廣播式遠(yuǎn)程精密水下導(dǎo)航定位技術(shù)

劉楊, 曾安敏, 鄭翠娥, 江鵬, 劉焱雄

(1.自然資源部第一海洋研究所 海洋測(cè)繪研究中心, 山東 青島 266061; 2.西安測(cè)繪研究所, 陜西 西安 710054; 3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 4.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430079)

海洋時(shí)空基準(zhǔn)是全球時(shí)空基準(zhǔn)的重要組成,也是海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要支撐[1-2]。面向海洋安全保障、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境觀測(cè)等國(guó)家重大需求,水下定位、導(dǎo)航與授時(shí)(positioning, navigation and timing, PNT)是最為基礎(chǔ)的技術(shù)支撐和應(yīng)用保障。水下導(dǎo)航定位已成為海洋資源調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底大地測(cè)量學(xué)研究的重要技術(shù)手段,廣泛應(yīng)用于海洋石油勘探、板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、目標(biāo)探測(cè)識(shí)別、海洋時(shí)空基準(zhǔn)維護(hù)、海底工程建設(shè)等。

目前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)等空間大地測(cè)量技術(shù)建立了涵蓋近地空間和地表(包括海洋表面)的統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)。然而,受到理論、技術(shù)和成本的限制,海洋尚缺乏統(tǒng)一的水下(包括海底)時(shí)空基準(zhǔn),相關(guān)水下導(dǎo)航定位技術(shù)方法也有待突破。當(dāng)前全球主要海洋強(qiáng)國(guó)大力構(gòu)建空天地海一體化的時(shí)空基準(zhǔn)、研發(fā)海洋PNT技術(shù)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)研制了水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)POSYDON(positioning system for deep ocean navigation),利用海底的水聲信標(biāo)作為“水下GPS星座”,為潛航器提供無(wú)需浮出水面的位置標(biāo)校[3]。俄羅斯也開啟新型水下導(dǎo)航系統(tǒng)研究[4]。日本的地震海嘯實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)(dense ocean floor network for earthquakes and tsunamis, DONET)實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)海底定位[5]。另外,美國(guó)、加拿大和歐洲的海洋觀測(cè)網(wǎng),都離不開海洋PNT技術(shù)支撐。

我國(guó)正推進(jìn)以北斗為核心的國(guó)家綜合PNT系統(tǒng)(國(guó)家綜合時(shí)空體系),而水下導(dǎo)航定位是全空間PNT體系的重要組成,當(dāng)前我國(guó)水下基準(zhǔn)和水下導(dǎo)航定位技術(shù)滯后于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防需求,亟待研發(fā)新型水下導(dǎo)航定位方法和技術(shù)[6-8]。近年來(lái),我國(guó)海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航技術(shù)方面取得重要進(jìn)展,但在水下PNT技術(shù)體系、基站服務(wù)范圍、導(dǎo)航通信模式、環(huán)境適應(yīng)性等相關(guān)技術(shù)方面尚存在短板,制約了水下遠(yuǎn)程精密導(dǎo)航定位的應(yīng)用場(chǎng)景。

因此,探索一種類似于GNSS模式的水下PNT技術(shù),研究水聲導(dǎo)航定位信號(hào)體制和水下遠(yuǎn)程精密位置服務(wù)方法,構(gòu)建局域和廣域水聲傳播誤差改正模型,解決水下導(dǎo)航定位服務(wù)范圍小、用戶容量少、精度低等難題,不僅能發(fā)展水下PNT方法體系,也能支撐國(guó)家綜合PNT重大工程建設(shè),具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 水聲導(dǎo)航定位問(wèn)題

受到海水的衰減和阻隔,衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GNSS)信號(hào)無(wú)法用于水下及海底的導(dǎo)航定位。水下導(dǎo)航定位技術(shù)主要有聲學(xué)、慣性、匹配(地形、重力、磁力等)等。受制于技術(shù)本身的缺陷,慣性導(dǎo)航存在漂移、需定期標(biāo)校,匹配導(dǎo)航需要背景場(chǎng)和特征環(huán)境、匹配誤差大、可用性低。目前,聲學(xué)是水下導(dǎo)航定位主要的技術(shù)方法。然而,水聲導(dǎo)航定位中存在基站服務(wù)范圍小、作用距離短、終端用戶容量小、定位精度低的問(wèn)題,具體如下。

