自主回收UUV水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引技術(shù)研究

付傳寶,段文海,張先奎,宋文生,童賽美

(1.昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心,云南 昆明650051；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所,廣西桂林541004)

0 引言

近年來，無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅猛(包括UUV回收技術(shù))，UUV已經(jīng)成功應(yīng)用于海底地形探測(cè)，海域監(jiān)視、偵查和警戒，情報(bào)搜集，掃雷，海底管道故障檢測(cè)，以及油田勘探等商業(yè)領(lǐng)域。同時(shí)，UUV在各國(guó)軍事力量中扮演著越來越重要的角色，在現(xiàn)實(shí)海戰(zhàn)中正發(fā)揮著不可替代的作用，UUV已被應(yīng)用于情報(bào)偵察、反水雷、輔助通信、后勤支援和補(bǔ)給等軍事領(lǐng)域[1-3]。

由于UUV 執(zhí)行水下任務(wù)時(shí)的能源通常需要自帶，所以有限的自帶能源就限制了UUV的航行距離和工作時(shí)間，因此，需要在UUV 任務(wù)結(jié)束或能源不足時(shí)對(duì)其進(jìn)行回收，來下載任務(wù)數(shù)據(jù)或補(bǔ)充能源。布放和回收對(duì)于UUV的水下作戰(zhàn)能力和續(xù)航能力等是至關(guān)重要的。通常將UUV回收方式分為2種：水面回收和水下回收。水面回收易受海情的影響，而且在執(zhí)行軍事任務(wù)時(shí)易暴露，而水下回收不影響母船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，效率更高，隱蔽性更好。但水下環(huán)境復(fù)雜，以及水壓和碰撞對(duì)其帶來的破壞，要求母船精準(zhǔn)地掌握UUV的航行軌跡等參數(shù)才能完成對(duì)接，從而順利地回收。

UUV水下回收時(shí)近端一般采用高頻圖像聲吶、光學(xué)導(dǎo)引捕獲、管道爬行輔助裝置等設(shè)備聯(lián)合回收UUV，但UUV中近程的航行軌跡等參數(shù)也是對(duì)接成功的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此，母船必須配備可獲取UUV航行軌跡、姿態(tài)等參數(shù)的水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引設(shè)備[4]。

課題組對(duì)水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，完成了水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了一種水聲定位與遙測(cè)遙控互相兼容的信標(biāo)體制。課題組重點(diǎn)研究了MFSK、OFDM、擴(kuò)頻等水聲遙測(cè)遙控調(diào)制方式，通過分析和對(duì)比，設(shè)計(jì)了一種正交混合擴(kuò)頻調(diào)制方式，并采用相干二維搜索技術(shù)，提高擴(kuò)頻技術(shù)多普勒補(bǔ)償能力。

1 水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引技術(shù)系統(tǒng)組成與技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

UUV自主回收系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示，虛線框內(nèi)非本文研究?jī)?nèi)容。安裝于UUV上的導(dǎo)引信標(biāo)采用低功耗設(shè)計(jì)，在UUV執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行回收任務(wù)時(shí)才真正啟動(dòng)，發(fā)出水聲定位與遙測(cè)信號(hào)；母船通過USBL基陣接收水聲信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理器、解調(diào)解碼器等處理解算出UUV定位與航行參數(shù)信息，依據(jù)UUV定位與航行參數(shù)信息采用波束旋轉(zhuǎn)控制方式定向發(fā)送給UUV遙控指令，完成遠(yuǎn)程導(dǎo)引控制。當(dāng)UUV運(yùn)動(dòng)到母船近程時(shí)，啟動(dòng)高頻圖像聲吶、虛擬3D光學(xué)成像及顯示系統(tǒng)等，精準(zhǔn)導(dǎo)引、控制管道爬行輔助裝置完成UUV捕獲及回收。

圖1 UUV自主回收系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Principle schematic diagram of UUV self-recovery system

1.2 系統(tǒng)組成與方案設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)組成

水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引系統(tǒng)主要由艇端設(shè)備與UUV端設(shè)備組成，如圖2。艇端設(shè)備包括USBL基陣、信號(hào)預(yù)處理器、DSP處理器、顯控機(jī)、編碼調(diào)制器、功率放大器、發(fā)射換能器等；UUV端設(shè)備包括導(dǎo)引信標(biāo)、信號(hào)預(yù)處理器、DSP處理器、編碼調(diào)制器、功率放大器、發(fā)射換能器等。

