王海軍，宋 帥，吳小濤，田應(yīng)元

（1.中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.中國人民解放軍61741部隊，北京 100094）

0 引言

隨著世界各國對海洋開發(fā)權(quán)益的爭奪日益激烈，用于海洋環(huán)境監(jiān)測、水下目標(biāo)探測等的水下立體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在加緊實施。水下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的長期實時安全回傳目前還缺少有效的手段，迫切需要一種隱蔽性強(qiáng)、覆蓋范圍廣和使用壽命長的?？諈f(xié)同跨界質(zhì)通信中繼節(jié)點，將水下網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星及岸基連接起來構(gòu)建海空天一體化立體網(wǎng)絡(luò)，以滿足海洋開發(fā)以及海上軍事活動的需要[1]。波浪滑翔器（Wave Glider）作為一種新型的波浪能推進(jìn)的海洋機(jī)器人，具有續(xù)航力大、自主靈活、零排放、經(jīng)濟(jì)型等特點，可執(zhí)行長期廣域的自主海洋環(huán)境監(jiān)測、氣象預(yù)報、情報偵察等任務(wù)，已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[2-4]?！昂ｖ帯辈ɡ嘶杵髯?012年開始研制以來，已在中國船舶第七一〇研究所科技創(chuàng)新基金、國家“863”計劃、國家重點研發(fā)計劃以及相關(guān)領(lǐng)域的支持下，先后完成了系統(tǒng)仿真、原理樣機(jī)研制、工程樣機(jī)研制及應(yīng)用研究，并結(jié)合應(yīng)用開展了一系列深度創(chuàng)新，目前已走在了國內(nèi)波浪滑翔器產(chǎn)品研制和技術(shù)創(chuàng)新的前列[5-7]。圖 1為“海鰩”波浪滑翔器樣機(jī)。

圖1 “海鰩”波浪滑翔器Fig.1 SeaRay wave glider

水下聲學(xué)目標(biāo)探測、定位和水下目標(biāo)信息的跨介質(zhì)傳輸問題一直受到廣泛關(guān)注?？缃橘|(zhì)組網(wǎng)通信是世界各國正在研究的一個重要但又未完全解決的問題，對于水下通信的聲學(xué)技術(shù)，由于受水氣交界面的限制，實現(xiàn)水下目標(biāo)和水上平臺通信的可用手段非常有限。波浪滑翔器作為水下水面的跨介質(zhì)平臺，結(jié)合了水面艇和水下驅(qū)動單元的優(yōu)勢，集成衛(wèi)星通信模塊實現(xiàn)全球?qū)崟r通信，基于太陽能電池作為能源補(bǔ)充可實現(xiàn)長時序、全天候在線工作，開放式模塊化的設(shè)計，便于同時集成多樣化的任務(wù)載荷。隨著波浪滑翔器平臺技術(shù)的日趨成熟可靠[8-9]，國內(nèi)相關(guān)單位已開始利用波浪滑翔器平臺開展水下目標(biāo)的探測、定位與通信研究。圖2為組網(wǎng)通信型“海鰩”波浪滑翔器產(chǎn)品。

圖2 組網(wǎng)通信型“海鰩”波浪滑翔器產(chǎn)品Fig.2 Networking communication type SeaRay wave glider

本文主要介紹“海鰩”波浪滑翔器首批定型產(chǎn)品在國家重點研發(fā)計劃“無人無纜潛水器組網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用示范”項目中的最新應(yīng)用進(jìn)展，以供海洋裝備研究和應(yīng)用領(lǐng)域人員參考。

1 水下GPS定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前在陸地上利用 GPS全球定位系統(tǒng)或我國自主研制的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對各種目標(biāo)的精確定位、授時和導(dǎo)航，但在水下實現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航技術(shù)目前仍還不成熟。另外，在覆蓋范圍上也相對有限，特別是能夠覆蓋較大范圍海域的定位系統(tǒng)，還很難實現(xiàn)。利用波浪滑翔器虛擬錨泊功能并搭載聲學(xué)模塊作為海面信標(biāo)，將平臺的精確GPS信息按預(yù)置的時序向海底廣播定位報文，并將多套波浪滑翔器按特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)覆蓋一定范圍的海域。同時，類似在汽車上安裝GPS定位系統(tǒng)一樣，需要在水下移動平臺上安裝一套聲學(xué) GPS定位接收模塊。當(dāng)水下移動平臺在航行時能夠同時收到3個以上的海面信標(biāo)發(fā)出的定位報文及其到達(dá)時刻，就能完成水下平臺自身的位置解算。并且依靠波浪滑翔器自主航行的能力和遠(yuǎn)程岸基人在回路的操控，使得構(gòu)建的這套水下 GPS定位系統(tǒng)具有可遷移和可重構(gòu)的特點。同時，該系統(tǒng)也利用了我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文功能，通過波浪滑翔器聲學(xué)模塊與水下移動節(jié)點聯(lián)系，能夠?qū)崿F(xiàn)水下移動節(jié)點與岸基的短報文通信。

