基于跨域基站UUV 集群試驗方法研究

陳彥勇，楊 芳，王少東，胡 婷，周永進

(中國船舶集團有限公司第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650102)

0 引 言

UUV 技術(shù)日漸成熟，所實現(xiàn)任務難度和復雜度也在不斷擴展，但單一UUV 很難滿足應用需求的發(fā)展，UUV 以集群的形式互相協(xié)同執(zhí)行任務成為水下無人潛航器發(fā)展的必然趨勢,特別是面向多樣化作戰(zhàn)任務時,異構(gòu)無人裝備的協(xié)同運用才能充分發(fā)揮體系作戰(zhàn)效能[1]。

UUV 集群協(xié)同的特點：

1）低成本、高度分散滿足功能需求；

2）具有分布式集群智慧，采用分布式投票，正確率更高；

3）可實現(xiàn)信息共享；

4）分布式探測方式，主被動探測效率和精度大大提高；

5）分布式立體攻擊，可有效提高整體打擊效果；

6）互為中繼，可緩解水下通信難題；

7）可形成自愈合動態(tài)網(wǎng)絡，抗故障與自愈；

8）UUV 間相互配合，智能化程度高，獲取信息量豐富，能夠使水下戰(zhàn)場更加透明，控制區(qū)域可向前推進上百千米[2]。

UUV 集群的難點[3]：

1）解耦問題。用非線性控制理論研究多航行器系統(tǒng)，難度很大，現(xiàn)有的多UUV 協(xié)調(diào)控制研究多基于線性模型。

2）弱通信約束條件。水下通信環(huán)境非常惡劣, 存在通信延遲、數(shù)據(jù)丟包、通信帶寬受限和水下信道不穩(wěn)定等約束條件。

3）異構(gòu)?，F(xiàn)有的多UUV 協(xié)調(diào)控制研究大多是同構(gòu)的多UUV 系統(tǒng), 各UUV 有相同的動力學模型,裝備有相同的載荷,智能化相同,任務基本相同，這與水下無人系統(tǒng)作戰(zhàn)差別是很大的。

隨著多UUV 協(xié)作系統(tǒng)在水下作戰(zhàn)領域的廣泛應用,構(gòu)建協(xié)調(diào)、高效的水聲通信網(wǎng)絡成為當前關(guān)注的焦點[4],其中UUV 集群試驗的核心就在于水下組網(wǎng)，通過水下網(wǎng)絡，實現(xiàn)各UUV 之間的通信、互定位、信息與數(shù)據(jù)的交互、狀態(tài)上報與指令的傳達、有人/無人控制等。但由于無線電和光波在水中快速地衰減和發(fā)散，水聲通信的傳播速率低(大約1 500 m/s)、帶寬窄、存在多途干擾，給UUV 的水下使用和試驗帶來極大困難，與地面或水面無人系統(tǒng)集群使用和試驗相比，存在很大的差異，比陸地和水面無人系統(tǒng)試驗困難得多，保障及費用也高很多，重復試驗的難度大。多數(shù)研究局限于理論推導和仿真驗證，相關(guān)理論和算法難以得到實際驗證。因此，探討簡單有效易實現(xiàn)的試驗方案，就顯得極為迫切。

本文通過探討基于跨域基站UUV 水下組網(wǎng)及跨域通信、中繼與定位等，實現(xiàn)水下集群任務規(guī)劃、遙控，以及協(xié)同工作和控制，為了驗證集群協(xié)同探測和攻擊，在U U V 上加裝魚雷自導裝置，并解決了UUV 平臺加裝魚雷自導裝置所必須的信息控制、跟蹤彈道設計、低速下檢測與跟蹤參數(shù)確定、跟蹤與攻擊策略等技術(shù)。

1 試驗方案的提出

1.1 基于跨域基站水下組網(wǎng)

試驗方案的第一步，是構(gòu)建水面水下跨域通信網(wǎng)絡。水下無人系統(tǒng)集群試驗需要的信息聯(lián)絡節(jié)點有：岸基控制中心、集群控制系統(tǒng)（陸地或搭載平臺）、各UUV、跨域基站。根據(jù)需要，也可以包括模擬目標和監(jiān)視（聽）節(jié)點。信息鏈路示意如圖1 所示。

圖1 集群各節(jié)點信息鏈路示意圖Fig.1 Schematic diagram of information link of each node of the cluster

