UUV通信技術手段比較分析及發(fā)展趨勢研究

無人水下航行器（UUV）在現(xiàn)代海洋探索、軍事作戰(zhàn)、地質(zhì)災害預測以及海洋資源開發(fā)等諸多領域發(fā)揮著日益重要的作用。通信技術是UUV技術體系中至關重要的組成部分，先進可靠的通信技術能夠?qū)崿F(xiàn)UUV與控制中心之間的高效數(shù)據(jù)傳輸，包括任務指令下達、狀態(tài)反饋以及采集數(shù)據(jù)的回傳等，從而確保UUV在復雜的水下環(huán)境中準確、高效地完成任務。

目前，UUV的通信技術手段主要包括聲學通信、光學通信、電磁通信等，每種技術手段都有其獨特的原理、優(yōu)勢和局限性。通過深入研究UUV現(xiàn)有通信技術手段的基本原理，對比分析各種通信手段在傳輸速率、傳輸距離、抗干擾能力等方面的優(yōu)缺點，進而研判UUV通信技術手段未來的發(fā)展趨勢，將有助于優(yōu)化UUV的通信系統(tǒng)設計，提高通信的可靠性和有效性，為UUV在更廣泛的應用場景中發(fā)揮作用提供技術支撐，推動UUV相關技術向著更高性能、更智能化的方向發(fā)展。

UUV的通信需求及其復雜性分析

為了實現(xiàn)規(guī)定功能并有效執(zhí)行任務，UUV需要與不同平臺進行通信，包括水下其他設備、水面艦艇或平臺、岸基設施、空中平臺以及天基系統(tǒng)等。然而，水下環(huán)境的特殊性也給UUV的通信帶來了諸多挑戰(zhàn)，不同的通信鏈路（包括：水下、水下—水面、水下—岸基、水下—空中、水下—天基）具有不同的需求和復雜性。

水下通信

在水下，多個UUV可能需要協(xié)同工作。例如，在海洋科學考察中，多個UUV對特定區(qū)域進行聯(lián)合探測，UUV集群的單元之間需要交換位置信息、探測數(shù)據(jù)（如水溫、鹽度、海底地形等），以實現(xiàn)高效的任務分工和數(shù)據(jù)融合。對于單個UUV，其內(nèi)部各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息（如電池電量、推進系統(tǒng)狀態(tài)、傳感器工作狀態(tài)等）需要在不同部件之間進行通信，以確保整個UUV的正常運行。同時，外部控制信號（如調(diào)整航行方向、深度等）也需要在UUV內(nèi)部準確傳輸。

水下通信的介質(zhì)為海水，海水是一種復雜的介質(zhì)，其密度、溫度、鹽度等參數(shù)會隨海域和深度的不同而發(fā)生變化。在深海區(qū)域，有水壓大、水溫低、水的密度相對較高等特點；而在淺海區(qū)域，水溫、鹽度等受陸地和海洋表面因素影響較大。水下環(huán)境的穩(wěn)定性較差，水流、潮汐、海洋生物活動等因素都會影響通信穩(wěn)定性。

水對光信號有很強的吸收和散射作用，在清澈的海水中，藍光的傳播距離相對較長，但隨著深度增加和水質(zhì)變差，光信號的衰減非常迅速。即使在最佳條件下，光信號的有效傳播距離也相對較短，通常只有幾十米到幾百米。水對電磁信號也有嚴重的衰減影響。高頻電磁信號在水中的傳播距離極短，射頻信號在海水中的傳播距離只有幾米到幾十米。低頻電磁信號雖然傳播距離相對較長，但傳輸速率較低。聲波是水下通信中最常用的信號形式，然而水溫、鹽度和壓力的變化會導致聲速變化，從而引起聲波折射、反射和散射。此外，海洋環(huán)境下的噪聲也會對聲波通信造成干擾。

