異構無人潛水器水聲通信技術發展綜述

童峰, 周躍海, 陳東升, 李姜輝, 張小康

(1.廈門大學 海洋與地球學院, 福建 廈門 361005; 2.廈門大學 導航與位置服務技術國家地方聯合工程研究中心, 福建 廈門 361005; 3.廈門大學 近海海洋環境科學國家重點實驗室, 福建 廈門 361005)

隨著海洋資源勘探、環境監測、油氣開發、國防安全與權益維護等各領域對海洋信息獲取、傳輸的需求迅速增加,海洋信息技術成為推進海洋強國建設的重要支撐[1-6]。作為快速發展的水下移動平臺,各類無人潛水器因其機動靈活、可搭載多種功能載荷,如海洋要素傳感器、側掃聲吶、定位基陣、高分辨率相機、聲學傳感器、水流剖面儀、采樣器等,且能適應復雜水下環境,因而在多樣化海洋任務中得到了廣泛應用[2]。

以自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)、水下滑翔機(underwater glider, UG)、波浪滑翔器(wave glider, WG)等為典型代表的異構無人潛水器平臺的迅速發展與定型成熟,使得移動組網觀測具備了可擴展的條件,能夠執行更復雜、更智能、持續時間更久、覆蓋范圍更廣的任務,已經成為近海、遠海觀測與探測的重要手段[2,7-8];同時,AUV、滑翔機、波浪滑翔機等不同無人潛水器平臺在功能、特點、載荷、適用范圍存在差異和互補性,使得采用異構平臺的組網逐漸成為海洋觀測探測技術發展的一種趨勢,相關技術的研究也成為重點[2]。

水聲通信是水下通過聲波實現的無線信息傳輸技術[10-12]。具體地,水聲通信設備通過在發送端把信息加載在聲波上,聲波通過水介質把信息傳輸到達接收端后,利用解調處理將信息從聲波分解出來,從而完成水聲通信過程。

無人潛水器平臺的運動控制、信息互傳、協同等的實現則需要穩定的水聲通信鏈路來支持,目前通常采用通用水聲通信機,或研發專用水聲通信機的方式。考慮到異構無人潛水器由于具有不同的工作模式、航行狀態、平臺構型、適裝要求等特點,與之相應的水聲通信成為當前研究熱點和前沿。近年來國內外開展了相關研究并在模型方法理論、技術系統實現及工程試驗示范等方面取得了長足的進展[10-11]。

本文對異構無人潛水器水聲通信現狀及發展趨勢進行梳理。

1 異構無人潛水器水聲通信面臨的挑戰

作為水下無人移動平臺,無人潛水器水聲通信面臨著獨特的挑戰和風險[13-16]。首先,水聲信道尤其是淺海信道傳輸特性較為惡劣,具體表現為時變多徑、潛水器移動導致多普勒、信道變化性大以及寬帶有限等問題,海水邊界、海洋動力以及時空、噪聲的微小變化都會影響信道的穩定,干擾信號的傳輸;同時,不同平臺構型、任務屬性、工作環境下異構無人潛水器對水聲通信的性能特點、環境適應能力、適裝性能提出了更高的要求,對異構無人潛水器平臺特性的適配也成為不同無人潛水器平臺水聲通信系統設計的重要考慮因素。

1.1 移動水聲信道

1.1.1 多徑

水聲信道是一個極其復雜的隨機時-空-頻變參信道,存在強多徑、強衰減、高噪聲、嚴重帶限等惡劣影響因素。其中,多徑效應是聲波在傳播過程中受邊界(海面、海底)反射或非均勻水體散射影響造成聲波在多條路徑上傳播的現象。

多徑效應對通信接收信號造成的碼間干擾inter-symbol interference,ISI)、頻率選擇性衰落是制約水聲通信性能的重要因素[17]。除此之外,異構無人潛水器航行過程中隨著時間和地點的變化其對應的聲傳播經歷不同的模式、受不同機理、不同時間尺度影響因素的疊加影響,多徑時延擴展、稀疏程度、動態特性等特征均會發生明顯變化,導致水聲通信接收機失配,對保證水聲通信性能造成嚴重困難。

1.1.2 多普勒效應

多普勒效應對通信的影響主要在2個方面:1)引起接收信號的頻率偏移;2)引起符號時域的壓縮或擴展。無論是對相干解調還是非相干解調,嚴重的多普勒效應都會導致通信性能的快速下降[17]。

