異構(gòu)無人潛水器水聲通信技術(shù)發(fā)展綜述

童峰, 周躍海, 陳東升, 李姜輝, 張小康

(1.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院, 福建 廈門 361005; 2.廈門大學(xué) 導(dǎo)航與位置服務(wù)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 福建 廈門 361005; 3.廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361005)

隨著海洋資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、油氣開發(fā)、國防安全與權(quán)益維護(hù)等各領(lǐng)域?qū)Ｑ笮畔@取、傳輸?shù)男枨笱杆僭黾?海洋信息技術(shù)成為推進(jìn)海洋強(qiáng)國建設(shè)的重要支撐[1-6]。作為快速發(fā)展的水下移動平臺,各類無人潛水器因其機(jī)動靈活、可搭載多種功能載荷,如海洋要素傳感器、側(cè)掃聲吶、定位基陣、高分辨率相機(jī)、聲學(xué)傳感器、水流剖面儀、采樣器等,且能適應(yīng)復(fù)雜水下環(huán)境,因而在多樣化海洋任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

以自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)、水下滑翔機(jī)(underwater glider, UG)、波浪滑翔器(wave glider, WG)等為典型代表的異構(gòu)無人潛水器平臺的迅速發(fā)展與定型成熟,使得移動組網(wǎng)觀測具備了可擴(kuò)展的條件,能夠執(zhí)行更復(fù)雜、更智能、持續(xù)時(shí)間更久、覆蓋范圍更廣的任務(wù),已經(jīng)成為近海、遠(yuǎn)海觀測與探測的重要手段[2,7-8];同時(shí),AUV、滑翔機(jī)、波浪滑翔機(jī)等不同無人潛水器平臺在功能、特點(diǎn)、載荷、適用范圍存在差異和互補(bǔ)性,使得采用異構(gòu)平臺的組網(wǎng)逐漸成為海洋觀測探測技術(shù)發(fā)展的一種趨勢,相關(guān)技術(shù)的研究也成為重點(diǎn)[2]。

水聲通信是水下通過聲波實(shí)現(xiàn)的無線信息傳輸技術(shù)[10-12]。具體地,水聲通信設(shè)備通過在發(fā)送端把信息加載在聲波上,聲波通過水介質(zhì)把信息傳輸?shù)竭_(dá)接收端后,利用解調(diào)處理將信息從聲波分解出來,從而完成水聲通信過程。

無人潛水器平臺的運(yùn)動控制、信息互傳、協(xié)同等的實(shí)現(xiàn)則需要穩(wěn)定的水聲通信鏈路來支持,目前通常采用通用水聲通信機(jī),或研發(fā)專用水聲通信機(jī)的方式?？紤]到異構(gòu)無人潛水器由于具有不同的工作模式、航行狀態(tài)、平臺構(gòu)型、適裝要求等特點(diǎn),與之相應(yīng)的水聲通信成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)和前沿。近年來國內(nèi)外開展了相關(guān)研究并在模型方法理論、技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及工程試驗(yàn)示范等方面取得了長足的進(jìn)展[10-11]。

本文對異構(gòu)無人潛水器水聲通信現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行梳理。

1 異構(gòu)無人潛水器水聲通信面臨的挑戰(zhàn)

作為水下無人移動平臺,無人潛水器水聲通信面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)[13-16]。首先,水聲信道尤其是淺海信道傳輸特性較為惡劣,具體表現(xiàn)為時(shí)變多徑、潛水器移動導(dǎo)致多普勒、信道變化性大以及寬帶有限等問題,海水邊界、海洋動力以及時(shí)空、噪聲的微小變化都會影響信道的穩(wěn)定,干擾信號的傳輸;同時(shí),不同平臺構(gòu)型、任務(wù)屬性、工作環(huán)境下異構(gòu)無人潛水器對水聲通信的性能特點(diǎn)、環(huán)境適應(yīng)能力、適裝性能提出了更高的要求,對異構(gòu)無人潛水器平臺特性的適配也成為不同無人潛水器平臺水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考慮因素。

1.1 移動水聲信道

1.1.1 多徑

水聲信道是一個(gè)極其復(fù)雜的隨機(jī)時(shí)-空-頻變參信道,存在強(qiáng)多徑、強(qiáng)衰減、高噪聲、嚴(yán)重帶限等惡劣影響因素。其中,多徑效應(yīng)是聲波在傳播過程中受邊界(海面、海底)反射或非均勻水體散射影響造成聲波在多條路徑上傳播的現(xiàn)象。

多徑效應(yīng)對通信接收信號造成的碼間干擾inter-symbol interference,ISI)、頻率選擇性衰落是制約水聲通信性能的重要因素[17]。除此之外,異構(gòu)無人潛水器航行過程中隨著時(shí)間和地點(diǎn)的變化其對應(yīng)的聲傳播經(jīng)歷不同的模式、受不同機(jī)理、不同時(shí)間尺度影響因素的疊加影響,多徑時(shí)延擴(kuò)展、稀疏程度、動態(tài)特性等特征均會發(fā)生明顯變化,導(dǎo)致水聲通信接收機(jī)失配,對保證水聲通信性能造成嚴(yán)重困難。

1.1.2 多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)對通信的影響主要在2個(gè)方面:1)引起接收信號的頻率偏移;2)引起符號時(shí)域的壓縮或擴(kuò)展。無論是對相干解調(diào)還是非相干解調(diào),嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)都會導(dǎo)致通信性能的快速下降[17]。

水聲信道中多普勒效應(yīng)的主要產(chǎn)生原因是接收器和發(fā)射器之間的相對運(yùn)動、以及由海面波運(yùn)動、潮、涌、湍流等海洋環(huán)境因素造成的海水介質(zhì)時(shí)變性。

