水下声学滑翔机实时探测通信系统及其近海试验

田德艳 ,张小川 ,张文清 ,孙芹东 ,王 超

(1.青岛海洋科技中心,山东 青岛,266237;2.海军潜艇学院,山东 青岛,266199)

0 引言

随着海洋资源的开发和利用,水下声学滑翔机、波浪滑翔器、潜标以及浮标等作为重要的水下无人平台,被广泛应用于海洋环境监测和水下组网等领域[1-11]。水下滑翔机采用浮力驱动方式改变载体净浮力来提供上升和下潜驱动力,通过改变重心位置调节姿态(俯仰角和横滚角),配合低阻力外壳和侧翼,在水下作锯齿形曲线运动。由于其长航程、高效率、低能耗等优势,搭载集成各种传感器和科考设备,可对水下环境进行探测。水下声学滑翔机是在水下滑翔机的基础上,搭载集成声学传感器及配套的水声信号处理系统,使其具备海洋环境噪声采集、水声目标信息采集及数据处理等功能。水下声学滑翔机在水下执行观探测任务时,需要等待每个滑翔剖面结束上浮至水面,再将数据信息上报至岸基中心。这种工作方式使得水下声学滑翔机无法与岸基中心进行实时信息交互,滑翔上浮带来的时间延迟不仅会中断当前观探测任务,还会降低信息时效性。

针对此问题,文中提出一种水下声学滑翔机探测通信系统,将水声通信技术[12-15]应用在水下声学滑翔机上,辅以水面波浪滑翔器[16-18]通信中继功能,实现观探测信息实时传输。

文中着重介绍了水下声学滑翔机探测通信近海试验应用情况、试验数据处理结果。通过外海试验应用,验证了水下声学滑翔机探测通信系统结构的正确性和可行性,以期为国内水下无人平台集群协作和编队组网提供参考。试验中采用的水下声学滑翔机为天津大学和海军潜艇学院联合研制的“海豚-II”,波浪滑翔器为中国海洋大学研制的“黑珍珠”。

1 探测通信系统设计

水下声学滑翔机探测通信系统结构如图1 所示,主要包括集成水声通信机的水下声学滑翔机和集成水声通信机的水面波浪滑翔器两部分。该系统的主要功能是实现水下观探测和通信,实时上报数据信息至岸基中心。具体表现为：将水下声学滑翔机在水下观探测的数据信息,利用水声通信技术和波浪滑翔器的透明转发,上传至岸基中心,从而实现水下声学滑翔机与岸基中心实时信息交互；岸基中心也可实时下达对水下声学滑翔机的控制指令。

图1 水下声学滑翔机探测通信系统结构示意图Fig.1 Structure of detection and communcation system for underwater acoustic glider

集成水声通信机的水下声学滑翔机包括水下滑翔机、水声观探测单元和水声通信单元3 部分。水声观探测单元和水声通信单元均分体集成在水下滑翔机上,如图2 所示,并由水下滑翔机为其供电。水声通信单元由声学换能器和信号处理机两部分组成。声学换能器固定集成在水下滑翔机的艏部,并通过机械结构与壳体相固连；声学换能器通过水密线缆与水下滑翔机主控相连。信号处理机安装在水下滑翔机后密封舱内,通过串口与主控相连,进行信息传输。

图2 集成水声通信机的水下声学滑翔机Fig.2 Underwater acoustic glider with integrated acoustic communication machine

搭载集成水声通信单元的水面波浪滑翔器。如图3 所示,在波浪滑翔器的牵引机上搭载集成水声通信机水面端,由波浪滑翔器本体为其供电。

图3 集成水声通信机的波浪能滑翔器Fig.3 Wave glider with integrated acoustic communication machine

岸基中心接收各平台回传的观探测数据信息以及自身平台的状态信息,并由此作出判断,对各平台发送控制指令,调整其运动策略。

2 系统信息交互流程

水下声学滑翔机探测通信系统,信息交互策略如图4 所示,包括2 个方向的信息数据流向: 数据回传通信和指令下达通信。

图4 系统信息交互流程图Fig.4 Flow chart of system information interaction

1) 数据回传通信

当水下声学滑翔机在水下滑翔作业时,矢量水听器采集水声信号,其匹配的信号处理机实时处理水声数据,并将重要信息发送给水下滑翔机。水下滑翔机触发水声通信单元工作,将数据信息经过水声通信发送给水面波浪滑翔器。波浪滑翔器将数据信息通过卫星通信透明转发至岸基中心。

2) 指令下达通信

岸基中心根据接收的数据信息进行决策,向下发送控制各平台的指令信息,水面波浪滑翔器接收到非控制自身平台的命令信息后,通过水声通信单元向下透明转发给水下声学滑翔机主控,继而控制水下声学滑翔机改变运动策略。

