问题描述

水下无人航行器（UUV）集群在民用和军用领域具有广泛的应用前景。然而，目前水下常用的几种无线通信方式（无线电、水声、光）有着各自的缺点和局限性，导致水下通信传输速率不高、传输距离不远，造成UUV集群组网通信网络覆盖范围小、组网规模受限等问题。水下组网通信问题的解决，可为UUV集群编队控制、任务协作、路径规划等关键技术的信息交互需求，提供有力支撑，促进UUV集群应用的发展。

问题背景

水下无人航行器（UUV）因其广阔的应用前景和多样化的军事用途成为世界各国海军争相发展的重要装备。近年来，随着人工智能、大数据以及新型的指挥、通信、导航技术的飞速发展，聚焦多个UUV的水下无人集群，逐渐被各界重视，作为一种新的装备运用形态得到快速发展。集群方式的运用在效率、重构、执行多任务等方面提升了UUV执行任务的能力，成为实际意义上的UUV效能倍增器。

UUV集群需要突破的关键技术，如集群控制、任务分配、路径规划、信息融合、目标定位等，都需要高速信息传输作为支撑。UUV集群网络的传输带宽、覆盖范围、通信稳定性等决定这些技术实现的精细程度、复杂程度，进而决定UUV集群在执行任务时的灵活性、适应性。

目前UUV主要依靠声、光、电三种手段实现无线通信，但无一例外都有各自的缺点。无线电波在海水中衰减严重，主要用于水面通信，甚低频、超低频等无线电通信速率过低，且以广播通信模式为主，不能满足水下无人集群双向通信、频繁交互的需求；UUV 配备的卫星通信天线适用于UUV浮出水面对外快速通信。水声通信以声波为载体，在海水中衰减小，是理想的水 中通信手段，但是通信距离和速率无法与陆上无线电通信相比。蓝绿光波水下通信速率可达Mbps量级，但通信距离也只有数百米，且受水质影响较大。

除此之外，在组网过程中，帧结构中的报头、差错校验、时间/频率保护、碰撞冲突等因素造成较大开销，通信协议各层帧结构层层嵌套、各种协议信令带来的负荷，更是对本就不富余的带宽造成大量消耗。

目前来看，水下组网通信并没有一个完美的解决方案，各国研究人员大多根据UUV集群应用的领域、执行任务的特征，专门开发通信组网协议降低传输带宽开销，在集群控制、任务分配、路径规划、信息融合、目标定等关键技术的解决上，减少信息交互。这些设计不可避免的降低了UUV集群协作的精度，也降低了系统的稳定性和可靠性。

UUV集群水下组网通信作为UUV集群工程实现的首要难题，如果能在此问题上突破，必将促进UUV集群应用在海洋资源勘探、海洋环境监测、水下侦查监视、反潜等民用和军事领域的发展。

最新进展（截止问题发布年度）

海网（SeaWeb）是一个固定和移动节点相结合的海底无线网络，包括与载人指挥中心进行数据交互的各种接口，可在任意海洋环境中完成给定任务。海网主干是一组自主的、静止的节点（例如可部署的监视传感器、中继器），外围设备是移动节点（例如潜航器、滑翔机等）和专用节点（例如，双基地声纳）。海网的最初动机是需要通过可部署自主分布式系统（DADS）在沿海水域进行广域海底监测。在DADS 网络中的传感器节点可将探测的目标简明信息上报，由海网中的主节点进行现场级数据融合，主节点通过与空间卫星网络连接的海面浮标无线电，或与机载海网服务器连接的船舶声纳等网关节点，实现与载人指挥中心的数据通信，进行进一步的数据交互。

美国防高级研究计划署（DARPA）研发的“分布式敏捷反潜系统（DASH）”，旨在研究验证利用水下无人系统进行反潜作战的效能。该项目计划利用数十个水下无人潜航器潜伏在水下6000m的海底并组成颠覆性反潜网络，用于监视180000km2水域内敌方水下有人作战平台的活动，可实现水下大范围跟踪探测。

CO3AUVs项目是一个欧盟委员会资助的多国合作项目，隶属于欧盟第七科技框架计划（FP7）中“信息和通信技术”的“认知”专题。其目标是研发和实现适用于多AUV协调和协同控制的高级认知系统。重点突破水下机器人协同感知与建模技术、受约束的水下协同通信技术、多AUV协同控制策略、编队避碰及协同路径跟踪技术、测海及地磁导航技术等。

持续濒海水下监控网络（PLUSNet）是一个异构水下无人平台集群研究项目。该项目以导弹核潜艇为母体平台，由多个UUV、水下滑翔机等异构水下无人平台为活动节点组成大规模的有线与无线集成网络。其中，水下活动节点携带半自主传感器，水下由水声向其他节点传输数据，水面通过无线电与舰船和岸基节点通信，并能够自主执行多种任务，做出基本决策，可有效监视的水下区域高达数万平方公里，是当今世界最先进的水下监视网络计划之一。

奥地利Ganz人工生命实验室的研究人员于2011年发布了水下无人航行器集群：CoCoRo自主水下航行器集群。该项目由欧盟资助，ThomasSchmickl领导，由41个UUV组成，可以协同完成任务，其主要目的是用于水下监测和搜索。该集群系统在其行为潜力方面具有可扩展性，可靠性和灵活性。

2017年，美国加州大学圣地亚哥分校报道了一种个体提及为1500cm3的水下微小无人机集群（M-AUEs），该微小机器人可以模仿海洋浮游生物的行为，他们用了16个M-AUEs组成的集群进行了水下试验，分布在10米水深，300米直径的海域内，集群在海底三维空间内采集温度信息。

美国Aquabotix公司开发的SwarmDiver水下微小无人机是近年比较成功的商业产品。最大工作水深50m，能以40个以上个体的集群模式工作，曾协助美海军搜寻定位水下未爆炸的军械。

上述各国的UUV集群系统大都处于试验阶段。一方面，研究人员针对水下无线通信距离近、带宽小等问题对UUV水下通信网络进行了各种裁剪设计，同时降低各种协作功能的信息交互需求。另一方面，研究人员也在积极寻求提高水下通信带宽和通信距离的方法。值得一提的是微小水下集群网络发展迅速，有些已经进入商业化阶段，究其原因，是因为其规避了通信距离的问题。由此也可以得出结论，如果水下通信组网问题得到解决，必将会极大推进UUV集群的实际工程应用。

重要意义

UUV可执行水下探测、隐蔽侦察、搜索定位、通信中继、反潜战、猎扫雷等多种任务，UUV集群将在工作效率、降低成本、动态重构、多任务协作等方面增强其效能。

1.监视、侦察任务

南海是我国战略延伸和守护堡垒，对于我国海洋主权维护、海洋经济开发具有重要意义，通过UUV集群能够提升情报侦察、水下监视的效率和准确率，对发现水下敌情、保卫海疆争取海防斗争胜利具有巨大作用。

2.反潜、反水雷

通过在我军舰队基地、大型造船厂、重要军事目标以及南海岛礁附近海域部署UUV集群，进行联合探测、协同防御，及时发现并防止国外新型潜艇和预置水雷等的攻击。

3.海洋环境监测、海底资源探测

我国拥有300万平方公里的领海，在未来可能发生冲突的深远海域，我国还未建设可提供有效支持的水文环境资料大数据系统。通过UUV集群，高效、快速对我国领海内洋流、水温、盐度等环境信息进行采集，对海底资源进行探测，对海洋底地形地貌进行测绘，快速建立我国的深海海域水文信息大数据系统，具有极高的经济价值和军事价值。