水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì):研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

閆敬, 張志成, 楊晛, 商志剛, 關(guān)新平

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004; 2.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004; 3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150006; 4.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

海洋是國家戰(zhàn)略資源的重要基地。我國擁有300萬平方公里海域面積,然而我國海洋監(jiān)測體系還不完善,水下目標(biāo)監(jiān)測手段匱乏。無論從國家戰(zhàn)略層面,還是從海洋預(yù)警監(jiān)測、海洋資源開發(fā)與保護(hù)方面,亟需構(gòu)建實(shí)用高效的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立在對(duì)船只的遠(yuǎn)洋、深海作業(yè)的安全保障方面起著無可比擬的作用,海洋無小事,事關(guān)我國國土安全,資源開發(fā)和研究勘探等眾多戰(zhàn)略部署。2022年11月最新公布的《國家自然科學(xué)基金“十四五”發(fā)展規(guī)劃》,強(qiáng)調(diào)了海洋安全的重要性,指出將“水下無人裝置與水面船舶互聯(lián)基礎(chǔ)理論為代表的空天地海協(xié)同信息網(wǎng)絡(luò)”放在十四五規(guī)劃的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。一般而言,水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括移動(dòng)潛器(通過攜帶傳感器形成動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn))、水面浮標(biāo)、水下溫鹽深等傳感器,主要以水聲通信的方式進(jìn)行交互,進(jìn)而協(xié)同完成水下目標(biāo)監(jiān)測任務(wù)。在上述系統(tǒng),定位是水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)全天候、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測的核心,其目的是通過節(jié)點(diǎn)間信息交互確定網(wǎng)絡(luò)自身以及外來目標(biāo)的位置信息。另一方面,岸基中心根據(jù)定位的需要形成調(diào)度控制環(huán),并將控制指令回傳給傳感器與潛器,進(jìn)而通過潛器協(xié)同控制的形式實(shí)現(xiàn)定位自主性和適應(yīng)性的提升?，F(xiàn)有方法通常將定位與協(xié)同控制分離設(shè)計(jì)[1-2],盡管可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度并易于擴(kuò)展,但會(huì)使通信資源相互競爭,且使得狀態(tài)信息傳遞出現(xiàn)延遲,在復(fù)雜多變的水下環(huán)境中,更容易產(chǎn)生控制偏差與定位誤差。因此,有必要對(duì)水下定位與追蹤控制進(jìn)聯(lián)合設(shè)計(jì),聯(lián)合提升定位與控制性能。

1 定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,水聲異步時(shí)鐘、聲線彎曲、傳輸高能耗等弱通信特性,以及水下時(shí)變流速場等復(fù)雜海洋環(huán)境,導(dǎo)致水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)面臨目標(biāo)定位誤差大、協(xié)同控制性能差、系統(tǒng)間耦合關(guān)系[3]表征不清等難題。如何在復(fù)雜海洋環(huán)境下克服水聲弱通信特性影響,突破水下高精度定位與協(xié)同控制的技術(shù)瓶頸,對(duì)水下定位與控制進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)(見圖1),已成為研究面臨的挑戰(zhàn)。需要強(qiáng)調(diào)的是,定位目的是確定水下目標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)的位置信息,進(jìn)而考慮異步時(shí)鐘、聲線彎曲、通信時(shí)延、噪聲與干擾等約束。將協(xié)同控制與定位聯(lián)合設(shè)計(jì),一方面使得定位為控制提供位置參考,另一方面使得控制反饋提升定位精度,最終提升整個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位精度與控制有效性。

圖1 定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)Fig.1 Joint design of localization and control

1.1 水下資源受限條件下異構(gòu)數(shù)據(jù)融合難

構(gòu)建水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí),為了適應(yīng)不同環(huán)境下不同的監(jiān)測要求,往往要將異構(gòu)終端[4]部署在不同的物理空間。但復(fù)雜的水下環(huán)境會(huì)導(dǎo)致終端感知到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)難以規(guī)避的時(shí)空偏差;同時(shí)由于設(shè)備的物理特性,異構(gòu)終端獲取到的來自感知對(duì)象的數(shù)據(jù)信息是不全面的,彼此之間具有差異性,甚至?xí)霈F(xiàn)沖突。為此,異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合有助于時(shí)空覆蓋范圍的擴(kuò)展,提升狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性。而水聲通信的帶寬受限,設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速率較低,限制了異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算處理能力。綜上,如何及時(shí)考慮異構(gòu)終端感知到的數(shù)據(jù)差異性,構(gòu)建感知融合模型至關(guān)重要。此外,異構(gòu)終端能量來源有限,往往是采用電池供電,同時(shí)水下環(huán)境的不可見性與不可訪問性,又使設(shè)備的故障檢測、維修和替換變得更加復(fù)雜。因此,異構(gòu)終端除考慮自身監(jiān)測和感知能力外,還應(yīng)考慮終端間的交互、設(shè)備耐用性和能量有效性。

1.2 水聲弱通信特性導(dǎo)致定位誤差大

目標(biāo)定位需要傳感器與潛器測量的物理量作為輸入,而物理量信息以聲波為載體,以海水為傳播介質(zhì)。水下通信環(huán)境惡劣,引擎聲、水生生物活動(dòng)聲、海浪與潮汐聲等環(huán)境噪聲會(huì)影響信號(hào)的信噪比,導(dǎo)致接收到的信號(hào)失真,難以準(zhǔn)確解析,從而產(chǎn)生定位誤差。此外,信號(hào)在傳播過程中受反射和散射等因素的影響會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)[5],信號(hào)發(fā)送端與接收端之間的相對(duì)位移會(huì)引發(fā)多普勒效應(yīng)從而導(dǎo)致載波偏移及信號(hào)幅度的降低,與多徑效應(yīng)并發(fā)的多普勒頻展將影響信息解碼,使得目標(biāo)動(dòng)態(tài)感知困難。同時(shí),水下各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘的差異引發(fā)的時(shí)鐘異步問題與非均勻介質(zhì)引起聲速大范圍變化導(dǎo)致的時(shí)延抖動(dòng)和聲線彎曲效應(yīng)將進(jìn)一步降低定位的質(zhì)量。

