閆敬, 張志成, 楊晛, 商志剛, 關(guān)新平

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004; 2.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004; 3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150006; 4.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

海洋是國(guó)家戰(zhàn)略資源的重要基地。我國(guó)擁有300萬(wàn)平方公里海域面積,然而我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)體系還不完善,水下目標(biāo)監(jiān)測(cè)手段匱乏。無(wú)論從國(guó)家戰(zhàn)略層面,還是從海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)、海洋資源開發(fā)與保護(hù)方面,亟需構(gòu)建實(shí)用高效的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立在對(duì)船只的遠(yuǎn)洋、深海作業(yè)的安全保障方面起著無(wú)可比擬的作用,海洋無(wú)小事,事關(guān)我國(guó)國(guó)土安全,資源開發(fā)和研究勘探等眾多戰(zhàn)略部署。2022年11月最新公布的《國(guó)家自然科學(xué)基金“十四五”發(fā)展規(guī)劃》,強(qiáng)調(diào)了海洋安全的重要性,指出將“水下無(wú)人裝置與水面船舶互聯(lián)基礎(chǔ)理論為代表的空天地海協(xié)同信息網(wǎng)絡(luò)”放在十四五規(guī)劃的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。一般而言,水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括移動(dòng)潛器(通過(guò)攜帶傳感器形成動(dòng)態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn))、水面浮標(biāo)、水下溫鹽深等傳感器,主要以水聲通信的方式進(jìn)行交互,進(jìn)而協(xié)同完成水下目標(biāo)監(jiān)測(cè)任務(wù)。在上述系統(tǒng),定位是水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)全天候、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的核心,其目的是通過(guò)節(jié)點(diǎn)間信息交互確定網(wǎng)絡(luò)自身以及外來(lái)目標(biāo)的位置信息。另一方面,岸基中心根據(jù)定位的需要形成調(diào)度控制環(huán),并將控制指令回傳給傳感器與潛器,進(jìn)而通過(guò)潛器協(xié)同控制的形式實(shí)現(xiàn)定位自主性和適應(yīng)性的提升?，F(xiàn)有方法通常將定位與協(xié)同控制分離設(shè)計(jì)[1-2],盡管可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度并易于擴(kuò)展,但會(huì)使通信資源相互競(jìng)爭(zhēng),且使得狀態(tài)信息傳遞出現(xiàn)延遲,在復(fù)雜多變的水下環(huán)境中,更容易產(chǎn)生控制偏差與定位誤差。因此,有必要對(duì)水下定位與追蹤控制進(jìn)聯(lián)合設(shè)計(jì),聯(lián)合提升定位與控制性能。

1 定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,水聲異步時(shí)鐘、聲線彎曲、傳輸高能耗等弱通信特性,以及水下時(shí)變流速場(chǎng)等復(fù)雜海洋環(huán)境,導(dǎo)致水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)面臨目標(biāo)定位誤差大、協(xié)同控制性能差、系統(tǒng)間耦合關(guān)系[3]表征不清等難題。如何在復(fù)雜海洋環(huán)境下克服水聲弱通信特性影響,突破水下高精度定位與協(xié)同控制的技術(shù)瓶頸,對(duì)水下定位與控制進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)(見圖1),已成為研究面臨的挑戰(zhàn)。需要強(qiáng)調(diào)的是,定位目的是確定水下目標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)的位置信息,進(jìn)而考慮異步時(shí)鐘、聲線彎曲、通信時(shí)延、噪聲與干擾等約束。將協(xié)同控制與定位聯(lián)合設(shè)計(jì),一方面使得定位為控制提供位置參考,另一方面使得控制反饋提升定位精度,最終提升整個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位精度與控制有效性。

圖1 定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)Fig.1 Joint design of localization and control

1.1 水下資源受限條件下異構(gòu)數(shù)據(jù)融合難

構(gòu)建水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí),為了適應(yīng)不同環(huán)境下不同的監(jiān)測(cè)要求,往往要將異構(gòu)終端[4]部署在不同的物理空間。但復(fù)雜的水下環(huán)境會(huì)導(dǎo)致終端感知到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)難以規(guī)避的時(shí)空偏差;同時(shí)由于設(shè)備的物理特性,異構(gòu)終端獲取到的來(lái)自感知對(duì)象的數(shù)據(jù)信息是不全面的,彼此之間具有差異性,甚至?xí)霈F(xiàn)沖突。為此,異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合有助于時(shí)空覆蓋范圍的擴(kuò)展,提升狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性。而水聲通信的帶寬受限,設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速率較低,限制了異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算處理能力。綜上,如何及時(shí)考慮異構(gòu)終端感知到的數(shù)據(jù)差異性,構(gòu)建感知融合模型至關(guān)重要。此外,異構(gòu)終端能量來(lái)源有限,往往是采用電池供電,同時(shí)水下環(huán)境的不可見性與不可訪問(wèn)性,又使設(shè)備的故障檢測(cè)、維修和替換變得更加復(fù)雜。因此,異構(gòu)終端除考慮自身監(jiān)測(cè)和感知能力外,還應(yīng)考慮終端間的交互、設(shè)備耐用性和能量有效性。

1.2 水聲弱通信特性導(dǎo)致定位誤差大

目標(biāo)定位需要傳感器與潛器測(cè)量的物理量作為輸入,而物理量信息以聲波為載體,以海水為傳播介質(zhì)。水下通信環(huán)境惡劣,引擎聲、水生生物活動(dòng)聲、海浪與潮汐聲等環(huán)境噪聲會(huì)影響信號(hào)的信噪比,導(dǎo)致接收到的信號(hào)失真,難以準(zhǔn)確解析,從而產(chǎn)生定位誤差。此外,信號(hào)在傳播過(guò)程中受反射和散射等因素的影響會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)[5],信號(hào)發(fā)送端與接收端之間的相對(duì)位移會(huì)引發(fā)多普勒效應(yīng)從而導(dǎo)致載波偏移及信號(hào)幅度的降低,與多徑效應(yīng)并發(fā)的多普勒頻展將影響信息解碼,使得目標(biāo)動(dòng)態(tài)感知困難。同時(shí),水下各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘的差異引發(fā)的時(shí)鐘異步問(wèn)題與非均勻介質(zhì)引起聲速大范圍變化導(dǎo)致的時(shí)延抖動(dòng)和聲線彎曲效應(yīng)將進(jìn)一步降低定位的質(zhì)量。

