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隨著UUV技戰(zhàn)術(shù)性能持續(xù)、快速提升，UUV作為海洋信息化網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點被大量部署和應(yīng)用，尤其是以集群形式互相協(xié)作執(zhí)行任務(wù)已成為近年來的發(fā)展趨勢。若要達(dá)到高效的協(xié)同作業(yè)能力，通信、導(dǎo)航定位技術(shù)是其完成集群作業(yè)的前提和基礎(chǔ)。
水聲技術(shù)因在水下通信、導(dǎo)航、定位等方面的優(yōu)勢，在海洋軍民活動中發(fā)揮著重要作用。在水下作業(yè)中，UUV除了安裝為完成任務(wù)而攜帶的載荷外，還需配備用于通信與導(dǎo)航定位的聲吶設(shè)備。目前，這2種聲吶設(shè)備常作為獨立的2套設(shè)備安裝和使用，其信息獲取、利用效率較低，而且增大了平臺的體積、功耗，降低了資源的有效利用率。水聲通信、導(dǎo)航定位系統(tǒng)在組成、架構(gòu)、原理、頻段上都有相似之處，一定程度上存在著重復(fù)設(shè)計的部分，給聲吶的通導(dǎo)一體化提供了可能。
聲吶系統(tǒng)通導(dǎo)一體化設(shè)計兼容了通信和導(dǎo)航定位功能，在提高頻帶使用率、減小體積、降低功耗等方面都具有顯著優(yōu)勢，能夠在一定程度上緩解UUV資源有限的問題，可實現(xiàn)UUV資源共享，提高作業(yè)效率、擴(kuò)展任務(wù)執(zhí)行能力、增強(qiáng)作業(yè)隱蔽性能等。
一、一體化技術(shù)研究進(jìn)展
聲吶系統(tǒng)的一體化研究正處于發(fā)展階段，而雷達(dá)系統(tǒng)的一體化技術(shù)已經(jīng)較為成熟，通過梳理雷達(dá)的一體化發(fā)展歷程，給聲吶一體化技術(shù)發(fā)展提供一些參考和借鑒，有助于一體化的水聲通信導(dǎo)航定位技術(shù)快速發(fā)展，如圖1所示。
圖1 雷達(dá)一體化發(fā)展階段
1. 雷達(dá)一體化技術(shù)發(fā)展歷程
雷達(dá)一體化技術(shù)發(fā)展的較早，已有廣泛應(yīng)用。自Mealey等提出在雷達(dá)上實現(xiàn)通信功能的理念后，利用雷達(dá)進(jìn)行通信、導(dǎo)航的可行性驗證和應(yīng)用研究持續(xù)至今。雷達(dá)系統(tǒng)的一體化發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了4個階段：①功能獨立結(jié)構(gòu)，雷達(dá)、通信、導(dǎo)航系統(tǒng)集成于一個平臺，各自實現(xiàn)獨立的功能，在理論上首次提出多功能一體化的概念；②信息共享結(jié)構(gòu)，雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等電子系統(tǒng)采用總線機(jī)制共享控制與顯示終端，提高了系統(tǒng)的自動化程度和操作便捷性，是一體化發(fā)展的初級階段；③資源共享結(jié)構(gòu)，除了控制與顯示終端外，更進(jìn)一步實現(xiàn)了信號處理機(jī)等組件的共享，提高了數(shù)據(jù)交換速度，實現(xiàn)了信息“零延遲”交互和統(tǒng)一調(diào)度；④全共享結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步實現(xiàn)了對射頻通道和天線孔徑等資源的共享，傳感器子系統(tǒng)的一體化，從而實現(xiàn)電子信息系統(tǒng)的全面融合，邁向智能化。
