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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(diǎn)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。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(shì)，在海洋軍民活動(dòng)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(dú)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(tái)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(jì)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(jì)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(shì)，能夠在一定程度上緩解UUV資源有限的問(wèn)題，可實(shí)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(guò)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(shí)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(yàn)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(gè)階段：①功能獨(dú)立結(jié)構(gòu)，雷達(dá)、通信、導(dǎo)航系統(tǒng)集成于一個(gè)平臺(tái)，各自實(shí)現(xiàn)獨(dú)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(dòng)化程度和操作便捷性，是一體化發(fā)展的初級(jí)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理機(jī)等組件的共享，提高了數(shù)據(jù)交換速度，實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)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(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制實(shí)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(duì)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多功能一體化需求，1987年，美國(guó)空軍萊特實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)“寶石柱”(Pave Pillar)計(jì)劃，提出了一個(gè)統(tǒng)一的模塊化、開放式、具有良好容錯(cuò)性且高度靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)進(jìn)一步提出了“綜合傳感器系統(tǒng)”(ISS)和“寶石臺(tái)”(Pave Pace)計(jì)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(guó)海軍研究局和海軍研究實(shí)驗(yàn)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(jì)劃，對(duì)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(hào)特征共用孔徑的概念做出了原理性的驗(yàn)證。
2009年，美國(guó)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(guó)高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA資助了研究項(xiàng)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(xiàng)目征詢書，旨在為緊湊型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)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(lái)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(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目研究，旨在將偵查、探測(cè)、通信、干擾、打擊及評(píng)估等各種功能單元進(jìn)行無(wú)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(wú)人潛航器的發(fā)展，對(duì)提供導(dǎo)航定位服務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)通信一體化的需求越來(lái)越迫切。但聲吶系統(tǒng)與雷達(dá)相比有許多難點(diǎn)，如水下聲學(xué)信號(hào)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(shì)，對(duì)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(guó)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(hào)的到達(dá)時(shí)間估計(jì)方位角和仰角，實(shí)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(guò)擴(kuò)頻(SS)聲學(xué)通信方式傳輸?shù)侥复瑫r(shí)該聲信號(hào)的數(shù)據(jù)符號(hào)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(hào)來(lái)傳輸信息和估計(jì)信號(hào)源位置，能夠同時(shí)跟蹤應(yīng)答器/AUV等目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，并與目標(biāo)交換即時(shí)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(shí)驗(yàn)精度，以及在強(qiáng)混響信道中的數(shù)據(jù)傳輸速率。Rodionov等對(duì)工作頻帶12kHz的調(diào)制解調(diào)器在10km距離內(nèi)的測(cè)距精度估計(jì)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(tái)已經(jīng)從“單平臺(tái)”向“網(wǎng)絡(luò)化”協(xié)作模式演進(jìn)。相比單體無(wú)人潛航器的信息共享方式，進(jìn)行多水下平臺(tái)一體化集成時(shí)還需考慮模型的適用性和有效性。Caiti等研究了基于時(shí)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(shí)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(cè)量的相對(duì)位置，修正自身位置和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航。
