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通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想

刘经南 赵建虎 马金叶

刘经南, 赵建虎, 马金叶. 通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625
引用本文: 刘经南, 赵建虎, 马金叶. 通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625
LIU Jingnan, ZHAO Jianhu, MA Jinye. Concept of Constructing the Underwater PNT Network with the Abilities of Communication, Navigation and Remote Sensing in the Deep Sea[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625
Citation: LIU Jingnan, ZHAO Jianhu, MA Jinye. Concept of Constructing the Underwater PNT Network with the Abilities of Communication, Navigation and Remote Sensing in the Deep Sea[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625

通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想

doi: 10.13203/j.whugis20220625
基金项目: 

青岛海洋科学与技术试点国家实验室“问海计划” 2021WHZZB1002

详细信息
    作者简介:

    刘经南,教授,中国工程院院士,主要研究方向为大地测量理论及应用、大地测量坐标体系理论、导航位置服务和GNSS技术应用。jnliu@whu.edu.cn

    通讯作者: 赵建虎,博士,教授。jhzhao@sgg.whu.edu.cn
  • 中图分类号: P223

Concept of Constructing the Underwater PNT Network with the Abilities of Communication, Navigation and Remote Sensing in the Deep Sea

Funds: 

Wenhai Program of the S&T Fund of Shandong Province for Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao) 2021WHZZB1002

More Information
    Author Bio:

    LIU Jingnan, professor, Academician of Chinese Academy of Engineering, specializes in teaching and researching on geodetic surveying theories and application, location service theories and software development, and GNSS technology application. E-mail: jnliu@whu.edu.cn

    Corresponding author: ZHAO Jianhu, PhD, professor. E-mail: jhzhao@sgg.whu.edu.cn
  • 摘要: 从海底控制网设计、布设、测量、数据处理和海洋声速场构建几个方面介绍了海底控制网建设的现状。结合国家海洋战略需求和海洋大地测量技术发展,分析了现阶段海底控制网建设面临的问题:认为目前的海底网规模小,缺乏信息共享,功能单一;设计与布设原则未与控制网等级关联,多为定性描述,缺乏操作性;声速场精度和分辨率偏低;测量和数据处理仅考虑了海底控制点的定位问题,难以满足大区域、高精度海洋PNT(positioning, navigation, and timing)基准网建设需求。据此,利用海洋声道的远程通讯和测距定位能力,提出了建设联合北斗/GNSS(global navigation satellite system)定位和通信导航功能的通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络的构想,针对该网络的功能和布放设计、高精度、高分辨率海洋声速场模型的构建、各类PNT基准点的测量和整体网平差处理、海底PNT基准点的自校准和自维护、覆盖水域的位置增强服务、目标和环境的遥测和感知服务等几个关键技术问题,提出了实施方法和设想,以期解决当前海洋控制网大区域建设面临的缺乏通讯、布网原则和测量方法不完善、功能单一等问题,为新一代高性能海洋大地测量及PNT导航定位服务网络的建设提供支撑。认为随着长距离布网优化设计、增强位置服务、精确授时和时间同步、远程通讯及网络功能的拓展和应用服务等难题的突破,所构想的网络体系必将引起海洋PNT建设的一次变革。
  • 图  1  海洋控制网基准点形式及组成

    Figure  1.  Composition of Base Stations of Undersea Control Network

    图  2  圆走航绝对基准传递

    Figure  2.  Circle-Sailing Positioning

    图  3  联合圆走航和网格走航的海底点地心坐标测量

    Figure  3.  Combination of Circle Path and Grid Path Used in the Absolute Positioning

    图  4  声道及典型声线传播图[32]

    Figure  4.  Sound Channel and Typical Acoustic Line Propagation Diagram[32]

    图  5  通导一体化海洋PNT基准网

    Figure  5.  Marine PNT Reference Network Combined of Communication and Navigation

    图  6  海洋通导一体化PNT网点间相互测距及覆盖区位置修正信息服务

    Figure  6.  Mutual Ranging and Coverage Area Position Correction Service of Integrated PNT Network

    图  7  海底PNT网的组合测量及整体网平差

    Figure  7.  Combined Survey and Integrated Adjustment of Seafloor Geodetic Network

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-27
  • 刊出日期:  2022-10-05

通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想

doi: 10.13203/j.whugis20220625
    基金项目:

    青岛海洋科学与技术试点国家实验室“问海计划” 2021WHZZB1002

    作者简介:

