UUV通信技术应用与发展分析*

金晓斌 许大琴 徐 坚

(海军指挥学院信息系 南京 211800)



UUV通信技术应用与发展分析*

金晓斌 许大琴 徐 坚

(海军指挥学院信息系 南京 211800)

UUV(Unmanned Underwater Vehicle)作为一个智能水下无人作战平台,是海上力量的倍增器。UUV的通信能力是影响UUV作战能力的关键因素之一。首先介绍了UUV通信技术的发展现状,分析了不同任务UUV通信系统的特点与应用方式。接着结合未来水下作战网络构建需求,探讨了UUV水下通信技术的发展趋势。最后比较了几种水下通信技术的优劣,提出采用水下无线光通信实现UUV水下无线高速通信的方案。

无人潜航器; 通信技术; 水下作战网络; 无线光通信

Class Number TN929.3

1 引言

近几年,在资源不断急剧消耗的状况下,全世界对海洋的关注不断增加,应用于海洋的科技也得到了迅猛的发展,水下战场的军事斗争日益激烈,水下无人航行器(Unmaned Underwater Vehicle,UUV)因为其风险低、形式多变和应用灵活等特点被各国的军方和商家所青睐,随着UUV功能和任务的多样化以及对行动更高的要求,以往的水下通信手段已经不能满足应用需求。

2 UUV通信技术发展现状

2.1 短波通信

短波通信(HF通信)的频段为3MHz～30MHz,是一种利用电离层反射实现天波远距离传输或者利用地波实现近距离传输的通信手段[1]。其优点是设备简便,不需要建立信号中转站就可以实现远距离通信。但是由于电离层的不稳定性导致信号多径现象严重,时延和多普勒平移大,信号衰弱过多等,使通信的可靠性降低,而且容易受到干扰。虽然短波通信的技术已经有了很大的进步,现有自适应跳频、自适应编码调制技术和高速调制解调器等来优化短波通信,但是要不受自然干扰,在较高的传输速度下保证很低的误码率仍然难以实现。

2.2 长波通信

长波通信是指用波长大于1000m,频率低于300kHz的电磁波进行的无线通信。甚低频(VLF)通信频段为3kHz～30kHz,电波能穿透10m～20m深的海水。超低频(ELF)的频段为30Hz～300Hz,可穿透100m深的海水[2]。甚低频和超低频对UUV通信的发射设备造价昂贵,需要超大功率的无线电发射机和超大尺寸的天线,因此UUV上无法安装发射机,只能安装接收机部分。如果UUV要向岸基指挥部发报,必须上浮或释放通信浮标,以其他方式进行通信,而这些动作都可能会暴露UUV的位置。除此之外,甚低频和超低频的通信速率很低,作战时会使战斗力受到制约,可能会因为消息传递过慢而引起的命令错误。

2.3 水声通信

要完成水下目标之间、水下目标与水面目标之间的双向通信,水声通信是当前唯一可以选择的通信形式。在海面下600m～2000m之间存在一个声道,在该声道中,声波可传输到数千公里之外[3]。水下声信道与无线电信道有着许多不同的特性。水下声波的传播速率比电磁波的速率低五个数量级,导致水环境中的数据传播速率较低,从而增加了传播时延(约为0.67s/km)[4],频带资源严重受限。随着通信距离的增加,水下通信的传播损失将急剧增加。此外,多径、衰落及多普勒频移等问题使得水下通信的误码率高,链路暂时性中断现象也时有发生。

3 UUV通信系统特点与应用

UUV是一种能自主控制,长时间在水下执行任务,可重复使用的水下智能机器人。随着UUV在军事和科研领域的重要性不断提升,其相关技术也逐渐走向成熟,当前UUV已经能够完成海洋环境测量、反水雷、水下搜寻等任务,根据不同的使命任务,UUV对通信能力的需求不同,所选择的通信技术也有所不同。任何一种单一通信手段通常都无法满足需求,所以水下无人航行器都载有多种通信系统,以实现不同任务时的水下或水面通信。

