行海洋水文環境監測、通信中繼等任務。

單一滑翔器搭載傳感器的類型和數量較少，觀探測能力有限，難以滿足海洋任務多樣性需求。以水下滑翔器為例，其運動速度慢，運動形式單一，運動軌跡易受海洋洋流、內波的影響。當水下滑翔器搭載聲學傳感器在水下執行探測任務期間，需要上浮至水面，經衛星通信與岸基指揮中心進行數據交互。現有通信方式難以實現水下探測數據的及時報送，甚至會因為上浮而中斷執行任務，丟失跟蹤目標[7]。

水聲通信技術[8-13]是海洋中進行無線信息傳輸的重要有效手段，水聲通信技術可將水下滑翔器全海深隱蔽觀探測與波浪能滑翔器能源充足的優勢相結合，構成以波浪能滑翔器為領導的異構體滑翔器編隊體系結構，實現異構體滑翔器編隊成員之間信息的高可靠性交互，建立一條水下–水面–空中–岸基信息傳送的完整數據鏈路，避免水下滑翔器頻繁上浮而中斷任務。同時，以波浪能滑翔器為通信中繼的異構體滑翔器集群具有更加靈活的探測策略，水下滑翔器可快速將觀探測信息通過水聲通信上傳至通信中繼，由波浪能滑翔器上傳至岸基指揮中心，并下達至編隊各成員，進行觀探測策略的調整和隊形的優化，該體系結構擴展了異構體滑翔器的作用范圍和觀探測能力，大幅提升綜合觀探測效能。

為明晰異構體滑翔器水聲通信技術研究現狀，本文將對以下幾方面進行梳理概括：

1）水聲通信技術和水聲通信設備國內外研究現狀；

2）異構體滑翔器水聲通信技術研究與應用國內外現狀；

3）異構體滑翔器水聲通信技術難點；

4）異構體滑翔器水聲通信技術研究趨勢。

1 水聲通信技術

相較于無線電通信，水聲信道的復雜性使得水聲信道在通信速率、通信距離和通信穩定性方面受到極大限制。在通信體制上，水聲通信從最早的抑制載波的單邊帶幅度調制體制，發展出跳頻擴展、直接序列擴頻、多頻移鍵控以及Chirp 調制等低速率的通信體制[14]。MILICA STOJANOVIC 提出的二階鎖相環信道跟蹤與自適應反饋均衡技術相結合的單載波通信體制，是水聲通信從低速率發展到高速率的里程碑，而后發展起來的多載波通信體制是現在高速水聲通信的主要研究熱點。

多載波通信的基本原理[15]是將高速率串行的信息數據調制到若干個并行獨立的子載波上同時傳輸，接收端按照相干或非相干方式對發射的子載波進行解調，然后進行并串轉換獲得原始高速數據流，并通過增加碼元的長度來克服載波間干擾和頻率選擇性衰落。國內外學者對多載波技術的研究方向主要包括：正交頻分復用（OFDM）技術、MFSK和多載波正交結合技術、多載波擴頻技術和多載波調頻技術。

1.1 OFDM 技術

OFDM 是一種多載波技術，相較于其他調制方法，OFDM 有比較明顯的優勢所在。1）子載波頻譜正交，將所傳數據均勻的分配到數據速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸，有效提高了系統的頻帶利用率和傳輸速率。2）通過增加每個子信道中的符號周期，可有效適應頻率選擇性衰落。3）在符號之間插入循環前綴作為保護間隔，最大程度上消除由多徑引起的符號間干擾。4）在頻域上完成信道的估計與均衡，避免復雜時域均衡器的使用，并可以利用FFT/IFFT 完成調制與解調，方便工程實現。

同時，OFDM 的缺點也很明顯。1）對相位噪聲和載波頻偏非常敏感。載波頻偏會破壞子載波間的正交性，引起子載波間干擾；相位噪聲會導致碼元星座點的旋轉、擴散，形成碼間干擾。2）由于數據符號疊加在很多子載波上，若子載波同方向累加，OFDM 波形會有較大的峰均比（PAPR）。3）負載算法和自適應調制技術會增加系統復雜性，增加工程實現的難度。

