小卫星和无人驾驶载具系统在海洋智能无人系统技术中的应用

本节为远程位置的网络和数据交换定义一个最先进的体系结构。本文建议小型卫星和无人机（空中、水面或水下）合作，以提高数据检索的效率和全球可用性。本文假设一个任务将只服务于一个或几个最终用户。然而，现有的架构和建议的技术在可能的情况下使用通用和标准化的设备和通信协议。这将简化与其他系统的集成，以及以后类似系统和任务的部署。

具有多个智能体的参考场景包括监视／传感节点、无人驾驶载具、卫星节点和地面站（即能够与无人机或卫星通信的固定或移动站）。一个或多个指挥和控制（command control，C&C）中心也将成为这个参考场景的一部分，负责协调行动。图22.4中没有描述这个实体，因为它可能连接到现有的基础设施，直接与地面站通信。

图22.4显示了一个地面站，它表示可用的通信基础设施的边缘。在已部署的网络中，通常会有几个地面站，它们具有不同的用途，以适应它们所服务的载具。这些系统将利用互联网络相互连接，并将提供到各种节点的无线连接，例如卫星和无人飞行器。此外，为了减少传感器节点数据的访问时间，地面站的布置应根据场景进行调整。对于卫星地面站，它们可以位于观测区域的边缘，例如一个在卫星轨道的进入点和一个沿卫星轨道的退出点。

小型卫星，也被称为微小卫星，独立部署或成群结队，被视为改善海洋环境通信能力的一个潜在解决方案，目前海洋环境缺乏基础设施。自由移动的卫星群将允许目标区域内的节点更频繁地访问，但仍然具有有限的覆盖周期和带宽。没有覆盖的平均时间是卫星群中卫星数量的函数。

图22.4　异构通信与各种载具共存

在传感器节点附近行驶的无人载具也可以用来收集数据，以及传递配置消息。这种方法不仅使用无人驾驶载具访问传感器节点，而且还包括与其他载具（例如运输船只）的机会性交互，以增加连接。尽管无人驾驶载具可以充当中继节点，但当足够接近基础设施时，它们的主要目标将是充当数据骡子。由于大多数海上作业可能发生在偏远地区，访问载具的资源可能有限，限制了它们的作业，无法到达同一地区的所有节点。在这种情况下，节点之间的多跳协作将再次成为确保所有传感器节点都可访问的重要因素。

过去的工作已经解决了具有边缘链接的节点之间的通信和消息传输的挑战，提出了目前一些系统使用的不同协议。然而，目前还没有一种标准的解决方案可以将远程位置不同载具之间的通信集成在一起。它们中的大多数基于特定的硬件和应用程序，其中许多主要考虑通过点对点链接（如串行链接和星型网络）传递消息，而在星型网络中几乎不需要真正的网络协议。

Goby水下自主项目就是一个例子，它定义了一个为海洋机器人设计的自主架构，专注于异构的载具间通信。它被创建为MOOS的替代品，同时也提供了一个接口。Goby基于ZeroMQ2，支持串行化方法，如谷歌协议缓冲区（protobuf）3和轻量级通信和编组（lightweigh communications and marshalling，LCM）。COSMOS4是另一个关注受限场景的项目，即小卫星。它采用一种分隔空间和地面段的网络结构，强调空间，采用面向nack的可靠组播（NORM）传输原型col和LCM库。与Goby或MOOS类似，来自水下系统与技术实验室的LSTS工具链也为自动驾驶载具提供了一套工具和协议，使用了它们自己的IMC协议。

尽管过去在集成异构资源受限的设备方面做了很多努力，但是现在提出的解决方案主要针对非常特殊的环境。例如，即使采用标准化协议，也没有今天所知道的与Internet的集成。这些提议的系统提供了可以连接到Internet的本地网络，但是不能以无缝的方式连接，并且忽略了其他协议和格式，比如高效XML交换（EXI）格式。

LCM和ZeroMQ等协议将使用任何形式的传输层，无论是串行链路还是TCP／IP之类的网络。然而，其他解决方案，如NORM，依赖于IP，它可以与日益流行的物联网（the Internet of things，IoT）相结合。类似地，约束环境和物联网的另一个流行解决方案是约束应用程序协议（the comstrained application protocol，Co AP），它提供了自己的链接格式。它是为受约束的节点和网络设计的，支持安全连接以及数字扩展，如HTTP映射和组通信。此外，考虑到IPv6在资源受限节点（6Lo）工作组网络上的发展前景，它可以提供最优方案，这对于异构网络的互联是理想的。事实上，标准化协议的使用，如6LoWPAN用于具有不同功能的互联设备，也可以为地址归属等问题提供解决方案。

