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
基于短波天波传播的远海跨域浮标通信技术
署名作者：
肖龙忠, 张松, 刘振吉, 赵毅
作者单位：
武汉船舶通信研究所, 湖北 武汉, 430079
摘要
由于短波天波传播受限于工作频率, 且满足高增益和适应高海况的天线尺寸较大, 使用场景严重受限。面向深远海科学探测信息的跨域远距离传输需求, 文中提出一种融合短波通信、水声通信与无人浮标特性的远海跨域浮标通信技术, 介绍了远海跨域传输浮标装置构成与工作原理，并设计了具体工作流程。通过设计可变长柔性短波天线与水冷散热一体化功放组件, 确保了天线增益高、海况适应强及可跨空水介质传输等优点。通过仿真分析表明, 所提出的通信方法可有效保证通信效果, 解决高海况、复杂干扰环境下短波信号的跨域远距离可靠通信问题, 为远海跨域通信的发展提供一定的技术支撑。
引言
随着深远海科学探测技术的持续发展, 深远海科学观测信息的跨域可靠传输需求日益迫切。为达成大范围的海上跨域信息传输, 一般需要借助浮标等中继通信方式。信息的水下传输一般采用水声通信或衰减率较小的低频电磁波通信。而无线电磁波因具有无线灵活、广域远距离传播等优点, 被广泛应用于信息水面传输。因此, 为满足大范围、跨域及机动灵活的海上跨域通信场景需求, 在浮标上综合应用无线电磁波与水声通信的通信手段是海上跨域通信的重要方案[1-2]。
远海环境下, 无线远程双向通信手段主要包括卫星通信和短波通信等, 其中卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远、通信容量大及灵活性高等特点, 被广泛应用于深远海浮标与岸基站之间的实时数据传输[3-4]。如美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的深海海啸监测浮标采用铱星L 波段链路资源, 可完成浮标与岸基站间数据速率2.4 kbit/s的实时通信任务[5]。饶浩等[6]针对远海无人值守浮标与岸基站间的实时、可靠和高速率通信需求, 研制了一种轻小型S波段卫星中继通信机, 实现了对岸站遥控指令(2 kbit/s)的接收和浮标载荷数据(2 Mbit/s)的实时回传, 并通过实际海况下的海上通信试验验证了其有效性。
近年来, 卫星通信技术蓬勃发展。卫星通信的可靠实施高度依赖中继节点的健康状况及环境条件, 一旦中继节点受到强干扰或面临暴雨等恶劣环境, 通信能力极有可能急剧下降。短波通信因具有无中继远程通信、开通迅速及通信抗毁性强等优点[7], 可作为超视距通信条件下的替代(或备份)手段, 主要应用于海上船只、地面通信基础设备被破坏或已过载的灾区、军事行动区域和缺乏其他通信设备的偏远地区等[8]。李丽华等[9]提出了一种消耗型短波通信浮标设计方案, 并假设浮标在海面上某点向陆上发送信息, 陆上共分布有9个不同地点的接收台站, 论证得出浮标采用200 W的发射功率、2 m的鞭状天线, 可满足最大通信距离2 000 km的通信需求。之后, 李丽华等[10]在应对海上恶劣干扰等复杂环境时, 现有通信手段在小体积、高可靠通信需求方面仍存在不足, 如设计选定的浮标尺寸偏大[3-4]、通信天线出水高度低[9]等, 易出现携带不便、空间布置过大致使应用场景受限、高海况条件下可通率不稳定致使性能急剧下降等问题。针对此, 文中提出一种融合短波通信、水声通信与无人浮标特性的远海跨域浮标通信技术, 充分发挥传输手段与中继浮标平台特性, 综合利用短波天波传输数千公里[9]、水下可靠通信数公里的通信能力[11], 以及一次性通信浮标所具有的灵活性和可拓展性[12]等特性, 为解决深远海科学探测短波信号的跨域远距离传输问题提供参考。
结束语
文中提出一种基于短波天波传播的远海跨域浮标通信技术, 充分利用了短波天波和水声通信的可靠有效通信能力以及一次性通信浮标具有的灵活性和可拓展性的特点优势, 为深远海科学观测信息的远距离跨域可靠传输提供了一种新的信息联通途径, 实现了远程无中继跨介质双向通信, 可满足深海探测设备与岸基之间的短时远距离通信需求。未来将进一步就柔性短波天线长效状态的持续保持、基于浮标的短波天馈阻抗匹配与高功率发信等关键技术展开研究。
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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。