國內外學者也對OFDM 調制技術做了深入的研究和應用。徐曉卡研究了基于OFDM 的淺海高速水聲通信關鍵技術，包括信道估計與均衡、抗多普勒技術、峰均功率比、空間分集技術、時反OFDM[16]。馬璐[17]開展多用戶OFDM 水聲通信技術研究，對多用戶信道估計、多用戶異步接入等方面深入研究。美國康涅狄格大學（UCONN）水下傳感器網絡（UWSN）實驗室對OFDM 水聲通信調制技術深耕數年，取得不錯的研究成果 。值得一提的是，周勝利研究員將OFDM 水聲通信技術的研究成果展開詳細深入的論述并著書，為后繼學者提供理論依據。

1.2 多載波MFSK 技術

多載波MFSK 是將MFSK 調制與多載波正交技術相結合的調制方式。該調制方式兼顧了MFSK穩健性的同時，有效提高系統通信速率以及多途的能力，也避免了OFDM 通信體制對載波相位敏感的問題。多載波MFSK 在接收端可采用非相干解調方式，不需要載波同步，不需要信道估計，易于工程實現。常用的非相干解調方式有：鑒頻法、差分檢波法、動態濾波法、零交點法等。

國內外學者在多載波MFSK 調制技術方面也取得一定成果。RAJNISH SINHA 等人研究了基于多載波的MFSK 擴頻多址方案，仿真結果表明多載波 MFSK 具有良好的頻率分集特性。德國MATTHIAS WETZ 等人針對時變無線電信道中相干通信信道估計失效的情況，提出OFDM-MFSK通信體制，避免時變信道估計，提高系統穩定性。哈爾濱工程大學、浙江大學、廈門大學、西北工業大學等均有團隊研究多載波 MFSK 水聲通信技術并完成系統實現[18-19]。

1.3 水聲通信設備現狀

隨著水聲通信技術的發展，水聲通信設備經過幾十年的更迭，國內外已有多家研究機構和公司推出不同系列的水聲通信設備，如表1 所示。從這些通信機所采用的通信體制來看，多以穩健的MFSK和擴頻為主，低速單載波PSK 和高速OFDM 為輔，工作頻段由低頻到中高頻，工作距離遠近不等，尺寸各異[15]。

表1 國內外典型小型水聲通信設備主要參數指標Table 1 Main parameters and indexes of small typical underwater acoustic communication equipment

水聲通信設備的發展，也加速推動了人們對海洋的觀探測進程。將水聲通信設備搭載集成在海洋觀探測設備上，拓展了海洋觀探測的范圍和距離，增進了人們對海洋的認知。相較于大型的海洋觀探測設備來說，在小微移動平臺上搭載集成水聲通信設備還存在很多約束和限制，尤其是空間和能量受限的滑翔器。

