深海組網(wǎng)技術(shù)概述研究背景隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn),我國在海洋資源開發(fā)、海洋生態(tài)文明建設(shè)以及海洋權(quán)益維護(hù)等方面的活動日益增加。現(xiàn)有的各種海洋作業(yè)平臺各有其獨(dú)特優(yōu)勢,但也存在一定的局限性。例如:有人大型船只綜合作業(yè)能力強(qiáng),但遇惡劣海況時(shí),人員風(fēng)險(xiǎn)大且運(yùn)行成本高昂,通常為單點(diǎn)作業(yè),廣域長時(shí)同步作業(yè)代價(jià)大;海面浮標(biāo)作業(yè)網(wǎng)具有廣域作業(yè)能力,但以海表層數(shù)據(jù)觀測為主,且隨波逐流,受控機(jī)動能力弱;海底觀測網(wǎng)通常使用光電復(fù)合海纜為眾多海底原位觀測設(shè)備和水下接駁塢等海床基作業(yè)設(shè)備提供能源和通信鏈路,實(shí)現(xiàn)特定海域物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)等過程的高分辨原位實(shí)時(shí)觀測,建設(shè)成本高,作業(yè)區(qū)域難以觸及遠(yuǎn)離陸地的深遠(yuǎn)海區(qū)域。隨著自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle,AUV)和深海組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用,在執(zhí)行復(fù)雜多樣的海洋探測任務(wù)時(shí),可以同時(shí)搭載多種傳感器載荷,滿足任務(wù)多變性需求。技術(shù)特點(diǎn)深海組網(wǎng)技術(shù)通過構(gòu)建深海通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)深海數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、處理和共享，為深海科學(xué)研究、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。海洋通信網(wǎng)絡(luò)主要分有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，其中有線網(wǎng)絡(luò)包括海底電纜網(wǎng)絡(luò)、艦船及港口光纖網(wǎng)絡(luò)。

