海洋是漁業、海運、海洋資源開發、港口基礎設施建設等多種產業活動的基礎。在這些領域中，確保承擔水下作業的人才是需要解決的問題，特別是在深水和急流環境下的潛水作業，需要具備高超潛水技能的熟練人才。然而，維持和培養這樣的人才非常困難，需要提高作業效率和安全性。利用IT技術提高生產效率將在漁業、海運和海洋基礎設施發展中不可或缺，水下無人機有望成為減輕勞動力短缺并替代人類在危險場所作業的技術。本文介紹近年來備受關注的水下無人機的基礎知識以及水下通信方法以及定位和測距技術。

什么是水下無人機？

“水下無人機”是一種能夠潛航的小型無人潛水機。它可以從船上或陸地進行遠程操作或自主航行，通過配備小型攝像頭，可以實時確認拍攝的影像。此外，安裝機械臂等機械操縱器后，它可以進行多種多樣的作業。因此，它有望代替人類進行水下作業。

水下無人機分哪些種類？

通常，人們把水下無人機的種類分為AUV（Autonomous Underwater Vehicle）和ROV（Remotely Operated Vehicle）。其中，AUV被稱為“自主無人潛水機”。

水下無人機

無人機本身根據預先編好的程序進行航行和工作，AUV與水面之間的通信通過無線進行。它不需要電源和通信電纜，電源由電池提供，通信通過無線進行。不會因電纜長度而使航行范圍受到限制，也不會發生電纜纏繞等問題，因此，有望使用多臺無人機進行廣范圍的深海作業。

另一方面，ROV又稱“遙控無人潛水機”，無人機和控制器通過電纜連接，人在水面上操縱無人機。它以通過電纜供電，因此能實現長時間航行。此外，它還支持通過電纜進行高速通信，已普及到從工業到業余愛好等范圍寬廣的應用中。然而，電纜長度限制了它的活動范圍，并且需要裝載了供電裝置的船舶。此外，同時航行多臺無人機時，還要注意電纜纏繞等問題。

人們對能夠解決ROV的缺點的水下無人機——AUV寄予了厚望。

AUV的無線通信方式有哪些？

為了從AUV上面配備的攝像頭和多種傳感器接收數據，與地面設施和船舶之間的通信不可或缺。此外，如果是沒有電纜的AUV，則數據的發送和接收需要通過無線方式進行。然而，無線電波在水下傳播困難，因此，迄今為止有線方式一直是主流，這是進行AUV實用化時面對的重大挑戰。

近年來，可以進行水下無線通信的聲學通信和光通信的開發不斷取得進步。此外，對于在目的地附近進行的近距離準確定位和測距，有望通過使用LF天線的通信技術實現。

1 水下聲學通信

利用聲波進行通信。水下聲學通信可以進行水下無線通信并進行遠距離通信。然而，由于頻帶較窄，通信容量較小，不適合用于圖像和視頻等大量數據的高速通信。

2 水下光學通信

據稱可進行1Gbps級的高速通信，能實現視頻流以及高分辨率圖像和視頻的傳輸。然而，如果光線被水下殘留物或污染物遮擋，則通信可能會變得不穩定。

3 使用LF天線的LF通信

LF天線（天線線圈）利用磁場進行傳輸和接收的通信。雖然通信距離很短，只有幾米，但由于是磁場，因此不易受到水或污染等障礙物的影響，有望用于需要高精度定位和測距的場景。

LF天線AUV定位和測距的特點

聲學、光學和磁通信等方式各有優缺點，人們目前正在嘗試將其各自的優勢組合起來使用。而且，水下作業日益復雜，需要更高精度的定位和測距技術。通過使用了LF天線（天線線圈）的AUV進行定位和測距的技術有什么優勢？有哪些實際應用事例？

 檢測區域內的定位和測距

LF天線利用磁場進行通信，目前已普遍應用于汽車智能鑰匙等許多方面。它由發射天線和接收天線構成，發射天線發射的磁場被接收天線接收，并根據信號強度（磁場強度）確定接收天線的位置(上圖)。

雖然通信距離較短，只有幾米，但通過在目的地周圍等間距設置發射天線，可以實現廣范圍的定位和測距。此外，LF天線的精度較高，誤差僅為幾厘米。磁場受反射和衍射的影響較小，且不會因障礙物而衰減。而且，即使在污水中也不會衰減，因此有望用于在作業地點附近等處引導AUV。

具備上述特征的LF天線在AUV上已經有使用事例。比如：

1 準確定位至作業位置

在水下作業時，來自海床或河床等的污染物會干擾光通信。即使在這種情況下，利用磁場的LF天線也能進行穩定的定位和測距。

2 引導至供電系統

即使對于需要厘米級引導的供電系統，能夠進行高精度定位和測距的LF天線也能準確引導至供電位置。

3 檢測接近危險區域

能在AUV接近其不應進入的區域時發出警報。即使在這種情況下，AUV也可以安全運行，不會受到水污染物或障礙物的影響。

總 結

AUV是一種代替人類進行之前由人類執行的水下作業的裝置，能夠為解決與水下作業相關的多種問題作出重大貢獻。水下通信技術正在為AUV帶來新的變化，尤其在海洋這一工業活動基礎中，AUV有望在以下領域的水下作業中得到應用：

海上風力發電廠設備點檢：鋪設和點檢水下基礎結構部分和用于將電力輸送到陸地的海底電纜等，以及確認海底土壤和防沖刷材料等的的狀態。

海中狀態調查：通過測量水溫以及調查海底地形、土壤質量和水流等來預估自然災害。

海洋環境調查：調查水下淤泥和斷層狀況，以及勘探熱液礦床、甲烷水合物和錳結核等海底資源。

為了實現這些目標，需要AUV的安全航行和準確引導技術，而這又需要改進水下通信技術。將使用聲學的通信方法、使用光的通信方法和使用磁場的LF天線等通信方法進行組合，構建理想的水下無線系統有望成為一項在未來為AUV實用化和產業化作出重大貢獻的技術。