您現(xiàn)在位置: 無人艇遠距離通信
(unmanned surface．vessel，簡稱USV)，是一種無人操作的水面艦艇。主要用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。一旦配備先進的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)，比如偵察、搜索、探測和排雷；搜救、導航和水文地理勘察；反潛作戰(zhàn)、反特種作戰(zhàn)以及巡邏、打擊海盜、反恐攻擊等。近年來，各國都十分重視對于無人艇的研究，其中，在無人水面艇研發(fā)和使用領(lǐng)域，早期美國和以色列一直處于領(lǐng)先地位。
無人艇現(xiàn)狀
美國海軍從上世紀90年代開始研究無人水面艇。2007年，美國海軍發(fā)布《海軍無人水面艇主計劃》，為無人水面艇賦予了7項任務(wù)，同時還界定了無人水面艇的船型、尺寸和標準等要素，這標志著美國無人水面艇走上正規(guī)發(fā)展階段。美國研制的典型的無人艇有“斯巴達偵察兵”(Spartan Scout)、“幽靈衛(wèi)士”(Ghost Guard)、“水虎魚”等。日前，美國海底科技公司在2013年法國國際軍警設(shè)備展覽會上展示了用于內(nèi)河、港口水域監(jiān)視偵察的新型無人水面艇CAT．Surveyo，CAT．Surveyo無人水面艇采用雙體船型，有遠程操控和自主導航模式，還配有小型遙控潛水器，如該公司的“Observer”型號，配有高清攝像頭并可選配用于渾濁水域的成像聲納。陸上指揮站可使用WiFi連接對艇上所有的嵌入式軟件進行可視化實時控制以色列研制的世界上第一代實戰(zhàn)操作的“保護者”無人艇被認為是當今最為成熟的無人水面艇。該艇已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，并裝備部隊，新加坡海軍是它第一個海外用戶。2014年2月以色列航空航天工業(yè)公司推出名為“KATANA”的新一代無人水面艇該無人艇包括自動導航和自動防撞系統(tǒng)，并裝配有電光和紅外相機、視距和非視距通信、雷達和武器系統(tǒng)等。能在保護專屬經(jīng)濟區(qū)、海上邊界等大范圍內(nèi)執(zhí)行多種任務(wù)，通過對遠近目標進行辨別、追蹤和分類，提供實時情報圖像，并根據(jù)指令對目標發(fā)動進攻，可全自動操作，也可由人遙控操作。
相比于國外的無人艇研究，國內(nèi)的技術(shù)也正在迎頭趕上，以沈陽自動化所為龍頭代表的研究所在某些領(lǐng)域超越了國外同行，比如自動控制領(lǐng)域、圖像識別、導航等。國內(nèi)的主要研究機構(gòu)有哈爾濱工程大學、沈陽自動化所、大連海事大學、上海海事大學、江蘇科技大學、國防科技大學以及中國航天科工集團等，但在數(shù)據(jù)鏈這一塊，一直是無人艇領(lǐng)域的痛點，高帶寬、遠距離、低延時、低能耗的數(shù)據(jù)鏈對無人艇至為重要。2015年沈陽自動化所某型號無人艇使用Anykey-AV8實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)遠距離高帶寬無線數(shù)據(jù)鏈。
近年我國已陸續(xù)有民營公司進入的軍用無人艇模型和民用無人艇領(lǐng)域。2015 年在深圳國際高新技術(shù)交流會上，某院校展示了新型無人艇，該艇可配備雷達、聲納、攝像頭等采集附近環(huán)境信息，還可以根據(jù)需要裝備輕便的武器系統(tǒng)，并且可以利用衛(wèi)星及Anykey-AV8專網(wǎng)無線通信技術(shù)進行遠距離遙控，執(zhí)行海面巡航、搜救以及海上反潛任務(wù)等。
上圖為裝配了Anykey-AV8無線多載波寬帶電臺的無人艇。傳輸距離40KM，帶寬20Mbps。
2008年青島奧帆賽期間，中國航空科工集團和中國氣象局大氣探測技術(shù)中心共同研發(fā)的“天象一號”完成了指定區(qū)域風向、風速、水溫、氣溫等多項環(huán)境參數(shù)測量任務(wù)。[該艇是我國自主研發(fā)的首艘用于工程實際的水面無人艇，它的問世，對我國水域檢測和海洋災(zāi)害預報有著重要的意義。
無人艇通信
早期通信主要依靠數(shù)傳電臺、WIFI等較為落后的通信方式。數(shù)傳電臺傳輸速率低，保密性差，不具備抗干擾性，抗多徑衰落，鏡面放射等特性，存在誤碼率高，距離近等缺點。WiFi速率高，但通信距離近，不具備實用意義。