海底觀測網(wǎng)絡(luò)需要依靠一根縱深到深遠(yuǎn)海或者形成環(huán)網(wǎng)的主干纜，多個(gè)接駁盒掛接到主干纜上，再通過樹狀結(jié)構(gòu)連接水下定點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備和水下移動設(shè)備，從而形成區(qū)域性的海底觀測系統(tǒng)。而海底接駁盒裝備是其中的關(guān)鍵技術(shù)，采用海底接駁技術(shù)，可以讓海洋觀測設(shè)備隨時(shí)由深海機(jī)器人通過水下濕插拔接插件接入系統(tǒng)，建立海底觀測網(wǎng)絡(luò)。在超過1700米的深海區(qū)完成約150公里的海底觀測網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)建設(shè)，為海洋觀測設(shè)備提供長期有效的10kV@10kW電力支撐和1G帶寬通信鏈路。無線網(wǎng)絡(luò)分為岸基移動通信、海上無線通信、衛(wèi)星通信和水下無線通信等分立的通信網(wǎng)絡(luò)。其中，岸基移動通信依托陸上2G/3G/4G等移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對近海30Km內(nèi)的有效覆蓋，支持話音和寬帶數(shù)據(jù)的傳輸。海上無線通信主要采用中/高頻和甚高頻通信實(shí)現(xiàn)近海、中遠(yuǎn)海域的覆蓋，支持話音和窄帶數(shù)據(jù)傳輸。衛(wèi)星通信是目前保障全球各類海洋活動最主要的通信方式，最高支持100Mbps的下行速率和5Mbps的上行速率。水下無線通信主要包括水下電磁波通信、水聲通信和水下光通信。水聲通信是目前水下節(jié)點(diǎn)之間遠(yuǎn)距離窄帶通信的唯一手段，具有傳輸距離遠(yuǎn)、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，聲波水下傳播距離最遠(yuǎn)可達(dá)數(shù)千公里，但傳輸速度較慢，用于岸海間遠(yuǎn)距離的水下通信場景。水下電磁波通信主要使用甚低頻、超低頻和極低頻進(jìn)行通信，具有傳輸速度快、信息容量大等優(yōu)點(diǎn)，但在深海環(huán)境中信號衰減嚴(yán)重，通信距離短，常規(guī)民用的電磁波水下傳播距離最遠(yuǎn)數(shù)十米。水下光通信主要利用藍(lán)綠波長的光進(jìn)行水下通信，水下傳播距離最遠(yuǎn)數(shù)百米，支持近距離的高速通信，但技術(shù)尚未成熟。目前水聲通信速率在100~150kbps，通信距離在100km左右，主要以技術(shù)研究和科研驗(yàn)證為主，工程化產(chǎn)品及應(yīng)用較少。水聲通信及組網(wǎng)的現(xiàn)狀和展望水聲通信是海洋中無線信息傳輸?shù)闹饕夹g(shù)手段。水聲通信技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測、水下航行器/載人潛水器作業(yè)等方面有著廣泛應(yīng)用。水聲通信及網(wǎng)絡(luò)可靈活地用于不同的速率載荷、覆蓋距離、水體深度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情景，可廣泛地應(yīng)用于海洋環(huán)境觀測，實(shí)現(xiàn)水下不同空間位置多個(gè)觀測設(shè)備之間的信息交互。同時(shí)，水聲信道傳輸狀態(tài)多變、海洋作業(yè)環(huán)境惡劣，對通信算法和設(shè)備可靠性有較高要求，水聲通信及組網(wǎng)成為目前的研究熱點(diǎn)。水聲通信網(wǎng)絡(luò)在國外已有20年發(fā)展歷史，開展較早且具有代表性的是美國的Seaweb網(wǎng)絡(luò)。美國的Seaweb網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多固定節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)、自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)路由初始化、潛艇和AUV的數(shù)據(jù)接入、利用固定節(jié)點(diǎn)對AUV定位、分簇網(wǎng)絡(luò)等多種功能，在基于衛(wèi)星浮標(biāo)的遠(yuǎn)海觀測網(wǎng)、港口近岸的水下偵查網(wǎng)絡(luò)及軍用水下航行器指令傳輸及定位等應(yīng)用中展示了很好的應(yīng)用效果和技術(shù)先進(jìn)性。歐洲也開展了試驗(yàn)研究。近年來，在國家“863”計(jì)劃、軍方、國家自然科學(xué)基金等支持下，我國水聲通信領(lǐng)域在通信算法、通信機(jī)研制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真、組網(wǎng)應(yīng)用試驗(yàn)、協(xié)議規(guī)范制定等方面取得長足進(jìn)步。本文主要介紹面向海洋環(huán)境監(jiān)測的水聲通信網(wǎng)技術(shù)，并對未來的技術(shù)趨勢進(jìn)行展望。一、水聲通信及節(jié)點(diǎn)技術(shù)水聲通信信道是復(fù)雜的信道，信道帶寬窄、傳播速度慢、時(shí)變性強(qiáng)、頻率選擇性衰落、噪聲嚴(yán)重等不利因素在水聲通信信道中都很明顯。如何針對水聲信道特點(diǎn)，采取高性能、可實(shí)現(xiàn)的通信算法，是水聲通信領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。物理層主要解決利用信道進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的可靠通信的問題，物理層技術(shù)方案主要包括調(diào)制解調(diào)和糾錯(cuò)碼兩部分內(nèi)容。