    刘经南,教授,中国工程院院士,主要研究方向为大地测量理论及应用、大地测量坐标体系理论、导航位置服务和GNSS技术应用。jnliu@whu.edu.cn

    通讯作者: 赵建虎,博士,教授。jhzhao@sgg.whu.edu.cn
  • 中图分类号: P223

摘要: 从海底控制网设计、布设、测量、数据处理和海洋声速场构建几个方面介绍了海底控制网建设的现状。结合国家海洋战略需求和海洋大地测量技术发展,分析了现阶段海底控制网建设面临的问题:认为目前的海底网规模小,缺乏信息共享,功能单一;设计与布设原则未与控制网等级关联,多为定性描述,缺乏操作性;声速场精度和分辨率偏低;测量和数据处理仅考虑了海底控制点的定位问题,难以满足大区域、高精度海洋PNT(positioning, navigation, and timing)基准网建设需求。据此,利用海洋声道的远程通讯和测距定位能力,提出了建设联合北斗/GNSS(global navigation satellite system)定位和通信导航功能的通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络的构想,针对该网络的功能和布放设计、高精度、高分辨率海洋声速场模型的构建、各类PNT基准点的测量和整体网平差处理、海底PNT基准点的自校准和自维护、覆盖水域的位置增强服务、目标和环境的遥测和感知服务等几个关键技术问题,提出了实施方法和设想,以期解决当前海洋控制网大区域建设面临的缺乏通讯、布网原则和测量方法不完善、功能单一等问题,为新一代高性能海洋大地测量及PNT导航定位服务网络的建设提供支撑。认为随着长距离布网优化设计、增强位置服务、精确授时和时间同步、远程通讯及网络功能的拓展和应用服务等难题的突破,所构想的网络体系必将引起海洋PNT建设的一次变革。

English Abstract

刘经南, 赵建虎, 马金叶. 通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625
引用本文: 刘经南, 赵建虎, 马金叶. 通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625
LIU Jingnan, ZHAO Jianhu, MA Jinye. Concept of Constructing the Underwater PNT Network with the Abilities of Communication, Navigation and Remote Sensing in the Deep Sea[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625
Citation: LIU Jingnan, ZHAO Jianhu, MA Jinye. Concept of Constructing the Underwater PNT Network with the Abilities of Communication, Navigation and Remote Sensing in the Deep Sea[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(10): 1523-1534. doi: 10.13203/j.whugis20220625
  • 党的十八大报告明确提出了以提高海洋资源开发能力、发展海洋经济、保护海洋生态环境、坚决维护国家海洋权益为核心的海洋强国战略。《中国海洋发展报告(2013)》指出:“未来20年,中国大洋工作将立足资源,超越资源,以拓展国家战略发展空间,增加国家战略资源储备,推动深海科技达到世界领先水准,确立中国在大洋事务中的强国地位为战略目标”[1-2]。然而,目前这一战略在实施中遇到了内在技术和外在环境的严峻挑战,即资源、事件、目标等信息发生的准确时间、位置、性质和环境状态的快速乃至实时获取的能力不足的挑战[2]。融通信、遥测感知于一体的海洋时空基准观测网因其具有长期、稳定、获取海洋信息来源丰富并能及时提供信息服务等特点,成为解决这一困境的最直接和有效的手段。建设通导遥一体的高精度海洋时空基准观测网以及基于此网络的海洋导航与位置服务是海洋军事保障、海洋安全执法及搜救、海洋资源环境调查与综合管理、海上生产及灾害防治的战略支撑,也是全球空间基准军民融合工程、“智慧海洋”和“透明海洋”等建设的技术支撑,对全面贯彻落实海洋强国战略,建设海上丝绸之路,提升海洋资源环境调查利用、海洋军事保障及战略威慑、深渊工程及极地开发的能力和水平具有重要而深远的战略意义。

    海洋PNT(positioning,navigation and timing)基准网建设是当今世界大国必争的高技术战略领域。美国、加拿大、欧盟等海洋强国早已开启了相关研究,日本已在其近海建立了PNT基准网[3-6]。中国在“十三五”期间开展了“水下参考框架点建设与维护技术”国家重点研发计划项目,围绕海洋大地测量基准与导航新技术开展了研究,在南海3 000 m水深处开展了试验性网络的建设研究,规模化海洋PNT基准网建设尚未开展[7]。随着中国海洋强国战略的快速推进和相关技术的迅猛发展,中国的海洋PNT基准网建设愈显不足。为此,本文在系统分析中国当前海底控制网建设现状的基础上,提出了建立通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想,以期为中国2035年前建成国家综合PNT体系提供支撑[8]

    • 中国海底控制网布设考虑了控制点的稳定性及其服务范围,顾及了海底底质、海洋水文环境和水声传感器的工作模式及声辐射特点,形成了如下基本布设原则:(1)基本单元网采用三角形或四边形;(2)收集海底地形地貌资料,选择在坡度小于5°的近似平坦海底布设,避开冲沟、峡谷、沟槽、珊瑚礁等海底特征地形地貌区;(3)收集海水的水文信息,选择在流速、温度、盐度变化较小水域的海底布设;(4)收集海底底质信息,选择在底质类型为粉砂、硬黏土为主类型的海底布设;(5)收集并统计海底火山、滑坡、地震等灾害发生的位置和频次,避开海底地质灾害区。

