5G融合水下光通信及感知关键技术研究

产品功能及原型设计理念和框架

1.产品功能

（1）主要功能配置。自主执行航行任务时，按照预设的航路规划路径航行。按照预先规划，执行侧扫声呐测量、水质参数监测和水样采集等任务；有在定点上浮并通信的任务时， AUV上浮至水面，可以与岸上操控终端进行信息交互；需要实时回传数据时，通过浮台与AUV同步漂浮，采用单光子通信实现水下数据实时回传。

（2）通信功能。能够通过便携式水面操控设备及软件进行操控。5G通信，当设备浮出水面即可通过5G信号将数据传输回岸上，并能实现低延时操控；全球卫星通信采用北斗通信模块实现，用于上报自身位置信息，满足水上远距离回收操作；在需要数据实时回传功能时，启动单光子通信功能，实现水下远距离数据实时回传。

（3）传感器配置。平台提供自检测试接口，提供相应测试软件，便于对各类设备进行检测。

（4）平台控制软件及AI智能分析。系统提供图形化操控软件，可实现路径自动智能规划、设备自检、水面遥控等全方位操控功能。具备数据记录功能，可根据试验类型设置数据记录频率。并提供相应的数据回放显示软件，可以对航行记录数据进行智能显示、处理与分析。

（5）平台导航。AUV平台采取航位推算加GPS校准的导航方案。导航控制结构包括姿态仪、深度传感器和微处理器。处理器接收各传感器的感知信息，进行位置推算和导航解算。

（6）故障自检。当AUV在自主航行时，对水下潜器本身实时监控航行时间、深度及电量，遇到异常将进行停车保护，AUV上浮进入安全状态，并将处理信息上报至岸上终端。

（7）系统供电。AUV平台的供电系统分为仪表供电和动力供电两部分，相互独立；均采用标称24V的锂电池，电压范围21~29.4V。仪表电为水下潜器的各电路部分和传感器部分供电，动力电为水下潜器的舵机和电机供电。另外，仪表电可以为外部搭载模块提供24V不超过50W的备用电，供用户搭载自身设备。

2. 原型设计理念和框架

水下地形、水环境等数据获取较陆地难度大，且数据单调。但是水下监测数据对于水利管理尤为重要，随着江河湖泊周边城镇化迅猛发展，累积型和复合型的水污染问题在水域生态环境中正集中体现，一旦发生突发环境破坏或环境污染事件，若没有时效性强的监测技术，将造成无可挽回的后果；水库上游河流的冲刷、泥沙淤积沉淀使得水库水下地形发生了很大的变化，会直接影响水库的库容，需要重新进行测量和计算。目前我们广泛关注的水下环境监测方法包括现场采样，专业监测船或现场监测浮标，这些方法的缺点是劳动量大、效率低、成本高，整体效果不好，导致现有的监测系统不能满足大面积水域监测的需求。

随着科技水平的不断进步，采用移动性灵活的自主式水下机器人完成水域监测任务越来越接近我们的工作和生活。

自主式航行水下机器人（AUV）相比于其他类型的水下机器人平台，具有自主性高、探测范围大等优点，它能够依据运动传感器参数和导航参数的变化而快速修正航向，通过程序控制，能够全自动按照预设的航线进行测量、自动换向或调整航线等操作，能够在测量时保证覆盖工作范围，而且摆脱了线缆的限制，受自然因素影响小，作业效率高。本项目的提出，使水下机器人、5G、物联网、AI技术等新兴产业为水利传统的感知监测、通信组网远端测控化发展开辟了新的道路，极大促进了传统产业升级改造。

图 1整体框架

流量、水下地形、水环境等应急数据获取难度较大，且数据单调。但是洪涝灾害应急情况下的监测数据对于水利管理尤为重要。传统监测方法包括现场采样、专业监测船或现场监测浮标，这些方法的缺点是劳动量大、环境要求高、效率低、成本高，整体效果导致现有的监测系统不能满足洪涝灾害应急情况下水域监测的需求。