2 異構體滑翔器水聲通信技術

近年來，基于水下滑翔器和水面波浪能滑翔器等水下無人平臺進行海洋觀探測的研究成果日益增多，下面將分別介紹國外、國內異構體滑翔器水聲通信技術發展現狀。

2.1 國外異構體滑翔器水聲通信技術發展現狀

美國海軍研究院的海網計劃Seaweb，在加利福尼亞蒙特利灣進行水下無人航行器試驗，采用telesonar 調制解調器實現對潛器的水下導航、定位和追蹤，將SLOCUM 水下滑翔器作為水下移動節點，并與布置在海底的傳感器節點、水面艦艇、空中飛機和銥星等構成信息采集網，首次實現跨介質網絡通信[20-21]。MARQUES 等人[22]從聲通機的軟、硬件框架著手，研制小型化水聲通信機，搭建航行器的控制框架，制定控制指令和協議，利用水聲通信建立起AUV 與水面航行器Neptus 之間的通信連接，構成多AUV 聯合的或AUV 與Neptus 混合的移動水聲通信網絡。BINGHAM 等人[23]使用波浪能滑翔器搭載主被動聲學探測和定位設備，進行海洋環境、海洋生物以及水下潛器的觀探測和定位；此外，波浪能滑翔器還作為主動聲學網關，在科學、工業和軍事領域中發揮導航參考和通信中繼的重要作用，最明顯的應用是波浪能滑翔器代替固定的無線浮標連接海底聲學數據和衛星遙測。CHEN 等人[24]提出基于水聲通信的編隊和轉向算法，使用伍茲霍爾海洋研究所的低功耗小型水聲調制解調器（在3 kHz～30 kHz 的4 個不同頻段以FH-FSK、PSK調制方式），可傳輸4 種不同速率的數據包，應用于多水下自主航行器集群中，保障各航行器之間互相通信和協調。BUSQUETS- MATAIX 等人[25]將聲和激光調制解調器集成在水下滑翔器上，使其成為具備聲通信和光通信的混合滑翔器。北約海上研究和試驗中心（CMRE）STO[26]在La Spezia 灣開展CommsNet17 試驗，部署了11 個AUV 節點組成的持久性傳感器網絡（UASN），可自主實現分布式網絡節點配置、節點定位和導航、支持分配任務的網絡拓撲自調整、水下對接、無線電池充電和數據卸載，該試驗證明了ad-hoc USAN 的有效應用。意大利CMRE 團隊[27-32]，經歷近60 年的海上工程試驗，現已取得輝煌成就，涉獵水下聲學、海洋學、電子學、機械和海洋工程，以及現在炙手可熱的無人系統領域。2018 年開展的合作反潛項目（CASW），將研究被動聲學新領域，在水下滑翔器上集成一個聲學矢量傳感器，可對3 Hz～3 kHz的目標進行探測；同時也配備一個聲學調制解調器，能夠與母船或網關部署的超短基線（USBL）通信，通過USBL 控制站可獲得水下滑翔器的位置。

2.2 國內異構體滑翔器水聲通信技術發展現狀

相較于國外異構體滑翔器水聲通信技術來說，國內在這方面起步晚，研究成果相對少些。

哈爾濱工程大學的蘭華林[33]等人將波浪能滑翔器作為水下物聯網的節點進行聲學觀測，提出多波浪能滑翔器節點聲學定位算法，通過仿真和海試驗證了波浪能滑翔器聲學觀測的可行性。青島海洋國家實驗室聯合天津大學、中國海洋大學和聲學所，在水下滑翔器和波浪能滑翔器上搭載集成水聲通信和定位設備，在中國青島近海、南中國海分別進行了試驗驗證，真正意義上的首次實現了異構體滑翔器在水下–水面–空基–岸基跨介質通信，取得不錯的成果。

3 異構體滑翔器水聲通信技術難點

在實際應用中，異構體滑翔器協同執行任務多樣，面臨的環境復雜多變，異構體滑翔器想要真正實現高可靠實時的互聯互通，仍然有諸多技術難點和挑戰亟待解決。

3.1 水聲通信技術難點

3.1.1 水聲通信信道的復雜多變

水聲通信最大的難點在于水聲信道的復雜時–空–頻變特性[34]。水聲信道是可用帶寬窄、傳播速度慢的時延、多普勒頻移雙擴散信道。在水聲通信過程中，聲波從發射端經過水聲信道，這其中經歷了海水吸收、折射和散射衰減，海底和海面反射，強多途干擾，以及海洋中各種噪聲的干擾，到達接收端，已經變得面目全非。

對于異構體滑翔器的水聲通信，由于異構體滑翔器間存在相對運動，集成在滑翔器上的水聲通信機發射端和接收端也做相對運動，再加上波浪、湍流、潮汐等海洋變化，導致接收信號頻率發生變化，產生嚴重的多普勒頻移，引起時間選擇性衰落，時域信號包絡的某些時刻被增強而某些時刻被削弱。

