譚智誠(chéng)，孫山林，李 云，姚 钘，辛以利

（桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，桂林 541004）

1 引言

海洋占據(jù)全球約70%的面積，并且在遠(yuǎn)海地段，電磁波無(wú)法在水下傳輸，也無(wú)法建立中繼基站[1]。因此，要想進(jìn)行遠(yuǎn)距離海洋數(shù)據(jù)通信，構(gòu)建由“北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)-空中無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)-水下傳感器網(wǎng)絡(luò)” 組成的三位一體聲光電融合的監(jiān)測(cè)與通信網(wǎng)絡(luò)，將有助于在遠(yuǎn)海缺乏無(wú)線通信信號(hào)覆蓋的情況下，保障遠(yuǎn)海感知數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海洋資源的有效開(kāi)發(fā)和保護(hù)[2]。

2 系統(tǒng)總體框架

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的無(wú)人機(jī)海洋生態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由地面站、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、海面浮標(biāo)和水下傳感器五部分組成，如圖1所示。

水下傳感器采集水下生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)情況，并通過(guò)水聲通信的方式將采集到的信息傳送到水面的浮標(biāo)。浮標(biāo)把聲信號(hào)恢復(fù)成電信號(hào)之后存儲(chǔ)起來(lái)，在每天的特定時(shí)段通過(guò)可見(jiàn)光通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給前來(lái)采集的無(wú)人機(jī)。在該時(shí)段，地面站給無(wú)人機(jī)發(fā)出采集數(shù)據(jù)的指令，無(wú)人機(jī)借助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)到達(dá)待采集數(shù)據(jù)的水面浮標(biāo)附近，而后通過(guò)浮標(biāo)上的可見(jiàn)光通信設(shè)備進(jìn)行精確定位。在通信鏈路建立之后，無(wú)人機(jī)通過(guò)可見(jiàn)光通信的方式快速采集浮標(biāo)上存儲(chǔ)的水下生態(tài)系統(tǒng)的信息。為了克服可能的太陽(yáng)背景光噪聲，增加通信系統(tǒng)的信噪比，浮標(biāo)上的LED要使用單色光。

圖1 基于北斗導(dǎo)航的無(wú)人機(jī)海洋生態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過(guò)構(gòu)建“聲-光-電”融合的監(jiān)測(cè)與通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高效率的數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸，因此，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集以及可見(jiàn)光通信是本系統(tǒng)的核心部分。為了保證本系統(tǒng)的有效運(yùn)行，一方面要有更多的、更有效的能源使無(wú)人機(jī)能夠覆蓋更大的水域面積進(jìn)行水下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，即實(shí)現(xiàn)能量的“開(kāi)源”；另一方面要用先進(jìn)的通信技術(shù)使無(wú)人機(jī)可以快速有效地采集海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以確保在數(shù)據(jù)采集階段消耗更少的無(wú)人機(jī)上攜帶的能量，即保證能量的“節(jié)流”。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)框圖

3.1 無(wú)人機(jī)續(xù)航技術(shù)

無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力決定了本系統(tǒng)的覆蓋范圍。增加無(wú)人機(jī)的能源供給，提升其他能源到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率，將極大地?cái)U(kuò)大無(wú)人機(jī)的巡航范圍，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。因此要為無(wú)人機(jī)完成能量的“開(kāi)源”，找到額外的能源供給（如太陽(yáng)能電池板）和更有效的能源供給（如化學(xué)能電池），同時(shí)要確保新的能源供給不會(huì)給無(wú)人機(jī)增加過(guò)多的載荷。

3.2 北斗衛(wèi)星[3]和可見(jiàn)光雙模導(dǎo)航定位技術(shù)

在為無(wú)人機(jī)完成能量“開(kāi)源”的同時(shí)，還要為其“節(jié)流”。無(wú)人機(jī)在到達(dá)數(shù)據(jù)待采集的水面浮標(biāo)附近時(shí)，必須要快速有效地完成自身精確定位和數(shù)據(jù)采集。首先，無(wú)人機(jī)通過(guò)北斗衛(wèi)星接收浮標(biāo)的粗定位信息，盤旋至浮標(biāo)上空。其次，浮標(biāo)上LED發(fā)出的可見(jiàn)光可通過(guò)幅度調(diào)制攜帶LED（即浮標(biāo)）的位置信息。通過(guò)這些位置信息，無(wú)人機(jī)將完成自身位置的修正，使其置于浮標(biāo)正上方，即實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光精確定位，為接下來(lái)的數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備。同時(shí)，浮標(biāo)所處的水體環(huán)境和無(wú)人機(jī)所處的大氣環(huán)境都在不停地變化，會(huì)破壞可見(jiàn)光傳輸鏈路的穩(wěn)定性。因此，要求處于懸停狀態(tài)的無(wú)人機(jī)有快速姿態(tài)調(diào)整的能力，以迅速地感知光信號(hào)強(qiáng)度的變化，并對(duì)機(jī)身作出相應(yīng)的調(diào)整，使得無(wú)人機(jī)上的接收器和浮標(biāo)上的LED處于實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)采集的快速完成。再次，為了增加傳輸系統(tǒng)的信噪比，有效地將可見(jiàn)光信號(hào)傳輸?shù)綉彝５臒o(wú)人機(jī)上，需要使用大電流調(diào)制單色LED。隨之而來(lái)的是LED的散熱問(wèn)題。盡管浮標(biāo)所在的水環(huán)境是天然的散熱“器件”，但是如何對(duì)抗水體給設(shè)備帶來(lái)的侵蝕，同時(shí)有效地將LED上的熱量傳導(dǎo)到水體內(nèi)部，依然是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.3 高效可靠的可見(jiàn)光通信技術(shù)