20世紀(jì)60年代，Mealey等利用雷達(dá)的脈沖對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制實現(xiàn)了單向通信系統(tǒng)后，雷達(dá)一體化研究受到了極大的關(guān)注。針對雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多功能一體化需求，1987年，美國空軍萊特實驗室啟動“寶石柱”(Pave Pillar)計劃，提出了一個統(tǒng)一的模塊化、開放式、具有良好容錯性且高度靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，被用于第4代戰(zhàn)斗機(jī)F-22上。20世紀(jì)90年代初，美國進(jìn)一步提出了“綜合傳感器系統(tǒng)”(ISS)和“寶石臺”(Pave Pace)計劃，研究成果已應(yīng)用于先進(jìn)一體化航空電子系統(tǒng)研制中。1996年，美國海軍研究局和海軍研究實驗室聯(lián)合發(fā)起了水面艦船“先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)”(AMRFS)計劃，對集成了雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信等功能在內(nèi)的寬帶射頻多功能、低信號特征共用孔徑的概念做出了原理性的驗證。
2009年，美國海軍研究所資助了雷達(dá)通信功能融合系統(tǒng)的研究。2013年，美國高級研究計劃局DARPA資助了研究項目“雷達(dá)通信頻譜共享”(SSPARC)。2016年4月，DARPA戰(zhàn)略技術(shù)辦公室發(fā)布了“協(xié)奏曲”(CONCERTO)項目征詢書，旨在為緊湊型無人機(jī)設(shè)計和實現(xiàn)新的融合式射頻架構(gòu)，為雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等一體化帶來自適應(yīng)、靈活可重構(gòu)等諸多變革性的系統(tǒng)能力。2018年，DARPA和洛馬公司共同開展了“體系集成技術(shù)與實驗”項目研究，旨在將偵查、探測、通信、干擾、打擊及評估等各種功能單元進(jìn)行無縫連接，以及增強(qiáng)單兵便攜式多功能裝備性能和多兵種協(xié)作能力。
2. 聲吶通信導(dǎo)航定位一體化技術(shù)
與雷達(dá)通信一體化發(fā)展歷程相似，隨著AUV、UUV等無人潛航器的發(fā)展，對提供導(dǎo)航定位服務(wù)的同時，實現(xiàn)通信一體化的需求越來越迫切。但聲吶系統(tǒng)與雷達(dá)相比有許多難點，如水下聲學(xué)信號傳輸具有帶寬窄、基線間距小、傳播速度慢、信道復(fù)雜等明顯的劣勢，對基于聲吶的通導(dǎo)一體化研究非常不利。為了滿足水下信息透明等強(qiáng)烈需求，在諸多國內(nèi)外學(xué)者的努力下，基于聲吶的一體化技術(shù)也取得了較大進(jìn)展。
McManus等開發(fā)了定向聲學(xué)應(yīng)答器(DAT)，使用集成了標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器的改進(jìn)型超短基線(USBL)系統(tǒng)，用通信包信號的到達(dá)時間估計方位角和仰角，實現(xiàn)了UUV的海底通信和導(dǎo)航。Watanabe等將AUV中獲得的INS數(shù)據(jù)通過擴(kuò)頻(SS)聲學(xué)通信方式傳輸?shù)侥复瑫r該聲信號的數(shù)據(jù)符號也用于定位，綜合定位結(jié)果和傳輸?shù)腎NS數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確跟蹤AUV位置。Kebkal等提出了一種基于掃描擴(kuò)展載波(S2C)技術(shù)的定位和通信融合方案，將USBL定位系統(tǒng)與水聲調(diào)制解調(diào)器深度集成，使用相同的聲信號來傳輸信息和估計信號源位置，能夠同時跟蹤應(yīng)答器/AUV等目標(biāo)的運動，并與目標(biāo)交換即時消息和有效載荷數(shù)據(jù)，給出了在淺水中USBL的距離和方位實驗精度，以及在強(qiáng)混響信道中的數(shù)據(jù)傳輸速率。Rodionov等對工作頻帶12kHz的調(diào)制解調(diào)器在10km距離內(nèi)的測距精度估計進(jìn)行了研究。