此外，水下滑翔器平臺噪聲、波浪能滑翔器水下牽引機運動噪聲以及電噪聲干擾等，都會導致水聲通信接收端信噪比低，不利于水聲通信接收端的檢測和解調。這些都對異構體滑翔器之間的高可靠穩健通信帶來難度和挑戰。

3.1.2 水聲通信機遠距離、小型化的需求

水下滑翔器和波浪能滑翔器均為尺寸空間有限的小微移動平臺，這就要求搭載的水聲通信機在不降低通信距離前提下，實現小型化特性。

水聲通信機硬件部分包括水聲信號處理機、水聲換能器2 部分。水聲通信機通信頻帶為中頻帶2 kHz ～50 kHz，該頻帶的換能器多為圓環換能器、縱向換能器、球型換能器。換能器的尺寸與通信頻段有關，也影響著通信可通距離。在中頻帶內，一般通信頻段越高，換能器直徑越小，但通信距離也越近。因此，水聲通信機的通信距離和換能器尺寸是2 個相互約束制衡的因素。水聲信號處理機一般集成于平臺的密封艙里，密封艙除了平臺自身的控制處理器還要集成其他載荷的處理機，因此也要求信號處理機在滿足通信指標的前提下，盡量小型化。

深圳智慧海洋崔軍紅教授團隊、中科院聲學所朱敏團隊和哈爾濱工程大學喬鋼教授團隊均設計研制出性能尺寸不一的圓柱型、長方型水聲信號處理機以適配不同平臺的集成搭載[35]。但目前來看，搭載集成于滑翔器上的水聲通信機還在研究和試驗中，沒有廣泛的工程應用。

3.1.3 水聲通信機高處理、低功耗的需求

水下滑翔器和波浪能滑翔器均屬于供電受限的移動平臺，進行水聲通信機電路系統設計時，在滿足高性能處理能力前提下，也對低功耗特性提出了要求。

王旭[36]針對通信物理層對計算能力的要求和一般的低功耗器件無法滿足的矛盾，提出雙處理平臺：低功耗、低處理能力的休眠值守單元與較高功耗、高處理能力的以TMS320C5505 為核心處理器的信號處理單元。系統處于接收狀態時，信號處理單元處于關閉狀態，休眠值守單元負責檢測是否有喚醒信號到達，如果有則啟動信號處理單元完成對信息的解析。中科院聲學研究所朱彤[37]等人提出一種基于MSP430 單片機的低功耗值班電路設計，利用頻譜分析來判決喚醒信號，并通過仿真和千島湖試驗，驗證了算法的有效性。相較于利用信號能量與門限關系的判定方法，具有抗干擾能力強、可靠性高、喚醒率高等優勢。還有研究團隊為滿足計算量和實時性的要求，在系統設計過程中選用數字信號處理芯片作為處理器，采用直接軟件編寫方式進行系統控制，簡化電路設計。在系統電路尺寸沒有明顯增提高額前提下，采用發射機并聯設計，實現多個D 類功率放大器并聯輸出結構，提高發射功率，通過在聲學系統中增加喚醒電路設計，采用監聽+喚醒工作模式，實現聲通機待機低功耗。

追求高性能、低功耗是異構體滑翔器工程應用中的難點和重點，還需要持續的關注和研究。

3.2 異構體滑翔器編隊控制難點

針對通信受限欠驅動多耦合強干擾條件下的編隊控制策略研究，一直是控制學科研究的難點。以波浪能滑翔器為領導的水下滑翔器編隊結構中，波浪能滑翔器與水下滑翔器平臺的驅動模式和運動規律大不相同，如何實現2 類滑翔器的編隊構型保持穩定，以及設計可靠魯棒的編隊協同控制策略，對于異構體滑翔器集群應用來說是個難點和挑戰。

3.2.1 異構體滑翔器編隊控制技術

在實際海洋任務中，隨時可能出現環境變化、任務目標變化等突發情況，需要異構體滑翔器編隊具備自主優化的控制能力，能夠根據海洋環境、任務需求、運動約束、通信約束等多時空約束，快速響應外界環境變化，實時任務調整和重規劃。

