水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第4期
空海跨域通信专栏
一种低功耗跨域通信浮标系统设计
署名作者：张睿
作者单位：
江苏自动化研究所, 江苏 连云港, 222061
基金项目：
创新特区项目资助(23-HEU-29-ZD-008).
摘要
为满足跨域协同作战中水下信息跨域出水通信需求, 结合浮标自身具备布放灵活、长时隐蔽且载荷灵活等特点, 设计了一种低功耗跨域通信浮标系统。该系统可支持深海大深度布放、长时间静默值守, 以及唤醒后隐蔽性跨域通信, 同时还可根据预设指令进行关键部位自毁, 通过该方式可避免潜艇等水下平台上浮通信的暴露性风险, 且相对易部署和自持。测试结果表明, 所设计的系统具有耐高压和低功耗等特点, 并具有一定扩展性和良好的应用前景。
引言
随着科学技术的进步发展, 单平台、单军种作战已无法满足现代战争日趋体系化的作战需求, 美国的“网络中心战”、“空海一体战”都强调通过使用信息共享技术来链接分散的部队。2012年, 美国在《联合作战进入概念》中首次明确提出“跨域协同”概念, 旨在将各作战域的力量紧密连接在一起, 形成强大的作战合力, 其中信息互联是多平台协同跨域作战的基础, 而如何解决潜艇、无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)及预置武器等水下平台与水面、岸基和空天的互联互通一直是学者们研究的热点问题。
目前跨域空海通信方式主要有2类, 一是以蓝绿激光和无线电波方式进行跨介质的无线通信, 另一类是以浮标、无人艇及UUV等平台作为中继节点, 水面、水下分别采用无线电、声波和有线光缆等方式进行信息传输。其中, 受海水和空气界面阻抗差异、海水散射和吸收等影响, 蓝绿激光和无线电波能量入水后衰减很快, 抗毁性差且难以远距离传播, 同时往往仅适用于天基或空中平台对水下平台的单向通信。浮标则以体积小、隐蔽性好、易布放、灵活性好且成本低等优点广泛应用于中继通信及海洋观测等军事活动中。海洋浮标技术的兴起源自20世纪40年代末, 美军对具有多要素观测功能的海洋资料浮标的研究[1], 在 20世纪60—70 年代, 美军接踵研制出 AN/BRA-10、AN/BRA-27、AN/BSQ-5 等型号的通信浮标[2-4], 至今浮标研究已经取得了大量成果[5]。21世纪初, 英美联合研发了一种可回收的系留光纤式(retrievable tethered optical fiber, RTOF)浮标[6], 使深海潜艇可通过超高频 (ultra-high frequency, UHF)、全球定位系统(global positioning system, GPS)和卫星通信等实现跨域通信和定位[7]。国内研发方面, 近年来, 我国各沿海省市在渤海、黄海、东海、南海及极地海域先后投放了多种用于海洋观测的海洋浮标设施[8], 同时也涌现出一大批相关技术的研究和探讨。李文彬等[9]提出了基于 Argos卫星通信系统的漂流浮标, 该浮标通过内部加装Argos卫星收发器和GPS模块实现了海洋观测信息的对外发送。于非等[10]则将浮标与潜标相结合, 设计了一款国产化半潜升降式准实时潜标系统, 实现多要素信息的长时观测和信息回传。其他学者则进一步围绕浮标开展了水下有线通信浮标线团[11]和水下浮标收放绞车[12]等研究。但目前研究多以海洋观测或浮标载荷功能扩增为主, 围绕跨域协同作战场景下的长时隐蔽猝发通信研究较少。
考虑到跨域协同作战中水下信息跨域出水的信源通常为水下潜艇, 上浮通信存在暴露风险, 加之深海远洋缺乏水下通信中继支撑, 文中结合升降式浮标设计思路, 研制了一种低功耗跨域通信浮标系统, 详细介绍了该浮标系统的工作原理, 以及收发合置换能器、主控电路模块和低功耗值守模块等设计情况, 该系统具备长时间自持的特点, 并支持大潜深布放、远程唤醒和关键部位自毁等功能。
结束语
文中设计了一种低功耗跨域通信浮标系统, 通过描述系统架构、系统各模块设计方案, 以及使用方式和可扩展性分析, 阐述了该系统的总体设计情况。该系统通过利用水下唤醒后释放北斗跨域通信模块与天基或岸基通信, 实现跨域信息传输, 但在工作模式、跨平台交互方式等方面设计较为单一, 同时缺少深海环境下的试验验证, 后续计划以此为起点, 进一步设计和扩展不同载荷或信息交互方式下的跨域通信浮标系统, 并进一步测试验证, 以满足不同具体场景下的使用需求。
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第4期，点击阅读原文可查看。