圖3 水下GPS定位系統(tǒng)總體方案Fig.3 Overall scheme of underwater GPS positioning system

2020年7月4日–7月16日，國內(nèi)多家科研單位在南海中部海南島以東約110 n mile海域，試驗海區(qū)水深約2 000 m，聯(lián)合開展了基于波浪滑翔器的水下 GPS定位系統(tǒng)海上試驗。本次試驗利用了首批定型生產(chǎn)的12臺“海鰩”波浪滑翔器樣機(jī)，編號為“UUV–Networing–KT2–WG–HYAO–01～12”，其中2臺為備用樣機(jī)。聲學(xué)模塊的換能器安裝在水下驅(qū)動單元下方的橫梁上，換能器電纜與掛纜耦合到水面艇的用戶艙中的聲學(xué)處理電路連接，控制艙中的控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)對聲學(xué)電路的電源控制。海試主要測試完成了海面信標(biāo)節(jié)點定位報文的發(fā)送功能和水下節(jié)點定位報文的接收功能，并開展了基于海面信標(biāo)的水下移動節(jié)點定位方法可行性驗證，同時測試分析各系統(tǒng)參數(shù)對定位性能的影響等工作，并結(jié)合水下定位系統(tǒng)試驗同步開展了波浪滑翔器15 d四邊形位置保持能力的考核試驗?！盎浾繚O29”試驗船7月4日夜從海南三亞離港，7月5日上午11點到達(dá)試驗海區(qū)。試驗團(tuán)隊采集試驗海區(qū)的水文信息后，經(jīng)過海面信標(biāo)的定位報文發(fā)送和水下節(jié)點報文接收的功能測試，并完成了單臺波浪滑翔器定點控位能力的評估后，于7月8日上午，完成了10套海面信標(biāo)和3套基于水下滑翔機(jī)的水下移動節(jié)點的布放，基于“海鰩”波浪滑翔器的水下GPS定位系統(tǒng)星座構(gòu)建成型，這也是目前世界上第1套基于波浪滑翔器的水下移動節(jié)點定位系統(tǒng)開展的應(yīng)用試驗。海面波浪滑翔器星座岸基實時監(jiān)控的照片如圖4所示。

圖4 水下GPS定位系統(tǒng)海面信標(biāo)星座監(jiān)控軟件界面Fig.4 Monitoring software interface for sea surface beacon constellation of underwater GPS positioning system

水下 GPS定位系統(tǒng)應(yīng)用試驗中對波浪滑翔器的定點控位能力是最大的考驗，由于波浪滑翔器是利用波浪能驅(qū)動，自身沒有推進(jìn)動力，因此容易受到浪高和海流的影響。接下來介紹一下“海鰩”波浪滑翔器在本次試驗中的定點控位性能情況。

考慮海面信標(biāo)聲學(xué)模塊的作用距離，水下定位系統(tǒng)相鄰2臺波浪滑翔器的距離大約在5 km，每個目標(biāo)點波浪滑翔器的樣機(jī)編號如圖4所示。圖5中給出了10臺樣機(jī)的實時運(yùn)行軌跡，其中紅色五角星為波浪滑翔器的位置保持規(guī)劃目標(biāo)點，藍(lán)色軌跡為波浪滑翔器實際航行軌跡。

圖5 水下GPS定位系統(tǒng)海面信標(biāo)星座運(yùn)行軌跡Fig.5 Track of sea surface beacon constellation of underwater GPS positioning system

