【科技】未来科技-水下组网技术

【科技】未来科技——水下组网技术未来科技——水下组网技术热门的水下组网技术，电磁波在陆地上巨大应用，推动了信息社会的到来，我们大部分人享受着信息带来的巨大便捷，从泰坦尼克号的沉没开始，人们都在努力找寻找水下防避碰的方法，雷达的原理在水下进行了尝试行不通，因为重要的传播媒介电磁波会在水下以很小的距离衰减，人们想到了海豚，对，就是海豚，在水里发出撕拉链的声音，声音可以在水里面传递得很远，声波在海面附近的典型传播速率为1500m/s左右，比电磁波的速率低5个数量级，与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多。从此声音在水下扮演了传递信息的重任。地球表面的接近3/4是海洋，很辽阔也很美丽，孕育着无数的生命，蕴藏着丰富的自然资源，这就是为什么很多国家有领海争端的一个原因。目前来看，陆地上的4G通讯技术应用发展十分顺利，而5G通讯技术也是大势所趋（我还在用2G的卡），而水下通信发展是一个怎样的情况呢？水下利用声波这个媒介的通信技术目前水平相对于陆地上2G，GSM空中接口的载频带宽为200KHZ，理想的8路数据传输速率在200kbps，则最终的数据速率可达164kbps左右，当然这是很理想的情况，而水下信道远比电磁场复杂，（后面再说为什么复杂），说到通信离不开带宽，水下的通信带宽只有40KHz左右,可能还不到这个带宽，目前做的好的数据传输速度只有40kbps左右，而这只是单纯的点对点通信，实验室水池水平，通信距离5公里上下，有的人会想不搞点对点，转而就像在陆地上建通讯基站，搞通信组网怎么样？有了类似于蜂窝通信的可靠性和速度，蛟龙号，蛟龙号在水下不就可以高速率的即时通信了么，想想确实很美好。确实有很多厉害的人在从事这方面的研究。（图片来自网路）这里提到水下通信的困难，水声通信系统的性能受复杂的水声信道的影响较大。水声信道是由海洋及其边界构成的一个非常复杂的介质空间，它具有内部结构和独特的上下表面，能对声波产生许多不同的影响。以下是几个方面：（1）多途效应严重。当传输距离大于水深时，同一波束内从不同路径传输的声波，会由于路径长度的差异，产生能量的差异和时间的延迟使信号展宽，导致波形的码间干扰。例如当带宽为4kHz时，每米的路径差即会造成10毫秒的时延，使每个信号并发40个干扰信号。这是限制数据传输速度并增加误码率的主要因素。（2）环境噪声影响大。相当于电磁场噪声水平的数百倍，干扰水声通信的噪声包括沿岸工业、水面作业、水下动力、水生生物产生的活动噪声，（各类鱼虾的活动噪声）以及海面波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的自然噪声。这些噪声会严重影响信号的信噪比。（4）多普勒效应、起伏效应等。声波速度太小多普勒效应比电磁波严重得多，由发送与接收节点间的相对位移产生的多普勒效应会导致载波偏移及信号幅度的降低，与多途效应并发的多普勒频展将影响信息解码。水媒质内部的随机性不平整，会使声信号产生随机的起伏，严重影响系统性能。（5）声波几乎无法跨越水与空气的界面传播；受各类软硬边界影响声波声速受温度、盐度等参数影响较大；也就影响声波的传播路径，隐蔽性差；声波影响水下生物，导致生态破坏。关于应用：信息社会的巨大美好愿景是不是也可以在水下实现？民用：海洋资源的勘探和开发的速度大大提高。当然海洋灾害预报和气象预报同样不在是问题，海啸什么的，可以有更多的应急时间，事故搜救，比如客机失事，沉船之类的，应急能力会高几个数量级。军用，最实际的军用，应该是水下预警网络，构成空、天、水面、水下的立体网络，深海移动工作站将主要用于进行海洋科学探索，被喻为海洋里的“天宫一号”。深海空间站，外形类似一艘小型潜艇，250吨级，长度在22米左右，宽度接近7米，高度在8米左右。未来的空间站，就好比把地面的房间搬到了水下，在狭小的空间尽可能把各种功能都考虑到。2012年5月23日“深海空间站”——小型深海移动工作站模型在北京科博会上首次亮相。