水面使用北斗及無線通信方式進行組網(wǎng)，由各UUV 直接與水下集群控制系統(tǒng)進行通信；水下使用水聲通信方式進行組網(wǎng)，各UUV 水聲信息由跨域基站轉(zhuǎn)換為無線通信信息發(fā)送給水下集群控制系統(tǒng)。岸基控制中心與集群控制系統(tǒng)以及跨域基站均通過衛(wèi)星和無線電進行通信。

水下組網(wǎng)可采用Kafka 架構(gòu)，集群控制系統(tǒng)作為controller，跨域基站為Zookeeper，UUV 為Broker。這樣的架構(gòu)具備靈活伸縮、動態(tài)擴展的優(yōu)點。在Kafka架構(gòu)下，各UUV 節(jié)點（Broker）周期地給跨域基站（Zookeeper）發(fā)送狀態(tài)報文，申明工作狀態(tài)；集群控制系統(tǒng)（controller）進行群組工作任務管理，由跨域基站將接收的UUV 信息發(fā)送給集群控制系統(tǒng)，集群控制系統(tǒng)完成消息處理后將任務管理信息發(fā)送給跨域基站，跨域基站將消息發(fā)送給各UUV 節(jié)點；跨域基站進行群組節(jié)點管理，所有UUV 節(jié)點通過跨域基站通信，跨域基站將節(jié)點建檔，新進入的節(jié)點只需遵循通信協(xié)議自動完成節(jié)點注冊及通信，如圖2 所示。

圖2 集群Kafka 架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cluster Kafka architecture

1.2 集群探測與協(xié)同方案設想

最簡單的試驗方案水下節(jié)點包括探測型UUV、攻擊型UUV、跨域基站、模擬目標。各節(jié)點態(tài)勢與運動如下：

1）模擬目標從西往東勻速航行；

2）探測型UUV 從西南方向往西北方向航行，初始角度設定根據(jù)目標探測要求設置。UUV 發(fā)現(xiàn)目標后，將目標信息發(fā)集群控制系統(tǒng)，集群控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)攻擊型UUV；

3）攻擊型UUV 從南往北航行，并低速航行保持水聲通信狀態(tài)。收到集群控制系統(tǒng)或岸基指控中心攻擊指令后，自行對目標搜索并攻擊。

各UUV 與跨域基站態(tài)勢如圖3 所示。

1.3 方案仿真

根據(jù)試驗初步方案，針對UUV 目標探測和攻擊要求，進行仿真模擬。

仿真場景模擬運動目標以大地坐標(0,4 000)為起點，以某一速度航向為90°勻速直線運動，探測型UUV 距目標約2 000 m，以3 m/s 速度航行，發(fā)現(xiàn)目標后通過水聲通信通知攻擊型UUV 執(zhí)行攻擊。目標發(fā)現(xiàn)來襲UUV 時機動規(guī)避，先以某加速度加速并以某角速率逆時針轉(zhuǎn)彎，高速逃逸，運動方向轉(zhuǎn)到30°航向時勻速直線運動；攻擊型UUV 低速搜索目標，發(fā)現(xiàn)目標后高速按尾追彈道攻擊。

水下無人平臺聲吶作用距離按聲吶方程求得。

圖4 為仿真得到的UUV 集群攻擊目標彈道圖。

圖4 機動目標跟蹤態(tài)勢Fig.4 Maneuvering target tracking situation

仿真結(jié)果表明，方案成立，能較好地保證協(xié)同探測和攻擊概率。

2 跨域基站與集群控制

2.1 跨域基站

跨域基站正常通信，是保證試驗成功的核心。跨域基站采用投放式無動力浮標，試前投放在預定位置，試驗過程中通過水聲通信與UUV 通信，通過無線數(shù)據(jù)傳輸電臺經(jīng)由通信控制臺與水面基站通信，從而實現(xiàn)水面基站與水下UUV 間的指令和數(shù)據(jù)交換。

跨域基站頂端配置數(shù)據(jù)傳輸天線、航標燈及北斗模塊，由浮標塔進行支撐，浮標體上蓋與下浮體共同組成水密艙，為跨域基站提供正浮力和電子器件搭載平臺。其中上蓋安裝有用于開關(guān)、充電接口、電纜連接器等功能的水密接插件，水密艙體內(nèi)配置安裝控制模塊、水聲遙控指令發(fā)射接收機、電池模塊、電源模塊、通信與示位組件、數(shù)字量網(wǎng)絡輸出模塊、繼電器及散熱片、數(shù)傳電臺等功能模塊，水密艙體下安裝尾管及壓重，下端掛載水聲通信換能器。

2.2 水下集群控制系統(tǒng)

