【学术论文】一种UUV集群的隐蔽水声通信低截获技术- 大数跨境

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【学术论文】一种UUV集群的隐蔽水声通信低截获技术

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2024-08-29

摘要

作者：赵敏捷，胡友峰，高立，和斌

(中国船舶集团有限公司第七〇五研究所昆明分部，云南昆明650118)

摘要：针对当前水下无人航行器(UUV)或水下自主航行器(AUV)集群任务过程中水声通信隐蔽性不足的问题进行研究(简称 UUV集群)。首先建立 UUV 集群的水声隐蔽通信分析模型，明确影响水声通信隐蔽性因素及实现隐蔽通信的技术途径:然后从工程实际的角度给出一种基于时频空及发射功率控制的 UUV集群水声隐蔽通信低截获技术实现方法。采用波束定向、宽带混合扩频/编码通信与变步长发射功率控制等综合措施进行水声隐蔽通信系统设计。性能仿真结果表明，上述方法可大大提升UUV集群的水声隐蔽通信低截获性能。

关键词：UUV;集群隐蔽通信:截获因子;混合扩频

0、引言

随着水声通信设备与无人水下平台的发展，潜艇、水面舰船、UUV( Underwater Unmanned Vehicle )或AUV(Autonomous Underwater Vehicle)成为了组网结点。2017年，美军发布《恢复美国制海权》报告，要求美海军未来装备超大型与智能型 UUV，将其作为一种多任务、多功能，并能携带多种有效载荷的水下作战平台口，明确表明了在未来水下作战中 UUV 集群成为了热点研究和发展方向。

UUV集群协同工作能执行水下隐蔽侦察、水下目标探测定位、水下勘探作业等多种特殊任务，且能有效降低成本、扩大探测能力、提高作业效率，备受各国重视口。UUV 集群技术中涉及了任务分配、路径规划、编队控制和协同导航定位、通信、组网及群体智能等多项关键技术。其中，集群的编队控制与水声隐蔽通信是UUV 集群任务完成及集群安全的基础，是当前 UUV 集群技术能否实用的关键技术之一。然而，当前集群 UUV的水声通信通常隐蔽性关注不足，即水通时，水声信号传播大多还是以广播性、信道开放性特点为多;此种现实情况下，窃听者可以较方便地进行侦查和监听，以窃取通信内容或对通信进行干扰，由此对通信系统的安全性造成严重影响;另外容易造成集群内各节点水声通信的互扰。鉴于 UUV 集群技术的军事敏感性，必须发展适用于集群作业下的水声隐蔽通信技术。

目前，国内对 UUV集群技术的研究已取得一定的成果，集中在 UUV集群协同探测方面，聚焦集群编队保持与协同作业。如西北工业大学进行了协同导航的研究，设计了基于单向水声通信的协同导航算法;哈尔滨工程大学开展了 UUV 集群协同控制研究，并针对双领航者多 UUV 协同导航的可观测性进行了定量和定性分析。然而，针对 UUV集群的具有工程实际意义的水声隐蔽通信技术研究尚处于起步阶段。

本文以某 UUV 集群项目为背景，针对 UUV 集群水下作业场景的水声隐蔽通信低截获问题进行研究。首先，建立 UUV 集群隐蔽通信分析模型，通过分析声通信截获因子，得出低截距离与改善因子的关系，给出了提高水声隐蔽通信低截获技术途径;然后，提出一种基于时频、空及变步长发射功率控制的UUV 集群水声隐蔽通信低截获技术工程实现方法及集群水声隐蔽通信系统方案;最后，进行系统水声隐蔽通信低截获性性能分析。

1、UUV 集群的水声通信分析模型

以某UUV集群单元作业场景为例，建立多UUV 集群的水声通信分析模型。如图1所示，图中的UUV 集群采用分布式编队方式在水下移动搜索。1个UUV 集群由1个领航 UUV 单元和数个跟随 UUV 组成，可执行水下隐蔽侦察、水下目标探测定位、水下勘探作业等任务。1个UUV集群可按规划路径移动并执行分配的任务。在执行任务的过程中，领航 UUV与跟随 UUV间以水声通信方式交换信息和指令，并以此实时保持集群的必要编队控制与指令的执行。