1.3 復(fù)雜海洋環(huán)境降低協(xié)同控制有效性

隨著水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向大型化和復(fù)雜化發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多,節(jié)點(diǎn)之間的連接和相互作用也變得更加復(fù)雜。同時(shí),協(xié)同控制需要節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)信息流通與交換來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分工、協(xié)同決策和共同目標(biāo)的完成。由于水聲信道通信距離短、鏈路穩(wěn)定性差以及洋流等動(dòng)態(tài)擾動(dòng)與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性導(dǎo)致的水聲通信網(wǎng)絡(luò)的脆弱性及時(shí)變性,會(huì)產(chǎn)生局部攝動(dòng)、狀態(tài)延遲與鏈路動(dòng)態(tài)。這些不確定因素通過水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接及耦合關(guān)系不斷傳播,直接或間接作用到控制單元,嚴(yán)重降低了系統(tǒng)協(xié)同控制的有效性。因此,在對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與優(yōu)化過程中,除了需要考慮單個(gè)傳感器或潛器的反饋控制率[6]外,必須綜合考慮水下環(huán)境與通信性能的影響,統(tǒng)籌整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局優(yōu)化。遺憾的是,由于目前技術(shù)水平的限制,很多重要的狀態(tài)無法實(shí)時(shí)反饋,關(guān)鍵的參數(shù)難以準(zhǔn)確測量,直接影響到潛器之間的協(xié)同策略以及各控制器的具體實(shí)現(xiàn)。

2 水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位技術(shù)

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位技術(shù)是水下傳感器技術(shù)與水下通信技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)重要分支。通過具備感知、傳輸、控制功能的水下傳感器或潛器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和分析,獲得被定位目標(biāo)的位置,在海洋領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用[7]。

2.1 水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般由3個(gè)部分組成:傳感器節(jié)點(diǎn)部分、通信與數(shù)據(jù)傳輸部分、網(wǎng)絡(luò)管理與控制部分[8]。傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)組件,它們被部署在水下環(huán)境中,用于感知和采集環(huán)境中的各種信息。通信與數(shù)據(jù)傳輸部分包括水下通信設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,用于實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)管理與控制部分涉及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、?jié)點(diǎn)部署與維護(hù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸調(diào)度等任務(wù),通常由位于地面或云端服務(wù)器的岸基服務(wù)中心擔(dān)任[9]。岸基中心收集和處理水下傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸而來的數(shù)據(jù),具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、維護(hù)和管理等功能,以便確保水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性與可靠性。圖2給出了一個(gè)常見的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Underwater network system architecture

2.2 水下通信技術(shù)

由于水下環(huán)境的復(fù)雜性和通信信道的不穩(wěn)定性,傳統(tǒng)的陸地通信技術(shù)應(yīng)用在水下環(huán)境時(shí)往往要面臨失靈的風(fēng)險(xiǎn)。目前,水下通信主要以聲波的方式所實(shí)現(xiàn),并經(jīng)過30年左右的發(fā)展,在理論和實(shí)驗(yàn)研究上均取得了長足的進(jìn)步,但仍有諸多難點(diǎn):1)水聲通信具有嚴(yán)重的帶寬限制,同時(shí)聲學(xué)信號(hào)比無線電的傳播速率低5個(gè)數(shù)量級(jí),信號(hào)傳播速度慢;2)受水下介質(zhì)不均勻性而引起的聲速大范圍變化(1 400～1 600 m/s),往往會(huì)產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)和聲線彎曲效應(yīng);3)聲波信號(hào)在水中傳播時(shí),由于反射、散射和衰減等因素的影響會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生傳播延遲擴(kuò)展和信號(hào)失真,降低通信質(zhì)量;4)水下布設(shè)通信節(jié)點(diǎn)成本高,導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稀疏;5)水聲通信在信息傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生能量擴(kuò)散,且通信能量大;6)由于水下通信位于開放的環(huán)境,會(huì)遭受未知攻擊者的攻擊和竊聽。針對(duì)這些難點(diǎn),研究者們正在不斷探索和開發(fā)新的通信方式和技術(shù)來提高通信能力,改善聲波傳播模型和相關(guān)調(diào)制解調(diào)技術(shù)等提高通信效率和可靠性,同時(shí)不斷完善水下節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和部署方式,以適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境。這些努力將為水下通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供有力支撐。