浮標(biāo)上存儲(chǔ)的水下生態(tài)信息需要通過(guò)先進(jìn)的調(diào)制方式加載到LED上[4]。越是先進(jìn)的調(diào)制方式，越能提高頻譜效率，越能用更短的時(shí)間傳輸相同速率的信息，為無(wú)人機(jī)完成能量的“節(jié)流”。盡管可見(jiàn)光通信可以大容量地傳輸數(shù)據(jù)，但是為了節(jié)約采集數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)的能源，在采集水下原始數(shù)據(jù)時(shí)，要盡可能地丟棄冗余信息，僅憑傳輸給無(wú)人機(jī)的少量數(shù)據(jù)就可以在地面站通過(guò)算法恢復(fù)出水下生態(tài)環(huán)境的全貌。為此，本項(xiàng)目將壓縮感知技術(shù)應(yīng)用于水下環(huán)境，其關(guān)鍵之處是找到適用于本系統(tǒng)的字典（基）和測(cè)量矩陣。水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在采集到生態(tài)環(huán)境的信息后，通過(guò)水聲通信的方式傳輸?shù)剿娓?biāo)。而水聲信道受到水體運(yùn)動(dòng)和水下生物運(yùn)動(dòng)的影響在時(shí)時(shí)地變化著。因此，為保證水聲通信的有效傳輸，需要對(duì)水聲信道進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。傳統(tǒng)的信道估計(jì)方式要占用大量的頻譜資源，導(dǎo)致有效信息的傳輸效率降低。因此，需要設(shè)計(jì)適合水聲信道的高效信道估計(jì)算法，通過(guò)降低估計(jì)所需的信道頻點(diǎn)數(shù)目，快速地計(jì)算出信道其余頻點(diǎn)的實(shí)時(shí)頻率響應(yīng)特性。浮標(biāo)和無(wú)人機(jī)之間的可見(jiàn)光傳輸亦如是，需要通過(guò)大氣信道。大氣中空氣折射率的隨機(jī)變化，將給傳輸?shù)墓庑盘?hào)帶來(lái)閃爍，即接收到的光信號(hào)在時(shí)間上出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)。因此，也需要采用上述的信道估計(jì)方法，對(duì)于大氣信道進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。根據(jù)估計(jì)的水聲信道和大氣信道，有針對(duì)性地在不同頻點(diǎn)上傳輸不同制式的信息以提升系統(tǒng)的有效性。

4 信道分析

4.1 海洋大氣信道的影響

無(wú)人機(jī)在和水面浮標(biāo)進(jìn)行可見(jiàn)光通信時(shí)，要進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，以滿足視距通信的要求。而在計(jì)算無(wú)人機(jī)與水面浮標(biāo)二者位置偏差時(shí)，海洋大氣信道的閃爍特性會(huì)使姿態(tài)調(diào)整算法出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果沒(méi)有大氣閃爍帶來(lái)的接收到的光信號(hào)強(qiáng)度的隨時(shí)變化，當(dāng)無(wú)人機(jī)接收光信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)，意味著無(wú)人機(jī)與水面浮標(biāo)的距離變遠(yuǎn)，需要調(diào)整姿態(tài)或是作出細(xì)微的位置調(diào)整。而大氣閃爍的存在，通常情況下會(huì)使光信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?，若此時(shí)無(wú)人機(jī)還進(jìn)行先前的姿態(tài)或位置調(diào)整，就會(huì)破壞正常的視距通信。因此，由大氣湍流帶來(lái)的閃爍效應(yīng)就給原有姿態(tài)調(diào)整算法帶來(lái)了不確定性。這就需要為該算法引入調(diào)整因子，先消除閃爍的影響，再進(jìn)行位置或姿態(tài)的補(bǔ)償，以保證接收到信號(hào)的可靠性和通信鏈路的時(shí)刻暢通。