2013年11月3日，中国首个实验型深海移动工作站已完成总装，正在进行调试，并将于近期开展水池试验。工作站研制成功后，可为中国深水油气田开发、海洋观测网络建设与运行维护、海洋科学研究提供深海作业装备。它将与水面平台（6000吨级母船，可拖带工作站，支持其长期水下作业）、穿梭式多功能载人潜水器（往返于工作站与母船之间，具备输送、维修、通信、救生等功能）构成“一主两辅”的三元深海作业体系。深海技术也可兼顾国防。不管是攻击还是防御，都可利用海底基地扩大探测能力。深潜科技能力的发展对国防有很大好处。未来若也能在1000、2000米的深海开发旅游项目，则深海空间站发展前景将更为广阔。中船重工702所所长翁震平表示：2013年这个35吨级的实验平台主要用于验证、演示深海工作站具有哪些功能，下一步中船重工还将建造300吨级的实验型深海工作站，而我们最终的目标是研制出1500吨级和2500吨级的深海移动工作站。据说深海空间站这个大工程将会推动水下组网建设。作者：叶凯美国海军水下信息网络的发展现状与趋势近年来，尽管水下信息感知和传输技术有了长足的发展，但由于海洋环境极为复杂，水下战场相对于水面和空中，透明度仍然不高。以水下为主要战场的潜艇，具有隐蔽性好、机动范围广、打击威力大等显著特点，仍然是世界各国包括美海军重点的防御对象。为此，以美海军为首的主要国家海军积极推进水下信息网络建设，通过网络实现水下各种预警探测节点之间以及节点与其他维度平台之间的网络化信息联接，大力提高反潜作战能力。美国海军水下信息网络的发展现状与特点发展现状美海军发展水下信息网络可以追溯到美国20世纪50年代建设的固定式水下监视系统（SOSUS）。20世纪80年代后期，美国开始研制和部署采用光纤传输和局域网技术的分布式固定监视系统，主要包括固定式分布系统（FDS）和先进可部署系统（ADS）,同时，为弥补固定式阵列的不足，美海军先后发展了舰载拖曳阵监视系统（SURTASS）和多功能拖曳阵列（MFTA），装备在水面舰船上，弥补固定式探测阵列无法移动的缺陷。上述固定式和拖曳式装备共同构成了综合水下监视系统（IUSS）。20世纪90年代开始，由于无线传感器网络的发展，美海军又将水下信息感知的重点聚焦到网络化反潜预警方面，“广域海网”（Seaweb）、“近海水下持续监视网络"（PLUSNet）、可部署自动分布式系统（DADS）就是其中的代表。“广域海网”是美海军基于“网络中心战”思想建设的“部队网”的水下部分。目的是通过可靠的传输链路，将传感器网络、信息网络与作战网络进行合成，使每一个传感器、每一艘舰艇、每一架飞机都能成为体系中的一个节点；通过可靠的通信链路，各个固定或移动节点均可自由地接入网络，快速准确地发送、接收信息，实现各平台、节点之间的通信，并能在出现故障的情况下自我修复，从而构成跨系统、跨任务、跨平台、跨国的综合性分布自主式水下作战信息网络体系，实现对水下作战信息的广泛获取、自由联通、高度集成融合、交互共享和应用，为浅海复杂环境下对安静型潜艇实施作战提供有力的信息支持，以夺取近海水下作战空间优势。近海水下持续监视网络是一种半自主控制的海底固定+水中机动网络化设施，由携带半自主传感器的多个潜航器组成。这些潜航器能够互相通信，并在没有人为指令的情况下做出基本决策，从而履行多种功能，包括对温度、水流、盐度、化学成分及其他海洋元素进行取样，密切监视并预测海洋环境。其目的是通过网络化协同工作，对安静型常规潜艇进行探测、分类、定位和跟踪，可在大约10000平方千米的区域内为反潜战提供监视能力。可部署自动分布式系统是美海军研究局联合空间和海战系统司令部正在研发的未来海军近海防雷反潜作战研究项目。该系统是由布设在海底、可长期自主工作的水声传感器组成的水下监视系统，可以对重要的海域进行较长期的水声目标监视和水声信息采集。美海军在2001年6月进行了DADS应用的舰队作战试验，它由14个固定节点组成，包括2个DADS传感器节点、2个浮标网关节点和10个遥控声纳中继节点，装备Sublink设备的潜艇作为移动节点参加试验，“广域海网”服务器分别部署在潜艇和岸基反潜作战指控中心。