隨著水下任務(wù)模式的演變，潛艇、水下UUV等平臺已經(jīng)從“單平臺”向“網(wǎng)絡(luò)化”協(xié)作模式演進(jìn)。相比單體無人潛航器的信息共享方式，進(jìn)行多水下平臺一體化集成時還需考慮模型的適用性和有效性。Caiti等研究了基于時分復(fù)用的水下通信網(wǎng)絡(luò)方案，使用MOOS pub/sub進(jìn)行應(yīng)用集成，研究了自主水下機(jī)器人集群在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)約束條件下的合作定位算法。Yan等提出了一種考慮通信時延的多UUV極地協(xié)同導(dǎo)航算法，跟隨UUV根據(jù)領(lǐng)航UUV發(fā)送的信息和超短基線(USBL)聲學(xué)定位測量的相對位置，修正自身位置和狀態(tài)，實現(xiàn)高精度導(dǎo)航。
一體化設(shè)計是水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向集成化、信息化、智能化發(fā)展的必經(jīng)之路。在一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究方面，潘笑等提出了一種支持水下通信、定位與導(dǎo)航一體化組網(wǎng)系統(tǒng)，其基于水聲換能器通導(dǎo)一體化、兼容主被動的水下定位技術(shù)等，利用水聲通信定位一體化潛標(biāo)等關(guān)鍵設(shè)備提供高精度定位與導(dǎo)航信息，系統(tǒng)可具備最大100km2海域范圍內(nèi)的定位導(dǎo)航和400km2范圍內(nèi)的通信能力。
隨著水聲一體化技術(shù)的發(fā)展，以資源共享形式的深度集成一體化結(jié)構(gòu)慢慢呈現(xiàn)。Qiao等提出了一種基于傳播損耗、協(xié)作、被動、異步分布的UWSNs定位方案，即通信信號傳播損耗定位方案(CSPLLS)，采用一種新的基于距離的定位方法，根據(jù)實驗和仿真結(jié)果，證實了在質(zhì)心優(yōu)化的情況下，定位誤差低至2.2%，而且擺脫了節(jié)點的時鐘資源，實現(xiàn)了水下通信和定位的集成設(shè)計。曲思潼等給出了一種基于水聲鏈路的水下潛航器間測距與授時的新方法，采用水聲雙向偽碼授時-測距(T-WPcT-R)及沖突避免多址接入(MACA)協(xié)議實現(xiàn)UUV之間的信息交互，利用雙向偽距授時-測距(T-WPrT-R)體制實現(xiàn)水下UUV間的精密測距及時間同步。
在一體化資源全共享階段，波形的一體化研究至關(guān)重要。Brian Bourgeois等評估了使用不同類型的聲學(xué)信號解決水下航行器導(dǎo)航、通信和控制問題的有效性，給出了在淺海環(huán)境下，當(dāng)信噪比(SNR)大于-15dB時，傳輸速率可以達(dá)到350bit/s，檢測概率超過95%，而且相對定位誤差不超過0.1%的結(jié)論。盧俊等研究了共享體制下基于通信信號的水下探測通信一體化技術(shù)，并針對單基地和雙基地工作模式，分析了信噪比、誤碼率與探測性能的關(guān)系。胡安平等分析了水聲測距通信一體化的技術(shù)體制，對水聲測距通信共用同步頭做了比較，并對線性調(diào)頻、雙曲線調(diào)頻、偽隨機(jī)擴(kuò)頻3種信號形式在同步方式下的測距誤差及誤碼率進(jìn)行仿真分析。徐媛媛為提升水下態(tài)勢感知能力與信息交互能力，通過分析水聲通信信號波形參數(shù)與水聲定位精度、識別概率間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出水下通信定位識別一體化波形優(yōu)化設(shè)計方法和準(zhǔn)則。
Yin等提出了一種用于連續(xù)主動聲吶檢測和通信的新型集成波形(IW)，分析了IW的時間和頻率分辨率以及抗混響能力，并在高斯噪聲和多徑條件下，比較和分析了2種基于該IW的水聲通信接收機(jī)的性能。郝夢華提出將復(fù)合碼作為同步發(fā)射序列應(yīng)用于水聲測距系統(tǒng)，針對復(fù)合碼的三值自相關(guān)特性造成多徑時延檢測誤差的問題，提出一種邏輯組合方式構(gòu)造再生復(fù)合碼，實驗表明在淺海多徑及低信噪比(-10dB)環(huán)境下，同步捕獲復(fù)合碼的準(zhǔn)確率可達(dá)100%。
3. 水聲通信導(dǎo)航定位一體化產(chǎn)品
