許志強

(青島杰瑞自動化有限公司,山東 青島 266061)

0 引 言

在應(yīng)對海上突發(fā)事件時,相關(guān)部門常常需要通過部署空中、水面、水下的各種載體實現(xiàn)事發(fā)現(xiàn)場的各種信息采集,為后續(xù)指揮、調(diào)度、決策和預(yù)判提供可靠信息來源．

如何有效地在海洋各種平臺之間實現(xiàn)海洋各種信息要素的快速、實時通信成為關(guān)鍵問題．隨著衛(wèi)星通信及其他多種無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,在海洋多平臺之間搭建實時、可靠、無縫的、窄帶與寬帶通信結(jié)合的無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路是多年以來炙手可熱的研究課題．

海洋無人平臺的數(shù)據(jù)傳輸方式從短波通信、到依賴基于Argos、Inmarsat-C 系統(tǒng)的衛(wèi)星通信終端進行通信,有著顯著而卓越的進步,但是所用到的Argos 和 Inmarsat-C系統(tǒng)由于使用費較高而限制了其使用．近年來,銥星通信系統(tǒng)逐步普及,缺點是實時性差．中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)作為覆蓋有源三維衛(wèi)星定位及實時通信系統(tǒng),實現(xiàn)了全球覆蓋,中國的天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋整個亞太地區(qū),實現(xiàn)了該地區(qū)大范圍的實時語音與數(shù)字通信,這兩種衛(wèi)星通信技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代海洋無人平臺通信手段的重要選擇．

本文敘述的海洋無人平臺采用完全自主可控的通信組件構(gòu)建多模融合的無線通信鏈路,采用智能通信網(wǎng)關(guān)對無線通信鏈路進行路由智能控制,實現(xiàn)了機動部署的無人平臺與水面母船、無人艇、空中無人機、水下航行器之間的雙向?qū)崟r、可靠、無縫的、窄帶與寬帶通信結(jié)合的無線通信鏈接的目標(biāo)．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

當(dāng)前,海洋多平臺機動通信組網(wǎng)不斷向著功能專用化和組網(wǎng)方式多樣化的趨勢蓬勃發(fā)展．本文圍繞系統(tǒng)組網(wǎng)、智能通信網(wǎng)關(guān)控制技術(shù)、低功耗控制技術(shù)方案等問題,給出系統(tǒng)的解決方案．

1.1 海洋應(yīng)急指揮機動組網(wǎng)通信系統(tǒng)概述

海洋無人浮標(biāo)平臺、母船、無人艇、無人機、通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、地面端數(shù)據(jù)中心及水下運動載體等能組成一個完整的海洋應(yīng)急指揮機動通信組網(wǎng)系統(tǒng)．系統(tǒng)組成如圖1所示．

圖1 完整的海洋應(yīng)急指揮機動通信組網(wǎng)系統(tǒng)

機動部署海洋無人平臺作為連接空中、水面與水下的關(guān)鍵信息節(jié)點,為了將水下載體與岸基數(shù)據(jù)中心的通信鏈路可靠貫通,在海洋無人平臺上安裝天通衛(wèi)星通信組件、北斗短報文通信組件、無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格、遠(yuǎn)距離無線電、超短波通信組件、WiFi通信組件、水聲通信組件、光通信及電磁耦合通信組件等．

