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無人艇遠距離通信

2021-3-12 13:38:45

 

       (unmanned surfacevessel簡稱USV)是一種無人操作的水面艦艇。主要用于執行危險以及不適于有人船只執行的任務。一旦配備先進的控制系統、傳感器系統、通信系統和武器系統后,可以執行多種戰爭和非戰爭軍事任務,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、反特種作戰以及巡邏、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,在無人水面艇研發和使用領域,早期美國和以色列一直處于領先地位。

無人艇現狀

美國海軍從上世紀90年代開始研究無人水面艇。2007年,美國海軍發布《海軍無人水面艇主計劃》,為無人水面艇賦予了7項任務,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發展階段。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年法國國際軍警設備展覽會上展示了用于內河、港口水域監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。該艇已經開始批量生產,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,并裝配有電光和紅外相機、視距和非視距通信、雷達和武器系統等。能在保護專屬經濟區、海上邊界等大范圍內執行多種任務,通過對遠近目標進行辨別、追蹤和分類,提供實時情報圖像,并根據指令對目標發動進攻,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,國內的技術也正在迎頭趕上,以沈陽自動化所為龍頭代表的研究所在某些領域超越了國外同行,比如自動控制領域、圖像識別、導航等。國內的主要研究機構有哈爾濱工程大學、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,但在數據鏈這一塊,一直是無人艇領域的痛點,高帶寬、遠距離、低延時、低能耗的數據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實現了工業以太網遠距離高帶寬無線數據鏈。

    近年我國已陸續有民營公司進入的軍用無人艇模型和民用無人艇領域。2015 年在深圳國際高新技術交流會上,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境信息,還可以根據需要裝備輕便的武器系統,并且可以利用衛星及Anykey-AV8專網無線通信技術進行遠距離遙控,執行海面巡航、搜救以及海上反潛任務等。

 

      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中心共同研發的“天象一號”完成了指定區域風向、風速、水溫、氣溫等多項環境參數測量任務。[該艇是我國自主研發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害預報有著重要的意義。

 

無人艇通信

早期通信主要依靠數傳電臺、WIFI等較為落后的通信方式。數傳電臺傳輸速率低,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別,通信具有自己的環境特點: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,并且電磁波在水面傳播時,如果掠射角很小,反射系數就比較大,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。所以經常考慮的是遇到主障礙是孤立的情況,在海面上對應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。

另外水面上的高濕,高霧環境還存在的大氣吸收衰減,云霧衰減,以及雨衰。這些衰減可以在系統設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挑戰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明顯,形成交調。與此相應,由于不同路徑有不同時延,同一時刻發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。這種重疊造成數據無法解析,所以傳統的單載波電臺在多徑環境中幾乎無法正常工作。

Anykey-AV8核心技術是正交頻分復用技術即(ofdm/cofdmOrthogonal Frequency Division Multiplexingofdm/cofdm將信道分成若干正交子信道,將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流,調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技術來分開,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技術是HPA聯盟(HomePlug Powerline Alliance)工業規范的基礎,它采用一種不連續的多音調技術,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中。傳輸中的數據流分成多個部分,把無線信道分成N個信道,而傳輸的數據流則是分成N條數據,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。重要的一點是,加入了保護間隔,可以消除符號間干擾。

OFDM是一種特殊的多載波調制技術,傳輸的信息通過串并轉換,在多個子信道上傳輸,不像傳統的調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。

OFDM系統中,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,必須進行串并轉換,將輸入的串行比特流轉換成可以傳輸的OFDM符號。

因為調制模式可以自行轉換,是可以自適應性調節的,所以每個子載波的調制模式可以變化,故串并變換需要分配給每個子載波數據段的長度也是不一樣的。在接收端執行相反的過程,從各個子載波處傳來的數據被轉換回原始的串行數據。

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上的零點會造成在鄰近的子載波上發射的信息受到破壞,導致在每個信號中出現一連串的比特錯誤。與一大串錯誤連續出現的情況比較相比較,大多數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,為了提高系統的性能,大多數系統采用數據加擾作為串并轉換工作的一部分。

OFDM中,調制和解調是必不可少的。在調制過程中,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制方式,簡稱PSK調制方式。其調制和解調原理如下:

 

 

 

 

 

 