1.3 復(fù)雜海洋環(huán)境降低協(xié)同控制有效性

隨著水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向大型化和復(fù)雜化發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多,節(jié)點(diǎn)之間的連接和相互作用也變得更加復(fù)雜。同時(shí),協(xié)同控制需要節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)信息流通與交換來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分工、協(xié)同決策和共同目標(biāo)的完成。由于水聲信道通信距離短、鏈路穩(wěn)定性差以及洋流等動(dòng)態(tài)擾動(dòng)與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性導(dǎo)致的水聲通信網(wǎng)絡(luò)的脆弱性及時(shí)變性,會(huì)產(chǎn)生局部攝動(dòng)、狀態(tài)延遲與鏈路動(dòng)態(tài)。這些不確定因素通過(guò)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接及耦合關(guān)系不斷傳播,直接或間接作用到控制單元,嚴(yán)重降低了系統(tǒng)協(xié)同控制的有效性。因此,在對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制與優(yōu)化過(guò)程中,除了需要考慮單個(gè)傳感器或潛器的反饋控制率[6]外,必須綜合考慮水下環(huán)境與通信性能的影響,統(tǒng)籌整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全局優(yōu)化。遺憾的是,由于目前技術(shù)水平的限制,很多重要的狀態(tài)無(wú)法實(shí)時(shí)反饋,關(guān)鍵的參數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量,直接影響到潛器之間的協(xié)同策略以及各控制器的具體實(shí)現(xiàn)。

2 水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位技術(shù)

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位技術(shù)是水下傳感器技術(shù)與水下通信技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)重要分支。通過(guò)具備感知、傳輸、控制功能的水下傳感器或潛器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和分析,獲得被定位目標(biāo)的位置,在海洋領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用[7]。

2.1 水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般由3個(gè)部分組成:傳感器節(jié)點(diǎn)部分、通信與數(shù)據(jù)傳輸部分、網(wǎng)絡(luò)管理與控制部分[8]。傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)組件,它們被部署在水下環(huán)境中,用于感知和采集環(huán)境中的各種信息。通信與數(shù)據(jù)傳輸部分包括水下通信設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,用于實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)管理與控制部分涉及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、?jié)點(diǎn)部署與維護(hù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸調(diào)度等任務(wù),通常由位于地面或云端服務(wù)器的岸基服務(wù)中心擔(dān)任[9]。岸基中心收集和處理水下傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸而來(lái)的數(shù)據(jù),具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、維護(hù)和管理等功能,以便確保水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性與可靠性。圖2給出了一個(gè)常見的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Underwater network system architecture

2.2 水下通信技術(shù)

由于水下環(huán)境的復(fù)雜性和通信信道的不穩(wěn)定性,傳統(tǒng)的陸地通信技術(shù)應(yīng)用在水下環(huán)境時(shí)往往要面臨失靈的風(fēng)險(xiǎn)。目前,水下通信主要以聲波的方式所實(shí)現(xiàn),并經(jīng)過(guò)30年左右的發(fā)展,在理論和實(shí)驗(yàn)研究上均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但仍有諸多難點(diǎn):1)水聲通信具有嚴(yán)重的帶寬限制,同時(shí)聲學(xué)信號(hào)比無(wú)線電的傳播速率低5個(gè)數(shù)量級(jí),信號(hào)傳播速度慢;2)受水下介質(zhì)不均勻性而引起的聲速大范圍變化(1 400～1 600 m/s),往往會(huì)產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)和聲線彎曲效應(yīng);3)聲波信號(hào)在水中傳播時(shí),由于反射、散射和衰減等因素的影響會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生傳播延遲擴(kuò)展和信號(hào)失真,降低通信質(zhì)量;4)水下布設(shè)通信節(jié)點(diǎn)成本高,導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稀疏;5)水聲通信在信息傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量擴(kuò)散,且通信能量大;6)由于水下通信位于開放的環(huán)境,會(huì)遭受未知攻擊者的攻擊和竊聽。針對(duì)這些難點(diǎn),研究者們正在不斷探索和開發(fā)新的通信方式和技術(shù)來(lái)提高通信能力,改善聲波傳播模型和相關(guān)調(diào)制解調(diào)技術(shù)等提高通信效率和可靠性,同時(shí)不斷完善水下節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和部署方式,以適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境。這些努力將為水下通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供有力支撐。

多載波調(diào)制技術(shù)可以極大地提高帶寬利用率,正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)便是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的多載波通信系統(tǒng),具有有效應(yīng)對(duì)頻率選擇性和延遲擴(kuò)展的能力。Murad等[10]設(shè)計(jì)了一種用于水下通信的OFDM仿真模型,并提供了一種修改和調(diào)整各種參數(shù)的工具。Zhang等[11]設(shè)計(jì)了一種基于深度學(xué)習(xí)的OFDM接收機(jī),與現(xiàn)有的深度神經(jīng)網(wǎng)OFDM接收機(jī)相比,使用該模型可以精確定制更加復(fù)雜的水聲通信。而單載波頻域均衡技術(shù)(single carrier frequency domain equalizati,SC-FDE)能夠降低多載波系統(tǒng)的峰均比和對(duì)相位噪聲的敏感性,同時(shí)計(jì)算復(fù)雜度較低。Si等[12]提出了一種先驗(yàn)信息輔助方案,通過(guò)在SC-FDE傳輸幀中插入循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔,獲得更精確的信道長(zhǎng)度和稀疏度先驗(yàn)信息,避免組間干擾。Tong等[13]提出了一種基于迭代子塊的接收機(jī)算法,將每個(gè)時(shí)變塊劃分為多個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)子塊,后通過(guò)迭代削弱頻間干擾。同時(shí)根據(jù)水聲的傳播特性提出了時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù),利用聲場(chǎng)的線性和互易性,把海洋信道本身當(dāng)作匹配濾波器,對(duì)陣接收信號(hào)進(jìn)行合并處理。該技術(shù)可以提高水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信速度和可靠性,降低通信功耗,減少信息傳遞的延遲,并且增強(qiáng)水下通信的抗干擾能力。Jing等[14]設(shè)計(jì)了一種二維被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)接收機(jī),在時(shí)延多普勒域?qū)崿F(xiàn)了空間、時(shí)間和頻率聚焦,可以在較低的復(fù)雜度下獲得與傳統(tǒng)消息傳遞算法相似的性能。Zhao等[15]利用聲學(xué)鏈路空間依賴性產(chǎn)生的自然鏈路特征,提出了一種利用最大時(shí)間反轉(zhuǎn)共振能量值的認(rèn)證方案,用于檢測(cè)欺騙攻擊。此外,為了應(yīng)對(duì)可能存在的攻擊和竊聽風(fēng)險(xiǎn),軍用通信往往對(duì)隱蔽性有一定的要求。文獻(xiàn)[16-17]研究了使用仿生技術(shù)來(lái)進(jìn)行偽裝的水下通信方案,信號(hào)發(fā)射源通過(guò)模擬海洋哺乳動(dòng)物叫聲來(lái)傳遞信號(hào)。但由于海洋動(dòng)物往往有其特定的分布區(qū)域,例如在沒有海豚的區(qū)域,便無(wú)法通過(guò)模仿其聲音來(lái)進(jìn)行偽裝。為此Biao等[18]提出了一種將信號(hào)隱藏在自然背景噪聲和混響中的通信方法。

