盧筑飛，陳天利，王 超

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

0 引言

無(wú)人艇（USV）是一種無(wú)人操作的水面艦艇，與無(wú)人機(jī)、無(wú)人車同屬于無(wú)人系統(tǒng)平臺(tái)。無(wú)人艇由水面艦船或岸基布放回收，以半自主或全自主方式在水面航行，執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于有人船只作業(yè)的任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、自主化控制，無(wú)人艇需配備無(wú)線通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇與母艇（主控端）之間信息的實(shí)時(shí)交互。目前，國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇技術(shù)已經(jīng)取得大的進(jìn)步，在軍用和民用領(lǐng)域，各型無(wú)人艇獲得廣泛應(yīng)用[1]。在工程設(shè)計(jì)中，無(wú)線通信系統(tǒng)作為無(wú)人艇的重要構(gòu)成，需根據(jù)無(wú)人艇應(yīng)用場(chǎng)景配備合適的無(wú)線通信設(shè)備，制定有效的通信控制策略，確保無(wú)人艇作業(yè)時(shí)無(wú)線通信鏈路連續(xù)穩(wěn)定。

1 無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展分5個(gè)階段：20-50年代初，無(wú)線通信技術(shù)最初在軍用領(lǐng)域得到應(yīng)用，但傳輸速率有限，其應(yīng)用發(fā)展受到束縛；50-60年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到移動(dòng)領(lǐng)域；70-80年代，隨著通訊技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，第一代通訊系統(tǒng)誕生；80-90年代，第二代通訊系統(tǒng)誕生，電信系統(tǒng)得到有效發(fā)展；90年代后期至今，陸續(xù)推出3G、4G、5G移動(dòng)通信技術(shù)，通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)上不斷升級(jí)換代。

按照傳輸距離，無(wú)線通信技術(shù)又可分為近距離通信和遠(yuǎn)距離通信技術(shù)。近距離通信技術(shù)主要有Zigbee、藍(lán)牙、WiFi、NFC、UWB 等；遠(yuǎn)距離通信技術(shù)主要有微波通信、衛(wèi)星通信、4G/5G通信、紅外光通信、激光通信等。

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，無(wú)人艇通常距離母艇較遠(yuǎn)且處于不斷運(yùn)動(dòng)中。綜合各類無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)，一般選用微波通信、衛(wèi)星通信、4G/5G通信構(gòu)建無(wú)人艇無(wú)線通信系統(tǒng)。其中，微波通信抗干擾能力強(qiáng)，適合大量的數(shù)據(jù)傳輸；衛(wèi)星通信頻帶很寬，能提供高質(zhì)量的信息；4G/5G無(wú)線覆蓋面積大，可適用于不同用戶[2-4]。

2 無(wú)人艇基本構(gòu)成

無(wú)人艇主要由艇體、航行控制系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)及供電系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 無(wú)人艇基本構(gòu)成Fig. 1 Basic constitution of USV

航行控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的航行控制；動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)主要為無(wú)人艇匹配主機(jī)、噴泵等動(dòng)力裝置；導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要為無(wú)人艇提供精確的位置、姿態(tài)和航向信息；環(huán)境感知系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇周圍環(huán)境的探測(cè)和重構(gòu)，為無(wú)人艇自主航行提供決策支持；無(wú)線通信系統(tǒng)主要為母艇（主控端）與無(wú)人艇之間，以及多艇之間提供無(wú)線通信鏈路，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間信息的實(shí)時(shí)交互。無(wú)線通信系統(tǒng)主要由微波通信、衛(wèi)星通信和4G/5G通信設(shè)備構(gòu)成。

3 無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在目前已成熟使用的無(wú)線通信設(shè)備中，適用于無(wú)人艇無(wú)線通信的設(shè)備主要有寬帶無(wú)線電臺(tái)、窄帶無(wú)線電臺(tái)、衛(wèi)星通信終端、岸基 4G/5G通信設(shè)備等。其中，寬帶無(wú)線電臺(tái)主要用于視距范圍Mb級(jí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，如視頻、聲吶等數(shù)據(jù)的傳輸；窄帶無(wú)線電臺(tái)主要用于遠(yuǎn)距離 Kb級(jí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，如語(yǔ)音、指令、工況等數(shù)據(jù)的傳輸；衛(wèi)星通信終端廣泛用于海上應(yīng)急通信，具有覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)，不受地理?xiàng)l件限制的優(yōu)點(diǎn)，傳輸速率從Byte級(jí)到Kb級(jí)。因衛(wèi)星通信資源有限，一般用于應(yīng)急狀態(tài)下重要指令、工況和安全信息的傳輸；岸基 4G/5G通信范圍受限于通信基站，一般用于近岸作業(yè)時(shí)無(wú)人艇信息的傳輸。在海上使用時(shí)，無(wú)人艇一般搭載寬帶無(wú)線電臺(tái)、窄帶無(wú)線電臺(tái)和衛(wèi)星通信終端，組成無(wú)線通信系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 無(wú)人艇無(wú)線通信系統(tǒng)Fig.2 Wireless communication system of USV