1.1 水聲導(dǎo)航定位信號(hào)體制及其服務(wù)范圍

現(xiàn)有聲學(xué)定位系統(tǒng)的服務(wù)范圍和作用距離有限,主要受制于水聲信號(hào)性能以及基站信標(biāo)距離海底的高度。海洋環(huán)境的復(fù)雜性與聲波的時(shí)空變化給水下導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[9-11]。水聲信道具有時(shí)空變化特性,聲信號(hào)經(jīng)過(guò)水聲信道傳輸會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)、多徑效應(yīng)等現(xiàn)象。在水聲信號(hào)性能方面,根據(jù)海水聲場(chǎng)特征,不同頻段的水聲具有不同的定位精度和作用距離。傳統(tǒng)水聲定位系統(tǒng)的工作頻率一般在18～36 kHz,屬于中頻段,在理想的工作環(huán)境條件下,有效作用距離為2～3 km,工作水深可以達(dá)到3 km[12];而中低頻段聲波(例如8～16 kHz、2～4 kHz)雖然測(cè)量精度有所降低,但在水中傳播的衰減小,作用距離遠(yuǎn),可達(dá)十幾至幾十千米[13-14]?；谕绞降乃露ㄎ粚?dǎo)航系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)廣域遠(yuǎn)程覆蓋,通導(dǎo)一體化信號(hào)體制設(shè)計(jì)可保證設(shè)備的小型化和低功耗應(yīng)用需求,是最終實(shí)現(xiàn)高精度服務(wù)用戶能力的關(guān)鍵技術(shù)。

針對(duì)水下測(cè)距與通信一體化的實(shí)現(xiàn)方式主要有時(shí)分工作方式和頻分工作方式2種。時(shí)分工作方式利用不同的時(shí)隙分別發(fā)射通信信號(hào)與測(cè)距信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[15-16]。頻分工作方式將發(fā)射端的測(cè)距與通信信號(hào)選取在不同的工作頻段,在接收端經(jīng)過(guò)帶通濾波器后分別對(duì)測(cè)距信息與通信信息進(jìn)行處理[17]。對(duì)于資源緊張的水下導(dǎo)航通信節(jié)點(diǎn),2種信號(hào)體制不僅時(shí)效性差,而且占用較多的水聲帶寬,不能滿足水下潛航器實(shí)時(shí)定位需求。同時(shí)隨著水下潛航器技術(shù)的發(fā)展,對(duì)潛航器在水下工作時(shí)間、工作效率與航行速度上均提出了更高的要求。當(dāng)潛航器航行速度較快時(shí),多普勒不斷變化將嚴(yán)重影響信號(hào)的載波同步與信息恢復(fù),上述基于時(shí)分與頻分信號(hào)體制的多普勒補(bǔ)償算法難以滿足高動(dòng)態(tài)水下潛航器導(dǎo)航的需求。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航理論的發(fā)展,無(wú)線電領(lǐng)域出現(xiàn)了大量能夠在高動(dòng)態(tài)背景下實(shí)現(xiàn)精確、快速獲取定位與通信信息的算法,但遺憾的是這類算法并未在水聲領(lǐng)域得到應(yīng)用和改進(jìn)。近期,英國(guó)Sonardyne 公司宣稱采用其第六代寬帶信號(hào)技術(shù),在其系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)服務(wù)無(wú)限多的用戶數(shù)量。隨著遠(yuǎn)距離、高精度的深海應(yīng)用的增加(例如編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航、海底資源勘探、近底多波束測(cè)量等)和海洋噪聲水平逐漸增加的基本態(tài)勢(shì),需要提升聲吶水聲信號(hào)測(cè)距和通信能力。因此,研究“廣播式”水聲測(cè)量技術(shù),在增加終端用戶容量、增強(qiáng)抗干擾能力的同時(shí),有望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高精度定位[18-20]。

在基站信標(biāo)距離海底的高度方面,目前的水下聲學(xué)定位系統(tǒng)中,為適應(yīng)海底底質(zhì)穩(wěn)定性和海流沖擊影響,保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,海底基站信標(biāo)高度一般為2～3 m。為了基站之間相互測(cè)距與通信,考慮到聲線彎曲(貼近海底)的影響,基站之間距離一般只設(shè)計(jì)為約1 km。研究表明,為保持水聲信號(hào)互通,海底基站之間距離每增加1 km,信標(biāo)的高度需提高約3 m[21],這大大增加了基站建設(shè)的難度和維護(hù)成本。在這種配置下,水下定位系統(tǒng)如果要服務(wù)大范圍(例如幾十千米)的用戶,則需要建設(shè)大量基站并進(jìn)行位置標(biāo)校作業(yè),成本高、效率低。因此,需要研究相應(yīng)的基站布網(wǎng)解決方案,以節(jié)約成本,提高效率,保證可靠性和精度[22-24]。

1.2 水下聲學(xué)定位模式及其應(yīng)用需求

水聲定位系統(tǒng)主要有長(zhǎng)基線、短基線、超短基線及組合定位系統(tǒng),按照信號(hào)觸發(fā)方式可劃分為聲學(xué)應(yīng)答觸發(fā)(應(yīng)答式)和同步脈沖觸發(fā)(同步式)[10-11]。前者要求用戶終端發(fā)射詢問(wèn)信號(hào),基站應(yīng)答器收到此信號(hào)后發(fā)射應(yīng)答信號(hào),終端通過(guò)測(cè)量詢問(wèn)信號(hào)與應(yīng)答信號(hào)的總傳播時(shí)間,確定自身位置;后者需要在基站信標(biāo)和用戶終端之間維持高精度的時(shí)鐘同步,基站信標(biāo)按預(yù)定的間隔定時(shí)發(fā)射信號(hào),終端根據(jù)信號(hào)發(fā)射時(shí)刻到接收時(shí)刻的時(shí)延確定自身位置。