图 2 监测机动平台整体框架

AUV（自主式水下航行器）是新一代水下航行器，是一款先进的水下自主观测平台，该平台尺寸小、重量轻、操作简便、安全性高、扩展性强、可搭载多种负载；具备自检、遥控、航路规划、自主航行、安全布放与回收等多项功能，可实现高效稳定、高可靠的水下自主航行。具备智能化、低成本、国产化、安全可靠、易于使用与便携的特点。具备执行声学探测、光学探测和水文探测等多种探测任务的能力，能够满足各类水下地形地貌勘测、定点定深采水、水下环境监测、水下巡检等多项任务的实际需求。

图 3 新一代自主式水下航行器

便携式无人自主水下潜器（AUV）平台在后期通过加装不同的传感器，满足各种领域的应用：

流速监测；

水下地形地貌勘测；

水下物理、化学参数测量；

水下工程巡检；

水下搜索与救援；

定点定深自动采集水样；

水下环境监测；

……

平台主要功能性能如下：

便携式水下无人自主航行器由水下航行器、岸上操控设备及专用辅助设备组成，如下图所示。

图 4 便携式水下无人自主航行器组成框图

①该平台采用航行器流体力学设计、鳍舵组合控制、全驱动自动控制、组合导航等技术，具有航路自主规划、定深航行、安全布放与回收等功能。可实现最高速度不少于6节的航行，可完成最大水深100m、3节航速下不少于4小时高稳定、高可靠的水下自主航行。

②AUV平台的供电系统分为仪表供电和动力供电两部分，相互独立；均采用标称24V的锂电池，电压范围21~29.4V。仪表电为水下潜器的各电路部分和传感器部分供电，动力电为水下潜器的舵机和电机供电。另外，仪表电可以为外部搭载模块提供24V不超过50W的备用电，供用户搭载自身设备。

③该系统可搭载多种声呐、摄像等设备，完成河流、湖泊水文参量数据采集、水下地形地貌勘察以及相关的作业任务。如平台可集成深度传感器和导航单元，AUV平台还可加装AUV定制的水样采集器、侧扫声呐等设备，实现更高精度导航、更智能化的航行和安全措施的同时具备水样采集和勘测水下地形的功能。平台提供自检测试接口，提供相应测试软件，便于对各类设备进行检测。

图 5工作结果展示图

④具备良好的图形化软件和用户操控界面，方便任务执行和航路规划，提供各类传感器、运行参数在内的内记数据进行分析研究功能，具备全方位操控功能，方便地执行各种参数设置、自检和水下任务。

如图所示，系统提供图形化操控软件，可实现路径规划、设备自检、水面遥控等全方位操控功能。

图 6 图形化操控软件

AUV平台具备数据记录功能，可根据试验类型设置数据记录频率。并提供相应的数据回放显示软件，可以对航行记录数据进行显示、处理与分析。

图 7 结果分析

AUV平台的主控模块适用多种操作系统，可根据用户需求采用Linux、Windows、VxWorks等操作系统。平台软件提供开放式控制系统，包括传感器和各类执行器的底层驱动、数据接口和控制接口，便于用户方软件开发。

⑤具备远距离数据实时回传功能。当AUV在水下工作时，采集到的数据可通过水下单光子通信传输给水面信号接收浮台，实现远距离的水下无线光通信，实时回传到陆地数据接收平台或者指挥中心。

图 8水面信号接收浮台结构设计图

⑥具备5G、WIFI无线通信、北斗短报文通信功能。WIFI通信功能可实现岸上操控终端与AUV内部计算机的数据交换，包括航路规划、导出内部记录数据、更改内部控制软件算法和升级系统等；5G功能便于水面遥控、交换数据、查询系统状态，北斗三代用于定位功能、报文通信功能、位置报告等功能。AUV平台采取航位推算加北斗校准的导航方案。导航控制结构包括姿态仪、深度传感器和微处理器。处理器接收各传感器的感知信息，进行位置推算和导航解算。导航控制系统采取航位推算加北斗卫星校准的导航方案。系统在水面时，会实时获取位置，对自身位置进行校准。在水下工作时，以最后更新的位置作为起点，采用航向姿态参考系统进行航位推算，实时获取自己的位置信息，并通过航路点不定期上浮，来达到校准位置的目的；通过计算与目标点位置的距离与方位采用PID控制系统达到指定位置。