水聲信道中多普勒效應的主要產生原因是接收器和發射器之間的相對運動、以及由海面波運動、潮、涌、湍流等海洋環境因素造成的海水介質時變性。

對移動水聲通信而言,水下發射器和接收器的相對速度與聲速的比率遠大于無線電環境中的比率,因此多普勒效應對通信系統的影響要比無線電通信環境嚴重得多;同時,異構無人潛器中包含了航速較快、航行狀態較復雜的潛水器類型,如高機動性AUV航速可達20 kn,導致隨機、強烈的多普勒特性[12-13]。

從圖1可以看到不同運動狀態下會產生復雜的多普勒效應,難以用簡單運動模型進行參數描述。而異構無人潛水器由于工作模式、航行特性不同,其運動狀態也呈復雜多樣特性,因此,如何在這樣的情形下有效抑制多普勒效應,是無人潛水器水聲通信的關鍵之一。

圖1 典型運動情況下的多普勒變化[18]Fig.1 Doppler changes under typical motion conditions[18]

1.2 無人潛水器任務約束

對于幾類典型的異構無人潛水器而言,大型AUV一般用于深海海域,小型AUV則更為靈活,可應用于多樣化的工作水域,包含封閉水域、淺海、深海,近底工作型AUV可貼近海底復雜地形;水下滑翔機呈周期性深度變化,而波浪滑翔機則航行于水氣界面。不同工作水域帶來的是完全不同的水聲信道條件,受不同動態特性、反射特性的界面影響,從而導致完全不同的多徑結構。進一步,具備多樣化任務能力的混合構型無人潛水器則要求通信系統對工作環境具有更寬泛的適應能力。

在任務屬性方面,無人潛水器間通信方式繁多,距離不定,各種通信方式對通信系統技術的要求也不同。如移動平臺與母船間互相通信,當傳輸目標探測信息時,選擇上行通信,當傳達指揮命令時,選擇下行通信。典型地,2種通信方式對數據率的要求有所不同:當傳輸指令、平臺參數信息時,通信數據量小,對數據率要求不高;傳輸圖片、波形等包含大容量數據的信息時,則要求較高的通信速率。

1.3 無人潛水器平臺約束

與通用水聲通信系統相比,異構無人潛水器水聲通信系統搭載于潛水器平臺,因此平臺自身對水聲通信系統也帶來不同方面的約束。

首先,在平臺適裝性方面,小型化無人潛水器雖具有輕便、機動性好的特點,但也面臨尺寸、負載、能源等方面的嚴苛限制,所以其搭載的水聲通信系統在架構、算法設計上還需考慮較低的功耗、實現復雜度。

同時,作為移動平臺,無人潛水器航行過程中運動、控制及任務載荷工作導致的平臺自噪聲也對水聲通信產生明顯的干擾。

荷蘭應用科學研究組織S. Giodini[19]、美國羅德島大學Melodie Ross[20]等對AUV、水下滑翔機自噪聲及其對水聲通信性能的影響進行了試驗評估,結果表明平臺自噪聲是無人潛水器水聲通信系統設計的重要考慮因素。如圖2所示為[20]實測UG下潛過程俯仰、泵油、橫滾等操作及海鳥電導率/溫度傳感器(seabird electronics conductivity and temperature,SBECT)對應的噪聲譜,由圖2可見其自噪聲覆蓋了常用的水聲通信頻帶。

圖2 實測UG自噪聲特性[20]Fig.2 Measured UG self-noise characteristics[20]

2 無人潛水器水聲通信典型制式及其發展

面向異構無人潛水器應用的水聲通信技術,與通用意義上的水聲通信研究相比,考慮到異構無人潛水器水聲通信面臨前述信道、平臺、任務帶來的多方面約束[20-22],因而其采用的典型的水聲通信制式也具有針對性;同時,為了適應異構無人潛水器平臺的需求也呈現值得關注的發展趨勢。

2.1 擴頻

擴頻通信,是將待傳輸信息的頻譜,用某個特定的擴頻序列調制后成為寬頻帶信號,送入信道中傳輸;在接收端則采用相同的序列進行解調及相關處理,將信息從收到的寬頻帶信號中恢復出來。擴頻通信,在傳輸同樣信息時所需的帶寬遠比其他調制方式要求的帶寬要寬得多[17]。

擴頻通信通過擴展頻譜帶來的處理增益具有許多窄帶通信難以代替的優良性能,如利用偽碼或跳頻實現了抗截獲、測距、碼分多址和通信保密等功能。此外,由于其信號帶寬遠大于信息本身帶寬,使其具有優良的抗多徑和抗干擾的能力,因而成為近年來水聲通信技術研究中的熱點,并在不同類型無人潛水器中得到廣泛應用。