由于應(yīng)答式有源定位的固有缺陷,終端用戶數(shù)量受限,不適應(yīng)大量水下作業(yè)目標(biāo)的同步工作和隱蔽性要求。同步式水聲定位是解決這一問(wèn)題的有效途徑,但需要解決水下高精度、低成本的時(shí)間同步技術(shù)難題。海底基站在布放之前,一般利用外部同一時(shí)鐘源(如GNSS授時(shí))進(jìn)行時(shí)鐘偏差校準(zhǔn),校準(zhǔn)完畢后多個(gè)海底基站之間的時(shí)鐘可認(rèn)定是嚴(yán)格同步的(偏差在納秒量級(jí))。但是隨著時(shí)間累積和水下溫度、磁場(chǎng)等環(huán)境差異,不同海底基站之間的時(shí)鐘偏差會(huì)逐漸增加。為保證終端定位精度,需要修正海底基站之間的時(shí)鐘偏差,以保證海底基站節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。近年來(lái)水下聲吶時(shí)間同步方法的研究取得了一定進(jìn)展,包括TSHL[25]、MU-Sync[26]、Mobi-sync[27]、多普勒輔助同步[28-29]等,但仍存在顯著問(wèn)題,包括節(jié)點(diǎn)移動(dòng)問(wèn)題、計(jì)算量龐大、設(shè)備部署成本增加等。鑒于海底基站布放完成后抵近介入維護(hù)比較困難,需要研究高效精確的水下基站之間的時(shí)間偏差修正方法。

1.3 聲速時(shí)空變化誤差及其對(duì)定位精度影響

水聲導(dǎo)航定位通過(guò)距離交會(huì)確定位置,而精確的距離需要聲信號(hào)精確的傳播時(shí)間和速度。若水聲定位系統(tǒng)的時(shí)間同步精確,且聲信號(hào)在海水中的傳播時(shí)延測(cè)量準(zhǔn)確,則聲速成為影響測(cè)距的主要因素。聲速是溫度、鹽度和壓力的函數(shù),利用經(jīng)驗(yàn)公式可將溫鹽壓轉(zhuǎn)換為聲速。由于影響聲速的3個(gè)因素溫度、鹽度和壓力都隨深度變化,因此可綜合地將聲速視為一個(gè)深度變量的函數(shù),并假設(shè)每層內(nèi)的聲速相等或者垂直梯度相等,即分層介質(zhì)模型。然而,海洋環(huán)境的復(fù)雜變化導(dǎo)致聲速在時(shí)間和空間上的顯著變化,分層介質(zhì)模型仍有較大誤差,尤其是在1 000 m以淺的上層海洋。其中,長(zhǎng)周期誤差接近潮汐周期[5],海洋內(nèi)波的周期從數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)(一般在淺海),或者半日到日周期(一般在深海)[9]。受到潮流、海流、溫鹽分布不均等影響,海洋聲速水平方向具有明顯時(shí)空變化,但目前的水下導(dǎo)航尚未充分考慮。因此,需要結(jié)合區(qū)域潮汐海流水文特征,精確確定聲速不同時(shí)間、深度和水平位置的變化,即三維時(shí)變。

目前海洋聲速由聲速剖面儀(SVP)或溫鹽深儀(CTD、XCTD)原位測(cè)量或聲速場(chǎng)模型得到。SVP或CTD測(cè)得的聲速剖面存在測(cè)量誤差,并且不能進(jìn)行足夠高時(shí)空分辨率的采樣;聲速場(chǎng)建模是利用歷史觀測(cè)或解算的聲信號(hào),根據(jù)聲傳播模型反演聲速場(chǎng)參數(shù),并建立相應(yīng)的時(shí)空模型,存在模型誤差。對(duì)于水下厘米級(jí)至分米級(jí)高精度定位而言,原位測(cè)量和聲速場(chǎng)模型均不能提供高時(shí)空分辨率的精確聲速[30]。海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式(例如HYCOM、FIOCOM、WOA等)與區(qū)域?qū)崪y(cè)聲速融合,可以構(gòu)建優(yōu)化聲速場(chǎng)模型[31-32]。因此,需要深入研究多源數(shù)據(jù)自適應(yīng)融合處理的聲速場(chǎng)構(gòu)建方法。

在此基礎(chǔ)上,利用基站網(wǎng)之間的時(shí)延測(cè)量和基站網(wǎng)與用戶終端之間的時(shí)延,能夠反演獲取精細(xì)聲速結(jié)構(gòu)。水聲信號(hào)傳播時(shí)間不僅包含了距離信息,還包含了信號(hào)傳播路徑的聲速信息。基于此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者為獲取更為精細(xì)的聲速進(jìn)行了深入研究。聲速時(shí)變誤差可以在聲速平滑變化假設(shè)下,利用二次多項(xiàng)式、三次B樣條等作為基函數(shù),由迭代基站位置估計(jì)殘差提取或一同進(jìn)行參數(shù)估計(jì)[33-34]。然而,這些方法只考慮了聲速的垂向分層介質(zhì)模型,并未估計(jì)水平方向變化,導(dǎo)致聲速水平誤差被垂向聲速的時(shí)變參數(shù)吸收,降低了定位精度。聲速水平梯度影響水聲定位精度,尤其對(duì)于大范圍水下定位服務(wù),需要考慮聲速水平梯度。在GNSS-聲學(xué)定位中聲速水平梯度可由時(shí)延殘差提取或參數(shù)估計(jì)[35-38]。假設(shè)從海面到任意水層中存在空間均勻分布的慢度(速度倒數(shù))梯度,聲速的三維時(shí)變誤差可通過(guò)慢度模型估計(jì)[39-41]。借鑒GNSS對(duì)流層延遲估計(jì)方法,利用聲速天底總延遲與映射函數(shù),可以構(gòu)建表征信號(hào)傳播方向聲速變化的模型[42-44]。