⑦具有多种安全自救装置和措施，包括超深、超时停车、超出范围报警、紧急情况抛载等安全功能；具有卫星定位指示功能，确保安全回收。系统具备对AUV本身各个器件进行自检的功能，通过AUV-Manager软件，尾段自检可以针对电机、舵机进行状态、性能及供电检查。AUV-Manager软件实时显示深度及GPS位置更新及各个传感(深度、惯性导航单元)的工作状态，如有故障对系统进行报警通知。当AUV在自主航行时，对水下潜器本身实时监控航行时间、深度及电量，遇到异常将进行停车保护，AUV上浮进入安全状态，并将处理信息上报至岸上终端。

创意特色及技术性能（必填，项目的新颖性，产品设计的独特性、创造性；技术深度、复杂度、合理性、先进性以及其在市场中的领先程度等，结合专利、数据等支撑说明材料）

1.项目创新性

（1）     融合5G高带宽低延时的水上通信和光通信的水下通信能力。将通信覆盖能力做出延展。是构建空天地水一体化监测系统的通信基础保障。

（2）     搭载多种传感器。借助AUV平台的水下的综合感知能力和5G实时通信能力相结合，解决业务处理过程中的痛点。实现信息的高效传输和实时控制。

（3）     远程实时遥控。当AUV在水面作业时，可通过5G通信实现超低延时的实时控制能力，包括方向、速度、路线等。

（4）     组网编队。多台AUV组网编队，不仅成倍级提高工作效率。还可以提高水下通信的高可用性。

2.重点技术

（1）融合通信平台重点技术

①5G+水下光通信组网技术

通过无人机或者AUV结合5G、水下光通信组网技术。将水下与等地面移动通信融合，并实现互联互通。

②AUV自组网水下集群通信

AUV自组网应急通讯还可以应用到水下无人集群监测，这时AUV的部署数量会有大幅度提升，对水下通信组网的性能提出更高的要求。当AUV成为水下通信组网的节点后，可以实现水下近程高速通信组网的快速形成，在局部位置可以快速形成通信网络，提升所在位置观测信息交互的实时性、有效性和高速率。在实现水下组网通信的基础上，由多个AUV进行协同观测，增加探测侦察的准确性、时效性，不仅可以提供水利环境的全方位态势评估，还可以实现灾情的紧急救援，为水利抢险救灾赢得时间。

③融合通信平台

融合通信平台服务器是融合通信系统的核心设备，系统支持统一通信网络和NGN技术规范的技术架构。无论在功能应用还是系统扩容方面都有传统调度系统无法相比的先进性，并且支持分布式应用，可满足融合通信，生产调度，移动作业等信息化通信需求。提供丰富的补充业务支持“文字、语音、视频、位置等短信息”、“GIS”、“传真”等数据业务，可以最大程度地满足用户多样的通信业务需求。能够帮助指挥调度人员通过多媒体方式实现指挥通信对日常指挥、突发事件，实现信息沟通、现场情况分析、科学决策、联合行动，整个调度过程，真正做到“叫得应，看得见”，满足统一综合通信数据传输和指挥调度的需求。

图 2 融合通信调度系统

（2）AUV平台重点技术

①AUV远距离无线水下光通信技术

水下工作环境复杂多样，若使用有线光缆，容易缠绕水草、树枝等，且无线通信系统由于其灵活性，很早就被用于水下作业，例如水下环境的检测、自然灾害的预警和水下石油开采等活动。但在这些水下作业中，声波通信和射频通信这类传统无线通信方式占据了主要地位，但是随着人们对于高速率、远距离的通信需求越来越强烈，声波传输距离远、速率低，射频传输速率高、传输距离短的缺陷也日益突出，正是这种矛盾让人们把目光转向了水下可见光通信系统。