隨著科技的不斷進(jìn)步,激光通信和電磁通信等通信手段也逐步應(yīng)用于水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其特點(diǎn)如表1所示。Zhang等[19]提出了一個(gè)受寬帶背景噪聲影響的水下無(wú)線光通信系統(tǒng)性能的數(shù)值模型和相關(guān)過(guò)濾條件,Zhou等[20]建立了水下無(wú)線光通信的數(shù)學(xué)模型,對(duì)50 m以上的遠(yuǎn)距離無(wú)線光通信進(jìn)行設(shè)計(jì)。Yang等[21]提出了一種基于超緊湊極低頻磁力傳輸換能器的遠(yuǎn)程水下電磁通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字編碼調(diào)制跨越水-空界面的遠(yuǎn)距離傳輸。

表1 3種水下通信技術(shù)的比較Table 1 Comparison of three underwater communication technologies

2.3 定位算法

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中常用的聲學(xué)定位方法可分為3類[22]。第1類是基于到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)的方法,基本原理是測(cè)量水下傳感器節(jié)點(diǎn)到定位目標(biāo)的時(shí)間延遲。由于時(shí)間延遲與發(fā)射端到接收端的距離成正比,因而可以通過(guò)計(jì)算不同傳感器節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)位置的時(shí)間延遲,推算出定位目標(biāo)的位置。TOA定位結(jié)果的準(zhǔn)確性,高度依賴視距路徑測(cè)量的準(zhǔn)確性。然而,真實(shí)的聲學(xué)信號(hào)在水下信道傳播的過(guò)程中往往會(huì)受到嚴(yán)重的多徑效應(yīng)的影響,并且聲線是彎曲傳輸?shù)摹榇?文獻(xiàn)[23]利用分層近似、逐層計(jì)算的方式對(duì)聲線進(jìn)行補(bǔ)償,文獻(xiàn)[24-25]給出了時(shí)鐘異步與聲線彎曲模型:

T=αt+β

(1)

(2)

圖3 發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)之間聲線彎曲示意Fig.3 Schematic diagram of sound line bending between the sending and receiving points

需要注意的是,基于到達(dá)時(shí)間的定位方法非常依賴于時(shí)間的同步,并且常常配合其他的技術(shù)一起使用。Peters等[26]便提出了一種基于混合到達(dá)方向(direction of arrival,DOA)和TOA的無(wú)線傳感器定位算法。而Yi等[27]提出了一種基于TOA的跟蹤同步方法,用于解決分布式水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不并發(fā)而導(dǎo)致的時(shí)間同步問(wèn)題。同時(shí),大多數(shù)基于多徑信道的TOA估計(jì)方式,都是利用直達(dá)信號(hào)和反射信號(hào)之間的互相關(guān)特性來(lái)消除多徑效應(yīng)的影響。鑒于此,Kostenko等[28]首先計(jì)算接收信號(hào)的鏡像導(dǎo)數(shù),后通過(guò)移動(dòng)平均值對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)強(qiáng)反射信號(hào)中的弱直達(dá)信號(hào)的目的。Jiang等[29]將信道參數(shù)的估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為稀疏表示問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)二維網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間延遲和多徑信號(hào)衰減幅度的聯(lián)合估計(jì)。但以上方法,計(jì)算量龐大,這對(duì)于需要迅速反應(yīng)的實(shí)時(shí)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現(xiàn)的。于是Sund等[30]提出了一種基于決策樹的直接信號(hào)選擇算法,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)直達(dá)信號(hào)的高速率和高精確率選擇。此外,為避免水下動(dòng)物咬合,氣泡破裂、潛器引擎震動(dòng)等產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲干擾水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),Diamant等[31]在TOA定位的過(guò)程中引入一種聚類的方法來(lái)將匹配濾波器輸出處的樣本識(shí)別為信號(hào)或噪聲。