2007年已经成功进行了40个节点的样机演示，当时计划于2010年形成作战能力。据美海军预算显示，DADS系统2010年已完成样机演示，但仍有研究拨款。目前尚未发现有采购拨款。发展特点通过对美海军水下信息网络发展现状的分析，可以分析出美海军水下信息网络如下发展特点。固定部署与移动部署相结合水下信息网络源于美国20世纪50年代发展的SOSUS水听器阵列。SOSUS是一种固定式水下监视系统，由设置在港湾、海峡和主要海上通道附近的探测设备和岸基信号处理系统组成。与舰艇及机载探潜系统相比，固定式水下监视系统具有很多优点，包括不受运载工具容积和载重量的限制，可使用大尺寸的基阵，可增大作用距离；探测系统可根据不同海区的水声传播条件设置于有利的水层，并可避免各种运载工具的噪声干扰；隐蔽性好，不易被敌方破坏。但是，这种传统的水下信息获取主要依靠单个传感器，该方式的探测效率较低，很难满足对大范围、长时间水下信息获取的需求。通过网络技术将多个不同位置布放的传感器进行互联，各节点间通过可靠的通信手段实现数据的交换、分发和汇聚，采用集中或分布式数据处理实现对网络覆盖范围内目标的探测、定位、跟踪和分类识别等功能，可以形成分布式网络化水下预警探测系统。因此，20世纪80年代后期，国外开始研制和部署采用光纤传输和局域网技术的分布式固定监视系统，典型代表是美国的FDS（固定式分布系统）、FDS-C（民用现成技术固定式分布系统）等。分布式水下监视系统具有机动灵活、效费比高等优点，扩大了水下预警的探测范围和持续时间，可有效增强水下战场的信息感知能力。20世纪90年代以来，国外开始重点研究可部署的水下监视系统。美国近年来发展的先进可部署系统、可部署自动分布式系统、近海水下持续监视网络等都是可部署的水下监视系统。这些系统能够通过水下、水面和空中平台进行部署，水下综合采用固定式和移动式传感器节点，能够实现机动部署和协同工作。这在一定程度上克服了固定式水下监视系统的缺陷，具有了更大的灵活性。但是，由于固定式水下监视系统以其可长期持续监视的能力，仍在水下预警监视中发挥着重要作用，也是目前各国海军发展的重点之一。浅海探测与深海探测相结合随着美海军战略重点逐渐由深海向浅海转移，美海军高度重视浅海水域的水下监视，先后研发了先进可部署系统、近海水下持续监视网络、固定分布式系统等一系列适用于浅海区域的水下信息网络。先进可部署系统可对浅水近岸环境中的安静型潜艇进行探测，近海水下持续监视网络更是专门用于在西太平洋地区的近海环境中对安静型常规潜艇进行探测、分类、定位和跟踪。固定分布式系统虽然不是专门针对浅海探测研制，但也可以部署在浅水区，用于发现潜艇(静音柴电潜艇、潜航器)。由此可见，浅海水下信息网络是美海军水下信息网络发展的重点。虽然美海军高度重视对浅海水下信息网络的研究，但并没有忽视深海反潜网络的研究。目前，美国已经启动了多项深海反潜网络研究，包括可靠声学路径垂直阵、深海主动探测系统和深海作战系统。这些系统中借鉴了大型垂直阵、浮标声纳中的体系接收阵、浅海反潜中使用的大功率声源、浅海网络中的声学-射频(ACOMMS/RF)中继浮标、可发电大型浮标、声纳深海探测技术等很多现成技术，有望使深海网络在近期实现部署。从技术角度看，美海军探索深海反潜网络的主要方式是集成现有技术，注重对深海信道的利用。因此，美海军水下信息网络将在很长一段时间内，进行浅海探测和深海探测综合发展。水下监视与水面处理相结合早期的水下监视系统都是通过水下探测设备进行探测，探测到的信息由岸上进行处理。例如，美国最早的SOSUS水下监视系统是通过借助铺设在洋底的水听器电缆网，以发现和确定潜在敌人的导弹核潜艇的位置和运动诸元，该系统搜集的原始数据通过电缆传回岸基站进行分析。固定分布式系统水下部分主要是与光缆相连的水听器阵列，部署在各种复杂海区深海海底（如海峡）或具有战略意义的浅海地区，获得的信息通过电缆传回到岸上的操作人员。