无人反水雷中通信及导航定位技术研究

无人反水雷中通信及导航定位技术研究

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：本文阐述了一种基于通信浮标节点的无人反水雷UUV通信及导航定位技术。利用通信浮标的北斗短报文通信及定位功能和水声通信功能，自持式UUV通过对两个以上已知GPS点的浮标相对位置的解算，可以在不出水面情况下进行精确的三维定位。从而大大提高了UUV的隐蔽性、精确性以及作战范围。本文中主要介绍了系统的总体设计方案、通信浮标原理及组成、UUV水声通信­及水声定位技术。

关键词：  UUV；MCM；导航定位；浮标

Research of Communication and Navigation for autonomous MCM Operations

Abstract：A kind of communication and navigation solution for unmanned MCM was introduced in this article．With the floats that had functions of transmitting information，globally positioning by satellite communication terminal and acoustic communicating，self-control UUV was able to get precise three-dimensional global position by calculating relative position of more than two floats that knew its self GPS position instead of getting on surface of water．Therefore great progress was made about hiding and precision and effective range of UUV．The general design scheme, principle and composing of float, acoustic communication and acoustic navigation of UUV were given out．

Key words：  UUV，MCM，navigation，float

1引言

水下无人潜航器UUV（Unmanned Undersea Vehicle）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，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、反水雷战领域中得到空前发展。早在2003年，美军在“自由伊拉克”行动中利用UUV对通往乌姆盖斯尔港口的航道进行调查、清理，仅用16小时就完成任务。UUV在反水雷作战中体现出巨大的技术优势，相对于其它反水雷装备UUV具有优良的性价比、更少的配套设备，便于运输，可根据实际情况对不同功能UUV的使用进行配置，赋予单舰一定的反水雷作战能力。

按照航行控制方式的不同，UUV分为有缆UUV，又称水下遥控运载工具（Remotely Operated Vehicle， ROV)和无缆UUV，水下自持式无人运载器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），其中AUV代表了UUV的发展方向。随着AUV执行任务的多样性和各种相关技术的提高，UUV的潜航深度和续航能力的大幅度提升，不可避免的带来了UUV在通信和导航定位能力上的困难。

2系统工作原理及组成

无人反水雷作战中通信及导航定位系统主要包括用于通信和定位的浮标节点、水下UUV和岸基的接收处理中心三个主要部分，其系统组成如图1所示。

图1 无人反水雷作战中通信及导航定位系统组成图

其中，通信浮标节点将通过卫星或无线数传电台与反水雷数据中心进行通信和北斗定位，然后通过浮标中的水声通信单元将北斗定位信息发送到UUV，同时接收来自UUV的数据通信并通过卫星转发回反水雷数据中心。UUV则根据两个以上不同位置的浮标的GPS点进行解算得到其精确的平面GPS点，然后再由其自带的压力传感器测量其在水中的深度从而实现对UUV的精确三维定位。

3通信浮标节点原理及组成

通信浮标节点主要完成卫星通信、无线数传通信、北斗定位以及水声通信功能，通信浮标节点主要由MCU中心处理器、卫星通信模块、无线数传模块、动力驱动模块、水声通信模块、电源管理模块组成如图2 所示。

图2 通信浮标节点系统组成图

通信浮标节点采用电池供电，所以需要采用低功耗电源管理技术。驱动单元包括驱动电机和升降油囊，用来调节浮标自身的浮标从而实现浮标的上浮和下沉。水声通信单元是水声通信和水声测距功能的实现模块，UUV实现通信和定位的关键部位。

4系统导航定位原理及反水雷应用

在面对敌方布设水雷区域，使用单UUV或多UUV协同工作时，只有对敌方水雷布放位置信息进行准确确认后，方能由UUV引导己方舰船通过雷区或向其它战斗单位提供反水雷所需信息。因此，对UUV在水下的空间位置进行精确导航定位对使用UUV执行区域反水雷任务具有重大意义。目前UUV导航定位方法主要有，声学导航、惯性导航、地球物理学导航和协同导航等。在反水雷作业区域，为使水下UUV获取大地坐标用于自身导航定位并据此对水雷位置信息进行标记，可采用如下方法:采用北斗短报文通信、无线数传电台和水声通信组合通信链技术，利用安装在浮标上的北斗定位设备获取浮标本身的准确位置信息，然后在通过水声通信数据链在UUV和浮标间进行数据交换，使得UUV得到自身导航定位所需信息。

浮标上除安装北斗接收设备外，还可安装卫星通信，微波通信和短波通信设备，使得浮标作为通信链中的中继节点存在，并且每个浮标具有区别于其它节点的网络地址。多种通信方式的使用能够最大限度的保障浮标和己方数据中心通信的畅通，并根据战场环境条件由人工干预或控制系统自动选用通信方式。系统工作时所需浮标最小数量为2个，它们共同组成一个长基线定位系统，浮标与水下作业UUV水声通信部分兼具收发功能,依靠频分多址实现多通道通信。系统展开时，可由舰船在要工作的水雷区域周围布防浮标阵或由舰载直升机吊放快速开展作业。根据综合战场态势信息制定UVV的作业计划，当发现可疑目标时，先UUV对可疑目标进行定位、按其物理特性分类后再通过水声通信将目标相关信息知浮标，浮标再通过卫星或无线电数据链将数据传输至反水雷数据中心，反水雷数据中心跟据浮标阵中各浮标计算的与UUV得相对位置结合浮标GPS位置信息计算得出水雷可疑物的位置信息。

5总结

本文针对大范围反水雷作战的自持式UUV的通信和导航定位比较困难的特点提出了基于通信浮标节点的北斗通信及导航定位技术。从而进一步提高了UUV水声通信的性能，导航及三维北斗定位的精确度。对于在敌方水域进行自主作业的UUV的通信及导航定位应用具有一定的推广意义。

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