傳統的編隊控制方法需要滑翔器平臺和擾動的精確模型來設計控制率。但實際應用中，滑翔器平臺和擾動通常具有時變、非線性等特點，再加上傳感器誤差和環境擾動等不確定因素，很難得到好的控制效果。新發展起來的方法有人工勢場法、虛擬結構法和基于強化學習的編隊控制法等[38]。張文清根據不同海況不同海流的通信受限約束條件，分析了編隊控制系統的穩定性，給出多約束條件下的穩定條件和失穩邊界，設計了一種穩定魯棒的異構體編隊協同控制方法，并進行了控制策略優化。但目前也是在理論和試驗研究中，與工程應用還有些差距。

3.2.2 異構體滑翔器編隊穩定性技術

天津大學的薛冬陽[39]針對滑翔器編隊協調控制以及編隊任務過程中的穩定性問題展開討論研究，提出一種基于多體力學分析方法的多層級運動協調控制結構和一種降低能耗的混合驅動滑翔器運動優化控制策略。并針對滑翔器編隊穩定性問題，提出一種基于統計學分析的滑翔器編隊不確定分析方法。李學成[40]等人對異構體滑翔器在不同通信概率下編隊構型的穩定性進行了分析，根據領導者與跟隨者策略建立了海洋滑翔器編隊構型，并給予復雜網絡理論，提出了一種適用于異構編隊系統的穩定性評估方法。

4 異構體滑翔器水聲通信技術研究趨勢

4.1 仿生技術

4.1.1 仿生編碼調制技術

隨著異構體滑翔器的發展和應用，水聲通信的安全性問題也將是異構體滑翔器編隊發展的重要方面。尤其在海洋的觀探測任務中，需要傳輸敏感性水聲數據信息時，涉及到國防安全，這就對異構體滑翔器水聲通信的安全性和保密性提出了更高要求。

隱蔽仿生水聲通信是通過采用海洋生物叫聲作為通信載波，降低通信信號發現概率的一種隱蔽水聲通信。相較于傳統通過降低通信信噪比的隱蔽通信方法，仿生水聲通信的通信性能更優。仿生通信調制方式主要分為2 大類，一種是基于原始的生物叫聲，利用各種編碼技術將信息調制到叫聲類別與時間位置上；另一種是利用原始生物叫聲高度相似的人工合成模擬叫聲作為通信載波，基于叫聲的參數模型或數字水印嵌入技術，將信息調制到模擬叫聲的時頻參數上，以此實現仿生通信。

國內外學者在仿生水聲通信方向的研究取得了不錯的成果。哈爾濱工程大學的喬鋼團隊在仿生水聲通信方向深耕數年，其中馬天龍博士[41]研究了基于頻移鍵控的仿海豚哨聲水聲通信，通過模擬海豚哨聲以降低通信信號被發現的概率，從而實現仿生隱蔽通信。仿真和海試驗證了該方法的可行性。浙江大學的賈淤青[42]研究了仿鯨目生物叫聲的偽裝水聲通信，并從時域和頻域角度入手研究，提出3 種隱蔽仿生通信方法，改進的Sage-Husa 自適應卡爾曼濾波時頻輪廓平滑算法、基于哨聲信號分段時頻輪廓仿生通信方法以及一種哨聲信號掩蓋下基于切比雪夫混沌信號的仿生隱蔽通信方法，仿真和試驗均取得一定效果。

仿生隱蔽水聲通信在帶來安全性通信的同時，也導致通信速率的下降，難以應對一些通信速率高、通信安全性高的場景需求。目前來看，異構體滑翔器的仿生隱蔽通信發展還不夠成熟，是將來異構體滑翔器水聲通信發展的一個難點和熱點。