2016年俄羅斯遠東聯邦大學等在北冰洋諾維克灣評估了4種不同的AUV水聲通信體制,試驗結果表明擴頻通信具有更好的信道適應性[23]。

哈爾濱工程大學喬鋼團隊在提升水聲擴頻通信有效性方面進行了較為深入的研究[24],提出了結合正交M元擴頻和循環移位鍵控的水聲擴頻技術,實現了10 kbits傳輸總比特數下1 096.8 bit/s速率的無誤碼傳輸。

杭州應用聲學研究所呂耀輝等[25]針對M元碼分多址水聲通信系統中所需擴頻序列數量龐大、選碼難度高的問題,提出了混沌正交組合序列,通過簡單迭代組合產生大量滿足要求的擴頻序列,而且同族的混沌正交組合序列間滿足正交關系[25]。

西北工業大學季趙勝等[26]提出了基于虛擬時間反轉-分段式線性調頻(VTR-PLFM)擴頻調制的移動水聲通信方法,該方法首先利用分段式線性調頻(PLFM)信號對發送信號進行正交擴頻調制以在不進行多普勒頻移補償的條件下抗寬帶多普勒頻移;并利用虛擬時間反轉(VTR)技術聚集多徑信號能量,提升系統性能。

考慮到擴頻水聲通信的性能特點,為了適應在海域監測、特種任務、國防安全等領域有廣泛用途的遠距離、大深度范圍、長時部署無人潛水器的需求,提高通信速率、改善信道適應性、提升低探測概率(low probability of detection, LPD)是無人潛器擴頻通信技術研究的關鍵。

2.2 MFSK

多頻移頻鍵控(multiple frequency shift keying, MFSK)通過用多個不同的載波頻率代表多種數字信息實現調制,并在接收端通過對頻率的檢測進行解調,其非相干實現簡單、方便、信道容忍性好的特點對異構無人潛水器中的應用帶來方便。

面向淺海AUV應用場景,2017年Lars Michael Wolff等[27]設計了一種利用Goertzel算法進行解碼的FH-FSK水聲通信方法,該系統同時具備測距能力。

2019年Viktor Lidstrom等針對AUV應用,提出一種采用網格編碼的置換頻移鍵控技術(permutated frequency shift keying,PFSK)并在斯德哥爾摩群島海域進行了海試試驗,獲得優于傳統二元頻移鍵控(2FSK)的通信性能[28]。

馬璐等[29]設計了一種采用非相干多載波頻移鍵控(MFSK)的無人潛水器水聲通信系統。為了保證遙控指令、狀態信息等的可靠傳輸,采用停止等待自動要求重發(ARQ)協議對通信過程進行差錯控制。所有控制算法均在低功耗數字信號處理器(DSP)硬件平臺下實時實現。通過南海試驗測試,驗證了該系統的實用性和穩定性。

長期以來MFSK作為非相干通信體制的典型代表,因具有實現復雜度低、信道寬容性好的特點而在商用水聲通信產品中得到廣泛應用。特別地,考慮到小型化無人潛水器平臺在尺寸、功耗、成本方面的嚴苛約束,以綜合各方面因素折中下適用的水聲通信性能為設計目標,MFSK為此類無人潛水器平臺微小型、低成本水聲通信載荷的研制提供了現實的發展方向。

2.3 OFDM

正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)具有較高的數據傳輸效率、頻譜利用率以及較強的抗多徑能力,能夠有效抵抗碼間干擾,近些年成為AUV水聲通信的研究熱點。

然而,與傳統的單載波通信系統相比,OFDM通信系統對多普勒頻偏和相位噪聲更加敏感,且不同類型無人潛水器在水下的姿態傾角實時變化,航速受流的影響起伏不定,產生的多普勒偏移和相位噪聲會嚴重破壞OFDM子載波的正交性,使其在水聲通信中的應用受到信道時變性和多普勒頻偏的限制。因此,想要到達穩定的通信性能,必須要對水聲信道中廣泛存在的多徑和多普勒進行實時跟蹤和補償[17]。同時,OFDM發射信號峰均比(peak to average power ratio,PAPR)高的問題直接影響發射效率,特別在無人潛水器平臺發射功率受限、遠距離通信等場景下對其應用造成嚴重限制。

Nicolas Grollier等[31]采用一種單元平均恒虛警檢測檢測器(CA-CFAR, cell averaging constant false alarm rate)提高多徑、多普勒及噪聲條件下OFDM通信的同步檢測性能。

Yusuke Onna等[31]設計了一種在32 kHz帶寬上采用8通道接收分集的水聲通信系統用于AUV與母船間水聲通信,在伊豆內浦灣海域試驗中達到150 kbit/s的無誤碼通信速率。

