基于海洋物聯網的快速機動組網觀測技術研究

任 翀，李 楠，張立杰

（1.中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237 ）

0 引言

根據國際電信聯盟的定義，物聯網（IoT，Internet of Things）是通過可互操作信息技術和通信技術實現事物（物理和虛擬）相互連接從而提升服務能力的信息技術基礎設施[1]。海洋物聯網是物聯網技術在海洋領域的應用，通過海洋數字設備互通互聯，結合云計算、大數據和人工智能等實現海洋數據統一管理并提供智能化服務[2]。

海洋觀測是海洋科學研究的基礎，也是海洋科技競爭的重要發力點。目前，觀測對象正由海洋氣候尺度過程向氣候與天氣尺度綜合觀測方向發展，觀測手段正由固定平臺觀測向固定與移動平臺協同觀測方向發展；觀測數據由自容存儲向實時/準實時采集、傳輸及應用方向發展[3]。面向重點海域中小尺度過程、突發事件及關鍵目標觀探測需求，通過研制和集成多介質海洋觀測裝備，以無人智能移動平臺為核心，構建基于海洋物聯網的快速機動組網觀測系統，實時/準實時地獲取高分辨率的海洋環境及目標信息，可為海洋科學研究、海洋經濟發展及海洋權益維護等提供支撐與保障。

1 國外發展現狀

隨著衛星、浮標、潛標、漂流浮標、無人潛器等海洋觀測技術裝備的發展，以及TAO/TRITON、Argo、OOI等民用/軍民兩用觀測系統的建設，發達國家尤其是美國和歐洲已基本形成了對全球上層海洋大尺度（百km級）信息的實時獲取能力，開發了業務化的海洋預測預報系統，可在全球海洋2 000 m水深的中尺度（百公里到十km級）范圍內保障其海洋活動[4-5]。

2017年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出了建設海洋物聯網（Ocean of Things）的計劃，擬通過在百萬平方公里海域內布放上萬個低成本、智能化的移動觀測設備，借助云平臺及大數據技術，實時感知海氣參數及水面、水下目標，實現全水深、高分辨率（10 km到km級）觀探測，進而支撐全球海洋信息感知、預測與目標探測警戒（圖 1）[6]。2018年，美國國家科學技術委員會發布了《美國國家海洋科技發展：未來十年愿景》，強調要利用全球范圍內遠程和原位傳感器來收集海洋數據，強化海洋模型研究和產品研制，從而提高決策能力[7]。其他發達國家如日本、澳大利亞和加拿大等也在各自的海洋戰略計劃中對海洋信息的感知、傳輸和計算應用進行了重點描述。

圖1 美國國防高級研究計劃局（DARPA）海洋物聯網概念圖[6]Fig.1 Concept of DARPA’s Ocean of Things

海洋觀測裝備智能化、信息化已成為重要的發展方向。美國軍方開發的智能AUV可長期潛伏在指定海域，當目標出現時可自動激活并實施跟蹤。美國研制的智能浮標系統可自動傳輸信息，根據海況自動選擇多能互補供電方式及工作模式。加拿大AML公司開發的Smart-X系列儀器能夠自動更換傳感器探頭，實施智能化實時觀測。美國、加拿大及歐洲已開發完成多型水面觀測裝備，包括低成本小型漂流浮標、波浪滑翔器及無人船等，開展了協同組網觀測。俄羅斯海軍研制出能將通信信息與聲波相互轉換的系統，將潛艇及無人潛器等聯系起來，構建水下互聯網，該系統已在俄羅斯多型裝備上通過測試，開始列裝海軍[8]。