對移動水聲通信而言,水下發(fā)射器和接收器的相對速度與聲速的比率遠(yuǎn)大于無線電環(huán)境中的比率,因此多普勒效應(yīng)對通信系統(tǒng)的影響要比無線電通信環(huán)境嚴(yán)重得多;同時(shí),異構(gòu)無人潛器中包含了航速較快、航行狀態(tài)較復(fù)雜的潛水器類型,如高機(jī)動性AUV航速可達(dá)20 kn,導(dǎo)致隨機(jī)、強(qiáng)烈的多普勒特性[12-13]。

從圖1可以看到不同運(yùn)動狀態(tài)下會產(chǎn)生復(fù)雜的多普勒效應(yīng),難以用簡單運(yùn)動模型進(jìn)行參數(shù)描述。而異構(gòu)無人潛水器由于工作模式、航行特性不同,其運(yùn)動狀態(tài)也呈復(fù)雜多樣特性,因此,如何在這樣的情形下有效抑制多普勒效應(yīng),是無人潛水器水聲通信的關(guān)鍵之一。

圖1 典型運(yùn)動情況下的多普勒變化[18]Fig.1 Doppler changes under typical motion conditions[18]

1.2 無人潛水器任務(wù)約束

對于幾類典型的異構(gòu)無人潛水器而言,大型AUV一般用于深海海域,小型AUV則更為靈活,可應(yīng)用于多樣化的工作水域,包含封閉水域、淺海、深海,近底工作型AUV可貼近海底復(fù)雜地形;水下滑翔機(jī)呈周期性深度變化,而波浪滑翔機(jī)則航行于水氣界面。不同工作水域帶來的是完全不同的水聲信道條件,受不同動態(tài)特性、反射特性的界面影響,從而導(dǎo)致完全不同的多徑結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步,具備多樣化任務(wù)能力的混合構(gòu)型無人潛水器則要求通信系統(tǒng)對工作環(huán)境具有更寬泛的適應(yīng)能力。

在任務(wù)屬性方面,無人潛水器間通信方式繁多,距離不定,各種通信方式對通信系統(tǒng)技術(shù)的要求也不同。如移動平臺與母船間互相通信,當(dāng)傳輸目標(biāo)探測信息時(shí),選擇上行通信,當(dāng)傳達(dá)指揮命令時(shí),選擇下行通信。典型地,2種通信方式對數(shù)據(jù)率的要求有所不同:當(dāng)傳輸指令、平臺參數(shù)信息時(shí),通信數(shù)據(jù)量小,對數(shù)據(jù)率要求不高;傳輸圖片、波形等包含大容量數(shù)據(jù)的信息時(shí),則要求較高的通信速率。

1.3 無人潛水器平臺約束

與通用水聲通信系統(tǒng)相比,異構(gòu)無人潛水器水聲通信系統(tǒng)搭載于潛水器平臺,因此平臺自身對水聲通信系統(tǒng)也帶來不同方面的約束。

首先,在平臺適裝性方面,小型化無人潛水器雖具有輕便、機(jī)動性好的特點(diǎn),但也面臨尺寸、負(fù)載、能源等方面的嚴(yán)苛限制,所以其搭載的水聲通信系統(tǒng)在架構(gòu)、算法設(shè)計(jì)上還需考慮較低的功耗、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

同時(shí),作為移動平臺,無人潛水器航行過程中運(yùn)動、控制及任務(wù)載荷工作導(dǎo)致的平臺自噪聲也對水聲通信產(chǎn)生明顯的干擾。

荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織S. Giodini[19]、美國羅德島大學(xué)Melodie Ross[20]等對AUV、水下滑翔機(jī)自噪聲及其對水聲通信性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)評估,結(jié)果表明平臺自噪聲是無人潛水器水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考慮因素。如圖2所示為[20]實(shí)測UG下潛過程俯仰、泵油、橫滾等操作及海鳥電導(dǎo)率/溫度傳感器(seabird electronics conductivity and temperature,SBECT)對應(yīng)的噪聲譜,由圖2可見其自噪聲覆蓋了常用的水聲通信頻帶。

圖2 實(shí)測UG自噪聲特性[20]Fig.2 Measured UG self-noise characteristics[20]

2 無人潛水器水聲通信典型制式及其發(fā)展

面向異構(gòu)無人潛水器應(yīng)用的水聲通信技術(shù),與通用意義上的水聲通信研究相比,考慮到異構(gòu)無人潛水器水聲通信面臨前述信道、平臺、任務(wù)帶來的多方面約束[20-22],因而其采用的典型的水聲通信制式也具有針對性;同時(shí),為了適應(yīng)異構(gòu)無人潛水器平臺的需求也呈現(xiàn)值得關(guān)注的發(fā)展趨勢。

2.1 擴(kuò)頻

擴(kuò)頻通信,是將待傳輸信息的頻譜,用某個(gè)特定的擴(kuò)頻序列調(diào)制后成為寬頻帶信號,送入信道中傳輸;在接收端則采用相同的序列進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理,將信息從收到的寬頻帶信號中恢復(fù)出來。擴(kuò)頻通信,在傳輸同樣信息時(shí)所需的帶寬遠(yuǎn)比其他調(diào)制方式要求的帶寬要寬得多[17]。

擴(kuò)頻通信通過擴(kuò)展頻譜帶來的處理增益具有許多窄帶通信難以代替的優(yōu)良性能,如利用偽碼或跳頻實(shí)現(xiàn)了抗截獲、測距、碼分多址和通信保密等功能。此外,由于其信號帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬,使其具有優(yōu)良的抗多徑和抗干擾的能力,因而成為近年來水聲通信技術(shù)研究中的熱點(diǎn),并在不同類型無人潛水器中得到廣泛應(yīng)用。

2016年俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)等在北冰洋諾維克灣評估了4種不同的AUV水聲通信體制,試驗(yàn)結(jié)果表明擴(kuò)頻通信具有更好的信道適應(yīng)性[23]。