中科院聲學所趙世鋒等[32]基于一致OFDM水聲通信多普勒信道模型提出一種擴展路徑識別(GPI)算法。該方法首先使用信道多普勒擴展矩陣構造等效發射序列,將多普勒信道轉化為等效線性時不變信道。然后使用GPI算法估計信道多普勒及各路徑的時延及幅度參數,實現低復雜度稀疏信道估計。

馮成旭等[33]提出一種基于OFDM的頻域決策反饋均衡算法,該算法可以補償頻率選擇性衰落,在減少冗余循環前綴的前提下主動克服符號間干擾和載波間干擾的不利影響。

李斌等[34]提出了一種基于誤比特信息區間斜率的多普勒估計算法,采用計算誤比特信息區間斜率取代逐網格搜索最優誤比特信息尋優過程,在進一步提升尋優速率的同時有效減小陷入局部最優解的可能性,并有效降低算法的計算復雜度。

普湛青等[35]提出了一種基于時頻聯合搜索的多普勒跟蹤和快速補償算法,該算法利用先導子載波結合頻域重采樣,搜索不同多普勒因子下每個OFDM符號的信道響應。利用壓縮傳感技術,該算法根據水聲信道的稀疏特性,選擇與最稀疏的信道響應相對應的多普勒因子,并使用更多基于頻率的計算方法對該多普勒效應進行補償。實現了對AUV時變多普勒的實時跟蹤和快速補償。

在OFDM水聲通信機設計與硬件實現架構方面,周躍海等設計的可配置OFDM水聲通信機基于高性能數字信號處理器實現了OFDM調制解調、信道估計均衡參數的高度靈活配置[36]。面向多樣化異構無人潛水器應用場景,增加OFDM通信參數配置靈活性,為改善環境適應性能提供了可能。

需要指出,作為典型的高速率水聲通信制式,隨著各類水下信息獲取任務中大數據量、高通信效率的需求日益增多,在無人潛水器應用中如何進一步提高通信速率、頻譜利用率是OFDM水聲通信技術的一個研究熱點。

結合多輸入多輸出(multiple-input-multiple-output, MIMO)與OFDM可在傳統單發模式基礎上成倍提升OFDM通信速率及頻譜利用率,文獻[37-38]開展了MIMO-OFDM相關理論及實現技術研究;2022年文獻[39]在日本駿河灣(Suruga Bay)海域開展MIMO-OFDM海試試驗,采用并行發射信道估計與多通道接收機解碼結合Polar碼實現10 km距離的MIMO-OFDM通信。上述研究表明,MIMO-OFDM有望為中遠距離高速高譜效無人潛水器水聲通信提供可行的解決方案。

2.4 單載波相干水聲通信

單載波相干水聲通信具有較高的頻譜效率,但因其通常需采用信道均衡器并結合信道編碼對信道多徑、噪聲等嚴重影響因素造成的碼間干擾、突發錯誤進行抑制,大量研究集中在均衡、編碼算法上。

Roee Diamant等[40]針對多水下平臺點對點通信應用中對減小訓練序列長度提高通信效率的需求,提出一種半盲聯合信道估計-解碼算法(S-JCED),海試結果表明在小訓練序列長度下所提算法可獲得滿意的通信性能。

為了實現低復雜度下的單載波水聲通信的最優均衡,陶俊等[41]提出一種Hadamard-Haar隨機預編碼(Hadamard-Haar random precoding,HHRP)方案,通過在接收端通過向量近似消息傳遞(vector approximate message passing,VAMP)算法使均衡性能接近理論最優值。

殷敬偉等[42]提出一種單載波頻域均衡(single carrier frequency domain equalization,SC-FED)解調方法,該方法采用基于干擾抑制合并(interference rejection combining, IRC)的部分FFT解調克服MIMO-SC-FDE中的同道干擾和多普勒。

相對而言,深海潛水器與母船間垂直水聲信道具有較好的穩定性,有利于利用相位相干水聲通信獲得高通信容量,是比較典型的單載波水聲通信應用場景。

徐立軍等[43]設計了一種全海深的單載波相干水聲通信系統,該系統利用三基元接收通道進行空間分集接收,相干解調算法采用了時頻域雙向turbo均衡器結構,均衡器系數調整采用了改進比例歸一化最小誤符號率準則算法。該通信機于2018年12月12日在馬里亞納海溝挑戰者深淵進行了實時水聲通信試驗,實現了水下10 500 m到水面的高速水聲通信,通信速率6 000 bit/s,通信誤比特率為10-5量級。