水聲一體化產(chǎn)品的研發(fā)一直伴隨著相關(guān)技術(shù)同步發(fā)展。近年來，國外幾家知名的水聲公司已經(jīng)推出了成熟的定位、通信一體化產(chǎn)品，表1給出了幾種典型產(chǎn)品的參數(shù)對比。
表1 國外定位通信一體化產(chǎn)品參數(shù)對比
法國iXblue公司的“Gaps”系列產(chǎn)品不僅可用于水下航行器的精確定位，還可實現(xiàn)水面艦艇和水下航行器之間的雙向通信，可用于諸如INS重新對準(zhǔn)、傳感器數(shù)據(jù)回傳、使用“Canopus”進(jìn)行LBL陣元校準(zhǔn)、AUV控制等。德國EvoLogics公司使用S2C技術(shù)可同時實現(xiàn)聲學(xué)定位與傳輸數(shù)據(jù)，如圖2所示。這2個功能在系統(tǒng)中相互補(bǔ)充，不僅用于AUV和ROV的導(dǎo)航、制圖、潛水員跟蹤等，還用于聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸，可支持USBL和LBL系統(tǒng)。
圖2 德國EvoLogics公司定位通信一體化產(chǎn)品應(yīng)用圖
英國Sonardyne公司的“Ranger2”USBL系列定位產(chǎn)品不僅是聲學(xué)跟蹤和DP參考系統(tǒng)，還具有雙向數(shù)據(jù)遙測功能；“AvTrak6”系列產(chǎn)品集成了AUV跟蹤和導(dǎo)航系統(tǒng)，兼容LBL和USBL，并支持大容量數(shù)據(jù)傳輸；“AvTrak6 Nano”系列更是適合UUV集群，可為UUV同時提供導(dǎo)航定位和位置播發(fā)服務(wù)。挪威Kongsberg公司的“μPAP”定位產(chǎn)品是一種小型、緊湊的聲學(xué)定位系統(tǒng)，用于在水面艦艇上跟蹤ROV、拖魚、潛水員等，除此之外，還能利用基于寬帶擴(kuò)頻信號進(jìn)行高速聲學(xué)數(shù)據(jù)通信；“cNODE”系列的水聲Modem產(chǎn)品，與uPAP定位系統(tǒng)配合使用，兼容SSBL、LBL定位系統(tǒng)，具有水聲定位、數(shù)據(jù)通信功能。
國外水聲通信導(dǎo)航定位等一體化產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)、中科院聲學(xué)所東海站等單位已在開展相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作，但尚未有公開發(fā)表的成熟產(chǎn)品，與國外在產(chǎn)品化方面存在較大差距。
二、聲吶通信導(dǎo)航定位一體化技術(shù)發(fā)展趨勢分析
源于聲波的物理特性和應(yīng)用環(huán)境，現(xiàn)有的水下網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點，無論是固定式還是移動式，都面臨著頻帶資源緊張、聲信號干擾嚴(yán)重、信息體系不完備等問題。聲吶一體化技術(shù)能同時為節(jié)點提供導(dǎo)航定位與通信功能，節(jié)約節(jié)點空間、減輕重量、降低能耗、提高系統(tǒng)自動化和智能化程度以及安全性。隨著水下應(yīng)用場景對水下節(jié)點在自主性、適用性、高精度、高航速等方面的需求，也對聲吶一體化技術(shù)提出了新的更高的要求，未來聲吶一體化技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：
①具備更快速、更透明的信息傳輸能力，提高信息傳輸效率；②具備更高的測量精度和幀率、更低的誤碼率，改善系統(tǒng)性能；③具備更廣的應(yīng)用范圍和適用深度，提升節(jié)點使用性能；④具備更復(fù)雜、更迅速的水下組網(wǎng)能力，自主、迅速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；⑤具備更多用戶使用能力，一體化程度高，小型化集群應(yīng)用。