哈爾濱工程大學(xué)喬鋼團(tuán)隊(duì)在提升水聲擴(kuò)頻通信有效性方面進(jìn)行了較為深入的研究[24],提出了結(jié)合正交M元擴(kuò)頻和循環(huán)移位鍵控的水聲擴(kuò)頻技術(shù),實(shí)現(xiàn)了10 kbits傳輸總比特?cái)?shù)下1 096.8 bit/s速率的無誤碼傳輸。

杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所呂耀輝等[25]針對M元碼分多址水聲通信系統(tǒng)中所需擴(kuò)頻序列數(shù)量龐大、選碼難度高的問題,提出了混沌正交組合序列,通過簡單迭代組合產(chǎn)生大量滿足要求的擴(kuò)頻序列,而且同族的混沌正交組合序列間滿足正交關(guān)系[25]。

西北工業(yè)大學(xué)季趙勝等[26]提出了基于虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)-分段式線性調(diào)頻(VTR-PLFM)擴(kuò)頻調(diào)制的移動水聲通信方法,該方法首先利用分段式線性調(diào)頻(PLFM)信號對發(fā)送信號進(jìn)行正交擴(kuò)頻調(diào)制以在不進(jìn)行多普勒頻移補(bǔ)償?shù)臈l件下抗寬帶多普勒頻移;并利用虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)(VTR)技術(shù)聚集多徑信號能量,提升系統(tǒng)性能。

考慮到擴(kuò)頻水聲通信的性能特點(diǎn),為了適應(yīng)在海域監(jiān)測、特種任務(wù)、國防安全等領(lǐng)域有廣泛用途的遠(yuǎn)距離、大深度范圍、長時(shí)部署無人潛水器的需求,提高通信速率、改善信道適應(yīng)性、提升低探測概率(low probability of detection, LPD)是無人潛器擴(kuò)頻通信技術(shù)研究的關(guān)鍵。

2.2 MFSK

多頻移頻鍵控(multiple frequency shift keying, MFSK)通過用多個(gè)不同的載波頻率代表多種數(shù)字信息實(shí)現(xiàn)調(diào)制,并在接收端通過對頻率的檢測進(jìn)行解調(diào),其非相干實(shí)現(xiàn)簡單、方便、信道容忍性好的特點(diǎn)對異構(gòu)無人潛水器中的應(yīng)用帶來方便。

面向淺海AUV應(yīng)用場景,2017年Lars Michael Wolff等[27]設(shè)計(jì)了一種利用Goertzel算法進(jìn)行解碼的FH-FSK水聲通信方法,該系統(tǒng)同時(shí)具備測距能力。

2019年Viktor Lidstrom等針對AUV應(yīng)用,提出一種采用網(wǎng)格編碼的置換頻移鍵控技術(shù)(permutated frequency shift keying,PFSK)并在斯德哥爾摩群島海域進(jìn)行了海試試驗(yàn),獲得優(yōu)于傳統(tǒng)二元頻移鍵控(2FSK)的通信性能[28]。

馬璐等[29]設(shè)計(jì)了一種采用非相干多載波頻移鍵控(MFSK)的無人潛水器水聲通信系統(tǒng)。為了保證遙控指令、狀態(tài)信息等的可靠傳輸,采用停止等待自動要求重發(fā)(ARQ)協(xié)議對通信過程進(jìn)行差錯控制。所有控制算法均在低功耗數(shù)字信號處理器(DSP)硬件平臺下實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。通過南海試驗(yàn)測試,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

長期以來MFSK作為非相干通信體制的典型代表,因具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、信道寬容性好的特點(diǎn)而在商用水聲通信產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。特別地,考慮到小型化無人潛水器平臺在尺寸、功耗、成本方面的嚴(yán)苛約束,以綜合各方面因素折中下適用的水聲通信性能為設(shè)計(jì)目標(biāo),MFSK為此類無人潛水器平臺微小型、低成本水聲通信載荷的研制提供了現(xiàn)實(shí)的發(fā)展方向。

2.3 OFDM

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率、頻譜利用率以及較強(qiáng)的抗多徑能力,能夠有效抵抗碼間干擾,近些年成為AUV水聲通信的研究熱點(diǎn)。

然而,與傳統(tǒng)的單載波通信系統(tǒng)相比,OFDM通信系統(tǒng)對多普勒頻偏和相位噪聲更加敏感,且不同類型無人潛水器在水下的姿態(tài)傾角實(shí)時(shí)變化,航速受流的影響起伏不定,產(chǎn)生的多普勒偏移和相位噪聲會嚴(yán)重破壞OFDM子載波的正交性,使其在水聲通信中的應(yīng)用受到信道時(shí)變性和多普勒頻偏的限制。因此,想要到達(dá)穩(wěn)定的通信性能,必須要對水聲信道中廣泛存在的多徑和多普勒進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和補(bǔ)償[17]。同時(shí),OFDM發(fā)射信號峰均比(peak to average power ratio,PAPR)高的問題直接影響發(fā)射效率,特別在無人潛水器平臺發(fā)射功率受限、遠(yuǎn)距離通信等場景下對其應(yīng)用造成嚴(yán)重限制。

Nicolas Grollier等[31]采用一種單元平均恒虛警檢測檢測器(CA-CFAR, cell averaging constant false alarm rate)提高多徑、多普勒及噪聲條件下OFDM通信的同步檢測性能。

Yusuke Onna等[31]設(shè)計(jì)了一種在32 kHz帶寬上采用8通道接收分集的水聲通信系統(tǒng)用于AUV與母船間水聲通信,在伊豆內(nèi)浦灣海域試驗(yàn)中達(dá)到150 kbit/s的無誤碼通信速率。

