UUV通信技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展分析*

金曉斌 許大琴 徐 堅(jiān)

(海軍指揮學(xué)院信息系 南京 211800)

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UUV通信技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展分析*

金曉斌 許大琴 徐 堅(jiān)

(海軍指揮學(xué)院信息系 南京 211800)

UUV(Unmanned Underwater Vehicle)作為一個(gè)智能水下無人作戰(zhàn)平臺,是海上力量的倍增器。UUV的通信能力是影響UUV作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵因素之一。首先介紹了UUV通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了不同任務(wù)UUV通信系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用方式。接著結(jié)合未來水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需求,探討了UUV水下通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。最后比較了幾種水下通信技術(shù)的優(yōu)劣,提出采用水下無線光通信實(shí)現(xiàn)UUV水下無線高速通信的方案。

無人潛航器; 通信技術(shù); 水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò); 無線光通信

Class Number TN929.3

1 引言

近幾年,在資源不斷急劇消耗的狀況下,全世界對海洋的關(guān)注不斷增加,應(yīng)用于海洋的科技也得到了迅猛的發(fā)展,水下戰(zhàn)場的軍事斗爭日益激烈,水下無人航行器(Unmaned Underwater Vehicle,UUV)因?yàn)槠滹L(fēng)險(xiǎn)低、形式多變和應(yīng)用靈活等特點(diǎn)被各國的軍方和商家所青睞,隨著UUV功能和任務(wù)的多樣化以及對行動更高的要求,以往的水下通信手段已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求。

2 UUV通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 短波通信

短波通信(HF通信)的頻段為3MHz～30MHz,是一種利用電離層反射實(shí)現(xiàn)天波遠(yuǎn)距離傳輸或者利用地波實(shí)現(xiàn)近距離傳輸?shù)耐ㄐ攀侄蝃1]。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡便,不需要建立信號中轉(zhuǎn)站就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。但是由于電離層的不穩(wěn)定性導(dǎo)致信號多徑現(xiàn)象嚴(yán)重,時(shí)延和多普勒平移大,信號衰弱過多等,使通信的可靠性降低,而且容易受到干擾。雖然短波通信的技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步,現(xiàn)有自適應(yīng)跳頻、自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)和高速調(diào)制解調(diào)器等來優(yōu)化短波通信,但是要不受自然干擾,在較高的傳輸速度下保證很低的誤碼率仍然難以實(shí)現(xiàn)。

2.2 長波通信

長波通信是指用波長大于1000m,頻率低于300kHz的電磁波進(jìn)行的無線通信。甚低頻(VLF)通信頻段為3kHz～30kHz,電波能穿透10m～20m深的海水。超低頻(ELF)的頻段為30Hz～300Hz,可穿透100m深的海水[2]。甚低頻和超低頻對UUV通信的發(fā)射設(shè)備造價(jià)昂貴,需要超大功率的無線電發(fā)射機(jī)和超大尺寸的天線,因此UUV上無法安裝發(fā)射機(jī),只能安裝接收機(jī)部分。如果UUV要向岸基指揮部發(fā)報(bào),必須上浮或釋放通信浮標(biāo),以其他方式進(jìn)行通信,而這些動作都可能會暴露UUV的位置。除此之外,甚低頻和超低頻的通信速率很低,作戰(zhàn)時(shí)會使戰(zhàn)斗力受到制約,可能會因?yàn)橄鬟f過慢而引起的命令錯(cuò)誤。

2.3 水聲通信

要完成水下目標(biāo)之間、水下目標(biāo)與水面目標(biāo)之間的雙向通信,水聲通信是當(dāng)前唯一可以選擇的通信形式。在海面下600m～2000m之間存在一個(gè)聲道,在該聲道中,聲波可傳輸?shù)綌?shù)千公里之外[3]。水下聲信道與無線電信道有著許多不同的特性。水下聲波的傳播速率比電磁波的速率低五個(gè)數(shù)量級,導(dǎo)致水環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳播速率較低,從而增加了傳播時(shí)延(約為0.67s/km)[4],頻帶資源嚴(yán)重受限。隨著通信距離的增加,水下通信的傳播損失將急劇增加。此外,多徑、衰落及多普勒頻移等問題使得水下通信的誤碼率高,鏈路暫時(shí)性中斷現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。