水下集群控制系統(tǒng)主要用于對水下無人集群工作網(wǎng)各節(jié)點的遙控、工作狀態(tài)監(jiān)控、集群任務仿真規(guī)劃以及與岸基網(wǎng)信息交互，指揮水下各節(jié)點完成探測、協(xié)同、攻擊等工作，實時顯示各節(jié)點狀態(tài)，并將水下信息實時上報給岸基網(wǎng)。

水下集群控制系統(tǒng)由筆記本電腦、交換機、串口服務器、數(shù)傳設備、衛(wèi)星通信設備、控制中心軟件等組成。

水下集群控制系統(tǒng)通過交換機與數(shù)據(jù)傳輸設備、衛(wèi)星通信設備等進行連接?？刂浦行膶邮盏降臄?shù)據(jù)進行解析并實時顯示。遙控命令通過數(shù)據(jù)傳輸設備發(fā)送給跨域基站，基站將命令轉(zhuǎn)發(fā)給探測型UUV 和攻擊型UUV。

3 試驗實施

3.1 試驗過程需要考慮的問題

1）跨域基站的布放，應根據(jù)各節(jié)點無線電和水聲通信的距離要求、通信拉距試驗的結(jié)果，合理布放跨域通信基站的位置，并充分考慮其在試驗過程中的漂移，防止因通信中斷導致試驗失?。?/p>

2）各節(jié)點時鐘對準和同步；

3）水聲互擾問題；

4）各UUV 浮起點設計，防止產(chǎn)品碰撞。

3.2 集群控制系統(tǒng)與各節(jié)點協(xié)議構(gòu)架

集群控制系統(tǒng)信息交互分為水面與水下模式。水面模式由控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸或衛(wèi)星與各UUV 和跨域基站進行信息交互。水下模式由跨域基站將各UUV 的水聲信息轉(zhuǎn)換為無線通信與控制中心進行信息交互。信息交互框圖如圖5 所示。

圖5 信息交互框圖Fig.5 Information interaction block diagram

3.3 信息交互方式

探測頻率與水通頻率是否存在干擾，試驗前沒有試驗驗證，為確保試驗成功，采用統(tǒng)一的分時通信協(xié)議，由集群控制系統(tǒng)發(fā)送命令給各UUV 和跨域基站，各UUV 按周期通過跨域基站回復工作狀態(tài)信息。

水下多節(jié)點網(wǎng)絡多地址通信協(xié)議在考慮水下多節(jié)點組網(wǎng)通信干擾、UUV 自導發(fā)射信號對水通通信干擾情況的同時，滿足UUV 自導探測需求；采用水下節(jié)點分時工作機制，將工作時間以對時為起點進行周期通信，通信周期再進行劃片，保證同一時間內(nèi)，只有一個節(jié)點進行通信與探測，解決節(jié)點間相互干擾的問題。采用跨域基站把水下通信信息轉(zhuǎn)為無線通信數(shù)據(jù)發(fā)送給指控中心，使得指控中心可以實時監(jiān)控水下各節(jié)點運行狀態(tài)，也能實時控制水下UUV 完成協(xié)同任務。

3.4 試驗流程

試驗流程如表1 所示。試驗前，應規(guī)劃好試驗流程，確定各崗位職責，通信方式與口令，應急處置策略等，并形成任務書發(fā)放各崗位，確保試驗有序進行。

表1 試驗流程Tab.1 Test process

4 討論與結(jié)論

通過仿真試驗和湖上驗證試驗，驗證了本文提出的基于跨域基站水下多UUV 組網(wǎng)與協(xié)同試驗方案的可行性，能夠通過水下集群控制系統(tǒng)控制，實現(xiàn)水下集群任務規(guī)劃、協(xié)同工作的集群信息鏈、水下探測與水下攻擊協(xié)同控制等功能，比較好地跟蹤到了目標，驗證了探測與攻擊協(xié)同效果。

本方案也可以用于UUV 協(xié)同探測試驗，也可以通過增加UUV 節(jié)點數(shù)進行試驗，但跨域基站通信方案和聲學互擾可能會帶來更大難度，需要做進一步改進。各UUV 均具備跟蹤打擊功能時，或增加攻擊型UUV數(shù)量時，則可以采用“分布式殺傷”方案進行試驗。

通過湖上實航試驗，在水聲通信距離、各水通頻率干擾、水通與探測頻率互擾、分時控制等方面得到一定解決，但還存在很多問題，弱通信或通信延遲等，也有待于進一步的考慮和研究。