在该模型中假设存在非合作方M。在水声通信过程中领航 UUV 向跟随 UUV、跟随 UUV,发送水声通信信号，设凡为通信接收机可接收最大距离，R为截获接收机截获最大距离。在隐蔽通信条件约束下，领航 UUV 跟随 UUV之间的通信能够正确解码通信满足接收最低信噪比要求的同时让非合作方无法察觉到通信过程，达到隐蔽通信的目的。

对于集群 UUV间点对点的通信与截获过程可以看作是发射机、通信接收机与截获接收机三者组成的对抗系统。

2、截获因子分析

参照文献[6]，UUV 集群通信的截获因子ρ可以定义为:

可以看出，截获因子等于截获接收机和通信接收机的最大通信距离比。当ρ < 1时，系统可以认为是隐蔽系统，并且越小隐蔽性能越好。需要明确指出的是，截获因子只是一个相对的概念。Ri、Rt取决于截获接收机和通信接收机的检测阈，是在接收机恒定的虚警概率pf和预设的可接受的检测概率pd一定的情况下讨论的。

式（1）中的通信距离可以通过建立声呐方程来确定，将式（1）取对数，得到

利用声呐方程衡量声呐的最大作用距离，引入通信与截获机接收机优质因数：

式中：FOMt为通信接收机优质因素；SLt为 UUV 发射声源级；NLt为自噪声与环境噪声级；DIt为 UUV 接收指向性；DTt为通信接收机检测阈。同理写出截获接收机的优质因数FOMi为：

式中：SLi为截获接收机接收到信号的发射声源级；NLi为自噪声与环境噪声级；DIi为截获接收机接收指向性；DTi为截获接收机检测阈。传输损失可以表示为：

式中：DIT为 UUV 发射指向性；PT为 UUV 发射声功率。可知，声源级因子、噪声因子、指向性因子、检测阈因子以及相关的发射功率、时间带宽积等参数均影响着 UUV 集群内的隐蔽性能。

结合式（8）、式（10）、式（12），发射功率与发射指向性同样影响着声源级因子。假设双方接收机面向同一个声源级，对于双方接收机，声源级存在发射指向性的差别。在发射主瓣未截获情况下，此时 UUV发射机对截获接收机的指向性可以认为DITi = 0 ，则

对通信接收机的发射指向性对于集群内的隐蔽性能来说完全是正增益，设计相对较高的主瓣级、尽可能低的旁瓣级、更窄波束角的高增益束控声呐有利于提高隐蔽性能；而在主瓣截获的情况下，DITt = DITi，

那么设法提高通信接收机的接收指向性将成为改善隐蔽性能的关键。由式(9)能明显看出，通信接收机噪声级降低、截获接收机噪声级升高可以改善隐蔽性能。由式(11)可知，为降低检测闽因子ADT，降低DTt、增大DTi;，本质上是扩大两者检测阈的差距,对于高斯白噪声下的确定信号与未知信号的检测，2种接收机增益都与时间带宽积成正比增大时间带宽积并降低截获机在时域与频域的截获能达到此效果。另一方面，由于指向性的增益，声源级更容易达到通信接收机的检测闽要求，相对的能够降低发射声功率P，而截获接收机为了有效地截获需要对信号进行能量的累积，在保证通信效果的情况下，尽可能地降低发射功率会增加截获机的检测难度，提升隐蔽性。

3、技术途径

由上述理论分析可知，采用如下技术途径可提高UUV 集群的水声隐蔽通信能力:

1)采用低旁瓣适宽波束定向发射、多波束接收与定问技术。在通信主波束外的非合作截获机将接收到被尽量减少的信号，可降低其接收增益;而合作方将在通信主波束内进行信号接收与处理，将获得较大的接收增益。

2)采用宽带扩频/编码发射信号技术。大时间带宽积信号具有较好的低截获性，可使非合作方截获机在频域上接收大大失配，而合作方接收机在接收频域上能进行匹配接收，以此提高系统的低截获性，有助于通信的隐蔽性。

