水下聲學(xué)滑翔機實時探測通信系統(tǒng)及其近海試驗

田德艷 ,張小川 ,張文清 ,孫芹東 ,王 超

(1.青島海洋科技中心,山東 青島,266237;2.海軍潛艇學(xué)院,山東 青島,266199)

0 引言

隨著海洋資源的開發(fā)和利用,水下聲學(xué)滑翔機、波浪滑翔器、潛標(biāo)以及浮標(biāo)等作為重要的水下無人平臺,被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測和水下組網(wǎng)等領(lǐng)域[1-11]。水下滑翔機采用浮力驅(qū)動方式改變載體凈浮力來提供上升和下潛驅(qū)動力,通過改變重心位置調(diào)節(jié)姿態(tài)(俯仰角和橫滾角),配合低阻力外殼和側(cè)翼,在水下作鋸齒形曲線運動。由于其長航程、高效率、低能耗等優(yōu)勢,搭載集成各種傳感器和科考設(shè)備,可對水下環(huán)境進行探測。水下聲學(xué)滑翔機是在水下滑翔機的基礎(chǔ)上,搭載集成聲學(xué)傳感器及配套的水聲信號處理系統(tǒng),使其具備海洋環(huán)境噪聲采集、水聲目標(biāo)信息采集及數(shù)據(jù)處理等功能。水下聲學(xué)滑翔機在水下執(zhí)行觀探測任務(wù)時,需要等待每個滑翔剖面結(jié)束上浮至水面,再將數(shù)據(jù)信息上報至岸基中心。這種工作方式使得水下聲學(xué)滑翔機無法與岸基中心進行實時信息交互,滑翔上浮帶來的時間延遲不僅會中斷當(dāng)前觀探測任務(wù),還會降低信息時效性。

針對此問題,文中提出一種水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng),將水聲通信技術(shù)[12-15]應(yīng)用在水下聲學(xué)滑翔機上,輔以水面波浪滑翔器[16-18]通信中繼功能,實現(xiàn)觀探測信息實時傳輸。

文中著重介紹了水下聲學(xué)滑翔機探測通信近海試驗應(yīng)用情況、試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。通過外海試驗應(yīng)用,驗證了水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確性和可行性,以期為國內(nèi)水下無人平臺集群協(xié)作和編隊組網(wǎng)提供參考。試驗中采用的水下聲學(xué)滑翔機為天津大學(xué)和海軍潛艇學(xué)院聯(lián)合研制的“海豚-II”,波浪滑翔器為中國海洋大學(xué)研制的“黑珍珠”。

1 探測通信系統(tǒng)設(shè)計

水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要包括集成水聲通信機的水下聲學(xué)滑翔機和集成水聲通信機的水面波浪滑翔器兩部分。該系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)水下觀探測和通信,實時上報數(shù)據(jù)信息至岸基中心。具體表現(xiàn)為：將水下聲學(xué)滑翔機在水下觀探測的數(shù)據(jù)信息,利用水聲通信技術(shù)和波浪滑翔器的透明轉(zhuǎn)發(fā),上傳至岸基中心,從而實現(xiàn)水下聲學(xué)滑翔機與岸基中心實時信息交互；岸基中心也可實時下達對水下聲學(xué)滑翔機的控制指令。

圖1 水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of detection and communcation system for underwater acoustic glider

集成水聲通信機的水下聲學(xué)滑翔機包括水下滑翔機、水聲觀探測單元和水聲通信單元3 部分。水聲觀探測單元和水聲通信單元均分體集成在水下滑翔機上,如圖2 所示,并由水下滑翔機為其供電。水聲通信單元由聲學(xué)換能器和信號處理機兩部分組成。聲學(xué)換能器固定集成在水下滑翔機的艏部,并通過機械結(jié)構(gòu)與殼體相固連；聲學(xué)換能器通過水密線纜與水下滑翔機主控相連。信號處理機安裝在水下滑翔機后密封艙內(nèi),通過串口與主控相連,進行信息傳輸。

圖2 集成水聲通信機的水下聲學(xué)滑翔機Fig.2 Underwater acoustic glider with integrated acoustic communication machine

搭載集成水聲通信單元的水面波浪滑翔器。如圖3 所示,在波浪滑翔器的牽引機上搭載集成水聲通信機水面端,由波浪滑翔器本體為其供電。

圖3 集成水聲通信機的波浪能滑翔器Fig.3 Wave glider with integrated acoustic communication machine