水面無線通信的特點
無線電波在水面的通信特性和在陸地上有很大區(qū)別，通信具有自己的環(huán)境特點：首先，在地形上，海上障礙物遮擋比較少，這樣導致的直接結(jié)果就是電波傳播余隙大．所以電波在海上傳播時，繞射損耗比陸地上小。同時，傳播 余隙增大，增加了電波反射，并且電磁波在水面?zhèn)鞑r，如果掠射角很小，反射系數(shù)就比較大，這樣反射波的影響也比在陸地上大。當存在更多障礙物時，電波將會被阻擋。所以經(jīng)常考慮的是遇到主障礙是孤立的情況，在海面上對應(yīng)的主要是天氣惡劣時所引起的海浪所造成的單刃峰繞射或是在船與船之間存在島嶼間隔時所造成的單元弧形繞射，地球是個球體，所以在地面上和水面上都不是平面，因此電波通過水面的反射，實際上是光滑球面對電波的反射。也稱之為無線電波的鏡面反射效應(yīng)。
另外水面上的高濕，高霧環(huán)境還存在一定的大氣吸收衰減，云霧衰減，以及雨衰。這些衰減可以在系統(tǒng)設(shè)計當中通過增加功率冗余來抵消，針對于無人艇無線通信的最根本挑戰(zhàn)是無線電波的多徑干擾。因為無人艇天線高度一般不高，貼近水面，發(fā)射的無線電波通過海浪、島嶼、船舶障礙物之間，其接收信號的強度，將由各直射波和反射波疊加合成。多徑效應(yīng)會引起信號衰落。各條路徑的電長度會隨時間而變化，故到達接收點的各分量場之間的相位關(guān)系也是隨時間而變化的。這些分量場的隨機干涉，形成總的接收場的衰落。各分量之間的相位關(guān)系對不同的頻率是不同的。因此，它們的干涉效果也因頻率而異，這種特性稱為頻率選擇性。在寬帶信號傳輸中，頻率選擇性可能表現(xiàn)明顯，形成交調(diào)。與此相應(yīng)，由于不同路徑有不同時延，同一時刻發(fā)出的信號因分別沿著不同路徑而在接收點前后散開，而窄脈沖信號則前后重疊。這種重疊造成數(shù)據(jù)無法解析，所以傳統(tǒng)的單載波電臺在多徑環(huán)境中幾乎無法正常工作。
Anykey-AV8核心技術(shù)是正交頻分復用技術(shù)即（ofdm/cofdm）Orthogonal Frequency Division Multiplexing，ofdm/cofdm將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI) 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾，而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
OFDM技術(shù)是HPA聯(lián)盟(HomePlug Powerline Alliance)工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。傳輸中的數(shù)據(jù)流分成多個部分，把無線信道分成N個信道，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流則是分成N條數(shù)據(jù)，在N個信道上分別傳輸。雖然總的信道是不平坦的，具有頻率選擇性，但是每個信道在自己的信道上傳輸，解決了平坦性。這樣不僅有利于增大在傳輸過程中的符號的周期時間，還可以減少碼間的干擾。最重要的一點是，加入了保護間隔，可以最大消除符號間干擾。
OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^串并轉(zhuǎn)換，在多個子信道上傳輸，不像傳統(tǒng)的調(diào)制在一個時刻只能傳輸一個頻率的信號，OFDM可以在正交的頻率上同時傳送多路信號，能夠充分的利用信道的帶寬。
在OFDM系統(tǒng)中，每個傳輸符號速率的大小大約在幾十bit/s到幾十bit/s之間，必須進行串并轉(zhuǎn)換，將輸入的串行比特流轉(zhuǎn)換成可以傳輸?shù)?span style="font-size:12px;">OFDM符號。
因為調(diào)制模式可以自行轉(zhuǎn)換，是可以自適應(yīng)性調(diào)節(jié)的，所以每個子載波的調(diào)制模式可以變化，故串并變換需要分配給每個子載波數(shù)據(jù)段的長度也是不一樣的。在接收端執(zhí)行相反的過程，從各個子載波處傳來的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換回原始的串行數(shù)據(jù)。
