AUV 水下通信技术研究现状及发展趋势探讨

2020-04-17张彦敏

舰船科学技术 2020年2期

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)

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器信息及时传送到信息中心,并利用先进水下通信模拟器分析改进模型性能，在仿真结果达到性能指标要求后，再开展硬件设计，并进行现场测绘。

3）美国海军发展“模块化光学通信”技术以实现高速跨域通信

2017 年3 月，美国海军空间与海战系统司令部发布“模块化光学通信”载荷项目公告，目的是设计有人潜艇/UUV 与飞机间的全双工通信系统。该系统无需水面通信转换节点，可实现潜艇与飞机的直接通信，目标通信速率不低于1 kbps，未来有望在通信距离15 nmile，深度超过100 t 的位置实现更高速率，并且利用该系统具有低截获概率和低探测概率（LPI/LPD）的特点，使空潜通信摆脱对水面平台、浮标的依赖，并无需潜艇浮出水面，为跨域协同作战开辟新的通信保障途径。

4）美国伯克利实验室研发轨道角动量复用技术，实现深海水声通信速率8 倍提升

2017 年6 月，美国劳伦斯·伯克利国家实验室完成了螺旋声波多路复用技术陆上试验，验证了声波信号高效并行传输技术可行性，实现通信速率8 倍提升。在此技术中，创造性地采用了广泛应用于电信和计算机网络中的多路复用技术，实现在单个频率上包装更多的信道，显著提高了信息传输速率。

2.2 欧洲水下通信技术发展现状

2.2.1 现状

欧洲等海军强国的水声通信技术研究起步较早；2008 年开始针对水下声通信多个技术方向进行研究；2010 年开始研究水下声通信网络；2013 年9 月启动SUNRISE 项目，在不同水域分别建立5 个联合的水下声通信试验平台；2017 年确立了首个欧洲通信标准。

2.2.2 新的进展

1）近海观测网

CMRE（Centre For Maritime Research & Experimentat i o n）开发了一个物理测试平台近海观测网络（LOON），包括海床上一系列小的平台，每一个小平台均配备了各种通信设备，彼此连接，并通过光缆与岸基设备连接。观测网可以直接与互联网连接，可以获取真实的试验数据来测试新的通信技术，降低了试验成本。

2）机器人物理逻辑连接节点项目（MORPH）

2012 年，欧盟“第七框架计划”内项目MORPH启动，该项目开发了一个由很多空间上分开的移动模块组成的机器人系统，这些模块携带不同且互补的资源，这些模块依靠信息流的虚拟链路连接，通过重新配置，以适应不同的复杂地形。信息流主要依靠水下通信来实现，其中水下网络中网络通信和节点定位功能有基于商业的调制解调器完成。

3）SUNRISE 项目

2013 年，欧洲启动了SUNRISE 项目，该项目在一定程度上受到LOON 的影响，主要针对水下传感器、水下监控、水声通信网等水下通信技术进行研究。通过在美国与欧洲建立5 个试验平台，针对不同海洋环境条件下的水下通信技术进行试验。

2.3 其他国家水下通信技术发展现状

1）日本在AUV 通信技术方面主要偏向高数据率水声通信技术，加强AUV 与母船之间的交流的时效性，实现大数据量信息的快速传递。

2）2017 年7 月，日本国立海洋研究开发机构在水深700～800 m 的海洋环境完成了水下移动物体间蓝绿激光通信，通信距离超过100 m，通信速率达到20 MbB/s。

3）韩国在水下声通信技术在试验传输距离上取得突破，水深100 米时通信距离达到30 千米，比现有技术传输距离提高了2 倍以上。

根据上述国外水下通信技术发展现状的描述可以发现，现在水下通信技术主要发展方向集中在水下网络通信、水声通信等方向。水下网络通信方面主要实现水下组网建设、网络协议编写等关键技术；水声通信方面主要是提升系统通信速率。通过国外水下通信技术研究现状分析，为我国水下通信技术以及AUV 通信技术提供参考。

3 AUV 通信技术未来发展趋势

3.1 AUV 通信技术组合化

通过对现有技术的总结可以发现，单一通信方式无法满足对AUV 操作控制的需要，尤其对于水下发射接收单元，利用水下光通信的高传输速率和水声通信的长传输距离优势并将2 种方式有机结合，可以实现系统性能的倍增。

现在，基于水下光学无线链路的网络在中等距离的高数据速率下是可行的。使用光收发器来提供高数据速率传输，而当水浊度较高或终端之间的距离较大时，系统使用声学收发器切换到较低的数据速率，从而提高平均数据速率和可用性。

因此，未来的调制解调器将包含许多信号传输手段和处理工具，以便在采用任何可用技术物理环境条件允许时将其组合在一起，在物理层实现高数据速率。

3.2 AUV 通信方式网络化

AUV 通信方式网络化主要体现在两方面，一方面，为应对今后水下无人集群作战的需求，AUV 的部署数量会有大幅度提升，对水下通信组网的性能提出更高的要求；另一方面，在未来水下AUV 作战模式的转变、升级中，网络化、接力传输是最重要研究方向。

水下通信组网在军民两用方面都有着巨大的应用潜力，现在各个国家都投入了很大的精力进行研究开发。水下通信组网的关键技术是通信网络协议，目的是为了解决多个节点之间的数据传输问题。当AUV 成为水下通信组网的节点后，可以实现水下近程高速通信组网的快速形成，在局部位置可以快速形成通信网络，提升所在位置观测信息交互的实时性、有效性和高速率。并且，在实现水下组网通信的基础上，多个AUV 可以进行协同观测，增加探测侦察的准确性、时效性，为争夺战争先机与主导权赢得时间。其次，在作战方面，集群化作战方式不仅可以提供战场的全方位态势评估，还可以实现局部战场的非对称性，提高作战能力及胜算。

3.3 AUV 通信对象多元化

未来水下作战模式中，将形成海-空-天一体化协同作战网络。目前，水上部分使用远程、高速、宽带的电磁通信技术，已实现联合作战，重点突破对象为水下各平台、传感器之间，水面、水下跨域的通信问题，以实现水下潜艇、无人潜航器、传感器阵列等节点之间顺畅的信息传输。

通过AUV 与水面无人艇（USV）或无人机之间建立的通信链路，实时将AUV 获取的水下信息传输给USV 或无人机，USV 或无人机通过卫星中继后传输给母船或岸基指挥中心，实时获取水下信息，以加强情报收集的准确性、时效性与有效性。在发生突发情况下，操控员可以通过USV 或无人机将指令传输给水下AUV，完成改变航线、探测、攻击目标等遥控作业或长航时自主作战。

在水下组网技术尚未成熟之前，可以利用水面USV 或无人机作为中继节点，对多个水下AUV 进行指挥控制，快速形成作战能力。在水下远距离通信成熟后，以核潜艇等作为通信主站，以水下通信网作为节点，可以实现有人艇与无人艇的大规模协同。