上述海洋應(yīng)急指揮機動通信組網(wǎng)系統(tǒng)的上行通信鏈路是:預(yù)警信息、水文特征信息和水聲原始數(shù)據(jù)等通過水聲通信、光通信和電磁耦合通信鏈路,傳輸?shù)胶Ｑ鬅o人平臺,海上無人平臺再通過三種不同的通信鏈路發(fā)送給不同的水上及陸空目標(biāo),第一種是通過無人平臺上的MESH、LORA、超短波通信鏈路把信息發(fā)送到母船,再由母船上的衛(wèi)星通信鏈路發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)中心;第二種是通過MESH、LORA、超短波、WiFi通信鏈路把信息發(fā)送到空中無人機和無人艇,再由母船回收無人機無人艇后,通過母船衛(wèi)星通信鏈路發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)中心;第三種是直接通過天通衛(wèi)星通信、北斗短報文通信鏈路發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)中心．完成數(shù)據(jù)的上行(水下載體→無人平臺→岸站)傳輸．其中光通信、MESH和WiFi通信鏈路可以傳輸較大量信息,其他鏈路傳輸少量關(guān)鍵信息．岸基數(shù)據(jù)中心到水下載體的下行通信鏈路與上述鏈路相反．

上述各種通信方式的傳輸性能如表1所示.

表1 多種通信方式傳輸性能對比表

海洋無人平臺選擇上述通信方式,就是綜合考慮了每種通信方式在帶寬、傳輸距離、經(jīng)濟成本等方面的互補性．

水上部分,天通衛(wèi)星通信鏈路適用于水面上遠(yuǎn)距離傳輸,可傳輸較大量的數(shù)據(jù)信息和語音信息;北斗短報文鏈路適用于水面上遠(yuǎn)距離傳輸,可傳輸小量的預(yù)警信息和控制指令;MESH通信鏈路可在水面上幾千米到幾十千米范圍內(nèi)傳輸圖像、語音等信息;超短波、LORA通信鏈路可在水面上幾千米范圍內(nèi)傳輸中等量的數(shù)據(jù)信息;WiFi天線鏈路可在水面上短距離內(nèi)傳輸大量的圖像、語音、水文氣象等信息．

水下部分,水聲通信、光通信和電磁耦合通信用于水下通信,水下載體的位置信息、狀態(tài)信息等可通過水聲通信鏈路在數(shù)千米范圍內(nèi)傳輸?shù)胶Ｑ?無人平臺完成出水鏈路;水下移動載體采集的大量海洋環(huán)境信息可在短距離范圍內(nèi)通過光通信、電磁耦合通信鏈路傳輸?shù)胶Ｑ鬅o人平臺完成出水鏈路．

無人平臺的通信系統(tǒng)包括天通衛(wèi)星通信組件、北斗短報文組件、LORA組件、MESH組件、光通信組件、電磁耦合通信組件、超短波通信組件、WiFi通信組件及水聲通信組件等,這些通信鏈路統(tǒng)一由智能通信網(wǎng)關(guān)進行管理和操控,實現(xiàn)向岸基數(shù)據(jù)中心發(fā)送水文信息和預(yù)警信息、接收來自衛(wèi)星的遙控指令、接收北斗短消息和定位授時信息[1]、水下載體進行水聲、光和電磁耦合通信等功能,如圖2 所示．

圖2 無人平臺通信系統(tǒng)組成

1.2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

海洋應(yīng)急指揮機動通信組網(wǎng)系統(tǒng)采用主動網(wǎng)絡(luò),又稱為可編程網(wǎng),是一種新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有著很大的不同,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)僅負(fù)責(zé)在終端和系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),并不改變其內(nèi)容,而主動網(wǎng)絡(luò)則加入了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計算和處理功能,智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過定制化的程序可以對通過它的用戶數(shù)據(jù)進行分析計算,而不僅僅是被動地轉(zhuǎn)發(fā),從而提高了網(wǎng)絡(luò)的交互能力．

海洋機動通信組網(wǎng)需采用主動網(wǎng)絡(luò)以具備可編程定制的能力,同時還必須根據(jù)組網(wǎng)決策的不同確定基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,一般情況下海洋機動通信組網(wǎng)通信網(wǎng)采用分層分布式組網(wǎng)[2],這種網(wǎng)絡(luò)是分多層結(jié)構(gòu)的,在同一層結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點的地位都相同．分層節(jié)點之間采用完全分布式的方式,其結(jié)構(gòu)如圖3所示．

