UUV冗余通信系统在反水雷中的应用研究

UUV冗余通信系统在反水雷中的应用研究

张晋斌

（中国船舶集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

摘要： 本文阐述了一种UUV冗余通信系统的实现，主要说明了UUV冗余通信系统的原理和组合方式设计结构。由于自主冗余通信系统采用了无线电台通信方式和卫星通信方式相结合的组合通信方式，从而提高了UUV反水雷作业的范围和效率。设计的水下无人潜航器冗余通信系统不但提高了UUV主控系统的通信能力，而且大大提高了通信可靠性。该冗余通信系统在实际应用中取得了良好的效果。

关键词：UUV；反水雷；通信系统

1. 引言

水下无人潜航器（Unmanned Undersea Vehicle，以下简称为UUV）最早出现于20世纪60年代。发展初期主要用于深水勘探、沉船打捞等民用领，近年来，随推进器、导航、控制系统和传感器的发展，以及对降低战斗人员伤亡的考虑，UUV的军事用途得到高度重视，在水下侦查、反潜、反水雷领域中得到巨大的发展。UUV正迅速地成为一种重要的反水雷手段。不过对于UUV还可反水雷作战中的应用，通信方式的选择成为其解决问题的关键。本文研究的重点是UUV在自主航行进行反水雷作业时的冗余通信技术,以保证UUV采集数据能够进行实时高效的传输。

在UUV进行水雷清除作战流程中通信系统还存在很多影响因素，本文所提出的自主冗余通信系统可有效解决UUV在进行反水雷作业任务时的有效通信问题。完成作业任务需要以下几个步骤：利用宽带无线电台进行大数据传输、利用窄带无线电台进行控制指令传输、利用北斗短报文方式进行应急指令传输。

2. UUV的主要特点

1999年美国海军制定了UUV发展计划，美国海军要求UUV与无人机具有通用性，提高操作自足性水平。

2002年美国海军提出了“21世纪海上力量新战略”的新战略构想．目的是要完成海军从深海作战向浅海和近岸作战的战略转移。但是对美国来说，即使是到敌对国的100m水深的近海活动，现有潜艇将难以发挥作用。因此，需要依靠隐形的、无人驾驶的、全新的海上力量去敌对方的近海活动，包括收集情报、监视对方和实施攻击等，这种情况下，UUV便脱颖而出[2]。

根据规划，美国海军正开展建造和研制所有水面舰艇都配备必要的UUV，同事强调模块化和标准化设计，进一步升级UUV自主能力、能源和推进技术，通常多种方式的组合同向技术也将成为作战和控制通信的关键。

3. UUV自主冗余通信系统设计及反水雷应用

3.1  系统框架设计

UUV自主冗余通信系统是反水雷综合控制系统的重要组成部分，可以采用混合通信方式结合来实现反水雷任务作业时数据传输的实时性，自主冗余通信系统结构图如图1所示。

图1UUV自主冗余通信系统结构图

UUV自主控制系统工作启动后，默认为宽带通信方式。数据接收处理中心通过宽带无线电台和UUV互发心跳报文，若双方均能成功接收对方的心跳报文，说明宽带通信链路畅通，通信方式保持为宽带通信；若无法成功接收心跳报文，说明UUV与数据接收处理中心的距离超过宽带通信覆盖范围，或宽带通信设备出现故障。在此情况下，UUV与数据接收处理中心的的通信方式均被切换至窄带通信方式。

窄带无线电台因为传输速率有限，所以只用来发送反水雷任务作业时操控指令和回传UUV的作业工况信息。在使用窄带无线电台通信时，宽带通信设备中心站和移动站继续互发心跳报文，来监测宽带通信状态。如果能够重新成功接收心跳报文，说明宽带通信状态恢复正常，通信方式将重新被切换至宽带通信。

当反水雷任务作业时出现异常情况，UUV通过宽带通信与窄带通信两种通信方式均无法正常工作，通信方式将被切换至北斗短报文通信方式，来实现数据接收处理中心与UUV之间的应急通信。但由于北斗短报文通信方式发送数据量较少，发送频度较低仅负责完成UUV应急控制指令的传输