對于水聲通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，一般根據(jù)接收端是否恢復(fù)原始載波相位可劃分為相干通信和非相干通信。⒈相干水聲通信相干通信需要在接收端恢復(fù)原始載波相位信息，一般應(yīng)用于信道不太惡劣的情況。相干通信信道利用率高，一般超過1bps/Hz，即傳輸比特速率超過信道頻率寬度。如果信道衰落嚴(yán)重，采用多陣元接收的方式獲得空間分集。相干水聲通信根據(jù)發(fā)射載波數(shù)目，可劃分為單載波調(diào)制和正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)。在時(shí)變多徑信道下，如果參數(shù)設(shè)置合理，采用最佳接收處理算法，二者性能基本一致。單載波的優(yōu)勢在于發(fā)射端不依賴信道狀態(tài)信息，發(fā)射機(jī)工作效率高。OFDM的優(yōu)勢在于：頻域均衡計(jì)算量小，利用加長符號周期可直接克服多徑。如果OFDM在發(fā)射端載波間隔等參數(shù)不適合信道狀態(tài)，將影響通信效果。時(shí)間反轉(zhuǎn)通信技術(shù)是針對水聲信道特點(diǎn)的接收處理方法，用于多陣元接收，簡化接收機(jī)復(fù)雜度。未來的時(shí)間反轉(zhuǎn)通信研究將基于時(shí)變信道模型開展。未來相干水聲通信研究將針對水聲信道特點(diǎn)，充分利用信道的空間特性、信道沖擊響應(yīng)稀疏特性、噪聲突發(fā)特性，利用迭代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的高階調(diào)制通信，并降低計(jì)算復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)低信噪（混）比要求、低計(jì)算量、高傳輸速率的可靠水下通信。在國家“863”水聲通信網(wǎng)項(xiàng)目中，采用單載波（中科院聲學(xué)所）和OFDM（哈爾濱工程大學(xué)）兩種相干通信方案，并對單載波調(diào)制時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)（浙江大學(xué)）進(jìn)行了研究。⒉非相干水聲通信在非相干通信中，接收端不需要恢復(fù)原始載波相位信息。非相干通信可應(yīng)用于信道較為惡劣的情況，一般采用單陣元接收即可。非相干通信信道利用率低，傳輸比特速率小于信道頻率寬度，相對于相干通信每比特傳輸能耗大。在相干、非相干并存的通信系統(tǒng)中，大量數(shù)據(jù)傳輸一般優(yōu)先采用相干通信。非相干通信常見方式為編碼頻域調(diào)制，在接收端進(jìn)行匹配濾波、平方率檢測、糾錯(cuò)譯碼即可，算法簡單，魯棒性好。非相干通信技術(shù)相對成熟，國外商品化的水聲通信機(jī)一直沿用非相干技術(shù)作為首要通信方式。在國家“863”水聲通信網(wǎng)項(xiàng)目中，采用多進(jìn)制卷積碼、恒重碼、開關(guān)鍵控調(diào)制(OOK)的方案作為信令、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑ＷC不同參加單位（中科院聲學(xué)所、中船重工715所、哈爾濱工程大學(xué)）研制的水聲通信機(jī)之間的互通。未來如各單位硬件平臺能夠支持，將采用基于多進(jìn)制LDPC碼的非相干方案。擴(kuò)展頻譜通信中的跳頻通信、直接序列擴(kuò)頻通信也屬于非相干通信，與編碼頻域調(diào)制相比速率更低。擴(kuò)展頻譜通信可以實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)，在多移動平臺協(xié)同作業(yè)等交互頻繁的網(wǎng)絡(luò)中可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的快速接入和并行的信息交互，但同時(shí)帶來了遠(yuǎn)近效應(yīng)、碼同步等技術(shù)問題。在海洋環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低，一般不采用CDMA技術(shù)。⒊信道糾錯(cuò)碼技術(shù)糾錯(cuò)碼技術(shù)包括傳統(tǒng)的卷積碼、代數(shù)碼，及基于迭代譯碼的turbo碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC碼)。在水聲通信中，為提高通信系統(tǒng)性能，應(yīng)采用基于迭代譯碼的糾錯(cuò)碼，即turbo碼或者LDPC碼，這對通信機(jī)信號處理平臺研制提出一定的要求。同時(shí)，迭代技術(shù)不只用于譯碼本身，在接收處理中對解調(diào)、信道均衡、信道估計(jì)、信道糾錯(cuò)碼進(jìn)行聯(lián)合迭代處理，即turbo均衡技術(shù)，可以提高整個(gè)接收機(jī)的性能，同時(shí)對水聲通信機(jī)處理能力要求更高。⒋水聲通信節(jié)點(diǎn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)技術(shù)涉及到換能器技術(shù)、低功耗硬件處理平臺、耐壓水密結(jié)構(gòu)等。低功耗硬件處理平臺技術(shù)是制約節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間、可靠性、處理性能的關(guān)鍵。另外，國外水聲通信機(jī)還擴(kuò)展了超短基線、長基線、聲學(xué)釋放器、聲信號存儲等功能，使用更加方便。水聲通信節(jié)點(diǎn)的通信性能、工作可靠性、長期工作能力是水聲通信能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。