藍(lán)綠光通信在無人水下航行器組網(wǎng)中的應(yīng)用

聶文超 ,李懷亮 ,魏佳廣 ,張西偉 ,李 鵬 ,馮曉偉 ,廖佩璇,李廣英

(1.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,陜西 西安,710119;2.海洋石油工程股份有限公司 安裝分公司,天津,300461)

0 引言

近年來在海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略指導(dǎo)下,我國加快了“透明海洋”計(jì)劃實(shí)施,加強(qiáng)了海洋觀測裝備的研發(fā),已逐步構(gòu)建起新一代全球海洋高時(shí)空分辨率立體觀測網(wǎng)[1]。伴隨著大量分布式預(yù)置水下長期值守觀測站的建立,監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長,如何進(jìn)行水下大容量數(shù)據(jù)高速交互及回收的問題日益凸顯。

水下機(jī)動(dòng)式裝備呈現(xiàn)系列化快速發(fā)展,包含自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)、水下遙控航行器(remote operated vehicle,ROV)以及水下仿生航行器等,具有無人化和智能化作業(yè)的特點(diǎn)。2022 年,美國波音公司研制出超大型無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)“虎鯨”號(見圖1),并進(jìn)行了海試[2]。同年,我國首艘智能型無人系統(tǒng)母船“珠海云”號(見圖2)在廣州下水,具備遠(yuǎn)程遙控和自主航行功能,甲板上能夠搭載數(shù)十臺空、海、潛無人系統(tǒng)裝備,可在目標(biāo)海域進(jìn)行批量化布放。

圖1 “虎鯨”號超大型無人水下航行器Fig.1 Orca extra large UUV

圖2 “珠海云”號無人系統(tǒng)母船F(xiàn)ig.2 Zhuhai Cloud unmanned system master ship

可以看出,未來海洋無人智能型裝備具有網(wǎng)絡(luò)化、集群化的發(fā)展趨勢,海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互、高速傳輸成為制約透明智能化海洋建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。針對水下傳統(tǒng)聲通信傳輸速率較低的問題,近年來國內(nèi)外在水下光通信領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究,旨在發(fā)展基于光通信的高帶寬、高速率和高隱蔽性的水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。文中調(diào)研了聲通信和光通信在UUV 組網(wǎng)中應(yīng)用的特點(diǎn),提出了基于激光二極管(laser diode,LD)窄束長距離高速激光通信和發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)準(zhǔn)全向藍(lán)綠光通信的水下移動(dòng)式局域組網(wǎng)方案,以期為水下察打一體觀測網(wǎng)和水下末端突防系統(tǒng)的研制提供技術(shù)支撐。

1 UUV 組網(wǎng)及可見光通信技術(shù)研究現(xiàn)狀

水下通信組網(wǎng)是以各類UUV 智能控制和協(xié)同編隊(duì)技術(shù)為基礎(chǔ),以聲通信或光通信設(shè)備為核心載體,實(shí)現(xiàn)多平臺間的互聯(lián)互通,已成為海洋觀測探測的重要手段[3]。

水聲通信是水下中遠(yuǎn)距離上,應(yīng)用于無線通信、探測、定位的主要手段。自1998 年開始,美國麻省理工學(xué)院就開展了水下探測網(wǎng)絡(luò)的通用海洋陣列技術(shù)系統(tǒng)(generic oceanographic array technology system,GOATS)研究,并在1998—2014 年開展了一系列的水聲組網(wǎng)探測試驗(yàn)[4]。美國海軍于2006 年開始研制水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)(persistent littoral underwater surveillance network,PLUSNet),并以巡航導(dǎo)彈核潛艇為母節(jié)點(diǎn),以核潛艇攜帶的UUV 為移動(dòng)子節(jié)點(diǎn),以水下潛標(biāo)、浮標(biāo)和水聲探測陣為固定子節(jié)點(diǎn)而構(gòu)成的一種潛布式海底固定加機(jī)動(dòng)的水下網(wǎng)絡(luò),可獲取海洋環(huán)境信息和水下目標(biāo)信息,為水下作戰(zhàn)提供信息化支撐[5]。自我國在“863”計(jì)劃的自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題中首次立項(xiàng)支持聲通信機(jī)研制,到我國載人深潛“蛟龍?zhí)枴睂?shí)現(xiàn)在 8～10 km 距離內(nèi)以最高10 kb/s 的速率傳輸數(shù)據(jù)、語音和圖像,中科院聲學(xué)所已經(jīng)完成了多型聲通信機(jī)設(shè)備研制。此外,國內(nèi)多家單位開展了水聲通信與組網(wǎng)技術(shù)的理論研究、樣機(jī)研制和湖海試驗(yàn),發(fā)展迅速[6]。