海洋信息傳輸正向無線寬帶、寬覆蓋、跨介質、網絡化、全天候實時傳輸的方向發展。目前，主要以岸基移動通信、海上無線通信、衛星通信和水聲通信等分立的通信網絡實現對全球海洋的覆蓋。在岸基移動通信方面，已實現對近海30 km范圍的有效覆蓋。挪威和我國華為聯合研發了全球首個利用LTE技術實現的離岸通信網絡，能夠覆蓋海上平臺周圍37 km的海域，上行速率1 Mbps、下行速率2 Mbps。在海上無線通信方面，采用中/高頻和甚高頻通信實現了近海和中遠海域的覆蓋，支持話音和窄帶數據傳輸。國際海事衛星系統（Inmarsat）和銥星系統（Iridium）是應用最為廣泛的全球海洋衛星通信系統，最新的第五代海事衛星系統已支持100 Mbps的下行速率和5 Mbps的上行速率。水下通信是海洋通信技術發展的瓶頸之一。目前，水下通信手段主要包括水聲通信和激光通信等。2017年，韓國在 100 m水深處實現水聲通信距離達到30 km，比現有技術的傳輸距離提高了2倍。日本在 700 m水深處完成了水下移動平臺間藍綠激光無線通信試驗，通信距離超過 100 m，速率達2 Mbps。美國在實驗室環境下實現了50 Mbps的水下光通信速率，利用協同降噪技術的水聲通信速率可達100 kbps，微波通信速率可達21.4 Mbps，較現有裝備有了較大提升[8-9]。

在海洋物聯網數據處理應用方面，目前以云計算、大數據、人工智能等新興技術作為核心，研發數據實時處理系統以及與傳感器交互新方法，實現了多源、異構、超大規模的海洋環境、目標、活動和態勢信息快速在線處理與融合分析。2015年，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）聯合亞馬遜、谷歌、IBM、微軟等公司實施了“大數據計劃”，旨在基于NOAA現有的海洋觀測數據，利用各方技術優勢建設海洋大數據服務平臺[8]。

2 國內發展現狀

在海洋觀測裝備方面，我國自主研發了浮標、潛標、海床基、漂流浮標、水下滑翔機、ROV、AUV、水下拖體、海底爬行機器人等系列化觀測裝備，裝備種類與國外基本一致，但整體技術水平顯著落后于歐美發達國家。據中國工程院報道，我國海洋觀測裝備技術水平落后于發達國家10～20年左右[10]。在天基觀測裝備方面，我國已發射7顆海洋衛星，其中5顆正常在軌運行。在海基觀測裝備方面，我國自主研制的萬米級水下滑翔機及4 000 m級自持式剖面漂流浮標海試成功[11]。此外，無人機、無人艇、波浪滑翔器等新型觀測裝備逐步投入應用。在海洋觀測系統方面，我國已初步形成涵蓋岸基、離岸、大洋和極地的海洋觀測系統框架，初步建成了業務化運行的海洋站（點）網，海嘯預警觀測系統，雷達、浮標、志愿船觀測系統，海上平臺觀測系統，海洋斷面調査和應急機動觀測系統，建設了海域、海島、海洋災害和海洋生態環境等監控系統。國家海洋局、中科院及教育部等編制了區域以及全球海洋觀測計劃，正在實施全球海洋立體觀測網、海底觀測網等項目[12]。在機動組網觀測方面，2017年，青島海洋科學與技術試點國家實驗室（QNLM）在南海應用30臺/套自主研發的海洋觀測裝備，包括水下滑翔機、波浪滑翔器、剖面漂流浮標、潛標及AUV等，開展了協同組網觀測，成功獲取臺風過程中的海洋溫度、鹽度和流速等信息，這是國內首次快速機動組網觀測（圖2）。2019年，繼續在南海實施了到目前為止最大規模的無人系統組網觀測，最大同時在網設備45臺/套，運行 221 d，觀測海域 105×104km2[11，13]。

圖2 青島海洋科學與技術試點國家實驗室（QNLM）南海立體組網觀測體系示意圖[13]Fig.2 QNLM’s observing system in South China Sea