随着水声探测技术的发展，美海军开始借助浮标等水声设备实现水声信息处理或水下探测。例如，美国先进可部署系统通过在海底敷设传感器阵地，传感器将搜集到的信号数据传递给浮标，浮标内处理器对数据进行压缩和初步处理，再传递回水面平台。再如，浮标也是美海军深海主动探测系统的重要组成部分。浮标利用海上的自然摇摆运动产生电力，可为海洋观测站、海岸警备浮标、声纳/雷达系统和声学监视系统提供电力。这种技术可满足海上传感器平台的电力供应需求。在连续电力保障下，卫星通信系统可将传感器探测到的可疑活动直接发送给工作人员。美海军水下信息网络的发展趋势综合以上分析，可以看出美海军水下信息网络主要有以下发展趋势。浅海水下信息网络成为水下信息网络发展的热点海湾战争以来，在“由海向陆”和“21世纪海上力量”等美国国防部顶层规划的指引下，美海军的战略重点逐渐由深海向浅海转移。在美军“网络中心战”概念的影响下，美海军提出了“水下信息网络中心战”的概念，特别重视浅海地区水下监视系统和水下信息网的发展，以此增加水下探测距离和分辨率、提高水下战场信息控制能力，扩大水声预警探测范围。从技术上讲，浅海环境比较复杂，环境噪声使信噪比很低，对水下通信技术的挑战更高，而发展浅海水下信息网络的关键在于通信，美海军非常重视浅海水下信息网络建设。为了更好地实施浅海作战，有效应对安静型潜艇，美国先后研发了先进可部署系统、近海水下持续监视网络等一系列专门针对浅海的水下信息网络。先进可部署系统研制的主要目的是探测、定位在浅水近岸环境中的安静型潜艇。提高水下信息网络的快速可部署能力和灵活性是发展的重点由于海洋区域的广袤性和水下信息网络设备的昂贵性，任何国家都难以承受在广大海域大量部署固定式水下信息网络的经济要求。加之水下环境的复杂性，因此，提高水下信息网络的快速可部署能力和灵活性成为关注的重点。可快速部署式水下信息网络系统能有针对性地在预定战场提前部署，而且部分可回收再利用，经济效益明显。近年来美国发展的先进可部署系统、可部署自动分布式系统、近海水下持续监视网络等都非常注重网络的快速部署能力和灵活性，在设计中考虑了多种平台的部署方式。先进可部署系统是美海军正在研制中的一种可快速部署的高机动性水下监视系统，可随海上作战编队一道行动，由水面舰艇和反潜直升机投放，可在战争冲突发生前期或期间快速部署在预定作战海域，提供大面积海域的水下声学信息供作战指挥官参考。按照美海军计划，ADS是舰艇反潜战任务模块中最主要的传感器组之一，将装备在近海战斗舰、潜艇以及反潜飞机上。可部署自动分布式系统由布设在海底的可长期自主工作的水声传感器组成，可快速部署，能够对重要的海域进行较长期的水声目标监视和水声信息采集。近海水下持续监视网络通过采用水下固定式和移动式节点，实现机动部署和协同工作。移动式平台将在水下信息网络中发挥越来越重要的作用水下传感器节点成本很高，而海洋中水下区域往往又很大，这意味着应用稀疏网络的部署，使得可移动的UUV在水下无线网络中普遍使用。目前，UUV已经用于执行扫雷、侦察、情报搜集及海洋探测等任务。由于水下环境很复杂，水下信息网络必须要能够适应这种复杂的环境才能发挥效能。例如，声影区和气泡云等都能导致网络通信中的信息遗失，有时只需移动一点位置就会极大改善通信条件，所以移动节点将是解决这一问题的有效方法。UUV应用于水下信息网络中，不仅可以增强网络的自适应能力，还可扩展网络的覆盖范围，提高网络的经济可承受性。这种具有自适应能力的移动网络已成为欧美主要国家海军的研究热点，以期提高水下协同作战能力和信息感知能力。近海水下持续监视网络本身是一种半自主控制的海底固定+水中机动网络化设施，采用了携带半自主传感器的多个潜航器。这些潜航器主要包括“海马”、“金枪鱼-21”、“海上滑行者”等多种类型的UUV,能够在水下机动，并可以相互通信，极大提高了水下信息网络的适应能力、覆盖范围和快速响应能力。可部署自动分布式系统在2001年6月进行的舰队作战（FBE-I）试验中，也采用装备Sublink设备的潜艇作为移动节点，体现了移动节点在水下信息网络中所具有的优势。核心技术的突破始