水下可见光通信系统采用LED作为光源，SPAD作为探测器。将输入数据（图片数据或者视频压缩编码后的数据）转换为OOK调制信号由发送端进行传输，当调制信号为“１”时，驱动电路点亮LED，当调制信号为“０”时，驱动电路控制LED熄灭。可调节光阑用于手动控制光通量，衰减片能对光强造成一定衰减，聚光透镜的作用是将光束聚焦。用装满水的水箱模拟水下通信环境，光信号经过水箱传输到达接收端，接收端由聚光透镜和单光子探测器构成，最后将探测器输出的离散光子脉冲解调还原成连续信号。

图 10 水下单光子通信系统框图

水下可见光通信系统主要利用蓝绿色光，由于蓝绿色光在水下传输的损耗较小，具备作为高速率远距离传输的载波的潜力。可见光通信系统在清澈的水域中可以以每秒吉比特的速率传输100m以上。正是由于可见光通信系统在水下无线通信中具有巨大的潜力，在调制技术、发射机、接收机等方面做了大量研究与改进。

为了实现单光子通信，解决数据实时传输问题，在水面布设同步跟踪浮台，浮台由太阳能板、水下推进器、上盖板、单光子接收器组件以及底板等组成。

图 11 浮台底部设计图

并运用在AUV与水面浮台之间实现远距离水下数据实时回传。

图 12 AUV与水面浮台数据回传示意图

②单光子通信优化技术

由于水下信道的衰减作用和光量子效应，光信号在传输过程中存在误码等问题。为了提升单光子通信技术性能，进行基于深度学习的水下光子计数通信时钟与数据快速恢复技术等应用研究，降低误码率。

图 13基于深度学习的水下光子计数通信时钟与数据快速恢复技术方案

③基于应用性设备搭载的通信技术

针对应用性设备搭载的实际需求，对水下航行器平台进行通信硬件的需用求改造，扩展多路串口与I/O接口，为搭载设备提供与平台之间的通信链路。通过对通信软件进行二次开发，解决平台与应用设备之间的数据通信，另外可根据应用需求，对结构体外开密封窗口，搭载外部独立通信设备。

针对应用性搭载设备进行总体外形及流体动力布局、壳体结构/联接结构/动态密封结构、结构空间布局、综合性能分析与优化等设计工作。在总体布局设计中，利用数字化虚拟装配技术，建立了系统及各组部件的实体库，在搭载应用性设备实体后对总体布局进行优化设计。