普遍認為,在強烈時變多徑、長多徑時延、強噪聲等復雜信道條件下單載波相干水聲通信系統性能易受均衡算法類型、參數影響,工作穩定性往往難以保證[11-13]。因此,工作環境較為復雜的無人潛水器較少采用此類通信體制的報道,更多情況下作為信道較為理想時的可選通信體制。為了適應快速發展的異構無人潛水器通信需求,研究穩健、高效、低系統開銷的信道均衡、編碼方法、接收機結構是單載波相干水聲通信的一個重要研究方向。

3 典型異構無人潛水器水聲通信系統

3.1 AUV水聲通信系統

3.1.1 商用AUV水聲通信系統

水聲通信是AUV信息傳輸的重要手段,針對AUV的水聲通信調制解調機目前主要有商用類和專用研發類[44]。

美國LinkQuest公司的UWM系列水聲通信機(如圖3所示),如WM4010被用于深水AUV Kongsberg Hugin 3000[45]上傳傳感器采集信息及AUV狀態等各類數據。

圖3 LinkQuest水聲modem[45]Fig.3 LinkQuest underwater acoustic modem[45]

美國Woods Hole海洋研究所研發的WHOI Mircomodem系列通信機具有FH-MFSK及PSK 2種不同的通信體制,通信速率為80～5 400 bit/s,該系列水聲通信機被包括Bluefine、 Remus等多種AUV、Glider等無人潛水器采用[45-46]。

美國AquaSeNT公司研制的AM-AUV水聲通信調制解調機[47]是專門為自主水下航行器(AUV)設計的。其工作頻率范圍為21～27 kHz,采用OFDM通信制式,通信距離5 km,通信速率375～1 500 bit/s不等。

英國Blueprint Subsea公司推出的SeaTrac系列水聲調制解調器(如圖4所示)質量輕,可用于中小型遙控水下航行器(remote operated vehicle, ROV)或AUV等[48]。SeaTrac的3種型號(X150、X110和X010)基于擴頻調制方案,工作頻率范圍為24～32 kHz,通信距離達1 000 m,數據速率為100 bit/s。由9～28 V電源供電,在傳輸過程中功率消耗為6 W。

圖4 SeaTrac系列水聲modem[48]Fig.4 SeaTrac series underwater acoustic modem[48]

法國公司Sercel推出的多調制聲學遙測系統(MATS3G)調制解調器[49]可用于各種水下應用(如圖5所示),如AUV命令和控制以及使用FSK、PSK調制方案的水下監視系統。在低噪聲環境中,調制解調器的最大通信范圍為5 000～15 000 m,數據速率為850～24 600 bit/s。調制解調器在傳輸過程中消耗高達75 W的功率,并且可以部署在6 000 m的深度。

圖5 MATS3G水聲modem[49]Fig.5 MATS3G underwater acoustic modem[49]

德國EvoLogics公司S2C 系列水聲通信機采用掃頻-擴頻載波(sweep-spread carrier, S2C)調制技術[50],該系列通信機典型型號R18/34的性能參數為工作頻帶18～34 kHz,通信速率最高13.9 kbit/s,通信距離3 500 m。同時EvoLogicsc產品可提供定位-通信組合功能,在多種型號AUV、Glider、波浪滑翔器中作為水聲通信載荷得到應用。

Tritech公司設計的Micron低功率聲學調制解調器[51]使用擴頻調制方案在20～28 kHz的頻率范圍內工作(如圖6所示),因具有小尺寸及抗多徑能力強的特點而適用于無人潛水器。其通信范圍(水平)可達500 m,數據速率為40 bit/s。它在傳輸過程中消耗約8 W,可以部署在750 m的深度。

圖6 Tritch Micron水聲modem[51]Fig.6 Tritch Micron underwater acoustic modem[51]

3.1.2 小型AUV水聲通信系統

伴隨著不同應用場景和功能需求的AUV產品譜系不斷擴展,按照2016年美國海軍公布的AUV口徑分類[52],將口徑為76～254 mm定義為小尺寸AUV。隨著AUV面向不同應用場景和功能需求的發展,小尺寸AUV平臺逐漸成為AUV發展的一個重要分支。

如2017年美國藍鰭金槍魚公司研制的Bluefin SandShark型小尺寸AUV,長度為0.51 m,質量為6.8 kg[53-54];2015年Riptide公司推出的微型AUV,其基座直徑約為0.12 m,長度約為1 m,質量約為9.98 kg[55-56],如圖7。

圖7 Bluefin SandShark型小尺寸AUV[53]及Riptide公司微型AUV[55]Fig.7 Bluefin SandShark Small size AUV[53] and Riptide Micro AUV[55]

與大、中型尺寸AUV相比,由于小型AUV在空間尺寸、功耗、成本等方面對搭載的水聲通信系統有更嚴苛的約束,小型AUV水聲通信系統往往采用實現低復雜度低、解調算法實時算力要求低、發射功耗低的通信制式,因此在通信距離、數據率等指標方面也相應折中。