在一體化設(shè)計中需統(tǒng)一考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析重點和難點，信號體制設(shè)計是關(guān)系到一體化系統(tǒng)性能的重要因素，是研究的關(guān)鍵；針對低信噪比接收、干擾及旁瓣抑制、聲學(xué)暴露性問題控制、平臺移動引起的多普勒補(bǔ)償?shù)刃盘柼幚韱栴}，則需在通信判決與時延估計中進(jìn)行考慮和設(shè)計；未來還需考慮水下組網(wǎng)技術(shù)等。其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一體化和信號體制是設(shè)計的基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的要素，下面主要對這2方面進(jìn)行論述。
1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一體化
耦合是一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方式，尤其是緊耦合、深耦合方式，在未來一體化應(yīng)用場景中，尤其在水下航行器集群應(yīng)用時優(yōu)勢更明顯。根據(jù)共享結(jié)構(gòu)不同，從耦合深度劃分，通信導(dǎo)航定位一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展可以分成3個階段：
（1）松耦合階段：通信與導(dǎo)航定位系統(tǒng)各自獨立工作，通過共享信息提高交互能力，常采用分時或分頻體制解決聲兼容問題。分時體制是將時間劃分為多個間隙，每個間隙獨享導(dǎo)航定位信號或通信信號，不能在同一時隙內(nèi)同時發(fā)送2種信號；分頻體制是利用不同的頻段分別實現(xiàn)導(dǎo)航定位與通信功能，分時分頻體制系統(tǒng)簡單易實現(xiàn)、干擾小，但是更新效率低，不是嚴(yán)格意義上的耦合結(jié)構(gòu)。如我國4500m載人潛水器采用時間同步的方式避免水聲通信系統(tǒng)與定位聲吶等互相干擾。
（2）緊耦合階段：通過共享聲學(xué)傳感器基陣、接收部分、發(fā)射部分等通用部件，達(dá)到減少體積、重量和功耗，在接收端，利用處理器同時對定位信號進(jìn)行檢測和判決解碼通信信息，實現(xiàn)導(dǎo)航定位和通信硬件功能一體化。此階段的工作體制同樣可以采用分時或分頻體制，對于某些特定功能，還可采用分波束體制。分波束體制在雷達(dá)應(yīng)用較多，是將發(fā)射基陣劃分為不同的功能區(qū)域，實現(xiàn)不同功能，一般在水下應(yīng)用在多波束聲吶上，在定位和通信應(yīng)用上較少。
（3）深耦合階段：此階段為資源全共享階段，不僅實現(xiàn)了聲學(xué)傳感器基陣、接收部分、發(fā)射部分、處理器等硬件平臺共享，而且實現(xiàn)了波形、信息處理、功能算法和信息的全共享，不管是前端的接收還是后端的信號處理都具備高度一體化形態(tài)，具備全自動化和智能化控制和處理能力，是聲吶通信導(dǎo)航定位一體化的理想目標(biāo)。此階段的難點在于尋找、設(shè)計適合水下聲吶多功能應(yīng)用的一體化波形及相應(yīng)的信號處理方法。
水下平臺的小型化和集群編隊將會面臨體積、功耗、頻帶等資源缺乏問題，圖3給出了一體化耦合的3個階段，一體化的深度耦合方式是首選方式。
圖3 一體化耦合階段劃分
但是在水下，無論采用松耦合、緊耦合、深耦合的一體化設(shè)計，從聲學(xué)基陣前端到信號處理后端的整個過程都不可避免存在聲學(xué)干擾問題。一體化結(jié)構(gòu)在前端受換能器工藝、指向性限制，在發(fā)射頻帶外存在不同程度的能量泄露；對于收發(fā)分置系統(tǒng)，可采取加裝換能器聲障板的物理隔離方法，達(dá)到隔離收發(fā)之間的聲干擾問題；對于收發(fā)合置系統(tǒng)，可采取延時濾波器方法(加入延遲器、衰減器和移相器等)去除干擾信號；在后端的處理階段，也會受非對稱結(jié)構(gòu)的影響，造成帶外泄露。也可采取信道估計、自適應(yīng)抵消濾波器等對數(shù)字化后的信號進(jìn)行處理，以達(dá)到抑制干擾的目的。
2. 一體化信號體制