3.1 寬帶無(wú)線電臺(tái)[1，5]

寬帶無(wú)線電臺(tái)一般工作在UHF頻段，在一定的視距范圍內(nèi)可提供Mb級(jí)的數(shù)據(jù)帶寬，實(shí)現(xiàn)主控端與無(wú)人艇之間視頻圖像、聲吶圖像、控制指令、工況等信息的傳輸。

1）通信距離的影響因素。

無(wú)線電波在海面?zhèn)鞑r(shí)，視距范圍內(nèi)主要通過(guò)空氣中的直達(dá)波和海面的反射波進(jìn)行傳播。在視距范圍外的地球陰影區(qū)域，無(wú)線電波需考慮地球球面形成的遮擋造成的繞射損耗。因此，無(wú)線通信距離主要取決于天線的增益和架高、電臺(tái)的發(fā)射功率和接收靈敏度，以及傳播途徑上的環(huán)境影響因素，如海浪、水面反射、遮擋等。

2）海上通信視距計(jì)算。

在電臺(tái)的各種指標(biāo)均足夠滿足要求（即無(wú)線發(fā)射功率足夠大，接收機(jī)靈敏度足夠高）的情況下，僅考慮地球的曲率半徑、發(fā)射天線和接收天線的高度時(shí)，可按式（1）計(jì)算通信的理論距離，即通信兩端天線之間的視距。

式中：R為地球的曲率半徑；Ht和Hr分別為發(fā)射和接收天線離水平面的實(shí)際高度。

3）最大傳輸距離工程估算。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，無(wú)線通信距離需考慮無(wú)線電波在自由空間傳播時(shí)存在的路徑損耗，此種損耗為輻射能量擴(kuò)散引起的損耗，并非受到阻擋、反射、折射、繞射、吸收等原因而產(chǎn)生的損耗，工程上此類損耗可采用式（2）計(jì)算。

式中：Lp為路徑損耗，dB·m；d為傳播距離，km；f為發(fā)射頻率，MHz。在選定電臺(tái)的情況下，可根據(jù)發(fā)射功率、接收靈敏度、發(fā)射頻率計(jì)算允許的路徑損耗，再結(jié)合公式（1）推算電臺(tái)理論通信距離。

在考慮大氣折射對(duì)無(wú)線電磁波傳播影響的情況下，寬帶無(wú)線電臺(tái)的傳輸極限距離可以采用式（3）計(jì)算。

式中：d為傳輸距離，km；R為地球半徑，km；Ht和Hr分別為發(fā)射和接收天線的高度，m。實(shí)際情況中，因無(wú)線電波在傳播途徑上存在繞射損耗和多徑反射衰落，最大傳輸距離約為傳輸極限距離的70%。

3.2 窄帶無(wú)線電臺(tái)

窄帶無(wú)線電臺(tái)工作于VHF頻段，傳輸速率一般為Kb級(jí)。其具有穩(wěn)定性好、建立迅速、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，主要用于較遠(yuǎn)距離時(shí)控制指令、工況、語(yǔ)音等信息傳輸。

VHF頻段屬于超短波，超短波在空氣中傳播時(shí)具有一定的繞射和穿透能力，相比UHF頻段的寬帶無(wú)線電臺(tái)，在同樣環(huán)境條件下窄帶無(wú)線電臺(tái)通信距離更遠(yuǎn)。因此，工程估算時(shí)，可以按3.1節(jié)中的公式（3）進(jìn)行最大傳輸距離的計(jì)算。

3.3 衛(wèi)星通信設(shè)備

衛(wèi)星通信作為高速寬帶通信和低速窄帶通信方式的補(bǔ)充，可以不受地理環(huán)境、氣候條件和時(shí)間的限制，在通信衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，衛(wèi)星通信具有通信質(zhì)量好、系統(tǒng)可靠性高、安全性強(qiáng)的特點(diǎn)。其作為應(yīng)急通信手段，可用于應(yīng)急狀態(tài)下重要指令、工況及安全信息的傳輸。目前國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信設(shè)備主要有北斗通信終端和天通通信終端。其中，北斗通信速率較慢，一般為數(shù)十字節(jié)每分鐘；天通通信速率較快，最大可達(dá)百Kb級(jí)[6]。

4 自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)

為滿足無(wú)人艇在不同應(yīng)用場(chǎng)景作業(yè)的需求，大部分情況下無(wú)人艇無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)具備接入寬帶無(wú)線通信、窄帶無(wú)線通信、衛(wèi)星通信等通信設(shè)備的能力。本文提出一種自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用智能監(jiān)控模塊將3種通信設(shè)備進(jìn)行融合。自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人艇和通信設(shè)備的狀態(tài)變化自主切換無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，保持主控端與無(wú)人艇間無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)穩(wěn)定鏈接。自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)Fig. 3 Adaptive wireless communication system