      结合历史和现场资料,选中合适的位置后,开展海洋控制点的布放工作。中国目前主要采用吊装法布放海底控制点(图 1(a)),即利用绞车以0.5~1.0 m/s的速度将座底基准站下放到距海底10~20 m深度,再由甲板单元的声学释放器发送释放指令,让基准站自由落体座底完成布放。

      图  1  海洋控制网基准点形式及组成

      Figure 1.  Composition of Base Stations of Undersea Control Network

    • 海底控制网布设完成后,利用北斗/全球导航卫星系统(BeiDou navigation satellite system /global navigation satellite system,BDS/GNSS)和声学观测系统组合形成的GNSS-Acoustic(GNSS-A)系统,通过圆走航测量实现高精度海底控制点的地心坐标确定[9](见图 2)。

      图  2  圆走航绝对基准传递

      Figure 2.  Circle-Sailing Positioning

      影响声学测距及交会定位精度的主要因素是声速误差,其影响大小与声波入射角和传播时间相关。圆走航过程中测量所得船载换能器到海底应答器间的空间距离相对于海底控制点为对称分布,其波束的入射角和声线传播时间均相等,声速误差对测距的影响近似相等,在海底控制点地心坐标解算中可以很好地消除声速误差带来的影响,获得高精度的定位结果。因此,该方法被广泛应用到高精度海底控制网测量中[10]

      为了解决起算点(BDS/GNSS提供的船载换能器地心坐标)和海底控制点在空间分布的不对称所造成的海底控制点垂直解精度偏低甚至不稳定问题[11],在GNSS-A圆走航测量的基础上,部分学者建议增加高精度压力传感器测量,以获得船载换能器与海底控制网点高差,提高海底控制点的垂直解精度[11-12]

      为了进一步提高海底控制网的测量精度,国内一些学者研究了有声速剖面和无声速剖面两种情况下圆走航测量形成的几何图形强度及对海底控制点定位精度的影响,认为有声速剖面时,圆走航半径等于水深时定位精度最高;无声速剖面时,半径为1.414倍水深时的定位精度最高[13-14]。两种情况下的定位精度近似,表明这种测量方法对声速误差的影响不敏感。

      部分学者在圆走航测量的基础上增加了网格走航测量(见图 3),以改善测量图形的几何结构,并联合两种路径下的观测数据解算海底控制点的地心坐标。结果表明,附加网格测量对点位精度的提升有限[15]

      图  3  联合圆走航和网格走航的海底点地心坐标测量

      Figure 3.  Combination of Circle Path and Grid Path Used in the Absolute Positioning

    • 联合BDS/GNSS提供的船载换能器地心坐标和船载换能器到海底控制点的几何距离,通过交会定位确定海底控制点的地心坐标(图 2)。确定海底控制点坐标的解算模型目前有附加深度约束的交会定位模型、附加参量估计的交会定位模型和距离差分定位模型[16]

      1)附加深度约束的交会定位模型[12]

      根据观测的空间距离L和深度差ΔH构建如下方程,组建方程组,解算海底控制点坐标:

      L=f(x)+ΔlΔH=Z-Z0 ((1))

      式中,fx)为船载换能器至海底控制点的距离函数,f(x)=X-X02+Y-Y02+Z-Z02,其中(XYZ)为船载换能器坐标,(X0Y0Z0)为海底基控制点坐标;Δl为测量误差。

      2)附加参量估计的交会定位模型[17]

      为了削弱声速误差的影响,一些学者借鉴GNSS定位思想,将声速误差对测距的影响δv作为待估计量引入距离观测方程中,与海底控制点坐标一同解算。即

      L=f(x)+δv+Δl ((2))

      3)距离差分定位模型

      一些学者将GNSS差分定位思想引入海底控制点坐标解算中,对相邻历元观测的空间距离较差并构建方程组,解算海底点的绝对坐标。即

      ΔLi-(i+1)=g(x)+ε ((3))

      式中,gx)为相邻历元空间距离差函数;实测的距离差ΔL由相邻历元船载换能器至海底控制点距离的差计算获得;ε为距离差误差。

      在上述3种定位模型研究的基础上,一些学者对模型解算方法进行了改进,如引入抗差思想,改进了交会定位模型,并利用选权迭代抗差估计方法对差分定位模型进行了解算[18];利用方差分量估计方法,对定位模型的随机模型进行了改进[19];结合卡尔曼滤波,对定位模型进行了改进[20]。这些研究均在一定程度上提高了海底控制点的确定精度。

    • 为了解决无实测声速剖面情况下海底控制点坐标的解算难题,一些学者开展了声速剖面反演研究。利用历史声速剖面数据,借助经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF),基于声速梯度、平面距离或深度约束[21],采用模拟退火算法、粒子群算法或遗传算法等解算反演模型参数,实现声速剖面反演及海底控制点定位。

