AUV 水下通信技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討

竇 智，張彥敏，劉 暢，孔 斌

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著海洋開發(fā)的不斷深入，各型AUV 在水下作業(yè)、水下勘察、海洋監(jiān)測等領域逐漸得到應用和推廣，產生了實質性的經濟效益。軍事方面，隨著新軍事革命的變革和發(fā)展，水下航行器作為新型水下作戰(zhàn)體系的重要組成部分得到各國的高度重視和大力發(fā)展。AUV 的性能逐步提升，作戰(zhàn)應用范圍和深度不斷得到拓展，無人航行器與有人航行器甚至水面艦艇、水面航行器集群式研究、應用逐漸提上日程。未來必將極大改變傳統(tǒng)水下作戰(zhàn)模式，對未來戰(zhàn)爭模式產生深遠影響。

水下控制、數(shù)據(jù)通信、圖像傳輸以及協(xié)同作戰(zhàn)的配

合都離不開水下通信的保障。水下通信傳輸速率、傳輸帶寬、傳輸距離等因素限制了當前水下通信技術的應用，同時，限制了AUV 的軍用、民用發(fā)展。一旦水下通信技術問題得到解決，必然會引起AUV 智能化、集群化、協(xié)同化作戰(zhàn)模式的跨越式發(fā)展，必然會大大提高在民用領域應用的廣度、深度、可靠性與經濟性。因此，熟練運用成熟的水下通信技術，探索發(fā)展新的水下通信技術，對AUV 快速發(fā)展將起到至關重要的作用。

1 AUV 通信技術及其應用場景

1.1 主要應用場景

AUV 水下通信主要參與者包括AUV、水面母船、水下網(wǎng)絡節(jié)點、浮潛標、水面艦艇等設備，其通信內容包含控制指令、位置信息、水下環(huán)境參數(shù)、海洋數(shù)據(jù)信息等。AUV 通信技術主要有以下3 種應用場景：AUV 與AUV 之間通信、AUV 與母船（母潛艇、網(wǎng)絡中心平臺）間通信、AUV 與水下通信網(wǎng)絡節(jié)點間通信或其他水面艦艇（或水面無人艇）或裝備之間通信。對于不同的傳輸內容及通信參與者或不同的傳輸距離，需要選擇不同的傳輸速率進行通信。

目前，受制于傳輸距離、傳輸速率和具體傳輸技術的影響，上述水下通信主要傳輸內容包括以下方面：AUV 與AUV 之間的通信主要是明確相互之間的距離位置，以便協(xié)同，需要用高數(shù)據(jù)率傳輸實時方位信息；AUV 與母船之間的遠程通信主要是母船通過低數(shù)據(jù)率將控制指令傳輸給AUV，AUV 與母船之間的近程通信主要是AUV 使用高數(shù)據(jù)率將水下獲得的圖像、數(shù)據(jù)等信息進行交互式傳輸；AUV 還可通過水下通信網(wǎng)絡節(jié)點建立與水面船只甚至陸上信息中心之間的信息交互，在此主要應用高數(shù)據(jù)率將數(shù)據(jù)信息進行中繼傳遞。未來，在水下通信技術跨越式發(fā)展的基礎上，在水下通信網(wǎng)絡節(jié)點支撐的基礎上，可以實現(xiàn)AUV 與有人航行器甚至水面艦艇、水面航行器之間遠程高速率的指令、信息甚至圖像、視頻的實時傳輸。

圖 1 AUV 水下通信場景Fig. 1 AUV underwater communication scene

1.2 水下通信主要形式

在應用場景多樣化的情況下，需要多種通信方式相結合的方式進行通信。下面針對目前主要使用的水下通信方式以及未來具有良好發(fā)展前景的通信方式進行分析、總結。

1.2.1 有纜通信

水下有纜通信是目前進行水下通信最成熟的技術，主要應用在ROV 及有纜（或微細光纖纜）潛器的正常水下通信中。這種方式具有通信容量大、抗電磁干擾、保密性好等優(yōu)點。實現(xiàn)這些功能需要對電纜、光纜提出較大的抗拉強度、彎曲盤放、抗腐蝕老化等要求。但是由于電纜/光纜長度的限制，無法進行更長距離的水下通信，潛器水下行動嚴重受限，所有行動都需要母船進行配合。

