村田丨水下无人机如何在水下通信？

　　海洋是渔业、海运、海洋资源开发、港口基础设施建设等多种产业活动的基础。在这些领域中，确保承担水下作业的人才是需要解决的问题，特别是在深水和急流环境下的潜水作业，需要具备高超潜水技能的熟练人才。然而，维持和培养这样的人才非常困难，需要提高作业效率和安全性。利用IT技术提高生产效率将在渔业、海运和海洋基础设施发展中不可或缺，水下无人机有望成为减轻劳动力短缺并替代人类在危险场所作业的技术。本文介绍近年来备受关注的水下无人机的基础知识以及水下通信方法以及定位和测距技术。

　　一、什么是水下无人机?

　　“水下无人机”是一种能够潜航的小型无人潜水机。它可以从船上或陆地进行远程操作或自主航行，通过配备小型摄像头，可以实时确认拍摄的影像。此外，安装机械臂等机械操纵器后，它可以进行多种多样的作业。因此，它有望代替人类进行水下作业。

　　二、水下无人机分哪些种类?

　　通常，人们把水下无人机的种类分为AUV(Autonomous Underwater Vehicle)和ROV(Remotely Operated Vehicle)。其中，AUV被称为“自主无人潜水机”。

　　无人机本身根据预先编好的程序进行航行和工作，AUV与水面之间的通信通过无线进行。它不需要电源和通信电缆，电源由电池提供，通信通过无线进行。不会因电缆长度而使航行范围受到限制，也不会发生电缆缠绕等问题，因此，有望使用多台无人机进行广范围的深海作业。

　　另一方面，ROV又称“遥控无人潜水机”，无人机和控制器通过电缆连接，人在水面上操纵无人机。它以通过电缆供电，因此能实现长时间航行。此外，它还支持通过电缆进行高速通信，已普及到从工业到业余爱好等范围宽广的应用中。然而，电缆长度限制了它的活动范围，并且需要装载了供电装置的船舶。此外，同时航行多台无人机时，还要注意电缆缠绕等问题。

　　人们对能够解决ROV的缺点的水下无人机——AUV寄予了厚望。

　　三、AUV的无线通信方式有哪些?

　　为了从AUV上面配备的摄像头和多种传感器接收数据，与地面设施和船舶之间的通信不可或缺。此外，如果是没有电缆的AUV，则数据的发送和接收需要通过无线方式进行。然而，无线电波在水下传播困难，因此，迄今为止有线方式一直是主流，这是进行AUV实用化时面对的重大挑战。

　　近年来，可以进行水下无线通信的声学通信和光通信的开发不断取得进步。此外，对于在目的地附近进行的近距离准确定位和测距，有望通过使用LF天线的通信技术实现。

　　水下声学通信

　　利用声波进行通信。水下声学通信可以进行水下无线通信并进行远距离通信。然而，由于频带较窄，通信容量较小，不适合用于图像和视频等大量数据的高速通信。

　　水下光学通信

　　据称可进行1Gbps级的高速通信，能实现视频流以及高分辨率图像和视频的传输。然而，如果光线被水下残留物或污染物遮挡，则通信可能会变得不稳定。

　　使用LF天线的LF通信

　　LF天线(天线线圈)利用磁场进行传输和接收的通信。虽然通信距离很短，只有几米，但由于是磁场，因此不易受到水或污染等障碍物的影响，有望用于需要高精度定位和测距的场景。

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　　四、LF天线AUV定位和测距的特点

　　声学、光学和磁通信等方式各有优缺点，人们目前正在尝试将其各自的优势组合起来使用。而且，水下作业日益复杂，需要更高精度的定位和测距技术。通过使用了LF天线(天线线圈)的AUV进行定位和测距的技术有什么优势?有哪些实际应用事例?

　　检测区域内的定位和测距

　　LF天线利用磁场进行通信，目前已普遍应用于汽车智能钥匙等许多方面。它由发射天线和接收天线构成，发射天线发射的磁场被接收天线接收，并根据信号强度(磁场强度)确定接收天线的位置(上图)。

　　虽然通信距离较短，只有几米，但通过在目的地周围等间距设置发射天线，可以实现广范围的定位和测距。此外，LF天线的精度较高，误差仅为几厘米。磁场受反射和衍射的影响较小，且不会因障碍物而衰减。而且，即使在污水中也不会衰减，因此有望用于在作业地点附近等处引导AUV。

　　具备上述特征的LF天线在AUV上已经有使用事例。比如：

　　准确定位至作业位置

　　在水下作业时，来自海床或河床等的污染物会干扰光通信。即使在这种情况下，利用磁场的LF天线也能进行稳定的定位和测距。

　　引导至供电系统

　　即使对于需要厘米级引导的供电系统，能够进行高精度定位和测距的LF天线也能准确引导至供电位置。

　　检测接近危险区域

　　能在AUV接近其不应进入的区域时发出警报。即使在这种情况下，AUV也可以安全运行，不会受到水污染物或障碍物的影响。

　　总 结

　　AUV是一种代替人类进行之前由人类执行的水下作业的装置，能够为解决与水下作业相关的多种问题作出重大贡献。水下通信技术正在为AUV带来新的变化，尤其在海洋这一工业活动基础中，AUV有望在以下领域的水下作业中得到应用：

　　海上风力发电厂设备点检：

　　铺设和点检水下基础结构部分和用于将电力输送到陆地的海底电缆等，以及确认海底土壤和防冲刷材料等的的状态。

　　海中状态调查：

　　通过测量水温以及调查海底地形、土壤质量和水流等来预估自然灾害。

　　海洋环境调查：

　　调查水下淤泥和断层状况，以及勘探热液矿床、甲烷水合物和锰结核等海底资源。

　　为了实现这些目标，需要AUV的安全航行和准确引导技术，而这又需要改进水下通信技术。将使用声学的通信方法、使用光的通信方法和使用磁场的LF天线等通信方法进行组合，构建理想的水下无线系统有望成为一项在未来为AUV实用化和产业化作出重大贡献的技术。