基于可見光通信的無人機海洋生態(tài)采集系統(tǒng)

譚智誠，孫山林，李 云，姚 钘，辛以利

（桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動化學(xué)院，桂林 541004）

1 引言

海洋占據(jù)全球約70%的面積，并且在遠海地段，電磁波無法在水下傳輸，也無法建立中繼基站[1]。因此，要想進行遠距離海洋數(shù)據(jù)通信，構(gòu)建由“北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)-空中無人機網(wǎng)絡(luò)-水下傳感器網(wǎng)絡(luò)” 組成的三位一體聲光電融合的監(jiān)測與通信網(wǎng)絡(luò)，將有助于在遠海缺乏無線通信信號覆蓋的情況下，保障遠海感知數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸，進而實現(xiàn)海洋資源的有效開發(fā)和保護[2]。

2 系統(tǒng)總體框架

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的無人機海洋生態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由地面站、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、無人機、海面浮標(biāo)和水下傳感器五部分組成，如圖1所示。

水下傳感器采集水下生態(tài)系統(tǒng)的實時情況，并通過水聲通信的方式將采集到的信息傳送到水面的浮標(biāo)。浮標(biāo)把聲信號恢復(fù)成電信號之后存儲起來，在每天的特定時段通過可見光通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給前來采集的無人機。在該時段，地面站給無人機發(fā)出采集數(shù)據(jù)的指令，無人機借助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)到達待采集數(shù)據(jù)的水面浮標(biāo)附近，而后通過浮標(biāo)上的可見光通信設(shè)備進行精確定位。在通信鏈路建立之后，無人機通過可見光通信的方式快速采集浮標(biāo)上存儲的水下生態(tài)系統(tǒng)的信息。為了克服可能的太陽背景光噪聲，增加通信系統(tǒng)的信噪比，浮標(biāo)上的LED要使用單色光。

圖1 基于北斗導(dǎo)航的無人機海洋生態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過構(gòu)建“聲-光-電”融合的監(jiān)測與通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠距離高效率的數(shù)據(jù)準(zhǔn)實時傳輸，因此，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、無人機數(shù)據(jù)采集以及可見光通信是本系統(tǒng)的核心部分。為了保證本系統(tǒng)的有效運行，一方面要有更多的、更有效的能源使無人機能夠覆蓋更大的水域面積進行水下監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，即實現(xiàn)能量的“開源”；另一方面要用先進的通信技術(shù)使無人機可以快速有效地采集海洋生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以確保在數(shù)據(jù)采集階段消耗更少的無人機上攜帶的能量，即保證能量的“節(jié)流”。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本項目的關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)框圖

3.1 無人機續(xù)航技術(shù)

無人機的續(xù)航能力決定了本系統(tǒng)的覆蓋范圍。增加無人機的能源供給，提升其他能源到機械能的轉(zhuǎn)化效率，將極大地擴大無人機的巡航范圍，增強系統(tǒng)的實用性。因此要為無人機完成能量的“開源”，找到額外的能源供給（如太陽能電池板）和更有效的能源供給（如化學(xué)能電池），同時要確保新的能源供給不會給無人機增加過多的載荷。

3.2 北斗衛(wèi)星[3]和可見光雙模導(dǎo)航定位技術(shù)

在為無人機完成能量“開源”的同時，還要為其“節(jié)流”。無人機在到達數(shù)據(jù)待采集的水面浮標(biāo)附近時，必須要快速有效地完成自身精確定位和數(shù)據(jù)采集。首先，無人機通過北斗衛(wèi)星接收浮標(biāo)的粗定位信息，盤旋至浮標(biāo)上空。其次，浮標(biāo)上LED發(fā)出的可見光可通過幅度調(diào)制攜帶LED（即浮標(biāo)）的位置信息。通過這些位置信息，無人機將完成自身位置的修正，使其置于浮標(biāo)正上方，即實現(xiàn)可見光精確定位，為接下來的數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備。同時，浮標(biāo)所處的水體環(huán)境和無人機所處的大氣環(huán)境都在不停地變化，會破壞可見光傳輸鏈路的穩(wěn)定性。因此，要求處于懸停狀態(tài)的無人機有快速姿態(tài)調(diào)整的能力，以迅速地感知光信號強度的變化，并對機身作出相應(yīng)的調(diào)整，使得無人機上的接收器和浮標(biāo)上的LED處于實時對準(zhǔn)的狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)采集的快速完成。再次，為了增加傳輸系統(tǒng)的信噪比，有效地將可見光信號傳輸?shù)綉彝５臒o人機上，需要使用大電流調(diào)制單色LED。隨之而來的是LED的散熱問題。盡管浮標(biāo)所在的水環(huán)境是天然的散熱“器件”，但是如何對抗水體給設(shè)備帶來的侵蝕，同時有效地將LED上的熱量傳導(dǎo)到水體內(nèi)部，依然是實現(xiàn)整個系統(tǒng)長期、可靠運行的關(guān)鍵問題。