當一個OFDM符號在多徑無線信道中傳輸時，頻率選擇性衰落會導致某幾組子載波受到相當大的衰減，從而引起比特錯誤，這些在信道頻率響應(yīng)上的零點會造成在鄰近的子載波上發(fā)射的信息受到破壞，導致在每個信號中出現(xiàn)一連串的比特錯誤。與一大串錯誤連續(xù)出現(xiàn)的情況比較相比較，大多數(shù)前向糾錯編碼在錯誤分布均勻的情況下會工作得更有效。所以，為了提高系統(tǒng)的性能，大多數(shù)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)加擾作為串并轉(zhuǎn)換工作的一部分。
在OFDM中，調(diào)制和解調(diào)是必不可少的。在調(diào)制過程中，有多路子載波，我們對子載波上的信號進行差分相位鍵控調(diào)制方式，簡稱PSK調(diào)制方式。其調(diào)制和解調(diào)原理如下：
通過技術(shù)分析可以看出，OFDM的FFT把每個符號的信息分攤到N個時刻了，在時域上展寬，相當于時間分集的效果。符號間隔變大，是接收端檢測的時候考慮N個采樣時刻的一起處理，把它當做一個符號。符號間隔比時延大，就沒有多徑影響了。多徑只有當時延比符號間隔長的時候才會有。
由于加上了CP的傅里葉變換，把普通卷積變成了循環(huán)卷積，這樣多徑導致拖尾的數(shù)據(jù)被循環(huán)到前面來了，只要多徑時延不超過CP長度那么就是數(shù)據(jù)信息無丟失的。（不會丟失到下一個symbol 的含義)也就是不產(chǎn)生符號間干擾。
由于Anykey-AV8采用正交頻分復用技術(shù)以及差錯控制技術(shù)，平且載波數(shù)多達1024個，簡單的理解是1024個普通的數(shù)傳電臺在同時發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，其抗多徑效應(yīng)非常顯著。非常適合在海面上這種多徑干擾嚴重的環(huán)境使用。
無人艇的通信方式
國內(nèi)的很多艦艇已經(jīng)大量采用工業(yè)以太網(wǎng)即TCP/IP技術(shù)，TCP/IP是Transmission Control Protocol/Internet Protocol的簡寫，中譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，是Internet最基本的協(xié)議。由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。TCP/IP 定義了電子設(shè)備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉藴省f(xié)議采用了4層的層級結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來完成自己的需求。通俗而言：TCP負責發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)膯栴}，一有問題就發(fā)出信號，要求重新傳輸，直到所有數(shù)據(jù)安全正確地傳輸?shù)侥康牡亍６鳬P是給因特網(wǎng)的每一臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備規(guī)定一個地址。因為工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)成熟，有完整的校驗機制，抗干擾能力強，技術(shù)通用性廣，可以通過路由網(wǎng)關(guān)鏈接到不同的云平臺。幾乎各種總線協(xié)議都可以通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)。如CAN(Controller Area Network)總線、RS232/RS485，高清視頻信號等都可以方便的轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)。這樣有利于集成船載的各種設(shè)備，以太網(wǎng)用于艇載信息綜合處理系統(tǒng)與地面站綜合監(jiān)控系統(tǒng)、以及自主航行控制系統(tǒng)之問的通信。