4.1.2 仿生滑翔器技術

隨著仿生材料、仿生結構、仿生控制和生物信息智能感知等領域的發展和應用，國內外學者進行了水下滑翔器和波浪能滑翔器的仿生技術研究，取得了一定研究成果。

天津大學的沈新蕊[1]介紹了國內外滑翔機融合仿生技術的研究進展。其中，德國 EvoLogics 公司采用智能設計，按照鰩魚進行仿生設計，研制出一款仿生滑翔器Sub Seaglider。北京航空航天大學等多家科研單位根據魚類運動肌群和流體外形的運動原理，進行了大量的滑翔機仿生研究，梳理了國內外仿生滑翔器的發展現狀，并提出未來發展趨勢[43]。西北工業大學朱崎峰等[44]根據滑翔機運動原理設計了一種仿海龜撲翼滑翔機，打破了傳統滑翔機的外形設計。針對傳統滑翔機機動性較弱問題，馬崢等[45]通過引入仿生推進設計技術，借助水平翼運動增加滑翔機的前進速度，該研究也為未來仿生滑翔機的研制提供技術依據和理論指導。李永成[46]在傳統水下滑翔器設計基礎上加上仿生推進的設計理念，借助機翼運動來增加滑翔機器的滑翔速度，從而解決傳統水下滑翔器易“隨波逐流”的問題。吳俊飛[47]等人參考海龜水中姿態和前肢外形，設計了一種新型仿生波浪滑翔器水翼，并通過ANSYS CFX 模擬分析，驗證了仿生水翼的推進性能。

將仿生技術融合到異構體滑翔器上，是異構體滑翔器走向智能化的過渡環節，有助于異構體滑翔器更高效、智能地完成各種復雜任務。

4.2 人工智能技術

近年來，人工智能技術在教育、醫療、決策和智能感知等各領域快速發展，已經取得了不錯的應用成果。為突破異構體滑翔器水聲通信所面臨的傳統技術瓶頸，結合人工智能技術，從水聲通信和異構體滑翔器兩方面拓展新思路。

4.2.1 水聲通信方面

在水聲通信領域應用人工智能技術，主要思路是結合水聲信道窄帶寬、大時延、強多途、高噪聲的水聲固有物理特性和不同海域信道沖激響應的差異性，根據通信指標要求，在發射端自適應切換最優調制方式，在接收端自適應匹配最佳信道參數。

1）時變信道的自適應調制。

針對海洋水聲信道時空頻變特性和海底的差異性對水聲通信的巨大影響，利用人工智能算法（如強化學習Q-learning、神經網絡等），自主切換調制方式和調制參數，實現基于深度學習的自適應編碼，從而保證在不同水域環境下水聲通信的成功率和可靠性。

2）水聲信道的估計均衡。

國內外學者提出基于人工智能技術的信道估計與均方法。針對不同的海洋信道環境，自適應匹配最佳信道參數；基于粒子群算法的自適應決策反饋均衡器的運用；基于深度神經網絡的信道估計器；基于向量機的水聲信道盲均衡算法等。

4.2.2 異構體滑翔器方面

1）航跡規劃。

隨著異構體滑翔器集群技術的研究和應用的推進，對滑翔器集群控制性能提出更高要求。針對不同編隊任務需求，在通信受限以及環境受限的條件下，結合深度學習技術，以異構體滑翔器編隊效能最大為輸出結果，功耗最小為代價函數，自適應匹配最優航跡規劃。

2）能源分配。

異構體滑翔器執行任務，需要搭載不同任務載荷。如何以高效、節能的方式對任務載荷分配能源，將是異構體滑翔器編隊未來發展的關鍵。結合深度學習技術，針對不同任務、不同載荷工作的需求，自適應分配能源，自主控制不同載荷的工作與休眠。

3）參量調節。

發展滑翔器人工智能技術，并結合流體力學和機械結構理論，優化滑翔器結構、性能及各種控制參量，可實現基于海洋環境的準實時智能感知，有助于增強其在各種復雜海洋環境和任務突變情況下的自主運行能力和智能調節能力。

4）故障診斷（數字孿生）。

結合人工智能技術，可實現對滑翔器平臺的實時故障診斷，避免傳統故障診斷方式帶來的延遲滯后性。西北工業大學梁慶衛等人結合人工智能、機器學習技術，采用數字孿生方法，在信息化平臺建立數字化模擬，對集成物理反饋的數據進行分析，在虛擬空間中實現映射，反應實體系統的生命周期過程，提高故障診斷效率[48]。