一體化設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)、異步分布的UWSNs定位方案，即通信信號(hào)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(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，證實(shí)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(diǎn)的時(shí)鐘資源，實(shí)現(xiàn)了水下通信和定位的集成設(shè)計(jì)。曲思潼等給出了一種基于水聲鏈路的水下潛航器間測(cè)距與授時(shí)的新方法，采用水聲雙向偽碼授時(shí)-測(cè)距(T-WPcT-R)及沖突避免多址接入(MACA)協(xié)議實(shí)現(xiàn)UUV之間的信息交互，利用雙向偽距授時(shí)-測(cè)距(T-WPrT-R)體制實(shí)現(xiàn)水下UUV間的精密測(cè)距及時(shí)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(píng)估了使用不同類型的聲學(xué)信號(hào)解決水下航行器導(dǎo)航、通信和控制問(wèn)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(shí)，傳輸速率可以達(dá)到350bit/s，檢測(cè)概率超過(guò)95%，而且相對(duì)定位誤差不超過(guò)0.1%的結(jié)論。盧俊等研究了共享體制下基于通信信號(hào)的水下探測(cè)通信一體化技術(shù)，并針對(duì)單基地和雙基地工作模式，分析了信噪比、誤碼率與探測(cè)性能的關(guān)系。胡安平等分析了水聲測(cè)距通信一體化的技術(shù)體制，對(duì)水聲測(cè)距通信共用同步頭做了比較，并對(duì)線性調(diào)頻、雙曲線調(diào)頻、偽隨機(jī)擴(kuò)頻3種信號(hào)形式在同步方式下的測(cè)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(shì)感知能力與信息交互能力，通過(guò)分析水聲通信信號(hào)波形參數(shù)與水聲定位精度、識(shí)別概率間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出水下通信定位識(shí)別一體化波形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和準(zhǔn)則。
Yin等提出了一種用于連續(xù)主動(dòng)聲吶檢測(cè)和通信的新型集成波形(IW)，分析了IW的時(shí)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(mèng)華提出將復(fù)合碼作為同步發(fā)射序列應(yīng)用于水聲測(cè)距系統(tǒng)，針對(duì)復(fù)合碼的三值自相關(guān)特性造成多徑時(shí)延檢測(cè)誤差的問(wèn)題，提出一種邏輯組合方式構(gòu)造再生復(fù)合碼，實(shí)驗(yàn)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(lái)，國(guó)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(duì)比。
表1 國(guó)外定位通信一體化產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比
法國(guó)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(shí)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(duì)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(guó)EvoLogics公司使用S2C技術(shù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)定位與傳輸數(shù)據(jù)，如圖2所示。這2個(gè)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(guó)EvoLogics公司定位通信一體化產(chǎn)品應(yīng)用圖
英國(guó)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(cè)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(shí)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(hào)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(guó)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(guó)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(guó)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(shì)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(diǎn)，無(wú)論是固定式還是移動(dòng)式，都面臨著頻帶資源緊張、聲信號(hào)干擾嚴(yán)重、信息體系不完備等問(wèn)題。聲吶一體化技術(shù)能同時(shí)為節(jié)點(diǎn)提供導(dǎo)航定位與通信功能，節(jié)約節(jié)點(diǎn)空間、減輕重量、降低能耗、提高系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化程度以及安全性。隨著水下應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)水下節(jié)點(diǎn)在自主性、適用性、高精度、高航速等方面的需求，也對(duì)聲吶一體化技術(shù)提出了新的更高的要求，未來(lái)聲吶一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(cè)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(diǎn)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(jì)中需統(tǒng)一考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析重點(diǎn)和難點(diǎn)，信號(hào)體制設(shè)計(jì)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(duì)低信噪比接收、干擾及旁瓣抑制、聲學(xué)暴露性問(wèn)題控制、平臺(tái)移動(dòng)引起的多普勒補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)處理問(wèn)題，則需在通信判決與時(shí)延估計(jì)中進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)；未來(lái)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(hào)體制是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的要素，下面主要對(duì)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(lái)一體化應(yīng)用場(chǎng)景中，尤其在水下航行器集群應(yīng)用時(shí)優(yōu)勢(shì)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(gè)階段：