圖8為德國漢堡科技大學于2015年研制的HippoCampus微型AUV長度僅為0.3 m,質量僅為0.7 kg,并專門研發了其搭載的低成本、小尺寸水聲modem[57-59],其尺寸50 mm × 50 mm × 25 mm,通信距離150 m,采用OFDM/FSK調制。

圖8 HippoCampus微型AUV及其modem[57]Fig.8 HippoCampus micro AUV and its modem[57]

國內方面,西安天和海防智能科技有限公司研制的TH-050B型小尺寸AUV長為1.5 m,直徑為18 cm,如圖9所示,其配備的AMLink水聲modem具備50～2 000 bit/s通信速率[60]。

圖9 TH-050B AUV及AMLink水聲modem[60]Fig.9 TH-050B AUV and AMLink underwater acoustic modem[60]

3.1.3 深海AUV水聲通信系統

除了尺寸上的分類,面向深海研究開發的全海深AUV由于具備大深度作業能力,近年來得到了快速發展。

考慮到全海深AUV的航行模式以垂直方向上浮、下潛為主,其外形設計不同于通用AUV采用的流線型、水滴型等適合水平航行的線型,往往采用類似刀片的水平尺寸小、垂直尺寸大的構型。由于商用通信機中可供選擇的全海深型號較少,全海深AUV往往采用考慮深海信道傳播特性而研發的專用水聲通信機。

2021年11月6日,哈爾濱工程大學牽頭研發的“悟空號”全海深無人潛水器(AUV)在馬里亞納海溝“挑戰者”深淵海試中下潛至10 896 m(如圖10所示),“悟空號”AUV高速水聲通信系統采用OFDM通信體制,在萬米海底與母船直線距離超過15 km深海中,可準確傳輸狀態信息,實測上行峰值通信速率2 003 bit/s,數據接收正確率超過93%[61]。

圖10 “悟空號”全海深AUV及其母船端水聲吊陣[61]Fig.10 “Wukong” total sea depth AUV and its mother vessel side underwater acoustic array[61]

3.2 水下滑翔機水聲通信系統

水下滑翔機(underwater glider, UG)是一種典型的自主式水下航行器,主要采用浮力驅動實現其在海洋中的上升或下潛。在下潛起始階段,通過浮力驅動單元減小自身排水體積,使重力大于浮力,開始下潛;到達設定深度后,在浮力驅動單元作用下,改變自身排水體積,使其所受浮力大于重力,從而實現下潛到上浮的轉變。在下潛和上浮過程中,借助固定水平翼上的水動力產生水平運動,從而實現在縱平面內鋸齒形滑翔運動。

水下滑翔機作為小型的移動觀測平臺,具有低能耗、運行成本低等特點,能夠滿足長時序、大范圍的海洋三維觀探測需求,已廣泛應用于海洋現場觀測、科學研究、環境保護、國防安全等領域。

水下滑翔機在執行探測任務期間,因作業時間長,收集信息數量大,傳送數據與接收決策指令的需求顯著增加,對通信手段及性能提出了更高要求。由于水下滑翔機上浮-下潛的固有鋸齒形航行特性,在其露出海面時刻具備無線通信能力,目前,水下滑翔機主要采取滑翔上浮至水面,經衛星通信與岸站建立數據交互通道[9]的通信方式。因而與AUV這類全時工作于水下的無人潛水器相比,水聲通信系統屬于水下滑翔機的任務性載荷,主要應用于水下節點數據接駁或時效性通信應用。

另一方面,水下滑翔機航行特性意味著其水聲通信信道體現出淺海、深海周期性變化的規律,對水聲通信性能造成明顯的影響。徐文等[2]進行水下滑翔機深海信道連通性評估海試試驗,如圖11(a)及聲源距離水下滑翔機 40 km 時的信噪比(signal noise ratio, SNR)和對應的擴頻二進制調制通信誤比特率(bit error ratio, BER),可知在水深200～600 m范圍內,具有較高的接收信噪比及較低的通信誤比特率,驗證了深海情況下,深度對通信接收性能具有顯著影響[2]。

圖11 水下滑翔機深海信道連通性評估[2]Fig.11 Evaluation of deep sea channel connectivity for underwater gliders[2]

目前的研究與試驗中,水下滑翔機大多搭載商用水聲通信機[2,9,46,49,52],從水下多平臺立體化信息支撐的角度,研制可適配水下滑翔機航行特性,同時可滿足其功耗、負載約束的水聲通信機具有現實必要性。