然而,對(duì)于不同深度長(zhǎng)距離精密導(dǎo)航定位,海洋聲速誤差層析反演仍有諸多問(wèn)題需要深入研究解決,包括構(gòu)建分層投影函數(shù)、慢度模型、區(qū)域格網(wǎng)及聲速誤差層析方程等。借鑒GNSS水汽層析方法,基于天底總延遲與慢度模型,可進(jìn)一步推導(dǎo)信號(hào)路徑上的聲速變化。因此,需要研究利用海洋水文環(huán)境信息作為背景場(chǎng)構(gòu)建聲速場(chǎng),以聲速時(shí)空變化與信號(hào)傳播時(shí)間的關(guān)系為基礎(chǔ),優(yōu)化聲速誤差層析反演與修正方法,從而為基站服務(wù)區(qū)域水下導(dǎo)航定位提供精細(xì)化的聲速誤差改正。

綜上所述,目前高精度水聲導(dǎo)航定位中存在問(wèn)題體如下。

1)基站服務(wù)范圍小,作用距離短。根據(jù)海水聲場(chǎng)特征,不同精度需求和作用范圍采用不同的聲學(xué)頻率和信號(hào)體制,頻率越高,定位精度越高,作用范圍越小,反之亦然。受到聲線彎曲(貼近海底)的影響,海底基站之間為了信號(hào)互通需要提高信標(biāo)高度,這增加了座底基站建設(shè)的難度和成本,和錨系基站的活動(dòng)范圍和標(biāo)校頻次;

2)終端用戶容量小、目標(biāo)易暴露。通常采用的詢問(wèn)應(yīng)答式定位模式需要區(qū)分不同用戶終端發(fā)射的詢問(wèn)信號(hào),同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)量極為有限,并且有源模式容易暴露用戶位置;

3)導(dǎo)航精度低。海水聲速測(cè)量誤差及其時(shí)空變化,觀測(cè)幾何強(qiáng)度低,導(dǎo)致用戶終端三維定位導(dǎo)航精度差、作業(yè)效率低等問(wèn)題。

由此可見,研發(fā)大范圍、長(zhǎng)距離、多用戶、高精度、低成本的水下導(dǎo)航定位方法和技術(shù)是當(dāng)前需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。本文針對(duì)廣播式水聲導(dǎo)航定位信號(hào)體制及立體組網(wǎng)、基站及用戶精密時(shí)間同步及定位模式、廣域三維聲場(chǎng)時(shí)變誤差模型及應(yīng)用改正等開展研究,提出廣播式遠(yuǎn)程精密水聲導(dǎo)航定位理論方法和時(shí)空服務(wù)框架,研究解決水下導(dǎo)航定位成本高、效率低、精度差的問(wèn)題方案,以期突破制約水下導(dǎo)航定位精度、連續(xù)性、可用性、可靠性的技術(shù)瓶頸,有效提升水下PNT系統(tǒng)性能,支撐國(guó)家綜合PNT系統(tǒng)建設(shè)與海洋科學(xué)研究。

2 廣播式遠(yuǎn)程精密水下導(dǎo)航定位

針對(duì)大范圍、長(zhǎng)距離、多用戶、高精度、低成本的水下導(dǎo)航定位需求,本文研究提出廣播式遠(yuǎn)程精密水聲導(dǎo)航定位理論方法和時(shí)空服務(wù)框架,主要包括構(gòu)建廣播式水聲信號(hào)體制,在系統(tǒng)服務(wù)端研制構(gòu)建廣域基站網(wǎng)、信標(biāo)位置和時(shí)鐘標(biāo)校、海洋聲速誤差反演、改正數(shù)生成和播發(fā),在用戶終端進(jìn)行多源融合導(dǎo)航定位。

圖1 廣播式遠(yuǎn)程精密水下導(dǎo)航定位架構(gòu)Fig.1 Architecture of broadcast-style long-range precise underwater navigation and positioning

2.1 廣播式遠(yuǎn)程通導(dǎo)一體化信號(hào)

相對(duì)于空氣介質(zhì)無(wú)線電信道,水聲信道存在著載頻低、可利用帶寬小的特點(diǎn),水聲通導(dǎo)一體化面臨著相對(duì)于無(wú)線電信道中更加困難多途、大多普勒等挑戰(zhàn)。因此水下PNT體系中需要結(jié)合環(huán)境和任務(wù)需求采用不同調(diào)制體制、不同速率的信號(hào)發(fā)生體制,而不能采用統(tǒng)一的碼分多址來(lái)完成通導(dǎo)一體化。