3)信号发射功率控制技术。功率控制的目的是使接收端能够稳定解码的前提下尽可能地降低发射功率，降低暴露风险。采用低功率发射调制可降低信号被截获可能。

4、系统方案设计及性能分析

为保证 UUV 集群的水声通信隐蔽性，避免常规水声信号广播性传播方式的弱点，本方案基于上述水声隐蔽通信的机理分析结果，采用时频空及发射功率综合管控的技术途径，如图2所示。以某 UUV 集群背景为例。一个水下移动的 UUV集群单元在执行水下任务过程中，领航/跟随 UUV 为“一带四”模式。

本文假定编队时，各节点间的相对位置、移动速度为按一定策略事先设定。领航UUV 安装有主/被动舷侧阵装置，舷侧阵收/发平台能采用湿端共享的成熟技术共用于目标探测/水声通信，并配置有完整的海空通信模块，跟随 UUV同样配置有主/被动舷测阵并根据需要配置不同载荷。以领航 UUV 作为集群编队的中心，也是水声通信的中心节点;各跟随UUV仅接受中心节点的指令，跟随 UUV 间互不相扰，且为避免互扰，各跟随 UUV 划分有不同的工作频率。

为实现水下领航 UUV 平台与跟随 UUV 平台之间的隐蔽通信,采用如下方案:

1)波東定向技术。由 UUV平台舷侧阵完成波束定向发射任务。考虑领航 UUV 平台舷侧阵向某对象跟随 UUV;(反向时亦同)以一定束宽进行信号发射此时波束是经过设计的低旁瓣波束。在本方案的 UUV集群单元中，各 UUV 拥有集群中的位置信息相对明确，且各 UUV 配置的主/被动舷侧阵可实现定向发射、多波束接收。非合作监听设备在空间上可能处在主波束覆盖的范围之内，或主波束边缘，或旁瓣区域。由此在空间增益上获得低截获贡献。

2)低截获水声通信。采用宽带扩频波形设计技术:水声通信信号采用时宽积较大的扩频信号或多频组合信号发射及处理技术，如:直接序列扩频(DSSS)跳变频率扩频(FHSS)结合频移键控调制(MFSK)技术等。本文选择 DS-FH-MFSK 混合扩频系统，这种混合扩频能大大提升扩频系统的性能，并且有良好的隐蔽性、抗干扰性。

DS-FH-MFSK 混合扩频系统可看作是一个载波频率作周期性跳变的直接序列系统，为了进一步提升通信的隐蔽性，将原先 MFSK 一个码元对应一个混频频率改为一个码元对应多个混频频率并用 PN 码控制频率的选择，其原理如图 3 所示。

3)发射功率控制。采用变步长发射功率控制方法实现信号发射能量的控制。本方案以接收信噪比为反馈信息的变步长功率控制系统四，在一次通信后跟随UUV 接收机根据接收信噪比与目标信噪比的差值反馈功率控制命令，让接收信噪比始终维持在大于目标信噪比 0~5 dB 的范围内，超过或低于该范围则根据差值采取相对应的调节步长，满足通信质量的情况下以较低水的功率发射信号，提高低截获性能。

本文面向的 UUV集群单元为分布范围可调的小集群，假定群体低速前行、以领航 UUV 为圆心各节点距离约400~800m分布，不考虑水声信道的影响。设UUV 集群水声隐蔽通信工作特性如下:

式中:s(1)为发射信号;x(t)为接收信号;n(t)为环境噪声;a(0,φ,r,f)为到达信号系数;0为波束水平角，φ为波束俯仰角，r为UUV 之间的相对距离:f为通信频率。为方便分析，本文假设非合作方可能处在正对主瓣、主瓣-3 dB 或主瓣-9 dB 等不同位置，如图4所示。

合作方通信接收机处于领航 UUV 舷侧阵定向波束覆盖的范围内(反之亦同)，且已知发射信号，可通过匹配相关捕获信号。匹配滤波器的统计量为接收信号与通信信号的离散相关，如果满足下式，则判为H1。

非合作方的截获接收机可能处于主波束覆盖的范围外或波束边缘以及旁瓣区域，由于没有通信信号的先验知识，假定非合作方采用的是能量检测器以对信号非相干检测。根据通信模型，截获接收机最佳接收机为平方律能量检测器，结构如图 5 所示。