下面介绍几种典型的UUV及其通信方式。

3.1 美国先进无人搜索系统(AUSS)

AUSS的主要使命任务是搜索深海目标和探测海底目标,目前主要用于海难救助和海底环境探测。AUSS采用20kW·h三组银锌电池,每次充电需要20h,续航为10h,执行一次任务时间为10h～15h,可以对拍摄的图像进行压缩后直接通过水声信号实时传给母舰[5]。由于只是实时传输一些图片,数据量并不大,而且任务只是简单的探测水下目标。虽然其信息传输速率只有4800b/s,指令信息传输速率只有1200b/s,但也能满足其任务需求。

3.2 法国Alister3000

Alister3000主要用于探测水下结构、帮助铺设海底管线、调查海底等。它使用光纤通信链、水声通信链和无线电通信链。在航行器布放前下载使命任务和任务结束后上传任务所得数据时用光纤通信链。水声通信系统分为高数据率和低数据率两部分,航行器使用高数据率水声通信把任务中得到的视频和传感器数据实时传输给母舰,母舰使用低数据率水声通信对航行器的状况进行监视并对航行器进行指挥。当航行器上浮到水面时,使用无线电通信与母舰进行数据传输,母舰还可以通过无线电通信操作航行器使其回收更加顺利[5]。

3.3 俄罗斯MT-88

MT-88采用银锌电池,作业时间为6h,主要任务是探测海底资源和海底地形研究。母舰载有控制系统,通过光纤通信链在航行器布放前对其进行控制和载入程序以及在航行器回收后进行数据的提取,通过水声数据链实时显示航行器的运动并及时修改航行器的程序[5]。

3.4 美国远期水雷侦查系统(LMRS)

美国海军将LMRS命名为AN/BLQ-11,主要任务是雷区的情报收集和水雷识别与定位等,为战区指挥官提供执行情报、监视和侦查。采用高能量密度的亚硫酰氯锂电池,水下续航时间至少40h,航程200km,水下最大工作深度为460m,最小工作深度12m,持续工作时间40h～48h。LMRS在水下用水声通信传输数据和指令,上浮之后可用无线电进行通信。它每隔9h～12h就要上浮,通过GPS卫星定位将该时段内所有类似水雷物体图像通过无线电通信传递给母舰[5]。虽然LMRS要定时上浮,隐蔽性不强,但它主要任务是为母船服务,进行水雷侦查,在母船那么大的目标下,它的隐蔽性就不是那么重要了。

3.5 英国Talisman

Talisman是一种多功能的水下无人航行器,其主要任务包括反水雷,搜索、监视并跟踪目标等。该航行器可以载入新的硬件和软件,并且可以及时快速地重新设置使命任务[5]。当航行器位于水面时,依靠射频和铱星通信进行航行器之间以及航行器与母舰之间的通信。当航行器位于水下时,则通过水声通信系统进行数据传输。

4 未来UUV的使命任务对通信的需求

随着UUV的智能化水平的提高和其他技术的不断成熟,已经不是单一的水下机器,而是一个水下作战平台。

未来水下战场是信息化的水下战场,快速获取、传输和处理水下战场的各种信息是赢得水下作战的关键。构建水下作战网络成为必然。所谓水下作战网络就是在一定水下区域内,通过各种传感器节点获取水下信息,并对水下节点进行通信和组网,最终通过特定节点向各个作战单位进行信息分发[6]。因此,要实现水下作战网络,就要实现水下各平台之间的快速准确通信。UUV作为水下作战网络的重要节点,在未来水下作战中将扮演越来越重要的角色。

早在20世纪90年代中期,美国空间与海上作战系统司令部就提出了“飞行插入”概念来实现各平台之间的高效通信。所谓“飞行插入”,就是利用一次性光缆拖拽小型无人潜航器作为“插头”通过特定“插座”,实现潜艇、UUV、水面舰艇及飞机与遥控的有线传感器网及通信浮标的连接[7]。但是毕竟水下光缆成本高,受海洋环境影响大,还要面临回收的问题。因此,采用这种连接方式只能是临时的,是向水下作战网络发展的中间一步。