岸基中心接收各平臺回傳的觀探測數(shù)據(jù)信息以及自身平臺的狀態(tài)信息,并由此作出判斷,對各平臺發(fā)送控制指令,調(diào)整其運動策略。

2 系統(tǒng)信息交互流程

水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng),信息交互策略如圖4 所示,包括2 個方向的信息數(shù)據(jù)流向: 數(shù)據(jù)回傳通信和指令下達通信。

圖4 系統(tǒng)信息交互流程圖Fig.4 Flow chart of system information interaction

1) 數(shù)據(jù)回傳通信

當(dāng)水下聲學(xué)滑翔機在水下滑翔作業(yè)時,矢量水聽器采集水聲信號,其匹配的信號處理機實時處理水聲數(shù)據(jù),并將重要信息發(fā)送給水下滑翔機。水下滑翔機觸發(fā)水聲通信單元工作,將數(shù)據(jù)信息經(jīng)過水聲通信發(fā)送給水面波浪滑翔器。波浪滑翔器將數(shù)據(jù)信息通過衛(wèi)星通信透明轉(zhuǎn)發(fā)至岸基中心。

2) 指令下達通信

岸基中心根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息進行決策,向下發(fā)送控制各平臺的指令信息,水面波浪滑翔器接收到非控制自身平臺的命令信息后,通過水聲通信單元向下透明轉(zhuǎn)發(fā)給水下聲學(xué)滑翔機主控,繼而控制水下聲學(xué)滑翔機改變運動策略。

3 近海試驗應(yīng)用

2019 年7 月,在青島外海長門巖附近海域進行了水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng)試驗。如圖5紅色方框所示,該試驗海域深度變化為23～28 m,海底為泥質(zhì)底。

圖5 試驗海域Fig.5 Test sea area

3.1 試驗設(shè)備布放及試驗流程

到達試驗海區(qū)后,依次將集成水聲通信單元的水下聲學(xué)滑翔機、連接波浪滑翔器主控的水聲通信單元以及發(fā)射聲源布放入水。

由于青島外海試驗海區(qū)水深至深點為28 m,水下聲學(xué)滑翔機在此水域無法進行滑翔作業(yè),采取坐底方式驗證系統(tǒng)的探測通信鏈路可行性。水下聲學(xué)滑翔機下面墜重物坐底,機體上綁浮力塊,保持其固定在海深3 m 處,并且在水面連接浮球用來標(biāo)記位置,水下聲學(xué)滑翔器布放過程如圖6 所示。

圖6 滑翔機布放過程Fig.6 The deployment process of glider

波浪滑翔器船體與水下牽引機連接的柔性鎧裝纜纜長8 m,在近海海深不足30 m 的情況下,留給水聲通信單元通信垂直距離太短,故試驗將波浪滑翔器主控與聲通機連接,聲通機入水深度3 m,連接波浪滑翔器主控的聲通機布放見圖7。

試驗測試流程如圖8 所示,具體流程為: 將UW350 布放在船側(cè)邊,與電腦相連,發(fā)送水聲音頻信號,固定在海底的水下聲學(xué)滑翔機對其進行探測,在探測到水聲音頻信號后,觸發(fā)水聲通信將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去,波浪滑翔器主控收到數(shù)據(jù)信息后透明轉(zhuǎn)發(fā)至岸基中心。

圖8 試驗測試流程Fig.8 Test procedure

3.2 試驗海區(qū)聲場環(huán)境測量

利用聲速剖面儀進行試驗現(xiàn)場聲速垂直剖面測量,對聲速剖面數(shù)據(jù)進行處理,獲得聲速剖面如圖9 左圖所示,可見試驗海區(qū)從水深5～15 m 聲速梯度變化顯著。根據(jù)試驗條件: 發(fā)送端位于水深3 m處,接收端位于相距600 m 水深24 m 處,水聲通信機換能器開角范圍-78°～78°,對聲場環(huán)境仿真得到水面向水下通信過程中本征聲線分布如圖9 右圖所示。試驗海區(qū)水聲信道復(fù)雜,水聲信號多途效應(yīng)明顯,在接收端存在海面、海底反射信號和多途干擾信號,不利于水聲通信。

圖9 試驗海域聲速剖面及600 m 通信本征聲線傳播Fig.9 The sound velocity profile of the test sea area and the intrinsic sound ray propagation of 600 m communication