      为削弱定点声速剖面测量给高精度测距定位带来的影响[22],许多学者开展了声速剖面反演及声速场构建研究。根据声速的空间变化特征,利用历史或实测声速数据,借助Munk模型或EOF[23]构建声速场模型。国外学者利用海洋环境参数(温度、盐度)构建了全球或区域环境场模型,如WOA(world ocean atlas)[24]、GDEM(the generalized digital environmental model)[25]、WOCE(world ocean circulation experiment)[26]等模型,再利用声速经验公式,计算得到声速场模型。一些学者研究了声速场沿水平和垂直方向的变化规律,并以此为约束改善了声速场模型精度,提高了声线跟踪精度及测距和定位精度[27-28]

    • 中国目前建立的海底控制网为局部试验性网络,在规模、功能、布网原则、声速场构建、测量及数据处理方法等方面存在诸多问题,与大区域、大规模、多用途海洋控制网建设要求尚存在较大的差距。

    • 1)规模小。目前中国建立的海底控制网多围绕特定的海洋工程或建网方法验证需求开展,一般为由3~5个控制点组成的小范围网络,覆盖范围一般小于20 km×20 km,距离大规模海洋控制网建设及PNT服务差距明显。

      2)立体PNT网络体系未形成,导航定位精度偏低、无缝服务能力欠佳。海洋控制网或海洋PNT基准网主要由位于海面的浮标基准站、海水中悬浮的潜标基准站和位于海床上的座底基准站组成(图 1[29]。目前建立的海洋控制网仅布设了座底基准站(图 1(a)),未布设浮标基准站和潜标基准站(图 1(b)),影响了海洋PNT基准网的空间分布,因此也制约了网络无缝服务性能和范围。

      3)仅能服务于水下导航定位,功能相对单一。主要表现在如下几个方面:

      (1)缺乏通讯能力。座底基准站、浮标基准站和潜标基准站均无通讯功能,整个网络无法将观测的各类信息传输到位于海岸的监控中心,监控中心也无法对各个基准站的状态进行监控和对整个网络数据进行处理和分析。

      (2)无法实现信息共享,制约了海洋PNT基准网自身的精度及其服务性能。网络中各基准站装备的压力传感器、声速计或CTD、时标系统可以提供该站点的深度、海洋声速和时间等信息,综合各站点的上述信息综合,可以获得部分海洋环境场信息和辅助定位信息,为高精度PNT基准网建设、座底基准站稳定性监测及维护、高精度导航定位等服务,但目前各站点的信息不共享,制约了海洋PNT基准网自身精度及其导航定位服务精度的提高。

      (3)基准站配备的传感器有限,网络缺乏对海洋环境和目标的遥测和感知能力。目前的基准站缺少水文监测传感器、生态环境监测传感器和各类信息的综合分析能力,缺少对海洋环境和水下目标的遥测和感知能力。

    • 目前给出的海底控制网布设原则虽然综合考虑了水声传播、水体和海底环境影响等因素,但多为定性描述,实际作业中会面临无可适从问题,尤其对于大区域海洋PNT基准网布设。具体表现在如下几个方面:

      1)基本单元网的网形和大小未与海底控制网的等级关联

      根据误差传播理论,海底控制网中基本单元网的网形和大小与海底控制点的定位精度及其导航定位服务精度关系密切。不同等级的海底控制网精度不同,因此需要根据海底控制网的等级,确定基本单元网的形状和大小。目前的海底控制网布设原则要求基本单元网为三角形或四边形,未给出单元网的边长,未与海底控制网的等级关联,无法指导作业。

      2)环境参数缺少量化评估

      对影响海底控制点稳定性和精度的环境要素,如海水温度、盐度、流速、潮汐、海床地形坡度和底质等仅进行了定性描述,未给出具体的阈值,布设海底控制点所需的环境条件无法量化评估,难以指导布设作业及后期维护。

      3)大区域海底控制网的设计与布设原则缺失

      与大区域GNSS控制网布设类似,大区域海底控制网布设需要考虑整体网形的强度和精度、不同等级网络的布设及组合形式、不同海洋环境下的网形设计及布设方法,以及整体网的观测效率及作业成本等因素。目前所给出的海底控制网布设原则仅适用于基本单元网,大区域海底控制网的布设原则尚为空白。

      4)海面浮标基准站和海水潜标基准站设计与布设原则缺失

      海面浮标基准站和海水中潜标基准站是海洋PNT基准网的重要组成部分,目前仅给出了局部海底控制网的布设原则和方法,浮标基准站和潜标基准站布设的高度、密度、要求的海洋水文条件及与海底基准网的组合关系等原则未给出。

      综上,有必要开展海洋PNT基准网的优化设计理论和方法研究,全面考虑不同类型海洋PNT基准网的功能特点、声学测量性能、海洋环境因素、定位精度等,建立满足不同等级和服务对象需求的布设原则,制定相应的规范或规程,指导海洋PNT基准网建设。

