蛙人水下信息系统发展综述_白峻

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蛙人水下导航设备
水下导航设备是一种蛙人水下定位和运动轨迹
跟踪导航装置， 主要可分为潜水指北针、 电磁罗盘导 航仪、 水声多普勒导航仪和 GPS 导航仪。其中， 潜水 指北针是一种较为简单、 可靠的导航设备， 目前蛙人 普遍装备， 能够为蛙人指示水下方向信息， 需要依靠
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蛙人自己根据经验和其他信息进行水下运动方向和 位置判断。电磁罗盘导航仪是在电磁罗盘进行水下 方向判断基础上进行水下运动轨迹跟踪和导航的设 备， 不但能给出地理方向， 还能通过跟踪蛙人运动轨 迹给出导航信息。水声多普勒导航仪是基于相对运 动产生的水声多普勒原理进行水下导航的设备， 通过 测量水声回波信号的多普勒频偏得到相对海底或平 稳流层的瞬时速度， 辅以航向、 摇摆、 俯仰信息经过时 间累积得到蛙人的运动轨迹， 在已知起始点和目标点 位置的情况下， 得到蛙人当前相对目标点的距离和方 位， 从而引导蛙人在能见度很低的水下到达指定目标 点， 能跟踪蛙人运动速度和轨迹， 给出水下导航信息。 GPS 导航仪主要由水面 GPS 接收天线和水下导航信 息显示器构成， 根据 GPS 对 蛙 人 进 行 精 确 定 位 和 导航
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蛙人水下信息系统
但 蛙人水下信息系 统 主 要 由 以 上 设 备 构 成 ，
不仅仅只是设备的统称或堆 积 ， 而是一种功能联 合， 设备模块化集成的有 机 系 统 。 基 于 减 少 蛙 人 佩戴设备数量和质量 ， 考虑可 以 将 水 声 信 息 设 备 进行系 统 集 成 ， 研制通用的蛙人水下信息处理 器， 通过配备不同的终端按需 完 成 各 种 信 息 保 障 任务 。 甚至可以集成蛙人 生 命 保 障 、 作业工具盒 图 5 为某单位研制的电磁和水声多普勒联合导 航仪。 作战武 器 等 终 端 信 息 处 理 器 ， 系统构成如图 6 所示 。
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引言
能够浮潜或水肺潜 蛙人是指接受过特别训练，
战。这些都将直接关系蛙人水下作业效果或作战任 务成败， 甚至危及蛙人生命安全， 也是蛙人水下信息 系统寻求解决的主要问题。 蛙人水下信息系统主要用于蛙人持续潜水作业 或作战过程中的通信、 引导、 定位， 导航和水下探测低 等信息保障。系统主要包括蛙人水声通信设备， 水声 信标及定位设备， 水下导航设备和水声探测声呐设 备等。
蛙人水下信息系统发展综述
白 峻， 曾 锋， 刘 余 峰， 郭晓敏， 俊 （ 中国电子科技集团公司第三研究所， 北京 100015 ） 【摘
·综述·来自百度文库
要】 蛙人水下信息系统是蛙人水下作业和作战的主要信息保障系统， 为蛙人提供水下通信、 引导定位、 导航和
探测服务。当前， 蛙人水下信息系统尚未形成完整的系统体系结构， 尚处于零散的设备发展阶段， 无法整体有效地 解决蛙人水下信息保障难题。为此， 针对蛙人水下信息辅助装备的发展现状， 提出蛙人水下信息系统的概念， 并以 此为框架， 梳理了水下信息系统的功能体系和组成结构， 分别阐述了各部分发展现状和趋势， 以期为蛙人水下信息 保障设备发展提供参考。 【关键词】 蛙人；水下信息系统；水声通信；引导定位；导航 【中图分类号】TB56 【文献标志码】A Development Ｒeview of Frogman Underwater Information System BAI Jun， ZENG Feng， LIU Feng， GUO Xiaomin， YU Jun （ No． 3 Ｒesearch Institute of China Electronics Technology Group Company， Beijing 100015 ， China） 【Abstract】The frogman underwater information system is the main information support system of operation and combat underwater for frogman， which provides underwater acoustic communication，guide positioning，navigation and detection service to frogman． The frogman underwater information system has not yet formed a complete system architecture until now ， it is still in the stage of scattered equipment development，and unable to effectively solve the frogman underwater information support problem as a whole． Therefore， concept of frogman underwater information system is put forward in view of current situation of the development of underwater frogman information auxiliary equipment ， the functions and structure of the underwater system of information system combsed， and the development present situation and the trend of the parts are expounded based on this framework． All of these are in order to provide references for the underwater frogman information security equipment development． 【Key words】frogman； underwater information system； underwater acoustic communication；guide positioning； navigation