多載波調(diào)制技術(shù)可以極大地提高帶寬利用率,正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)便是一種經(jīng)過驗(yàn)證的多載波通信系統(tǒng),具有有效應(yīng)對(duì)頻率選擇性和延遲擴(kuò)展的能力。Murad等[10]設(shè)計(jì)了一種用于水下通信的OFDM仿真模型,并提供了一種修改和調(diào)整各種參數(shù)的工具。Zhang等[11]設(shè)計(jì)了一種基于深度學(xué)習(xí)的OFDM接收機(jī),與現(xiàn)有的深度神經(jīng)網(wǎng)OFDM接收機(jī)相比,使用該模型可以精確定制更加復(fù)雜的水聲通信。而單載波頻域均衡技術(shù)(single carrier frequency domain equalizati,SC-FDE)能夠降低多載波系統(tǒng)的峰均比和對(duì)相位噪聲的敏感性,同時(shí)計(jì)算復(fù)雜度較低。Si等[12]提出了一種先驗(yàn)信息輔助方案,通過在SC-FDE傳輸幀中插入循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔,獲得更精確的信道長度和稀疏度先驗(yàn)信息,避免組間干擾。Tong等[13]提出了一種基于迭代子塊的接收機(jī)算法,將每個(gè)時(shí)變塊劃分為多個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)子塊,后通過迭代削弱頻間干擾。同時(shí)根據(jù)水聲的傳播特性提出了時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù),利用聲場的線性和互易性,把海洋信道本身當(dāng)作匹配濾波器,對(duì)陣接收信號(hào)進(jìn)行合并處理。該技術(shù)可以提高水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信速度和可靠性,降低通信功耗,減少信息傳遞的延遲,并且增強(qiáng)水下通信的抗干擾能力。Jing等[14]設(shè)計(jì)了一種二維被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)接收機(jī),在時(shí)延多普勒域?qū)崿F(xiàn)了空間、時(shí)間和頻率聚焦,可以在較低的復(fù)雜度下獲得與傳統(tǒng)消息傳遞算法相似的性能。Zhao等[15]利用聲學(xué)鏈路空間依賴性產(chǎn)生的自然鏈路特征,提出了一種利用最大時(shí)間反轉(zhuǎn)共振能量值的認(rèn)證方案,用于檢測欺騙攻擊。此外,為了應(yīng)對(duì)可能存在的攻擊和竊聽風(fēng)險(xiǎn),軍用通信往往對(duì)隱蔽性有一定的要求。文獻(xiàn)[16-17]研究了使用仿生技術(shù)來進(jìn)行偽裝的水下通信方案,信號(hào)發(fā)射源通過模擬海洋哺乳動(dòng)物叫聲來傳遞信號(hào)。但由于海洋動(dòng)物往往有其特定的分布區(qū)域,例如在沒有海豚的區(qū)域,便無法通過模仿其聲音來進(jìn)行偽裝。為此Biao等[18]提出了一種將信號(hào)隱藏在自然背景噪聲和混響中的通信方法。

隨著科技的不斷進(jìn)步,激光通信和電磁通信等通信手段也逐步應(yīng)用于水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其特點(diǎn)如表1所示。Zhang等[19]提出了一個(gè)受寬帶背景噪聲影響的水下無線光通信系統(tǒng)性能的數(shù)值模型和相關(guān)過濾條件,Zhou等[20]建立了水下無線光通信的數(shù)學(xué)模型,對(duì)50 m以上的遠(yuǎn)距離無線光通信進(jìn)行設(shè)計(jì)。Yang等[21]提出了一種基于超緊湊極低頻磁力傳輸換能器的遠(yuǎn)程水下電磁通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字編碼調(diào)制跨越水-空界面的遠(yuǎn)距離傳輸。

表1 3種水下通信技術(shù)的比較Table 1 Comparison of three underwater communication technologies

2.3 定位算法

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中常用的聲學(xué)定位方法可分為3類[22]。第1類是基于到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)的方法,基本原理是測量水下傳感器節(jié)點(diǎn)到定位目標(biāo)的時(shí)間延遲。由于時(shí)間延遲與發(fā)射端到接收端的距離成正比,因而可以通過計(jì)算不同傳感器節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)位置的時(shí)間延遲,推算出定位目標(biāo)的位置。TOA定位結(jié)果的準(zhǔn)確性,高度依賴視距路徑測量的準(zhǔn)確性。然而,真實(shí)的聲學(xué)信號(hào)在水下信道傳播的過程中往往會(huì)受到嚴(yán)重的多徑效應(yīng)的影響,并且聲線是彎曲傳輸?shù)?。為?文獻(xiàn)[23]利用分層近似、逐層計(jì)算的方式對(duì)聲線進(jìn)行補(bǔ)償,文獻(xiàn)[24-25]給出了時(shí)鐘異步與聲線彎曲模型:

T=αt+β

(1)

(2)

圖3 發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)之間聲線彎曲示意Fig.3 Schematic diagram of sound line bending between the sending and receiving points

需要注意的是,基于到達(dá)時(shí)間的定位方法非常依賴于時(shí)間的同步,并且常常配合其他的技術(shù)一起使用。Peters等[26]便提出了一種基于混合到達(dá)方向(direction of arrival,DOA)和TOA的無線傳感器定位算法。而Yi等[27]提出了一種基于TOA的跟蹤同步方法,用于解決分布式水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不并發(fā)而導(dǎo)致的時(shí)間同步問題。同時(shí),大多數(shù)基于多徑信道的TOA估計(jì)方式,都是利用直達(dá)信號(hào)和反射信號(hào)之間的互相關(guān)特性來消除多徑效應(yīng)的影響。鑒于此,Kostenko等[28]首先計(jì)算接收信號(hào)的鏡像導(dǎo)數(shù),后通過移動(dòng)平均值對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,用于實(shí)現(xiàn)檢測強(qiáng)反射信號(hào)中的弱直達(dá)信號(hào)的目的。Jiang等[29]將信道參數(shù)的估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為稀疏表示問題,從而實(shí)現(xiàn)二維網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間延遲和多徑信號(hào)衰減幅度的聯(lián)合估計(jì)。但以上方法,計(jì)算量龐大,這對(duì)于需要迅速反應(yīng)的實(shí)時(shí)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說是難以實(shí)現(xiàn)的。于是Sund等[30]提出了一種基于決策樹的直接信號(hào)選擇算法,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)直達(dá)信號(hào)的高速率和高精確率選擇。此外,為避免水下動(dòng)物咬合,氣泡破裂、潛器引擎震動(dòng)等產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲干擾水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),Diamant等[31]在TOA定位的過程中引入一種聚類的方法來將匹配濾波器輸出處的樣本識(shí)別為信號(hào)或噪聲。