二、水聲通信組網(wǎng)及應(yīng)用⒈水聲通信組網(wǎng)水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在物理層之上，解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，主要研究內(nèi)容包括媒體訪問控制協(xié)議(MAC)、路由協(xié)議、同步和定位技術(shù)等。用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的競爭性媒體訪問控制協(xié)議一般可分為以下三類：隨機(jī)接入的Aloha協(xié)議、握手方式的MACAW協(xié)議、載波偵聽沖突檢測的CSMA/CS協(xié)議。CSMA/CS協(xié)議需要專門的偵聽硬件和算法支持，一般用于吞吐量較大的組網(wǎng)中，在海洋環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)中不常用。因而，對于海洋環(huán)境監(jiān)測水聲通信組網(wǎng)，如果數(shù)據(jù)較短，采用Aloha協(xié)議，發(fā)射端直接使用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，收到正確應(yīng)答即完成一次傳輸過程，避免握手帶來的開銷；如果數(shù)據(jù)較長，采用MACAW協(xié)議，在數(shù)據(jù)發(fā)射之前發(fā)送端利用握手信號占據(jù)信道使用權(quán)，保證傳輸不被其他節(jié)點(diǎn)干擾。路由協(xié)議需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間周期、數(shù)據(jù)流的方向、節(jié)點(diǎn)布放的靈活性來綜合考慮。對于海洋環(huán)境監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话阒行氖酵負(fù)浣Y(jié)合多跳轉(zhuǎn)發(fā)的結(jié)構(gòu)，圖1所示是2014年5月南中國海試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸一般在中心網(wǎng)關(guān)和觀測節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生，不要求任意兩個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)之間的相互數(shù)據(jù)訪問。中心網(wǎng)關(guān)向觀測節(jié)點(diǎn)下發(fā)命令，觀測數(shù)據(jù)按固定時(shí)間周期經(jīng)觀測潛標(biāo)回傳至中心網(wǎng)關(guān)。大部分觀測節(jié)點(diǎn)為固定布放，允許移動節(jié)點(diǎn)接入。另外，水聲信道的時(shí)變特點(diǎn)可能導(dǎo)致鏈路的短時(shí)中斷，各節(jié)點(diǎn)的電量需要均衡使用，因而要求水聲通信網(wǎng)絡(luò)具有對路由表進(jìn)行優(yōu)化的能力。圖1水聲通信網(wǎng)試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D⒉應(yīng)用情景分析水聲網(wǎng)絡(luò)觀測技術(shù)的應(yīng)用情景主要有：①海洋立體觀測。在深海潛標(biāo)的不同深度設(shè)置多個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)，在海底布設(shè)多個(gè)觀測站，通過水聲通信網(wǎng)絡(luò)把各觀測設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄鳎偻ㄟ^移動節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)取走或通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站，解決了水下設(shè)備難以用電纜連接的問題。②突發(fā)事態(tài)的海洋觀測。在出現(xiàn)類似石油平臺爆炸沉沒、海上油田溢油、水下輸油管泄漏等突發(fā)污染事故，以及赤潮爆發(fā)等突發(fā)生態(tài)事件時(shí)，采用水聲網(wǎng)絡(luò)觀測技術(shù)可以快速響應(yīng)，投放位置和傳感器類型選擇靈活，觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和連續(xù)性好。③港口要地安全監(jiān)控。在敏感時(shí)期，可在港池、港口等要地的水下投放多個(gè)安全監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)安全監(jiān)控力度。④基于海底光電纜的水聲通信觀測網(wǎng)。在海底光電纜基礎(chǔ)上，通過水聲通信網(wǎng)絡(luò)在垂直、水平方向延伸，擴(kuò)大海底光電纜觀測系統(tǒng)的覆蓋范圍和觀測能力。⑤水下多移動載體通信與定位網(wǎng)絡(luò)。對于AUV等水下移動觀測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸和定位。多個(gè)AUV可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同組織進(jìn)行觀測，完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)融合和聯(lián)合處理，可以實(shí)現(xiàn)編隊(duì)運(yùn)行達(dá)到特定的觀測目的。應(yīng)用案例深圳市智慧海洋科技有限公司水下無線通信深圳市智慧海洋科技有限公司研發(fā)水下衛(wèi)星導(dǎo)航通信網(wǎng)絡(luò)，解決了水下無線通信的世界性難題。