潘 笑，王 鵬，溫 雯，王佳奇，李 婧

(中國艦船研究院, 北京 100101)

0 引 言

目前，大部分的水聲通信、定位及導航系統(tǒng)都是相互獨立的。多系統(tǒng)共同作業(yè)時，這種功能單一的工作模式會經(jīng)常出現(xiàn)不能兼容、作業(yè)距離受限等問題[1]。除此之外，在海上試驗過程中目前還難于實現(xiàn)對水下航行目標的指揮通信功能，難以滿足水下長時復雜任務的作業(yè)需求[2]。

本文通過設計具有主/被動水下兼容定位技術的水聲通信定位一體化潛標裝備，搭配浮標平臺組成浮-潛標，形成水聲定位、導航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)區(qū)域快速部署組網(wǎng)，面向百平方千米級海域提供水下定位、導航和通信服務。

1 系統(tǒng)組成與方案設計

1.1 系統(tǒng)組成

水聲定位、導航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)將4個浮-潛標布設在一個正方形海域的4個頂點上。相鄰節(jié)點間距 10 km，可對 10 km×10 km 范圍內(nèi)的多個用戶提供導航定位通信功能，最大通信區(qū)域范圍為20 km×20 km。該網(wǎng)絡系統(tǒng)的規(guī)模也可以較充分地驗證網(wǎng)絡化水下導航技術，以及對水下多目標協(xié)同作業(yè)環(huán)境的保障能力。系統(tǒng)由浮潛標通信定位分系統(tǒng)、指揮控制分系統(tǒng)和用戶終端分系統(tǒng)組成，如圖1所示。

作為基本構成單元的“浮-潛標”是由浮標體、水聲通信定位一體化潛標、無線電通信設備、太陽能電池供電模塊、航標燈等部分構成[3]，如圖2所示。其中，水聲通信定位一體化潛標是實現(xiàn)水下通導一體的關鍵設備。該設備將采用通信與導航共用、功能集成、信號兼容、模塊化的方法進行設計，實現(xiàn)通信與高精度導航功能的集成。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System structural diagram

圖2 浮-潛標結構示意圖Fig.2 Buoy and submersible buoy structural system

指揮控制分系統(tǒng)是該系統(tǒng)的指揮控制中心，通過對水面水下工作平臺的信息匯集、拓撲規(guī)劃、態(tài)勢顯示、狀態(tài)管控，形成系統(tǒng)信息的一體化綜合管控能力及水面、水下作業(yè)平臺的指揮能力。

用戶終端分系統(tǒng)為用戶終端設備提供信息傳輸和定位服務[4]。用戶終端設備進入通信導航網(wǎng)絡的覆蓋范圍后，即通過浮潛標與指揮中心建立通信鏈路，指揮中心通過模塊式水聲通信定位設備獲取用戶位置信息。

1.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

系統(tǒng)網(wǎng)絡架構由水下自組網(wǎng)和水上無線電通信兩部分組成[5]。水下自組網(wǎng)通過水聲通信技術進行組網(wǎng)，水上通過無線通信設備實現(xiàn)浮標與岸基的通信，系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖3所示。

1）水下自組網(wǎng)

如前所述，4個浮標分別布設在正方形海域的4個頂點。浮標間通過水聲通信定位一體化潛標設備實現(xiàn)水聲組網(wǎng)通信[6]，相鄰節(jié)點間距 10 km，可對 10 km×10 km范圍內(nèi)的多個用戶提供高精度導航定位通信功能，最大通信區(qū)域范圍為 20 km×20 km。

圖3 系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖Fig.3 System networking schematic diagram

2）水上無線電通信

浮標是實現(xiàn)水下通信和水上通信的樞紐，每個浮標都配置無線電通信設備。水聲通信定位設備獲取的信息通過水下電纜發(fā)送至浮標平臺，再通過無線電通信設備轉發(fā)至船載指控系統(tǒng)。水上無線電通信示意圖如圖4所示。

圖4 水上無線電通信系統(tǒng)工作示意圖Fig.4 Above water communication system schematic diagram

1.3 工作流程

百平方千米級水下定位導航系統(tǒng)的典型功能流程如圖5所示。指揮控制中心的管控指令通過衛(wèi)星鏈路傳輸至海面浮標，再通過浮標將信息轉入水下，潛標之間通過水聲通信進行多跳轉發(fā)，最后到達水下用戶終端。反之，水下用戶終端的狀態(tài)信息與感知數(shù)據(jù)也可反向傳輸至指揮控制中心。