在海洋通信技術方面，我國廣泛應用的海洋通信系統主要包括海上無線短波通信、海洋衛星通信和岸基移動通信系統等。我國主要采用奈伏泰斯系統（NAVTEX，Navigational Telex）和船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）等海上無線通信系統。2016年，我國發射了首顆移動通信衛星“天通一號”，初步實現對我國領海及周邊海域的覆蓋。2017年發射了首顆高通量衛星“中星16”，覆蓋了對我國近海300 km海域，最高支持 150 Mbps的寬帶通信。2020年北斗衛星導航系統完成全球組網，可為全球用戶提供短報文通信服務。雖然我國衛星通信技術有了長足發展，但目前在我國領海、遠海/深海大洋和極地通信仍大量租用國際海事衛星，無法滿足自主可控的需求。在水下通信與導航方面，已經取得了一定的突破，但主要集中在軍事領域，尚未形成民用推廣。目前，亟需建設立體覆蓋、自主可控的海洋綜合通信網絡[14]。

在海洋信息技術方面，我國進行了有益的探索。例如，基于大數據技術，開展的海洋三維溫鹽流、臺風路徑和赤潮等預測已取得了一定的成果；通過挖掘AIS航運數據，對海洋經濟運行指標監控的定量化和精準化形成補充；基于超級計算的海上綜合信息應用服務系統正在建設；基于 Spark、Hadoop等框架的海洋大數據平臺已初具規模。

整體上，我國海洋物聯網技術仍以跟蹤模仿國外先進技術為主。自研裝備普遍存在精度低、穩定性及可靠性差等短板，面向組網應用的集數據采集、處理、存儲、傳輸等功能為一體的智能傳感器尚處于起步階段。中遠海及深海數據實時傳輸能力不足，存在海量數據傳不完、敏感信息不敢傳、跨介質數據穿不透等問題，通信鏈路尚未做到自主可控。云計算、大數據、人工智能等新技術在海洋領域的成熟應用較少，大多處于研究探索階段，相關算法大量借鑒國外，缺乏自主創新。

受技術水平及體制機制的制約，我國海洋觀測技術相對落后。近年來，海洋物聯網技術的快速發展，為我國海洋觀測技術原始創新和彎道超車提供了可能。發展基于海洋物聯網的以無人智能移動平臺為核心觀測技術與裝備體系，是推動我國海洋科技創新發展的良好契機。

3 基于海洋物聯網的快速機動組網觀測系統

隨著我國加強海洋觀測能力建設，海洋信息獲取及目標探測能力有了較大的進步，但仍存在區域碎片化、時空分辨率低、數據傳輸延滯等短板，尚未形成對全球海洋環境信息的實時、立體、高分辨率、多要素同步獲取能力以及水面、水下目標的高效探測能力。針對重點海域以及重大海洋環境突發事件的快速機動觀測能力尤為不足，與國際海洋強國有較大差距。為快速實時獲取高分辨率海洋環境及目標信息，亟需構建基于海洋物聯網的快速機動組網觀測系統。

面向重點海域中小尺度過程、突發事件及關鍵目標觀探測需求，通過集成自主研發的無人機、無人艇、波浪滑翔器、剖面漂流浮標、水下滑翔機、自主潛航器（AUV）、潛標、海床基及投棄式觀測裝備（表 1），突破跨介質信息共享與異構信道組網傳輸等關鍵技術，形成海洋觀測裝備多介質自動組網技術規范，構建基于海洋物聯網的海、潛、空、天、地立體快速機動組網觀測系統，開展海上示范應用，實現海洋環境及目標高分辨率實時觀測，融入現有軍用及民用海洋環境保障系統，并開展相關應用服務。為達成上述目標，需開展系統需求分析、總體方案設計、關鍵技術研究、海上應用示范以及組網規范研究等工作。

表1 快速機動組網觀測系統集成的觀測裝備Table 1 Equipment of rapid networking mobile observing system