3 UUV通信系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用

UUV是一種能自主控制,長時(shí)間在水下執(zhí)行任務(wù),可重復(fù)使用的水下智能機(jī)器人。隨著UUV在軍事和科研領(lǐng)域的重要性不斷提升,其相關(guān)技術(shù)也逐漸走向成熟,當(dāng)前UUV已經(jīng)能夠完成海洋環(huán)境測量、反水雷、水下搜尋等任務(wù),根據(jù)不同的使命任務(wù),UUV對通信能力的需求不同,所選擇的通信技術(shù)也有所不同。任何一種單一通信手段通常都無法滿足需求,所以水下無人航行器都載有多種通信系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)時(shí)的水下或水面通信。

下面介紹幾種典型的UUV及其通信方式。

3.1 美國先進(jìn)無人搜索系統(tǒng)(AUSS)

AUSS的主要使命任務(wù)是搜索深海目標(biāo)和探測海底目標(biāo),目前主要用于海難救助和海底環(huán)境探測。AUSS采用20kW·h三組銀鋅電池,每次充電需要20h,續(xù)航為10h,執(zhí)行一次任務(wù)時(shí)間為10h～15h,可以對拍攝的圖像進(jìn)行壓縮后直接通過水聲信號實(shí)時(shí)傳給母艦[5]。由于只是實(shí)時(shí)傳輸一些圖片,數(shù)據(jù)量并不大,而且任務(wù)只是簡單的探測水下目標(biāo)。雖然其信息傳輸速率只有4800b/s,指令信息傳輸速率只有1200b/s,但也能滿足其任務(wù)需求。

3.2 法國Alister3000

Alister3000主要用于探測水下結(jié)構(gòu)、幫助鋪設(shè)海底管線、調(diào)查海底等。它使用光纖通信鏈、水聲通信鏈和無線電通信鏈。在航行器布放前下載使命任務(wù)和任務(wù)結(jié)束后上傳任務(wù)所得數(shù)據(jù)時(shí)用光纖通信鏈。水聲通信系統(tǒng)分為高數(shù)據(jù)率和低數(shù)據(jù)率兩部分,航行器使用高數(shù)據(jù)率水聲通信把任務(wù)中得到的視頻和傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給母艦,母艦使用低數(shù)據(jù)率水聲通信對航行器的狀況進(jìn)行監(jiān)視并對航行器進(jìn)行指揮。當(dāng)航行器上浮到水面時(shí),使用無線電通信與母艦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,母艦還可以通過無線電通信操作航行器使其回收更加順利[5]。

3.3 俄羅斯MT-88

MT-88采用銀鋅電池,作業(yè)時(shí)間為6h,主要任務(wù)是探測海底資源和海底地形研究。母艦載有控制系統(tǒng),通過光纖通信鏈在航行器布放前對其進(jìn)行控制和載入程序以及在航行器回收后進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取,通過水聲數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)顯示航行器的運(yùn)動并及時(shí)修改航行器的程序[5]。

3.4 美國遠(yuǎn)期水雷偵查系統(tǒng)(LMRS)

美國海軍將LMRS命名為AN/BLQ-11,主要任務(wù)是雷區(qū)的情報(bào)收集和水雷識別與定位等,為戰(zhàn)區(qū)指揮官提供執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視和偵查。采用高能量密度的亞硫酰氯鋰電池,水下續(xù)航時(shí)間至少40h,航程200km,水下最大工作深度為460m,最小工作深度12m,持續(xù)工作時(shí)間40h～48h。LMRS在水下用水聲通信傳輸數(shù)據(jù)和指令,上浮之后可用無線電進(jìn)行通信。它每隔9h～12h就要上浮,通過GPS衛(wèi)星定位將該時(shí)段內(nèi)所有類似水雷物體圖像通過無線電通信傳遞給母艦[5]。雖然LMRS要定時(shí)上浮,隱蔽性不強(qiáng),但它主要任務(wù)是為母船服務(wù),進(jìn)行水雷偵查,在母船那么大的目標(biāo)下,它的隱蔽性就不是那么重要了。