為了更深層次地實現(xiàn)聲吶的一體化設(shè)計，共享信號是必經(jīng)之路，即在同一平臺，利用一種信號可同時實現(xiàn)導(dǎo)航定位和通信的功能。在設(shè)計過程中，除考慮波形的性能外，還需兼顧聲吶環(huán)境對波形的適應(yīng)性及可擴(kuò)容性。
當(dāng)前較流行的水聲通信信號體制包括單載波、多載波、擴(kuò)頻、脈位調(diào)制及仿生水聲通信信號等，結(jié)合相干MPSK、非相干MFSK、跳頻、單邊帶調(diào)制等多體制的水聲通信技術(shù)也得到了發(fā)展。水聲導(dǎo)航定位信號體制主要是CW脈沖、LFM線性調(diào)頻、HFM雙曲調(diào)頻等，新的信號體制也得到了廣泛關(guān)注。徐國貴等研究了Gold寬帶編碼在水聲定位中的應(yīng)用，吳永清等對Pattern時延差編碼在水聲定位中的時延估計進(jìn)行了研究。
根據(jù)實現(xiàn)方式及波形復(fù)用方式，可以將一體化信號體制的共享波形分成表2給出三大類：疊加波形、基于通信一體化波形和基于定位一體化波形。波形體制為無嚴(yán)格區(qū)分或限制，以常用LFM、MSK、CPM、OFDM等信號體制為主的疊加、改進(jìn)、變形等。
表2 一體化波形分類
（1）疊加的一體化波形：疊加波形是利用2個正交的波形獨立產(chǎn)生后疊加合成，分別進(jìn)行導(dǎo)航定位和通信的調(diào)制，波形疊加的前提是2個信號相互正交。對于接收，由于波形是正交的，所以較容易處理和提取，疊加波形解決了2種功能的兼容性，但是效率有限。疊加波形已在雷達(dá)上有較多應(yīng)用，Roberto等研究了利用線性調(diào)頻(LFM)波形實現(xiàn)雷達(dá)與通信的波形集成，以正調(diào)頻信號作為通信波形，負(fù)調(diào)頻信號作為雷達(dá)探測波形，并對誤碼率、虛警概率與理論值進(jìn)行了比較；Xu等為了減少雷達(dá)交叉和截獲概率，提出了一種基于直接序列超寬帶(DSUWB)的雷達(dá)與通信集成系統(tǒng)，它利用不同的PN碼對雷達(dá)和通信數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻，以避免相互干擾；胡廷舟等對正調(diào)頻LFM信號進(jìn)行高階MPSK調(diào)制，然后與負(fù)調(diào)頻信號疊加形成一體化LFM-MPSK波形；代雪飛等為滿足設(shè)備小型化，提出了一種將線性調(diào)頻(LFM)信號和最小頻移鍵控(MSK)信號進(jìn)行融合，針對大多普勒頻偏時通信誤碼率急劇增大的問題給出了解決方法。借鑒雷達(dá)的疊加一體化波形，對水聲的一體化發(fā)展也具有重要意義。周琳等基于單信標(biāo)水聲定位方法提出了線性調(diào)頻LFM信號和擴(kuò)頻碼組合的新型水聲定位信號設(shè)計方案，更多可適用于水聲的疊加一體化波形還有待于進(jìn)一步研究。
（2）基于通信波形的一體化波形：以通信波形為主，利用或?qū)⑵涓脑斐蔀榭蛇M(jìn)行導(dǎo)航定位的波形，通信信息包含定位信號?；谕ㄐ挪ㄐ蔚囊惑w化波形主要是以編碼復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，將通信信號改造成適合導(dǎo)航定位的波形，或者在定位精度允許范圍內(nèi)直接采用通信信號作為定位波形。通信編碼波形如碼分多址(CDMA)、正交頻分復(fù)用(FDM)和擴(kuò)頻等，可利用信號的頻域特性，通過時頻變換處理導(dǎo)航定位信號。對于定位處理，獨立于通信信號，速度快、旁瓣低，但是此波形是在通信波形基礎(chǔ)上改造的，在低信噪比條件下不僅需要大的時間帶寬積，而且還需較好的時間分辨率。
Sturm等研究基于無線通信，使用經(jīng)典相位編碼波形用于高動態(tài)范圍的雷達(dá)測量，證明了綜合通信和雷達(dá)應(yīng)用的實際可行性。王永恒研究了多載波OFDM-MFSK通信信號體制，保留了OFDM系統(tǒng)中良好的抗多途、抗頻率選擇性衰落、高通信速率和實現(xiàn)簡單的優(yōu)點，并采用非相干的方式實現(xiàn)MFSK信號的檢測，具有更好的抗多普勒和抗相位噪聲的性能，具備應(yīng)用于導(dǎo)航定位的潛力。龐永麗等針對水聲信道中復(fù)雜的噪聲環(huán)境及各種干擾對定位準(zhǔn)確度的影響，利用擴(kuò)頻通信技術(shù)的抗干擾、抗噪聲能力，提出了基于混沌的擴(kuò)頻水聲定位信號設(shè)計方法，并仿真研究了其性能。