圖4中，1、3、7、11號艇為本次試驗中驗證波浪滑翔器15 d四邊形保持能力的4套樣機(jī)。圖6給出了15 d四條艇的運(yùn)行軌跡，其中紅色五角星為1號艇的位置保持點，黑色五角星為3號艇的位置保持點，黃色五角星為9號艇的位置保持點，綠色五角星為11號艇的位置保持點。由于該四邊形位置保持試驗結(jié)合水下定位系統(tǒng)試驗開展，為滿足聲學(xué)定位拓?fù)湫亲男枰謩e在7月10日 11:33–12:48和7月15日8:33–11:33對四邊形的位置保持目標(biāo)點進(jìn)行了 2次調(diào)整，其中 7號艇在 7月13日14:19–17:49還進(jìn)行了一次調(diào)整。為滿足15 d的連續(xù)考核要求，在定點位置保持?jǐn)?shù)據(jù)處理中，將中間調(diào)整產(chǎn)生的位移按該艇的位置保持偏差計算，這樣雖然犧牲了一些控位精度，但保證了四邊形位置保持時間的連續(xù)性。

圖6 15 d位置保持運(yùn)動軌跡Fig.6 Position keeping track for 15 days

7月6日–7月21日，“海鰩”波浪滑翔器平臺無故障連續(xù)運(yùn)行15 d，位置保持過程中4套樣機(jī)的定點位置保持偏差如圖7所示。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，4套波浪滑翔器的位置平均偏差分別小于811.4 m、144.45 m、581.82 m、1 470 m，位置保持偏差小于100 m的概率分別為70.86%、94%、84.63%、65.86%。

通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，在7月20日–7月21日期間，4條艇的位置保持偏差都增大了許多。波浪滑翔器是利用海面波浪能驅(qū)動的無動力平臺，容易受到海況的影響，在這期間海面十分平靜，但又存在 0.6～1 kn的海流，導(dǎo)致平臺位置發(fā)生較大的偏移。圖8是7月21日在試驗附近海域拍攝的海面照片，顯示海面非常平靜。在位置偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析過程中也計算了這段時間的偏差，綜合分析表明：在3級海況下海流小于0.5 kn的情況下“海鰩”波浪滑翔器的位置偏差小于100 m。本次試驗現(xiàn)場考核中，波浪滑翔器的協(xié)同組網(wǎng)精確控位單項性能獲得專家組滿分評分。

圖7 4臺產(chǎn)品15 d位置保持偏差Fig.7 Position deviation for 15 days of 4 products

圖8 風(fēng)平浪靜的試驗海區(qū)Fig.8 Calm test sea area for wave glider

在水下定位系統(tǒng)應(yīng)用試驗中對波浪滑翔器還有一個重要的考驗就是系統(tǒng)能源。波浪滑翔器自身攜載有二次鋰電池組，同時利用太陽能電池作為系統(tǒng)電能的補(bǔ)充，此次試驗搭載聲學(xué)載荷的發(fā)射功率達(dá)到80 W，最大工作頻度在10 s左右，對系統(tǒng)能源提出了較高的要求。圖9給出了1號艇在聲學(xué)載荷連續(xù)工作過程中，電池組電源電壓的變化曲線。

圖9 系統(tǒng)電池電壓變化過程Fig.9 System battery voltage change process

系統(tǒng)電池組的峰值電壓最大為16.8 V，額定輸出為15 V。通過圖中發(fā)現(xiàn)15 d試驗中，白天最大的峰值電壓在16.7 V左右，夜間最低電壓大于15.6 V，能夠滿足水下定位系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

2 輔助通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

前面介紹了波浪滑翔器作為一種新型的無人自主航行機(jī)器人，結(jié)合了水面艇和水下驅(qū)動單元的優(yōu)勢，特別適合作為水下水上的跨介質(zhì)通信節(jié)點應(yīng)用，以解決水下平臺信息出水難的問題。項目中利用波浪滑翔器與海底平臺、水下 AUV平臺，并且各自集成國內(nèi)自主研制的水聲通信機(jī)作為水下聲學(xué)通信節(jié)點，然后通過波浪滑翔器上的衛(wèi)星通信終端與岸基指控中心通信，構(gòu)建了一套異構(gòu)平臺的水下輔助通信網(wǎng)絡(luò)，目的是開展水下通信組網(wǎng)的應(yīng)用示范，為推動海洋無人裝備網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖10 輔助通信網(wǎng)絡(luò)總體方案示意圖Fig.10 Schematic diagram of the overall scheme for auxiliary communication network