3.1 系統需求分析

除了實施大范圍海域的常態化、業務化觀測，針對重點海域中小尺度過程、突發事件及關鍵目標，還應具備快速機動、立體化觀探測能力。上述中小尺度過程包括海洋鋒面、海洋渦旋等；突發事件包括臺風、赤潮等海洋災害、溢油、危險化學品泄漏、核泄漏等安全事故及交通事故等；關鍵目標包括利益攸關海域的水上、水下各類關鍵目標。這些過程、事件及目標具有難以預測、發展迅速、危害嚴重等特點。突發事件信息獲取的時效性和準確性會影響相關部門對事態的研判，進而影響后續處置工作的開展。構建快速機動組網觀測系統，實現海洋環境及目標信息的快速獲取和處理，可為海洋科學研究、海洋經濟發展及海洋權益維護等提供支撐與保障。

3.2 總體方案設計

基于海洋物聯網的快速機動組網觀測系統由信息感知層、信息傳輸層、信息處理層及信息應用層組成（圖3）。系統具備對海表溫度、鹽度、波浪場、流場、海面風、溫、濕、氣壓等環境要素以及水上、水下目標的實時同步高分辨率觀測能力，具備空中、水面、水下多節點自主組網、快速接入、安全傳輸能力，具備多源異構觀測數據融合處理、共享及服務能力。通過開展觀測系統總體設計，研究確定海洋觀測平臺與觀測載荷裝備方案、組網通信方案、數據開發應用方案、系統集成測試方案、海上示范應用運行管理方案及組網技術規范等。

1）信息感知層。

以自主研發的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標及投棄式觀測裝備等無人智能移動觀測裝備為主干觀測節點，結合潛標、海床基等定點觀測裝備，構建快速機動海洋信息感知物聯網絡，實現對海洋環境及水上、水下目標的多要素、立體化、實時/準實時感知。

2）信息傳輸層。

通過衛星通信、無線電通信、光通信、水聲通信等多種通信方式及跨介質信息共享與異構信道組網傳輸技術，構建基于海、潛、空、天、地的立體數據實時傳輸網絡，實現觀測節點自主快速接入組網和信息安全快速傳輸。

3）信息處理層。

開發快速機動組網觀測系統軟件，基于海洋觀測裝備及傳輸鏈路，研究多平臺、多要素海洋環境及目標實時數據匯集技術，開展觀測數據質控和標準化處理，實現全系統各類觀測數據的匯集、質控及融合處理。

4）信息應用層。

針對海洋科學研究、經濟建設、環境保護及國防安全等需求進行觀測數據的開發應用，生成數據分析產品，提供信息分發與共享服務，并與國家海洋環境安全保障平臺對接。

圖3 基于海洋物聯網的快速機動組網觀測系統Fig.3 Rapid networking mobile observing system based on Ocean of Things

3.3 關鍵技術研究

開展多介質無人機動組網觀測裝備改進與集成、自主接入快速組網及數據安全傳輸以及海洋環境及目標觀測數據開發應用等關鍵技術研究。基于自主研發的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標、潛標、海床基及投棄式觀測裝備，開展快速機動組網觀測適應性改進以及多介質多平臺多傳感器海洋觀測裝備集成，實現觀測任務自適應，滿足實時/準實時高分辨率協同觀測要求。通過研究衛星通信、無線電通信、光通信、水聲通信等多種通信方式及跨介質信息共享與異構信道組網傳輸技術，構建基于海、潛、空、天、地的立體數據實時傳輸網絡，實現觀測節點自主快速接入組網和數據安全傳輸，提高海洋觀測信息的交互與處理能力。開展海洋環境及目標觀測數據開發應用，實現全系統各類觀測數據的匯集、質控、融合處理，針對海洋科學研究、經濟建設及國防等需求進行觀測數據的開發應用，提供數據信息分發與共享服務，并與國家海洋環境安全保障平臺對接。