第2類是基于到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival,TDOA)的方法,其主要原理是利用定位目標(biāo)到達(dá)水下傳感器的時(shí)間差來(lái)計(jì)算目標(biāo)位置。此方法無(wú)需獲知兩者之間的傳輸時(shí)間,因此目標(biāo)源和傳感器之間可以是異步的,但是傳感器之間需要同步。具體過(guò)程包括:收集傳感器數(shù)據(jù)、計(jì)算時(shí)間差、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)、求解目標(biāo)位置。首先,水下傳感器接收聲波信號(hào),并分別記錄各自的時(shí)間戳,然后計(jì)算傳感器之間的到達(dá)時(shí)間,利用時(shí)間差構(gòu)建距差方程。在之后的求解過(guò)程中,可以分為迭代求解法和非迭代求解法。由于水下環(huán)境復(fù)雜,受到多徑效應(yīng)和聲線彎曲的影響,目標(biāo)函數(shù)一般較為復(fù)雜,很難通過(guò)求解非線性方程組來(lái)計(jì)算目標(biāo)位置,故常常采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行迭代求解。通常TDOA需要至少4個(gè)傳感器,才可對(duì)三維空間的目標(biāo)進(jìn)行定位。但Mandi等[32]在通過(guò)壓力傳感器確定水下聲源深度位置的情況下,實(shí)現(xiàn)僅僅使用2個(gè)聲波接收器便實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的定位,降低了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。同時(shí),對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言,為延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)壽命,應(yīng)避免頻繁采樣,Fyhn等[33]使用壓縮傳感(compressed sensing,CS)的方式來(lái)減少傳感器采樣,在已知表示矩陣的情況下,信號(hào)的奈奎斯特率樣本可以從其子奈奎斯特率CS樣本(CS序列)中恢復(fù)出來(lái)。但是由于所有CS-TDOA估計(jì)都需要從亞奈奎斯特速率CS序列中重建,而重建算法又是非線性的,這在水下強(qiáng)噪聲環(huán)境中,會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。由此Cao等[34]提出了使用部分傅里葉系數(shù)以實(shí)現(xiàn)CS-TDOA估計(jì)的非相干處理。Salari等[35]利用Hadamard矩陣的性質(zhì),提出了一種避免CS重建的新框架,并使用CS測(cè)量直接計(jì)算目標(biāo)位置。此外,Mourya等[36]為大規(guī)模水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了具有魯棒性的TDOA定位方案,即僅通過(guò)監(jiān)聽來(lái)自多個(gè)錨點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào),以此達(dá)到節(jié)省信道帶寬和能量、延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命的目的。Kim等[37]設(shè)計(jì)了一組通過(guò)計(jì)算TDOA測(cè)量來(lái)捕獲目標(biāo)的潛器編隊(duì),能夠避免目標(biāo)估計(jì)的發(fā)散,提升定位性能。而考慮到水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)由于缺少傳感器接收節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致定位模糊與傳感器節(jié)點(diǎn)間無(wú)法協(xié)作的情況,Alexandri等[38]提出了一種到達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)間差的定位算法,該算法通過(guò)在非凸平面上求解非線性優(yōu)化問(wèn)題,獲得目標(biāo)位置。Sun等[39]提出了一種廣義的二階到達(dá)時(shí)間差定位算法,消除了信號(hào)周期數(shù)的限制,且可以任意選擇定位節(jié)點(diǎn),從而提高了水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定位精度。

第3類是基于到達(dá)方向的方法,與前兩者不同,水下傳感器接收端有多個(gè)換能器,通過(guò)測(cè)量換能器接受信號(hào)的相位差或者時(shí)間差,進(jìn)而計(jì)算信號(hào)到達(dá)的方向角,最終推斷出定位目標(biāo)的位置。在這個(gè)過(guò)程中,傳感器使用多個(gè)換能器接受信號(hào)源發(fā)射的聲波信息,通過(guò)預(yù)處理來(lái)提高信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性,后根據(jù)各類測(cè)量方法,如時(shí)間差法、多普勒頻移法、相移法等,得到信號(hào)到達(dá)角度,最后將角度代入計(jì)算模型后得到目標(biāo)位置。DOA方法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于獲取角度信息等優(yōu)點(diǎn)。但由于DOA估計(jì)的性能依賴于信號(hào)端陣列的大小和換能器數(shù)量,而部署在小型潛器傳感器上的列陣很難達(dá)到其理想狀態(tài)。為此Li等[40]通過(guò)研究方向相關(guān)傳輸響應(yīng)的空間稀疏性,提出了小尺寸陣列DOA估計(jì)方法。Yang等[41]引入了壓縮傳感算法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)小單元陣列的高估計(jì)精度。而考慮到多徑效應(yīng)對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位精度的影響,Das等[42]提出了一種基于稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的相關(guān)向量計(jì)算法,Xiang等[43]提出了3種用于多徑環(huán)境下DOA估計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,Xie等[44]實(shí)現(xiàn)了對(duì)多徑信號(hào)的信源關(guān)聯(lián)、DOA和衰落系數(shù)估計(jì),Han等[45]提出了一種基于空間時(shí)頻分布的水下多徑信號(hào)被動(dòng)波到達(dá)方向估計(jì)算法?？紤]水下環(huán)境聲速不確定的影響,可使用聲速無(wú)關(guān)的方法,文獻(xiàn)[46]使用2個(gè)任意相交的均勻線性陣列來(lái)估計(jì)水下DOA,文獻(xiàn)[47]利用3個(gè)交叉線性陣列接收到的數(shù)據(jù)的互相關(guān)矩陣(CCM)來(lái)去除聲速因子。此外,Moreno等[48]通過(guò)優(yōu)化傳感器在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的部署位置來(lái)提高DOA定位精度。Kavoosi等[49]提出了矢量和各向同性水聽器相結(jié)合的DOA方法來(lái)估計(jì)水下三維網(wǎng)絡(luò)中未知源的位置。

3 協(xié)同控制技術(shù)

水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定位需要通過(guò)對(duì)多個(gè)傳感器與潛器的協(xié)同控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。協(xié)同控制架構(gòu)為協(xié)同控制提供了基本的組織結(jié)構(gòu),而協(xié)同控制策略則在這個(gè)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,使各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制目標(biāo)的完成。

3.1 協(xié)同控制架構(gòu)