圖2 水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Composition schematic diagram of underwater acoustic location and telemetry and remote control guidance system

水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引系統(tǒng)完成2個(gè)功能：1)完成母船對(duì)UUV定位及航行參數(shù)的實(shí)時(shí)聯(lián)合測(cè)量；2)完成母船對(duì) UUV實(shí)時(shí)遙控。母船對(duì)UUV定位及航行參數(shù)的實(shí)時(shí)聯(lián)合測(cè)量時(shí)，UUV端經(jīng)編碼調(diào)制器將遙測(cè)信息編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大器放大后由發(fā)射換能器發(fā)出；艇端通過聲學(xué)基陣接收定位與航行參數(shù)水聲信號(hào)，信號(hào)預(yù)處理器將接收的水聲信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、包絡(luò)檢波等處理后，送DSP處理器；DSP處理器完成信號(hào)檢測(cè)解調(diào)、單頻頻率判別、時(shí)延估計(jì)、增益控制及數(shù)據(jù)傳送等功能，并將解調(diào)信息、時(shí)差數(shù)據(jù)等通過RS422口傳送給顯控機(jī)；顯控機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)UUV軌跡解算與描繪、航行參數(shù)的解碼與UUV航行參數(shù)3D顯示等功能。母船對(duì)UUV實(shí)時(shí)遙控時(shí)，艇端經(jīng)編碼調(diào)制器將遙控指令編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大器放大后由發(fā)射換能器發(fā)出；UUV端通過接收換能器接收遙控水聲信號(hào)，接收的水聲信號(hào)經(jīng)信號(hào)預(yù)處理器、DSP處理器等組件解調(diào)解碼后，將遙控指令傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。聲學(xué)基陣采用超短基線陣，根據(jù)UUV定位與航行參數(shù)遙測(cè)的需求進(jìn)行信標(biāo)體制的設(shè)計(jì)。

1.2.2 定位與遙測(cè)信標(biāo)體制設(shè)計(jì)

在滿足UUV航行姿態(tài)數(shù)據(jù)遙測(cè)功能的同時(shí)要求調(diào)制信號(hào)需具備較好的抗反射與疊加的能力，遙測(cè)周期為1 s，定位周期為0.2s。

圖3 定位與遙測(cè)聯(lián)合測(cè)量信標(biāo)體制示意圖Fig.3 Signal system schematic diagram for location and telemetry

遙測(cè)信標(biāo)體制示意圖如圖3所示，采取1幀3行的形式，幀同步周期為T=1 s，行同步周期為Ty=0.2 s，同步保護(hù)間隔Tx=50 ms，Ti(i=1，2，3，4)為遙測(cè)信息的時(shí)延粗調(diào)值。CW 0為脈寬4 ms頻率為f0的單頻脈沖；+LFM代表幀識(shí)別脈沖，為脈寬5 ms線性正調(diào)頻，以f0為中心頻率，帶寬為6 kHz；-LFM代表行識(shí)別脈沖，為脈寬5 ms線性負(fù)調(diào)頻，以f0為中心頻率，帶寬為6 kHz；CW n(n=1，2，3，4)代表遙測(cè)信息的頻率細(xì)調(diào)脈沖，為4 ms的單頻信號(hào)。定位信息通過對(duì)CW 0脈沖的時(shí)延估計(jì)，結(jié)合USBL定位解算算法得出。遙測(cè)信息包括航向、深度、橫滾角度和縱傾角度等，其粗調(diào)值由Ti值解算出，細(xì)調(diào)值由CW n載波頻率解算出。

1.2.3 遙控信標(biāo)體制設(shè)計(jì)

遙控信號(hào)調(diào)制方式采用正交多載波擴(kuò)頻調(diào)制方式，此調(diào)制方式由于子載波間的正交性，保證了載波間的互不干擾，由于子載波間的相互重疊，保證了最優(yōu)的頻譜利用率，另外此方式引入了擴(kuò)頻機(jī)制，有效地提高了遙控信號(hào)的傳輸隱蔽性[5-6]。