    • 目前开展的声速剖面反演和声速场构建研究在一定程度上削弱了声速误差对测距和定位的影响,但问题是,所用数据目前主要来源于有限的实测或历史声速剖面数据或CTD数据,精度不一致,空间分辨率小,时间跨度大,据此构建的声速场在精度和分辨率上难以满足高精度海洋PNT基准网建设及其位置服务要求。

    • 目前采用的圆走航海底控制网测量方法,虽然具有较高的定位精度,但难以满足大区域海洋PNT基准网建设和维护的需要。主要面临的问题如下:

      1)作业效率低、成本高

      圆走航测量作业中,(不)顾及声速剖面时的走航半径要求为(1.414倍)1倍水深;为实现应答测距,要求船速为2~4节。随着水深增加,圆走航半径增大,单个海底站点的测量耗费将显著增大,在大区域海底控制网测量中的作业耗时和成本将随基准站数量成倍提升。

      2)定位精度受走航轨迹影响严重

      理想的圆走航测量距离因具有较好的对称性,确保了海底控制点的定位精度。受海底控制点布放过程中的位置漂移以及测量过程中的风、浪、流和船体操纵等影响,实际测量中很难得到严格围绕海底控制点的圆周测量轨迹。非圆周走航及由此测量的距离中带有严重的声速误差影响,进而导致海底点的解算精度降低,且随着水深的增加,其影响会进一步加大,尤其在不顾及声速剖面的海底控制点测量和解算中。

      3)未考虑海底PNT基准点的维护测量问题

      受海底底质结构、海流等环境因素和海洋灾害因素影响,海底PNT基准点的位置会发生变化,影响其位置服务精度,需要对其进行定期检测和维护。园走航测量尽管可以实现海底控制点的高精度定位,但要据此方法实现所有海底控制点的检测和维护,其测量成本和耗时将非常巨大,需要寻求新的测量方法。

      4)浮标基准站和潜标基准站的定位问题目前尚无很好的测量方案

      悬浮在海面和水体中的浮标基准站和潜标基准站,随着波浪、潮汐、海流等瞬时变化,需要实时、准确地确定其位置才能更好地开展位置服务。现有的圆走航测量方法需要围绕固定的海底PNT基准点圆周走航测量后才能实现该点的地心坐标解算,因此不适用于浮标基准站和潜标基准点的定位。

    • 附加深度约束的交会定位法是目前解算单个海底PNT基准点地心坐标采用的方法,尚无法扩展应用到大区域海洋PNT基准网的整体解算中。差分定位方法假设局域声速场稳定情况下相邻历元声线经历的水层近似相同,认为声速误差给测距带来的影响近似相等,但忽视了水体环境的分层现象及声速误差影响的层累积效应与波束入射角和传播时间的相关性[29],虽降低了声线跟踪及定位对声速的要求,但并未改善海底PNT基准点的解算精度,有时甚至会拉低精度。

      附加参量估计的交会定位法将声速对测距的影响作为待估参数引入观测方程解算,一定程度上提高了海底PNT基准点的解算精度,但仅适用于声速场稳定、声速误差影响近似相等的圆走航测量。随着控制网范围的增大,声速的差异性显现,声速误差对测距影响不同,在网平差中会出现待求参数大于观测边的问题,无法解算得到海底PNT基准点的坐标。

    • 声波在海洋中传播时,若有一部分声能在某一水层内而不逸出该水层,则称此水层为声道或声波道[30]。在沿深度方向声速极小处(声道轴),声源发出的声线将向上和向下弯曲返回极值区,而保留在该水层上下两个声速相等的深度之间传播,这部分声线不受海面散射和海底反射的影响,声能衰减较小,声信号可以传播数千千米[31](见图 4)。

      图  4  声道及典型声线传播图[32]

      Figure 4.  Sound Channel and Typical Acoustic Line Propagation Diagram[32]

      理想情况下,声源在声道轴上,被声道最初捕获的声能可以一直留在声道中。声道轴深度一般为900~1 300 m,但随纬度、温度或深度变化。纬度越高,海面水温受热小,声道轴越浅。热带某些海域可达2 000 m,温带可升至200~500 m,两级地区海域的声道轴位于海面附近。在声道内,偏离声道轴较远的声线,虽然传输路程最长,但最先到达;而沿声道轴传播的声线,路程最短,最迟到达,但传播的声线最密集,携带的能量最大。声线会在声道内往复地上下弯曲折射形成声会聚区,而无声线的声道区则称为声影区(图 4)。声影区只存在海面或海底的反射声线,声强明显小于声会聚区;随着传播距离增大,声会聚区宽度变宽,声影区则变窄。

      声道稳定的声传播特性,为深远海远程通讯、远距离测时(测距)及大范围PNT基准网的建立、全覆盖区域的感知和遥测以及综合服务能力的实现提供了很好的契机。据此,本文构想了通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络(见图 5)。

      图  5  通导一体化海洋PNT基准网

      Figure 5.  Marine PNT Reference Network Combined of Communication and Navigation

      该网络具备如下功能:

      1)全球海洋时空基准及服务

      通过国际合作可组织全球大地测量会员国,建立覆盖近海、中远海及大洋重要通道和重点监测区域的、由浮标基准站、潜标基准点和座底基准点组成的立体海洋PNT基准及服务网络,为覆盖水域提供高精度的位置、时间、重力、磁力等参考基准和海洋水文、生态环境场信息,为海底板块运动监测、地球形状及全球坐标系统建立和维护、地球构造研究和海洋物理研究等科学性任务以及海洋基础地理信息调查、水下时空位置服务、海洋工程建设、生态环境评估等实用性任务提供支撑。

      2)海洋远程通讯及空-天-海信息的互联互通

      建立由位于声道的潜标节点组成的主干通信网、由海洋PNT基准站组成的分支通讯网络以及联合二者形成的全海域水下通讯网络,各通讯节点具备信息的加工、分析和转发能力,实现信息在海洋中的安全、远程传送。

      海面浮标基准站除具备水下通讯能力外,还具有与卫星的通讯能力,例如,利用北斗系统全球双向短报文通信功能,通过海面浮标基准站建立与北斗卫星通信链路可将海洋环境信息传递至全球所需地点。联合海洋通讯网络,还可构建水下-海面-空中立体通讯网络,实现海洋信息与空天信息的互联互通。

      通讯分支网络不但具有远程传输信息的收发能力,同时也实现了各PNT基准点时空基准信息、空间观测信息的互联互通和共享,为高精度PNT基准点的维护和覆盖水域高精度的位置服务提供了支撑。

      3)全海域水下感知与遥测

      进一步丰富海洋PNT基准站现有的传感器配置,构建由海洋PNT基准网和远程通信网组成的全海域水下感知和遥测网络。利用网络各节点提供的声学测量信息、温度、盐度、流速、浊度、电导率、悬浮物等海洋环境信息,实现覆盖水域目标的探测、识别和跟踪、水文环境和生态环境的感知和监测,为海洋军事和海洋环境治理和利用服务。

    • 通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络主要由PNT基准网和通讯网组成,下面根据功能需求给出各网络的设计。

      1)海洋PNT基准网设计

      海洋PNT基准网是由座底基准站、水体潜标基准站、海面浮标基准站和海缆网组成的立体网络。网络中各PNT基准站在保留已装备的导航定位设备外,还需要增加环境、生态感知传感器及数据分析单元,潜标和浮标基准站还应装备惯性导航系统(inertial navigation system,INS),确保整个网络具备海洋PNT服务、水文和生态环境感知、目标遥测等能力。整个网络的基本布设原则设计如下:

      (1)多层面网状立体链接布设,根据声信号的传播能力和海洋时空基准网的等级要求,海洋PNT基准点平均布设间距为50~80 km。

      (2)在近海海域,海洋PNT基准网主要由浮标基准站和座底基准站组成,而在深远海则需增加潜标基准站。

      (3)海面浮标基准网利用北斗/GNSS和声学测距及通讯系统,为整个通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络提供统一的时空基准。

      (4)潜标基准网在近声源区布设于共轭深度附近的声会聚区,而在远离声源的水域则按照平均间距布设在声道。潜标基准网既是PNT基准网的重要组成部分,又是海洋通讯的中坚网,实现PNT导航定位服务和信息的远程传输。

      (5)海底基准网是整个水下PNT基准网的基本框架网,主要布设在大洋中脊、海沟、地震断裂带等海底,联合海面浮标基准网为整个海洋PNT基准网提供参考,具备板块监测和为水下潜器提供PNT服务的能力。

      (6)海缆网连接着主要位置的座底基准站,负责为这些基准站长期提供电源供给以及海洋PNT基准及服务网络信息到岸边监控中心的传输。

      2)通讯网设计

      海洋通讯网络由主干通信网络和海洋PNT基准站构成的分支通讯网络组成。整个网络的基本布设原则如下:

      (1)主干通讯网络位于深海声道内或共轭深度层附近的声会聚区,采用装配超低频声学换能器的潜标,平均布设间距为600~800 km,主要负责各类信息的加工、分析及远程传输。

      (2)分支通讯网络与海洋PNT基准网络于一体,主要负责将BDS/GNSS提供的时空基准信息从海面传递到水下,并实现空中(BD卫星或其他通讯卫星)-海面(浮标PNT基准站)和水下(潜标PNT基准站和座底PNT基准站)之间信息的互联互通和共享。

      以上仅为通导遥一体海洋PNT基准及服务网络的基本设计思想,严格的网络优化设计还应考虑服务对象及要求的导航、定位和授时精度,分等级设计和布设。

    • 通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络节点平均间隔为50~80 km,可以实现网络节点上实测的声速、真实距离与实测距离、温度和盐度等数据的互联互通和信息共享(见图 6)。基于这些实测数据,可以构建高精度、高分辨率的海洋声速场模型,更准确地反映覆盖水域的海洋声速的时空变化信息。