利用世界領(lǐng)先的水聲通信和水下無線組網(wǎng)技術(shù)，在海洋能源勘探開采、國防安全、海洋風(fēng)力發(fā)電、海洋應(yīng)急處理、海底管網(wǎng)檢測維護(hù)等方面發(fā)揮作用，為我國海洋經(jīng)濟(jì)、海洋事業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量，并加快在海洋科研、海洋應(yīng)急環(huán)保、海洋環(huán)境監(jiān)測、潛水旅游等領(lǐng)域的應(yīng)用與服務(wù)，與海工裝備、海上風(fēng)電、天然氣水合物、深海礦產(chǎn)等海洋經(jīng)濟(jì)龍頭企業(yè)開展合作探索，助推智慧海洋發(fā)展。▲深圳市智慧海洋科技有限公司開展無人無纜潛器組網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)場。水聲通信是目前水下中遠(yuǎn)距離雙向無線通信的唯一手段，智慧海洋科技公司副總裁、聯(lián)合創(chuàng)始人俞知遠(yuǎn)透露，目前已可實(shí)現(xiàn)從100米到1萬米深海的水下信號覆蓋。智慧海洋科技承接相關(guān)部委項(xiàng)目的水聲通信組網(wǎng)系統(tǒng)海，在深圳大鵬灣開展外場試驗(yàn)。20個(gè)移動設(shè)備在海底深處不停變換位置，設(shè)備之間通信、設(shè)備與后臺之間通信始終流暢穩(wěn)定，成為國內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)移動節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的水聲網(wǎng)絡(luò)。智慧海洋科技的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究水聲通信已經(jīng)快20年了，技術(shù)迭代已到第四代。第三代技術(shù)的核心產(chǎn)品是“通導(dǎo)一體”，通信融合定位導(dǎo)航功能，好比水下GPS；第四代技術(shù)則是“通探導(dǎo)測一體”，可以探察和測繪，應(yīng)用場景更多、范圍更廣。目前，美國、德國、澳大利亞的水聲通信實(shí)測速率在0.3Kbps—2Kbps之間。智慧海洋科技實(shí)現(xiàn)的速率超過國外同類產(chǎn)品3倍-5倍。該公司在水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，集成海洋感知、智能控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合與可視化等技術(shù)，與水上通信構(gòu)成了“空天地海”一體化通信網(wǎng)絡(luò)。▲深圳市智慧海洋科技有限公司開展水下敏捷機(jī)器人協(xié)同作業(yè)平臺建設(shè)現(xiàn)場。水下跟拍無人機(jī)不斷接收海底水聲通信基站發(fā)來的定位信息，并靈巧避開礁石，拍攝的影像資料通過基站，傳給海面的通信浮標(biāo)，再通過4G或5G網(wǎng)絡(luò)傳回陸地控制中心。從事海底設(shè)備和線路巡檢的水下機(jī)器人，則通過水聲通信網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航，及時(shí)發(fā)現(xiàn)移動障礙物并成功避開，順利抵達(dá)海底的充電塢，充電后繼續(xù)開展巡檢工作。岸邊和船上的科研人員看著儀器屏幕，海底情況實(shí)時(shí)掌握。根據(jù)各種無人設(shè)備的工作情況，科研人員不斷發(fā)出試驗(yàn)指令，指揮水下無人設(shè)備完成“規(guī)定動作”，遠(yuǎn)程采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。智慧海洋科技已推出水聲通信定位網(wǎng)絡(luò)、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、水下機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)、智慧海洋技術(shù)、海洋智能裝備、海洋大數(shù)據(jù)等一系列技術(shù)產(chǎn)品及解決方案，水聲通信、定位、組網(wǎng)等核心產(chǎn)品正在批量生產(chǎn)，導(dǎo)航、探測類產(chǎn)品逐步成熟，快速應(yīng)用到海洋經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域。海洋油氣的探測、開采、運(yùn)輸都需要用到水下通信。智慧海洋科技已與中海油、中石油開展水下智慧油氣田建設(shè)。同時(shí)，海上應(yīng)急環(huán)保、環(huán)境觀測等領(lǐng)域也存在千億級市場，水下通信大有可為。在海洋旅游和運(yùn)動領(lǐng)域，水下通信也有用武之地。智慧海洋科技研發(fā)水下伴侶機(jī)器人等潛水安全監(jiān)測產(chǎn)品，讓潛水者與海面、地面保持通信暢通，遇險(xiǎn)一鍵呼叫。廣域海網(wǎng)(Seaweb)廣域海網(wǎng)(Seaweb)是由海底固定水聲節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)等組成的異構(gòu)AUV集群網(wǎng)絡(luò)(見圖1)。自1998年起,美國海軍在歷時(shí)12年的支持內(nèi)開展了多次Seaweb試驗(yàn),通過節(jié)點(diǎn)識別、節(jié)點(diǎn)接入與丟棄、分布式控制、地理定位、時(shí)鐘同步及信道網(wǎng)絡(luò)修復(fù)等水下集群組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與驗(yàn)證,旨在提升未來海軍作戰(zhàn)能力[9]。美國在2001年的Seaweb2001演習(xí)中共布設(shè)了40個(gè)通信節(jié)點(diǎn),并利用“海豚”號潛艇在布網(wǎng)區(qū)域現(xiàn)場進(jìn)行有關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能的測試。圖