（3）基于定位波形的一體化波形：以定位波形為主，將通信信息調(diào)制到定位信號上，定位信號成為傳輸信息的載體，定位信號包括通信信息。基于定位波形的一體化波形由于要求時延測量精度高、延遲低、實時性強(qiáng)，以定位功能為主，一般波形結(jié)構(gòu)較基于通信的一體化波形簡單，所以在數(shù)據(jù)傳輸速率上性能不佳。Barrenechea等提出將通信數(shù)據(jù)以調(diào)幅的方式調(diào)制在調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號上，形成調(diào)幅-調(diào)頻連續(xù)波(AM-FMCW)寬帶雷達(dá)，但對于水聲信道，需要重點解決信號傳播過程中出現(xiàn)的幅度衰減不平穩(wěn)問題。李曉柏等針對系統(tǒng)的抗干擾能力和信號的低截獲率，提出了采用同調(diào)頻率不同初始頻率的Chirp信號，實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳送。王詔豐等提出了結(jié)合多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)的調(diào)制方式，建立了LFM-MFSK的一體化信號模型。殷敬偉研究了Pattern時延差編碼(PDS)通信體制和時間反轉(zhuǎn)鏡(TRM)技術(shù)，采用多種不同Pattern碼波形來進(jìn)行碼元分割以抑制碼間干擾，提出通過頻率分割可實現(xiàn)N通信信道同時工作以提高通信速率。
另外，馬園等針對占用較少資源和滿足應(yīng)用的前提下，提出一種基于隨機(jī)頻偏調(diào)制的頻率分集陣一體化波形，將具有隨機(jī)性的通信信號調(diào)制在頻率分集陣?yán)走_(dá)的頻偏上，并在通信信號間增加隨機(jī)頻率間隔，通過有效傳輸通信信息來提高雷達(dá)系統(tǒng)性能，實現(xiàn)特殊環(huán)境下的雷達(dá)目標(biāo)定位，也為水聲的一體化波形研究提供了新思路。
三、聲吶通信導(dǎo)航定位一體化技術(shù)應(yīng)用展望
通信與導(dǎo)航定位是水下網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點的必備功能，具有分布式、網(wǎng)絡(luò)化、透明、安全、共享的系統(tǒng)模式是未來聲吶一體化的主要發(fā)展方向。通過各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲取的信息和節(jié)點間信息的可靠傳輸能力，實現(xiàn)水下信息共享、信息融合，從而高效地執(zhí)行目標(biāo)導(dǎo)航、定位、探測、跟蹤和識別等任務(wù)。聲吶一體化技術(shù)的發(fā)展，能夠提升水聲系統(tǒng)的使用性能。通過梳理國內(nèi)外聲吶一體化技術(shù)的進(jìn)展情況，結(jié)合一體化技術(shù)在雷達(dá)方面的應(yīng)用效果，綜合分析一體化技術(shù)的難點、應(yīng)用要點和關(guān)鍵技術(shù)點，聲吶一體化技術(shù)的主要應(yīng)用在于：①能夠為水下節(jié)點提供了一種快速測量、透明傳輸、實時安全的運行手段；②能夠為水下節(jié)點提供高精度的導(dǎo)航定位、低誤碼率的信息傳輸；③具備復(fù)雜、多用戶的自組網(wǎng)能力，如UUV的集群等。
1. 水下多用戶集群應(yīng)用
水下多用戶集群是聲吶通信導(dǎo)航定位一體化技術(shù)的主要應(yīng)用方向之一。以UUV、AUV為代表的水下多用戶移動節(jié)點，最初是代替蛙人進(jìn)行水下勘探、沉船打撈、電纜鋪設(shè)及維修，后來發(fā)展到解決水下調(diào)查、偵察、通信和反潛、反水雷任務(wù)中遇到的新問題。