4.2 信道估計(jì)的快速壓縮感知算法

在本系統(tǒng)中，采集到的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要從水下傳感器通過(guò)水聲通信傳輸?shù)剿娓?biāo)，再?gòu)乃娓?biāo)通過(guò)可見(jiàn)光通信傳輸?shù)綇牡孛嬲厩皝?lái)標(biāo)。而水聲信道受到水體運(yùn)動(dòng)和水下生物運(yùn)動(dòng)的影響在時(shí)時(shí)地變化著。因此，為保證水聲通信的有效傳輸，需要對(duì)水聲信道進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。傳統(tǒng)的信道估計(jì)方式要占用大量的頻譜資源，導(dǎo)致有效信息的傳輸效率降低。因此，需要設(shè)計(jì)適合水聲信道的高效信道估計(jì)算法，通過(guò)降低估計(jì)所需的信道頻點(diǎn)數(shù)目，快速地計(jì)算出信道其余頻點(diǎn)的實(shí)時(shí)頻率響應(yīng)特性。浮標(biāo)和無(wú)人機(jī)之間的可見(jiàn)光傳輸亦如是，需要通過(guò)大氣信道。大氣中空氣折射率的隨機(jī)變化，將給傳輸?shù)墓庑盘?hào)帶來(lái)閃爍，即接收到的光信號(hào)在時(shí)間上出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)。因此，也需要采用上述的信道估計(jì)方法，對(duì)于大氣信道進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。根據(jù)估計(jì)的水聲信道和大氣信道，有針對(duì)性地在不同頻點(diǎn)上傳輸不同制式的信息以提升系統(tǒng)的有效性。

5 信道分析

5.1 海洋大氣信道的影響

無(wú)人機(jī)在和水面浮標(biāo)進(jìn)行可見(jiàn)光通信時(shí)，要進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，以滿足視距通信的要求。而在計(jì)算無(wú)人機(jī)與水面浮標(biāo)二者位置偏差時(shí)，海洋大氣信道的閃爍特性會(huì)使姿態(tài)調(diào)整算法出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果沒(méi)有大氣閃爍帶來(lái)的接收到的光信號(hào)強(qiáng)度的隨時(shí)變化，當(dāng)無(wú)人機(jī)接收光信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)，意味著無(wú)人機(jī)與水面浮標(biāo)的距離變遠(yuǎn)，需要調(diào)整姿態(tài)或是作出細(xì)微的位置調(diào)整。而大氣閃爍的存在，通常情況下會(huì)使光信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)酰舸藭r(shí)無(wú)人機(jī)還進(jìn)行先前的姿態(tài)或位置調(diào)整，就會(huì)破壞正常的視距通信。因此，由大氣湍流帶來(lái)的閃爍效應(yīng)就給原有姿態(tài)調(diào)整算法帶來(lái)了不確定性。這就需要為該算法引入調(diào)整因子，先消除閃爍的影響，再進(jìn)行位置或姿態(tài)的補(bǔ)償，以保證接收到信號(hào)的可靠性和通信鏈路的時(shí)刻暢通。

5.2 信道估計(jì)的快速壓縮感知算法

在本系統(tǒng)中，采集到的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要從水下傳感器通過(guò)水聲通信傳輸?shù)剿娓?biāo)，再?gòu)乃娓?biāo)通過(guò)可見(jiàn)光通信傳輸?shù)綇牡孛嬲厩皝?lái)采集數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)，最后在地面站用算法進(jìn)行恢復(fù)。這中間經(jīng)歷了水聲信道和大氣信道兩個(gè)無(wú)線信道，需要通過(guò)信道估計(jì)和自適應(yīng)調(diào)制兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合可以克服信道衰落給通信系統(tǒng)帶來(lái)的性能惡化[5]。而傳統(tǒng)的信道估計(jì)算法或是耗時(shí)長(zhǎng)、或是與實(shí)際偏差大，很難在有效性和可靠性上做到有機(jī)統(tǒng)一。本課題將著重分析水聲信道和大氣信道各自的特點(diǎn)，通過(guò)壓縮感知的方式，找到適合的字典（基）和測(cè)量矩陣，并在誤碼率允許的范圍內(nèi)犧牲一部分估計(jì)精度，以換取算法的快速完成，保證信道估計(jì)的有效性。

6 結(jié)束語(yǔ)

以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為架構(gòu)，以無(wú)人機(jī)為載體，以可見(jiàn)光通信技術(shù)為手段，結(jié)合北斗衛(wèi)星和可見(jiàn)光的雙模導(dǎo)航定位方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)海洋生態(tài)數(shù)據(jù)的高效采集。通過(guò)構(gòu)建由“北斗衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)-水下傳感器”組成的融合聲光電的海洋監(jiān)測(cè)、定位與通信網(wǎng)絡(luò)，在缺乏微波通信設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)海感知數(shù)據(jù)的高效可靠定時(shí)傳輸，促進(jìn)廣西北部灣海域海洋生態(tài)資源的開(kāi)發(fā)和有效保護(hù)。本項(xiàng)目中，水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸水下生態(tài)數(shù)據(jù)到水面浮標(biāo)，無(wú)人機(jī)利用可見(jiàn)光通信方式采集浮標(biāo)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合北斗衛(wèi)星和可見(jiàn)光的雙模導(dǎo)航定位方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)和浮標(biāo)的“無(wú)縫”對(duì)接。■