圖3 分層分布式分群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

隨著海洋應(yīng)急指揮機動通信組網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點的不斷移動和變化,建立的通信路徑也會不斷變化,如果網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點和目的節(jié)點之間存在著多條可用的通信路徑,就會存在路徑選擇的問題．主動網(wǎng)絡(luò)可以選擇適當(dāng)?shù)穆酚蓙慝@得較好的網(wǎng)絡(luò)特性,圖2中的虛線箭頭表示的是網(wǎng)絡(luò)在原來的通信路徑破壞后再選擇建立的通信路徑．采用基于多維度信息交互算法[3]的智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)實現(xiàn)主動網(wǎng)絡(luò)的路由選擇．

1.3 智能通信網(wǎng)關(guān)技術(shù)

1.3.1 概述

智能通信網(wǎng)關(guān)是海洋無人平臺中的核心組件,它可以在各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間做報文轉(zhuǎn)換,能夠完整地解析出報文的內(nèi)容,并且智能地將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議,智能通信網(wǎng)關(guān)起到了核心的信息處理與橋接、鏈路管控和功耗管理的作用．

通過系統(tǒng)提供的組態(tài)配置參數(shù),可以設(shè)定不同物理通道上運行的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集,對要采集的數(shù)據(jù)設(shè)備的物理地址、通道地址或者參數(shù)名稱等,能夠自主設(shè)定． 對于已采集到設(shè)備中的數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)運行程序能夠以各種方式進行操作,包括:數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)過濾、運算處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計處理、報警處理、服務(wù)請求等． 對于已處理好的數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)運行程序能夠按照已組態(tài)配置好的方式,包括物理連接方式、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議類型、站物理地址、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)通道地址或者參數(shù)名稱等,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至岸基數(shù)據(jù)中心．

平臺上電后,智能通信網(wǎng)關(guān)自動對水聲通信組件、北斗短報文組件、LORA組件、MESH組件、光通信組件、電磁耦合通信組件、超短波通信組件、WiFi通信組件及天通衛(wèi)星通信組件等進行自檢,識別各個組件的工作狀態(tài),通過對各個通信鏈路的信號狀態(tài)和信號強度的監(jiān)測,采用通信信道智能控制技術(shù),自動選擇最佳通信鏈路,確保局域及遠(yuǎn)程通信的暢通．同時,采用數(shù)據(jù)壓縮加密算法對傳輸數(shù)據(jù)進行處理,確保數(shù)據(jù)安全、高效地傳輸,采用通信帶寬動態(tài)控制技術(shù),確保通信的連續(xù)可靠．電源模塊提供輸入電源轉(zhuǎn)換后的二次電源,供給各個模塊,確保平臺正常工作．

1.3.2 智能通信網(wǎng)關(guān)的技術(shù)原理

智能通信網(wǎng)關(guān)的技術(shù)原理如圖4所示.

圖4 智能通信網(wǎng)關(guān)技術(shù)原理控制方法

智能通信網(wǎng)關(guān)實時監(jiān)測天通衛(wèi)星通信組件、北斗短報文組件、LORA組件、MESH組件、光通信組件、電磁耦合通信組件、超短波通信組件、WiFi通信組件及水聲通信組件通信鏈路的信號質(zhì)量,自動選擇最佳路由進行雙向通信傳輸,當(dāng)傳輸質(zhì)量下降時,智能通信網(wǎng)關(guān)從監(jiān)測的通信鏈路中選擇最好的鏈路和通道,自動將數(shù)據(jù)流切換到更好的通信信道．對于重要的信息,依據(jù)數(shù)據(jù)壓縮加密算法進行處理,確保信息的安全．