通过合理地设计供电开关电路，将可控的电流由原来的10A左右提升为80A，极大地保障了各类大动力设备如推进器等的电力供给需求。发热量极低，运行稳定可靠。

④AI智能计算

添加智能计算芯片，可为行业业务应用扩展提供前端边缘计算能力和计算平台。实时进行路线自动最优规划、数据智能分析等功能，具备良好的通用性和扩展能力。

3.技术先进性

本项目为国内自主研发，所研究多项技术为国内领先，项目所使用的具有自主知识产权的设备、技术、产品、软件、标准等创新成果如下：

类别名称、专利号及授权时间

（1）     发明专利 水下目标探测系统201618002467.X   2016.06.08

（2）     发明专利 一种多模式水下航行器及航行系统201718001382.4  2017.04.24

（3）     实用新型 一种航行器的动密封检测装置2016212388065 2017.05.17

（4）     实用新型 一种航行器的配重与抛载一体化装置2016212387908 2017.06.09

（5）     实用新型 一种航行器的调试转台2017200513177 2017.09.08

（6）     实用新型 一种模块化电源及水下航行器2017202987619 2017.11.24

（7）     实用新型 串行通信端口转换装置ZL201620940345.X 2016.08.36

（8）     软件著作权 水下无人自主航行器导航控制软件2017SR210581 2017.05.26

（9）     软件著作权 水下无人自主航行器侧扫声呐记录软件2018SR847652 2018.07.06

（10）   软件著作权 水下无人自主航行器AUVManager 软件2017SR193565 2017.05.22

（11）   软件著作权 水下无人自主航行器数据回放软件2017SR193565 2017.05.22

与5G结合性及强相关性及产业联动效应（必填，对5G技术发展的预期影响；应用作品/项目的完整性；产品规模化生产后对产业链的影响）

（1）扩展5G通信的覆盖范围，推进5G通信技术和其他通信技术的融合发展。

（2）带动新兴产业的发展，优化区域产业结构

自主式航行水下机器人在内陆水利产业的应用，优化配置、合理利用资源，在带动传统水利行业转型升级的同时也实现了新技术、新产品在陌生领域的从无到有的发展，从小到大的演变。从而优化区域内生产要素比例，改变传统水利的数据获取、工作方式、运维模式，催生出新产品、新产业，带动新的消费和就业，激发深层次的、潜在的需求，带动区域内产业结构调整，助推经济结构转型升级。

（3）提高区域创新活力，促进区域经济发展

本项目的实施将发挥骨干企业的带动作用，培育一支高素质的人才团队，释放区域创新活力，提高技术向成果转化效率，保持人才的创新动力，逐步形成区域产业集群，促进区域经济发展。

5G与AI、大数据、先进计算、区块链等技术的融合度（必填，与5G相关技术特性的融合度及相关性；以5G为基础，与AI、大数据、云计算、区块链等新技术融合发展催生新概念、新技术、新应用和新业态）

本项目重点应用5G、北斗等先进通讯技术实现导航、水面遥控、水下检测及水下单光子远程实时通信。AUV为自主式水下航行机器人，在进行自主工作时，需要紧密结合AI、大数据、物联网等先进技术进行路线智能规划、设备自检、数据分析、障碍物分析等多种智能操作。

5G技术与AI、大数据、物联网等技术的融合，催生出项目所应用的5G与水下单光子通信技术、自组网、融合通信等通信技术，水面机动浮台的提出是对水下通信技术及应用的革新，单光子通信技术的加入，使得以AUV为代表的水下机器人单项核心技术瓶颈问题的解决提供了新思路和新方法。单光子通信技术与AUV全技术链条的深度融合，无疑将推动AUV更高效、更智能、更准确地开展水下通信及观测等作业任务，从而在水下探测、水下巡检等方面的发展战略中发挥更加重要的作用。

在有了5G技术与AI、大数据、物联网等技术支撑下，AUV不仅具有上述提到的功能，其主要进行水下地形地貌、地质结构、水下流场、水下环境参数和光学探测等精细调查，并且可搭载多种水文探测传感器，既可实现较大范围探测，又可实现水下定点精细观测，还可以携带轻型作业工具完成轻型作业，在水利、养殖等行业可以得到广泛应用，对于行业进步有着重要意义。

项目的价值以及市场需求、分析市场容量和（必填，结合参赛作品的市场规模、所处产业链角色、产品规模化生产对产业链的影响等来分析参赛作品的市场定位、市场份额预期、产业效应及社会效益）

目前，在实际洪涝灾害应急情况下水位、流量、水底地形勘测、水库库容探测与计算、搜救等等应用业务操作中，主要应用侧扫声呐、单波束、多波束等声呐设备搭载在无人船或定制拖鱼之上进行，无人船体积较大，吃水严重，工作时需要人员跟踪，在操作使用上有一定的复杂性和限制性，无论是购买还是租赁成本都比较高（据市场报价，单独购买1米长无人船15万元，1.9米长无人船25万元，3米无人船60万元起步）；对于水下巡检，各个行业领域的相关需求的处理方式通常是通过潜水员目测，效率低下，人工成本较高（水下桥墩巡检潜水员人工费用约6000元/天），且风险较大。而将侧扫声呐、单波束、多波束等设备以及水下相机、采样器皿、具备边缘计算能力的芯片等根据实际业务需要灵活的搭载到AUV上，利用AUV的特性潜入水下可进行水下采样、桥墩水下损坏情况成像分析、水库鱼类养殖跟踪采样分析等等多领域的作业，降低了业务设备购买成本，减少了人员成本投入，经济效益明显。