體制初步設(shè)計(jì)分為地址碼、指令信息碼和信息確認(rèn)碼3部分，可以滿足識(shí)別多個(gè)以上目標(biāo)要求、多條指令要求，減少誤碼率。其中地址碼用于識(shí)別需要遙控的目標(biāo)，指令信息碼用于識(shí)別同一目標(biāo)的指令，地址碼和指令信息碼通過正交混合擴(kuò)頻調(diào)制方式調(diào)制發(fā)出。如圖4所示，t為地址碼和指令信息碼之間的保護(hù)間隔，為抵消碼間干擾，地址碼和指令信息碼里面的頻率脈沖也會(huì)采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔，同時(shí)為了加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，在信標(biāo)體制中加入信息確認(rèn)碼。

圖4 遙控信標(biāo)體制示意圖Fig.4 Signal system schematic diagram for remote control

圖5 水聲遙控系統(tǒng)原理框圖Fig.5 Principle block diagram of underwater acoustic remote control system

UUV水聲遙控技術(shù)主要解決的問題是如何實(shí)現(xiàn)多普勒跟蹤和補(bǔ)償，如何克服多途衰落信道。針對(duì)這2個(gè)問題，系統(tǒng)采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)多普勒的實(shí)時(shí)跟蹤與補(bǔ)償，我們提出非相干二維搜索技術(shù)；為克服多途衰落信道，我們提出改進(jìn)的Rake接收技術(shù)。系統(tǒng)框圖如圖5所示，圖5(a)為系統(tǒng)發(fā)射原理框圖，圖5(b)為接收原理框圖。

2 關(guān)鍵技術(shù)及突破途徑

2.1 低信噪比弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究

課題組著重研究了時(shí)延頻率估計(jì)、噪聲抑制、信號(hào)幅度自動(dòng)均衡等接收端數(shù)字信號(hào)檢測(cè)處理方法。

時(shí)延估計(jì)利用自適應(yīng)更新樣本相關(guān)的方法，提高時(shí)延估計(jì)精度，再進(jìn)行時(shí)延值精密內(nèi)插，從而保證時(shí)延估計(jì)精度。頻率估計(jì)采用基于FFT的插值頻率估計(jì)算法，插值采用拉格朗日與最小二乘擬合算法。

采用小波變換消除噪聲，小波降噪的方法主要有模極大值去噪法、相關(guān)性去噪法和閾值去噪法。閾值去噪法是常用的一種小波降噪方法，其基本原理：小波的多分辨率時(shí)頻局部化分析特性可以在多個(gè)尺度下把信號(hào)中不同頻率的成分分解到不同的子空間中去，如果對(duì)分解得到的小波系數(shù)作用閥值，將低于閥值的噪聲成分所在頻道的小波變換系數(shù)置零，保留我們關(guān)心的頻帶的小波變換系數(shù)，然后重新合成信號(hào)，就可以得到消除噪聲的信號(hào)。

軟件部分采用Hilbert變換與相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)幅度自動(dòng)均衡，在水聲信號(hào)中對(duì)起伏大和強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)進(jìn)行抑制?；贖HT的分析主要由2個(gè)步驟組成：首先對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?Empirical Mode Decomposition，EMD)得到本征模態(tài)函數(shù)組，然后對(duì)每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行希爾伯特變換，再組成時(shí)頻譜圖進(jìn)行分析。其中最為關(guān)鍵的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，該方法從本質(zhì)上講是將信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化的過程，其結(jié)果是將信號(hào)中不同尺度的波動(dòng)或趨勢(shì)逐級(jí)分解開來，產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列，每1個(gè)序列即為1個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量。對(duì)這些本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行希爾伯特變換便可得到信號(hào)的時(shí)頻譜圖，由此得到的譜圖能夠準(zhǔn)確地反映出系統(tǒng)原有的特性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾淖畲髢?yōu)點(diǎn)是使希爾伯特變換后的瞬時(shí)頻率具有物理意義，避免了傅立葉變換中需使用許多諧波分量表達(dá)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的不足。

2.2 基于正交多載波擴(kuò)頻的水聲通信技術(shù)研究[7-8]

首先通過串并轉(zhuǎn)換將串行的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成P路并行的數(shù)據(jù)流，對(duì)每一路數(shù)據(jù)流我們進(jìn)行S次重復(fù)發(fā)送，同時(shí)對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行交織處理，后對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行短碼擴(kuò)頻，最后進(jìn)行正交載波調(diào)制，并行發(fā)送。由于每個(gè)子載波采用低速的碼序列，降低了ICI干擾，同時(shí)串并轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)符號(hào)周期延長(zhǎng)，降低了(Inter-symbol-interference)ISI干擾。本系統(tǒng)可以提高擴(kuò)頻處理增益，降低多途干擾影響，且可以同時(shí)取得時(shí)間域和頻率域的分集效果。