第2類是基于到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival,TDOA)的方法,其主要原理是利用定位目標(biāo)到達(dá)水下傳感器的時(shí)間差來計(jì)算目標(biāo)位置。此方法無需獲知兩者之間的傳輸時(shí)間,因此目標(biāo)源和傳感器之間可以是異步的,但是傳感器之間需要同步。具體過程包括:收集傳感器數(shù)據(jù)、計(jì)算時(shí)間差、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)、求解目標(biāo)位置。首先,水下傳感器接收聲波信號(hào),并分別記錄各自的時(shí)間戳,然后計(jì)算傳感器之間的到達(dá)時(shí)間,利用時(shí)間差構(gòu)建距差方程。在之后的求解過程中,可以分為迭代求解法和非迭代求解法。由于水下環(huán)境復(fù)雜,受到多徑效應(yīng)和聲線彎曲的影響,目標(biāo)函數(shù)一般較為復(fù)雜,很難通過求解非線性方程組來計(jì)算目標(biāo)位置,故常常采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行迭代求解。通常TDOA需要至少4個(gè)傳感器,才可對(duì)三維空間的目標(biāo)進(jìn)行定位。但Mandi等[32]在通過壓力傳感器確定水下聲源深度位置的情況下,實(shí)現(xiàn)僅僅使用2個(gè)聲波接收器便實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的定位,降低了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。同時(shí),對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言,為延長傳感器節(jié)點(diǎn)壽命,應(yīng)避免頻繁采樣,Fyhn等[33]使用壓縮傳感(compressed sensing,CS)的方式來減少傳感器采樣,在已知表示矩陣的情況下,信號(hào)的奈奎斯特率樣本可以從其子奈奎斯特率CS樣本(CS序列)中恢復(fù)出來。但是由于所有CS-TDOA估計(jì)都需要從亞奈奎斯特速率CS序列中重建,而重建算法又是非線性的,這在水下強(qiáng)噪聲環(huán)境中,會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。由此Cao等[34]提出了使用部分傅里葉系數(shù)以實(shí)現(xiàn)CS-TDOA估計(jì)的非相干處理。Salari等[35]利用Hadamard矩陣的性質(zhì),提出了一種避免CS重建的新框架,并使用CS測量直接計(jì)算目標(biāo)位置。此外,Mourya等[36]為大規(guī)模水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了具有魯棒性的TDOA定位方案,即僅通過監(jiān)聽來自多個(gè)錨點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào),以此達(dá)到節(jié)省信道帶寬和能量、延長節(jié)點(diǎn)壽命的目的。Kim等[37]設(shè)計(jì)了一組通過計(jì)算TDOA測量來捕獲目標(biāo)的潛器編隊(duì),能夠避免目標(biāo)估計(jì)的發(fā)散,提升定位性能。而考慮到水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)由于缺少傳感器接收節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致定位模糊與傳感器節(jié)點(diǎn)間無法協(xié)作的情況,Alexandri等[38]提出了一種到達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)間差的定位算法,該算法通過在非凸平面上求解非線性優(yōu)化問題,獲得目標(biāo)位置。Sun等[39]提出了一種廣義的二階到達(dá)時(shí)間差定位算法,消除了信號(hào)周期數(shù)的限制,且可以任意選擇定位節(jié)點(diǎn),從而提高了水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定位精度。

第3類是基于到達(dá)方向的方法,與前兩者不同,水下傳感器接收端有多個(gè)換能器,通過測量換能器接受信號(hào)的相位差或者時(shí)間差,進(jìn)而計(jì)算信號(hào)到達(dá)的方向角,最終推斷出定位目標(biāo)的位置。在這個(gè)過程中,傳感器使用多個(gè)換能器接受信號(hào)源發(fā)射的聲波信息,通過預(yù)處理來提高信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性,后根據(jù)各類測量方法,如時(shí)間差法、多普勒頻移法、相移法等,得到信號(hào)到達(dá)角度,最后將角度代入計(jì)算模型后得到目標(biāo)位置。DOA方法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于獲取角度信息等優(yōu)點(diǎn)。但由于DOA估計(jì)的性能依賴于信號(hào)端陣列的大小和換能器數(shù)量,而部署在小型潛器傳感器上的列陣很難達(dá)到其理想狀態(tài)。為此Li等[40]通過研究方向相關(guān)傳輸響應(yīng)的空間稀疏性,提出了小尺寸陣列DOA估計(jì)方法。Yang等[41]引入了壓縮傳感算法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)小單元陣列的高估計(jì)精度。而考慮到多徑效應(yīng)對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位精度的影響,Das等[42]提出了一種基于稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的相關(guān)向量計(jì)算法,Xiang等[43]提出了3種用于多徑環(huán)境下DOA估計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,Xie等[44]實(shí)現(xiàn)了對(duì)多徑信號(hào)的信源關(guān)聯(lián)、DOA和衰落系數(shù)估計(jì),Han等[45]提出了一種基于空間時(shí)頻分布的水下多徑信號(hào)被動(dòng)波到達(dá)方向估計(jì)算法?？紤]水下環(huán)境聲速不確定的影響,可使用聲速無關(guān)的方法,文獻(xiàn)[46]使用2個(gè)任意相交的均勻線性陣列來估計(jì)水下DOA,文獻(xiàn)[47]利用3個(gè)交叉線性陣列接收到的數(shù)據(jù)的互相關(guān)矩陣(CCM)來去除聲速因子。此外,Moreno等[48]通過優(yōu)化傳感器在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的部署位置來提高DOA定位精度。Kavoosi等[49]提出了矢量和各向同性水聽器相結(jié)合的DOA方法來估計(jì)水下三維網(wǎng)絡(luò)中未知源的位置。

3 協(xié)同控制技術(shù)

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定位需要通過對(duì)多個(gè)傳感器與潛器的協(xié)同控制來實(shí)現(xiàn)。協(xié)同控制架構(gòu)為協(xié)同控制提供了基本的組織結(jié)構(gòu),而協(xié)同控制策略則在這個(gè)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,使各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制目標(biāo)的完成。

3.1 協(xié)同控制架構(gòu)