在美国海军潜艇联合会举行的2006年潜艇技术论坛上,披露了当今最先进的水下网络计划之一——美国“近海水下持续监视网”(PLUSNet)[7]。这是一种半自主控制的海底固定+水中机动的网络化设施。UUV在当中作为一个战场节点,在水下通过水声通信向另外的战场节点传输数据,在水面通过射频通信方式与舰船和岸基设备进行通信。“海马”、“金枪鱼”等UUV已经作为PLUSNet的关键组成。

不断发展的水下作战网络也对UUV提出了更高的要求。随着海洋探测技术的发展,基于水下光学或声学的传感技术在海洋监测中的应用也是越来越广泛,而这些传感信息的实时传输迫切需要高速率的智能水下移动节点,为其他作战平台提供实时水下战场态势。

总的来说,未来作战对UUV水下通信技术需求主要有:

1) 体积小,重量轻,能耗低,成本低。UUV本身有体积小、能量有限、成本低的特点,搭载体积小、重量轻的通信设备有利于UUV在水下的行动;应用能耗低的通信系统能使UUV在水下更长时间的正常工作;携带成本低的通信设备,降低整体成本,才能使UUV在水下网络中大规模的使用。

2) 传输速率高,误码率低。随着传感器的发展,水下网络所需要传输的数据也逐渐增加,UUV作为其中的节点,需要具备水下高速准确的数据传输能力。

5 UUV水下通信技术发展趋势

当前UUV在水下通常靠光缆和水声进行数据传输。水下光缆成本高,使用不方便,而且不符合未来水下作战网络的要求。水声通信传输速度慢,即使压缩之后,VGA图像的视频信号实时传输仍然需要高于6Mbps的传输速率,采用声学无线通信技术无法满足实际应用需求[8]。

水下无线光通信使UUV的水下无线高速传输成为可能。水下无线光通信是使用波长为450mm～570mm的蓝绿光作为信息载体的通信方式。海水对其光波段的衰减要比对其它光波段的衰减要小很多,在垂直入射的条件下,蓝绿激光穿透2000m深的海水,其衰减也只有5%～10%[2]。短距离的水下无线光通信发展迅速,已经实现了在UUV上使用无线光通信对水下传感器进行识别、定位以及数据获取[9]。在实验室中,水下光通信的传输速率已经高达1Gbps[10]。

相比较水声通信,水下无线光通信的优点是数据传输速率更高,保密性更强,受海洋环境影响更小并且设备体积小、重量轻,能耗小、成本低。十分适合UUV这样的体积小,能源有限的无人水下平台。通过水下无线光通信可以使UUV在水下与其他水下、水面作战平台进行数据的双向高速传输,可通过有人平台对UUV控制来提高UUV的定位和操作精度,提升扫雷等任务的能力。UUV提取和传输传感器网络所探测的数据也更加快速便捷。

水下无线光通信也有不足之处,一是它要求在发送前必须知道目标的具体位置,而这点通过现在的水声定位技术是可以解决的。可以先用水声通信传输位置信息,再用水下无线光通信进行数据的高速传输。二是无线光通信的通信距离比较短,目前还无法远距离可靠的数据传输。

6 结语

总之,水下无线光通信将成为UUV的主要通信手段之一。在未来水下作战网络中,UUV采用水下无线光通信技术与其他作战平台或者传感器网络之间进行数据传输,可以使各作战平台更快地获得更详细、更准确的水下战场态势信息,从而提升作战网络整体的效能。

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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

金晓斌,男,硕士研究生,研究方向:通信与信息系统。许大琴,女,副教授,研究方向:通信与信息系统。徐坚,男,硕士研究生,研究方向:军事信息学。

TN929.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.002