5、仿真分析

为了定性与定量的分析 UUV 集群水声隐蔽通信系统性能，首先研究经过时频扩展调制后信号的瞬时功率与谱密度的变化，以此可分析信号的低截获性能。本文应用计算机仿真集群内 UUV 点对点完整通信过程，并对截获接收机接收到的信号分割为若干短周期，并在滑动窗内进行频谱估计，便能够观察到频率及功率如何随时间改变。由于UUV集群单元名UUV相对运动速度较小、各节点距离较近，水声通信过程中可假设信道为高斯白噪声信道，多普勒频移确知。设计的阵列波束主瓣-3 dB 波束角为 28°，仿真中非合作方处在如图4所示的3个位置，系统采用7位m序列码对100 bit原始二进制码元进行直接序列扩频，用PN序列发生器控制载波频率，组成DS-FHMFSK 混合扩频系统，起始频率为5kHz，频率间隔为500H。通过集群内领航/跟随 UUV 的相互距离控制发射功率。如图6(a)和图6(b)所示，比起普通4FSK，经过混合扩频系统，非合作方处于波束主瓣内时的信号，带宽大幅展宽、功率谱仅为原来的几分之而当非合作方位于波束主瓣-9 dB 时，接收信号功率谱与噪声相当，如图6(c)所示。

同时，因为混合扩频系统将带宽展宽，且载频数量提高，使用蒙特卡洛实验分别模拟 4FSK、跳频后混合扩频后的相干解调误码率。由图7可知，虽然码元速率受到了影响，但混合扩频系统正常工作的信噪比进一步下降，抗噪性得到了提升。

另一方面，为了定量分析系统的低截获性能，从截获因子给出可检测距离中的概念来衡量低截获性能，该方法在虚警概率p/一定时，领航 UUV 与跟随UUV之间的距离一定时，在不同的检测概率下比较非合作方的检测距离。此方法相较于前文中的截获因子，无法直观比较通信接收机与截获接收机的差距。从隐蔽是一个相对的概念出发，综合式(14)~式(21)不同的参数对应有不同的最大通信与截获距离，对应不同的截获因子ρ，绘制出其变化曲线。设双方接收机的虚警概率pf为 0.01，假定截获接收机在时间和频率上完全截获了通信信号的全部能量，能获得最大的截获接收机增益。对主瓣内无混合扩频、混合扩频信号以及主瓣−9 dB处的信号进行了不同信噪比下匹配滤波与能量检测接收机检测概率的仿真，由图 8（a）所示。能够看出，带宽的扩展与信号能量密度的下降对匹配滤波的影响较小，而对于非合作方的能量检测器影响较大，未捕获主瓣的能量检测器直到信噪比−15 dB 的情况下检测概率才达到 1，与通信接收机拉开了较大的差距。

同样在虚警概率pf不变的情况下，仿真比较通过系统前后以及非合作方在主瓣−3 dB 处与−9 dB 处的截获因子，结果如图 8（b）所示。以检测概率pd = 0.5时为例，当信号通过混合扩频后即使波束主瓣完全被非合作方截获，截获因子也下降至 0.21，而在主瓣−3 dB处与− 9 dB 处分别下降到 0.17 与 0.098，pd为 0.5、0.7、0.9 时各截获因子见表 1。截获因子的降低，表明截获接收机与通信接收机的最大可通信距离差距进一步增大，提高了水声通信的低截获性能。

6、结语

本文以截获因子出发结合集群内通信与截获的声呐方程，分析了影响集群隐蔽性能的各个改善因子。提出了一种基于时频空及发射功率控制的 UUV集群水声隐蔽通信低截获技术实现方法，并从时频功率谱信噪比、检测概率与截获因子的角度对低截获性能进行了定性和定量分析。通过分析表明，将信号通过混合扩频的方式扩展到更宽的带宽，可降低信号的功率谱、提高匹配增益，降低误码率。在时频空及功率的联合管控下集群隐蔽通信性能得到明显提高。此外该方法实现简单，性能良好，具有较好的应用前景。

需要强调的是，隐蔽通信是一个相对的概念，实现低截获的同时，会造成通信速率及频带利用率的损失，并且通信距离和可靠性也会受到影响。所以在系统性的设计中，需要在集群隐蔽通信中的各个细节进行研究以优化性能。

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