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蛙人通信设备
水声通信设备用于潜水员与岸上指挥员之间的
通信。传声器将指挥员的声音信号转换成电信号， 电 信号通过主机处理器转换为超声波信号发送到水里。 超声波信号处理器接收到信号后， 将其转换为电信 号， 电信号再通过面罩转换为声音信号传输给潜水 员。水声无线通信是蛙人水下通信的主要发展趋势。 相比于有线通信， 水声通信距离远， 可以达到 10 km，
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通信设备不影响蛙人水下作业， 特别适合水下作战蛙 人使用。 目前， 蛙人水声通信设备主要采用单边带模拟 语音通信技术。国外产品主要以 OTS 公司为代表， OTS 公 其通信距离为 1 000 ～ 6 000 m。如图 1 所示， 司的 70 W 水下通信电台 Magnacom SW － 1000 － SC2 － CH 具 有 A （ 28． 500 kHz 下 边 带 （ LSB ）） 、 B（32． 768 kHz 上边带（ USB）） 两个信道， 信道 A 平静 6 级海况下为 1 000 m。 海面通信距离达到 6 000 m， 6 级海况下为 信道 B 平静海面通信距离达到 1000 m， 100 m。其民用版的 10 W 水下通信电台 Aquacom SSB － 1001B 8 － CH 支持 1 ～ 8 个通信信道， 通信距离 200 ～ 3 000 m。
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蛙人引导定位设备
蛙人水下引导设备是一种蛙人水下定位装置， 一般有信标和信标定位装置组成， 蛙人通过佩戴信标 可以像信标定位端实时通报自身位置信息， 有助于实 时掌控蛙人水下活动动态， 也可以用于水下设施和目 标的位置导引， 蛙人通过佩戴信标定位装置， 可以定 位佩戴信标的队友， 到达信标所在目标或地点， 起到 蛙人水下引导作用。 信标一般周期性地发射定位信号， 用于信标定 位装置根据信号到达时间和方向进行定位。目前信 标主要采用 CW 脉冲信号， 接收装置采用三元短基阵 方式进行定向。为了提高信号定向精度， 目前正在研 究采用线性调频信号和脉冲编码信号进行精确定位。
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蛙人水下探测设备
水下探测设备主要用于蛙人感知水下环境信息，
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主要是对水下作业和作战目标进行探测， 常用的有水 下强光灯和手持式声呐。其中水下强光灯主要用于 水下一般作业， 灯光作用距离一般 5 ～ 10 m， 蛙人探测 声呐可分为定向回波测距声呐和超声成像声呐， 探测 距离一般在 50 ～ 200 m。超声探测声呐作用距离远， 特别适合水下大范围搜索和作战， 其中超声成像声呐 技术不断发展， 最新的多波束成像声呐探测精度高， 具有 256 个 以 上 的 波 束， 角 度 分 辨 率 在 0． 18° 以上
目前， 国内研究蛙人水下引导设备由引导声标器 和引导腕表组成， 如图 3 所示。引导声标器可以发送 多个信道的引导信号， 支持多人小队水下同时引导定 位， 引导腕表可识别各引导信号， 根据接收到的信息 国内自主研发的产品主要有面罩一体式、 分体 式和基站式通信机， 在通信距离、 信道数、 质量、 语音 清晰度方面还有一定的差距。其中， 某单位开发的双 向 2 000 m 水下语音通信电台如图 2 所示。并配有面 罩和骨导式传声器。 来判断引导声标器的所在方位。一般蛙人小队内部 定位距离可达 1 000 m 以上， 对基地的定位距离最大 可达 10 000 m 以上。
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目前， 在蛙人手持声呐领域技术和产品最为先进 900， 1 350， 2 250 其产品覆盖 450， 的是 BlueView 公司， kHz 频段， 探测成像距离 5 ～ 175 m。主要用于蛙人水 UUV 等 水 下 导 航 、 下探测 ， 二维 / 三 维 成 像 、 避碰 等， 是各国 蛙 人 水 下 探 测 的 主 要 装 备 。 BlueView 多波束声呐技 术 指 标 如 表 1 所 示 。 国 内 的 相 关 产品主要有手持式回报测距 仪 ， 手持成像声呐尚 在研制中 。
水， 并且具有水下作业和战斗能力的潜水员。主要有 水下潜水娱乐， 施工打捞， 搜索救援和两栖作战等蛙 人， 分布于水下旅游、 生产、 救援、 治安和特种作战等 广泛领域
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水下环境与水上有着很大区别：（ 1 ） 能见度低， 目视距离只有几米；（2 ） 方向感差；（ 3 ） 通信困难。当 蛙人需要长时间， 大范围水下作业时， 无法搜素或准 确到达预定目标， 容易在水下失去方向， 无法和水面 或水下队友进行通信。这不但降低蛙人水下作业和 作战效率， 还会对蛙人心里造成巨大压力。特别是在 军事领域， 蛙人侦察部队需要远距离水下泅渡渗透， 以上因素导致蛙人难以准确到达预定区域， 或完成任 务后不能准确返回水下母舰， 蛙人作战小队无法相互 定位， 易于失散， 缺少通信联络， 无法指挥与协调作
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潜水指北针简单可靠， 但仅能 以上导航技术中， 提供水下方向， 不能提供水下导航信息；电磁罗盘导 航仪可以提供导航信息， 但会产生误差累计， 长时间 和远距离潜航时会造成较大偏差；水声多普勒导航仪 导航手段较多， 能提供蛙人多种运动状态， 但也存在 导航误差累计的问题；GPS 导航仪精度高， 但需要水 面接收天线， 应用受到限制。 综上所述， 未来水下导航仪的发展趋势是通过 综合利用以上导航手段， 将地磁导航、 水声多普勒导 航结合， 借助 GPS 修正， 提高水下的导航精度、 可靠 性和实用性。 目前， 水下综合导航仪具有代表性的有 Sharkmarine 公司生产的一款水下潜水员导航设备 Diver Navigator（ 潜水员导航器）， 该设备集水下导航和水下声 纳成像于一体， 可在不同水体浑浊度下快速完成目标 物体定位、 导航和水下环境感知， 如图 4 所示。