協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用,它定義了傳感器之間的通信和協(xié)作方式,影響傳感器之間的信息交換、決策協(xié)調(diào)和任務(wù)執(zhí)行。通常水下傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種主要的形式:集中式、分布式、分層式。在集中式[50]架構(gòu)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)都要通過(guò)一個(gè)中央控制器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與信息的交換。優(yōu)點(diǎn)是,由于所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都連接著中央節(jié)點(diǎn),能夠便于中央控制器管理和控制整個(gè)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。并且當(dāng)需要增加新的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí),很容易并入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中,提高了擴(kuò)展性。但是當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。而分布式[51]架構(gòu)不需要中央控制器,傳感器節(jié)點(diǎn)之間可進(jìn)行自由的相互通信,每個(gè)傳感器都與整體的子集共享信息。這樣因某些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障導(dǎo)致無(wú)法工作時(shí),剩余節(jié)點(diǎn)仍可發(fā)揮作用,能夠盡可能保證水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常,也可通過(guò)數(shù)據(jù)分割、分布式儲(chǔ)存來(lái)保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性。但與之相對(duì)的,分布式架構(gòu)帶來(lái)了更高的復(fù)雜性與通信成本。分層式[52]架構(gòu)將傳感器劃分為多個(gè)層次,并要求傳感器按照不同層次進(jìn)行協(xié)作,通過(guò)各自的協(xié)議層傳遞信息和控制指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的操控。分層式通信可以靈活的根據(jù)不同的通信需求選擇相應(yīng)的通信協(xié)議來(lái)滿足需求。并且在一次等長(zhǎng)距離的通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,分層傳輸?shù)南牡哪芰恳∮诩惺絺鬏?。但分層式架?gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,要考慮不同層級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的交互與協(xié)同。

3.2 水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制策略

潛器的協(xié)同控制指的是在水下環(huán)境中,通過(guò)多個(gè)潛器之間的通信與協(xié)作,共同完成水下任務(wù)。靜態(tài)傳感器往往探測(cè)范圍有限,當(dāng)被檢測(cè)目標(biāo)超出其探測(cè)邊界時(shí),便無(wú)法提供目標(biāo)位置的信息。因此,可以通過(guò)部署一定數(shù)量的能夠自主移動(dòng)的潛器,擴(kuò)展探測(cè)范圍,亦可對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行近距離探測(cè),在搭載視覺模塊的情況下,收集、回傳視訊信息。還可以根據(jù)需要向傳感器提供自定位參考的同時(shí),對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)與拓?fù)湫扪a(bǔ)。因此,潛器之間合理的控制十分重要[53]。

通常,對(duì)于潛器的控制一般有基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者、基于虛擬結(jié)構(gòu)、基于人工勢(shì)場(chǎng)、基于圖論以及基于行為這5種?；陬I(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者[54-55]的控制方式是目前對(duì)潛器進(jìn)行協(xié)同控制最常用的一種,潛器被劃分為領(lǐng)導(dǎo)者或跟隨者2種,跟隨者根據(jù)設(shè)定追隨領(lǐng)導(dǎo)者的軌跡,控制中心通過(guò)控制領(lǐng)導(dǎo)者來(lái)控制整個(gè)潛器編隊(duì)。而虛擬結(jié)構(gòu)法[56-57]將所有潛器作為一個(gè)虛擬整體,設(shè)定一個(gè)虛擬幾何中心,并以此為參考,進(jìn)行潛器的協(xié)同控制。但由于需要保持同一個(gè)剛性結(jié)構(gòu),缺乏靈活性和適應(yīng)性。相對(duì)的,基于行為的控制策略[58-59]靈活性更強(qiáng),因?yàn)槊總€(gè)潛器根據(jù)其感知到的環(huán)境信息或者是設(shè)定的目標(biāo)任務(wù),選擇適當(dāng)?shù)膸в心康男缘男袨榛騽?dòng)作來(lái)響應(yīng)其他潛器或者與環(huán)境進(jìn)行交互。同樣,人工勢(shì)場(chǎng)法[60-61]也有著較強(qiáng)的靈活性與實(shí)時(shí)性,能夠解決潛器的水下避障問(wèn)題。主要思路是將水下空間抽象設(shè)定為人工勢(shì)場(chǎng)。通常有2種勢(shì)場(chǎng):吸引勢(shì)場(chǎng)和排斥勢(shì)場(chǎng),引力勢(shì)場(chǎng)能夠?qū)撈魑侥繕?biāo)點(diǎn)附近,而斥力勢(shì)場(chǎng)則使?jié)撈鞅荛_水下礁石、珊瑚等障礙物。最后,在基于圖論[62-63]的方法中潛器協(xié)同控制系統(tǒng)被建模為一個(gè)圖結(jié)構(gòu),圖中的節(jié)點(diǎn)由潛器擔(dān)任,圖中的邊為潛器之間的關(guān)系和通信路線。

潛器模型的不確定會(huì)影響潛器的控制,從而影響編隊(duì)控制的穩(wěn)定性。為應(yīng)對(duì)潛器航行過(guò)程中的不確定性,Qiu等[64]提出了一種基于梯度下降的自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制方法并設(shè)計(jì)了誤差補(bǔ)償策略,Li等[65]提出了基于微分幾何的精確反饋線性化滑模控制方法。Yan等[66]采用了位置/速度雙層通信拓?fù)?并根據(jù)環(huán)境的惡劣程度將其通信狀態(tài)分為有界和無(wú)界通信時(shí)變拓?fù)?并分別使用領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者和虛擬領(lǐng)導(dǎo)者方法對(duì)所提出的方法進(jìn)行了論證。同時(shí)考慮到多普勒速度測(cè)儀在水下環(huán)境里不可用,文獻(xiàn)[67]開發(fā)了一種速度觀測(cè)器(圖4),聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)非奇異快速終端滑模追蹤控制器,使用自適應(yīng)方法估計(jì)模型的集總不確定性。

圖4 觀測(cè)器與追蹤控制器之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between observer and tracking controller