波浪滑翔器采用的水聲通信機(jī) SmartOcean AngelFish聲波調(diào)制解調(diào)器。AngelFish適用于頻率范圍在 21～27 kHz之間的聲波通信。采樣頻率為96 kHz，分辨率為16 bit。調(diào)制解調(diào)器使用了正交頻分復(fù)用的調(diào)制方式。換能器基陣采用1個水聽器發(fā)送聲波信號，4個水聽器接收聲波信號，即一發(fā)四收模式。AngelFish調(diào)制解調(diào)器使用1根RS232串口線和主機(jī)通信。調(diào)制解調(diào)器支持波特率從4 800～230 400 bps。每臺調(diào)制解調(diào)器都配置有對應(yīng)的ID號。在通信過程中，ID號主要用于確認(rèn)發(fā)送方和接收方。用戶可根據(jù)需求給調(diào)制解調(diào)器分配ID號。有效的ID號范圍是0～255。ID號為0被預(yù)留，用于廣播通信。調(diào)制解調(diào)器的額定供電電壓16 V，最大工作電流5 A。

圖11 AngelFish水聲調(diào)制解調(diào)器Fig.11 AngelFish Underwater Acoustic Modem

在輔助網(wǎng)絡(luò)中對波浪滑翔器而言，主要為水下組網(wǎng)、波浪滑翔器自身平臺及岸基顯控服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。波浪滑翔器與水下組網(wǎng)通過聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器的物理串口進(jìn)行通信，波浪滑翔器與岸基顯控服務(wù)器通過銥星衛(wèi)通模塊進(jìn)行通信，采用的模式為SBD短數(shù)據(jù)模式。波浪滑翔器通過輔助網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)通鏈路數(shù)據(jù)使用銥星模塊通過銥星網(wǎng)絡(luò)SBD模式上下行通信，通信頻次為60 s，單次最大的傳輸數(shù)據(jù)長度為1 600 bytes。

信息上行方向：水下組網(wǎng)將所有需要上傳的數(shù)據(jù)通過聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器物理串口上傳至波浪滑翔器，波浪滑翔機(jī)控制中心將收到的數(shù)據(jù)依次緩存在自身緩存區(qū)內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)通輪詢到上行過程時，將此刻緩存區(qū)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)包依次進(jìn)行拼包操作，但受衛(wèi)星信道限制，拼包完成后的數(shù)據(jù)總長應(yīng)不大于1 600 bytes，若此時由于數(shù)據(jù)總長限制，緩存區(qū)內(nèi)還有數(shù)據(jù)幀，則等待下個上行周期進(jìn)行發(fā)送。波浪滑翔機(jī)自身的數(shù)據(jù)幀與聲通數(shù)據(jù)幀一樣，均依次存放在緩存區(qū)中等待上發(fā)。上行過程中每次數(shù)據(jù)幀拼包發(fā)送給衛(wèi)通后，不管衛(wèi)通鏈路最終發(fā)送成功與否，本次發(fā)送的所有數(shù)據(jù)幀均丟棄，不再保留或者重發(fā)。

波浪滑翔器控制中心對拼包后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星終端定義的幀格式數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星鏈路將數(shù)據(jù)上發(fā)至岸基衛(wèi)星終端模塊再轉(zhuǎn)發(fā)至岸基顯控服務(wù)器。波浪滑翔器如果有需要上傳的自身平臺或者應(yīng)用數(shù)據(jù)（如環(huán)境情況、位置信息等），也將數(shù)據(jù)打包按照衛(wèi)星終端模塊定義的幀格式，通過衛(wèi)星鏈路將數(shù)據(jù)上發(fā)至岸基衛(wèi)星終端模塊再轉(zhuǎn)發(fā)至岸基顯控服務(wù)器。

在實驗過程中可能存在聲通數(shù)據(jù)包過多的情況，會導(dǎo)致波浪滑翔機(jī)緩存區(qū)堵塞，因此，根據(jù)波浪滑翔機(jī)自身的緩存區(qū)大小限制，軟件設(shè)計中考慮了數(shù)據(jù)堵塞問題。若系統(tǒng)緩存區(qū)數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到滿載，來不及上傳至衛(wèi)通，且又收到了新的水下數(shù)據(jù)包，那么波浪滑翔機(jī)就將自身緩存區(qū)中較早收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行丟棄。并在以保證每個數(shù)據(jù)幀的完整的前提下，繼續(xù)接收新的數(shù)據(jù)幀。