借鑒GNSS信號(hào)體制,可構(gòu)建水下連續(xù)波體制,采用連續(xù)測(cè)距碼實(shí)時(shí)調(diào)制指令信息的編碼方式,實(shí)現(xiàn)潛航器終端測(cè)距與通信信息的同步解析,減小數(shù)據(jù)更新周期。針對(duì)水下潛航器高動(dòng)態(tài)需求,可研發(fā)并行結(jié)構(gòu)處理的捕獲技術(shù),克服傳統(tǒng)算法捕獲時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。采用適應(yīng)水下環(huán)境的最佳環(huán)路跟蹤策略,從信號(hào)跟蹤輸出的通信數(shù)據(jù)與參數(shù)估計(jì)精度兩方面分析跟蹤算法在高動(dòng)態(tài)勻速模型與變速模型下的性能,并突破傳統(tǒng)的水下長(zhǎng)基線定位只能給出偽距觀測(cè)值的能力,輸出載波相位,以進(jìn)行更高精度定位解算。

信號(hào)層面的通導(dǎo)融合,不僅有利于節(jié)約系統(tǒng)成本,還有望提高通信和導(dǎo)航的性能。基站通信和導(dǎo)航融合到一個(gè)載荷中,在硬件上共用模擬、功放等模塊,既減少設(shè)備成本也減少能量消耗,有助于實(shí)現(xiàn)載荷的通用化;通信信號(hào)和導(dǎo)航信號(hào)融合,共用頻率資源,可以實(shí)現(xiàn)一站多用,提高水下信息系統(tǒng)的性能,節(jié)省大量基站成本。通信與導(dǎo)航融合,導(dǎo)航可以為通信提供更精準(zhǔn)的時(shí)間同步,而通信可以通過(guò)播發(fā)導(dǎo)航增強(qiáng)信息縮短定位時(shí)間、提升定位精度。

通導(dǎo)一體化信號(hào)可采用2種方式:1)采用類GNSS信號(hào)體制,使用基于偽隨機(jī)序列測(cè)距的直擴(kuò)信號(hào)或其他數(shù)據(jù)調(diào)制方式攜帶時(shí)間位置等信息。2)利用導(dǎo)航和通信信息的正交特點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航和通信信息的分離?；拘盘?hào)調(diào)制方式可研究采用混合OFDM/MPSK/MQAM等多種調(diào)制方式,并分為分時(shí)體制、分頻體制、分波束體制、全共享體制等,可依據(jù)實(shí)際海洋環(huán)境與信道特征進(jìn)行選擇配置。對(duì)于用戶終端而言,在傳播速度已知的情況下,測(cè)距主要解決信號(hào)發(fā)射與接收時(shí)間差測(cè)量的精確性,需要測(cè)距信號(hào)在接收端有精細(xì)的時(shí)間分辨率;通信將發(fā)射端的信息解調(diào)提取,首先需要進(jìn)行信號(hào)同步,信號(hào)同步的精度直接影響信息能否正確接收,采用有較高精度時(shí)間分辨率的通信同步頭信號(hào),可在一組通信信號(hào)內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位與通信功能。為了進(jìn)行測(cè)距,接收端可通過(guò)互相關(guān)等手段估計(jì)出時(shí)延,進(jìn)而解算出收發(fā)兩端的距離。通信和定位都需要精確的時(shí)間同步。在信號(hào)捕獲和跟蹤方面需要重點(diǎn)考慮基站與終端之間的多普勒效應(yīng),因?yàn)槠鋵?duì)載波頻率、偽隨機(jī)碼和偽碼相位有重要影響。針對(duì)多普勒效應(yīng),應(yīng)顧及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,計(jì)算多普勒頻偏范圍,并針對(duì)高動(dòng)態(tài)擴(kuò)大頻率搜索范圍。終端接收不同基站的定位通信信號(hào),應(yīng)對(duì)每一個(gè)信號(hào)分通道單獨(dú)處理。

通信信息中包含基站地址碼(或站點(diǎn)位置)、時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)、海洋環(huán)境參數(shù)等,每類信息分配固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)碼元。通導(dǎo)一體化信號(hào)體制不但可實(shí)現(xiàn)基站對(duì)用戶終端的授時(shí),同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)水面母船到基站的授時(shí)。針對(duì)聲吶信標(biāo)長(zhǎng)距離服務(wù),可選取中低頻、甚低頻組合工作頻率,優(yōu)化信號(hào)波形和信號(hào)體制,采用多頻分級(jí)服務(wù)聲吶信號(hào)編碼工作方式,實(shí)現(xiàn)用戶終端長(zhǎng)距離聲學(xué)引導(dǎo)、近距離米級(jí)動(dòng)態(tài)定位及遠(yuǎn)程信息傳輸。