水下—水面通信

水面艦艇或平臺需要向UUV發(fā)送任務指令，如改變探測區(qū)域、調(diào)整任務優(yōu)先級等，這些指令必須準確、及時地傳輸?shù)剿碌腢UV，以確保任務的順利進行。UUV采集到的海洋數(shù)據(jù)、情報信息等數(shù)據(jù)，也需要回傳至水面節(jié)點進行分析處理。

從水下到水面的通信涉及水—空氣界面，而水和空氣的物理性質(zhì)（密度、聲速、電磁特性等）存在巨大差異。在界面上，信號在穿透界面時會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象。水面的波動會影響通信環(huán)境的穩(wěn)定性，風浪、潮汐等因素會導致水面高度的變化，從而改變水—空氣界面的形狀和特性，對信號傳輸產(chǎn)生干擾。

從水下向水面?zhèn)鬏敼庑盘枙r，除了受到水的吸收和散射影響外，在界面還會發(fā)生反射，只有在特定的入射角下，光信號才能有效地從水中傳輸?shù)娇諝庵?，這增加了光通信的難度。電磁信號在從水下向水面?zhèn)鬏敃r也面臨反射和折射問題，而且水面的導電性和粗糙度等因素會進一步影響電磁信號的傳輸。聲波從水下向水面?zhèn)鞑r，在界面會發(fā)生反射和折射。當聲波入射角較大時，大部分聲波會被反射回水中，只有一部分能透射到空氣中；同時，水面的波動會使聲波的反射和折射規(guī)律變得更加復雜。

水下—岸基通信

岸基設施需要對遠距離的UUV進行監(jiān)控和管理。例如，在海洋資源勘探中，岸基控制中心要實時了解UUV的位置、狀態(tài)和任務進展情況，以便對多個UUV的作業(yè)進行統(tǒng)籌安排。而UUV采集到的大量海洋數(shù)據(jù)也需要傳輸?shù)桨痘M行長期存儲和深入分析，這些數(shù)據(jù)量非常龐大，需要高效、可靠的通信鏈路來進行傳輸。

水下—岸基通信需要經(jīng)過較長的水下距離和可能的陸地部分。水下部分面臨水介質(zhì)的影響，而陸地部分則涉及到不同的地形（如山脈、平原等）和電磁環(huán)境（如城市電磁干擾等）。水下部分受海洋環(huán)境的不穩(wěn)定性影響，如前文所述。陸地部分的電磁環(huán)境穩(wěn)定性會受到人類活動（如電力設施運行、無線電通信等）的影響，長距離通信也可能受到地球物理因素（如地磁變化等）的影響。由于要面臨長距離傳輸和介質(zhì)轉(zhuǎn)換等情況，光信號幾乎無法用于水下—岸基通信，因為其在水中的衰減和在界面的反射等問題使其不具備長距離傳輸?shù)目尚行?。水下—岸基電磁通信還需要解決水—空氣—陸地的信號轉(zhuǎn)換和耦合問題。

水下—空中通信

在某些情況下，如UUV遇到緊急情況（如故障、遭受攻擊等），需要與空中平臺（如直升機、無人機等）進行通信，請求支援或傳輸緊急數(shù)據(jù)。在軍事應用中，水下的UUV需要與空中作戰(zhàn)平臺協(xié)同作戰(zhàn)。例如，UUV提供水下目標信息，空中平臺進行目標打擊，這就需要可靠的水下—空中通信鏈路。

水下—空中通信涉及水—空氣界面以及空氣介質(zhì)。水和空氣的性質(zhì)差異導致信號在界面處的復雜轉(zhuǎn)換，而空氣介質(zhì)中的氣象條件（如云層、氣流等）也會影響信號傳輸。水面的波動和氣象條件的變化都會影響通信環(huán)境的穩(wěn)定性。在空氣中，光信號會受到氣象條件的影響，如云霧會散射光信號，降低其傳輸效率。由于水對電磁信號的衰減作用，電磁通信在水下部分困難重重；而在空氣中，電磁信號會受到電磁干擾和多徑效應的影響。水—空氣界面的電磁特性差異也會導致信號反射和折射。如前所述，聲波信號在從水下向空中傳播時，由于水—空氣界面的聲阻抗差異，大部分聲波會被反射回水中。