1.2.2 電磁波通信

水下環(huán)境具有許多獨特的特征，使得它與地面?zhèn)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)的無線電傳播相比具有獨特性、局限性。如鹽濃度、壓力、溫度、光量、風以及波浪等因素可能會導致無線電波在海水中衰減嚴重，且頻率越高衰減越大，或者遠距離通信的數(shù)據(jù)傳輸速率極低。

目前，各國海軍主要是使用甚低頻（VLF）和超低頻（SLF）進行水面與水下遠程通信。超低頻系統(tǒng)的地基天線長達幾十千米，通信速率低于1bps，僅能傳輸簡單指令，無法滿足水下高速傳輸信息的需求。

1.2.3 水下光（激光）通信

水下可見光通信（Underwater Visible Light Communication，UVLC），一般是由波長在450～530 nm 的藍綠激光作為傳輸信息的載體，一直受到多方青睞。美軍于20 世紀90 年代初期最先完成初級階段的藍綠激光通信的實驗，實際實裝裝備未見報道。但水下光通信必須面對的是，在淺海近距離通信中，水中懸浮顆粒及浮游生物會對光產生明顯的散射作用，還包括水媒質、溶解物及懸浮物等對光信號的吸收以及來自水面外的強烈自然光以及水下生物的輻射光都對信號的發(fā)射接收形成干擾，對遠距離的水下通信形成了天然的屏障。

近年，Chao Wang 等利用MCNS（Monte Carlo numerical Simulation）建立了具有SPAD（Single Photon Avalanche Diode）接收機的長距離UVLC 系統(tǒng)信道模型。仿真結果表明，在較純凈海水中，通信距離可以擴大到500 m[1]。

1.2.4 量子通信

量子通信是近幾年通信技術研究發(fā)展熱點，利用光在微觀世界的粒子特性，讓一個個光子傳輸“0”和“1”任意方式疊加的信息。量子通信在地空無線電中已經進行了實際應用，可極大程度上加密傳輸信息，在信息安全方面有了很大提高。水下量子通信的研究還停留在理論模型階段，該項技術正式應用于實際工程中還需很長一段時間。但是，通過現(xiàn)階段的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，水下量子通信是可行的，一旦應用到實際中，不僅可以提高通信保密性，而且相對于甚低頻通信可以加強通信帶寬，這些都可以很大程度上提高通信質量。

F Bouchard 等通過對水下量子信道的可行性研究，為水下潛器與母船之間提供安全通信鏈接提供了理論基礎。通過將水下量子信道中的主要湍流特征看作像散，闡述了真空空間與水下鏈路之間的顯著差異。通過試驗，實現(xiàn)了二維和三維BB84 協(xié)議密鑰在3 m 距離上的正確編解碼[2]。

1.2.5 水聲通信

如前所述，電磁波通信、光通信以及量子通信都具有有限的水下通信范圍。前者受到強衰減的嚴重影響，這導致較小的傳播距離，而后者則取決于水混濁度。聲（水聲）通信由于可以實現(xiàn)更遠的通信距離，目前已成為水下通信的主導技術。

聲波在水下的信號衰減較小，傳輸距離遠，可以從幾百米延伸至幾十千米。水聲通信相比前面介紹的3 種通信在傳播距離上有著明顯的優(yōu)勢。水聲通信系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)就是對抗由于水聲信道引起的頻率選擇性衰落以及多徑傳播引起的碼間干擾。為了解決這2 種關鍵問題，主要是通過選擇合適的調制技術和信道糾錯編碼技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速準確傳輸。

在信號調制技術方面，王明華[3]設計了OFDM 的高速水聲通信系統(tǒng)，并進行了湖上和海上試驗。湖試中，在6 km 距離下，傳輸速率達到7.6 kbps，誤碼率低于10–4；海試中，在12 km 距離下，傳輸速率達到8.3 kbps，誤碼率低于10–3。在信道編碼方式選擇方向上，徐小卡[4]在松花湖試驗中，采用LDPC、OFDM、信道估計技術，在5 km 的通信距離下，鏈路數(shù)據(jù)率達到9.71 kbps。