2.2 基站網(wǎng)構(gòu)建與信標(biāo)位置在線標(biāo)校

廣播式水下基站可融合聲吶、IMU、壓力計(jì)、溫鹽深儀、海流計(jì),利用坐底聲吶與錨系聲吶之間的水聲時(shí)延測(cè)量、自測(cè)陣時(shí)延測(cè)量,融合錨系聲吶的IMU和壓力測(cè)量,實(shí)現(xiàn)錨系信標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高精度標(biāo)校。綜合考慮深海聲道軸深度[45]、基站網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)GDOP、海底/潛標(biāo)/浮標(biāo)聲吶覆蓋范圍和聲傳播損失、海洋地質(zhì)、水文等海洋環(huán)境特征,確定水面、水體、海底基站布放位置,從而建立融合海底、潛標(biāo)、海面浮標(biāo)基站的立體組網(wǎng)大范圍服務(wù)端,實(shí)現(xiàn)用戶終端的位置與鐘差在線估計(jì),提升系統(tǒng)定位精度與性能。

海面浮標(biāo)基站可集成GNSS、IMU和聲吶。水下基站采用坐底聲吶信標(biāo)與錨系聲吶信標(biāo)集成的方式,2個(gè)信標(biāo)之間可以相互測(cè)距和通信。其中,錨系信標(biāo)(可集成IMU、壓力計(jì)、海流計(jì)等)可以距離海底幾百米至幾千米,或者布設(shè)在深海聲道軸深度,從而極大地拓展服務(wù)區(qū)域。利用坐底聲吶與錨系聲吶之間的水聲時(shí)延測(cè)量,融合錨系聲吶的IMU和壓力計(jì)測(cè)量值,實(shí)現(xiàn)錨系信標(biāo)位置的高精度自標(biāo)定。另外,通過(guò)不同基站節(jié)點(diǎn)之間的自測(cè)陣時(shí)延測(cè)量,可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提高錨系信標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)標(biāo)校精度。

水下基站坐底信標(biāo)與錨系信標(biāo)的初始標(biāo)校方面,采用船載GNSS-聲學(xué)定位方法。通過(guò)全站儀精確測(cè)定換能器在船體坐標(biāo)系下的位置和角度安裝偏差,利用GNSS、姿態(tài)傳感器等提供換能器的位置、姿態(tài),以測(cè)得水下信標(biāo)的絕對(duì)位置。測(cè)量船采用優(yōu)化航跡,例如半徑約1.4倍水深的圓航跡和中心點(diǎn)與圓心重合的十字航跡,測(cè)定船載換能器與信標(biāo)之間的信號(hào)傳播時(shí)間,再利用聲速剖面,顧及地球曲率進(jìn)行高精度聲線跟蹤,估計(jì)厘米級(jí)至分米級(jí)精度的聲速變化,確定換能器與信標(biāo)之間的直線距離,獲取坐底信標(biāo)、錨系信標(biāo)、潛標(biāo)信標(biāo)的厘米級(jí)到分米級(jí)的初始位置。海面信標(biāo)可以基于GNSS,獲取約0.1 m精度的實(shí)時(shí)位置[46-47]。

2.3 基站網(wǎng)與終端時(shí)間同步

水下基站需進(jìn)行絕對(duì)時(shí)間維持與時(shí)鐘同步,以生成基站鐘差產(chǎn)品并播發(fā)。在水下基站中,配備高精度芯片級(jí)原子鐘或石英鐘,用于絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)維持,并定期與海面平臺(tái)(例如浮標(biāo)基站、無(wú)人船)GNSS-聲學(xué)授時(shí)進(jìn)行聯(lián)測(cè),修正水下時(shí)間基準(zhǔn)漂移。在水下基站之間進(jìn)行定期聯(lián)測(cè)和時(shí)間同步,維持水下相對(duì)時(shí)間基準(zhǔn),用于基站站網(wǎng)內(nèi)外的用戶終端的導(dǎo)航定位。

各水下基站的錨系聲吶之間的時(shí)間同步可通過(guò)2個(gè)錨系聲吶之間的2次應(yīng)答式測(cè)量,并利用海流計(jì)測(cè)量的流速流向進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)2個(gè)錨系聲吶之間的時(shí)間同步。錨系聲吶A發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào),錨系聲吶B接收該脈沖信號(hào)并處理得到時(shí)延tB1;然后,錨系聲吶B在約定的延時(shí)Δd后應(yīng)答一個(gè)脈沖信號(hào),錨系聲吶A接收該脈沖信號(hào);然后,錨系聲吶A在相同的約定的延時(shí)Δd后再次應(yīng)答一個(gè)脈沖信號(hào),錨系聲吶B接收到該脈沖信號(hào)處理得到錨系聲吶B發(fā)收2個(gè)脈沖信號(hào)之間的時(shí)延tB2;設(shè)海流修正為Δc,若無(wú)海流觀測(cè)則設(shè)Δc=0,則錨系聲吶B根據(jù)測(cè)量的tB1和tB2計(jì)算得到錨系聲吶B與錨系聲吶A之間的同步時(shí)間偏差Δt為:

Δt=(tB2-Δd)/2+Δc-tB1

(1)