中科院聲學(xué)所趙世鋒等[32]基于一致OFDM水聲通信多普勒信道模型提出一種擴(kuò)展路徑識別(GPI)算法。該方法首先使用信道多普勒擴(kuò)展矩陣構(gòu)造等效發(fā)射序列,將多普勒信道轉(zhuǎn)化為等效線性時(shí)不變信道。然后使用GPI算法估計(jì)信道多普勒及各路徑的時(shí)延及幅度參數(shù),實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度稀疏信道估計(jì)。

馮成旭等[33]提出一種基于OFDM的頻域決策反饋均衡算法,該算法可以補(bǔ)償頻率選擇性衰落,在減少冗余循環(huán)前綴的前提下主動克服符號間干擾和載波間干擾的不利影響。

李斌等[34]提出了一種基于誤比特信息區(qū)間斜率的多普勒估計(jì)算法,采用計(jì)算誤比特信息區(qū)間斜率取代逐網(wǎng)格搜索最優(yōu)誤比特信息尋優(yōu)過程,在進(jìn)一步提升尋優(yōu)速率的同時(shí)有效減小陷入局部最優(yōu)解的可能性,并有效降低算法的計(jì)算復(fù)雜度。

普湛青等[35]提出了一種基于時(shí)頻聯(lián)合搜索的多普勒跟蹤和快速補(bǔ)償算法,該算法利用先導(dǎo)子載波結(jié)合頻域重采樣,搜索不同多普勒因子下每個(gè)OFDM符號的信道響應(yīng)。利用壓縮傳感技術(shù),該算法根據(jù)水聲信道的稀疏特性,選擇與最稀疏的信道響應(yīng)相對應(yīng)的多普勒因子,并使用更多基于頻率的計(jì)算方法對該多普勒效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)了對AUV時(shí)變多普勒的實(shí)時(shí)跟蹤和快速補(bǔ)償。

在OFDM水聲通信機(jī)設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)方面,周躍海等設(shè)計(jì)的可配置OFDM水聲通信機(jī)基于高性能數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)了OFDM調(diào)制解調(diào)、信道估計(jì)均衡參數(shù)的高度靈活配置[36]。面向多樣化異構(gòu)無人潛水器應(yīng)用場景,增加OFDM通信參數(shù)配置靈活性,為改善環(huán)境適應(yīng)性能提供了可能。

需要指出,作為典型的高速率水聲通信制式,隨著各類水下信息獲取任務(wù)中大數(shù)據(jù)量、高通信效率的需求日益增多,在無人潛水器應(yīng)用中如何進(jìn)一步提高通信速率、頻譜利用率是OFDM水聲通信技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

結(jié)合多輸入多輸出(multiple-input-multiple-output, MIMO)與OFDM可在傳統(tǒng)單發(fā)模式基礎(chǔ)上成倍提升OFDM通信速率及頻譜利用率,文獻(xiàn)[37-38]開展了MIMO-OFDM相關(guān)理論及實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究;2022年文獻(xiàn)[39]在日本駿河灣(Suruga Bay)海域開展MIMO-OFDM海試試驗(yàn),采用并行發(fā)射信道估計(jì)與多通道接收機(jī)解碼結(jié)合Polar碼實(shí)現(xiàn)10 km距離的MIMO-OFDM通信。上述研究表明,MIMO-OFDM有望為中遠(yuǎn)距離高速高譜效無人潛水器水聲通信提供可行的解決方案。

2.4 單載波相干水聲通信

單載波相干水聲通信具有較高的頻譜效率,但因其通常需采用信道均衡器并結(jié)合信道編碼對信道多徑、噪聲等嚴(yán)重影響因素造成的碼間干擾、突發(fā)錯誤進(jìn)行抑制,大量研究集中在均衡、編碼算法上。

Roee Diamant等[40]針對多水下平臺點(diǎn)對點(diǎn)通信應(yīng)用中對減小訓(xùn)練序列長度提高通信效率的需求,提出一種半盲聯(lián)合信道估計(jì)-解碼算法(S-JCED),海試結(jié)果表明在小訓(xùn)練序列長度下所提算法可獲得滿意的通信性能。

為了實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度下的單載波水聲通信的最優(yōu)均衡,陶俊等[41]提出一種Hadamard-Haar隨機(jī)預(yù)編碼(Hadamard-Haar random precoding,HHRP)方案,通過在接收端通過向量近似消息傳遞(vector approximate message passing,VAMP)算法使均衡性能接近理論最優(yōu)值。

殷敬偉等[42]提出一種單載波頻域均衡(single carrier frequency domain equalization,SC-FED)解調(diào)方法,該方法采用基于干擾抑制合并(interference rejection combining, IRC)的部分FFT解調(diào)克服MIMO-SC-FDE中的同道干擾和多普勒。

相對而言,深海潛水器與母船間垂直水聲信道具有較好的穩(wěn)定性,有利于利用相位相干水聲通信獲得高通信容量,是比較典型的單載波水聲通信應(yīng)用場景。

徐立軍等[43]設(shè)計(jì)了一種全海深的單載波相干水聲通信系統(tǒng),該系統(tǒng)利用三基元接收通道進(jìn)行空間分集接收,相干解調(diào)算法采用了時(shí)頻域雙向turbo均衡器結(jié)構(gòu),均衡器系數(shù)調(diào)整采用了改進(jìn)比例歸一化最小誤符號率準(zhǔn)則算法。該通信機(jī)于2018年12月12日在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵進(jìn)行了實(shí)時(shí)水聲通信試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了水下10 500 m到水面的高速水聲通信,通信速率6 000 bit/s,通信誤比特率為10-5量級。