為降低能耗,Yan等[68]使用混合了人工勢(shì)場(chǎng)法和粒子群優(yōu)化的算法,通過(guò)不斷調(diào)整編隊(duì)路徑節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和分布狀態(tài),尋求最優(yōu)路徑。Zhu等[69]利用生物啟發(fā)式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)路徑規(guī)劃和有效導(dǎo)航。同時(shí)水下環(huán)境中,潛器之間的持續(xù)通信是困難的,為此Wang等[70]提出了一種基于間歇通信的任務(wù)分配機(jī)制來(lái)解決線性和非線性系統(tǒng)的協(xié)同控制問(wèn)題,Chen等[71]對(duì)具有間歇性無(wú)向通信的多自主水下航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種有限時(shí)間無(wú)速度交會(huì)的控制方法。此外,Yan等[72]提出了一種分散觀測(cè)器-控制器方案,為每個(gè)潛器開發(fā)一個(gè)觀測(cè)器來(lái)估計(jì)系統(tǒng)的整體狀態(tài),然后將其與集體任務(wù)變量集成以產(chǎn)生控制輸入,同時(shí)降低了執(zhí)行器飽和的風(fēng)險(xiǎn)。Lin等[73]在部分執(zhí)行器故障時(shí),使用基于線性反饋方法,對(duì)潛器進(jìn)行線性化處理,從而提升控制系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。而在真實(shí)水下環(huán)境里,多潛器協(xié)同控制系統(tǒng)與多潛器節(jié)點(diǎn)相比,信道在受到海洋環(huán)境干擾或?qū)κ止魰r(shí)往往更容易出現(xiàn)故障,因此對(duì)其可靠性的評(píng)估變得越來(lái)越重要[74],Liang等[75]確立了標(biāo)準(zhǔn)秩分布熵、全終端可靠性和標(biāo)準(zhǔn)自然連通性3個(gè)指標(biāo)用來(lái)反應(yīng)多潛器協(xié)作系統(tǒng)可靠性的不同方面。

4 定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)

在弱通信環(huán)境下,如何對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)定位準(zhǔn)確性與控制協(xié)同性的整體提升,是目前研究面臨的重點(diǎn)。

4.1 使用固定錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)

首先是使用固定錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。在所需要進(jìn)性目標(biāo)定位的區(qū)域架設(shè)浮標(biāo)[76],浮標(biāo)裝備全球定位系統(tǒng)(GPS)或者北斗定位模塊,能夠通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行低成本的自定位。然后,這些明確自身位置信息的浮標(biāo),將作為位置感知錨節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身的位置和時(shí)間信息,水下傳感器根據(jù)這些信息進(jìn)行自定位。但是這種方式對(duì)于大型水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常不經(jīng)濟(jì)的,為確保定位的準(zhǔn)確性,浮標(biāo)的覆蓋密度必須和水下傳感器的密度相當(dāng)。類似的,也可以選擇一些傳感器節(jié)點(diǎn)賦予位置和時(shí)間信息,并將這些節(jié)點(diǎn)作為其他傳感器節(jié)點(diǎn)自定位的錨節(jié)點(diǎn)。一旦傳感器被定位和同步,它也將作為一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來(lái)使用。不斷迭代上述過(guò)程,直到所有的傳感器完成位置定位和時(shí)間同步。這種模式最主要的問(wèn)題是精度低[77]。這種系統(tǒng)的定位和定時(shí)精度高度依賴于錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,在初始錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的情況下,系統(tǒng)的性能將受到嚴(yán)重制約[78-79]。此外,定位誤差在迭代中不斷傳遞,導(dǎo)致與真實(shí)位置偏差較大。同時(shí)靜態(tài)的傳感器很容易遭受攻擊,為了使開放的水下定位系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行,文獻(xiàn)[80]針對(duì)時(shí)間延遲攻擊,將目標(biāo)定位和攻擊檢測(cè)表述為整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,使用期望最大化聯(lián)合求解攻擊大小與目標(biāo)位置。文獻(xiàn)[81]設(shè)計(jì)了水下傳感器節(jié)點(diǎn)的攻擊檢測(cè)與隱私保護(hù)定位算法,并給出了相應(yīng)的攻擊與隱私模型。圖5為文獻(xiàn)[81]給出的隱私保護(hù)實(shí)例。

圖5 隱私保護(hù)策略的實(shí)例Fig.5 Examples of privacy protection policies

4.2 引入移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)

由于固定錨節(jié)點(diǎn)覆蓋的范圍,嚴(yán)重限制著其探測(cè)定位范圍。而在廣闊的海域中部署廣泛的傳感器節(jié)點(diǎn)需要大量的成本和資源?？紤]其經(jīng)濟(jì)性,故在水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中引入潛器作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位?？刂茲撈餮刂A(yù)先設(shè)定的軌跡進(jìn)行行駛,并定期對(duì)水下傳感器釋放信標(biāo)信號(hào)。在潛器信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的任何傳感器都可以接受其廣播的信標(biāo)信號(hào),然后通過(guò)定位算法進(jìn)行定位。潛器也可以被動(dòng)的接受由傳感器發(fā)出的信號(hào),繼而根據(jù)信號(hào)定位目標(biāo)設(shè)備?？偟膩?lái)說(shuō),使用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)可以提供更靈活、精確和適應(yīng)性強(qiáng)的定位解決方案。它們能夠適應(yīng)不同的定位場(chǎng)景,提高定位精度,因此在許多應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要的優(yōu)勢(shì)。對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言,海洋環(huán)境中的潮汐和水流的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)噪聲,從而對(duì)水下傳感器接收端獲得到的水聲信號(hào)產(chǎn)生影響。并且海洋運(yùn)動(dòng)還會(huì)造成水下傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng),從而影響定位精確性與控制準(zhǔn)確性。故在包括潛器和水下傳感器節(jié)點(diǎn)的混合架構(gòu)下,文獻(xiàn)[82]考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,提出了一種移動(dòng)性預(yù)測(cè)策略來(lái)計(jì)算下一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的位置,文獻(xiàn)[83]設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)跡卡爾曼濾波的水下異步定位算法,消除強(qiáng)噪聲特性的影響。但是在求解的過(guò)程中,需要對(duì)算法里的非線性測(cè)量方程進(jìn)行近似線性化處理。這種近似處理的方式不可避免的會(huì)引入系統(tǒng)的模型誤差,從而導(dǎo)致定位與控制性能的下降。為此文獻(xiàn)[84]使用無(wú)跡變換來(lái)計(jì)算雅克比矩陣,后使用最小二乘求解,從而避免了近線性化產(chǎn)生的模型誤差。但由于最小二乘的特性,求得的結(jié)果可能是局部最優(yōu)解,而不是全局最優(yōu)解。以往在陸地環(huán)境中,通常采用凸優(yōu)化的方式使局部最優(yōu)解為全局最優(yōu)解。而考慮到水下這種具有復(fù)雜約束的問(wèn)題,在凸優(yōu)化轉(zhuǎn)換的過(guò)程中非常困難甚至無(wú)解。故文獻(xiàn)[85]將迭代學(xué)習(xí)應(yīng)用于定位過(guò)程,并分別設(shè)計(jì)了基于監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)與半監(jiān)督學(xué)習(xí)的水下定位算法。