使用以太網(wǎng)發(fā)送控制命令以及無人艇的實時狀態(tài)信息，實現(xiàn)對無人艇的遠程訪問、遠程控制。而地面站綜合監(jiān)控系統(tǒng)和艇上信息綜合處理系統(tǒng)分別作為無人艇地面和艇上監(jiān)控系統(tǒng)的信息中心，在與地面站電子海圖終端、地面站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，艇載電子海圖終端、自主航行控制系統(tǒng)等其他監(jiān)控設(shè)備之間的通信也均采用的是以太網(wǎng)TCP協(xié)議。使用用以太網(wǎng)通信的系統(tǒng)有：
(1)地面站綜合監(jiān)控系統(tǒng)與艇載信息綜合處理系統(tǒng)，進行控制命令和無人艇實時運動狀態(tài)信息的傳遞。
(2)艇載信息綜合監(jiān)控系統(tǒng)與自主航行控制系統(tǒng)，通信內(nèi)容包括運動軌跡、控制命令、無人艇實時運動狀態(tài)。
(3)無人艇信息綜合處理系統(tǒng)與艇上其他監(jiān)控、導航設(shè)備，通信內(nèi)容包括電子海圖信息、雷達信息、視頻監(jiān)控信息，通信以圖片信息為主。
(4)地面站綜合監(jiān)控系統(tǒng)與地面站其他監(jiān)控、導航設(shè)備，通信內(nèi)容包括電子海圖信息、雷達信息、視頻監(jiān)控信息，以圖片信息為主。包括GPS/北斗、慣導系統(tǒng)、毫米波雷達、聲納，自動駕駛儀，激光雷達，視頻等。其他的使用串口協(xié)議，最后通過RSS232轉(zhuǎn)以太網(wǎng)，融合到以太網(wǎng)通信系統(tǒng)當中，串口通信簡單快捷，一方面為無人艇信息綜合處理系統(tǒng)提供實時的姿態(tài)、方位數(shù)據(jù)，另一方面將控制命令傳達給主機推進系統(tǒng)等執(zhí)行設(shè)備，同時將從該設(shè)備檢測到的無人艇實時運動狀態(tài)反饋給信息綜合處理系統(tǒng)。數(shù)傳電臺主要以RS232/485接口為主，從接口以及通信協(xié)議上來講，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代無人艇通信數(shù)據(jù)鏈的要求。
無人艇信息網(wǎng)絡(luò)及控制系統(tǒng)中使用串口通信的主要有三個部分：
(1)無人艇信息綜合處理系統(tǒng)與姿態(tài)方位組合導航設(shè)備，姿態(tài)方位組合導航設(shè)備遵循的是NMEA0183協(xié)議，該協(xié)議基于RS232的串行通信標準，可以實現(xiàn)點對點，一點對多點的數(shù)據(jù)傳輸。所以使用的是有線的串口通信。
(2)無人艇信息綜合處理系統(tǒng)與主機推進系統(tǒng)，主機推進系統(tǒng)由單片機進行控制，故使用有線串口與信息綜合處理系統(tǒng)通信。
(3)無人艇信息綜合處理系統(tǒng)與地面站綜合監(jiān)控系統(tǒng)，串口通信不是主要通信，主要用于一些不具備以太網(wǎng)通信接口的設(shè)備，最后這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通信接入到主通信系統(tǒng)中。
Anykey-AV8是IP內(nèi)核，標準的以太網(wǎng)透傳接口。可以方便的與無人艇控制平臺對接。由于加入了實時視頻傳輸技術(shù)，相對于以前的只是傳輸數(shù)據(jù)和控制指令，現(xiàn)在的無人艇通信對帶寬的要求更高，以三路高清視頻為例，采用1080P分辨率，H.264編碼，每路最少需要6Mbps的速率，三路總共需要18Mbps,加上控制指令以及數(shù)據(jù)，所需要帶寬在20Mbps,傳統(tǒng)的數(shù)傳電臺根本無法達到這種帶寬，Anykey-AV8提供了24Mbps的可用速率，可以滿足需求，而Anykey AV8-MSC基站式設(shè)備，更是提供了高達100Mbps下行，50Mbps上行數(shù)據(jù)帶寬，且支持點對多點的應(yīng)用，延時<10ms,可以滿足點對多點無人艇組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。