3.3 系統(tǒng)探測通信鏈路數(shù)據(jù)分析

試驗過程中試驗船從上游2 km 順流而下,由遠(yuǎn)及近再遠(yuǎn)測試探測通信鏈路。經(jīng)過測試,從上游220 m 到下游530 m,試驗船都能監(jiān)測到水下聲學(xué)滑翔機發(fā)送的水聲通信信號。

由于岸基中心接收到的數(shù)據(jù)包是水下聲學(xué)滑翔機采集的數(shù)據(jù)包經(jīng)由水聲通信單元、波浪滑翔器和衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸而來,所以要將水下聲學(xué)滑翔機主控端采集數(shù)據(jù)包與岸基中心接收到的數(shù)據(jù)包進行比對,以驗證通信鏈路傳輸?shù)恼_性。

對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計可知,水下聲學(xué)滑翔機探測到的目標(biāo)信號與通過水聲通信向外發(fā)送的目標(biāo)信號數(shù)據(jù)包均為30 次,而波浪滑翔器主控與岸基中心接收到的數(shù)據(jù)包均為15 次,水聲通信丟包率為50%。將岸基中心接收的數(shù)據(jù)包與水下聲學(xué)滑翔機發(fā)送數(shù)據(jù)包進行解析,得到如表1 所示的對比結(jié)果。分析水下聲學(xué)滑翔機原始數(shù)據(jù)包與岸基中心接收數(shù)據(jù)包的傳輸時延差和傳輸目標(biāo)方位角差,如圖10 所示。

表1 水下聲學(xué)滑翔機發(fā)送數(shù)據(jù)與岸基中心接收數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of data sent by the underwater acoustic glider and received by the shore-based center

圖10 水下聲學(xué)滑翔機發(fā)送數(shù)據(jù)與岸基中心接收數(shù)據(jù)傳輸時延差和傳輸方位角差Fig.10 The difference in data transmission delay and transmission azimuth between the transmitting end of an underwater acoustic glider and the shore based center

解析對比岸基中心接收的數(shù)據(jù)包與水下聲學(xué)滑翔機發(fā)送的數(shù)據(jù)包無誤碼,聲源方位角均一致。但整個傳輸過程存在不等的傳輸時延,短則1 min,長達18 min,分析可能與水聲通信單元通信失敗等待重傳帶來的時間損耗有關(guān)。

3.4 水下聲學(xué)滑翔機水下姿態(tài)分析

對水下聲學(xué)滑翔機在09:34～11:20 時間段內(nèi)的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,結(jié)果如圖11 所示。水下聲學(xué)滑翔機航向角一直處于變化中,可能是受水流沖擊的影響,俯仰角和橫滾角也存在40°左右的角度偏差,這就導(dǎo)致搭載在水下聲學(xué)滑翔機艏部水聲通信單元的聲學(xué)換能器指向性有所偏離,降低了水聲通信成功率,導(dǎo)致水聲通信丟包。

圖11 水下聲學(xué)滑翔機姿態(tài)信息Fig.11 The attitude information of underwater acoustic glider

此次海試試驗驗證了基于水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng)從水下聲學(xué)滑翔機到岸基中心的信息傳輸鏈路的正確性和可行性。同時也暴露出一些問題,青島外海水聲信道復(fù)雜,除海面、海底的反射干擾外,多途效應(yīng)嚴(yán)重,降低了水聲通信的成功率和可通距離。此外,水聲通信機制導(dǎo)致該系統(tǒng)存在時長不等的傳輸時延,后續(xù)需進一步優(yōu)化水聲通信協(xié)議和機制;水下聲學(xué)滑翔機的姿態(tài)對水聲通信的成功率有很大影響,后續(xù)會考慮更換輻射范圍更優(yōu)的聲學(xué)換能器。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng),利用水聲通信技術(shù)將水下聲學(xué)滑翔機觀探測的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給波浪滑翔器,經(jīng)其透明轉(zhuǎn)發(fā)至岸基中心,實現(xiàn)近似實時的探測通信數(shù)據(jù)傳輸。最后經(jīng)過近海試驗驗證了水下聲學(xué)滑翔機探測通信系統(tǒng)的正確性和可行性,解決了水下聲學(xué)滑翔機在水下執(zhí)行任務(wù)時,無法將信息實時回傳至岸基中心的難題。同時也暴露出該系統(tǒng)目前存在通信丟包率過高和傳輸時延的問題,為下一步的研究應(yīng)用指明方向,也為后續(xù)水下無人系統(tǒng)集群協(xié)作和編隊組網(wǎng)提供參考。