在为新系统选择合适的协议栈时，除了网络效率、吞吐量、负载容量等定量参数外，还必须考虑互操作性、标准化、用户基础、活动使用和开发。

卫星和无人驾驶载具之间的合作是一种巨大的协同作用，以丰富数据传输的选择以及全面覆盖。各种类型的无人驾驶飞行器和卫星具有不同的性能特点。能在海洋环境中实现高级操作的自动驾驶载具主要有三大类：UAV；USVs，又称ASVs；以及AUV。所有载具都可以配备通信设备，允许它们与邻近的网络节点之间快速传输数据。

由于UAV在空中的速度，它们可以在短时间内飞很长的距离，同时能够直接飞到感兴趣的地区。然而，它们的耐力是有限的，通常从几个小时到几天。另一方面，由可再生能源提供动力的某些类型的无人驾驶载具可以在几乎无限的时间内行驶，并能行驶很远的距离。然而，与飞行器相比，它们的速度通常要低得多。最后但并非最不重要的AUV可能是所有提到的载具中最慢的。然而，这些可以到达其他类型的载具无法到达的节点，例如冰层下。

所有载具的部署都需要一定程度的后勤保障。这可以是对载具发出的指令的更新，也可以是涉及船员人数和复杂安排的复杂操作，例如船只巡航或空域预订。在所有情况下，数据收集或数据分析都面临各种不确定性。利用紫外线收集数据取决于多种因素，如载具和机组人员的准备情况、经济可行性、监管框架、该地区的交通甚至天气状况。

当无法使用数据骡子时，卫星链接似乎完美地填补了这些空白。与无人机提供的通信链接相比，这些链接通常速度较慢，并且只在较短的时间内可用。但是，它们是可以预测的，因为卫星的可用性和它们的数据传输能力是事先就知道的。最后，基于卫星和无人驾驶载具节点协同作用的网络为用户提供了多种从远程位置下载数据的可能方式。为了进一步加强网络，特别是减少往返延迟，可以利用卫星间的链路在卫星之间中继数据，以便更快地到达地面站。由于对机载电力系统和姿态（指向）系统的要求增加，在这个提议的结构中，没有包括卫星间的连接。这增加了卫星平台的复杂性和成本。此外，由于只有几颗卫星为该系统服务，卫星间的联系将是稀少的，无法使用。在较密集的星座或卫星群中，可以使用卫星间的链路。

拟议的系统应满足若干要求。首先，它应该支持不同通信技术之间的互操作性，这将有助于减轻网络分区。特别是，它将提供多种程度的通信覆盖和性能。

海上作业的特点是间歇性的连接，因此该系统应具有很强的鲁棒性和适应这些条件的能力。系统应包括网络基片中的延迟／破坏容忍语义，允许使用与Internet上使用的系统类似的分布式系统。这意味着必须在链路到链路级别或更高级别（端到端消息传输验证）上使用消息确认。这个功能应该实现的级别取决于所选择的（更高级别的）协议、对时间的要求和实现的复杂性。(www.xing528.com)

所有节点都应可伸缩地访问通信。由于服务和参与者的异构性，系统还应根据分配给不同数据源的优先级提供不同级别的通信质量。

图22.5　网络架构顶层视图

虽然卫星链路的可用性早已为人所知，但无人潜航器的使用给系统的运行带来了一些额外的限制。它们的使用容易产生额外的成本，并可能受到天气条件或服务提供商可用性的影响。因此，必须正确规划它们的使用，系统应允许用户选择或自动选择最有效的数据路由，基于预定义的指标，例如每位的成本或延迟敏感性。

整体解决方案应可扩展，符合为Internet开发的标准和协议。这将使维持一个最新、稳定和安全的系统，以应付目前和未来海事行动的发展。

为了在恶劣环境中实现现场传感，定义一个清晰的网络体系结构是很重要的。这种体系结构必须包含不同节点的层次角色，以确保可伸缩和有组织的结构，如图22.5所示。这种体系结构由3类具有不同角色的主要节点组成：地面站节点（Ground Station Nodes，GS）、网关节点（Gateway Nodes，GW）和传感节点（Sensing Nodes，S）。为了满足建议的目标和需求，所选组件及其配置应符合现有标准并可定制。此外，它必须支持其拓扑结构的动态变化，这是由于海上情景（例如间歇性连接和机动性）中条件的变化造成的。