3.5 英國Talisman

Talisman是一種多功能的水下無人航行器,其主要任務(wù)包括反水雷,搜索、監(jiān)視并跟蹤目標(biāo)等。該航行器可以載入新的硬件和軟件,并且可以及時(shí)快速地重新設(shè)置使命任務(wù)[5]。當(dāng)航行器位于水面時(shí),依靠射頻和銥星通信進(jìn)行航行器之間以及航行器與母艦之間的通信。當(dāng)航行器位于水下時(shí),則通過水聲通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 未來UUV的使命任務(wù)對通信的需求

隨著UUV的智能化水平的提高和其他技術(shù)的不斷成熟,已經(jīng)不是單一的水下機(jī)器,而是一個(gè)水下作戰(zhàn)平臺。

未來水下戰(zhàn)場是信息化的水下戰(zhàn)場,快速獲取、傳輸和處理水下戰(zhàn)場的各種信息是贏得水下作戰(zhàn)的關(guān)鍵。構(gòu)建水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)成為必然。所謂水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)就是在一定水下區(qū)域內(nèi),通過各種傳感器節(jié)點(diǎn)獲取水下信息,并對水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信和組網(wǎng),最終通過特定節(jié)點(diǎn)向各個(gè)作戰(zhàn)單位進(jìn)行信息分發(fā)[6]。因此,要實(shí)現(xiàn)水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò),就要實(shí)現(xiàn)水下各平臺之間的快速準(zhǔn)確通信。UUV作為水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn),在未來水下作戰(zhàn)中將扮演越來越重要的角色。

早在20世紀(jì)90年代中期,美國空間與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部就提出了“飛行插入”概念來實(shí)現(xiàn)各平臺之間的高效通信。所謂“飛行插入”,就是利用一次性光纜拖拽小型無人潛航器作為“插頭”通過特定“插座”,實(shí)現(xiàn)潛艇、UUV、水面艦艇及飛機(jī)與遙控的有線傳感器網(wǎng)及通信浮標(biāo)的連接[7]。但是畢竟水下光纜成本高,受海洋環(huán)境影響大,還要面臨回收的問題。因此,采用這種連接方式只能是臨時(shí)的,是向水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的中間一步。

在美國海軍潛艇聯(lián)合會舉行的2006年潛艇技術(shù)論壇上,披露了當(dāng)今最先進(jìn)的水下網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃之一——美國“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”(PLUSNet)[7]。這是一種半自主控制的海底固定+水中機(jī)動的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施。UUV在當(dāng)中作為一個(gè)戰(zhàn)場節(jié)點(diǎn),在水下通過水聲通信向另外的戰(zhàn)場節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),在水面通過射頻通信方式與艦船和岸基設(shè)備進(jìn)行通信?！昂ｑR”、“金槍魚”等UUV已經(jīng)作為PLUSNet的關(guān)鍵組成。

不斷發(fā)展的水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)也對UUV提出了更高的要求。隨著海洋探測技術(shù)的發(fā)展,基于水下光學(xué)或聲學(xué)的傳感技術(shù)在海洋監(jiān)測中的應(yīng)用也是越來越廣泛,而這些傳感信息的實(shí)時(shí)傳輸迫切需要高速率的智能水下移動節(jié)點(diǎn),為其他作戰(zhàn)平臺提供實(shí)時(shí)水下戰(zhàn)場態(tài)勢。

總的來說,未來作戰(zhàn)對UUV水下通信技術(shù)需求主要有:

1) 體積小,重量輕,能耗低,成本低。UUV本身有體積小、能量有限、成本低的特點(diǎn),搭載體積小、重量輕的通信設(shè)備有利于UUV在水下的行動;應(yīng)用能耗低的通信系統(tǒng)能使UUV在水下更長時(shí)間的正常工作;攜帶成本低的通信設(shè)備,降低整體成本,才能使UUV在水下網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模的使用。

2) 傳輸速率高,誤碼率低。隨著傳感器的發(fā)展,水下網(wǎng)絡(luò)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也逐漸增加,UUV作為其中的節(jié)點(diǎn),需要具備水下高速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸能力。

5 UUV水下通信技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)前UUV在水下通?？抗饫|和水聲進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。水下光纜成本高,使用不方便,而且不符合未來水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的要求。水聲通信傳輸速度慢,即使壓縮之后,VGA圖像的視頻信號實(shí)時(shí)傳輸仍然需要高于6Mbps的傳輸速率,采用聲學(xué)無線通信技術(shù)無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求[8]。

水下無線光通信使UUV的水下無線高速傳輸成為可能。水下無線光通信是使用波長為450mm～570mm的藍(lán)綠光作為信息載體的通信方式。海水對其光波段的衰減要比對其它光波段的衰減要小很多,在垂直入射的條件下,藍(lán)綠激光穿透2000m深的海水,其衰減也只有5%～10%[2]。短距離的水下無線光通信發(fā)展迅速,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在UUV上使用無線光通信對水下傳感器進(jìn)行識別、定位以及數(shù)據(jù)獲取[9]。在實(shí)驗(yàn)室中,水下光通信的傳輸速率已經(jīng)高達(dá)1Gbps[10]。

相比較水聲通信,水下無線光通信的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率更高,保密性更強(qiáng),受海洋環(huán)境影響更小并且設(shè)備體積小、重量輕,能耗小、成本低。十分適合UUV這樣的體積小,能源有限的無人水下平臺。通過水下無線光通信可以使UUV在水下與其他水下、水面作戰(zhàn)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向高速傳輸,可通過有人平臺對UUV控制來提高UUV的定位和操作精度,提升掃雷等任務(wù)的能力。UUV提取和傳輸傳感器網(wǎng)絡(luò)所探測的數(shù)據(jù)也更加快速便捷。

水下無線光通信也有不足之處,一是它要求在發(fā)送前必須知道目標(biāo)的具體位置,而這點(diǎn)通過現(xiàn)在的水聲定位技術(shù)是可以解決的。可以先用水聲通信傳輸位置信息,再用水下無線光通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸。二是無線光通信的通信距離比較短,目前還無法遠(yuǎn)距離可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

6 結(jié)語

總之,水下無線光通信將成為UUV的主要通信手段之一。在未來水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中,UUV采用水下無線光通信技術(shù)與其他作戰(zhàn)平臺或者傳感器網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,可以使各作戰(zhàn)平臺更快地獲得更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的水下戰(zhàn)場態(tài)勢信息,從而提升作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)整體的效能。

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Application and Development of Comunication System in Unmanned Underwater Vehicles

JIN Xiaobin XU Daqin XU Jian

(Department of Information, Naval Command College, Nanjing 211800)

Unmanned Underwater Vehicle(UUV) can enhance the maritime forces as an Intelligent Underwater Unmanned Operational Platform. The communication capability of UUV is one of the key factors for combat ability. This paper introduces the current development state of UUV communication system and its applications in different tracks, and analyzes its trend with the needs of Underwater Operation Network. Finally, several kinds of communication technology has been compared with each other and put forward the idea of using wireless optical communication to relize the underwater high-speed communication of UUV.

unmaned underwater vehicle, communications technology, underwater operation network, wireless optical communication

2015年6月3日,

2015年7月28日

金曉斌,男,碩士研究生,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。許大琴,女,副教授,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。徐堅(jiān),男,碩士研究生,研究方向:軍事信息學(xué)。

TN929.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.002