1.3.3 無人平臺智能通信網(wǎng)關(guān)的工作流程

網(wǎng)關(guān)控制主程序隨設(shè)備上電后開始運行,完成控制邏輯類的創(chuàng)建和初始化．配置完成后,隨即進入設(shè)備管理類的循環(huán),開始對各個通信鏈路的信號狀態(tài)和信號強度進行檢查,對消息隊列進行查詢并處理、分發(fā)．結(jié)合硬件設(shè)計方案和邏輯控制類的劃分,主程序會不斷循環(huán)對消息隊列進行查詢,當(dāng)消息隊列有消息時,對消息進行分發(fā),包括對消息類型的判定,完成對消息的轉(zhuǎn)發(fā)、或?qū)γ畹膱?zhí)行．

1.3.4 智能通信網(wǎng)關(guān)基于融合通信智能算法的通信信道智能控制策略

智能通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線通信自組織建立網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)有序通信．采用基于RTS/CTS握手機制的沖突避免型(MACAW)協(xié)議[4],MACAW類協(xié)議以最小化數(shù)據(jù)碰撞為目標(biāo),通過RTS/CTS交互來避免隱藏終端和暴露終端,適合小規(guī)模的多跳式網(wǎng)絡(luò)．

圖5為協(xié)議行為示意圖．當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時,首先進入“退避”狀態(tài),監(jiān)聽信道中是否有其他節(jié)點正在通信,如果沒有監(jiān)聽到其他節(jié)點的通信,則發(fā)送RTS幀,目地節(jié)點接收到RTS幀后,發(fā)送CTS幀,源節(jié)點收到CTS幀后,開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀DATA,目的節(jié)點收到正確的DATA幀后,就返回確認(rèn)幀ACK．共享同一個信道的其他節(jié)點接收到RTS/CTS后進入一定時長的“靜默”狀態(tài),在靜默狀態(tài)下,為了不干擾其他節(jié)點的通信,節(jié)點不能發(fā)送信息．

圖5 協(xié)議行為示意圖

智能通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)支持無線通信網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由,保障網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的抗毀性．在路由協(xié)議上采用固定式路由和泛洪-按需式路由相結(jié)合的方式,岸基指揮控制中心通過浮標(biāo)無線通信鏈路——水聲通信下行鏈路,可以人工設(shè)置和修改無線通信鏈路之間的路由關(guān)系;當(dāng)移動節(jié)點需要通過水下網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至岸基數(shù)據(jù)中心時,可以發(fā)送路由請求消息,自動尋找去往出水面浮標(biāo)的路由．圖6是泛洪-按需式[5]路由處理流程圖．

圖6 按需式路由處理流程圖

智能通信網(wǎng)關(guān)無線通信傳輸協(xié)議規(guī)范采用標(biāo)準(zhǔn)SLIP協(xié)議[6]．在每個設(shè)備信息幀的首尾各加一個特殊的標(biāo)志字節(jié)END,封裝成SLIP幀．

2 試驗驗證

2019年9月我們以湖上聯(lián)調(diào)實驗的方式對無人平臺多模融合通信系統(tǒng)予以驗證．通過岸基數(shù)據(jù)平臺遙控?zé)o人平臺,實現(xiàn)對無人平臺的各個通信鏈路的測試和控制．

2.1 測試方法

1)完成布放所有無人平臺節(jié)點;

2)通過指控軟件,獲取無人平臺的定位信息,能夠顯示無人平臺綜合態(tài)勢;

3)通過無人平臺監(jiān)控軟件,修改無人平臺中無線通信設(shè)備的工作模式(例如路由路徑、休眠模式等),能夠以指定路由或自動路由的方式進行數(shù)據(jù)傳輸;

4)測試無人機和無人艇依次達(dá)到1#無人平臺、2#無人平臺完成測試．如圖7所示.