水下—天基通信

UUV需要接收天基系統(tǒng)（如衛(wèi)星）的信號來進行全球定位和導航。同時，衛(wèi)星也可以為UUV提供一些輔助信息，如海況預報等。在一些情況下，UUV采集的數(shù)據(jù)需要通過天基通信鏈路傳輸?shù)竭h程的數(shù)據(jù)中心進行備份和進一步分析，尤其是在遠離岸基設施的深海區(qū)域作業(yè)時。

水下—天基通信需要經(jīng)過水、空氣和太空空間等多種環(huán)境。水對信號的衰減，空氣的氣象條件以及太空的電離層等都會對通信產(chǎn)生影響。海洋環(huán)境的不穩(wěn)定、氣象條件的多變以及太空環(huán)境中的太陽活動等都會影響通信環(huán)境的穩(wěn)定性。信號在從水下到太空的傳輸過程中，需要經(jīng)過多次介質(zhì)轉(zhuǎn)換，面臨巨大的損耗和干擾。

綜上可知，UUV的通信需求在不同的通信鏈路中各有特點，而通信環(huán)境的復雜性，包括介質(zhì)的特性、穩(wěn)定性以及對不同信號類型（光、電磁、聲波）的影響，使得UUV的通信面臨諸多挑戰(zhàn)。在UUV的通信載荷設計中，需要充分考慮這些因素，以開發(fā)出更加高效、可靠的通信技術手段。

常見的UUV通信技術手段對比分析

衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，從而實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信，例如銥星系統(tǒng)和海事衛(wèi)星。銥星系統(tǒng)是由66顆低地球軌道衛(wèi)星組成的全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)，海事衛(wèi)星則主要為海上用戶提供通信服務。衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過將UUV的信號發(fā)送到衛(wèi)星，衛(wèi)星再將信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面站或者其他接收端。

銥星通信的速率相對較低，數(shù)據(jù)傳輸速率一般在2.4kbps左右，其通信帶寬較窄，這限制了其數(shù)據(jù)傳輸能力。海事衛(wèi)星通信速率根據(jù)不同的服務類型有所不同，例如，Inmarsat—F77的高速數(shù)據(jù)業(yè)務速率可達432kbps。海事衛(wèi)星的帶寬相對較寬，可以滿足多種業(yè)務的需求，如語音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)取?/p>

由于衛(wèi)星通信利用衛(wèi)星作為中繼，其有效通信距離可以覆蓋全球范圍，只要UUV能夠?qū)⑿盘柊l(fā)送到衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)。衛(wèi)星通信的穩(wěn)健性較好。衛(wèi)星在太空中相對穩(wěn)定的軌道上運行，受地球表面環(huán)境影響較小。但是，衛(wèi)星通信可能會受到太陽活動、電離層干擾等因素的影響。對于UUV來說，從水下到衛(wèi)星通信需要解決從水介質(zhì)到空氣再到太空的信號傳輸問題。水對電磁信號的衰減嚴重，需要特殊的天線和信號處理技術，使UUV能夠在浮出水面或者接近水面時有效地將信號發(fā)送到衛(wèi)星。

無線電通信

無線電通信包括短波、超短波、數(shù)傳電臺等。短波通信是利用波長為10～100m（頻率為3～30MHz）的無線電波進行通信，短波信號通過電離層的反射可以實現(xiàn)遠距離通信。短波電臺發(fā)射的電波向上傳播，到達電離層后被反射回地面，從而實現(xiàn)遠距離的信號傳輸。超短波通信使用波長為1～10m（頻率為30～300MHz）的無線電波，信號以直線傳播方式為主，傳播距離相對短波較短，但穩(wěn)定性較好。數(shù)傳電臺是一種將數(shù)據(jù)信息通過無線電波進行傳輸?shù)脑O備，其工作原理基于調(diào)制和解調(diào)技術，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為適合在無線電頻段傳輸?shù)哪M信號，在接收端再將模擬信號轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號。