3.3 波浪滑翔器水聲通信系統

波浪滑翔器(wave glider, WG)是一種利用波浪動力來進行驅動的無人自主航行器,它能夠充分吸收海洋中長期存在的波浪能源將其轉換為前進動力,這種利用波浪能源產生動力的技術使波浪滑翔器具備長時工作的特點。

波浪滑翔器由水面浮體平臺、水下的“滑翔”推進器結構和連接這兩部分的臍帶纜組成,因而具備水下-無線跨介質傳輸的獨特優勢。國內外多家研究機構開展了利用波浪滑翔器提供AUV、水下滑翔器信息中繼的研究及試驗。

北約海事研究與試驗中心(NATO Centre for Maritime Research and Experimentation, CMRE) 在2012年測試了使用搭載Evologics S2C水聲通信機的e Liquid Robotics波浪滑翔器作為OEX-C AUV及SLOCUM水下滑翔機等異構無人潛水器集群的信息中繼節點[62-63],如圖12、13。

2018年美國Woods Hole海洋研究所在大西洋洋中脊海域進行了Sentry AUV與波浪滑翔器協同試驗(如圖13所示),期間波浪滑翔器利用搭載的WHOI Micro modem-2水聲通信機發揮了AUV通信中繼作用[64],該水聲通信機采用PSK/FH-MFSK通信制式支持80～5 000 bit/s通信速率。

圖13 波浪滑翔器與Sentry AUV通過WHOI Micromodem-2協同[63]Fig.13 Wave glider works with the Sentry AUV via WHOI Micromodem-2[63]

楊義軍等[65]在廈門海域開展了由波浪滑翔器、AUV、浮標節點組成的多平臺水聲通信組網試驗(如圖14所示),驗證了波浪滑翔器作為淺海域/極淺海域跨介質信息中繼節點的有效性。

圖14 波浪滑翔器及其配備的水聲通信機[65]Fig.14 Wave glider and its underwater acoustic modem[65]

由于波浪滑翔器作為海氣界面無人平臺其搭載的水聲通信系統工作于海洋淺表層,聲傳播受風浪、淺表層聲速剖面影響大,要求波浪滑翔器水聲通信系統對時變信道具有較好的適應能力,或具備通過切換不同通信制式適應不同信道質量的功能;同時,波浪滑翔器具有作為跨介質中繼平臺的天然優勢,這一特點也要求其水聲通信系統往往需考慮與無線終端的跨介質交互設計。

3.4 雙功能/多功能無人潛器水聲通信系統

針對UG運動速度慢、抗流能力相對較弱的問題,Bachmayer等[66]首次提出了“Hybrid Glider”的概念。經過近20年發展,混合推進水下滑翔機(hybrid-driven underwater gliders, HUG)平臺技術逐漸成熟。國外已達到實用水平和商品化的HUG,包括法國ACSA公司研發的Sea Explorer[8]、巴黎高科海洋工程與海洋技術學院(ENSIETA)研發的Sterne[8]和意大利Graal Tech公司研制的Folaga[67]。它們均在UG的尾部加裝螺旋槳推進器,實現多模式混合推進。

北約水下研究中心[64,66-68]在多次海試中采用Folaga混合AUV搭載Kongsberg Maritime水聲通信機進行移動水聲組網(如圖15所示),該水聲通信機可提供500 bit/s通信速率,試驗中評估了不同協同模式下的組網通信性能[64]。

圖15 Fologa混合AUV/Glider集成Kongsberg Maritime水聲通信機[64]Fig.15 Fologa Hybrid AUV/Glider integrated Kongsberg Maritime underwater acoustic modem[64]

中國船舶科學研究中心所牽頭研制的雙功能深海無人潛航器基于可變翼形/可開合式推進技術(如圖16所示),以剩余浮力/推進器雙模驅動,融合大范圍滑翔探測和區域性高機動搜索2種航行與作業功能[69]。其配備的水聲通信機提供了可適應不同作業模式的指令、狀態信息傳輸鏈路,采用直接序列擴頻和BPSK通信制式可分別工作于55 bit/s、1 172 bit/s 2種傳輸速率[70]。

圖16 雙功能深海無人潛航器[69]Fig.16 Dual-function deep-sea unmanned underwater vehicle[69]

雙功能/多功能無人潛器通過平臺功能擴展顯著提升了多樣化任務執行能力,同時具備高機動性、長時工作、大工作深度等特點,因此其水聲通信系統應具有更強的信道適應性,對抗多徑、抗多普勒性能及也提出了更高的要求。

