淺析水下PNT體系及其關(guān)鍵技術(shù)

許江寧

(海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系，武漢 430033)

淺析水下PNT體系及其關(guān)鍵技術(shù)

許江寧

(海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系，武漢 430033)

針對水下用戶進(jìn)行了梳理與分類,分析了水下用戶對于PNT服務(wù)的需求,以及當(dāng)前水下PNT體系的能力水平距離滿足用戶長期需求存在的差距。闡述了當(dāng)前國際上水下PNT體系的建設(shè)現(xiàn)狀,以及部分國家對于PNT體系建設(shè)的規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上,分析了未來水下PNT體系的發(fā)展方向。最后,從水下PNT特殊性出發(fā),總結(jié)歸納了包含慣性、重力/地磁匹配、水聲導(dǎo)航、水下PNT能力評估等技術(shù)內(nèi)容的水下PNT關(guān)鍵技術(shù)。

水下;定位;導(dǎo)航;授時(shí);PNT

0 引言

定位、導(dǎo)航與授時(shí)(Positioning Navigation and Timing, PNT)技術(shù)是交通、電信、電力以及基礎(chǔ)科研等領(lǐng)域必不可少的元素[1-3,5,6,13]。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展,國際上正逐步形成以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的天基PNT系統(tǒng),PNT服務(wù)也由此帶來了革命性的變化。但由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有的脆弱性制約了水下PNT的可用性和穩(wěn)健性[1,3,4,14,15]。因此,必須構(gòu)建具有特色的水下PNT體系,為水下運(yùn)載體提供實(shí)用有效、安全可靠的PNT服務(wù),進(jìn)而滿足國家安全、經(jīng)濟(jì)、科研和商業(yè)的需要[16-23], 形成符合國家信息化建設(shè)實(shí)際需求的水下PNT服務(wù)信息基礎(chǔ)設(shè)施。在遵循國家經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上,以滿足水下應(yīng)用需求為目標(biāo),以漸進(jìn)式的方式來構(gòu)建一個完善的水下PNT體系,是世界各國,特別是經(jīng)濟(jì)、科技強(qiáng)國近年來十分關(guān)注的問題。

本文將對水下PNT的用戶需求,以及當(dāng)前PNT體系服務(wù)能力與需求的差距進(jìn)行分析。系統(tǒng)闡述當(dāng)前國際上在水下PNT技術(shù)探索方面所做的工作。在此基礎(chǔ)上,分析了水下PNT體系的未來發(fā)展方向。同時(shí),對水下PNT的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

1 水下PNT體系概念界定與需求分析

水下PNT通俗地說,就是在精確時(shí)間軸上,解決水下載體在哪、去哪和怎么去的問題。我們首先對水下PNT的概念內(nèi)涵作如下界定[5,6]:

P(定位技術(shù)):通過多種技術(shù)手段在水面、近水面或水下狀態(tài)獲得載體滿足安全航行的實(shí)時(shí)三維位置信息;

N(導(dǎo)航技術(shù)):通過多種技術(shù)手段在水面、近水面或水下狀態(tài)下獲取實(shí)時(shí)姿態(tài)、速度、加速度、角速度等載體運(yùn)動信息,并獲取必須的海洋環(huán)境信息,完成載體滿足安全航行所需的航路規(guī)劃等任務(wù);

T(授時(shí)技術(shù)):通過多種技術(shù)手段在水面、近水面或水下狀態(tài)接收準(zhǔn)確的時(shí)間信息,保持并傳遞到各用戶。

通過對目前常見水下PNT用戶的梳理與分析,可以將水下PNT用戶可大致歸納為以下三大類:

1)水下作業(yè)平臺:水下潛器、水下無人平臺、打撈救生以及深海工作站等;

2)水中兵器;

3)水下探測:海洋環(huán)境探測、海底地形測繪、海洋調(diào)查、深海資源開發(fā)、聲學(xué)信標(biāo)以及各類綜合信標(biāo)等。

以上三類用戶對水下PNT技術(shù)需求主要體現(xiàn)在以下三個層面:

1)滿足水下載體安全航行的需求。對于水下載體,其運(yùn)動剖面的核心內(nèi)容主要包括水下三維航路規(guī)劃以及基于任務(wù)結(jié)合的輔助決策。為保證水下載體航行安全,要求慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)等設(shè)備具備長航時(shí)、高精度、高可靠的導(dǎo)航定位、定向能力。

