基于水聲通信的AUV組網(wǎng)與協(xié)同導(dǎo)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(wǎng)與協(xié)同導(dǎo)航

王亭亭,張南南,岳才謙,王奧博,呂 雪

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京,100074)

構(gòu)建穩(wěn)健的水下通信網(wǎng)絡(luò)以提供編隊(duì)支撐信息和導(dǎo)航增強(qiáng)信息,是實(shí)現(xiàn)多自主水下航行器(AUV)組網(wǎng)編隊(duì)的基礎(chǔ)。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(gòu)建滿足真實(shí)水下環(huán)境多AUV編隊(duì)需求的通信網(wǎng)絡(luò),對(duì)后續(xù)開(kāi)展多AUV協(xié)同作業(yè)研究具有重要意義。針對(duì)當(dāng)前水下移動(dòng)組網(wǎng)編隊(duì)研究中,由于組網(wǎng)及協(xié)同導(dǎo)航工程應(yīng)用不足,制約了編隊(duì)中其他層進(jìn)一步發(fā)展的問(wèn)題,文中對(duì)多AUV網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、機(jī)制以及協(xié)同導(dǎo)航增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一種基于水聲通信的組網(wǎng)與協(xié)同導(dǎo)航方案,利用德國(guó)Evologics公司的3臺(tái)水聲通信機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,并在3臺(tái)AUV組成的水下編隊(duì)中進(jìn)行了試驗(yàn),驗(yàn)證了該方案能為AUV編隊(duì)提供有效的通信和協(xié)同保障。

自主水下航行器; 水聲通信; 組網(wǎng)編隊(duì); 協(xié)同導(dǎo)航

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicles,AUV)是一型水下無(wú)人無(wú)纜式平臺(tái),具有較強(qiáng)的靈活性、機(jī)動(dòng)性和全自主性,可搭載多種載荷以及“察打一體”等特點(diǎn),是“天-空-潛”一體化跨域協(xié)同與集群應(yīng)用中重要的潛基節(jié)點(diǎn),可承擔(dān)偵察、探測(cè)、誘餌、震懾和中繼等任務(wù),具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。由于海洋環(huán)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(wú)線電磁波在水下衰減嚴(yán)重,幾乎無(wú)法傳播; 甚低頻和極低頻通信速率低,且天線過(guò)大無(wú)法搭載于中小型AUV; 藍(lán)綠激光通信目前雖已獲得極高的通信速率,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可達(dá)1 Gb/s,但通信距離仍較近,受水質(zhì)影響大; 其他諸如磁感應(yīng)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(jìn)行信息傳送,是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)水下中、遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的唯一工程化手段。然而,目前還沒(méi)有一種水聲通信技術(shù)或貨架級(jí)產(chǎn)品完全滿足AUV編隊(duì)集群對(duì)通信速率、誤碼率、通信距離以及組網(wǎng)性能的要求[5-9]。通信問(wèn)題是制約AUV發(fā)展的瓶頸之一,尤其是面向集群、協(xié)同等編隊(duì)?wèi)?yīng)用,通信問(wèn)題更加明顯[10-11]。突破水下通信手段受限、載荷受限、海洋復(fù)雜環(huán)境干擾等因素,在有限條件下構(gòu)建滿足編隊(duì)和任務(wù)需求的通信網(wǎng)絡(luò),是進(jìn)行AUV協(xié)同編隊(duì)與集群研究的基礎(chǔ),具有重要的意義和工程價(jià)值。