協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用,它定義了傳感器之間的通信和協(xié)作方式,影響傳感器之間的信息交換、決策協(xié)調(diào)和任務(wù)執(zhí)行。通常水下傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種主要的形式:集中式、分布式、分層式。在集中式[50]架構(gòu)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)都要通過一個(gè)中央控制器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與信息的交換。優(yōu)點(diǎn)是,由于所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都連接著中央節(jié)點(diǎn),能夠便于中央控制器管理和控制整個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。并且當(dāng)需要增加新的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí),很容易并入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中,提高了擴(kuò)展性。但是當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。而分布式[51]架構(gòu)不需要中央控制器,傳感器節(jié)點(diǎn)之間可進(jìn)行自由的相互通信,每個(gè)傳感器都與整體的子集共享信息。這樣因某些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法工作時(shí),剩余節(jié)點(diǎn)仍可發(fā)揮作用,能夠盡可能保證水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常,也可通過數(shù)據(jù)分割、分布式儲(chǔ)存來保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性。但與之相對(duì)的,分布式架構(gòu)帶來了更高的復(fù)雜性與通信成本。分層式[52]架構(gòu)將傳感器劃分為多個(gè)層次,并要求傳感器按照不同層次進(jìn)行協(xié)作,通過各自的協(xié)議層傳遞信息和控制指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的操控。分層式通信可以靈活的根據(jù)不同的通信需求選擇相應(yīng)的通信協(xié)議來滿足需求。并且在一次等長距離的通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,分層傳輸?shù)南牡哪芰恳∮诩惺絺鬏?。但分層式架?gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,要考慮不同層級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的交互與協(xié)同。

3.2 水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制策略

潛器的協(xié)同控制指的是在水下環(huán)境中,通過多個(gè)潛器之間的通信與協(xié)作,共同完成水下任務(wù)。靜態(tài)傳感器往往探測范圍有限,當(dāng)被檢測目標(biāo)超出其探測邊界時(shí),便無法提供目標(biāo)位置的信息。因此,可以通過部署一定數(shù)量的能夠自主移動(dòng)的潛器,擴(kuò)展探測范圍,亦可對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行近距離探測,在搭載視覺模塊的情況下,收集、回傳視訊信息。還可以根據(jù)需要向傳感器提供自定位參考的同時(shí),對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)與拓?fù)湫扪a(bǔ)。因此,潛器之間合理的控制十分重要[53]。

通常,對(duì)于潛器的控制一般有基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者、基于虛擬結(jié)構(gòu)、基于人工勢場、基于圖論以及基于行為這5種?；陬I(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者[54-55]的控制方式是目前對(duì)潛器進(jìn)行協(xié)同控制最常用的一種,潛器被劃分為領(lǐng)導(dǎo)者或跟隨者2種,跟隨者根據(jù)設(shè)定追隨領(lǐng)導(dǎo)者的軌跡,控制中心通過控制領(lǐng)導(dǎo)者來控制整個(gè)潛器編隊(duì)。而虛擬結(jié)構(gòu)法[56-57]將所有潛器作為一個(gè)虛擬整體,設(shè)定一個(gè)虛擬幾何中心,并以此為參考,進(jìn)行潛器的協(xié)同控制。但由于需要保持同一個(gè)剛性結(jié)構(gòu),缺乏靈活性和適應(yīng)性。相對(duì)的,基于行為的控制策略[58-59]靈活性更強(qiáng),因?yàn)槊總€(gè)潛器根據(jù)其感知到的環(huán)境信息或者是設(shè)定的目標(biāo)任務(wù),選擇適當(dāng)?shù)膸в心康男缘男袨榛騽?dòng)作來響應(yīng)其他潛器或者與環(huán)境進(jìn)行交互。同樣,人工勢場法[60-61]也有著較強(qiáng)的靈活性與實(shí)時(shí)性,能夠解決潛器的水下避障問題。主要思路是將水下空間抽象設(shè)定為人工勢場。通常有2種勢場:吸引勢場和排斥勢場,引力勢場能夠?qū)撈魑侥繕?biāo)點(diǎn)附近,而斥力勢場則使?jié)撈鞅荛_水下礁石、珊瑚等障礙物。最后,在基于圖論[62-63]的方法中潛器協(xié)同控制系統(tǒng)被建模為一個(gè)圖結(jié)構(gòu),圖中的節(jié)點(diǎn)由潛器擔(dān)任,圖中的邊為潛器之間的關(guān)系和通信路線。

潛器模型的不確定會(huì)影響潛器的控制,從而影響編隊(duì)控制的穩(wěn)定性。為應(yīng)對(duì)潛器航行過程中的不確定性,Qiu等[64]提出了一種基于梯度下降的自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制方法并設(shè)計(jì)了誤差補(bǔ)償策略,Li等[65]提出了基于微分幾何的精確反饋線性化滑模控制方法。Yan等[66]采用了位置/速度雙層通信拓?fù)?并根據(jù)環(huán)境的惡劣程度將其通信狀態(tài)分為有界和無界通信時(shí)變拓?fù)?并分別使用領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者和虛擬領(lǐng)導(dǎo)者方法對(duì)所提出的方法進(jìn)行了論證。同時(shí)考慮到多普勒速度測儀在水下環(huán)境里不可用,文獻(xiàn)[67]開發(fā)了一種速度觀測器(圖4),聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)非奇異快速終端滑模追蹤控制器,使用自適應(yīng)方法估計(jì)模型的集總不確定性。

圖4 觀測器與追蹤控制器之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between observer and tracking controller