隨著技術的不斷進步，水聲通信技術是未來水下通信的重要發(fā)展方向之一，當水聲通信技術能夠在一定程度上克服上述由于水聲信道帶來的頻率選擇性衰落以及多徑傳播引起的碼間干擾，水聲通信將極大地提高現(xiàn)有水下通信水平，為AUV 發(fā)展打下良好技術基礎。

2 國外水下通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

AUV 通信技術與水下通信技術在本質上具有相同性。國外AUV 通信技術發(fā)展，主要以美國、英國、法國、德國等國家技術較為先進，具有代表性。

2.1 美國水下通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 現(xiàn)狀

隨著水聲通信技術的發(fā)展，用水聲無線連接代替光纜、線纜連接成為海洋監(jiān)測網(wǎng)的趨勢。美國最典型的水下通信應用是Seaweb，在此基礎上，2005 年美國海軍研究室和國防部先進研究計劃局（DARPA）聯(lián)合提出 PLUSNet（Persistent littoral Undersea Surveillance Network）計劃[5]。該計劃打算利用10 年的時間，建設一個覆蓋美國近海水下無線持續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡。以水下浮潛標為固定節(jié)點、水下無人平臺為活動節(jié)點構建網(wǎng)絡，在實現(xiàn)監(jiān)測的同時為巡航導彈、潛艇提供導航，并通過水面無線電網(wǎng)絡與指揮系統(tǒng)連接。

2.1.2 新的進展

美海軍于2016 年12 月至2017 年3 月，連續(xù)啟動水下通信技術研發(fā)項目，推動水下無線電通信、水下光通信、水下網(wǎng)絡通信技術發(fā)展。

1）微型輕質無線電發(fā)射機項目助力AUV 等小型平臺通信

DARPA 微系統(tǒng)辦公室發(fā)布AMEBA 項目廣泛機構征詢書，與傳統(tǒng)產生電磁波方式不同，該項目中利用有強電場或強磁場的特殊材料的機械振動產生電磁波，不僅可以極大程度減小無線發(fā)射機體積，實現(xiàn)設備小型化，而且可以充分利用超低頻/甚低頻（ULF/VLF）穿透性，提高水下超視距通信能力。

2）“水下多聲傳感器可靠配置異構集成網(wǎng)絡”促進水下網(wǎng)絡通信技術發(fā)展

水下網(wǎng)絡通信是未來發(fā)展的必然趨勢。該項目將先進物理層算法引入水下通信調制解調器，使用多種網(wǎng)絡協(xié)議將傳感器信息及時傳送到信息中心,并利用先進水下通信模擬器分析改進模型性能，在仿真結果達到性能指標要求后，再開展硬件設計，并進行現(xiàn)場測繪。

3）美國海軍發(fā)展“模塊化光學通信”技術以實現(xiàn)高速跨域通信

2017 年3 月，美國海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部發(fā)布“模塊化光學通信”載荷項目公告，目的是設計有人潛艇/UUV 與飛機間的全雙工通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需水面通信轉換節(jié)點，可實現(xiàn)潛艇與飛機的直接通信，目標通信速率不低于1 kbps，未來有望在通信距離15 nmile，深度超過100 t 的位置實現(xiàn)更高速率，并且利用該系統(tǒng)具有低截獲概率和低探測概率（LPI/LPD）的特點，使空潛通信擺脫對水面平臺、浮標的依賴，并無需潛艇浮出水面，為跨域協(xié)同作戰(zhàn)開辟新的通信保障途徑。

4）美國伯克利實驗室研發(fā)軌道角動量復用技術，實現(xiàn)深海水聲通信速率8 倍提升

2017 年6 月，美國勞倫斯·伯克利國家實驗室完成了螺旋聲波多路復用技術陸上試驗，驗證了聲波信號高效并行傳輸技術可行性，實現(xiàn)通信速率8 倍提升。在此技術中，創(chuàng)造性地采用了廣泛應用于電信和計算機網(wǎng)絡中的多路復用技術，實現(xiàn)在單個頻率上包裝更多的信道，顯著提高了信息傳輸速率。