普遍認(rèn)為,在強(qiáng)烈時(shí)變多徑、長多徑時(shí)延、強(qiáng)噪聲等復(fù)雜信道條件下單載波相干水聲通信系統(tǒng)性能易受均衡算法類型、參數(shù)影響,工作穩(wěn)定性往往難以保證[11-13]。因此,工作環(huán)境較為復(fù)雜的無人潛水器較少采用此類通信體制的報(bào)道,更多情況下作為信道較為理想時(shí)的可選通信體制。為了適應(yīng)快速發(fā)展的異構(gòu)無人潛水器通信需求,研究穩(wěn)健、高效、低系統(tǒng)開銷的信道均衡、編碼方法、接收機(jī)結(jié)構(gòu)是單載波相干水聲通信的一個(gè)重要研究方向。

3 典型異構(gòu)無人潛水器水聲通信系統(tǒng)

3.1 AUV水聲通信系統(tǒng)

3.1.1 商用AUV水聲通信系統(tǒng)

水聲通信是AUV信息傳輸?shù)闹匾侄?針對AUV的水聲通信調(diào)制解調(diào)機(jī)目前主要有商用類和專用研發(fā)類[44]。

美國LinkQuest公司的UWM系列水聲通信機(jī)(如圖3所示),如WM4010被用于深水AUV Kongsberg Hugin 3000[45]上傳傳感器采集信息及AUV狀態(tài)等各類數(shù)據(jù)。

圖3 LinkQuest水聲modem[45]Fig.3 LinkQuest underwater acoustic modem[45]

美國Woods Hole海洋研究所研發(fā)的WHOI Mircomodem系列通信機(jī)具有FH-MFSK及PSK 2種不同的通信體制,通信速率為80～5 400 bit/s,該系列水聲通信機(jī)被包括Bluefine、 Remus等多種AUV、Glider等無人潛水器采用[45-46]。

美國AquaSeNT公司研制的AM-AUV水聲通信調(diào)制解調(diào)機(jī)[47]是專門為自主水下航行器(AUV)設(shè)計(jì)的。其工作頻率范圍為21～27 kHz,采用OFDM通信制式,通信距離5 km,通信速率375～1 500 bit/s不等。

英國Blueprint Subsea公司推出的SeaTrac系列水聲調(diào)制解調(diào)器(如圖4所示)質(zhì)量輕,可用于中小型遙控水下航行器(remote operated vehicle, ROV)或AUV等[48]。SeaTrac的3種型號(X150、X110和X010)基于擴(kuò)頻調(diào)制方案,工作頻率范圍為24～32 kHz,通信距離達(dá)1 000 m,數(shù)據(jù)速率為100 bit/s。由9～28 V電源供電,在傳輸過程中功率消耗為6 W。

圖4 SeaTrac系列水聲modem[48]Fig.4 SeaTrac series underwater acoustic modem[48]

法國公司Sercel推出的多調(diào)制聲學(xué)遙測系統(tǒng)(MATS3G)調(diào)制解調(diào)器[49]可用于各種水下應(yīng)用(如圖5所示),如AUV命令和控制以及使用FSK、PSK調(diào)制方案的水下監(jiān)視系統(tǒng)。在低噪聲環(huán)境中,調(diào)制解調(diào)器的最大通信范圍為5 000～15 000 m,數(shù)據(jù)速率為850～24 600 bit/s。調(diào)制解調(diào)器在傳輸過程中消耗高達(dá)75 W的功率,并且可以部署在6 000 m的深度。

圖5 MATS3G水聲modem[49]Fig.5 MATS3G underwater acoustic modem[49]

德國EvoLogics公司S2C 系列水聲通信機(jī)采用掃頻-擴(kuò)頻載波(sweep-spread carrier, S2C)調(diào)制技術(shù)[50],該系列通信機(jī)典型型號R18/34的性能參數(shù)為工作頻帶18～34 kHz,通信速率最高13.9 kbit/s,通信距離3 500 m。同時(shí)EvoLogicsc產(chǎn)品可提供定位-通信組合功能,在多種型號AUV、Glider、波浪滑翔器中作為水聲通信載荷得到應(yīng)用。

Tritech公司設(shè)計(jì)的Micron低功率聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器[51]使用擴(kuò)頻調(diào)制方案在20～28 kHz的頻率范圍內(nèi)工作(如圖6所示),因具有小尺寸及抗多徑能力強(qiáng)的特點(diǎn)而適用于無人潛水器。其通信范圍(水平)可達(dá)500 m,數(shù)據(jù)速率為40 bit/s。它在傳輸過程中消耗約8 W,可以部署在750 m的深度。

圖6 Tritch Micron水聲modem[51]Fig.6 Tritch Micron underwater acoustic modem[51]

3.1.2 小型AUV水聲通信系統(tǒng)

伴隨著不同應(yīng)用場景和功能需求的AUV產(chǎn)品譜系不斷擴(kuò)展,按照2016年美國海軍公布的AUV口徑分類[52],將口徑為76～254 mm定義為小尺寸AUV。隨著AUV面向不同應(yīng)用場景和功能需求的發(fā)展,小尺寸AUV平臺逐漸成為AUV發(fā)展的一個(gè)重要分支。

如2017年美國藍(lán)鰭金槍魚公司研制的Bluefin SandShark型小尺寸AUV,長度為0.51 m,質(zhì)量為6.8 kg[53-54];2015年Riptide公司推出的微型AUV,其基座直徑約為0.12 m,長度約為1 m,質(zhì)量約為9.98 kg[55-56],如圖7。

圖7 Bluefin SandShark型小尺寸AUV[53]及Riptide公司微型AUV[55]Fig.7 Bluefin SandShark Small size AUV[53] and Riptide Micro AUV[55]

與大、中型尺寸AUV相比,由于小型AUV在空間尺寸、功耗、成本等方面對搭載的水聲通信系統(tǒng)有更嚴(yán)苛的約束,小型AUV水聲通信系統(tǒng)往往采用實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度低、解調(diào)算法實(shí)時(shí)算力要求低、發(fā)射功耗低的通信制式,因此在通信距離、數(shù)據(jù)率等指標(biāo)方面也相應(yīng)折中。