2)保障水下作業(yè)平臺各類任務(wù)的實(shí)現(xiàn),以及為水下載體特定任務(wù)的達(dá)成提供PNT信息保障。水下載體為完成特定任務(wù),需要作為基準(zhǔn)信息主要來源的水下載體慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)、高精度輸出水下載體運(yùn)動狀態(tài)測量信息。

3)水下協(xié)同的PNT基礎(chǔ)信息支持?；跁r(shí)空統(tǒng)一的水下PNT應(yīng)向水下載體編隊(duì)聚焦,將海區(qū)內(nèi)各載體平臺聯(lián)接為一個集成網(wǎng)絡(luò),利用分布于海區(qū)內(nèi)的各平臺傳感器形成精確、實(shí)時(shí)、統(tǒng)一的海區(qū)態(tài)勢圖,利用各平臺PNT基礎(chǔ)信息支持實(shí)現(xiàn)時(shí)空統(tǒng)一和信息實(shí)時(shí)融合。

2 水下PNT體系能力差距及發(fā)展方向

2.1 水下PNT體系能力差距

目前,國內(nèi)外水下PNT體系的建設(shè)水平尚不能滿足水下用戶的需求,主要表現(xiàn)在:

1)水下定位手段有限。無線電類、光學(xué)類導(dǎo)航難以利用;北斗、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和導(dǎo)航雷達(dá)等無線電助航設(shè)備等導(dǎo)航設(shè)備水下無法使用。甚低頻無線電定位系統(tǒng)和長波水下定位系統(tǒng)精度有限。水聲類和重力、地磁等地球物理場類導(dǎo)航技術(shù)尚不成熟。只有美國等極少數(shù)國家能夠?qū)崿F(xiàn)地球物理場匹配導(dǎo)航[24],而且匹配精度方面鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。因此,從整體上看,聲學(xué)及物理場匹配導(dǎo)航的核心測量設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)還有待突破,商用系統(tǒng)應(yīng)用尚未普及?；A(chǔ)海洋物理場信息建設(shè)滯后等使上述技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用尚有較大距離。慣性導(dǎo)航仍是目前水下導(dǎo)航定位的主要手段。盡管近年來,慣性導(dǎo)航得到長足發(fā)展,但尚不能完全滿足長航時(shí)全海域高精度自主定位的要求[7]。

2)水下導(dǎo)航能力有限。導(dǎo)航助航設(shè)備的研究和應(yīng)用不足;圖像聲納、水文測量設(shè)備等助航設(shè)備尚無法滿足水下導(dǎo)航需求;海洋地球物理場測量與數(shù)據(jù)庫建設(shè)有待加強(qiáng),水下三維電子海圖的構(gòu)建滯后;主要海域、極區(qū)等全球復(fù)雜海域的水下導(dǎo)航技術(shù)研究滯后,單純依靠水下導(dǎo)航定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)全球到達(dá)的能力不足。

3)當(dāng) PNT 性能下降或提供錯誤引導(dǎo)信息時(shí),不能以要求的時(shí)效性通知用戶。

4)缺乏地球空間信息。這種情況在航空、地面、水上和水下航行時(shí)都有。可靠的地理空間信息會向用戶提供到達(dá)目的地沿路的環(huán)境,這對正確使用導(dǎo)航信息是必要的。

5)水下PNT頂層規(guī)劃和評估能力不足。水下PNT建設(shè)是綜合性極強(qiáng)的重大工程建設(shè),具有跨專業(yè)交叉、跨領(lǐng)域交叉的鮮明特點(diǎn)。與測繪、通信、探測、海洋工程等多個專業(yè)領(lǐng)域深度關(guān)聯(lián),涉及多種應(yīng)用。目前,國內(nèi)外對水下PNT精度的評估能力尚有待加強(qiáng),還需要建立規(guī)范的評估方法,并構(gòu)建嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u估體系。

