一种水下航行器的无线通信策略

　　随着科学技术的不断发展，水下航行器(UUV)得到了迅猛的发展，至今大约有1500 余艘各种用途的UUV已在军用和民用领域得到应用。本文提供了一种水下航行器的无线通信策略，它可以有效的解决水下航行器无线遥控的实时性、可靠性和操作方便性等问题。其设计方案包括：无线通信协议、无线通信方式、通信设备间配合使用的方式。这种无线通信的策略是根据水下航行器的使用，在保证通信实时性的情况下简化无线通信协议、选择可靠条件下发遥控指令，并以最可靠实用的方案实现通信间的自动切换。本实用新型在水下航行器遥控领域具有实用、方便、可靠、实时等优点。

　　0 .引言

　　作为探索内空间的最重要手段之一的水下航行器(UUV)技术与探索外空间的运载火箭技术具有同等重要的战略意义。其中，水下航行器适用的无线通信在水下航行器领域起着关键作用，特别是支撑水下航行器向长航时、无人自主、远距离甚至超远距离的发展的可能性。

　　本文提出一种可靠性高、实时性强的通信方式，在保证实时性的基础上解决无线通信不畅带来的指令下发不成功等问题。设计包括无线通信协议、无线通信方式、通信设备间自动切换的方式等。技术方案如下：

　　1 .无线通信策略的设计

　　(1)航行器通信策略

　　发出第一帧监测数据帧后航行器采用被动的方式发送数据实现数据通信的流畅性，但当5s内都未收到指令帧或应答帧，航行器会主动发出一帧监测数据帧，解决出现通信意外中断后不能持续握手的问题。为了保证航行器状态监测的实时性，以及实时监测通信通畅度，航行器发送监测数据帧的频率不能太低。而为了满足同一时刻空中只存在一种无线信号，监测数据帧的发送频率必须大于指令帧或应答帧在空气中的传播速度，这一传播速度受各方面因素的影响。最优的方式是收到指令帧或应答帧时马上发出监测数据帧。航行器的超时设置可以根据实际情况进行调整。

　　(2)操控器通信策略

　　当收到航行器发送的监测数据帧后立即发送指令帧或应答帧。

　　设计有益效果如下：

　　a)刚收到监测数据帧时通信是通畅的，这时下发指令帧被航行器收到的概率最高。

　　b)航行器和操控器采用双被动通信方式能得到最高频率的通信速率，提高实时性，增加UUV的遥控安全性。

　　c)同时存在相同频率的多帧数据会造成电波干扰或声波干扰，采用双被动通信可以保证只存在一种相同频率的通信。

　　d)通信中断时航行器补发检测数据帧，可最快速度自动建立通信。

　　2.通信设备间自动切换的方式

　　通过多种无线通信设备同时发送指令或同时显示其检测数据会导致操控人员、操控界面、UUV任务执行的混乱，应根据不同通信时机对通信能力的要求，优先采用更可靠的无线通信设备。常用的无线通信设备包括无线电台通信、水声通信、卫星通信等，一般来说无线电台通信可靠性最高，适用于水面通信;水声通信适用于水下通信;卫星通信适用于远程水面通信。

　　设计显示界面原则：通信间的不重复内容总是显示、重复内容间按优先级切换。优先级可以根据通信时机、通信距离、通信内容、通信效率等方面进行排序。例如按无线电台、水声通信、通信卫星，优先级从高到低排列的通信方式，就是考虑到三种通信设备工作时机的唯一性和不同设备的通信效率高低确定的切换级别。

　　例如同时使用无线电台通信设备、水声通信设备、卫星通信设备，设计优先级为：无线电台通信最高、水声通信次之、卫星通信最低。

　　3.无线通信协议的设计

　　无线通信协议基于最小通信频率和同一时刻空气中只有一种无线信号的原则进行设计。

　　(1)操控器发送给航行器的通信帧为指令帧和应答帧，应答帧的作用主要是在没有遥控需求时告诉航行器已具备发送监测数据帧的条件。

　　(2)航行器发送给操控器的通信帧为监测数据帧，具体如下表所示。

　　设计有益效果如下：

　　a)无线通信协议设计为双字节帧头、校验和、帧尾的设计使能对帧有效性进行更严谨的判断。

　　b)无线通信协议中对帧序号的这种设计有两个方面的好处，一方面是能通过对指令帧帧序号和监测数据帧帧序号的查看知道指令是否下发成功，从而判断是否需要补发指令;另一方面是通过对监测数据帧帧序号的查看知道通信是否通畅，从而对遥控环境进行改善，如航行器上浮和跟踪船靠近等。

　　c)无线通信协议中指令位和指令内容的设计有个方面的好处：一是可以使指令帧和应答帧采用相同的协议格式，从而方便编程;二是更多的遥控需求可以用更短的帧长度表示，更短的帧长度更不容易被干扰，通信更可靠。

　　4.结论

　　本实用新型已装配于某水下航行器，顺利通过试验考核，性能可靠。以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

　　作者：陈雯 邢安安 靳曼曼 李强兵 刘峡 来源：中国科技博览 2015年43期