圖12 輔助通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)倪^程Fig.12 Process of information transmission in the auxiliary communication network

信息下行方向：若岸基顯控服務(wù)器有需要下行的指令或數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)下行至波浪滑翔器處，波浪滑翔器可以通過數(shù)據(jù)幀判斷是否為本臺波浪滑翔器對應(yīng)接收數(shù)據(jù)。如果確認(rèn)是本臺波浪滑翔器的數(shù)據(jù)，則進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)幀協(xié)議判斷數(shù)據(jù)流向，若為波浪滑翔器自身數(shù)據(jù)，則自身接收進(jìn)行處理，若為水下組網(wǎng)數(shù)據(jù)，則通過控制中心將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為水下組網(wǎng)定義的幀格式數(shù)據(jù)，通過聲通物理串口下行至水下組網(wǎng)平臺。對于水下組網(wǎng)平臺+應(yīng)用數(shù)據(jù)、波浪滑翔器的平臺+應(yīng)用數(shù)據(jù)，衛(wèi)星鏈路均保持透傳，對于數(shù)據(jù)內(nèi)容不做理解，只解析和處理定義過的其余幀頭幀尾等附加數(shù)據(jù)。

2020年9月，課題組在海南三亞海棠灣海域開展了輔助通信網(wǎng)絡(luò)海上應(yīng)用試驗，波浪滑翔器工作在位置保持模式。組網(wǎng)通信節(jié)點包括3臺波浪滑翔器節(jié)點、2臺坐底平臺節(jié)點、5臺AUV節(jié)點和1臺岸基監(jiān)控服務(wù)器。波浪滑翔器的節(jié)點ID號為90、91、92，坐底平臺的節(jié)點 ID號為 1、2，AUV的節(jié)點 ID號為30、31、32、33、34。其中 ID號為90的波浪滑翔器的位置保持目標(biāo)點與 1號坐底平臺的布放點一致，ID號為92的波浪滑翔器的位置保持目標(biāo)點與2號坐底平臺的布放點一致。1號和2號坐底平臺的距離為4 km，ID號為91的波浪滑翔器的位置保持目標(biāo)點在1號和2號坐底平臺連線的中點。AUV成編隊在1號和2號坐底平臺連線之間范圍內(nèi)按直線或成簇航行。坐底平臺每隔1 h將平臺上采集的CTD數(shù)據(jù)通過通信鏈路上傳給岸基顯控服務(wù)器，AUV編隊航行過程中，也將AUV數(shù)據(jù)上傳至岸基顯控服務(wù)器。

在輔助網(wǎng)絡(luò)通信試驗過程中，搭載的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器接收發(fā)送數(shù)據(jù)穩(wěn)定，通信作用距離大于2 km，數(shù)據(jù)傳輸速率大于400 bps，波浪滑翔器衛(wèi)星通訊60 s達(dá)到1 600 bytes的傳輸帶寬滿足網(wǎng)絡(luò)的驗證需求，平臺的位置保持平均偏差小于100 m，充分表明波浪滑翔器作為組網(wǎng)節(jié)點設(shè)備的可行性和長時間工作的可靠性。

圖13 輔助通信網(wǎng)絡(luò)岸基顯控服務(wù)器圖片F(xiàn)ig.13 Shore-based display and control server in auxiliary communication network

3 結(jié)束語

在國家重大科技專項的支持下，“海鰩”波浪滑翔器作為國內(nèi)第 1代較為成熟的波浪滑翔器已完成了平臺關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品化改造的海上全方位考核試驗，其性能和可靠性均達(dá)到世界先進(jìn)水平。目前正在海洋各領(lǐng)域的實際應(yīng)用中不斷優(yōu)化完善平臺的功能和性能，“海鰩”波浪滑翔器在水下聲學(xué) GPS定位和水下通信輔助網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用中，展示了其作為海面自主航行平臺的信息跨介質(zhì)實時傳輸?shù)膬?yōu)勢和精確控位的優(yōu)點。

波浪滑翔器作為一種新型的長航時移動觀測平臺，豐富和拓展了海洋無人平臺技術(shù)體系，突破了現(xiàn)有移動觀測平臺對時間、空間的局限，波浪滑翔器的研制和大量部署，有助于滿足海洋觀測對長期化移動平臺的需求，對推進(jìn)國家的深遠(yuǎn)海戰(zhàn)略研究具有重要意義。