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Seaweb示意圖Figure

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DiagramofSeaWebsystem美國海軍DADS系統(tǒng)美國海軍研究辦公室(OfficeofNavalResearch,ONR)和空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(SpaceandNavalWarfareSystemsCommand,SPAWAR)聯(lián)合研發(fā)了可部署自主分布式系統(tǒng)(deployableautonomousdistributedsystem,DADS),如圖2所示。2001年6月,美國海軍進(jìn)行了DADS應(yīng)用艦隊(duì)作戰(zhàn)試驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)由14個(gè)固定節(jié)點(diǎn)及數(shù)個(gè)移動節(jié)點(diǎn)組成,包括2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、2個(gè)浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和10個(gè)聲吶中繼節(jié)點(diǎn),無人水下航行器(unmannedunderseavehicle,UUV)作為移動節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),服務(wù)器分別部署在潛艇和岸基指揮中心[10]。圖

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可部署自主分布式系統(tǒng)Figure

2.

DiagramofDADSCADRE系統(tǒng)通用動力任務(wù)系統(tǒng)公司聯(lián)合多家公司、高校和實(shí)驗(yàn)室開展了“協(xié)作自主式偵察與探測”(cooperativeautonomyfordistributedreconnaissanceandexploration,CADRE)項(xiàng)目的研究。如圖3所示,CADRE系統(tǒng)旨在驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)美海軍UUV總規(guī)劃中所提出的水下搜索與調(diào)查、水下通信與導(dǎo)航能力。該研究以多型水下航行器和水面無人艇構(gòu)成的異構(gòu)集群協(xié)作獵雷任務(wù)為背景,系統(tǒng)包含3種不同類型的AUV,分別負(fù)責(zé)通信導(dǎo)航中繼、水雷搜索分類和水雷目標(biāo)確認(rèn)任務(wù),并于2005年進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。圖

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CADRE系統(tǒng)Figure

3.

SystemofCADRECADRE系統(tǒng)水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)(persistentlittoralunderwatersurveillancenetwork,PLUSNet)是由ONR支持的一個(gè)多機(jī)構(gòu)合作項(xiàng)目,于2005年啟動研制,旨在完善和強(qiáng)化綜合水下監(jiān)控系統(tǒng)體系化及操作能力,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。圖

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近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)Figure

4.

PLUSNEtinthenearshoreareaPLUSNet旨在一定區(qū)域內(nèi)建立對常規(guī)潛艇的探測和跟蹤能力。該項(xiàng)目由固定式和移動式平臺構(gòu)成,包括搭載聲學(xué)陣列的潛標(biāo)節(jié)點(diǎn),裝備拖曳陣的UUV,以及攜載水聽器和水文傳感器的水下滑翔機(jī)等,通過水聲通信及衛(wèi)星通信的方式,與集群節(jié)點(diǎn)和指控中心在預(yù)定海域內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。除完成常規(guī)潛艇目標(biāo)探測、識別分類和跟蹤等基礎(chǔ)功能外,該項(xiàng)目還研究了無人系統(tǒng)自主性、環(huán)境自適應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù),并取得了一定的進(jìn)展。歐盟Grex項(xiàng)目歐盟于2006—2009年支持的Grex項(xiàng)目(見圖5)以探索多無人航行器組網(wǎng)技術(shù)為目的,促進(jìn)了集群組網(wǎng)理論及應(yīng)用的發(fā)展,在當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了集群組網(wǎng)由概念到實(shí)踐的創(chuàng)新。Grex項(xiàng)目旨在發(fā)展水下異構(gòu)集群組網(wǎng)理論與相關(guān)工程軟硬件集合。在當(dāng)時(shí)首次實(shí)現(xiàn)已有異構(gòu)無人平臺的組網(wǎng),突破的關(guān)鍵技術(shù)包括使用任務(wù)規(guī)劃工具—多載具任務(wù)規(guī)劃等,充分考慮了環(huán)境復(fù)雜性和通信鏈路的不穩(wěn)定,提高了組網(wǎng)軟硬件的魯棒性。2008年,Grex項(xiàng)目在地中海土倫附近進(jìn)行了首次海試,2條AUV采用時(shí)分多址協(xié)議,成功實(shí)現(xiàn)了每分鐘5次包交換,每包長度20Byte,用于基于距離信息的組網(wǎng)交互。2009年11月,該項(xiàng)目進(jìn)行了最終海試,主要完成了集群軌跡跟蹤和集群圍捕試驗(yàn)[11-12]。Grex系統(tǒng)所聯(lián)通的航行器種類如圖6所示。圖