針對(duì)AUV編隊(duì)中的組網(wǎng)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量理論研究,取得較好的仿真效果,但面向工程實(shí)際的研究較少。其中,文獻(xiàn)[12]面向2臺(tái)AUV組網(wǎng)編隊(duì)開(kāi)展了實(shí)際試驗(yàn),取得了較好的試驗(yàn)效果。為更好地滿足水下移動(dòng)編隊(duì)?wèi)?yīng)用需求,文中提出了一種基于水聲通信的組網(wǎng)與協(xié)同導(dǎo)航方案,利用德國(guó)Evologics公司的3臺(tái)水聲通信機(jī),構(gòu)建了三節(jié)點(diǎn)水下移動(dòng)平臺(tái)通信支撐網(wǎng)絡(luò)和主從式導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng),并利用3臺(tái)AUV進(jìn)行水下編隊(duì)試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果證明,該通信網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸全局任務(wù)信息、編隊(duì)支撐信息和導(dǎo)航增強(qiáng)信息,為水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)編隊(duì)提供有效的通信和協(xié)同保障,基本滿足水下編隊(duì)的需求。

1 通信網(wǎng)絡(luò)與協(xié)同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在AUV編隊(duì)中,通信網(wǎng)絡(luò)主要用于提供節(jié)點(diǎn)間的編隊(duì)支撐信息,包括任務(wù)信息,目標(biāo)、障礙等態(tài)勢(shì)信息,必要載荷信息和協(xié)同導(dǎo)航信息。編隊(duì)成員利用這些支撐信息進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃和編隊(duì)控制,以保持隊(duì)形不散和高效作業(yè)。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)信息傳輸協(xié)議

AUV搭載傳感器獲取的海洋數(shù)據(jù)包含聲場(chǎng)數(shù)據(jù)、電場(chǎng)數(shù)據(jù)、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、光學(xué)圖像或視頻和聲學(xué)圖像等,具有多元、異構(gòu)和大量的特點(diǎn)。遙測(cè)數(shù)據(jù),岸基指揮站下發(fā)的遙控指令,水下平臺(tái)之間共享的任務(wù)、位置、障礙、目標(biāo)和態(tài)勢(shì)等信息的數(shù)據(jù)量則相對(duì)較少。表1列出了編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中各信息的典型數(shù)據(jù)量。鑒于水聲通信是半雙工通信,且當(dāng)前工程化的水聲通信指標(biāo)僅為50～180kb/s?km,在網(wǎng)絡(luò)中傳遞全部信息是不可行的,必須針對(duì)不同信息特點(diǎn)進(jìn)行通信協(xié)議和優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)。具體如下: 載荷信息幀包長(zhǎng),不需實(shí)時(shí)交互,僅共享處理結(jié)果或關(guān)鍵幀; 指令信息幀包短,一旦存在需即時(shí)發(fā)送,優(yōu)先級(jí)極高,需要極低的通信誤碼率和延遲; 協(xié)同導(dǎo)航信息貫穿于編隊(duì)始末,需以一定頻率在網(wǎng)絡(luò)中共享,但偶爾中斷或誤碼有限幀不會(huì)對(duì)整個(gè)編隊(duì)造成影響。

表1 編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中各信息的數(shù)據(jù)量

1) 協(xié)議幀設(shè)計(jì)

為綜合通信帶寬利用率和組解包復(fù)雜度,協(xié)議幀設(shè)定為非定長(zhǎng)幀,通過(guò)標(biāo)志位確定幀類型。采用CRC16進(jìn)行校驗(yàn)。協(xié)議共分為3種: 指令協(xié)議、協(xié)同導(dǎo)航協(xié)議和載荷協(xié)議。

2) 幀優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

設(shè)定指令協(xié)議優(yōu)先級(jí)>協(xié)同導(dǎo)航協(xié)議優(yōu)先級(jí)>載荷協(xié)議優(yōu)先級(jí)。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)信息傳輸機(jī)制

文中設(shè)計(jì)針對(duì)3個(gè)水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸系統(tǒng)。考慮到水聲通信機(jī)的半雙工特點(diǎn),在保證數(shù)據(jù)可雙向傳輸?shù)那闆r下,提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐效率,采用集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建水下通信定位網(wǎng)絡(luò),由主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)統(tǒng)籌與2個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間的信息交換,圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