短波通信的通信速率較低，一般在幾十到幾百bps之間，受電離層變化和干擾影響較大。超短波通信速率相對短波較高，可以達到幾kbps到幾十kbps。數(shù)傳電臺的通信速率根據(jù)其類型和技術標準有所不同，一般在幾到幾百kbps之間。通信帶寬方面，短波通信的帶寬較窄，通常在幾到幾十kHz之間。超短波通信的帶寬相對較寬，可以達到幾百kHz到幾MHz。數(shù)傳電臺的帶寬根據(jù)其設計和應用需求而定，一般在幾十kHz到幾MHz之間。有效通信距離方面，短波通信通過電離層反射，有效通信距離可達數(shù)千公里，但通信質(zhì)量受電離層狀態(tài)影響較大。超短波通信由于直線傳播，有效通信距離較短，一般在幾十公里以內(nèi)，在視距范圍內(nèi)通信效果較好。數(shù)傳電臺的有效通信距離根據(jù)其功率和天線等因素而定，一般在幾公里到幾十公里之間。

短波通信的穩(wěn)健性較差。電離層的變化會導致信號衰落、多徑效應等問題，影響通信質(zhì)量。超短波通信的穩(wěn)健性相對較好，在視距范圍內(nèi)受干擾因素相對較少，但在復雜地形（如山區(qū)）或有電磁干擾的環(huán)境下通信可能會受到影響。數(shù)傳電臺對電磁環(huán)境要求較高，需要在相對干凈的電磁頻段內(nèi)工作，避免受到其他無線電設備的干擾。同時，其通信效果也受地形、天氣等因素影響，如降雨可能會增加信號的衰減。

WiFi通信

WiFi通信基于IEEE802.11標準，使用2.4GHz或5GHz頻段的無線電波進行通信，采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）技術，設備在發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道是否空閑，如果空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)沖突。WiFi通信速率根據(jù)其標準版本有所不同。IEEE802.11n標準下，理論通信速率可以達到600Mbps，而在實際應用中，受環(huán)境等因素影響，可能在幾十Mbps到幾百Mbps之間。WiFi通信的帶寬較寬，2.4GHz頻段的帶寬一般為20MHz或40MHz，5GHz頻段的帶寬可以達到80MHz或160MHz，這使得它能夠支持高速數(shù)據(jù)傳輸。

WiFi通信的有效通信距離較短，一般在幾十米到幾百米之間，具體距離取決于發(fā)射功率、天線增益、環(huán)境等因素。WiFi信號主要在空氣中傳播，對電磁環(huán)境要求較高。在室內(nèi)環(huán)境中，墻壁、家具等物體可能會反射、吸收WiFi信號，影響通信距離和質(zhì)量。在室外環(huán)境中，天氣（如雨、霧等）也會對WiFi信號產(chǎn)生一定的衰減作用。

數(shù)據(jù)鏈

數(shù)據(jù)鏈是一種特殊的通信鏈路，用于在不同的平臺（如飛機、艦艇、UUV等）之間傳輸格式化的數(shù)據(jù)信息，采用特定的通信協(xié)議和調(diào)制解調(diào)方式，以確保數(shù)據(jù)的準確、快速傳輸。例如，Link—16數(shù)據(jù)鏈采用時分多址（TDMA）技術，將時間劃分為多個時隙，不同用戶在不同時隙內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸。不同類型的數(shù)據(jù)鏈通信速率不同，Link—16數(shù)據(jù)鏈的通信速率可達115.2kbps，能夠滿足軍事作戰(zhàn)等應用中對目標、指揮控制信息等的傳輸需求。數(shù)據(jù)鏈的通信帶寬因設計目的和應用場景而異。一般而言，為滿足多種數(shù)據(jù)類型（如文本、圖像、視頻等）傳輸需求，數(shù)據(jù)鏈需要有一定的帶寬，通常在幾十kHz到幾MHz之間。