錨系聲吶B根據(jù)同步時(shí)間偏差Δt調(diào)整自身時(shí)鐘,實(shí)現(xiàn)與錨系聲吶A的時(shí)間同步。利用同樣的方法得到任意2個(gè)相鄰錨系聲吶之間的同步時(shí)間偏差,進(jìn)行同步偏差修正,從而實(shí)現(xiàn)所有錨系聲吶之間的在線精密時(shí)間同步。該時(shí)間同步方案限定在時(shí)間域內(nèi),與聲速無(wú)關(guān),只與2次信號(hào)時(shí)延估計(jì)精度有關(guān),按誤差傳播律,若單次時(shí)延測(cè)量精度為10 μs,則時(shí)間同步精度約為11 μs,可達(dá)到較高的精度[30]。該水下基站之間同步偏差自修正的條件是應(yīng)答式測(cè)量的短時(shí)間內(nèi)基站時(shí)鐘穩(wěn)定和基站位置不變。由于基站安裝高穩(wěn)定性時(shí)鐘,短時(shí)間內(nèi)海流較為穩(wěn)定,這2個(gè)條件均是滿足的。

對(duì)于用戶終端,鐘差誤差主要來(lái)源是晶振自身晶體和元件的老化,反映為時(shí)鐘的偏移與漂移。參考GNSS接收機(jī)鐘差的修正模型,可將終端鐘差模型描述為二次多項(xiàng)式模型:

Δt=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2

(2)

式中:Δt為用戶終端與基站網(wǎng)之間的鐘差;toc代表鐘差模型選定的起始參考時(shí)間;a0、a1、a2分別為用戶終端時(shí)鐘的鐘偏、鐘速與頻漂參數(shù);t為用戶終端接收聲信號(hào)的時(shí)間。每個(gè)時(shí)鐘的校準(zhǔn)參數(shù)可事先測(cè)量并存儲(chǔ)在用戶終端中,用戶終端根據(jù)二次多項(xiàng)式模型進(jìn)行時(shí)鐘偏差修正。上述模型是一個(gè)近似模型,校正后的終端接收機(jī)時(shí)鐘仍存在一定的誤差,但殘留的時(shí)鐘鐘差是一個(gè)相對(duì)小量。如果基站各站點(diǎn)之間已時(shí)間同步,終端與基站網(wǎng)之間的時(shí)鐘誤差可通過(guò)長(zhǎng)基線定位解算方法求解,進(jìn)一步提高定位精度[48-49]。

2.4 聲速誤差反演及聲速改正數(shù)生成

針對(duì)復(fù)雜多變的海洋聲速場(chǎng)這一主要誤差源,構(gòu)建附加聲速場(chǎng)時(shí)變參數(shù)的函數(shù)模型和顧及聲速變化特性的隨機(jī)模型。海洋中的熱量、鹽量由海流輸送,影響海水溫鹽的空間分布,所以影響聲速場(chǎng)結(jié)構(gòu)。提出融合海洋物理機(jī)理的改正數(shù)建模和增強(qiáng)位置服務(wù)方法[45,50]。引入多源溫鹽資料,結(jié)合基站網(wǎng)和用戶終端實(shí)測(cè)聲速,構(gòu)建區(qū)域聲速場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上,利用水下定位系統(tǒng)的時(shí)延觀測(cè)數(shù)據(jù)提取聲信號(hào)傳播聲速誤差,結(jié)合解析和格網(wǎng)模型,通過(guò)解算附加約束的聲速誤差層析觀測(cè)方程組,反演聲速誤差并生成聲速改正產(chǎn)品。

以數(shù)值預(yù)報(bào)模式的溫鹽深為背景場(chǎng)約束,融合基站網(wǎng)SVP、CTD等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建區(qū)域聲速場(chǎng)。引入聲速場(chǎng)誤差導(dǎo)致的天底總時(shí)延和水平梯度,建立聲信號(hào)傳播時(shí)延誤差表達(dá)式?；诼暰€入射角、方位角、深度等參數(shù)建立投影函數(shù),將垂向時(shí)延誤差及梯度項(xiàng)投影至聲線方向。聲信號(hào)傳播時(shí)延誤差表示為:

δT=MδTNTD+MΔ[GNcosφ+GEsinφ]

(3)

式中:δT為聲信號(hào)傳播時(shí)延誤差;δTNTD、M分別為天底總延遲及其投影函數(shù);GN、GE分別為北方向和東方向梯度項(xiàng);MΔ為梯度項(xiàng)的投影函數(shù);φ為方位角。利用海洋模式分析數(shù)據(jù)對(duì)聲速場(chǎng)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)建模,然后計(jì)算聲速場(chǎng)變化引起的天底總延遲和水平梯度的隨機(jī)游走過(guò)程噪聲,用于實(shí)時(shí)濾波參數(shù)估計(jì),以改進(jìn)歷元定位精度、高分辨率聲速變化精度和濾波收斂。其中,隨機(jī)游走方差σRW的實(shí)時(shí)計(jì)算可采用一階馬爾可夫過(guò)程,以天底總延遲為例:

(4)