圖8為德國漢堡科技大學(xué)于2015年研制的HippoCampus微型AUV長度僅為0.3 m,質(zhì)量僅為0.7 kg,并專門研發(fā)了其搭載的低成本、小尺寸水聲modem[57-59],其尺寸50 mm × 50 mm × 25 mm,通信距離150 m,采用OFDM/FSK調(diào)制。

圖8 HippoCampus微型AUV及其modem[57]Fig.8 HippoCampus micro AUV and its modem[57]

國內(nèi)方面,西安天和海防智能科技有限公司研制的TH-050B型小尺寸AUV長為1.5 m,直徑為18 cm,如圖9所示,其配備的AMLink水聲modem具備50～2 000 bit/s通信速率[60]。

圖9 TH-050B AUV及AMLink水聲modem[60]Fig.9 TH-050B AUV and AMLink underwater acoustic modem[60]

3.1.3 深海AUV水聲通信系統(tǒng)

除了尺寸上的分類,面向深海研究開發(fā)的全海深A(yù)UV由于具備大深度作業(yè)能力,近年來得到了快速發(fā)展。

考慮到全海深A(yù)UV的航行模式以垂直方向上浮、下潛為主,其外形設(shè)計(jì)不同于通用AUV采用的流線型、水滴型等適合水平航行的線型,往往采用類似刀片的水平尺寸小、垂直尺寸大的構(gòu)型。由于商用通信機(jī)中可供選擇的全海深型號較少,全海深A(yù)UV往往采用考慮深海信道傳播特性而研發(fā)的專用水聲通信機(jī)。

2021年11月6日,哈爾濱工程大學(xué)牽頭研發(fā)的“悟空號”全海深無人潛水器(AUV)在馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者”深淵海試中下潛至10 896 m(如圖10所示),“悟空號”AUV高速水聲通信系統(tǒng)采用OFDM通信體制,在萬米海底與母船直線距離超過15 km深海中,可準(zhǔn)確傳輸狀態(tài)信息,實(shí)測上行峰值通信速率2 003 bit/s,數(shù)據(jù)接收正確率超過93%[61]。

圖10 “悟空號”全海深A(yù)UV及其母船端水聲吊陣[61]Fig.10 “Wukong” total sea depth AUV and its mother vessel side underwater acoustic array[61]

3.2 水下滑翔機(jī)水聲通信系統(tǒng)

水下滑翔機(jī)(underwater glider, UG)是一種典型的自主式水下航行器,主要采用浮力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)其在海洋中的上升或下潛。在下潛起始階段,通過浮力驅(qū)動單元減小自身排水體積,使重力大于浮力,開始下潛;到達(dá)設(shè)定深度后,在浮力驅(qū)動單元作用下,改變自身排水體積,使其所受浮力大于重力,從而實(shí)現(xiàn)下潛到上浮的轉(zhuǎn)變。在下潛和上浮過程中,借助固定水平翼上的水動力產(chǎn)生水平運(yùn)動,從而實(shí)現(xiàn)在縱平面內(nèi)鋸齒形滑翔運(yùn)動。

水下滑翔機(jī)作為小型的移動觀測平臺,具有低能耗、運(yùn)行成本低等特點(diǎn),能夠滿足長時(shí)序、大范圍的海洋三維觀探測需求,已廣泛應(yīng)用于海洋現(xiàn)場觀測、科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)、國防安全等領(lǐng)域。

水下滑翔機(jī)在執(zhí)行探測任務(wù)期間,因作業(yè)時(shí)間長,收集信息數(shù)量大,傳送數(shù)據(jù)與接收決策指令的需求顯著增加,對通信手段及性能提出了更高要求。由于水下滑翔機(jī)上浮-下潛的固有鋸齒形航行特性,在其露出海面時(shí)刻具備無線通信能力,目前,水下滑翔機(jī)主要采取滑翔上浮至水面,經(jīng)衛(wèi)星通信與岸站建立數(shù)據(jù)交互通道[9]的通信方式。因而與AUV這類全時(shí)工作于水下的無人潛水器相比,水聲通信系統(tǒng)屬于水下滑翔機(jī)的任務(wù)性載荷,主要應(yīng)用于水下節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接駁或時(shí)效性通信應(yīng)用。

另一方面,水下滑翔機(jī)航行特性意味著其水聲通信信道體現(xiàn)出淺海、深海周期性變化的規(guī)律,對水聲通信性能造成明顯的影響。徐文等[2]進(jìn)行水下滑翔機(jī)深海信道連通性評估海試試驗(yàn),如圖11(a)及聲源距離水下滑翔機(jī) 40 km 時(shí)的信噪比(signal noise ratio, SNR)和對應(yīng)的擴(kuò)頻二進(jìn)制調(diào)制通信誤比特率(bit error ratio, BER),可知在水深200～600 m范圍內(nèi),具有較高的接收信噪比及較低的通信誤比特率,驗(yàn)證了深海情況下,深度對通信接收性能具有顯著影響[2]。

圖11 水下滑翔機(jī)深海信道連通性評估[2]Fig.11 Evaluation of deep sea channel connectivity for underwater gliders[2]

目前的研究與試驗(yàn)中,水下滑翔機(jī)大多搭載商用水聲通信機(jī)[2,9,46,49,52],從水下多平臺立體化信息支撐的角度,研制可適配水下滑翔機(jī)航行特性,同時(shí)可滿足其功耗、負(fù)載約束的水聲通信機(jī)具有現(xiàn)實(shí)必要性。

3.3 波浪滑翔器水聲通信系統(tǒng)

波浪滑翔器(wave glider, WG)是一種利用波浪動力來進(jìn)行驅(qū)動的無人自主航行器,它能夠充分吸收海洋中長期存在的波浪能源將其轉(zhuǎn)換為前進(jìn)動力,這種利用波浪能源產(chǎn)生動力的技術(shù)使波浪滑翔器具備長時(shí)工作的特點(diǎn)。