為降低能耗,Yan等[68]使用混合了人工勢場法和粒子群優(yōu)化的算法,通過不斷調(diào)整編隊(duì)路徑節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和分布狀態(tài),尋求最優(yōu)路徑。Zhu等[69]利用生物啟發(fā)式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)路徑規(guī)劃和有效導(dǎo)航。同時(shí)水下環(huán)境中,潛器之間的持續(xù)通信是困難的,為此Wang等[70]提出了一種基于間歇通信的任務(wù)分配機(jī)制來解決線性和非線性系統(tǒng)的協(xié)同控制問題,Chen等[71]對(duì)具有間歇性無向通信的多自主水下航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種有限時(shí)間無速度交會(huì)的控制方法。此外,Yan等[72]提出了一種分散觀測器-控制器方案,為每個(gè)潛器開發(fā)一個(gè)觀測器來估計(jì)系統(tǒng)的整體狀態(tài),然后將其與集體任務(wù)變量集成以產(chǎn)生控制輸入,同時(shí)降低了執(zhí)行器飽和的風(fēng)險(xiǎn)。Lin等[73]在部分執(zhí)行器故障時(shí),使用基于線性反饋方法,對(duì)潛器進(jìn)行線性化處理,從而提升控制系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。而在真實(shí)水下環(huán)境里,多潛器協(xié)同控制系統(tǒng)與多潛器節(jié)點(diǎn)相比,信道在受到海洋環(huán)境干擾或?qū)κ止魰r(shí)往往更容易出現(xiàn)故障,因此對(duì)其可靠性的評(píng)估變得越來越重要[74],Liang等[75]確立了標(biāo)準(zhǔn)秩分布熵、全終端可靠性和標(biāo)準(zhǔn)自然連通性3個(gè)指標(biāo)用來反應(yīng)多潛器協(xié)作系統(tǒng)可靠性的不同方面。

4 定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)

在弱通信環(huán)境下,如何對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)定位準(zhǔn)確性與控制協(xié)同性的整體提升,是目前研究面臨的重點(diǎn)。

4.1 使用固定錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)

首先是使用固定錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。在所需要進(jìn)性目標(biāo)定位的區(qū)域架設(shè)浮標(biāo)[76],浮標(biāo)裝備全球定位系統(tǒng)(GPS)或者北斗定位模塊,能夠通過衛(wèi)星進(jìn)行低成本的自定位。然后,這些明確自身位置信息的浮標(biāo),將作為位置感知錨節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身的位置和時(shí)間信息,水下傳感器根據(jù)這些信息進(jìn)行自定位。但是這種方式對(duì)于大型水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說是非常不經(jīng)濟(jì)的,為確保定位的準(zhǔn)確性,浮標(biāo)的覆蓋密度必須和水下傳感器的密度相當(dāng)。類似的,也可以選擇一些傳感器節(jié)點(diǎn)賦予位置和時(shí)間信息,并將這些節(jié)點(diǎn)作為其他傳感器節(jié)點(diǎn)自定位的錨節(jié)點(diǎn)。一旦傳感器被定位和同步,它也將作為一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來使用。不斷迭代上述過程,直到所有的傳感器完成位置定位和時(shí)間同步。這種模式最主要的問題是精度低[77]。這種系統(tǒng)的定位和定時(shí)精度高度依賴于錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,在初始錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的情況下,系統(tǒng)的性能將受到嚴(yán)重制約[78-79]。此外,定位誤差在迭代中不斷傳遞,導(dǎo)致與真實(shí)位置偏差較大。同時(shí)靜態(tài)的傳感器很容易遭受攻擊,為了使開放的水下定位系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行,文獻(xiàn)[80]針對(duì)時(shí)間延遲攻擊,將目標(biāo)定位和攻擊檢測表述為整數(shù)規(guī)劃問題,使用期望最大化聯(lián)合求解攻擊大小與目標(biāo)位置。文獻(xiàn)[81]設(shè)計(jì)了水下傳感器節(jié)點(diǎn)的攻擊檢測與隱私保護(hù)定位算法,并給出了相應(yīng)的攻擊與隱私模型。圖5為文獻(xiàn)[81]給出的隱私保護(hù)實(shí)例。

圖5 隱私保護(hù)策略的實(shí)例Fig.5 Examples of privacy protection policies

4.2 引入移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)

由于固定錨節(jié)點(diǎn)覆蓋的范圍,嚴(yán)重限制著其探測定位范圍。而在廣闊的海域中部署廣泛的傳感器節(jié)點(diǎn)需要大量的成本和資源?？紤]其經(jīng)濟(jì)性,故在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中引入潛器作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位?？刂茲撈餮刂A(yù)先設(shè)定的軌跡進(jìn)行行駛,并定期對(duì)水下傳感器釋放信標(biāo)信號(hào)。在潛器信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的任何傳感器都可以接受其廣播的信標(biāo)信號(hào),然后通過定位算法進(jìn)行定位。潛器也可以被動(dòng)的接受由傳感器發(fā)出的信號(hào),繼而根據(jù)信號(hào)定位目標(biāo)設(shè)備?？偟膩碚f,使用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)可以提供更靈活、精確和適應(yīng)性強(qiáng)的定位解決方案。它們能夠適應(yīng)不同的定位場景,提高定位精度,因此在許多應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要的優(yōu)勢。對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言,海洋環(huán)境中的潮汐和水流的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)噪聲,從而對(duì)水下傳感器接收端獲得到的水聲信號(hào)產(chǎn)生影響。并且海洋運(yùn)動(dòng)還會(huì)造成水下傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng),從而影響定位精確性與控制準(zhǔn)確性。故在包括潛器和水下傳感器節(jié)點(diǎn)的混合架構(gòu)下,文獻(xiàn)[82]考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,提出了一種移動(dòng)性預(yù)測策略來計(jì)算下一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的位置,文獻(xiàn)[83]設(shè)計(jì)了一種基于無跡卡爾曼濾波的水下異步定位算法,消除強(qiáng)噪聲特性的影響。但是在求解的過程中,需要對(duì)算法里的非線性測量方程進(jìn)行近似線性化處理。這種近似處理的方式不可避免的會(huì)引入系統(tǒng)的模型誤差,從而導(dǎo)致定位與控制性能的下降。為此文獻(xiàn)[84]使用無跡變換來計(jì)算雅克比矩陣,后使用最小二乘求解,從而避免了近線性化產(chǎn)生的模型誤差。但由于最小二乘的特性,求得的結(jié)果可能是局部最優(yōu)解,而不是全局最優(yōu)解。以往在陸地環(huán)境中,通常采用凸優(yōu)化的方式使局部最優(yōu)解為全局最優(yōu)解。而考慮到水下這種具有復(fù)雜約束的問題,在凸優(yōu)化轉(zhuǎn)換的過程中非常困難甚至無解。故文獻(xiàn)[85]將迭代學(xué)習(xí)應(yīng)用于定位過程,并分別設(shè)計(jì)了基于監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)與半監(jiān)督學(xué)習(xí)的水下定位算法。