式中:Δt是天底總延遲的時(shí)間間隔;E表示數(shù)學(xué)期望。隨機(jī)游走方差σRW可利用實(shí)時(shí)海洋分析數(shù)據(jù)計(jì)算的天底總延遲序列確定。該方法有助于提高水聲定位和聲速反演的時(shí)間分辨率。

以反演聲速誤差為目標(biāo),假設(shè)任意水層中存在空間均勻的慢度梯度,建立時(shí)延與慢度聲信號(hào)路徑積分的表達(dá)式,以構(gòu)建聲速誤差層析方程組。

(5)

式中:δs為慢度;δTj為第j條聲信號(hào)傳播總延遲;(x,z,t)分別為格網(wǎng)的平面位置、深度及時(shí)間;dl為慢度積分路徑;Γ為總路徑;i為聲信號(hào)歷經(jīng)的子格序號(hào)?；诼曅盘?hào)疏密程度與聲速變化特征設(shè)置格網(wǎng)分辨率,構(gòu)建非均勻格網(wǎng)模型,并增加約束方程解決不適定性問(wèn)題。基于海洋水文特性與海洋數(shù)值模式,考慮海洋物理機(jī)理,以距離加權(quán)平均、Munk聲速模型和模式預(yù)報(bào)等方式建立水平和垂向約束方程[43,51]。聲速誤差主要位于上層海洋,這為確定聲速誤差的分層Munk模型和深度約束方程提供了依據(jù)。根據(jù)海洋數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果和原位流向流速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得到流場(chǎng)結(jié)構(gòu),設(shè)置區(qū)域中聲速剖面和水平梯度的時(shí)變參數(shù)。

由于遠(yuǎn)程水聲信道頻率低、數(shù)據(jù)帶寬較小,為了提高改正數(shù)播發(fā)效率,利用修正后的聲速和基站網(wǎng)自定義聲速基準(zhǔn),建立聲速改正數(shù)與格網(wǎng)位置的參數(shù)表達(dá),并設(shè)計(jì)一種基于參數(shù)重構(gòu)的聲速改正數(shù)產(chǎn)品,各基站播發(fā)重構(gòu)的參數(shù)信息[45,50]。聲速改正產(chǎn)品主要包括時(shí)間、基站標(biāo)記或位置、聲速改正重構(gòu)參數(shù)等。用戶終端接收改正數(shù)后,根據(jù)終端時(shí)間和概略位置,內(nèi)插或外推以獲取聲速改正等信息,區(qū)分多途信號(hào)[48,52],實(shí)現(xiàn)更高精度的位置解算。

3 結(jié)論

1)面向潛航器無(wú)源導(dǎo)航等海洋安全保障、海底油氣可燃冰等資源開發(fā)、海洋環(huán)境觀測(cè)等國(guó)家重大需求,面向海底板塊運(yùn)動(dòng)等科學(xué)前沿,水下定位、導(dǎo)航與授時(shí)需要突破制約其精度、連續(xù)性、可用性、可靠性的技術(shù)瓶頸。隨著AUV編隊(duì)組網(wǎng)作業(yè)、海底資源勘探、近底地形地貌測(cè)量等遠(yuǎn)距離、高精度的深海應(yīng)用需求的增加[53-55],亟需研究寬覆蓋的水聲測(cè)量與數(shù)據(jù)處理技術(shù),在保證高精度的同時(shí),增加終端用戶容量。

2)本文分析了水聲導(dǎo)航定位信號(hào)體制及其服務(wù)范圍、水聲導(dǎo)航定位模式及其應(yīng)用需求和聲速時(shí)空變化誤差及其對(duì)定位精度影響等關(guān)鍵問(wèn)題,提出了廣播式遠(yuǎn)程精密水聲導(dǎo)航定位理論方法和時(shí)空服務(wù)框架,研究了通導(dǎo)一體化信號(hào)體制、基站網(wǎng)構(gòu)建與信標(biāo)位置標(biāo)校、基站網(wǎng)與終端時(shí)間同步、廣域聲速場(chǎng)建模與誤差反演改正等關(guān)鍵技術(shù)。

3)本文分析了基站立體組網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、同步觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵問(wèn)題,提出了基站自主定位和時(shí)間同步解決方案。針對(duì)復(fù)雜多變的海洋聲速場(chǎng)這一主要誤差源,構(gòu)建了附加聲速場(chǎng)時(shí)變參數(shù)的函數(shù)模型和顧及聲速變化特性的隨機(jī)模型,提出了融合海洋物理機(jī)理的改正數(shù)建模和增強(qiáng)位置服務(wù)方法,以期提升水下PNT服務(wù)性能,也可提供高分辨率高精度海洋水文監(jiān)測(cè)。

4)研發(fā)大范圍、長(zhǎng)距離、多用戶、高精度的廣播式水下導(dǎo)航定位技術(shù),尚需開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和驗(yàn)證,通過(guò)裝備研制和多次海試,迭代完善技術(shù)方法,驗(yàn)證裝備穩(wěn)定性和精確性,實(shí)現(xiàn)軟硬件一體化的基站與終端裝備,并解決實(shí)際工程應(yīng)用中的問(wèn)題,為國(guó)家海洋PNT系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)支撐。