2.2 水下PNT技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

針對目前水下PNT服務(wù)能力相對于需求的差距,世界各國都在進(jìn)行相關(guān)研究工作,以美國為代表的部分經(jīng)濟(jì)、科技強(qiáng)國也對未來PNT體系的建設(shè)方案作出了計(jì)劃。其中,完善水下等GPS拒止環(huán)境下的PNT服務(wù)能力建設(shè)是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。

2008年,美國國家安全航天辦公室制定發(fā)布了《國家定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)體系結(jié)構(gòu)研究最終報(bào)告》[20],報(bào)告分析了PNT服務(wù)的長期用戶需求與當(dāng)前PNT體系之間的矛盾,闡述了2025年前美國PNT體系建設(shè)及轉(zhuǎn)型的方案。報(bào)告中明確指出需要提升PNT體系的自主工作能力,采用功耗低、自主性強(qiáng)的技術(shù)途徑,使得PNT系統(tǒng)具備抵抗物理干擾和電磁干擾的能力。

圖1 水下定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)體系構(gòu)想Fig.1 Illustration of underwater PNT system

為提升PNT體系的自主工作能力,以美國國防部國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)為代表的多家機(jī)構(gòu)開展了研究工作[21-22]。從2010年起,DARPA啟動了多項(xiàng)GPS拒止環(huán)境下的高精度PNT技術(shù)研究項(xiàng)目。2014 年7 月,DARPA發(fā)布了其正在發(fā)展的5 項(xiàng)不依賴 GPS 的高精度PNT技術(shù)研究項(xiàng)目,主要包括:定位、導(dǎo)航與授時(shí)微技術(shù)(Micro-PNT);自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)(ANS);量子輔助傳感與讀出(QuASAR);超速激光科學(xué)與工程(PULSE);對抗環(huán)境下的空間、時(shí)間和方位信息(STOIC) 項(xiàng)目。

這些方案的制定以及項(xiàng)目的開展,將對美國水下PNT體系建設(shè)提供重要的指導(dǎo)意義和推動作用。

法國在水下定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域也有深厚的積累,以IXSEA公司為代表的多家機(jī)構(gòu)對慣性技術(shù)、聲學(xué)定位等水下PNT體系中的關(guān)鍵技術(shù)開展了長期研究。2009年,IXSEA公司就結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)PHINS和聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)RAMSES開展了水下組合定位的實(shí)驗(yàn)[23],在130km的航線上,得到了最大定位誤差不超過14m的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在PNT體系建設(shè)方面,俄羅斯、中國、日本、印度以及歐盟等正逐步完善自身的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),世界各國也在結(jié)合自身實(shí)際,發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航的增強(qiáng)系統(tǒng)。例如,美國的WAAS、LAAS和MDGPS,歐洲的EGNOS,印度的GAGAN,日本的MTSAT。同時(shí),各國也通過發(fā)展慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航等技術(shù),逐步完善自身的水下PNT體系。

通過對當(dāng)前水下PNT技術(shù)的發(fā)展水平的分析,結(jié)合各國對于自身PNT體系建設(shè),特別是水下PNT體系建設(shè)的規(guī)劃,在對水下PNT體系的需求、用戶的種類等問題進(jìn)行思考的基礎(chǔ)上,可以對未來水下PNT體系的發(fā)展方向進(jìn)行分析。為了滿足未來水下PNT用戶的長期需求,我們可以將水下PNT體系按照應(yīng)用層分為四類,如圖1所示:1)水下PNT基本架構(gòu),包括水下通過自主型、傳感器輔助型、數(shù)據(jù)融合型等方式可提供水下PNT服務(wù)的技術(shù);2)水面/近水面航行水下PNT架構(gòu),包括水下載體作業(yè)或執(zhí)行任務(wù)時(shí)允許航行在水面、近水面等航行狀態(tài)時(shí),可提供水下PNT服務(wù)的技術(shù);3)水下應(yīng)急PNT架構(gòu),當(dāng)水下潛器受環(huán)境制約無法上浮,為了保證航行安全或執(zhí)行任務(wù)時(shí),可提供水下PNT服務(wù)的技術(shù);4)水下PNT評估架構(gòu),可對水下PNT建設(shè)的能力和效能進(jìn)行評估和分析。

3 水下PNT關(guān)鍵技術(shù)