3.3 高效可靠的可見光通信技術(shù)

浮標(biāo)上存儲的水下生態(tài)信息需要通過先進的調(diào)制方式加載到LED上[4]。越是先進的調(diào)制方式，越能提高頻譜效率，越能用更短的時間傳輸相同速率的信息，為無人機完成能量的“節(jié)流”。盡管可見光通信可以大容量地傳輸數(shù)據(jù)，但是為了節(jié)約采集數(shù)據(jù)的無人機的能源，在采集水下原始數(shù)據(jù)時，要盡可能地丟棄冗余信息，僅憑傳輸給無人機的少量數(shù)據(jù)就可以在地面站通過算法恢復(fù)出水下生態(tài)環(huán)境的全貌。為此，本項目將壓縮感知技術(shù)應(yīng)用于水下環(huán)境，其關(guān)鍵之處是找到適用于本系統(tǒng)的字典（基）和測量矩陣。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在采集到生態(tài)環(huán)境的信息后，通過水聲通信的方式傳輸?shù)剿娓?biāo)。而水聲信道受到水體運動和水下生物運動的影響在時時地變化著。因此，為保證水聲通信的有效傳輸，需要對水聲信道進行實時估計。傳統(tǒng)的信道估計方式要占用大量的頻譜資源，導(dǎo)致有效信息的傳輸效率降低。因此，需要設(shè)計適合水聲信道的高效信道估計算法，通過降低估計所需的信道頻點數(shù)目，快速地計算出信道其余頻點的實時頻率響應(yīng)特性。浮標(biāo)和無人機之間的可見光傳輸亦如是，需要通過大氣信道。大氣中空氣折射率的隨機變化，將給傳輸?shù)墓庑盘枎黹W爍，即接收到的光信號在時間上出現(xiàn)隨機波動。因此，也需要采用上述的信道估計方法，對于大氣信道進行實時估計。根據(jù)估計的水聲信道和大氣信道，有針對性地在不同頻點上傳輸不同制式的信息以提升系統(tǒng)的有效性。

4 信道分析

4.1 海洋大氣信道的影響

無人機在和水面浮標(biāo)進行可見光通信時，要進行實時的姿態(tài)調(diào)整，以滿足視距通信的要求。而在計算無人機與水面浮標(biāo)二者位置偏差時，海洋大氣信道的閃爍特性會使姿態(tài)調(diào)整算法出現(xiàn)錯誤。如果沒有大氣閃爍帶來的接收到的光信號強度的隨時變化，當(dāng)無人機接收光信號強度變?nèi)鯐r，意味著無人機與水面浮標(biāo)的距離變遠，需要調(diào)整姿態(tài)或是作出細微的位置調(diào)整。而大氣閃爍的存在，通常情況下會使光信號強度變?nèi)酰舸藭r無人機還進行先前的姿態(tài)或位置調(diào)整，就會破壞正常的視距通信。因此，由大氣湍流帶來的閃爍效應(yīng)就給原有姿態(tài)調(diào)整算法帶來了不確定性。這就需要為該算法引入調(diào)整因子，先消除閃爍的影響，再進行位置或姿態(tài)的補償，以保證接收到信號的可靠性和通信鏈路的時刻暢通。