      图  6  海洋通导一体化PNT网点间相互测距及覆盖区位置修正信息服务

      Figure 6.  Mutual Ranging and Coverage Area Position Correction Service of Integrated PNT Network

      无论是海洋PNT基准网还是通讯网,每个节点上均配有压力传感器、CTD传感器,可以获得深度或深度差、温度、盐度和声速。根据分布在海面、水体和海底不同水深和不同水平位置的实测声速,可以研究获得声速沿垂直方向和水平方向的变化规律。以垂向分布的实测声速和声速沿垂向变化规律为约束,结合海域典型声速剖面结构,即温跃层的声速梯度和等温层的声速梯度,构建各节点所在位置的初始声速剖面;在此基础上,以各节点提供的深度或深度差为约束,反演节点位置的声速剖面;联合各节点声速剖面时序,基于声速空间变化的正交性,以实测声速给出的声速沿垂向和水平向变化规律为约束,基于EOF函数构建覆盖水域的声速空间场模型。

      海洋PNT基准网各节点间可以实现定期测距,获得节点间的实测距离。海洋PNT基准网各节点地心坐标已知,可获得节点间的真实距离。受海洋声速影响,实测距离与真实距离存在偏差,基于声线跟踪理论,以典型海区声速剖面为参考,据此可以反演节点之间的声速剖面。由于海洋PNT基准网为立体分布网络,且基准站具有较高的分布密度,因此可以获得相当数量、不同时段的、具有不同入射角和传播时间的距离偏差量,以此可以构建高精度、高分辨率的区域声速场模型。

      利用WOA、GDEM、WOCE等国际海洋环境场模型,借助声速经验模型,也可以计算得到海洋声速场模型。融合以上3个途径获得的模型,可进一步提高海洋声速场建模的精度和分辨率,将彻底解决当前声速剖面少、历史声速剖面空间分辨率低和时间跨度大、无法为高精度海洋PNT基准点定位和导航服务的问题。

    • 1)海底PNT基准网的组合测量及整体网平差

      海底PNT基准网采用组合方法来测量,采用整体网平差方法解算各海底PNT基准站的地心坐标。组合测量方法包括圆走航测量和海底基准站之间的相对测量。

      中国在南海建立的第一个由5个点组成的海底控制网主要采用圆走航测量方法,在3 000 m水深的海底,取得了0.25 m的定位精度,验证了该方法的正确性。因此,借助该方法,对部分海底PNT基准站开展测量,确定这些点的地心坐标。

      海底PNT基准站间高差较小,可以近似地认为局域海底PNT基准网(站)处于等温层,声速误差对测距的影响非常小,通过基准站间相对测量,可以获得高精度的站间空间距离。所有海底PNT基准站配备有应答器,其核心器件为压电陶瓷,具备声信号的收、发能力。将其中一个站点上的应答器作业模式切换为换能器作业模式,发射声信号,主动与其邻近的海底PNT基准站上的应答器实现应-答测距,获得该站点与其他邻近点站点间的空间距离;然后,将该PNT基准站的换能器作业模式再切换回应答模式;采用相同过程,对海底每个基准站依次切换作业模式,实现每个海底PNT基准站与其邻近站点相互测距。完成整个过程后,海底两两PNT基准站均实现了2次测距。由于每个海底PNT基准站上配备有压力传感器,因此可以获得所有站点间的高差,借助该高差可以将前面实测的站点间的空间距离转换为平面距离。

      获得了部分海底PNT基准站地心坐标和所有海底PNT基准站间的空间距离和高差后,构建所有基线的距离观测方程和高差观测方程,形成方程组;以圆走航测量获得的海底PNT基准站的地心坐标为起算,利用整体网平差方法,解算得到所有海底PNT基准站的地心坐标(见图 7)。

      图  7  海底PNT网的组合测量及整体网平差

      Figure 7.  Combined Survey and Integrated Adjustment of Seafloor Geodetic Network

      2)海面PNT基准站位置的实时确定

      海面PNT基准站的浮标中内置GNSS接收机,可以接收BDS/GNSS卫星信号,在近岸借助RTK(real time kinematic)或在远岸借助PPP(precise pointing positioning)实现PNT基准站的高精度定位。内置INS可以为水面浮标瞬时运动提供加速度、速度和方位等信息,联合BDS/GNSS观测信息,采用紧组合或松组合方式,利用Kalman滤波,实现二者信息的融合以及海面PNT基准站实时位置的精确确定。

      3)水体潜标PNT基准站位置的实时确定

      水体中的PNT基准站固定在潜标上,受海流作用发生瞬时运动,作为海洋PNT基准及服务网络的重要组成,需为其提供高精度的瞬时解。潜标PNT基准站的坐标可联合海底和海面PNT基准站测量来获得。