可見光通信(visible light communication,VLC)是一種利用波長在380～790 nm 范圍內(nèi)的可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無線傳輸技術(shù),具有不受無線電干擾、無電磁輻射、高度保密性的高速通信方式。2015 年,美國肯尼迪航天中心簽署了太空行動(dòng)協(xié)議,其主要面向VLC 網(wǎng)絡(luò)在照明系統(tǒng)和協(xié)同全球定位系統(tǒng)改善通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的研究[7]。2021 年4 月,英國 PureLiFi 公司宣布向美國陸軍提供新一代的無線光通信組網(wǎng)產(chǎn)品——Kitefin,說明了VLC組網(wǎng)技術(shù)未來在國防中將占據(jù)重要地位[8]。2013年,復(fù)旦大學(xué)設(shè)計(jì)了一套全雙工VLC 系統(tǒng),進(jìn)行了低誤碼率和高速率的可行性研究[9],并在2014 年對VLC 接入網(wǎng)絡(luò)開展試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了光纖和可見光的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以支持32 個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行高速通信[10],證明了VLC 組網(wǎng)的能力。2019 年,清華大學(xué)提出了一種基于LD 和LED 混合組成的水下無線光通信組網(wǎng)技術(shù),該技術(shù)能夠通過混合通信系統(tǒng)來提升受限節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的通信周期和信息容量[11]。

2 水下光通信技術(shù)

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水下VLC 技術(shù)利用海水的透光窗口對藍(lán)綠波段可見光吸收損耗極小的特性,采用光波長為450～570 nm 的藍(lán)綠光束為載波,在水下中近距離進(jìn)行高速信息傳輸,可實(shí)現(xiàn)跨域跨介質(zhì)通信,從而進(jìn)一步完善水下信息傳輸體系的保障能力,在未來海洋開發(fā)中基于水下光通信技術(shù)構(gòu)建的新型立體通信網(wǎng)絡(luò),將在民用/國防等通信、探測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2016 年,英國的水下技術(shù)公司Sonardyne 向韓國船舶和海洋工程研究所(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering,KRISO)提供了水下通信設(shè)備BlueComm200,其速率達(dá)20 Mb/s,距離達(dá)100 m,可完成水下高清圖像的傳輸。2017 年,日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology,JAMSTEC)開展了水下雙向無線光通信試驗(yàn),在800 m 水深海域中,實(shí)現(xiàn)了20 Mb/s 傳輸速率、100 m 距離上的可靠通信[12]。

2019 年,西安光機(jī)所在三亞半山半島帆船港口開展了光通信設(shè)備性能測試,采用藍(lán)光大功率LED 和大面積光電倍增管(photo multiplier tube,PMT)探測器,設(shè)計(jì)出“大角度發(fā)射—寬視場接收”的光通信機(jī),實(shí)現(xiàn)了20 m 通信距離下,傳輸速率為20 Mb/s 的全雙工高速通信[13]。此后,西安光機(jī)所又研制了一型全海深光通信機(jī),并于2020 年11 月搭載在“奮斗者”號載人水下航行器 和“滄海號”著陸器上,在馬里亞納海溝成功實(shí)現(xiàn)了萬米海底的4K 超高清畫面直播。2023 年1 月,西安光機(jī)所在丹江口水域?qū)尚凸馔ㄐ艠訖C(jī)進(jìn)行了湖上試驗(yàn),無線光通信機(jī)依靠固定工裝下潛到指定水位,由吊機(jī)調(diào)整相對距離,分別在相對靜止和相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對其進(jìn)行了通信性能測試。同年3 月,在中國南海陵水進(jìn)行了海試以驗(yàn)證光通信機(jī)功能及性能指標(biāo)的可靠性,通過中繼器搭載上述光通信設(shè)備,由吊機(jī)垂直吊放,與船舷外伸固定桿端搭載光通信機(jī)進(jìn)行垂直通信,試驗(yàn)過程如圖3 所示。