數(shù)據(jù)鏈的有效通信距離根據(jù)其類型和發(fā)射功率等因素而定，戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的有效通信距離在幾十公里到幾百公里之間，可以實現(xiàn)艦艇與飛機、UUV等平臺之間的區(qū)域內(nèi)通信。由于采用了糾錯編碼、跳頻等抗干擾技術，數(shù)據(jù)鏈的穩(wěn)健性較高。例如，跳頻數(shù)據(jù)鏈通過在多個頻率之間快速跳變來躲避干擾，從而提高通信可靠性。數(shù)據(jù)鏈信號在空氣中傳播，對電磁環(huán)境較為敏感。在軍事應用中，需要避免敵方的電磁干擾和電子戰(zhàn)攻擊。同時，地形、氣象等因素也會影響數(shù)據(jù)鏈的通信效果。

水聲通信

水聲通信是利用聲波在水中傳播來實現(xiàn)信息傳輸?shù)募夹g。聲波在水中的傳播特性與在空氣中有很大不同，發(fā)送端將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，通過換能器向水中發(fā)射聲波，接收端的換能器接收到聲波后再將其轉(zhuǎn)換為電信號進行處理。

水聲通信的通信速率相對較低，目前，低速水聲通信速率在幾百bps到幾kbps之間，高速水聲通信速率可以達到幾十kbps，但與其他通信方式相比仍然較低。水聲通信的帶寬一般在幾千Hz到幾十kHz之間，這限制了其數(shù)據(jù)傳輸能力。低頻聲波在水中衰減小，可以傳播較遠的距離，有效通信距離可以達到幾十公里甚至上百公里；而高頻聲波雖然通信速率相對較高，但傳播距離較短，一般在幾公里以內(nèi)。水聲通信的穩(wěn)健性較差。海洋環(huán)境中的噪聲、多徑效應以及水溫、鹽度、水壓等因素引起的聲速變化都會影響通信質(zhì)量。水聲通信完全依賴水介質(zhì)，水的物理特性（如溫度、鹽度、密度等）對通信影響很大。

UUV通信技術手段發(fā)展趨勢

現(xiàn)有通信技術的發(fā)展趨勢

（1）衛(wèi)星通信

一是通信速率進一步提高。新一代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在研發(fā)更高頻段的通信技術，如Ka頻段甚至更高頻段。高頻段能夠提供更寬的帶寬，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。二是小型化與低功耗。衛(wèi)星通信終端朝著小型化和低功耗方向發(fā)展，這對于UUV來說至關重要，因為UUV的內(nèi)部空間有限，能源供應也相對緊張。三是全球覆蓋優(yōu)化。目前衛(wèi)星通信雖然已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋，但在某些偏遠海域或者極地地區(qū)，信號強度和通信穩(wěn)定性仍有待提高。未來的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將不斷優(yōu)化衛(wèi)星軌道布局和信號覆蓋策略，確保UUV在任何海域都能穩(wěn)定地進行通信。

（2）無線電通信

一是通過更多地采用自適應頻率選擇、編碼技術和信號處理算法等技術增強短波通信抗干擾能力。二是發(fā)展多模通信手段，實現(xiàn)多種通信手段的有效融合。三是通信速率和容量的進一步優(yōu)化，通過采用更先進的調(diào)制解調(diào)技術（如正交頻分復用OFDM），在有限的帶寬內(nèi)實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。四是網(wǎng)絡化和協(xié)同通信，超短波和數(shù)傳電臺將向網(wǎng)絡化方向發(fā)展，多個UUV之間可以通過超短波或數(shù)傳電臺構(gòu)建自組織網(wǎng)絡，實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)。