水下PNT的主要特點(diǎn)是工作環(huán)境為水下,主要問題在于不能直接利用衛(wèi)星信號進(jìn)行定位、導(dǎo)航與授時(shí)。因此，水下PNT的關(guān)鍵技術(shù)有別于一般PNT體系的特點(diǎn)。如圖2所示,總體可分為自主型和非自主型兩大類,具體包括慣性、重力/地磁匹配、水聲導(dǎo)航、水下PNT能力評估等技術(shù)內(nèi)容[7-12],現(xiàn)擇其要者簡要闡述技術(shù)內(nèi)容及需要探索研究的內(nèi)容。

圖2 水下PNT若干關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Key technologies of underwater PNT system

1)慣性技術(shù)

需針對激光陀螺技術(shù)、光子晶體光纖陀螺技術(shù)、諧振式光纖陀螺技術(shù)等新型光學(xué)陀螺進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上開展新型光學(xué)陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)研究;新型自補(bǔ)償慣性系統(tǒng)技術(shù)研究;面向超高精度長航時(shí)慣性導(dǎo)航的需要,研究新概念的原子陀螺儀及其系統(tǒng)技術(shù),明確原子自旋陀螺儀和原子干涉陀螺儀的技術(shù)方案及其技術(shù)難點(diǎn),探索原子陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中總體方案及其難點(diǎn);采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/天文多傳感器信息進(jìn)行智能融合,在一定最優(yōu)估計(jì)準(zhǔn)則下,進(jìn)行最優(yōu)估計(jì),考慮通過引入系統(tǒng)重構(gòu)和自適應(yīng)信息分配策略提高系統(tǒng)的慣性系統(tǒng)的精度和可靠性。

2)慣性/重力/計(jì)程儀融合的組合導(dǎo)航定位技術(shù)

在對導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的建立、匹配準(zhǔn)則、匹配方法的研究基礎(chǔ)上,基于組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合技術(shù),將重力匹配定位提供的匹配位置、計(jì)程儀測量的載體速度作為外部更新信息,通過建立組合導(dǎo)航Kalman濾波器,將載體的位置、速度及慣性傳感器的誤差作為待估的參量,對INS系統(tǒng)的誤差進(jìn)行估計(jì),在INS/重力/計(jì)程儀組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)中得到穩(wěn)定的導(dǎo)航解。

3)絕對/相對重力儀、重力梯度儀及動態(tài)測量技術(shù)

動態(tài)重力場測量技術(shù)和儀器是建立導(dǎo)航背景場數(shù)據(jù)庫、實(shí)測測量重力場、重力匹配定位的必備基礎(chǔ)技術(shù)之一。目前海洋重力測量使用的都是相對測量型的海洋重力儀,存在較大的零漂,傳統(tǒng)的相對重力測量用碼頭附近的絕對重力標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)來約束和改正重力儀零漂,無法滿足水下實(shí)時(shí)測量等特定環(huán)境下的測量要求,因此應(yīng)該開展對無零漂的海洋絕對重力測量的研究。此外,重力梯度測量從原理上來說不受等效原理的限制,也不受載體運(yùn)動加速度的影響,更加適合于動基座測量,是未來重力測量發(fā)展的重要方向之一,資料顯示,目前世界上正在研制中的重力測量儀器70%以上是重力梯度測量儀器。此外,重力梯度測量可以得到多個分量的結(jié)果,信息的豐富和冗余也更適合于匹配定位,因此應(yīng)該開展對重力梯度測量技術(shù)的研究。

4)新型磁強(qiáng)計(jì)及其匹配導(dǎo)航技術(shù)

需針對高精度、高分辨地磁匹配導(dǎo)航,研究原子磁強(qiáng)計(jì)、原子磁力梯度儀等新技術(shù)及其發(fā)展?jié)摿?并進(jìn)一步研究地磁場小尺度高精度時(shí)空分布以及載體磁場環(huán)境綜合補(bǔ)償技術(shù);針對目標(biāo)區(qū)域地磁圖難以實(shí)地測量、大范圍地磁基準(zhǔn)圖難以獲取條件下,研究未知環(huán)境中慣性/地磁匹配組合導(dǎo)航方法。

5)基于干涉合成孔徑聲納的水下聲學(xué)定位導(dǎo)航技術(shù)