圖7 測試路徑示意圖

無人機和無人艇分別從岸邊出發(fā),分別經(jīng)過離岸2 km遠(yuǎn)的1#無人平臺和離岸50 km遠(yuǎn)的2#無人平臺．1#和2#無人平臺正常情況下分別通過LORA和MESH通信鏈路與岸基數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互,當(dāng)無人機和無人艇經(jīng)過時,1#和2#無人平臺分別與無人機和無人艇的LORA、WiFi、超短波通信鏈路建立鏈接,然后將信息發(fā)送給無人機和無人艇,通過無人機和無人艇的超短波、MESH和天通通信鏈路將信息傳送到岸基信息中心．1#和2#無人平臺通過無人機和無人艇的通信鏈路,與岸基數(shù)據(jù)中心之間實現(xiàn)自動路由信息傳輸．

2.2 測試結(jié)果

測試無人機和無人艇路過1#、2#無人平臺時,二個無人平臺的水下采集信息,能夠以指定路由或自動路由的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘行闹缚剀浖?滿足通信組網(wǎng)功能的指標(biāo)要求．

1) 1#測試點結(jié)果

在1#無人平臺,發(fā)射的數(shù)據(jù)如圖8所示.

圖8 1#無人平臺發(fā)射的數(shù)據(jù)內(nèi)容

岸基中心指控軟件以自動路由形式接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖9所示,可見與1#無人平臺發(fā)射的數(shù)據(jù)完全相同．

圖9 岸基中心指控軟件以自動路由形式接收的數(shù)據(jù)

圖10 1#測試點路由重構(gòu)和信息傳輸過程

在1#無人平臺,通過自動路由、路由重構(gòu)功能,將信息準(zhǔn)確傳送到了岸基中心，如圖10所示．

2) 2#無人平臺測試點結(jié)果

在2#無人平臺,數(shù)據(jù)源發(fā)射數(shù)據(jù)如圖11～13所示.

圖11 2#無人平臺發(fā)射的數(shù)據(jù)內(nèi)容

圖12 岸基中心指控軟件接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容

圖13 2#無人平臺自動路由信息傳輸過程

在2#無人平臺,通過自動路由、路由重構(gòu)和MACAW協(xié)議功能,將信息準(zhǔn)確傳送到了岸基中心．

2.3 測試小結(jié)

試驗結(jié)果表明,海洋無人平臺多模融合通信系統(tǒng)能在不同測試區(qū)、不同通信條件下將水下無人航行器(UUV)的各種水文信息、預(yù)警信息、水聲原始信息等經(jīng)過多模融合無線通信鏈路自動路由選擇發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)中心,同時,數(shù)據(jù)中心可實時對無人平臺的各個通信鏈路進行實時檢測和控制．

3 結(jié) 語

本文針對海洋應(yīng)急指揮機動通信組網(wǎng)在復(fù)雜海洋環(huán)境下的通信鏈路問題,提出了基于智能通信網(wǎng)關(guān)控制的海洋無人平臺多模融合無線通信技術(shù)．經(jīng)過實際測試,證明基于該技術(shù),復(fù)雜海洋環(huán)境下海洋應(yīng)急指揮機動組網(wǎng)系統(tǒng)中的無人平臺能將采集的相關(guān)信息通過多模融合無線通信鏈路,自動選擇路由將信息傳輸?shù)桨痘鶖?shù)據(jù)中心,同時接收岸基數(shù)據(jù)中心的各項控制指令,實現(xiàn)雙向可靠信息交互．該技術(shù)的實現(xiàn)在海洋通信領(lǐng)域應(yīng)用具有重大的意義,為近海、中海、遠(yuǎn)海全空間機動通信組網(wǎng)各信息節(jié)點的互聯(lián)互通提供了有力的技術(shù)支撐．下一步,將進一步開發(fā)基于人工智能技術(shù)的智能通信網(wǎng)關(guān)軟件控制技術(shù),使得海洋無人平臺能實現(xiàn)自我診斷、自我評估、自動修復(fù)、自動遠(yuǎn)程報警等多項功能,從而增強其在惡劣海洋環(huán)境下的可靠工作能力,更好地服務(wù)于海洋應(yīng)急指揮機動組網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)．