主節(jié)點(diǎn)通信決策過(guò)程如下。

1) 主節(jié)點(diǎn)切換到設(shè)備指令模式,改變遠(yuǎn)端地址,將鏈路切換到對(duì)從1節(jié)點(diǎn)通信,進(jìn)入數(shù)據(jù)模式。利用A線發(fā)送協(xié)同導(dǎo)航信息,并接受來(lái)自a線的從1節(jié)點(diǎn)信息。

2) 主節(jié)點(diǎn)切換到設(shè)備指令模式,改變遠(yuǎn)端地址,將鏈路切換到對(duì)從2節(jié)點(diǎn)通信,進(jìn)入數(shù)據(jù)模式。利用B線發(fā)送協(xié)同導(dǎo)航信息,并接受來(lái)自b線的從2節(jié)點(diǎn)信息。

3) 當(dāng)出現(xiàn)廣播式任務(wù)指令和障礙信息時(shí),先在當(dāng)前鏈路高優(yōu)先級(jí)發(fā)布,再切換鏈路做高優(yōu)先級(jí)發(fā)布。全部發(fā)送確實(shí)成功后,在當(dāng)前鏈路繼續(xù)(返回步驟1)或2))。

4) 當(dāng)出現(xiàn)針對(duì)性指令時(shí),如處于正確鏈路,直接高優(yōu)先級(jí)發(fā)送;否則,切換鏈路做高優(yōu)先級(jí)發(fā)送。全部發(fā)送確實(shí)成功后,在當(dāng)前鏈路繼續(xù)(返回步驟1)或2))。

5) 當(dāng)需交互A/a線大數(shù)據(jù)量載荷信息時(shí),暫時(shí)阻塞B/b線。結(jié)束后返回步驟2)繼續(xù)。

6) 當(dāng)需交互B/b線大數(shù)據(jù)量載荷信息時(shí),暫時(shí)阻塞B/b線。結(jié)束后返回步驟2)繼續(xù)。

從節(jié)點(diǎn)通信決策過(guò)程如下。

1) 從節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)為監(jiān)聽(tīng)模式,為減少電量損耗,不發(fā)送任務(wù)數(shù)據(jù)。

2) 當(dāng)收到主節(jié)點(diǎn)信息時(shí),表明主從通信鏈路建立,開(kāi)始發(fā)送信息,完成發(fā)送后進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)模式。

1.2 協(xié)同導(dǎo)航增強(qiáng)

水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航時(shí),一般攜帶水聲測(cè)距裝置或超短基線(ultra-short baseline,USBL)水聲定位系統(tǒng),通過(guò)距離或位置共享,降低導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差。在主從式協(xié)同導(dǎo)航中,主節(jié)點(diǎn)裝備高精度設(shè)備,從節(jié)點(diǎn)裝備低精度設(shè)備,從節(jié)點(diǎn)通過(guò)獲得與主節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系提高自身導(dǎo)航精度,并通過(guò)水聲通信確定自身在系統(tǒng)中的位置。主從式兼顧了導(dǎo)航精度和成本,是水下協(xié)同定位導(dǎo)航研究的主要方向之一,尤其在子編隊(duì)群中優(yōu)勢(shì)明顯。

在此采用USBL裝置獲得主從節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置。USBL定位原理如圖2所示。

圖2 超短基線水聲定位系統(tǒng)原理圖

主節(jié)點(diǎn)搭載帶USBL功能的水聲通信機(jī),從節(jié)點(diǎn)搭載僅具有通信功能的水聲通信機(jī)。USBL給出的是從節(jié)點(diǎn)相對(duì)于主節(jié)點(diǎn),在USBL體坐標(biāo)系下的相對(duì)位置信息(X,Y,Z),因此需要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,獲得增強(qiáng)的從節(jié)點(diǎn)位置[13]。