前期這些應(yīng)用基本上以單體使用為主，一體化潛在需求不明顯。隨著航行器的大量應(yīng)用，為了適應(yīng)任務(wù)的復(fù)雜程度和執(zhí)行效率，潛航器集群使用模式隨即浮出水面，多用戶信息收集和共享成為潛航器協(xié)同作業(yè)的基本需求，基于聲學(xué)技術(shù)的通信、導(dǎo)航是水下航行器作業(yè)的重要裝備，保障了任務(wù)的安全性與實時性。但相對獨立的2個系統(tǒng)，對實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長航時的集群任務(wù)是非常不利的。
水下潛航器無論單體還是多用戶集群作業(yè)，除了必需的導(dǎo)航定位信息支持外，針對不同的復(fù)雜任務(wù)，對信息傳輸、協(xié)同探測、警戒、搜索、攻擊、干擾等應(yīng)用模式都有不同的需求。受限于潛航器的體積、重量、功耗，將通信、導(dǎo)航系統(tǒng)在傳感器、電子線路、處理器、信號體制、算法等方面進(jìn)行緊耦合設(shè)計，為集群編隊提供導(dǎo)航的同時，可以實現(xiàn)各平臺之間的信息交互，提高頻帶的利用率，減小聲學(xué)干擾，以滿足集群的高精度、高幀率協(xié)同定位和通信需求，如圖4。
圖4 一體化技術(shù)應(yīng)用在水下集群協(xié)作示意
2. 水下測控和靶場建設(shè)
水聲通信導(dǎo)航定位一體化技術(shù)的另一個主要應(yīng)用方向是水下測控和未來靶場建設(shè)。水下測控技術(shù)是水下協(xié)作體系不可或缺的一部分，在水下預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)中，水聲測控為其主要手段；在水下指揮通信系統(tǒng)中，水聲通信技術(shù)是主要手段之一；在水下攻防體系中，水聲技術(shù)是實現(xiàn)水下態(tài)勢可視化的主要手段?；诼晫W(xué)技術(shù)的水下測控裝備是各國水下靶場不可缺少的實航測試方法，為水下靶場提供了大量的測評數(shù)據(jù)，保障了試驗的安全性與實時性。
在水下測控網(wǎng)絡(luò)中的各種裝備主要包括水下潛標(biāo)等固定式節(jié)點和浮標(biāo)、無人船、航行器、蛙人等移動式節(jié)點，以及固定或機(jī)動網(wǎng)絡(luò)部署測控網(wǎng)絡(luò)等，都離不開水聲通信、導(dǎo)航定位技術(shù)的支持。隨著面對面、半透明到背靠背訓(xùn)練技術(shù)的發(fā)展，透明的靶場態(tài)勢和信息交互能力是其有效開展測評的根本要素。
水聲導(dǎo)航定位和通信屬于測控技術(shù)的2個方面，隨著通信、導(dǎo)航定位技術(shù)一體化的提出和研究，新技術(shù)的應(yīng)用能夠進(jìn)一步提高水下測控裝備的導(dǎo)航定位、跟蹤、導(dǎo)調(diào)等綜合能力。水下靶場正逐漸向提高測量精度、增加作用范圍、擴(kuò)展深?？臻g、降低運行成本、增強(qiáng)便捷性與可靠性方向發(fā)展，通導(dǎo)一體化已成必然。
四、結(jié)論
（1）通過回顧雷達(dá)通信一體化技術(shù)發(fā)展歷程，梳理聲吶一體化技術(shù)的研究成果和產(chǎn)品，結(jié)合應(yīng)用場景對一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析和討論；
（2）重點研究了一體化技術(shù)的2個關(guān)鍵點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一體化和信號體制設(shè)計；
（3）對一體化技術(shù)在多用戶集群編隊、水下測控和靶場建設(shè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
本文僅是對聲吶一體化技術(shù)的初步分析和探討。未來，水下協(xié)作將從淺海走向深遠(yuǎn)海，從較為固定的特定環(huán)境向多變、復(fù)雜的實戰(zhàn)環(huán)境，從區(qū)域向更廣域的信息化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步對水聲一體化技術(shù)進(jìn)行深入的研究和驗證。
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