自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)通過(guò)智能監(jiān)控模塊將寬帶無(wú)線通信、窄帶無(wú)線通信和衛(wèi)星通信設(shè)備接入無(wú)人艇或主控端。智能監(jiān)控模塊作為自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)的控制核心，為無(wú)線通信設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口，具備接入多種通信設(shè)備的能力，并對(duì)各通信設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該模塊按用戶定義機(jī)制自主切換通信鏈路，保證無(wú)人艇作業(yè)時(shí)與主控端之間的無(wú)線通信鏈路連續(xù)不中斷，重要信息可實(shí)時(shí)交互。

4.1 智能監(jiān)控模塊組成

智能監(jiān)控模塊主要由微控制器、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)交換單元組成，如圖4所示。智能監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)交換單元為各無(wú)線通信設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口，狀態(tài)檢測(cè)單元對(duì)各個(gè)端口的通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，微控制器根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定接入無(wú)人艇或主控端的無(wú)線通信設(shè)備，自主建立穩(wěn)定的無(wú)線通信鏈路。

圖4 智能監(jiān)控模塊Fig. 4 Intelligent monitoring module

4.2 無(wú)線通信鏈路切換

在智能監(jiān)控模塊中，采用預(yù)切換機(jī)制實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信鏈路之間切換。在當(dāng)前無(wú)線鏈路未斷開(kāi)之前，預(yù)接入系統(tǒng)的無(wú)線通信設(shè)備即開(kāi)始接入無(wú)人艇或主控端網(wǎng)絡(luò)的操作。在預(yù)切換機(jī)制下，狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元檢測(cè)到當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量低于預(yù)切換閥值時(shí)，立即向微控制器單元發(fā)送切換事件消息，微控制器單元接收到事件消息后激活預(yù)接入無(wú)線通信設(shè)備的端口并開(kāi)始連接無(wú)人艇或主控端網(wǎng)絡(luò)，在當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路斷開(kāi)之前完成無(wú)線鏈路的切換。預(yù)切換機(jī)制可有效減少切換過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟包。無(wú)線通信鏈路預(yù)切換機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖5所示[7-8]。

圖5 無(wú)線通信鏈路預(yù)切換機(jī)制Fig. 5 Wireless communication handover mechanism

5 系統(tǒng)測(cè)試

在無(wú)人艇設(shè)計(jì)時(shí)，按設(shè)計(jì)要求選擇適合的寬帶無(wú)線電臺(tái)、窄帶無(wú)線電臺(tái)和衛(wèi)通設(shè)備接入智能監(jiān)控模塊，組成無(wú)人艇自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)。

測(cè)試場(chǎng)景：試驗(yàn)時(shí)，主控端自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)放置在岸邊，主控端和無(wú)人艇端的天線按設(shè)計(jì)要求架設(shè)到指定高度。同時(shí)，按用戶定義策略對(duì)兩端的自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行配置。首先進(jìn)行近距離通信測(cè)試，系統(tǒng)工作正常后，無(wú)人艇由近及遠(yuǎn)航行，開(kāi)展通信系統(tǒng)的拉距測(cè)試。在近距離時(shí)，主控端可接收到寬帶無(wú)線電臺(tái)傳輸?shù)膱D像、指令、工況等信息；當(dāng)試驗(yàn)船超出寬帶無(wú)線電臺(tái)通信距離時(shí)，系統(tǒng)自主切換到窄帶通信鏈路，主控端接收到窄帶無(wú)線電臺(tái)傳輸?shù)闹噶?、工況信息；當(dāng)試驗(yàn)船超出窄帶無(wú)線電臺(tái)通信距離后，系統(tǒng)自主切換到衛(wèi)星通信鏈路，主控端接收到衛(wèi)通傳輸?shù)膽?yīng)急指令和工況信息。測(cè)試狀態(tài)如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)能夠根據(jù)寬帶無(wú)線電臺(tái)、窄帶無(wú)線電臺(tái)、衛(wèi)星通信設(shè)備以及無(wú)人艇的工作狀態(tài)進(jìn)行通信鏈路的自主切換。試驗(yàn)中，無(wú)線通信鏈路可按用戶定義自主切換，切換過(guò)程中通信信息可連續(xù)實(shí)時(shí)交互。

圖6 自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Fig. 6 Test result of adaptive wireless communication system

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，分析了當(dāng)前常用無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)，并結(jié)合無(wú)人艇的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建了基于微波通信、衛(wèi)星通信等通信設(shè)備的無(wú)人艇無(wú)線通信系統(tǒng)。本文對(duì)各通信設(shè)備的適用場(chǎng)景、通信距離計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并提出一種自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線通信設(shè)備之間通信鏈路的自主切換，確保無(wú)人艇通信鏈路連續(xù)穩(wěn)定。該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)通信接口，具有良好的擴(kuò)展性，可滿足無(wú)人艇在多種應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的需求。