文獻(xiàn)[86]考慮水流等物理場(chǎng)對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定位性能的影響,提出了一種捕獲未知水流參數(shù)的迭代最小二乘的估計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了弱通信約束下定位與流速場(chǎng)聯(lián)合估計(jì)、克服了流速場(chǎng)對(duì)控制過(guò)程帶來(lái)的不確定性,提高了定位精度。而文獻(xiàn)[87]給出了一個(gè)包含水面浮標(biāo)、潛器、主動(dòng)和被動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),提出了一個(gè)潛器輔助的定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì)的方法,其中潛器為定位任務(wù)提供了空間重用機(jī)制(見圖6)。整個(gè)過(guò)程通過(guò)定位通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合控制。此外,Gong等[88]提出了一種基于多普勒頻移的水下定位算法,控制潛器協(xié)同定位,在保持低復(fù)雜度的情況下提高了定位精度。Wang等[89]提出使用單個(gè)水面移動(dòng)機(jī)器人和潛器進(jìn)行協(xié)同定位,在降低了控制難度的同時(shí),削減了成本。

圖6 時(shí)間戳傳遞過(guò)程Fig.6 The process of timestamp transmission

4.3 定位與追蹤聯(lián)合設(shè)計(jì)

潛器追蹤控制的實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋提升定位性能至關(guān)重要?，F(xiàn)有的潛器追蹤控制方法,通常假設(shè)潛器位置是已知的且傳感器的反饋信息是可靠實(shí)時(shí)傳輸?shù)?然而水聲長(zhǎng)時(shí)延、高能耗等弱通信特性使得上述假設(shè)在水下環(huán)境中很難保證。同時(shí)水下很多環(huán)境往往缺乏固定的參考節(jié)點(diǎn),GPS也無(wú)法在水下使用,盡管可通過(guò)自定位的形式向控制系統(tǒng)提供位置參考,但是水下自定位系統(tǒng)與控制系統(tǒng)在帶寬占用、能耗利用上存在互相競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,潛器在航行過(guò)程中慣性測(cè)量單元受到加速度計(jì)漂移、陀螺儀噪聲等因素的影響,控制誤差不斷累積。此外,與陸地機(jī)器人相比,水下潛器的動(dòng)力學(xué)模型呈現(xiàn)強(qiáng)非線性、高耦合等特點(diǎn),且受水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素影響,使得建立潛器精確的動(dòng)力學(xué)模型非常困難,上述因素增加了潛器追蹤控制的難度。如何克服定位不完整約束,設(shè)計(jì)潛器追蹤控制器,以反饋提升水下定位-組網(wǎng)整體性能仍是一個(gè)開放且極具挑戰(zhàn)性的難題。Liu等[90]采用交互式多模型跟蹤算法來(lái)控制潛器,并將時(shí)間同步與定位相結(jié)合,用于提高移動(dòng)情況下的定位精度。Paull等[91]采用協(xié)同定位技術(shù),在對(duì)潛器控制的過(guò)程中,通過(guò)相互通信和合作,共同實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的估計(jì),從而提高定位的準(zhǔn)確性與控制可靠性。文獻(xiàn)[92]提出了一個(gè)基于多潛器協(xié)同定位的軌跡規(guī)劃的框架,并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了多潛器的可擴(kuò)展協(xié)同定位和多潛器的軌跡規(guī)劃算法。其中使用可擴(kuò)展協(xié)同定位來(lái)解決控制過(guò)程中慣性測(cè)量不斷累積誤差而引起的精度下降問(wèn)題,軌跡規(guī)劃算法則將軌跡規(guī)劃與定位問(wèn)題制定為同時(shí)考慮目標(biāo)檢測(cè)概率和跟蹤精度的凸優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[93]將當(dāng)前的信息融合到置信度傳播消息傳遞的方案中,使用流速場(chǎng)輔助協(xié)同定位降低了慣性測(cè)量累積誤差的影響,從而有效地減緩了潛器定位誤差的增長(zhǎng)。文獻(xiàn)[94]開發(fā)一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的追蹤控制器,利用自定位和潛器之間的反饋關(guān)系(圖7),解決了在網(wǎng)絡(luò)信道異步時(shí)鐘通信和物理信道模型不確定性約束下潛器的自定位與跟蹤問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō),先使用基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的定位算法來(lái)對(duì)潛器位置的位置進(jìn)行估計(jì),然后通過(guò)基于可伸縮采樣強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的追蹤控制器驅(qū)動(dòng)潛器到目標(biāo)點(diǎn)。

圖7 潛器自定位與追蹤控制關(guān)系Fig.7 Relationship between self localization and tracking control of underwater robots

在以上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,潛器需要知道彼此的位置信息來(lái)避免碰撞,或充當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間相互通信,數(shù)據(jù)交換頻繁。為保證組網(wǎng)通訊過(guò)程的高效與可靠,同時(shí)減少能量的消耗,學(xué)者們從路由及其MAC協(xié)議等角度對(duì)通訊協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。Molins等[95]利用水下環(huán)境中較長(zhǎng)的時(shí)延來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)包的并發(fā)傳輸,減少數(shù)據(jù)碰撞的可能。Noh等[96]則開發(fā)了能夠適應(yīng)信道隨時(shí)空變化而產(chǎn)生改變的動(dòng)態(tài)拓?fù)銶AC協(xié)議。此外,Xia等[97]結(jié)合二分圖與維諾圖來(lái)降低通信能耗。Lu等[98]將通信地圖嵌入到通信協(xié)議之中,確保通信中斷狀態(tài)下的拓?fù)溥B通性。Yan等[99]使用最優(yōu)剛性圖的方法,實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B通性與能量有效性的協(xié)同最優(yōu)。