3.4 海上應用示范

系統集成的自主研制的觀測裝備包括無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標、潛標、海床基及投棄式觀測裝備等多種裝備，觀測系統建設及海上作業任務困難復雜。通過開展海上作業任務實施方案研究，制定海上作業運行試驗大綱，確保系統在海上實際工作高效可靠。開展海洋環境及目標實時觀測示范應用，實現全網系統各類觀測數據的匯集、質控、融合處理，針對海洋科學研究、經濟建設及國防等需求進行觀測數據的開發應用，提供數據信息分發與共享服務，并與國家海洋環境安全保障平臺對接。為實現系統的平穩運行，需對系統各節點進行運行管理，研究制定系統示范應用運行期間的設備狀態反饋措施。另外，面對海上的復雜環境，需要研究制定系統維護方案，確保海洋觀測數據的有效獲取、處理與應用。

3.5 組網規范研究

開展多介質海洋觀測裝備自動組網技術規范研究，建立設備接入、自動組網、數據采集、數據傳輸、數據存儲、數據質量控制、數據開發應用、數據分發共享等規范體系，拓展現有各型海洋觀測裝備數據采集傳輸能力，提高海洋觀測信息的交互與處理能力，從而實現實時/準實時高分辨率的海洋環境及目標信息感知與利用。

4 基于海洋物聯網的快速機動組網觀測關鍵技術

4.1 快速機動組網觀測裝備改進與集成

以自主研發的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標及投棄式觀測裝備等無人智能移動觀測裝備為主干觀測節點，結合潛標、海床基等定點觀測裝備，針對快速機動組網觀測要求開展適應性改進。開展多介質多平臺的海洋觀測裝備綜合集成，實現觀測任務自適應，滿足目標海區的實時/準實時高分辨率觀測協同要求。

1）快速機動組網觀測裝備適應性改進。

為滿足自動組網協同觀測需求，基于自主研發的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標、潛標、海床基及投棄式觀測裝備，針對多介質自動組網開展適應性改進，以匹配相應的數據傳輸接口規范，實現跨介質信息共享與異構信道組網。具體包括：

無人機：基于現有無人機裝備，提升復雜海況下無人機飛行性能，開展自動投放技術研究，實現多類型載荷多點精準投放。開展基于無人機的無線通訊與控制系統集成，利用海（水上、水下平臺）、空（機載平臺）、天（衛星平臺）等多平臺智能通訊設備，構建基于空中無人移動平臺的通訊網絡，開展數據實時傳輸及遠程控制試驗。開展觀測裝備協同作業技術研究及試驗，滿足多介質無人平臺協同組網觀測需求。

無人艇、波浪滑翔器：基于自主研發的無人艇、波浪滑翔器，開展海上自主接入快速組網改進與測試，實現水面無人移動平臺自主接入快速組網能力。開展基于無人艇、波浪滑翔器的無線通訊與控制系統集成，利用海、空、天等多平臺智能通訊設備，構建基于水面無人移動平臺的通訊網絡，開展數據實時傳輸及遠程控制試驗。開展觀測裝備協同作業技術研究及試驗，滿足多介質無人平臺協同組網觀測需求。

水下滑翔機、AUV：基于自主研發的水下滑翔機、AUV，開展水下自主接入快速組網改進與測試，實現水下無人移動平臺自主接入快速組網能力。開展基于水下滑翔機、AUV的無線通訊與控制系統集成，利用海、空、天等多平臺智能通訊設備，構建基于水下無人移動平臺的通訊網絡，開展數據實時傳輸及遠程控制試驗。開展觀測裝備協同作業技術研究及試驗，滿足多介質無人平臺協同組網觀測需求。

針對剖面漂流浮標、潛標、海床基、機載投棄式觀測裝備（機載投棄式探空儀等）、船載投棄式觀測裝備（表面漂流浮標等）等觀測節點，基于國內自主研發的觀測裝備，開展自主接入快速組網改進與測試，實現快速接入多介質無人平臺協同組網自主觀測能力。