需研究實(shí)用性地形匹配導(dǎo)航處理技術(shù),主要是研究基于合成孔徑聲納/干涉合成孔徑聲納獲取的二維和三維聲圖和已知的數(shù)字海底地形數(shù)據(jù)庫的快速精確匹配處理算法,實(shí)現(xiàn)水下航行體的快速定位導(dǎo)航。該研究是水下地形匹配定位導(dǎo)航技術(shù)的另一核心技術(shù),是完成從高分辨二維和三維聲圖向水下航行體定位導(dǎo)航信息快速轉(zhuǎn)化的重要途徑。另外，研究地形跟蹤與障礙物避碰技術(shù)是避免水下航行體因水下地形急劇變化或存在懸浮物、障礙物而導(dǎo)致的定位導(dǎo)航失效問題,及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理,保證復(fù)雜地形下的定位導(dǎo)航能力。

6)水下長波信號接收技術(shù)

由于長波信號具有一定的入水深度,因此,可以使水下授時(shí)用戶,在不浮出水面的情況下,進(jìn)行授時(shí)信號接收,但由于水下與水上信號接收具有較大差異,故需要對長波信號的水下接收技術(shù)進(jìn)行研究,主要包括長波磁天線技術(shù)、色散效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)、低信噪比條件下信號捕獲和跟蹤與授時(shí)信號提取技術(shù)等。

7)水下定位導(dǎo)航授時(shí)能力評估技術(shù)

水下定位導(dǎo)航授時(shí)能力評估技術(shù)是一種綜合性技術(shù),主要包括水上通信鏈路構(gòu)建技術(shù)、水下通信鏈路構(gòu)建技術(shù)、水下定位技術(shù)等基礎(chǔ)性技術(shù)研究,并開展系統(tǒng)仿真驗(yàn)證技術(shù)和原理驗(yàn)證系統(tǒng)研究等；開展水下衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的研究,研究可擴(kuò)展、可調(diào)整的水上通信鏈路、海洋環(huán)境、水下通信鏈路的綜合仿真技術(shù),驗(yàn)證水下衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)路線的可行性與技術(shù)效能；開展海上區(qū)域范圍原理驗(yàn)證系統(tǒng)研究,選擇海上試驗(yàn)地點(diǎn),確定定位長基線網(wǎng)布放形式,研究定位基元的硬件集成方案、差分基準(zhǔn)站與地面監(jiān)控中心的實(shí)現(xiàn)方案,研究分析海上試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差及所提技術(shù)指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

水下PNT技術(shù)是認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋的基本信息保障。隨著人們海洋活動空間維度的增加,針對海底測繪、深海探測、考古探險(xiǎn)、礦產(chǎn)勘探、資源開發(fā)及水下航行器運(yùn)行等活動日益頻繁。我國正在由平臺建設(shè)向體系建設(shè)轉(zhuǎn)型,護(hù)航、撤僑、搜救、聯(lián)演、出訪等使命任務(wù)不斷拓展。軍民應(yīng)用領(lǐng)域均對水下PNT技術(shù)提出了更高的要求。開展水下PNT技術(shù)研究是我們當(dāng)前和今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)的重要任務(wù)。本文從水下PNT用戶需求與水下PNT能力差距分析入手,闡述了國際上水下PNT體系的建設(shè)現(xiàn)狀,以及未來發(fā)展方向?？晒﹨⒖肌?/p>

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Analysis on Underwater PNT System and Key Technologies

XU Jiang-ning

(Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

The underwater users of PNT system are classified. The gap been requirements of underwater users and the current underwater PNT system is analyzed. The construction conditions of underwater PNT system and the construction plans of some countries are studied. On this basis, the development direction of underwater PNT system is analyzed. Finally, in view of the characteristics of underwater PNT system, key technologies such as inertial technology, gravity/ geomagnetic matching technology, acoustic navigation technology and evaluation technology are introduced.

Underwater;Positioning;Navigation;Timing;PNT

2016-11-25；

2016-12-19。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0501700，2016YFB0501701)；國家第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)(GFZX0301040303)

許江寧(1964-),男,教授,博士生導(dǎo)師，主要從事國家綜合PNT體系與技術(shù)及慣性技術(shù)的研究。E-mail:xujiangning@hotmail.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.001

U666.12

A

2095-8110(2017)01-0001-06