4.3 水下能源補給技術

水下能源補給技術是異構體滑翔器海洋觀探測的關鍵技術，也是其發展與應用的“瓶頸”。水下滑翔器大多自身攜帶蓄電池，有限的電池能量除自身供給外，還要給搭載載荷及其數據處理分析系統供能，且需要上浮或打撈進行充電或更換電池組，這會導致異構體滑翔器自持力、續航力和任務執行能力受到制約。

國內外專家針對水下滑翔器的能源補給問題展開研究。一方面充分利用海洋中的巨大能源，除波浪能外還有潮汐能、海流能、海洋溫差能等多種形式，突破異構體滑翔器海洋自供能關鍵技術。另一方面，國內外研究團隊著手研發水下充電站、水下接駁塢、水下無線充電等技術，當異構體滑翔器監測到能源報警后，即刻尋找最近充電裝置，進行能量補給，在能量恢復后，再返回編隊中繼續執行任務。

中國船舶七一〇所的曹紅梅[49]詳細梳理了國外無人潛航器能源技術發展現狀，常用能源技術的優缺點以及最新技術進展，并探討了能源技術發展趨勢。其中，美國巴特爾（Battelle）公司2014 年已研發出“水下母港”（Oceanhub）樣機，利用“金槍魚”– 12 UUV 完成了海試。利用該樣機，UUV 可自主導航并停泊，使用感應線圈實現電力傳輸，無需金屬間的直接接觸。“水下母港”充電功率為1.7 kW，效率可達90%，UUV 充電時間為 4～6 h[50]。美國 2015 年啟動的創新性海軍項目，設想在3 000 m 海底布設一定數量能源補給點，延綿數百千米，壽命超過20 年。UUV 執行任務時，可在補給點補充能源并中轉數據，保障了水下長航時、遠航程作業。

相比較來說，國內在海洋能源供能和水下無線充電站方面與國外存在很大的差距，在這方面還需要持續的深入研究。

4.4 安全布放回收技術

目前，美國已實現在自主海洋采集網絡中通過固定的水下回收器收集水下無人平臺的數據并對其補充能量。意大利北約海上研究和試驗中心（CMRE）[51]研究了一種帶有傳感器的AUV 捕捉器，能夠精準檢測對準AUV，結合其配套的控制軟件，還可自動鎖定/解鎖AUV 和電池充電器接合/分離。

目前，國內水下滑翔器的布放回收大多采用吊繩和回收船；波浪能滑翔器由于其分體結構，水面船和水下牽引機，中間由7 m 鎧裝纜相連，一般采用作業船上的龍門吊來布放回收。異構體滑翔器搭載多種傳感器載荷，其外形結構發生變化，更增加其布放回收的難度。異構體滑翔器的安全快速布放回收，是異構體滑翔器穩健高效執行任務的前提和基礎。為異構體滑翔器配備專業的甲板控制終端，提供任務調度、數據管理、通信組網、維修保養、成果展示等方面支撐，并配備安全可靠的布放回收設備和軟件系統，是異構體滑翔器編隊協同發展和廣泛應用的必然之舉。

5 結束語

異構體滑翔器的體系結構借助水聲通信技術，將水下滑翔器全海深隱蔽觀探測和波浪能滑翔器能源充足的優勢相結合，構建了跨介質信息鏈路，拓展了滑翔器的作用范圍和觀探測能力。本文簡要綜述了水聲通信技術的研究現狀，異構體滑翔器水聲通信技術研究與應用國內外現狀，探討了異構體滑翔器水聲通信技術難點和未來研究趨勢。同國外先進水平相比，我國雖然在異構體滑翔器和水聲通信機研制領域有了長足進步，但在人工智能、能源補給以及安全布放回收等方面仍存在較大差距，這也是需要我們持續關注和研究的關鍵點。本文對異構體滑翔器水聲通信和組網的研究與應用具有指導參考意義。