2.2 歐洲水下通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 現(xiàn)狀

歐洲等海軍強國的水聲通信技術研究起步較早；2008 年開始針對水下聲通信多個技術方向進行研究；2010 年開始研究水下聲通信網(wǎng)絡；2013 年9 月啟動SUNRISE 項目，在不同水域分別建立5 個聯(lián)合的水下聲通信試驗平臺；2017 年確立了首個歐洲通信標準。

2.2.2 新的進展

1）近海觀測網(wǎng)

CMRE（Centre For Maritime Research & Experimentat i o n）開發(fā)了一個物理測試平臺近海觀測網(wǎng)絡（LOON），包括海床上一系列小的平臺，每一個小平臺均配備了各種通信設備，彼此連接，并通過光纜與岸基設備連接。觀測網(wǎng)可以直接與互聯(lián)網(wǎng)連接，可以獲取真實的試驗數(shù)據(jù)來測試新的通信技術，降低了試驗成本。

2）機器人物理邏輯連接節(jié)點項目（MORPH）

2012 年，歐盟“第七框架計劃”內項目MORPH啟動，該項目開發(fā)了一個由很多空間上分開的移動模塊組成的機器人系統(tǒng)，這些模塊攜帶不同且互補的資源，這些模塊依靠信息流的虛擬鏈路連接，通過重新配置，以適應不同的復雜地形。信息流主要依靠水下通信來實現(xiàn)，其中水下網(wǎng)絡中網(wǎng)絡通信和節(jié)點定位功能有基于商業(yè)的調制解調器完成。

3）SUNRISE 項目

2013 年，歐洲啟動了SUNRISE 項目，該項目在一定程度上受到LOON 的影響，主要針對水下傳感器、水下監(jiān)控、水聲通信網(wǎng)等水下通信技術進行研究。通過在美國與歐洲建立5 個試驗平臺，針對不同海洋環(huán)境條件下的水下通信技術進行試驗。

2.3 其他國家水下通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

1）日本在AUV 通信技術方面主要偏向高數(shù)據(jù)率水聲通信技術，加強AUV 與母船之間的交流的時效性，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量信息的快速傳遞。

2）2017 年7 月，日本國立海洋研究開發(fā)機構在水深700～800 m 的海洋環(huán)境完成了水下移動物體間藍綠激光通信，通信距離超過100 m，通信速率達到20 MbB/s。

3）韓國在水下聲通信技術在試驗傳輸距離上取得突破，水深100 米時通信距離達到30 千米，比現(xiàn)有技術傳輸距離提高了2 倍以上。

根據(jù)上述國外水下通信技術發(fā)展現(xiàn)狀的描述可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在水下通信技術主要發(fā)展方向集中在水下網(wǎng)絡通信、水聲通信等方向。水下網(wǎng)絡通信方面主要實現(xiàn)水下組網(wǎng)建設、網(wǎng)絡協(xié)議編寫等關鍵技術；水聲通信方面主要是提升系統(tǒng)通信速率。通過國外水下通信技術研究現(xiàn)狀分析，為我國水下通信技術以及AUV 通信技術提供參考。

3 AUV 通信技術未來發(fā)展趨勢

3.1 AUV 通信技術組合化

通過對現(xiàn)有技術的總結可以發(fā)現(xiàn)，單一通信方式無法滿足對AUV 操作控制的需要，尤其對于水下發(fā)射接收單元，利用水下光通信的高傳輸速率和水聲通信的長傳輸距離優(yōu)勢并將2 種方式有機結合，可以實現(xiàn)系統(tǒng)性能的倍增。

現(xiàn)在，基于水下光學無線鏈路的網(wǎng)絡在中等距離的高數(shù)據(jù)速率下是可行的。使用光收發(fā)器來提供高數(shù)據(jù)速率傳輸，而當水濁度較高或終端之間的距離較大時，系統(tǒng)使用聲學收發(fā)器切換到較低的數(shù)據(jù)速率，從而提高平均數(shù)據(jù)速率和可用性。

因此，未來的調制解調器將包含許多信號傳輸手段和處理工具，以便在采用任何可用技術物理環(huán)境條件允許時將其組合在一起，在物理層實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。