2）多介質海洋觀測裝備綜合集成。

根據海上自然環境和通信條件，針對無人觀測裝備的多樣性、異構性特點，開展多介質、多平臺、多傳感器海洋環境及目標觀測任務規劃研究，實現觀測任務自適應，滿足目標海區的實時/準實時高分辨率觀測需求。通過對移動觀測節點的實時任務分配與優化、航行軌跡優化、軌跡偏離自動補償、實時航位推算、觀測數據實時融合處理與發布等關鍵技術研究，開發可實時/準實時觀測的快速機動組網觀測操控系統，通過衛星、無線電及水聲等通信手段，實時顯示觀測系統主要節點的運行軌跡、觀測信息及運行狀態，根據任務需求采用最優控制策略，生成群組觀測航路規劃，自動或人工向移動觀測節點發送控制指令，控制其航行與觀測參數，實現觀測節點與岸基操控平臺間的信息雙向傳輸。

4.2 自主接入快速組網及數據安全傳輸技術

面向海洋觀測數據的實時性、完整性、一致性需求，針對海洋觀測裝備的多樣性、異構性特點，通過研究衛星通信、無線電通信、光通信、水聲通信等多種通信方式及跨介質信息共享與異構信道組網傳輸技術，構建基于海、潛、空、天、地的多介質立體數據實時傳輸網絡，建立基于混合接入的分層網絡架構和海洋觀測數據統一表征模型，實現觀測節點自主快速接入組網和數據安全傳輸，提高海洋觀測信息的交互與處理能力。

1）跨介質信息共享與異構信道組網技術。

根據衛通、無線電、光通信、水聲信道傳輸特性和跨介質信息傳輸需求，研究動態時分多址（DTDMA）和載波偵聽多路存取（CSMA）混合接入體制，突破面向業務特征的動態網絡資源調度與分配技術，實現網絡資源與業務需求的高效智能匹配。研究滿足信息支持與保障的拓撲控制與結構優化技術，提高路由效率，減少網絡能耗，為網絡信息傳輸提供可靠支撐。

2）基于海洋信道特性的自適應水聲通信技術。

基于海上惡劣的自然環境和通信條件，分析快速機動組網觀測系統對數據傳輸實時性、可靠性與低功耗相平衡方面的需求。針對海洋觀測信息種類多、復雜度高等特點，設計面向數據高效封裝和可靠傳輸的消息協議，制定高效的消息交換與壓縮規范，研究滿足觀測需求的多種傳輸速率的多源數據處理和融合的信道選擇與優化技術。建立海洋觀測信息統一表征模型，構建統一的信息交換模型，用于各節點異構異類信息的分發和處理。采用頻譜感知技術和單載波頻域均衡體制（SC-FDE），滿足系統多速率傳輸組網要求，對抗海上多徑影響。研究低資源占用條件下的信息統一表征與處理協議技術，實現信息實時交換。建立分層分布式網絡架構模型，采用自適應多速率選擇技術，解決不穩定信道條件下的組網傳輸與應用問題。物理層采用水聲正交頻分復用（OFDM）高速通信技術，優化移動平臺下的水聲時變稀疏信道估計與寬帶多普勒補償技術。鏈路層采用競爭類協議，按需競爭使用無線信道，降低端到端延時和平均能耗。采用停止等待ARQ（Automatic Repeat reQuest）協議，提升水聲鏈路的可靠性。

3）非穩定平臺高精度衛星通信技術。

研究基于卡爾曼濾波的海泊動態搜星方法及動中通天線雙四元數控制方法，實現非穩定平臺高精度衛星通信能力，驅動天線以固定仰角繞地垂線旋轉來搜尋信標所在方向。載體地速為0時，假定載體初始航向為0、橫滾角和俯仰角初值也為0，可以通過加入卡爾曼濾波組合導航算法得到載體的俯仰角和橫滾角，從而可以實時算出地垂線在載體系下的矢量方向和與地垂線呈固定夾角的任意矢量在載體系下的坐標，驅動天線以固定仰角繞地垂線旋轉，直至天線搜索到衛星信號。