（1）松耦合階段：通信與導(dǎo)航定位系統(tǒng)各自獨(dú)立工作，通過(guò)共享信息提高交互能力，常采用分時(shí)或分頻體制解決聲兼容問(wèn)題。分時(shí)體制是將時(shí)間劃分為多個(gè)間隙，每個(gè)間隙獨(dú)享導(dǎo)航定位信號(hào)或通信信號(hào)，不能在同一時(shí)隙內(nèi)同時(shí)發(fā)送2種信號(hào)；分頻體制是利用不同的頻段分別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位與通信功能，分時(shí)分頻體制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易實(shí)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(guó)4500m載人潛水器采用時(shí)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(guò)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(shí)對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和判決解碼通信信息，實(shí)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(shí)或分頻體制，對(duì)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(shí)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(shí)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(tái)共享，而且實(shí)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(hào)處理都具備高度一體化形態(tài)，具備全自動(dòng)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(diǎn)在于尋找、設(shè)計(jì)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(hào)處理方法。
水下平臺(tái)的小型化和集群編隊(duì)將會(huì)面臨體積、功耗、頻帶等資源缺乏問(wèn)題，圖3給出了一體化耦合的3個(gè)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(wú)論采用松耦合、緊耦合、深耦合的一體化設(shè)計(jì)，從聲學(xué)基陣前端到信號(hào)處理后端的整個(gè)過(guò)程都不可避免存在聲學(xué)干擾問(wèn)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(duì)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(wèn)題；對(duì)于收發(fā)合置系統(tǒng)，可采取延時(shí)濾波器方法(加入延遲器、衰減器和移相器等)去除干擾信號(hào)；在后端的處理階段，也會(huì)受非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的影響，造成帶外泄露。也可采取信道估計(jì)、自適應(yīng)抵消濾波器等對(duì)數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)行處理，以達(dá)到抑制干擾的目的。
2. 一體化信號(hào)體制
為了更深層次地實(shí)現(xiàn)聲吶的一體化設(shè)計(jì)，共享信號(hào)是必經(jīng)之路，即在同一平臺(tái)，利用一種信號(hào)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位和通信的功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除考慮波形的性能外，還需兼顧聲吶環(huán)境對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)體制也得到了廣泛關(guān)注。徐國(guó)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(duì)Pattern時(shí)延差編碼在水聲定位中的時(shí)延估計(jì)進(jìn)行了研究。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式及波形復(fù)用方式，可以將一體化信號(hào)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(wú)嚴(yán)格區(qū)分或限制，以常用LFM、MSK、CPM、OFDM等信號(hào)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(gè)正交的波形獨(dú)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(gè)信號(hào)相互正交。對(duì)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)與通信的波形集成，以正調(diào)頻信號(hào)作為通信波形，負(fù)調(diào)頻信號(hào)作為雷達(dá)探測(cè)波形，并對(duì)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(duì)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(duì)正調(diào)頻LFM信號(hào)進(jìn)行高階MPSK調(diào)制，然后與負(fù)調(diào)頻信號(hào)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(hào)和最小頻移鍵控(MSK)信號(hào)進(jìn)行融合，針對(duì)大多普勒頻偏時(shí)通信誤碼率急劇增大的問(wèn)題給出了解決方法。借鑒雷達(dá)的疊加一體化波形，對(duì)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(hào)和擴(kuò)頻碼組合的新型水聲定位信號(hào)設(shè)計(jì)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(hào)?；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(hào)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(hào)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(hào)的頻域特性，通過(guò)時(shí)頻變換處理導(dǎo)航定位信號(hào)。對(duì)于定位處理，獨(dú)立于通信信號(hào)，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(shí)間帶寬積，而且還需較好的時(shí)間分辨率。