在提出的分层网络中，地面站节点被视为根节点。它们可以访问大量的资源，例如大型船只或作为基础设施一部分的节点，例如卫星地面站。此外，这些节点将永久连接到Internet，这允许它们保持网络的同步透视图，而不管它们之间的距离。

根节点还应该包括几个通信接口，使用不同的技术，支持与不同载具的更高级别的连接。它们将是无人驾驶载具和卫星节点（即GW节点）的主要交互点，并将负责GW节点的接口，并提供与C&C中心的连接。

地面站也可负责主办C&C中心，不过，只要地面站与所有地面站连接，这个单位也可在其他地方运作。C&C必须执行所有必要的计划和配置决策，以提高系统的性能和资源使用。所收集的资料亦须由海关处理，因此地面站不仅是海关决策的转运站，亦是所有收集资料的回程站。

网关节点由人工和无人驾驶载具组成，是该网络体系结构的重要组成部分。这些将作为根节点和海上部署中的任何其他节点之间的GW。提出的体系结构的重点是利用不同的网络选项来到达远程位置的孤立节点。例如，无人驾驶载具，如UAV可以被认为是高比特率传输的按需GWs，而小卫星可以用来定期检索或去除少量数据（例如状态信息）。

无人机GW可用于从C&C中心传送或中继数据。这应该由至少两种不同的通信技术来实现，一种侧重于高比特率，另一种侧重于为中继数据实现更长的覆盖范围。这样的异构性将允许GWs充当数据骡子来处理容忍延迟的数据，或者仅仅作为关键数据的中继。

GW、卫星或载具不仅将从传感器收集数据，而且还将交付传感器节点可能要求的任何数据。另外，来自C&C中心的配置消息也将通过节点网络发送。每一个载具应该互相补充，利用其独特的硬件特征和特定的行为或条件，如前面所述。由于GWs可以托管在不同的节点上，因此使用标准化协议对于确保它们之间的互操作性非常重要，可以使用基于IPv6的路由广告或公共地址等机制。

在某些情况下，GW可以充当中继节点，将所有接收到的数据包直接转发给基础设施节点。例如，一颗卫星在通过传感器场的同时与地面站保持联系。然而，由于直接链接到地面站基础设施可能不存在的或有限的资源（如远程low-bitrate链接可能无法继电器实时）中的所有收集的数据，今年前必须能够作为数据骡子，收集所有可能的数据和交付后，接近的基础设施。最后，GW必须能够充当C&C中心的代理，负责向感知节点传递配置消息。

传感节点被设想为准静态节点，旨在从给定区域收集科学数据，尽管可能存在移动节点。此区域可能由单个节点或集群覆盖，其中节点可以彼此通信。当一组集群靠近海岸时，监视的数据将通过多跳链接中继。

该结构中的感知节点是叶节点，可以部署在不同的位置。它们将是主要的数据来源，应该转发给C&C。这些节点受到典型的约束，具有有限的能量、处理能力甚至通信能力。然而，通讯的限制通常是由于缺乏可用的能源，这可以通过努力把不同的无线电组合起来加以缓解。例如，低功率和低比特率的无线电可以在叶子节点之间本地使用，或者在附近有GW时激活更多资源需求的无线电。叶节点之间的接近性可能允许多跳路由，因此数据可以转发到直接连接到网关的节点。例如，这可以由GW作为路由器发送的路由消息产生，也可以由C&C安装的软件定义网络（software defined network，SDN）流产生。

为了基于所提出的体系结构进行实验，允许多个网络集成，开发了一种基于商用现货测试平台的专用硬件解决方案。试验台由四个节点组成，内置在防风雨、坚固耐用的盒子里，带有一套2套无线电系统。目前采用的是短距离、大容量Wi-Fi链路和远程、单通道甚高频无线电。每个节点都是一个完整的系统，具有计算能力和几个小时的电池寿命，可以部署，例如，在研究船上。使用这些节点，可以测量无线链路性能，并使用不同的协议控制网络行为。

海上试验的第一个评估重点是无人机和研究船之间的合作。然而，试验台节点的设计是为了能够与特隆赫姆地区越来越多的研究活动可用的设备进行合作。其中一些设备包括固定翼无人机、轻型自主水下航行器、一艘基于USV的摩托艇和一艘研究船。提出的体系结构和试验台也为北极abc项目的开发提供了反馈。该体系结构定义了一个由一个或几个传感节点、一个基于无人机的网关节点和一个卫星节点组成的系统，二者相辅相成，可以增强北极地区的数据采集能力。