圖3 海上試驗(yàn)Fig.3 Sea trial

2.2 典型水下高速光通信工程樣機(jī)

近年來,西安光機(jī)所針對水下準(zhǔn)全向一對多光通信機(jī)技術(shù)和水下長距離窄束激光通信技術(shù)展開了深入研究,相繼開發(fā)出了可應(yīng)用于2 000、6 000和11 000 m 不同海深的系列化工程樣機(jī)。

水下無線光通信機(jī)產(chǎn)品從光源形式上主要分為LD 和LED 兩大類,從結(jié)構(gòu)形式上主要分為收發(fā)一體和收發(fā)分離式2 種,如圖4 所示。

圖4 水下無線光通信樣機(jī)Fig.4 Underwater wireless optical communication prototypes

一般來講,水下無線光通信機(jī)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大功能模塊組成。發(fā)射系統(tǒng)具體包含供電單元、信號處理單元(調(diào)制)和光發(fā)射單元;接收系統(tǒng)包含供電單元、信號處理單元(解調(diào))和光接收單元。水下無線光通信機(jī)具體功能組成如圖5所示。

圖5 水下無線光通信機(jī)功能組成Fig.5 Functional composition of underwater wireless optical communication equipment

1) 收發(fā)一體式光通信機(jī)

收發(fā)一體式光通信機(jī)采用帶平面光學(xué)窗口的密封艙結(jié)構(gòu),接收單元布置在中心區(qū)域,外圍布置環(huán)形LED 發(fā)射陣列。在一類水質(zhì)中最高通信速率20 Mb/s,最遠(yuǎn)通信距離100 m,支持最大工作水深6 000 m,質(zhì)量6 kg,單機(jī)尺寸為Φ120 mm×300 mm,采用藍(lán)梭水密式接插件,具有1 個(gè)供電接口和1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口。

2) 收發(fā)分離式光通信機(jī)

收發(fā)分離式光通信機(jī)單個(gè)終端由2 個(gè)密封艙體構(gòu)成,一個(gè)密封艙體裝有發(fā)射單元,另一個(gè)密封艙體裝有接收單元,二者由外部線纜連接進(jìn)行供電及數(shù)據(jù)交互,構(gòu)成一個(gè)整體。密封艙體具有半球形密封窗口,視場角可達(dá)120°,具有較高的收發(fā)隔離度,在一類水質(zhì)下最大通信速率可達(dá)25 Mb/s,通信距離150 m,最大工作水深6 000 m。

3 光通信在UUV 集群中的應(yīng)用設(shè)想

水下光通信按照發(fā)射光源類型一般可分為LD窄束激光通信和LED 準(zhǔn)全向通信兩類。LD 窄束激光通信一般需要捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤(acquisition pointing tracking,APT)系統(tǒng)滿足強(qiáng)對準(zhǔn)條件,可實(shí)現(xiàn)長距離高速通信。LED 準(zhǔn)全向光通信利用大發(fā)散角光束來降低終端對準(zhǔn)要求,能夠獲得良好的動(dòng)中通性能。