波浪滑翔器由水面浮體平臺、水下的“滑翔”推進(jìn)器結(jié)構(gòu)和連接這兩部分的臍帶纜組成,因而具備水下-無線跨介質(zhì)傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)勢。國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)開展了利用波浪滑翔器提供AUV、水下滑翔器信息中繼的研究及試驗(yàn)。

北約海事研究與試驗(yàn)中心(NATO Centre for Maritime Research and Experimentation, CMRE) 在2012年測試了使用搭載Evologics S2C水聲通信機(jī)的e Liquid Robotics波浪滑翔器作為OEX-C AUV及SLOCUM水下滑翔機(jī)等異構(gòu)無人潛水器集群的信息中繼節(jié)點(diǎn)[62-63],如圖12、13。

2018年美國Woods Hole海洋研究所在大西洋洋中脊海域進(jìn)行了Sentry AUV與波浪滑翔器協(xié)同試驗(yàn)(如圖13所示),期間波浪滑翔器利用搭載的WHOI Micro modem-2水聲通信機(jī)發(fā)揮了AUV通信中繼作用[64],該水聲通信機(jī)采用PSK/FH-MFSK通信制式支持80～5 000 bit/s通信速率。

圖13 波浪滑翔器與Sentry AUV通過WHOI Micromodem-2協(xié)同[63]Fig.13 Wave glider works with the Sentry AUV via WHOI Micromodem-2[63]

楊義軍等[65]在廈門海域開展了由波浪滑翔器、AUV、浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的多平臺水聲通信組網(wǎng)試驗(yàn)(如圖14所示),驗(yàn)證了波浪滑翔器作為淺海域/極淺海域跨介質(zhì)信息中繼節(jié)點(diǎn)的有效性。

圖14 波浪滑翔器及其配備的水聲通信機(jī)[65]Fig.14 Wave glider and its underwater acoustic modem[65]

由于波浪滑翔器作為海氣界面無人平臺其搭載的水聲通信系統(tǒng)工作于海洋淺表層,聲傳播受風(fēng)浪、淺表層聲速剖面影響大,要求波浪滑翔器水聲通信系統(tǒng)對時(shí)變信道具有較好的適應(yīng)能力,或具備通過切換不同通信制式適應(yīng)不同信道質(zhì)量的功能;同時(shí),波浪滑翔器具有作為跨介質(zhì)中繼平臺的天然優(yōu)勢,這一特點(diǎn)也要求其水聲通信系統(tǒng)往往需考慮與無線終端的跨介質(zhì)交互設(shè)計(jì)。

3.4 雙功能/多功能無人潛器水聲通信系統(tǒng)

針對UG運(yùn)動速度慢、抗流能力相對較弱的問題,Bachmayer等[66]首次提出了“Hybrid Glider”的概念。經(jīng)過近20年發(fā)展,混合推進(jìn)水下滑翔機(jī)(hybrid-driven underwater gliders, HUG)平臺技術(shù)逐漸成熟。國外已達(dá)到實(shí)用水平和商品化的HUG,包括法國ACSA公司研發(fā)的Sea Explorer[8]、巴黎高科海洋工程與海洋技術(shù)學(xué)院(ENSIETA)研發(fā)的Sterne[8]和意大利Graal Tech公司研制的Folaga[67]。它們均在UG的尾部加裝螺旋槳推進(jìn)器,實(shí)現(xiàn)多模式混合推進(jìn)。

北約水下研究中心[64,66-68]在多次海試中采用Folaga混合AUV搭載Kongsberg Maritime水聲通信機(jī)進(jìn)行移動水聲組網(wǎng)(如圖15所示),該水聲通信機(jī)可提供500 bit/s通信速率,試驗(yàn)中評估了不同協(xié)同模式下的組網(wǎng)通信性能[64]。

圖15 Fologa混合AUV/Glider集成Kongsberg Maritime水聲通信機(jī)[64]Fig.15 Fologa Hybrid AUV/Glider integrated Kongsberg Maritime underwater acoustic modem[64]

中國船舶科學(xué)研究中心所牽頭研制的雙功能深海無人潛航器基于可變翼形/可開合式推進(jìn)技術(shù)(如圖16所示),以剩余浮力/推進(jìn)器雙模驅(qū)動,融合大范圍滑翔探測和區(qū)域性高機(jī)動搜索2種航行與作業(yè)功能[69]。其配備的水聲通信機(jī)提供了可適應(yīng)不同作業(yè)模式的指令、狀態(tài)信息傳輸鏈路,采用直接序列擴(kuò)頻和BPSK通信制式可分別工作于55 bit/s、1 172 bit/s 2種傳輸速率[70]。

圖16 雙功能深海無人潛航器[69]Fig.16 Dual-function deep-sea unmanned underwater vehicle[69]

雙功能/多功能無人潛器通過平臺功能擴(kuò)展顯著提升了多樣化任務(wù)執(zhí)行能力,同時(shí)具備高機(jī)動性、長時(shí)工作、大工作深度等特點(diǎn),因此其水聲通信系統(tǒng)應(yīng)具有更強(qiáng)的信道適應(yīng)性,對抗多徑、抗多普勒性能及也提出了更高的要求。

3.5 異構(gòu)無人潛器協(xié)同組網(wǎng)通信

2017年,COSTANZI等在意大利La Spezia省Cinque Terre海域開展了ASW-ODC17多節(jié)點(diǎn)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)(如圖17所示),由包括各類潛器、船舶、浮標(biāo)在內(nèi)的20個(gè)固定、移動節(jié)點(diǎn)組成,試驗(yàn)中測試了OEX AUV、Folaga glider及波浪滑翔器等異構(gòu)無人潛水器間水聲通信鏈路[3]。