Sturm等研究基于無(wú)線通信，使用經(jīng)典相位編碼波形用于高動(dòng)態(tài)范圍的雷達(dá)測(cè)量，證明了綜合通信和雷達(dá)應(yīng)用的實(shí)際可行性。王永恒研究了多載波OFDM-MFSK通信信號(hào)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并采用非相干的方式實(shí)現(xiàn)MFSK信號(hào)的檢測(cè)，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(duì)水聲信道中復(fù)雜的噪聲環(huán)境及各種干擾對(duì)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(hào)設(shè)計(jì)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(hào)上，定位信號(hào)成為傳輸信息的載體，定位信號(hào)包括通信信息?；诙ㄎ徊ㄐ蔚囊惑w化波形由于要求時(shí)延測(cè)量精度高、延遲低、實(shí)時(shí)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(jiǎn)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(hào)上，形成調(diào)幅-調(diào)頻連續(xù)波(AM-FMCW)寬帶雷達(dá)，但對(duì)于水聲信道，需要重點(diǎn)解決信號(hào)傳播過(guò)程中出現(xiàn)的幅度衰減不平穩(wěn)問(wèn)題。李曉柏等針對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力和信號(hào)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(hào)，實(shí)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(hào)模型。殷敬偉研究了Pattern時(shí)延差編碼(PDS)通信體制和時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(TRM)技術(shù)，采用多種不同Pattern碼波形來(lái)進(jìn)行碼元分割以抑制碼間干擾，提出通過(guò)頻率分割可實(shí)現(xiàn)N通信信道同時(shí)工作以提高通信速率。
另外，馬園等針對(duì)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(hào)調(diào)制在頻率分集陣?yán)走_(dá)的頻偏上，并在通信信號(hào)間增加隨機(jī)頻率間隔，通過(guò)有效傳輸通信信息來(lái)提高雷達(dá)系統(tǒng)性能，實(shí)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(diǎn)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(lái)聲吶一體化的主要發(fā)展方向。通過(guò)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)獲取的信息和節(jié)點(diǎn)間信息的可靠傳輸能力，實(shí)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(cè)、跟蹤和識(shí)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(guò)梳理國(guó)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(diǎn)、應(yīng)用要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，聲吶一體化技術(shù)的主要應(yīng)用在于：①能夠?yàn)樗鹿?jié)點(diǎn)提供了一種快速測(cè)量、透明傳輸、實(shí)時(shí)安全的運(yùn)行手段；②能夠?yàn)樗鹿?jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)，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(lái)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(wèn)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(shí)時(shí)性。但相對(duì)獨(dú)立的2個(gè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)的集群任務(wù)是非常不利的。
水下潛航器無(wú)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(duì)不同的復(fù)雜任務(wù)，對(duì)信息傳輸、協(xié)同探測(cè)、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(hào)體制、算法等方面進(jìn)行緊耦合設(shè)計(jì)，為集群編隊(duì)提供導(dǎo)航的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)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(cè)控和靶場(chǎng)建設(shè)
水聲通信導(dǎo)航定位一體化技術(shù)的另一個(gè)主要應(yīng)用方向是水下測(cè)控和未來(lái)靶場(chǎng)建設(shè)。水下測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)水下態(tài)勢(shì)可視化的主要手段?；诼晫W(xué)技術(shù)的水下測(cè)控裝備是各國(guó)水下靶場(chǎng)不可缺少的實(shí)航測(cè)試方法，為水下靶場(chǎng)提供了大量的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)，保障了試驗(yàn)的安全性與實(shí)時(shí)性。
在水下測(cè)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(diǎn)和浮標(biāo)、無(wú)人船、航行器、蛙人等移動(dòng)式節(jié)點(diǎn)，以及固定或機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)部署測(cè)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(duì)面、半透明到背靠背訓(xùn)練技術(shù)的發(fā)展，透明的靶場(chǎng)態(tài)勢(shì)和信息交互能力是其有效開展測(cè)評(píng)的根本要素。
水聲導(dǎo)航定位和通信屬于測(cè)控技術(shù)的2個(gè)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(cè)控裝備的導(dǎo)航定位、跟蹤、導(dǎo)調(diào)等綜合能力。水下靶場(chǎng)正逐漸向提高測(cè)量精度、增加作用范圍、擴(kuò)展深?？臻g、降低運(yùn)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(guò)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(chǎng)景對(duì)一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和討論；
（2）重點(diǎn)研究了一體化技術(shù)的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一體化和信號(hào)體制設(shè)計(jì)；
（3）對(duì)一體化技術(shù)在多用戶集群編隊(duì)、水下測(cè)控和靶場(chǎng)建設(shè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
本文僅是對(duì)聲吶一體化技術(shù)的初步分析和探討。未來(lái)，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(shí)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(duì)水聲一體化技術(shù)進(jìn)行深入的研究和驗(yàn)證。
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