4）非穩定平臺光通信技術。

針對海洋觀測平臺的大動態范圍非穩定特性，突破通過大氣信道進行光信息高速傳輸的技術，開展通訊信道、對準跟蹤系統、收發系統、信息調制及信道編碼等研究。采用宏觀唯像衰減散射模型結合Monte Carlo方法模擬大氣信道的傳輸過程，建立仿真模型。研究天氣、濕度、溫度、時間等因素對光通信性能的影響，分析大氣信道吸收、散射、湍流以及光子技術探測過程對于通信傳輸速率、信道衰減以及誤碼率的影響，為通信系統設計提供依據。在現有航天高精度穩定轉臺和高精度經緯儀的基礎上，開展小型化高精度對準跟蹤系統研發。采用粗瞄、精瞄、通訊鏈路信息反饋的閉環，控制對準跟蹤精度，建立穩定通訊鏈路。光學收發系統是無線光通訊的核心系統，包括小角度發射和接收光學系統匹配與優化、噪聲抑制、發射光源等研究內容。開展非穩定平臺光通信技術研究，采用強度調制方式進行信息調制，對開關鍵控（OOK）和脈沖位置調制（PPM）兩種調制方式進行對比研究。通過采用RS、Turbo、LDPC以及 SCPPM等多種編碼方法，對比研究不同糾錯碼的性能，降低通信誤碼率。

5）通信組網安全及硬件加速技術。

開展面向跨介質信息傳輸及組網的雙向認證技術研究，針對DOS攻擊、重放攻擊、口令猜測攻擊、盜取驗證表攻擊、假冒服務器攻擊及假冒觀測節點攻擊等安全風險，設計基于 AES、RSA和消息認證碼的雙向口令認證協議。分析信息加密的硬件需求，采用Verilog硬件描述語言對加密算法進行設計及硬件加速優化，設計硬件加速模塊，利用 ModelSim對加密算法的 Verilog設計進行仿真驗證與評估，提升系統通信組網安全性。

4.3 海洋環境及目標觀測數據開發應用

開展海洋環境及目標實時觀測數據開發應用，實現全系統各類觀測數據的匯集、質控、融合處理，針對海洋科學研究、經濟建設、環境保護及國防安全等需求進行觀測數據的開發應用，提供數據信息分發與共享服務，并與國家海洋環境安全保障平臺對接。

1）多源觀測數據匯集管理。

基于海上機動組網觀測裝備及傳輸鏈路，研究多平臺、多要素海洋環境及目標實時數據匯集技術，在組網示范運行期間，實時收集無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、剖面漂流浮標、潛標等各類固定與移動觀測節點的觀測數據，解析觀測數據信息，建立面向多傳感器的觀測數據匯集模塊，根據平臺、數據量、要素種類、存儲方式設計數據信息表結構，實現數據自動加載、存儲、查詢檢索以及數據運行維護監控。

2）觀測數據質量評估與標準化處理。

以快速機動組網觀測系統海上示范應用運行為基礎，以多源觀測數據匯集管理為平臺，開展觀測數據質控和標準化處理，包括格式轉換、質量控制、排重、合并和標準化處理等。制定多平臺多要素數據格式，設計多平臺多要素質量控制流程，開展觀測數據質量檢驗評估，進行多平臺多要素資料排重和整合，形成各要素標準化數據。

3）觀測數據開發及應用示范。

針對海洋科學研究、經濟建設及國防等需求，開展海洋環境及目標實時觀測數據開發及示范應用。基于海上立體快速機動組網觀測及數據融合處理，結合海洋氣象、航空氣象、海洋水文以及數值預報保障業務需求，建立實時觀測信息與海洋環境保障業務系統的接入機制，為掌握海戰場環境要素、目標實況以及數值預報等提供信息支持。