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Grex系統(tǒng)示意圖Figure

5.

OverviewofGrexsystem圖

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Grex所聯(lián)通的航行器Figure

6.

VehiclesconnectedbyGrex沈陽自動化所水下機(jī)器人沈陽自動化所在AUV領(lǐng)域一直處于國內(nèi)優(yōu)勢地位,較早地開展了航行器集群的相關(guān)工作。2013年,沈陽自動化所即開展了多水下機(jī)器人自主海洋特征場跟蹤研究工作,建立了一種多水下機(jī)器人海洋特征跟蹤模型,將隊(duì)形控制策略與海洋特征場估計(jì)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了多水下機(jī)器人隊(duì)形中心跟蹤海洋特征等值線的策略及其控制率,并基于主從編隊(duì)的隊(duì)形控制模式,提出了多個(gè)從機(jī)器人的隊(duì)形形成的旋轉(zhuǎn)策略,以應(yīng)對變化的海洋特征場,并在仿真平臺上使用真實(shí)海洋數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這種跟蹤策略的有效性和可行性[14]。在“863”計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持下,沈陽自動化所研制了“探索”系列AUV,并成功應(yīng)用于西太平洋和印度洋等海域的集群觀探測作業(yè)。圖8為沈陽自動化所研制的50kg級AUV“探索100”,該航行器搭載了聲學(xué)和光學(xué)觀探測載荷,通過聲通機(jī)實(shí)現(xiàn)了集群控制。2019—2010年,沈陽自動化所使用由“探索100”構(gòu)成的集群開展了多項(xiàng)海洋觀測試驗(yàn)。利用集群觀測大亞灣冷水團(tuán)入侵和岬角渦旋現(xiàn)象,首次獲得大亞灣海域高分辨率的冷水團(tuán)入侵和岬角渦旋精細(xì)結(jié)構(gòu)特征,為研究上升流冷水對大亞灣底層生態(tài)系統(tǒng)的影響提供依據(jù)。在重點(diǎn)海區(qū)利用集群開展了熱點(diǎn)區(qū)域搜索、編隊(duì)和溫躍層組網(wǎng)觀測試驗(yàn),以及海洋環(huán)境場自適應(yīng)觀測應(yīng)用示范,按實(shí)時(shí)規(guī)劃的航跡,對環(huán)境場變化最快的海域進(jìn)行觀測,有效修正了該海域海洋系統(tǒng)模式,提高了海洋環(huán)境場預(yù)測精度[15]。圖

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“探索100”集群Figure

8.

Explore100clusters除由“探索100”構(gòu)成的AUV集群外,如圖9所示,沈陽自動化所還利用多臺“海翼”號水下滑翔機(jī)構(gòu)建滑翔機(jī)觀測集群,于2017年7月首次執(zhí)行觀測任務(wù);2019年,滑翔機(jī)觀測集群(11臺“海翼”)完成了西北太平洋中尺度渦旋(冷渦)綜合觀測;2020年,觀測集群(12臺“海翼”)完成了印度洋聯(lián)合海洋與環(huán)境研究計(jì)劃(冬季調(diào)查任務(wù));2021年,觀測集群(8臺“海翼”)參與了由中國科學(xué)院海洋研究所組織的國家自然科學(xué)基金共享航次計(jì)劃西太平洋科學(xué)考察實(shí)驗(yàn)研究任務(wù),完成西太平洋集群觀測應(yīng)用[16]。圖

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“海翼”號水下滑翔機(jī)參加印度洋航次任務(wù)Figure

9.