圖3 導(dǎo)航增強(qiáng)位置解算

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與半物理仿真測(cè)試

1) 硬件設(shè)計(jì)

采用德國(guó)EvoLogics公司的1臺(tái)S2C R48/78 USBL和2臺(tái)S2C M48/78水聲通信機(jī)搭建水聲通信網(wǎng)絡(luò),如圖4所示。該通信機(jī)依托掃頻-擴(kuò)頻載波(sweep-spread carrier,S2C)調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了定位-通信深組合。定位天線和調(diào)制解調(diào)器除了共用1套電子電路,還共用相同信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和位置估計(jì),從而實(shí)現(xiàn)在連續(xù)定位的同時(shí)還能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,保證了定位和控制的實(shí)時(shí)性[14-16]。該通信機(jī)的具體性能指標(biāo)如表2所示。

圖4 S2C R48/78 USBL和S2C M48/78水聲通信機(jī)

主節(jié)點(diǎn)選用S2C R48/78 USBL,從節(jié)點(diǎn)選用S2C M48/78,3臺(tái)設(shè)備采用組網(wǎng)載波,其他初始化設(shè)置如下: S2CR 48/78 USBL為數(shù)據(jù)模式,本地地址1,遠(yuǎn)端地址為2; S2CR 48/78-1為數(shù)據(jù)模式,本地地址為2,遠(yuǎn)端地址為1; S2CR 48/78-2為數(shù)據(jù)模式,本地地址為3,遠(yuǎn)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(jī)性能指標(biāo)

2) 軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信與導(dǎo)航增強(qiáng)程序采用C++編程并在Linux系統(tǒng)上運(yùn)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(yīng)用多線程編程機(jī)制保證各子任務(wù)并行執(zhí)行。

3) 半物理仿真測(cè)試

在水池環(huán)境利用3臺(tái)通信機(jī)進(jìn)行無(wú)移動(dòng)下的通信測(cè)試,如圖5所示。3個(gè)子程序demo1、demo2、demo3分別模擬主節(jié)點(diǎn)、從1節(jié)點(diǎn)和從2節(jié)點(diǎn)。導(dǎo)航增強(qiáng)信息占15個(gè)字節(jié)。打印“ssss”設(shè)定為收到組網(wǎng)支撐信息的標(biāo)識(shí),“dwBytesReadUSBL:15”設(shè)定為成功收到導(dǎo)航增強(qiáng)信息的標(biāo)識(shí)。從圖中可以看出,demo2、demo3均能穩(wěn)定接收到demo1發(fā)來(lái)的導(dǎo)航增強(qiáng)信息和用于編隊(duì)的支撐信息。

3 AUV搭載試驗(yàn)

采用3臺(tái)AUV搭載文中設(shè)計(jì)的組網(wǎng)通信與協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),航行器巡航速度最大不超過(guò)4 kn,主節(jié)點(diǎn)攜帶2個(gè)水聲通信機(jī)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人水面艇(unmanned surface vessel,USV)的通信和水下3臺(tái)航行器的組網(wǎng)通信以及導(dǎo)航增強(qiáng),水面利用USV中繼實(shí)現(xiàn)岸基操作人員對(duì)水下編隊(duì)的監(jiān)控,如圖6所示。

1) 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)間測(cè)試

斷開(kāi)水下某節(jié)點(diǎn)的水聲設(shè)備,模擬節(jié)點(diǎn)離網(wǎng),重新上電,記錄當(dāng)前時(shí)刻為1,收到友軍(另外2臺(tái)AUV)節(jié)點(diǎn)的信息后記錄時(shí)刻為2,以時(shí)間差?=2-1估計(jì)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)間,如表3所示,平均入網(wǎng)時(shí)間12 s。