依据行业优势、坚实的科研后盾、灵活高效的市场开发，预计第一年项目产品达产年度销售额（含税）达到4000万元人民币，随着产品性能提高、成本降低，可迅速打开市场，项目开始后的第三年销售额（含税）达到9000万元人民币。产品成熟之后拓展到省外市场，市场规模的预计可年增10%。

商业模式（必填，市场定位和开发策略、产品获利方式和发展规划；企业融资规模和签订的商业合同）

本项目市场定位为智慧水利重要的前端智能装备，以销售产品、提供技术服务及后期的运维获取盈利，未来致力于打造产、销、维一体的智慧水利产业，逐步打通上下游产业链。目前在江西省内AUV的使用几近空白，且基本没有实现数据实时回传功能。本项目在完成测试后，优先在向水文部门进行推广应用及部署，根据客户意见进行迭代优化。项目总投资450万元，预计第一年项目产品达产年度销售额（含税）达到4000万元人民币，随着产品性能提高、成本降低，可迅速打开市场，项目开始后的第三年销售额（含税）达到8000万元人民币。

产品原型、logo等设计图片，产品评估验证的图片、评测报告等（选填）

水下自主航行器（AUV）

水面单光子信号接收浮台

团队介绍及其他（选填）

江西省水利投资集团有限公司（简称“江西水投”）是 2008年3月经省政府批准成立的省属重点企业，省政府授权省水利厅履行出资人职责，2020年8月改由省国资委履行出资人职责。截至2021年底，集团资产规模671.74亿元，净资产228.98亿元。江西水投所属全资及控股子公司170家（其中二级子公司10家，三级及以下子公司160家），员工1万余人。江西水投先后被中证鹏元、大公国际、东方金城、中诚信国际评为AAA 信用评级，国际评级机构穆迪和惠誉主体评级分别为Baa1、BBB+。当前，江西水投正围绕全国一流的城乡融合发展国有资本投资运营公司的愿景，定位全国知名“城乡运营服务商”和“城乡融合发展商”的“两商”战略，全力打造城乡水务、城乡能源、城乡生态环境和城乡综合产业四大板块，力争到“十四五”末实现“资产规模突破1000亿元、营收超过120亿元、年均净利润增长10%以上”目标，为全省新增一家资产规模超千亿的国有投资运营公司。

西北工业大学在20多年的水下信息处理研究经历中，在水下探测系统的构建、测试条件的建设、实验手段和方法的积累方面都有良好的基础。陈建峰教授的科研团队在水下阵列信号处理、微弱信号检测、无线传感器网络、分布式声源目标定位与跟踪、海洋水文参量观测、水下自主航行器开发与应用等方面已进行了多年的研究，取得了一批研究成果，并有大量论文在国内外刊物和重要会议上发表。在水下阵列处理、多目标多参数联合估计、水下多节点分布式探测、传感器设计与应用等方面积累了坚实的理论基础。研制了多型水下固定节点、移动节点的目标探测系统，开展了大量的湖上、海上试验。在水下通信、水下探测技术的工程开发方面也取得了良好的进展，可为本项目提供必要的理论基础和有利的实验条件。

在“十二五”期间，结合企业、高校、用户单位产学研用深度合作的模式，西北工业大学航海学院参与了三项科技部“863”重大专项（ 水下平台+水声探测）；“十三五”期间，参与多项海军装备预研（AUV集群效能评估）、军科委课题（拖曳阵水下探测）等项目；“十四五”期间参与跨界质空投水下武器、水下预置武器、大规模UUV集群等多项军科委预研项目以及省市科技计划项目。项目中研究的AUV集群可以搭载探测传感器，作为水下移动探测节点，在水下对目标海域进行移动探测。