系統(tǒng)被部署在指定海域后，浮標北斗設備測量得到的浮標位置信息，通過有纜方式傳輸至浮標下的水

圖5 百平方千米級水下定位導航系統(tǒng)信息流程圖Fig.5 System information flow chart

聲通信定位設備，完成水聲通信定位一體化潛標位置標定。水下網(wǎng)絡最初的拓撲關系建立后，水下用戶進入網(wǎng)絡的覆蓋范圍，當需要向船基或岸基上報位置信息時，聲學喚醒潛標上的水聲通信定位設備并經(jīng)身份認證后接入水下網(wǎng)絡，所需傳輸?shù)男畔⒃谒轮苯踊蛞远嗵绞竭_到某個浮標節(jié)點，再通過水面以上的無線電方式發(fā)送至船基或岸站，完成主動導航功能。水下用戶通過水聲通信技術獲得潛標的位置信息，通過時延測距技術獲得水下用戶與潛標之間的距離，解算出水下用戶自身的位置，實現(xiàn)水下被動定位功能。

2 水聲通信定位一體化潛標設計

2.1 潛標功能

水聲通信定位一體化潛標是實現(xiàn)組網(wǎng)系統(tǒng)的核心裝備，其中水下數(shù)據(jù)通信定位單元由換能器、數(shù)字電路、功放電路、前放電路、接口電路、電子艙體等組成。在浮標端，由浮標體內(nèi)電池向水聲通信定位設備供電。其主要功能有：

1）水聲通信

對信息進行編碼、調(diào)制、組幀，實現(xiàn)通信信號發(fā)射；對接收信號進行復帶移、同步、解調(diào)和解碼，實現(xiàn)通信信號接收。

2）水聲組網(wǎng)

達成岸船監(jiān)控中心與潛器或潛標之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，具有沖突避免媒質(zhì)接入控制功能，以及支持多跳和路由重構功能。

3）水聲定位

包含主動定位與被動導航2種模式。

2.2 潛標組成

一體化潛標系統(tǒng)硬件包括浮標、潛標和外部電池。系統(tǒng)主體為潛標，包括收發(fā)合置水聲換能器、信號處理部件（模擬預處理單元、數(shù)字信號處理單元、電源模塊）、協(xié)議處理部件（協(xié)議處理板、深度計及水聽器）、收發(fā)轉換及匹配板、功率發(fā)射板[7]。系統(tǒng)結構如圖6所示。

2.3 內(nèi)部結構

水聲通信定位一體化潛標內(nèi)部結構包括電子艙、電池組、收發(fā)合置換能器、水聽器、深度計和接口等主要部件，由浮標體內(nèi)電池通過水密纜給潛標供電。內(nèi)部結構示意圖如圖7所示。

3 定位方程解算方法

一體化組網(wǎng)系統(tǒng)具有主動導航、被動定位2種定位模式。

圖6 水聲通信定位一體化潛標系統(tǒng)組成圖Fig.6 Integrated acoustic communication and navigation submersible structural diagram

圖7 水聲通信定位一體化潛標內(nèi)部結構Fig.7 Integrated acoustic communication and navigation submersible internal structure

3.1 主動導航工作方式

潛器周期性發(fā)射詢問信號，接收4個浮潛標返回攜帶位置信息的應答通信信號，通過應答測距獲得與各浮潛標間距離di（i=1,2,3,4）[8]，通過解碼獲得各浮潛標位置，利用位置 (xi,yi,zi)、距離信息建立下列方程組，解方程組中潛器自身位置 (xs,ys,zs)。

3.2 被動定位工作方式

潛器不發(fā)聲，4個浮潛標在同一時刻t0發(fā)送攜帶位置信息 (xi,yi,zi)的定位報文，各潛器估計不同浮標的定位報文到達時刻ti，并解碼獲得浮潛標的位置信息[9]，通過解下列4個方程組獲得自身位置信息 (xs,ys,zs)，實現(xiàn)被動定位。

4 結 語

本文設計集水聲定位、導航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)組成及工作原理，提出該組網(wǎng)系統(tǒng)的核心設備—水聲通信定位一體化潛標的詳細設計方案，提供主動導航及被動定位2種定位模式的解算方法。利用該組網(wǎng)系統(tǒng)最大可形成100 km2范圍內(nèi)海域的定位導航和400 km2范圍內(nèi)海域通信能力，為區(qū)域內(nèi)水下有人/無人、固定/移動多類水面水下作業(yè)平臺提供通信及定位導航服務。