      潜标PNT基准站采用主动测量模式,同时向海面和海底PNT基准站定期发送声信号,采用应答测距和交会定位的方法来实现对潜标PNT基准站测量,获得彼此间的空间距离;利用各个基准站配备的压力传感器,可以获得站点间的深度差;以海面和海底PNT基准站的地心坐标为起算,采用附加深度约束的网平差方法,解算得到潜标基准站的地心坐标。

      考虑频繁的声学测距定位会严重耗损PNT基准站电能,声学定位可间歇性实施(10~30 min)。融合声学定位信息和潜标中INS提供的实时导航信息,可以实现潜标基准站的连续、高精度定位。

      不需要无间断地为海面和水体中的PNT基准站提供上述组合定位,只要在得到潜航器的询问信号后,开启上述组合定位模式,同步开展自身定位和PNT服务。

    • 海底PNT基准站的稳定性检测及维护可采用自校准、自维护的方法来实现。

      根据海底底质结构、海洋水文环境的变化特点等,对海底PNT基准网的稳定性进行定期检测;对于海底突发事件,则需要及时检测。海底PNT基准网稳定性检测采用前面提及的相对测量方法。

      利用海底PNT基准站间的相对观测数据(距离和高差),采用拟稳平差方法,获得控制网点间的坐标矢量;以前期观测得到的各基准站地心坐标为参考,分析站点间几何距离、方位和高差的变化。根据站点间的几何变化量,结合海底PNT基准网覆盖水域的底质特征、海洋水文特征等,可以研究确定海底PNT基准站的维护周期。同时,根据站点间的变化量,可以分析稳定的基准站和不稳定的基准站。

      以稳定的海底PNT基准站前期测量给出的地心坐标为起算,相对观测获得的海底PNT基准网点间的距离、高差为观测量,构建方程组,采用整体网平差方法,计算不稳定的海底PNT基准站的地心坐标,并对其历史坐标更新,实现海底PNT基准网的自校准和自维护。

    • 1)增强差分改正服务

      海洋PNT基准站均具有较高的测量精度,据此可以得到站点间真实的几何距离L0,若站点间实测距离为S,则二者的偏差ΔS为:

      ΔSi-j=Si-j-L0i-jL0i-j=(X0i-X0j)2+(Y0i-Y0j)2+(Z0i-Z0j)2 ((4))

      式中,(X0Y0Z0)为海洋PNT基准站地心坐标;上标ij为相邻PNT基准站编号。

      ΔS主要由于声速误差引起,可以认为是实际声程与站点间几何距离的偏差。声线跟踪理论已经证明,局域声速场稳定情况下,ΔS的变化主要与波束的入射角θ和传播时间t相关,据此可以构建如下改正模型:

      ΔS=F(θ,t) ((5))

      式中,F为构建的距离修正函数模型。

      利用所有海洋PNT基准站间的ΔS及对应的入射角和传播时间,形成方程组,可以解算式(5)模型参数,构建区域内不同声线(入射角θ和传播时间t)的实测距离S改正模型,获得精确的站点间几何距离L,进而实现高精度海洋PNT基准站定位及位置服务。

      2)目标探测、识别和跟踪

      通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络中的水下测距、通讯均借助声波传播来实现,由此在整个网络覆盖水域编织了一个立体的声线网。任何经过这个网络的目标均会引起声线传播的阻断并产生声回波,根据声信号的连续性、接收的声信号频谱和强度变化,联合各个基准站配置的磁力仪感知目标产生的局部磁异常变化,可以准确地感知、探测和识别海水中的目标。根据被阻断的声线方位、往返传播时间以及构建的声速场模型信息,可以实现对目标的连续跟踪定位。

      3)环境感知服务

      利用立体分布的PNT基准及服务网络各节点上获得温度、盐度、流速、浊度、电导率、悬浮物等信息,除用于构建海洋时空声速场外,还可以构建大区域海洋时空温度场和盐度场模型,为全球变暖、海洋水文环境变化等研究提供服务;可以构建海洋流场模型,为大洋环流、气候变化以及海洋灾害预警等提供服务;利用长期监测的浊度、电导率、悬浮物等海洋生态环境时序变化信息,可以为海洋生态环境的感知和监测、海洋环境治理和海洋生态保护等提供服务。

    • 本文提出的通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络,克服了现有海底控制网规模小、功能单一、精度和分辨率低等不足,具备了为全海域提供高精度时空基准参考、高精度高分辨率海洋声速场、空-天-海立体远程通讯、高精度无缝导航、水下目标的感知与识别和跟踪定位、海洋环境和海洋生态的遥测和立体感知等功能,是新一代高性能的海洋大地测量及PNT导航定位服务网络。

      本文尽管定义了网络的功能,给出了网络的分布设计、网络建设中的几个关键技术问题的实施方法和设想,但在网络的实际建设中,仍面临着声道内声波的发射模式、远程通讯方法、声道内的高精度测距方法、长距离布网的优化设计、增强位置服务、精确授时和同步及网络功能的拓展和应用等难题。随着这些技术难题的逐一突破,也必将引起海洋PNT建设的一次变革。

参考文献 (32)

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