3.2宽带/窄带无线电台

在国内可以设计和制造宽带(宽带/窄带)无线电台的公司有中国电子科技集团第五十四研究所、中国船舶重工集团第七二二研究所、武汉中原电子集团有限公司等，基于MIMO多天线的自组网设备信息如下：

1)工作频段：1390MHz～1470MHz(宽带)，100MHz～300MHz(窄带)：

2)传输速率：7Mbps@12km，1Mbps@30km；

3)组网能力：网络规模32节点，最大支持9跳；

4)具备网络抗干扰能力，采用动态主动路由技术实现网络的自我调节和修复；

5)具备自适应选频抗干扰能力；

6)终端尺寸：114 mm×68 mm×24 mm；

7)设备重量：≤1kg。

3.3北斗通信设备

北京星地连公司XDL-01型号北斗通信设备，采用低功耗工作模式降低通信的平均功耗，将射频电路与基带处理采用一体化分腔设计，减小主机尺寸并减轻主机重量，北斗通信模块功耗<5W，发射瞬间功耗<40W，发射瞬间（功放加电）时间≤0.5s，通信终端外形结构。采用微带天线进行数据传输，在相同输入功率下，提高指向方向上的发射功率，保证数据传输的质量，以提高通信的可靠性。北斗通信模块结构组成框图如图2所示。

图2北斗通信模块结构框图

该北斗通信模块的主要参数信息如下：

1)双通道测时精度：≤2ns；

2)首次捕获时间：≤350ms；

3)定位精度：20m；

4)数据接口：标准RS232；

5)通信速率：不小于20字节/次，最低间隔1分钟一次；

6)接收灵敏度：C≤－157.6 dBW，发射功率10W；

7)外型尺寸：100mm×85mm×23mm（不含天线），重量≤300g。

3.4 在反水雷作业中的应用

反水雷作业任务可分解为探测、分类、识别和灭雷等4个阶段，传统的反水雷兵力非常依赖来至海上和控制的兵力掩护。通过采用UUV进行反水雷作业任务书时，可采取猎、扫、炸、灭等手段。在距离敌方较近的海岸线或火力前言缺少火力掩护时，采用UUV进行作业将是最好的选择。利用UUV进行反水雷探测作业时，可以避免有人平台遭受水雷和敌方火力的威胁，很大程度上减速人员的损伤，提高反水雷作业的安全性。利用冗余通信方式的UUV可以大幅度增加反水雷作业的行动范围和可靠性，提高反水雷效率。利用通用化、模块化的UUV设计模式，可由多种承载平台或岸基布放UUV系统，迅速扫除各种水雷，确保海军作战兵力能够以最低的风险进入作战海区并完成反水雷作战任务。

在2003年的伊拉克战争中，美国海军就利用研制的REMUS型号UUV成功的执行了反水雷任务。UUV可以在浅水区域进行快速的水雷探查，对水雷进行识别、分类和定位，通过可靠的数据通信传送给数据处理中心的控制人员进行威胁评估。通过这种方式不仅降低了反水雷作业的安全风险，确保了水下不存在可以威胁舰艇的水雷，还可以用于支持港口和码头的防恐和救援行动。

4. 总结

本文中讨论的自主冗余通信系统针对UUV在反水雷作业时的通信问题，通过此种组合通信方法可有效解决UUV在反水雷作业时的通信困难。随着通信设备技术的进一步提高，结合卫星通信方式能力的提升，将进一步提升UUV在反水雷领域的作用和能力。

参考文献

[1] 孙义明，杨丽萍.信息化战争中的战术数据链[M].北京：北京邮电大学出版社，2005

[2] 李锡群，水下无人航行器(UUV)技术综述[J]．船电技术，2003，(6)，12~14．

[3] 张贤达，保铮.通信信号处理[M].北京：国防工业出版社，2000

[4] William E，Landay III．The Navy Unmanned Undersea Vehicle(UUV)Master Plan[R]．USA, November 9，2004．

[5] ETSI TR 102 377 V1.1.1 ， Digital Video Broadcasting (DVB);DVB-H Implementation Guidelines, 2005-02

[6] Xu Bin, Yang Chenyang, Bi Guangguo, “MC-TDMA scheme for downlinkbroadband wireless communi- cations”, Communications, 2005. ICC 2005. 2005 IEEE International Conference on Volume 2, 16-20 May 2005 Page(s):944 - 948Vol. 2

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