4）觀測數據共享和發布。

根據軍民海洋環境保障需求和信息安全要求，基于多種傳輸鏈路，建立數據信息交換共享機制，提供實時觀測數據及延時產品的分發服務，實現軍民融合、多源匯集、信息共享，并與國家海洋環境安全保障平臺對接。

5 發展方向

目前，我國以城市物聯網、工業物聯網為代表的陸地物聯網技術發展迅速。海洋物聯網是認識海洋、經略海洋的重要技術制高點，但與陸地物聯網相比，海洋物聯網研究和應用仍存在信息感知能力差、數據傳輸延滯、信息服務水平低等短板。未來，需要重點突破復雜海洋環境下的智能信息感知、跨介質高速信息傳輸網絡、基于人工智能的海洋大數據等技術方向，以滿足復雜海洋環境下多平臺、跨介質的信息感知、傳輸、處理、應用等需求。

5.1 復雜海洋環境下的智能信息感知

隨著衛星遙感、空中、水面及水下海洋觀測裝備的發展和觀測網絡建設，對上層海洋的信息感知能力不斷提升。但在深海及兩極水域，觀探測能力仍然不足。需要開展耐壓結構及材料、水下能源、智能控制等關鍵技術攻關，研發適應深海高壓、極區低溫及冰下等復雜海洋環境的觀探測裝備。針對關鍵目標追蹤探測需求，需研制具備快速反應、隱蔽追蹤、近距探測以及跨介質復雜環境適應能力的探測裝備。針對觀測平臺負載能力有限、驅動能力弱、水下導航定位精確度低等技術難點，需開展推進、定位導航、環境適應等關鍵技術攻關。在傳感器方面，針對高精度、多要素、快速、低功耗、智能化觀探測需求，需開展傳感器敏感原理、材料、結構、工藝、平臺搭載適應性、智能控制及多傳感器信息融合等技術攻關，提升復雜環境適應性及信息感知智能化水平。

5.2 跨介質高速信息傳輸網絡

突破中微子、微波光子、太赫茲等新型高速跨介質通信技術，發展基于大氣波導、超視距雷達的信息中繼技術，開展深海、冰下、惡劣海況等復雜環境下的實時/準實時通信技術研究，研發低成本、小型化、可大量布放的海洋物聯網智能節點，構建基于海、潛、空、天、地多傳感器的跨介質高速信息傳輸網絡，支持多節點、多用戶快速自主接入和網絡自適應，提升海洋網絡空間異構傳輸能力。

5.3 基于人工智能的海洋大數據

為了高效利用海量、多源、異構的海洋數據，需加強海洋智能計算科學、海洋數據科學和海洋信息科學等信息海洋學基礎理論方法研究，發展人工智能、多源異構數據采集檢測存儲、數據清洗和質量控制、多源信息融合等技術。圍繞云端協同的多源異構海量信息的智能感知、邊緣計算等需求，構建微超算、移動超算和云超算等超算新生態與海洋物聯網智能協同計算體系。研究支持密文檢索和基于密文數據索引等的海洋大數據信息安全技術。研究設計海洋大數據與人工智能標準規范體系與開放共享平臺，面向海洋科學研究、經濟建設、環境保護及國防安全等應用場景提供信息服務。

6 結束語

隨著我國在全球海洋科研和經貿領域地位的提升，對海洋環境及目標信息的實時高分辨率獲取能力、預測預報能力、信息服務能力的需求日益迫切。在軍事領域，建設海洋物聯網是海洋軍事保障的重要發展方向，將海洋觀測技術與軍事應用相結合是我國未來軍民融合的重要任務。目前，我國物聯網技術發展迅速，但海洋物聯網研究與應用在信息感知、數據傳輸、服務水平等方面仍存在諸多短板。聚焦我國重大戰略需求，構建基于海洋物聯網的海、潛、空、天、地立體快速機動組網觀測系統，保障海洋環境及目標信息高效安全感知、傳輸、處理與應用，進而推動海洋觀測技術、裝備和產業的發展，對于加快海洋強國建設具有重要意義。