5 思考與展望

在過(guò)去幾十年中,我國(guó)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)的過(guò)程,并且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和設(shè)備的持續(xù)更新,在蓬勃發(fā)展的同時(shí),也出現(xiàn)了新的趨勢(shì)?；诖?從如下層面對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)未來(lái)進(jìn)行思考與展望。

1)多源融合的水下定位。

由于水下環(huán)境的特殊性,單一的傳感器或數(shù)據(jù)源可能無(wú)法提供足夠準(zhǔn)確的定位信息。而多源融合技術(shù)就像人腦處理綜合信息一樣,將不同類型的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與集成,從而獲得更全面、更可靠、多維度的定位信息,充分利用數(shù)據(jù)冗余性和互補(bǔ)性,彌補(bǔ)單一傳感器的局限性和不足。例如,水下聲吶傳感器可提供距離和深度信息,而水下視覺傳感器則可提供地標(biāo)和目標(biāo)識(shí)別等信息,將2種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,從而生成更準(zhǔn)確的定位結(jié)果。但考慮到水下環(huán)境的復(fù)雜性以及定位目標(biāo)機(jī)動(dòng)性等因素的限制,如何對(duì)動(dòng)態(tài)多源傳感器信息進(jìn)行高效融合,從而組建水下定位網(wǎng)絡(luò)尚未得到充分解決。

2)水文信息的快速獲取。

相較于陸地環(huán)境,海洋環(huán)境中傳感器定位與潛器的航行需要三維水文環(huán)境信息,如聲速剖面圖、洋流信息、內(nèi)波情況等。水下環(huán)境的變化不僅影響聲波的傳播,還會(huì)影響傳感器與潛器的性能與航行安全。在潮汐變化的時(shí)候,海水之間流動(dòng)混合,造成海水的鹽度和壓力發(fā)生短期變化,聲線傳播途徑改變導(dǎo)致以往的水文信息過(guò)時(shí),如果繼續(xù)沿用會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生定位誤差。因此,對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行不同尺度的預(yù)測(cè)是必須的。根據(jù)指定海域的歷史水文信息,氣象衛(wèi)星以及浮式觀測(cè)平臺(tái)獲取的實(shí)時(shí)觀測(cè)信息,及時(shí)更新并調(diào)整海洋動(dòng)力模型的參數(shù)和狀態(tài),從而更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化,是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

3)虛擬仿真平臺(tái)的搭建。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠模擬真實(shí)的水下環(huán)境,并且根據(jù)需求進(jìn)行靈活調(diào)整和控制,進(jìn)行虛擬環(huán)境下的定位預(yù)演。操縱者通過(guò)對(duì)水下場(chǎng)景參數(shù)的自定義,如水流速度、水下地形、水聲傳播特性等,滿足不同的測(cè)試和研究需要,這種可控性使得對(duì)定位算法的評(píng)估更加方便和準(zhǔn)確。同時(shí),可以生成不同的環(huán)境來(lái)對(duì)潛器進(jìn)行訓(xùn)練,從而使?jié)撈髂軌蜻m應(yīng)持續(xù)變化的海洋環(huán)境。在虛擬水下仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,通過(guò)預(yù)先優(yōu)化和驗(yàn)證,在降低了潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),減少設(shè)備損耗和維護(hù)費(fèi)用,并節(jié)約時(shí)間和人力資源。但現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)其真實(shí)性和準(zhǔn)確性仍有待提高,需要進(jìn)一步改進(jìn)模型和算法,考慮更多的物理和環(huán)境因素,以更好地模擬真實(shí)的水下條件。

4)探測(cè)-通信-控制一體化。

定位組網(wǎng)在探測(cè)-通信-控制一體化體系中起著承上啟下的作用,但現(xiàn)有的水下探測(cè)、通信與控制系統(tǒng)往往是獨(dú)立的。探測(cè)系統(tǒng)聚焦于使用聲吶裝置來(lái)接受目標(biāo)輻射源傳來(lái)的噪聲與信息,通過(guò)濾波、傅里葉變換、解碼等信號(hào)處理的手段,提取目標(biāo)的方位和距離等信息。通信系統(tǒng)主要關(guān)注如何設(shè)計(jì)高效率與高性能的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信協(xié)議,使水聲信號(hào)在發(fā)射端與接收端之間進(jìn)行可靠傳輸?？刂葡到y(tǒng)主要關(guān)注如何設(shè)計(jì)多種類型的控制器,實(shí)現(xiàn)潛器平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。探測(cè)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)功能上具有一定的重疊性,如果分離設(shè)計(jì)只考慮彼此的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,會(huì)造成在頻譜資源、能耗上的相互競(jìng)爭(zhēng),無(wú)法達(dá)到全局最優(yōu)。因此,采用探測(cè)、通信、控制獨(dú)立設(shè)計(jì)的模式,一方面控制指令會(huì)因缺少信息而受到限制,另一方面探測(cè)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)之間會(huì)因缺少反饋機(jī)制,限制水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的整體性提升。綜上,有必要建立水下探測(cè)、通信、控制聯(lián)合設(shè)計(jì)框架(圖8),最大限度地把水下信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)性能的整體性提升。

圖8 水下信息物理系統(tǒng)探測(cè)、通信、控制內(nèi)部關(guān)聯(lián)Fig.8 Internal relationship of detection, communication and control in underwater cyber physical system

在作者前期工作[100-103]中,將水聲信道模型引入到追蹤控制中,提出了信息無(wú)處不在的潛器航跡規(guī)劃策略,同時(shí)工作[104]將水聲通信與潛器遠(yuǎn)程控制結(jié)合,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了水下遙操作協(xié)同控制。上述工作,對(duì)水下通信-控制進(jìn)行了前期探索,但是還沒有完全實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)-通信-控制一體化。如何揭示三者間關(guān)聯(lián)并突破技術(shù)瓶頸,也是未來(lái)研究重點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

定位對(duì)水下目標(biāo)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要,而控制又密切影響著定位的精度。為此本文介紹了水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)涵,概述了水下網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)與協(xié)同控制技術(shù),在此基礎(chǔ)上討論了定位與控制聯(lián)合設(shè)計(jì),并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了思考與展望,可供后續(xù)定位-控制一體化設(shè)計(jì)研究參考。