發(fā)射結(jié)構(gòu)框圖和頻譜結(jié)構(gòu)示意圖如圖6和圖7所示。

圖6 時(shí)頻域分集的正交多載信號(hào)發(fā)射結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Orthogonalmulticast signal transMitting structural block diagram with time-frequency diversity

圖7 時(shí)頻域分集的正交多載信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Orthogonalmulticast signal spectrum structural block diagram With time-frequency diversity

3 湖上試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證自主回收UUV水聲定位與遙測(cè)遙控導(dǎo)引系統(tǒng)關(guān)鍵組件的性能，開展了湖上靜態(tài)與動(dòng)態(tài)跑船試驗(yàn)。試驗(yàn)過程：試驗(yàn)船A(攜帶系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備)在距工作母船B(攜帶系統(tǒng)接收設(shè)備)的半徑2 km范圍不同距離點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)拉距試驗(yàn)，在距母船半徑2 km范圍內(nèi)以不同航行速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)跑船試驗(yàn)。攜帶系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備的試驗(yàn)船A可模擬發(fā)射UUV水聲定位與遙測(cè)信標(biāo)及遙控信標(biāo)；攜帶系統(tǒng)接收設(shè)備的工作母船B接收試驗(yàn)船A發(fā)出的水聲信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)記錄與處理等，從而分析試驗(yàn)效果。

3.1 試驗(yàn)水域水文條件

圖8 試驗(yàn)水域聲速梯度實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.8 Sound velocity gradient data on experiment lake

圖9 距離1 000 m時(shí)信道測(cè)量結(jié)果Fig.9 Underwater channel data at 1 000 m distance

圖8為試驗(yàn)當(dāng)天試驗(yàn)水域聲速梯度實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，該季節(jié)試驗(yàn)水域聲速梯度呈明顯的負(fù)梯度現(xiàn)象，換能器吊放在不同水深處時(shí)的信道多徑情況以及接收信噪比均會(huì)有較大差別，試驗(yàn)船A與工作母船B吊放的換能器應(yīng)避免聲速梯度的影響。試驗(yàn)船A與母船B的距離為1 000 m時(shí)，對(duì)信道情況進(jìn)行了測(cè)試，從圖9可以看出大部分多途反射在5 ms左右。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)跑船試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，定位數(shù)據(jù)比對(duì)船載DGPS數(shù)據(jù)，通過多組數(shù)據(jù)比對(duì)，可得出水平定位精度優(yōu)于0.5%。遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)解調(diào)后得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流與模擬發(fā)射設(shè)備調(diào)制的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的差異得到誤碼率，統(tǒng)計(jì)次數(shù)為靜態(tài)每個(gè)參數(shù)6 000次、動(dòng)態(tài)跑船態(tài)每個(gè)參數(shù)9 000次。遙測(cè)遙控湖上試驗(yàn)誤碼率結(jié)果如表1所示，從表1可以看出水聲遙測(cè)遙控系統(tǒng)解算誤碼率達(dá)到了10-3數(shù)量級(jí)，達(dá)到了項(xiàng)目的指標(biāo)要求，可有效引導(dǎo)UUV回收作業(yè)。

表1 遙測(cè)遙控湖上試驗(yàn)誤碼率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Experiment bit error rate statistics table on lake for telemetry and remote control system

4 結(jié)束語

本文突破了低信噪比弱信號(hào)檢測(cè)、基于正交多載波擴(kuò)頻的水聲通信等關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑，通過多種調(diào)制方式分析和比較，設(shè)計(jì)了一種正交混合擴(kuò)頻調(diào)制方式，并采用相干二維搜索技術(shù)，提高擴(kuò)頻技術(shù)多普勒補(bǔ)償能力。湖上靜態(tài)與動(dòng)態(tài)跑船試驗(yàn)結(jié)果表明：水聲水平定位精度優(yōu)于0.5%，水聲遙測(cè)遙控系統(tǒng)解算誤碼率達(dá)到了10-3數(shù)量級(jí)，可有效引導(dǎo)UUV回收作業(yè)。