在實(shí)際應(yīng)用中,母艇工作水域一般較深,水質(zhì)較好,母艇自主布放UUV 與母艇間初始指向不確定區(qū)域較小,適合使用激光建立防區(qū)外高速長距離通信鏈路。機(jī)動(dòng)平臺與固定基站,或機(jī)動(dòng)平臺之間,由于相對定位復(fù)雜,初始指向不確定區(qū)域較大,同時(shí)要實(shí)現(xiàn)廣播式多對多通信,適合用LED 準(zhǔn)全向光通信。

文中針對水下機(jī)動(dòng)式平臺和預(yù)置式長期值守平臺的典型應(yīng)用場景(如圖6 所示),設(shè)計(jì)了水下移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),系統(tǒng)框圖見圖7。

圖6 UUV 光通信組網(wǎng)典型應(yīng)用場景Fig.6 Typical application scenarios for optical communication networking of UUVs

圖7 移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of local mobile optical communication network system

最小局域組網(wǎng)單元由母艇、中繼UUV、海底基站以及集束式AUV 構(gòu)成。母艇負(fù)責(zé)布放回收和全局控制;中繼UUV 由母艇釋放,自身攜帶多枚集束式AUV,通過中繼UUV 延伸母艇的作業(yè)半徑,同時(shí)中繼UUV 執(zhí)行自適應(yīng)巡航,對指定區(qū)域的海底基站進(jìn)行巡視,完成海底基站的指令下發(fā)及監(jiān)測數(shù)據(jù)回收,最終回傳母艇,實(shí)現(xiàn)特定海域的態(tài)勢感知;海底基站是預(yù)置式長期值守裝備,用于海洋信息監(jiān)測和收集;集束式AUV 由動(dòng)力單元、主控單元、通信單元和任務(wù)單元構(gòu)成,與中繼UUV進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,由中繼UUV 進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和分配,也可實(shí)現(xiàn)各AUV 節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交互,集束式AUV側(cè)重于高效協(xié)同和高速機(jī)動(dòng)能力,適用于分布式信息搜集和集群化末端突防等任務(wù)。

基于水下裝備平臺搭載相應(yīng)的光通信機(jī),建立移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò),具體由3 層子網(wǎng)拓?fù)浣M成,第1 層: 母艇與中繼UUV 由掛載的水下長距離激光通信機(jī)建立高速光通信鏈路,通信距離達(dá)到1 km 以上,保障母艇作業(yè)安全;第2 層: 中繼UUV 與海底基站或集束式AUV 之間由LED 準(zhǔn)全向光通信機(jī)建立局域光通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)中繼UUV對下一級裝備的控制和數(shù)據(jù)交互;第3 層: 集束式AUV 在分離之后,個(gè)體之間采用LED 準(zhǔn)全向光通信機(jī)建立局域光通信網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)編隊(duì)協(xié)同。

該移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)具體任務(wù)規(guī)劃布設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),通過高速光通信進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(包含語音、圖片和視頻等)交互,提高水下各平臺的信息共享和協(xié)同控制能力。

4 結(jié)束語

文中介紹了基于水聲通信和無線光通信的UUV 組網(wǎng)通信技術(shù)現(xiàn)狀,著重介紹了水下藍(lán)綠光通信的研究進(jìn)展和工程應(yīng)用水平,并提出了根據(jù)不同型號UUV 的特點(diǎn),分別搭載基于LD 窄束長距離激光通信機(jī)和LED 準(zhǔn)全向光通信機(jī),從而建立水下高速信息傳輸?shù)囊苿?dòng)式局域組網(wǎng)方案。

水下光通信技術(shù)雖已取得多項(xiàng)重要成果,但距離成熟的工程應(yīng)用還有差距。主要表現(xiàn)在如何實(shí)現(xiàn)長距離通信和多對多隨機(jī)接入兩方面。后續(xù)將針對上述問題開展深入研究,著眼于水下光場調(diào)控理論研究、水下準(zhǔn)全向光通信技術(shù)和多址隨機(jī)接入等3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步提升國產(chǎn)水下光通信機(jī)性能,結(jié)合具體應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)水下光通信組網(wǎng)并進(jìn)行示范應(yīng)用。