2) 編隊(duì)下的數(shù)據(jù)交互測(cè)試

選取3臺(tái)AUV的編隊(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖7所示。在此段軌跡中,主AUV根據(jù)預(yù)編程任務(wù)要求需改變軌跡,且此時(shí)3臺(tái)AUV需由10 m間距“一”字型調(diào)整到30 m間距“一”字型。當(dāng)主AUV變軌跡時(shí),會(huì)自主將新的全局任務(wù)信息下發(fā)給從AUV。該全局任務(wù)信息能夠使從AUV的任務(wù)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量差時(shí),仍能進(jìn)行有效的目標(biāo)位置預(yù)測(cè),從而提升通信網(wǎng)絡(luò)再建立的可能性。圖7中,“ο”表示從節(jié)點(diǎn)收到的主節(jié)點(diǎn)的位置信息,根據(jù)該位置信息和隊(duì)形要求,從節(jié)點(diǎn)估計(jì)自身目的位置并進(jìn)行位置調(diào)整,盡量保證編隊(duì)不散; “*”表示主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航增強(qiáng)信息,利用該信息,從節(jié)點(diǎn)校正自身導(dǎo)航數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的導(dǎo)航; “☆”代表主AUV發(fā)出新的全局任務(wù)信息時(shí)所處的位置; “□”表示從AUV2收到新的全局任務(wù)信息時(shí)所處的位置; “△”表示從AUV3收到新的全局任務(wù)信息時(shí)所處的位置。

圖6 基于AUV平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)組成

表3 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)間

從圖7可以看出,航行過(guò)程中,導(dǎo)航增強(qiáng)信息、編隊(duì)支撐信息和全局任務(wù)信息均實(shí)現(xiàn)了成功收發(fā)。但數(shù)據(jù)成功收發(fā)的離散度大且不規(guī)律,顯示了運(yùn)動(dòng)實(shí)況下網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量比靜態(tài)時(shí)有所降低。

圖8和圖9顯示了從節(jié)點(diǎn)AUV2和AUV3與主節(jié)點(diǎn)AUV1的位置偏差和編隊(duì)目標(biāo)位置偏差。

圖7 AUV編隊(duì)軌跡圖

從整個(gè)過(guò)程中偏差的變化趨勢(shì)可以看出,3個(gè)編隊(duì)節(jié)點(diǎn)在編隊(duì)間距上的控制較好,在北向距離跟隨上的控制有較大波動(dòng),但存在恢復(fù)趨勢(shì)。以上表明文中所構(gòu)建的組網(wǎng)通信與協(xié)同導(dǎo)航方案能基本滿足三節(jié)點(diǎn)水下實(shí)況移動(dòng)編隊(duì)需求。

圖8 從AUV2誤差圖

圖9 從AUV3誤差圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中開(kāi)展了基于水聲通信的水下AUV組網(wǎng)通信協(xié)議、通信機(jī)制以及協(xié)同導(dǎo)航增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究,利用3臺(tái)Evologics水聲通信機(jī)和3臺(tái)AUV構(gòu)建了組網(wǎng)通信與協(xié)同導(dǎo)航演示系統(tǒng),通過(guò)AUV水下編隊(duì)變隊(duì)形試驗(yàn),驗(yàn)證了所提方法能為水下編隊(duì)提供有效的通信和協(xié)同導(dǎo)航支撐。下一步將針對(duì)復(fù)雜編隊(duì)路徑和復(fù)雜協(xié)同任務(wù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,從而使3臺(tái)水下航行器組成的編隊(duì)單元能執(zhí)行具有實(shí)際意義的協(xié)同任務(wù)。

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AUV Networking and Cooperative Navigation Based on Underwater Acoustic Communication

,,,,

(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(wǎng)與協(xié)同導(dǎo)航[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2021,29(4): 400-406.

2020-11-04;

2020-12-04.

國(guó)家自然科學(xué)基金(11872348).

王亭亭(1992-),女,碩士,工程師,主要從事無(wú)人系統(tǒng)導(dǎo)航制導(dǎo)與控制相關(guān)技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)