文獻(xiàn)[86]考慮水流等物理場對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位性能的影響,提出了一種捕獲未知水流參數(shù)的迭代最小二乘的估計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了弱通信約束下定位與流速場聯(lián)合估計(jì)、克服了流速場對(duì)控制過程帶來的不確定性,提高了定位精度。而文獻(xiàn)[87]給出了一個(gè)包含水面浮標(biāo)、潛器、主動(dòng)和被動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),提出了一個(gè)潛器輔助的定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)的方法,其中潛器為定位任務(wù)提供了空間重用機(jī)制(見圖6)。整個(gè)過程通過定位通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合控制。此外,Gong等[88]提出了一種基于多普勒頻移的水下定位算法,控制潛器協(xié)同定位,在保持低復(fù)雜度的情況下提高了定位精度。Wang等[89]提出使用單個(gè)水面移動(dòng)機(jī)器人和潛器進(jìn)行協(xié)同定位,在降低了控制難度的同時(shí),削減了成本。

圖6 時(shí)間戳傳遞過程Fig.6 The process of timestamp transmission

4.3 定位與追蹤聯(lián)合設(shè)計(jì)

潛器追蹤控制的實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋提升定位性能至關(guān)重要。現(xiàn)有的潛器追蹤控制方法,通常假設(shè)潛器位置是已知的且傳感器的反饋信息是可靠實(shí)時(shí)傳輸?shù)?然而水聲長時(shí)延、高能耗等弱通信特性使得上述假設(shè)在水下環(huán)境中很難保證。同時(shí)水下很多環(huán)境往往缺乏固定的參考節(jié)點(diǎn),GPS也無法在水下使用,盡管可通過自定位的形式向控制系統(tǒng)提供位置參考,但是水下自定位系統(tǒng)與控制系統(tǒng)在帶寬占用、能耗利用上存在互相競爭關(guān)系,潛器在航行過程中慣性測量單元受到加速度計(jì)漂移、陀螺儀噪聲等因素的影響,控制誤差不斷累積。此外,與陸地機(jī)器人相比,水下潛器的動(dòng)力學(xué)模型呈現(xiàn)強(qiáng)非線性、高耦合等特點(diǎn),且受水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素影響,使得建立潛器精確的動(dòng)力學(xué)模型非常困難,上述因素增加了潛器追蹤控制的難度。如何克服定位不完整約束,設(shè)計(jì)潛器追蹤控制器,以反饋提升水下定位-組網(wǎng)整體性能仍是一個(gè)開放且極具挑戰(zhàn)性的難題。Liu等[90]采用交互式多模型跟蹤算法來控制潛器,并將時(shí)間同步與定位相結(jié)合,用于提高移動(dòng)情況下的定位精度。Paull等[91]采用協(xié)同定位技術(shù),在對(duì)潛器控制的過程中,通過相互通信和合作,共同實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的估計(jì),從而提高定位的準(zhǔn)確性與控制可靠性。文獻(xiàn)[92]提出了一個(gè)基于多潛器協(xié)同定位的軌跡規(guī)劃的框架,并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了多潛器的可擴(kuò)展協(xié)同定位和多潛器的軌跡規(guī)劃算法。其中使用可擴(kuò)展協(xié)同定位來解決控制過程中慣性測量不斷累積誤差而引起的精度下降問題,軌跡規(guī)劃算法則將軌跡規(guī)劃與定位問題制定為同時(shí)考慮目標(biāo)檢測概率和跟蹤精度的凸優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[93]將當(dāng)前的信息融合到置信度傳播消息傳遞的方案中,使用流速場輔助協(xié)同定位降低了慣性測量累積誤差的影響,從而有效地減緩了潛器定位誤差的增長。文獻(xiàn)[94]開發(fā)一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的追蹤控制器,利用自定位和潛器之間的反饋關(guān)系(圖7),解決了在網(wǎng)絡(luò)信道異步時(shí)鐘通信和物理信道模型不確定性約束下潛器的自定位與跟蹤問題。具體來說,先使用基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的定位算法來對(duì)潛器位置的位置進(jìn)行估計(jì),然后通過基于可伸縮采樣強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的追蹤控制器驅(qū)動(dòng)潛器到目標(biāo)點(diǎn)。

圖7 潛器自定位與追蹤控制關(guān)系Fig.7 Relationship between self localization and tracking control of underwater robots

在以上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,潛器需要知道彼此的位置信息來避免碰撞,或充當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間相互通信,數(shù)據(jù)交換頻繁。為保證組網(wǎng)通訊過程的高效與可靠,同時(shí)減少能量的消耗,學(xué)者們從路由及其MAC協(xié)議等角度對(duì)通訊協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。Molins等[95]利用水下環(huán)境中較長的時(shí)延來實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)包的并發(fā)傳輸,減少數(shù)據(jù)碰撞的可能。Noh等[96]則開發(fā)了能夠適應(yīng)信道隨時(shí)空變化而產(chǎn)生改變的動(dòng)態(tài)拓?fù)銶AC協(xié)議。此外,Xia等[97]結(jié)合二分圖與維諾圖來降低通信能耗。Lu等[98]將通信地圖嵌入到通信協(xié)議之中,確保通信中斷狀態(tài)下的拓?fù)溥B通性。Yan等[99]使用最優(yōu)剛性圖的方法,實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B通性與能量有效性的協(xié)同最優(yōu)。

5 思考與展望

在過去幾十年中,我國水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從無到有、從弱到強(qiáng)的過程,并且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和設(shè)備的持續(xù)更新,在蓬勃發(fā)展的同時(shí),也出現(xiàn)了新的趨勢?；诖?從如下層面對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)未來進(jìn)行思考與展望。