通過技術分析可以看出,OFDMFFT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卷積,這樣多徑導致拖尾的數據被循環到前面來了,只要多徑時延不超過CP長度那么就是數據信息無丟失的。(不會丟失到下一個symbol 的含義)也就是不產生符號間干擾。

    由于Anykey-AV8采用正交頻分復用技術以及差錯控制技術,平且載波數多達1024個,簡單的理解是1024個普通的數傳電臺在同時發送數據和接收數據,其抗多徑效應非常顯著。非常適合在海面上這種多徑干擾嚴重的環境使用。

 

無人艇的通信方式 

 

 國內的很多艦艇已經大量采用工業以太網即TCP/IP技術,TCP/IP是Transmission Control Protocol/Internet Protocol的簡寫,中譯名為傳輸控制協議/因特網互聯協議,又名網絡通訊協議,是Internet最基本的協議。由網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。TCP/IP 定義了電子設備如何連入因特網,以及數據如何在它們之間傳輸的標準。協議采用了4層的層級結構,每一層都呼叫它的下一層所提供的協議來完成自己的需求。通俗而言:TCP負責發現傳輸的問題,一有問題就發出信號,要求重新傳輸,直到所有數據安全正確地傳輸到目的地。而IP是給因特網的每一臺聯網設備規定一個地址。因為工業以太網技術成熟,有完整的校驗機制,抗干擾能力強,技術通用性廣,可以通過路由網關鏈接到不同的云平臺。幾乎各種總線協議都可以通過轉換器轉換成以太網。如CAN(Controller Area Network)總線、RS232/RS485,高清視頻信號等都可以方便的轉換成以太網。這樣有利于集成船載的各種設備,以太網用于艇載信息綜合處理系統與地面站綜合監控系統、以及自主航行控制系統之問的通信。使用以太網發送控制命令以及無人艇的實時狀態信息,實現對無人艇的遠程訪問、遠程控制。而地面站綜合監控系統和艇上信息綜合處理系統分別作為無人艇地面和艇上監控系統的信息中心,在與地面站電子海圖終端、地面站視頻監控系統,艇載電子海圖終端、自主航行控制系統等其他監控設備之間的通信也均采用的是以太網TCP協議。使用用以太網通信的系統有:
(1)地面站綜合監控系統與艇載信息綜合處理系統,進行控制命令和無人艇實時運動狀態信息的傳遞。
(2)艇載信息綜合監控系統與自主航行控制系統,通信內容包括運動軌跡、控制命令、無人艇實時運動狀態。
(3)無人艇信息綜合處理系統與艇上其他監控、導航設備,通信內容包括電子海圖信息、雷達信息、視頻監控信息,通信以圖片信息為主。
(4)地面站綜合監控系統與地面站其他監控、導航設備,通信內容包括電子海圖信息、雷達信息、視頻監控信息,以圖片信息為主。包括GPS/北斗、慣導系統、毫米波雷達、聲納,自動駕駛儀,激光雷達,視頻等。其他的使用串口協議,最后通過RSS232轉以太網,融合到以太網通信系統當中,串口通信簡單快捷,一方面為無人艇信息綜合處理系統提供實時的姿態、方位數據,另一方面將控制命令傳達給主機推進系統等執行設備,同時將從該設備檢測到的無人艇實時運動狀態反饋給信息綜合處理系統。數傳電臺主要以RS232/485接口為主,從接口以及通信協議上來講,已經不適應現代無人艇通信數據鏈的要求。

無人艇信息網絡及控制系統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與姿態方位組合導航設備,姿態方位組合導航設備遵循的是NMEA0183協議,該協議基于RS232的串行通信標準,可以實現點對點,一點對多點的數據傳輸。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與主機推進系統,主機推進系統由單片機進行控制,故使用有線串口與信息綜合處理系統通信。
(3)無人艇信息綜合處理系統與地面站綜合監控系統,串口通信不是主要通信,主要用于一些不具備以太網通信接口的設備,最后這些數據轉換為以太網通信接入到主通信系統中。

Anykey-AV8是IP內核,標準的以太網透傳接口。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,相對于以前的只是傳輸數據和控制指令,現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據,所需要帶寬在20Mbps,傳統的數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基站式設備,更是提供了高達100Mbps下行,50Mbps上行數據帶寬,且支持點對多點的應用,延時<10ms,可以滿足點對多點無人艇組網數據傳輸。

 


 


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