舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (2): 93-97   PDF    
AUV水下通信技术研究现状及发展趋势探讨
窦智, 张彦敏, 刘畅, 孔斌     
武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430064
摘要: 自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)在海洋水下环境监测、海洋资源勘探、水下特种作战等方面具有广阔应用前景。随着应用的不断加深,水下通信技术成为制约AUV发展的主要因素。本文首先对AUV实际应用场景的通信需求进行分析,结合水声通信、水下激光通信等水下通信技术的特点,得出不同场景下选择的水下通信技术。对当今世界各种先进的水下通信技术发展现状进行综合分析,为我国今后发展相关技术提供有益借鉴,并对AUV通信技术未来发展趋势进行探讨。
关键词: 水下自主无人航行器     水下通信     发展趋势    
Research status and future development trend of AUV underwater communication technology
DOU Zhi, ZHANG Yan-min, LIU Chang, KONG Bin     
Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China
Abstract: Autonomous Underwater Vehicle has broad application in underwater environmental monitoring, marine resources exploration, underwater special operations. With the deepening of application, the main factor that restricts the development of Autonomous Underwater Vehicle is the underwater communication technology. In this paper, the communication needs of AUV practical application scenarios are analyzed first, and based on the characteristics of underwater communication technologies such as underwater acoustic communication and underwater laser communication, the underwater communication technologies selected in different scenes are obtained. Then the paper makes a comprehensive analysis of the development status of various advanced underwater communication technologies in the world, provides useful reference for China’s future development of related technologies, and discusses the future development trend of AUV communication technology.
Key words: AUV     underwater communication     development tendency    
0 引 言

随着海洋开发的不断深入,各型AUV在水下作业、水下勘察、海洋监测等领域逐渐得到应用和推广,产生了实质性的经济效益。军事方面,随着新军事革命的变革和发展,水下航行器作为新型水下作战体系的重要组成部分得到各国的高度重视和大力发展。AUV的性能逐步提升,作战应用范围和深度不断得到拓展,无人航行器与有人航行器甚至水面舰艇、水面航行器集群式研究、应用逐渐提上日程。未来必将极大改变传统水下作战模式,对未来战争模式产生深远影响。

水下控制、数据通信、图像传输以及协同作战的配合都离不开水下通信的保障。水下通信传输速率、传输带宽、传输距离等因素限制了当前水下通信技术的应用,同时,限制了AUV的军用、民用发展。一旦水下通信技术问题得到解决,必然会引起AUV智能化、集群化、协同化作战模式的跨越式发展,必然会大大提高在民用领域应用的广度、深度、可靠性与经济性。因此,熟练运用成熟的水下通信技术,探索发展新的水下通信技术,对AUV快速发展将起到至关重要的作用。

1 AUV通信技术及其应用场景 1.1 主要应用场景

AUV水下通信主要参与者包括AUV、水面母船、水下网络节点、浮潜标、水面舰艇等设备,其通信内容包含控制指令、位置信息、水下环境参数、海洋数据信息等。AUV通信技术主要有以下3种应用场景:AUV与AUV之间通信、AUV与母船(母潜艇、网络中心平台)间通信、AUV与水下通信网络节点间通信或其他水面舰艇(或水面无人艇)或装备之间通信。对于不同的传输内容及通信参与者或不同的传输距离,需要选择不同的传输速率进行通信。

目前,受制于传输距离、传输速率和具体传输技术的影响,上述水下通信主要传输内容包括以下方面:AUV与AUV之间的通信主要是明确相互之间的距离位置,以便协同,需要用高数据率传输实时方位信息;AUV与母船之间的远程通信主要是母船通过低数据率将控制指令传输给AUV,AUV与母船之间的近程通信主要是AUV使用高数据率将水下获得的图像、数据等信息进行交互式传输;AUV还可通过水下通信网络节点建立与水面船只甚至陆上信息中心之间的信息交互,在此主要应用高数据率将数据信息进行中继传递。未来,在水下通信技术跨越式发展的基础上,在水下通信网络节点支撑的基础上,可以实现AUV与有人航行器甚至水面舰艇、水面航行器之间远程高速率的指令、信息甚至图像、视频的实时传输。

图 1 AUV水下通信场景 Fig. 1 AUV underwater communication scene
1.2 水下通信主要形式

在应用场景多样化的情况下,需要多种通信方式相结合的方式进行通信。下面针对目前主要使用的水下通信方式以及未来具有良好发展前景的通信方式进行分析、总结。

1.2.1 有缆通信

水下有缆通信是目前进行水下通信最成熟的技术,主要应用在ROV及有缆(或微细光纤缆)潜器的正常水下通信中。这种方式具有通信容量大、抗电磁干扰、保密性好等优点。实现这些功能需要对电缆、光缆提出较大的抗拉强度、弯曲盘放、抗腐蚀老化等要求。但是由于电缆/光缆长度的限制,无法进行更长距离的水下通信,潜器水下行动严重受限,所有行动都需要母船进行配合。

1.2.2 电磁波通信

水下环境具有许多独特的特征,使得它与地面传统通信系统的无线电传播相比具有独特性、局限性。如盐浓度、压力、温度、光量、风以及波浪等因素可能会导致无线电波在海水中衰减严重,且频率越高衰减越大,或者远距离通信的数据传输速率极低。