圖17 ASW-ODC17多節(jié)點(diǎn)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)示意圖[3]Fig.17 ASW-ODC17 multi-node collaborative network diagram[3]

2020年,NATO設(shè)立由北約海上司令部(maritime command,MARCOM)指揮的、專用于MUS作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的“Dynamic Messenger”演習(xí),首次演習(xí)于2022年9月舉行,該演習(xí)與葡萄牙南部特羅亞(Troia)附近舉行的“海上無人系統(tǒng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和原型構(gòu)建”(robotic experimentation and prototyping with maritime unmanned systems,REPMUS)演習(xí)串聯(lián)進(jìn)行。“REPMUS”演習(xí)使用了約45架UAV、18艘USV和40艘UUV;“Dynamic Messenger”演習(xí)中使用了11架UAV、8艘USV和30艘UUV,各類水下平臺間信息交互、共享是演習(xí)的重要內(nèi)容[71]。

浙江大學(xué)聯(lián)合多家單位構(gòu)建了包括3類無人潛水器,共計(jì)54臺套異構(gòu)潛水器組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),圍繞中尺度渦動力現(xiàn)象觀測、水下聲學(xué)環(huán)境測量與目標(biāo)探測、海洋油氣工程環(huán)境保障、海域環(huán)境特征研究等科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo),于2019-2021 年開展了累計(jì)6個(gè)多月的海上試驗(yàn)與示范。采用的水聲通信機(jī)為SmartOcean Angelfish(如圖18所示),其調(diào)制方式可以根據(jù)通信性能動態(tài)調(diào)整,試驗(yàn)過程中節(jié)點(diǎn)間通信距離約為3 km[2]。

圖18 異構(gòu)無人潛水器通信輔助網(wǎng)絡(luò)海上試驗(yàn)設(shè)置[2]Fig.18 Heterogeneous unmanned submersible communication auxiliary network sea test setting[2]

喬鋼等[72]在多無人潛水器體系結(jié)構(gòu)、任務(wù)分解與分配、弱通信條件下的協(xié)調(diào)控制等方面開展了研究,并于2014年8月在山東威海附近海域進(jìn)行了潛器協(xié)同編隊(duì)海上試驗(yàn)。

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所在多無人潛水器仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、協(xié)同導(dǎo)航以及協(xié)同編隊(duì)控制方面開展了研究,2014年起相繼進(jìn)行了基于水聲通信的多AUV協(xié)同編隊(duì)試驗(yàn)、異構(gòu)無人潛水器編隊(duì)試驗(yàn)[72]。

4 總結(jié)與展望

隨著我國海洋探索開發(fā)、權(quán)益與發(fā)展利益維護(hù)逐步從近海向遠(yuǎn)海,從平面向立體,從分立向全方位綜合感知的海洋信息網(wǎng)絡(luò)是國家海洋需求中的關(guān)鍵技術(shù)之一,是海洋國家安全、海洋權(quán)益維護(hù)、應(yīng)急體系、海洋資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)和重要支撐。

AUV、水下滑翔機(jī)、波浪滑翔器等各類異構(gòu)無人潛水器平臺跨域互聯(lián)互通為分布式、異構(gòu)、動態(tài)的信息融合、協(xié)同提高信息感知獲取性能提供了現(xiàn)實(shí)可能性,成為了當(dāng)前海洋立體信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展熱點(diǎn)和研究前沿。

由于聲學(xué)信息載體特殊性、水聲信道隨機(jī)復(fù)雜性及平臺自身帶來的嚴(yán)苛約束,各類水下無人平臺的信息化步伐嚴(yán)重滯后于空間和水面。目前各類無人潛水器大多將通用水聲通信設(shè)備或研發(fā)適合自身平臺、任務(wù)特性的專用水聲通信系統(tǒng)作為通信載荷,并已在多異構(gòu)無人潛水器水聲通信、組網(wǎng)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展,為多類應(yīng)用場景提供無人化、立體化、分布式的水下信息支撐,但是,仍無法滿足快速發(fā)展的多平臺多域海洋信息獲取、傳輸、感知需求,尚有諸多問題亟待解決。

面向高性能海洋立體信息體系建設(shè)的需求,異構(gòu)無人潛水器水聲通信技術(shù)的發(fā)展呈以下幾個(gè)趨勢:

1)在異構(gòu)無人潛水器多樣化任務(wù)模式下,單一通信制式難以滿足要求,通過實(shí)時(shí)獲取或?qū)W習(xí)信道狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)通信制式/參數(shù)優(yōu)化,設(shè)計(jì)低延遲、少反饋或無反饋的調(diào)整策略,從而充分利用信道容量,提高水聲傳輸效率和環(huán)境、任務(wù)的適應(yīng)性。

2)結(jié)合異構(gòu)無人潛水器不同工作特性對海洋深度、廣度的充分覆蓋,利用水下多移動平臺在空間、時(shí)間、運(yùn)動狀態(tài)上的互補(bǔ)性,研究異構(gòu)無人潛水器信道資源機(jī)動優(yōu)化調(diào)配,構(gòu)建體系化、可重構(gòu)、適度耦合的異構(gòu)無人潛水器信息網(wǎng)絡(luò)。

3)考慮異構(gòu)無人潛水器平臺自身資源約束,搭載多種任務(wù)載荷導(dǎo)致系統(tǒng)開銷增大、適裝性差,采用通信、導(dǎo)航、定位、探測一體化設(shè)計(jì),如通信波形設(shè)計(jì)兼顧導(dǎo)航、定位、探測,從而以最小的軟硬件開銷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)下的一體化多任務(wù)功能;

4)充分結(jié)合聲、光不同信息載體具有的互補(bǔ)特性,研發(fā)具備高容量、遠(yuǎn)距離、環(huán)境適應(yīng)性好的異構(gòu)無人潛水器聲、光融合水下通信技術(shù)。