（3）WiFi通信

一是發(fā)展高頻段和大帶寬WiFi通信技術。未來WiFi通信將向更高頻段（如6GHz及以上頻段）發(fā)展，以獲取更大的帶寬。這將進一步提高WiFi的通信速率，滿足UUV在特定場景下的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。二是智能波束成形技術應用。采用智能波束成形技術可以提高WiFi通信的方向性和信號強度。

（4）數(shù)據(jù)鏈

一是多功能一體化。多功能一體化意味著除了傳統(tǒng)的目標信息、指揮控制信息傳輸功能外，還將集成更多的功能，如傳感器數(shù)據(jù)融合、態(tài)勢感知共享等。對于UUV參與的軍事作戰(zhàn)體系，這種多功能數(shù)據(jù)鏈可以使UUV更好地融入整個作戰(zhàn)網(wǎng)絡，提高作戰(zhàn)效能。二是互操作性不斷增強。在聯(lián)合作戰(zhàn)或者國際合作的海洋任務中，UUV需要與不同國家、不同軍種的平臺進行通信，增強數(shù)據(jù)鏈的互操作性可以確保UUV在不同的作戰(zhàn)和任務體系下都能有效地進行信息交互。

（5）水聲通信

一是高速水聲通信技術。目前正在探索新的調(diào)制技術、編碼技術和換能器設計，以提高水聲通信的通信速率。二是自適應通信技術。由于水聲信道復雜多變，自適應通信技術將得到廣泛應用。自適應技術可以根據(jù)海洋環(huán)境的變化自動調(diào)整通信參數(shù)，提高通信的穩(wěn)健性。三是與其他通信方式的協(xié)同。水聲通信將與衛(wèi)星通信、無線電通信等方式協(xié)同工作。例如，當UUV在水下執(zhí)行任務時，通過水聲通信將數(shù)據(jù)傳輸給水下基站或浮標，再通過衛(wèi)星通信或無線電通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程控制中心。

新興通信技術

（1）量子通信技術

量子通信具有極高的安全性，一旦應用于UUV通信領域，將為軍事和高保密要求的海洋任務提供可靠的通信保障。雖然目前量子通信技術還處于發(fā)展階段，主要應用于陸地光纖通信等領域，但隨著技術的成熟，有望在UUV通信中實現(xiàn)從衛(wèi)星到UUV或者從水面艦艇到UUV的量子密鑰分發(fā)等應用，確保通信內(nèi)容不被竊取。

（2）移動通信技術的水下延伸

5G技術以其高速率、低延遲和大容量等特點在陸地通信領域取得了巨大成功。目前，研究人員正在積極探索將5G技術的某些原理和技術延伸到水下通信。例如，通過對5G的波形設計、多址接入技術等進行改進，應用于UUV的近岸通信場景，提高UUV在近岸淺水區(qū)與岸上基站或其他設備的通信效率。

（3）藍綠光通信技術

藍綠光通信技術的發(fā)展為UUV水下近距高速通信開辟了新的途徑。由于藍綠光的波長正好處于水的透射窗口范圍內(nèi)，這使得水對藍綠光的吸收系數(shù)較小，進而賦予了藍綠光通信諸多優(yōu)勢。藍綠光在海水中的傳播衰減小，這為UUV在水下進行一定距離的通信提供了可能。

在傳輸速率上，藍綠光通信表現(xiàn)出色。當前，在深海環(huán)境下進行的光通信試驗中，其速率已經(jīng)能夠達到數(shù)百兆比特每秒，這一高速率能夠滿足UUV傳輸大量數(shù)據(jù)的需求，例如水下高清圖像、詳細的海洋環(huán)境探測數(shù)據(jù)等。保密性方面，藍綠光通信具有很強的優(yōu)勢。由于其獨特的光學傳輸特性，信號不易被外界截獲和干擾，這對于UUV執(zhí)行任務來說非常關鍵。另外，能耗低也是藍綠光通信的一大特點。UUV通常依靠自身攜帶的有限能源運行，低能耗的通信方式能夠減少能源消耗，延長UUV的作業(yè)時長。

（責任編輯：馬元）