3.5 異構無人潛器協同組網通信

2017年,COSTANZI等在意大利La Spezia省Cinque Terre海域開展了ASW-ODC17多節點協同網絡試驗(如圖17所示),由包括各類潛器、船舶、浮標在內的20個固定、移動節點組成,試驗中測試了OEX AUV、Folaga glider及波浪滑翔器等異構無人潛水器間水聲通信鏈路[3]。

圖17 ASW-ODC17多節點協同網絡示意圖[3]Fig.17 ASW-ODC17 multi-node collaborative network diagram[3]

2020年,NATO設立由北約海上司令部(maritime command,MARCOM)指揮的、專用于MUS作戰實驗的“Dynamic Messenger”演習,首次演習于2022年9月舉行,該演習與葡萄牙南部特羅亞(Troia)附近舉行的“海上無人系統機器人實驗和原型構建”(robotic experimentation and prototyping with maritime unmanned systems,REPMUS)演習串聯進行。“REPMUS”演習使用了約45架UAV、18艘USV和40艘UUV;“Dynamic Messenger”演習中使用了11架UAV、8艘USV和30艘UUV,各類水下平臺間信息交互、共享是演習的重要內容[71]。

浙江大學聯合多家單位構建了包括3類無人潛水器,共計54臺套異構潛水器組成的網絡系統,圍繞中尺度渦動力現象觀測、水下聲學環境測量與目標探測、海洋油氣工程環境保障、海域環境特征研究等科學和應用目標,于2019-2021 年開展了累計6個多月的海上試驗與示范。采用的水聲通信機為SmartOcean Angelfish(如圖18所示),其調制方式可以根據通信性能動態調整,試驗過程中節點間通信距離約為3 km[2]。

圖18 異構無人潛水器通信輔助網絡海上試驗設置[2]Fig.18 Heterogeneous unmanned submersible communication auxiliary network sea test setting[2]

喬鋼等[72]在多無人潛水器體系結構、任務分解與分配、弱通信條件下的協調控制等方面開展了研究,并于2014年8月在山東威海附近海域進行了潛器協同編隊海上試驗。

中國科學院沈陽自動化研究所在多無人潛水器仿真系統設計、協同導航以及協同編隊控制方面開展了研究,2014年起相繼進行了基于水聲通信的多AUV協同編隊試驗、異構無人潛水器編隊試驗[72]。

4 總結與展望

隨著我國海洋探索開發、權益與發展利益維護逐步從近海向遠海,從平面向立體,從分立向全方位綜合感知的海洋信息網絡是國家海洋需求中的關鍵技術之一,是海洋國家安全、海洋權益維護、應急體系、海洋資源開發、生態環境保護的關鍵基礎和重要支撐。

AUV、水下滑翔機、波浪滑翔器等各類異構無人潛水器平臺跨域互聯互通為分布式、異構、動態的信息融合、協同提高信息感知獲取性能提供了現實可能性,成為了當前海洋立體信息網絡建設的發展熱點和研究前沿。

由于聲學信息載體特殊性、水聲信道隨機復雜性及平臺自身帶來的嚴苛約束,各類水下無人平臺的信息化步伐嚴重滯后于空間和水面。目前各類無人潛水器大多將通用水聲通信設備或研發適合自身平臺、任務特性的專用水聲通信系統作為通信載荷,并已在多異構無人潛水器水聲通信、組網領域取得顯著進展,為多類應用場景提供無人化、立體化、分布式的水下信息支撐,但是,仍無法滿足快速發展的多平臺多域海洋信息獲取、傳輸、感知需求,尚有諸多問題亟待解決。

面向高性能海洋立體信息體系建設的需求,異構無人潛水器水聲通信技術的發展呈以下幾個趨勢:

1)在異構無人潛水器多樣化任務模式下,單一通信制式難以滿足要求,通過實時獲取或學習信道狀態信息實現通信制式/參數優化,設計低延遲、少反饋或無反饋的調整策略,從而充分利用信道容量,提高水聲傳輸效率和環境、任務的適應性。

2)結合異構無人潛水器不同工作特性對海洋深度、廣度的充分覆蓋,利用水下多移動平臺在空間、時間、運動狀態上的互補性,研究異構無人潛水器信道資源機動優化調配,構建體系化、可重構、適度耦合的異構無人潛水器信息網絡。

3)考慮異構無人潛水器平臺自身資源約束,搭載多種任務載荷導致系統開銷增大、適裝性差,采用通信、導航、定位、探測一體化設計,如通信波形設計兼顧導航、定位、探測,從而以最小的軟硬件開銷實現系統最優下的一體化多任務功能;

4)充分結合聲、光不同信息載體具有的互補特性,研發具備高容量、遠距離、環境適應性好的異構無人潛水器聲、光融合水下通信技術。