SeaWingunderwatergliderparticipatesintheIndianOceanvoyagemission天津大學(xué)研發(fā)的“海燕”號水下滑翔機(jī)天津大學(xué)自主研發(fā)的“海燕”號譜系化水下滑翔機(jī)經(jīng)過20余年的發(fā)展,在單平臺關(guān)鍵技術(shù)和傳感器集成方面取得了重大突破,在滑翔機(jī)集群控制方面也取得了一定進(jìn)展,并提出了基于人工勢場法的異構(gòu)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了滑翔機(jī)集群的運(yùn)動規(guī)劃[17];完成了水下滑翔機(jī)編隊(duì)任務(wù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),并通過水域試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性,實(shí)現(xiàn)了對海洋特征的時(shí)空同步觀測[18]。此外,基于“海燕-II”號水下滑翔機(jī)組網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)分析,全面揭示了反氣旋中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)特征[19]。智能敏捷海洋立體觀測儀2022年,自然資源部第二海洋研究所獲國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器項(xiàng)目支持,計(jì)劃開展智能敏捷海洋立體觀測儀(intelligentswiftoceanobservingdevice,ISOOD)的研制工作。該項(xiàng)目針對現(xiàn)有海洋觀測儀器設(shè)備局限于無法兼顧智能化、敏捷性、環(huán)境適應(yīng)性和任務(wù)適應(yīng)性,難以滿足科學(xué)發(fā)展對海洋觀測的迫切需求等問題,研制出一套以智慧母船為支撐載體,通過空、海、潛無人平臺跨域組網(wǎng)的ISOOD,如圖10所示。通過突破多平臺跨域組網(wǎng)的任務(wù)調(diào)度、集群控制和組網(wǎng)通信等關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)新海洋觀測模式,實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜海洋任務(wù)的智能、快速、同步及立體觀測,促進(jìn)我國海洋科技發(fā)展和海洋強(qiáng)國建設(shè)。圖

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智能敏捷海洋立體觀測儀示意圖Figure

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SchematicdiagramofISOOD浙江大學(xué)深海組網(wǎng)接駁技術(shù)設(shè)備2016年8月29日-9月6日，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域海底觀測網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)重大項(xiàng)目，由中國科學(xué)院聲學(xué)研究所牽頭，浙江大學(xué)、中天科技海纜有限公司、同濟(jì)大學(xué)、中國海洋大學(xué)、清華大學(xué)等多家單位參與建設(shè)的南海海底觀測網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)，成功完成了在中國南海的海上布放、深海組網(wǎng)接駁測試、海底持續(xù)觀測等建設(shè)任務(wù)，并進(jìn)行了持續(xù)數(shù)天的連續(xù)測試，數(shù)據(jù)正源源不斷地傳輸?shù)桨痘?wù)器上，隨時(shí)可以通過岸基服務(wù)器傳到全球各地。為我國海洋科學(xué)研究和海洋安全監(jiān)測提供有力支撐。

海底觀測網(wǎng)絡(luò)是指能夠?qū)５讌^(qū)域進(jìn)行長期實(shí)時(shí)探測、傳輸數(shù)據(jù)、采集分析樣品以及進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)的海底無人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為可以實(shí)現(xiàn)對海底進(jìn)行長期實(shí)時(shí)觀測的一種新型平臺，它將是繼調(diào)查船舶和遙感通信衛(wèi)星之后，人類探測深海的第三個(gè)重要平臺。

本次海試建立的海底觀測網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)是國際海底觀測網(wǎng)的最高電壓等級（10kV），在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)在超過1700米的深海區(qū)完成國內(nèi)最長距離（約150公里）的海底觀測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)建設(shè)任務(wù)，達(dá)到國內(nèi)最大深度和最長距離。標(biāo)志著中國海底觀測技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，具備了建設(shè)更大范圍海洋觀測組網(wǎng)的能力。目前，數(shù)據(jù)正源源不斷地從海底傳輸?shù)桨痘?wù)器上，隨時(shí)可以通過岸基服務(wù)器傳到全球各地。

海底觀測網(wǎng)絡(luò)需要依靠一根縱深到深遠(yuǎn)海或者形成環(huán)網(wǎng)的主干纜，多個(gè)接駁盒掛接到主干纜上