3.2 AUV 通信方式網(wǎng)絡化

AUV 通信方式網(wǎng)絡化主要體現(xiàn)在兩方面，一方面，為應對今后水下無人集群作戰(zhàn)的需求，AUV 的部署數(shù)量會有大幅度提升，對水下通信組網(wǎng)的性能提出更高的要求；另一方面，在未來水下AUV 作戰(zhàn)模式的轉變、升級中，網(wǎng)絡化、接力傳輸是最重要研究方向。

水下通信組網(wǎng)在軍民兩用方面都有著巨大的應用潛力，現(xiàn)在各個國家都投入了很大的精力進行研究開發(fā)。水下通信組網(wǎng)的關鍵技術是通信網(wǎng)絡協(xié)議，目的是為了解決多個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。當AUV 成為水下通信組網(wǎng)的節(jié)點后，可以實現(xiàn)水下近程高速通信組網(wǎng)的快速形成，在局部位置可以快速形成通信網(wǎng)絡，提升所在位置觀測信息交互的實時性、有效性和高速率。并且，在實現(xiàn)水下組網(wǎng)通信的基礎上，多個AUV 可以進行協(xié)同觀測，增加探測偵察的準確性、時效性，為爭奪戰(zhàn)爭先機與主導權贏得時間。其次，在作戰(zhàn)方面，集群化作戰(zhàn)方式不僅可以提供戰(zhàn)場的全方位態(tài)勢評估，還可以實現(xiàn)局部戰(zhàn)場的非對稱性，提高作戰(zhàn)能力及勝算。

3.3 AUV 通信對象多元化

未來水下作戰(zhàn)模式中，將形成海-空-天一體化協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡。目前，水上部分使用遠程、高速、寬帶的電磁通信技術，已實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)，重點突破對象為水下各平臺、傳感器之間，水面、水下跨域的通信問題，以實現(xiàn)水下潛艇、無人潛航器、傳感器陣列等節(jié)點之間順暢的信息傳輸。

通過AUV 與水面無人艇（USV）或無人機之間建立的通信鏈路，實時將AUV 獲取的水下信息傳輸給USV 或無人機，USV 或無人機通過衛(wèi)星中繼后傳輸給母船或岸基指揮中心，實時獲取水下信息，以加強情報收集的準確性、時效性與有效性。在發(fā)生突發(fā)情況下，操控員可以通過USV 或無人機將指令傳輸給水下AUV，完成改變航線、探測、攻擊目標等遙控作業(yè)或長航時自主作戰(zhàn)。

在水下組網(wǎng)技術尚未成熟之前，可以利用水面USV 或無人機作為中繼節(jié)點，對多個水下AUV 進行指揮控制，快速形成作戰(zhàn)能力。在水下遠距離通信成熟后，以核潛艇等作為通信主站，以水下通信網(wǎng)作為節(jié)點，可以實現(xiàn)有人艇與無人艇的大規(guī)模協(xié)同。

3.4 AUV 通信設備小型化

現(xiàn)有水下通信設備為滿足水下特種作戰(zhàn)需要，盡可能增加通信距離，進而選擇了更低的發(fā)射頻率。但是，這些都會增加發(fā)射機的體積，無法滿足AUV 緊湊性的要求。因此，將現(xiàn)有水下通信設備小型化顯得尤為重要。

4 結 語

為了更好地提高AUV 通信系統(tǒng)性能，需要對現(xiàn)有成熟技術進行充分的挖掘利用，需要針對新技術的重點攻關來推進AUV 通信技術的革新發(fā)展。在技術上，需要實現(xiàn)多種通信方式組合化、綜合化、小型化、智能化，在部署方式上，需要實現(xiàn)集群化、網(wǎng)絡化、自動安全接入。

我國水下通信技術的發(fā)展和應用，需要在對國內外技術發(fā)展趨勢做出正確判斷基礎上，結合實際需求，實現(xiàn)多種技術路線的跨越式發(fā)展，形成我國水下通信技術的自主可控發(fā)展，為國家發(fā)展建設成為海洋強國提供強有力的支持。