3 近海试验应用

2019 年7 月,在青岛外海长门岩附近海域进行了水下声学滑翔机探测通信系统试验。如图5红色方框所示,该试验海域深度变化为23～28 m,海底为泥质底。

图5 试验海域Fig.5 Test sea area

3.1 试验设备布放及试验流程

到达试验海区后,依次将集成水声通信单元的水下声学滑翔机、连接波浪滑翔器主控的水声通信单元以及发射声源布放入水。

由于青岛外海试验海区水深至深点为28 m,水下声学滑翔机在此水域无法进行滑翔作业,采取坐底方式验证系统的探测通信链路可行性。水下声学滑翔机下面坠重物坐底,机体上绑浮力块,保持其固定在海深3 m 处,并且在水面连接浮球用来标记位置,水下声学滑翔器布放过程如图6 所示。

图6 滑翔机布放过程Fig.6 The deployment process of glider

波浪滑翔器船体与水下牵引机连接的柔性铠装缆缆长8 m,在近海海深不足30 m 的情况下,留给水声通信单元通信垂直距离太短,故试验将波浪滑翔器主控与声通机连接,声通机入水深度3 m,连接波浪滑翔器主控的声通机布放见图7。

试验测试流程如图8 所示,具体流程为: 将UW350 布放在船侧边,与电脑相连,发送水声音频信号,固定在海底的水下声学滑翔机对其进行探测,在探测到水声音频信号后,触发水声通信将数据信息发送出去,波浪滑翔器主控收到数据信息后透明转发至岸基中心。

图8 试验测试流程Fig.8 Test procedure

3.2 试验海区声场环境测量

利用声速剖面仪进行试验现场声速垂直剖面测量,对声速剖面数据进行处理,获得声速剖面如图9 左图所示,可见试验海区从水深5～15 m 声速梯度变化显著。根据试验条件: 发送端位于水深3 m处,接收端位于相距600 m 水深24 m 处,水声通信机换能器开角范围-78°～78°,对声场环境仿真得到水面向水下通信过程中本征声线分布如图9 右图所示。试验海区水声信道复杂,水声信号多途效应明显,在接收端存在海面、海底反射信号和多途干扰信号,不利于水声通信。

图9 试验海域声速剖面及600 m 通信本征声线传播Fig.9 The sound velocity profile of the test sea area and the intrinsic sound ray propagation of 600 m communication

3.3 系统探测通信链路数据分析

试验过程中试验船从上游2 km 顺流而下,由远及近再远测试探测通信链路。经过测试,从上游220 m 到下游530 m,试验船都能监测到水下声学滑翔机发送的水声通信信号。

由于岸基中心接收到的数据包是水下声学滑翔机采集的数据包经由水声通信单元、波浪滑翔器和卫星系统传输而来,所以要将水下声学滑翔机主控端采集数据包与岸基中心接收到的数据包进行比对,以验证通信链路传输的正确性。

对试验数据进行统计可知,水下声学滑翔机探测到的目标信号与通过水声通信向外发送的目标信号数据包均为30 次,而波浪滑翔器主控与岸基中心接收到的数据包均为15 次,水声通信丢包率为50%。将岸基中心接收的数据包与水下声学滑翔机发送数据包进行解析,得到如表1 所示的对比结果。分析水下声学滑翔机原始数据包与岸基中心接收数据包的传输时延差和传输目标方位角差,如图10 所示。

表1 水下声学滑翔机发送数据与岸基中心接收数据对比Table 1 Comparison of data sent by the underwater acoustic glider and received by the shore-based center

图10 水下声学滑翔机发送数据与岸基中心接收数据传输时延差和传输方位角差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

解析对比岸基中心接收的数据包与水下声学滑翔机发送的数据包无误码,声源方位角均一致。但整个传输过程存在不等的传输时延,短则1 min,长达18 min,分析可能与水声通信单元通信失败等待重传带来的时间损耗有关。

3.4 水下声学滑翔机水下姿态分析

对水下声学滑翔机在09:34～11:20 时间段内的姿态数据进行统计分析,结果如图11 所示。水下声学滑翔机航向角一直处于变化中,可能是受水流冲击的影响,俯仰角和横滚角也存在40°左右的角度偏差,这就导致搭载在水下声学滑翔机艏部水声通信单元的声学换能器指向性有所偏离,降低了水声通信成功率,导致水声通信丢包。

图11 水下声学滑翔机姿态信息Fig.11 The attitude information of underwater acoustic glider

此次海试试验验证了基于水下声学滑翔机探测通信系统从水下声学滑翔机到岸基中心的信息传输链路的正确性和可行性。同时也暴露出一些问题,青岛外海水声信道复杂,除海面、海底的反射干扰外,多途效应严重,降低了水声通信的成功率和可通距离。此外,水声通信机制导致该系统存在时长不等的传输时延,后续需进一步优化水声通信协议和机制;水下声学滑翔机的姿态对水声通信的成功率有很大影响,后续会考虑更换辐射范围更优的声学换能器。

4 结束语

文中设计了一种水下声学滑翔机探测通信系统,利用水声通信技术将水下声学滑翔机观探测的数据信息发送给波浪滑翔器,经其透明转发至岸基中心,实现近似实时的探测通信数据传输。最后经过近海试验验证了水下声学滑翔机探测通信系统的正确性和可行性,解决了水下声学滑翔机在水下执行任务时,无法将信息实时回传至岸基中心的难题。同时也暴露出该系统目前存在通信丢包率过高和传输时延的问题,为下一步的研究应用指明方向,也为后续水下无人系统集群协作和编队组网提供参考。