4.2 信道估計的快速壓縮感知算法

在本系統(tǒng)中，采集到的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)要從水下傳感器通過水聲通信傳輸?shù)剿娓?biāo)，再從水面浮標(biāo)通過可見光通信傳輸?shù)綇牡孛嬲厩皝順?biāo)。而水聲信道受到水體運動和水下生物運動的影響在時時地變化著。因此，為保證水聲通信的有效傳輸，需要對水聲信道進行實時估計。傳統(tǒng)的信道估計方式要占用大量的頻譜資源，導(dǎo)致有效信息的傳輸效率降低。因此，需要設(shè)計適合水聲信道的高效信道估計算法，通過降低估計所需的信道頻點數(shù)目，快速地計算出信道其余頻點的實時頻率響應(yīng)特性。浮標(biāo)和無人機之間的可見光傳輸亦如是，需要通過大氣信道。大氣中空氣折射率的隨機變化，將給傳輸?shù)墓庑盘枎黹W爍，即接收到的光信號在時間上出現(xiàn)隨機波動。因此，也需要采用上述的信道估計方法，對于大氣信道進行實時估計。根據(jù)估計的水聲信道和大氣信道，有針對性地在不同頻點上傳輸不同制式的信息以提升系統(tǒng)的有效性。

5 信道分析

5.1 海洋大氣信道的影響

無人機在和水面浮標(biāo)進行可見光通信時，要進行實時的姿態(tài)調(diào)整，以滿足視距通信的要求。而在計算無人機與水面浮標(biāo)二者位置偏差時，海洋大氣信道的閃爍特性會使姿態(tài)調(diào)整算法出現(xiàn)錯誤。如果沒有大氣閃爍帶來的接收到的光信號強度的隨時變化，當(dāng)無人機接收光信號強度變?nèi)鯐r，意味著無人機與水面浮標(biāo)的距離變遠，需要調(diào)整姿態(tài)或是作出細微的位置調(diào)整。而大氣閃爍的存在，通常情況下會使光信號強度變?nèi)酰舸藭r無人機還進行先前的姿態(tài)或位置調(diào)整，就會破壞正常的視距通信。因此，由大氣湍流帶來的閃爍效應(yīng)就給原有姿態(tài)調(diào)整算法帶來了不確定性。這就需要為該算法引入調(diào)整因子，先消除閃爍的影響，再進行位置或姿態(tài)的補償，以保證接收到信號的可靠性和通信鏈路的時刻暢通。

5.2 信道估計的快速壓縮感知算法

在本系統(tǒng)中，采集到的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)要從水下傳感器通過水聲通信傳輸?shù)剿娓?biāo)，再從水面浮標(biāo)通過可見光通信傳輸?shù)綇牡孛嬲厩皝聿杉瘮?shù)據(jù)的無人機，最后在地面站用算法進行恢復(fù)。這中間經(jīng)歷了水聲信道和大氣信道兩個無線信道，需要通過信道估計和自適應(yīng)調(diào)制兩種技術(shù)的有機結(jié)合可以克服信道衰落給通信系統(tǒng)帶來的性能惡化[5]。而傳統(tǒng)的信道估計算法或是耗時長、或是與實際偏差大，很難在有效性和可靠性上做到有機統(tǒng)一。本課題將著重分析水聲信道和大氣信道各自的特點，通過壓縮感知的方式，找到適合的字典（基）和測量矩陣，并在誤碼率允許的范圍內(nèi)犧牲一部分估計精度，以換取算法的快速完成，保證信道估計的有效性。

6 結(jié)束語

以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為架構(gòu)，以無人機為載體，以可見光通信技術(shù)為手段，結(jié)合北斗衛(wèi)星和可見光的雙模導(dǎo)航定位方式，實現(xiàn)無人機對海洋生態(tài)數(shù)據(jù)的高效采集。通過構(gòu)建由“北斗衛(wèi)星-無人機-水下傳感器”組成的融合聲光電的海洋監(jiān)測、定位與通信網(wǎng)絡(luò)，在缺乏微波通信設(shè)備的情況下，實現(xiàn)了遠海感知數(shù)據(jù)的高效可靠定時傳輸，促進廣西北部灣海域海洋生態(tài)資源的開發(fā)和有效保護。本項目中，水聲網(wǎng)絡(luò)傳輸水下生態(tài)數(shù)據(jù)到水面浮標(biāo)，無人機利用可見光通信方式采集浮標(biāo)存儲的數(shù)據(jù)，并結(jié)合北斗衛(wèi)星和可見光的雙模導(dǎo)航定位方式，實現(xiàn)無人機和浮標(biāo)的“無縫”對接。■