目前,各国海军主要是使用甚低频(VLF)和超低频(SLF)进行水面与水下远程通信。超低频系统的地基天线长达几十千米,通信速率低于1bps,仅能传输简单指令,无法满足水下高速传输信息的需求。

1.2.3 水下光(激光)通信

水下可见光通信(Underwater Visible Light Communication,UVLC),一般是由波长在450~530 nm的蓝绿激光作为传输信息的载体,一直受到多方青睐。美军于20世纪90年代初期最先完成初级阶段的蓝绿激光通信的实验,实际实装装备未见报道。但水下光通信必须面对的是,在浅海近距离通信中,水中悬浮颗粒及浮游生物会对光产生明显的散射作用,还包括水媒质、溶解物及悬浮物等对光信号的吸收以及来自水面外的强烈自然光以及水下生物的辐射光都对信号的发射接收形成干扰,对远距离的水下通信形成了天然的屏障。

近年,Chao Wang等利用MCNS(Monte Carlo numerical Simulation)建立了具有SPAD(Single Photon Avalanche Diode)接收机的长距离UVLC系统信道模型。仿真结果表明,在较纯净海水中,通信距离可以扩大到500 m[1]

1.2.4 量子通信

量子通信是近几年通信技术研究发展热点,利用光在微观世界的粒子特性,让一个个光子传输“0”和“1”任意方式叠加的信息。量子通信在地空无线电中已经进行了实际应用,可极大程度上加密传输信息,在信息安全方面有了很大提高。水下量子通信的研究还停留在理论模型阶段,该项技术正式应用于实际工程中还需很长一段时间。但是,通过现阶段的研究成果可以发现,水下量子通信是可行的,一旦应用到实际中,不仅可以提高通信保密性,而且相对于甚低频通信可以加强通信带宽,这些都可以很大程度上提高通信质量。

F Bouchard 等通过对水下量子信道的可行性研究,为水下潜器与母船之间提供安全通信链接提供了理论基础。通过将水下量子信道中的主要湍流特征看作像散,阐述了真空空间与水下链路之间的显著差异。通过试验,实现了二维和三维BB84协议密钥在3 m距离上的正确编解码[2]

1.2.5 水声通信

如前所述,电磁波通信、光通信以及量子通信都具有有限的水下通信范围。前者受到强衰减的严重影响,这导致较小的传播距离,而后者则取决于水混浊度。声(水声)通信由于可以实现更远的通信距离,目前已成为水下通信的主导技术。

声波在水下的信号衰减较小,传输距离远,可以从几百米延伸至几十千米。水声通信相比前面介绍的3种通信在传播距离上有着明显的优势。水声通信系统面临的最大挑战就是对抗由于水声信道引起的频率选择性衰落以及多径传播引起的码间干扰。为了解决这2种关键问题,主要是通过选择合适的调制技术和信道纠错编码技术来实现数据的高速准确传输。

在信号调制技术方面,王明华[3]设计了OFDM的高速水声通信系统,并进行了湖上和海上试验。湖试中,在6 km距离下,传输速率达到7.6 kbps,误码率低于10–4;海试中,在12 km距离下,传输速率达到8.3 kbps,误码率低于10–3。在信道编码方式选择方向上,徐小卡[4]在松花湖试验中,采用LDPC、OFDM、信道估计技术,在5 km的通信距离下,链路数据率达到9.71 kbps。

随着技术的不断进步,水声通信技术是未来水下通信的重要发展方向之一,当水声通信技术能够在一定程度上克服上述由于水声信道带来的频率选择性衰落以及多径传播引起的码间干扰,水声通信将极大地提高现有水下通信水平,为AUV发展打下良好技术基础。

2 国外水下通信技术发展现状

AUV通信技术与水下通信技术在本质上具有相同性。国外AUV通信技术发展,主要以美国、英国、法国、德国等国家技术较为先进,具有代表性。

2.1 美国水下通信技术发展现状 2.1.1 现状

随着水声通信技术的发展,用水声无线连接代替光缆、线缆连接成为海洋监测网的趋势。美国最典型的水下通信应用是Seaweb,在此基础上,2005 年美国海军研究室和国防部先进研究计划局(DARPA)联合提出 PLUSNet(Persistent littoral Undersea Surveillance Network)计划[5]。该计划打算利用10年的时间,建设一个覆盖美国近海水下无线持续监测网络。以水下浮潜标为固定节点、水下无人平台为活动节点构建网络,在实现监测的同时为巡航导弹、潜艇提供导航,并通过水面无线电网络与指挥系统连接。

2.1.2 新的进展

美海军于2016年12月至2017年3月,连续启动水下通信技术研发项目,推动水下无线电通信、水下光通信、水下网络通信技术发展。

1)微型轻质无线电发射机项目助力AUV等小型平台通信

DARPA微系统办公室发布AMEBA项目广泛机构征询书,与传统产生电磁波方式不同,该项目中利用有强电场或强磁场的特殊材料的机械振动产生电磁波,不仅可以极大程度减小无线发射机体积,实现设备小型化,而且可以充分利用超低频/甚低频(ULF/VLF)穿透性,提高水下超视距通信能力。

2)“水下多声传感器可靠配置异构集成网络”促进水下网络通信技术发展

水下网络通信是未来发展的必然趋势。该项目将先进物理层算法引入水下通信调制解调器,使用多种网络协议将传感