1)多源融合的水下定位。

由于水下環(huán)境的特殊性,單一的傳感器或數(shù)據(jù)源可能無法提供足夠準(zhǔn)確的定位信息。而多源融合技術(shù)就像人腦處理綜合信息一樣,將不同類型的傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與集成,從而獲得更全面、更可靠、多維度的定位信息,充分利用數(shù)據(jù)冗余性和互補(bǔ)性,彌補(bǔ)單一傳感器的局限性和不足。例如,水下聲吶傳感器可提供距離和深度信息,而水下視覺傳感器則可提供地標(biāo)和目標(biāo)識(shí)別等信息,將2種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,從而生成更準(zhǔn)確的定位結(jié)果。但考慮到水下環(huán)境的復(fù)雜性以及定位目標(biāo)機(jī)動(dòng)性等因素的限制,如何對(duì)動(dòng)態(tài)多源傳感器信息進(jìn)行高效融合,從而組建水下定位網(wǎng)絡(luò)尚未得到充分解決。

2)水文信息的快速獲取。

相較于陸地環(huán)境,海洋環(huán)境中傳感器定位與潛器的航行需要三維水文環(huán)境信息,如聲速剖面圖、洋流信息、內(nèi)波情況等。水下環(huán)境的變化不僅影響聲波的傳播,還會(huì)影響傳感器與潛器的性能與航行安全。在潮汐變化的時(shí)候,海水之間流動(dòng)混合,造成海水的鹽度和壓力發(fā)生短期變化,聲線傳播途徑改變導(dǎo)致以往的水文信息過時(shí),如果繼續(xù)沿用會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生定位誤差。因此,對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行不同尺度的預(yù)測是必須的。根據(jù)指定海域的歷史水文信息,氣象衛(wèi)星以及浮式觀測平臺(tái)獲取的實(shí)時(shí)觀測信息,及時(shí)更新并調(diào)整海洋動(dòng)力模型的參數(shù)和狀態(tài),從而更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化,是未來研究的重點(diǎn)。

3)虛擬仿真平臺(tái)的搭建。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠模擬真實(shí)的水下環(huán)境,并且根據(jù)需求進(jìn)行靈活調(diào)整和控制,進(jìn)行虛擬環(huán)境下的定位預(yù)演。操縱者通過對(duì)水下場景參數(shù)的自定義,如水流速度、水下地形、水聲傳播特性等,滿足不同的測試和研究需要,這種可控性使得對(duì)定位算法的評(píng)估更加方便和準(zhǔn)確。同時(shí),可以生成不同的環(huán)境來對(duì)潛器進(jìn)行訓(xùn)練,從而使?jié)撈髂軌蜻m應(yīng)持續(xù)變化的海洋環(huán)境。在虛擬水下仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,通過預(yù)先優(yōu)化和驗(yàn)證,在降低了潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),減少設(shè)備損耗和維護(hù)費(fèi)用,并節(jié)約時(shí)間和人力資源。但現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)其真實(shí)性和準(zhǔn)確性仍有待提高,需要進(jìn)一步改進(jìn)模型和算法,考慮更多的物理和環(huán)境因素,以更好地模擬真實(shí)的水下條件。

4)探測-通信-控制一體化。

定位組網(wǎng)在探測-通信-控制一體化體系中起著承上啟下的作用,但現(xiàn)有的水下探測、通信與控制系統(tǒng)往往是獨(dú)立的。探測系統(tǒng)聚焦于使用聲吶裝置來接受目標(biāo)輻射源傳來的噪聲與信息,通過濾波、傅里葉變換、解碼等信號(hào)處理的手段,提取目標(biāo)的方位和距離等信息。通信系統(tǒng)主要關(guān)注如何設(shè)計(jì)高效率與高性能的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信協(xié)議,使水聲信號(hào)在發(fā)射端與接收端之間進(jìn)行可靠傳輸?？刂葡到y(tǒng)主要關(guān)注如何設(shè)計(jì)多種類型的控制器,實(shí)現(xiàn)潛器平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。探測系統(tǒng)與通信系統(tǒng)功能上具有一定的重疊性,如果分離設(shè)計(jì)只考慮彼此的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,會(huì)造成在頻譜資源、能耗上的相互競爭,無法達(dá)到全局最優(yōu)。因此,采用探測、通信、控制獨(dú)立設(shè)計(jì)的模式,一方面控制指令會(huì)因缺少信息而受到限制,另一方面探測系統(tǒng)與通信系統(tǒng)之間會(huì)因缺少反饋機(jī)制,限制水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的整體性提升。綜上,有必要建立水下探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計(jì)框架(圖8),最大限度地把水下信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測性能的整體性提升。

圖8 水下信息物理系統(tǒng)探測、通信、控制內(nèi)部關(guān)聯(lián)Fig.8 Internal relationship of detection, communication and control in underwater cyber physical system

在作者前期工作[100-103]中,將水聲信道模型引入到追蹤控制中,提出了信息無處不在的潛器航跡規(guī)劃策略,同時(shí)工作[104]將水聲通信與潛器遠(yuǎn)程控制結(jié)合,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了水下遙操作協(xié)同控制。上述工作,對(duì)水下通信-控制進(jìn)行了前期探索,但是還沒有完全實(shí)現(xiàn)水下探測-通信-控制一體化。如何揭示三者間關(guān)聯(lián)并突破技術(shù)瓶頸,也是未來研究重點(diǎn)。

6 結(jié)束語

定位對(duì)水下目標(biāo)監(jiān)測至關(guān)重要,而控制又密切影響著定位的精度。為此本文介紹了水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)涵,概述了水下網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)與協(xié)同控制技術(shù),在此基礎(chǔ)上討論了定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì),并對(duì)未來研究方向進(jìn)行了思考與展望,可供后續(xù)定位-控制一體化設(shè)計(jì)研究參考。