淺析水下PNT體系及其關鍵技術

許江寧

(海軍工程大學導航工程系，武漢 430033)

淺析水下PNT體系及其關鍵技術

許江寧

(海軍工程大學導航工程系，武漢 430033)

針對水下用戶進行了梳理與分類,分析了水下用戶對于PNT服務的需求,以及當前水下PNT體系的能力水平距離滿足用戶長期需求存在的差距。闡述了當前國際上水下PNT體系的建設現狀,以及部分國家對于PNT體系建設的規劃。在此基礎上,分析了未來水下PNT體系的發展方向。最后,從水下PNT特殊性出發,總結歸納了包含慣性、重力/地磁匹配、水聲導航、水下PNT能力評估等技術內容的水下PNT關鍵技術。

水下;定位;導航;授時;PNT

0 引言

定位、導航與授時(Positioning Navigation and Timing, PNT)技術是交通、電信、電力以及基礎科研等領域必不可少的元素[1-3,5,6,13]。隨著衛星導航系統的建設和發展,國際上正逐步形成以衛星導航系統為核心的天基PNT系統,PNT服務也由此帶來了革命性的變化。但由于衛星導航系統固有的脆弱性制約了水下PNT的可用性和穩健性[1,3,4,14,15]。因此,必須構建具有特色的水下PNT體系,為水下運載體提供實用有效、安全可靠的PNT服務,進而滿足國家安全、經濟、科研和商業的需要[16-23], 形成符合國家信息化建設實際需求的水下PNT服務信息基礎設施。在遵循國家經濟和技術發展規律的基礎上,以滿足水下應用需求為目標,以漸進式的方式來構建一個完善的水下PNT體系,是世界各國,特別是經濟、科技強國近年來十分關注的問題。

本文將對水下PNT的用戶需求,以及當前PNT體系服務能力與需求的差距進行分析。系統闡述當前國際上在水下PNT技術探索方面所做的工作。在此基礎上,分析了水下PNT體系的未來發展方向。同時,對水下PNT的關鍵技術進行了闡述。

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的概念內涵作如下界定[5,6]:

P(定位技術):通過多種技術手段在水面、近水面或水下狀態獲得載體滿足安全航行的實時三維位置信息;

N(導航技術):通過多種技術手段在水面、近水面或水下狀態下獲取實時姿態、速度、加速度、角速度等載體運動信息,并獲取必須的海洋環境信息,完成載體滿足安全航行所需的航路規劃等任務;

T(授時技術):通過多種技術手段在水面、近水面或水下狀態接收準確的時間信息,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:海洋環境探測、海底地形測繪、海洋調查、深海資源開發、聲學信標以及各類綜合信標等。

以上三類用戶對水下PNT技術需求主要體現在以下三個層面:

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

2)保障水下作業平臺各類任務的實現,以及為水下載體特定任務的達成提供PNT信息保障。水下載體為完成特定任務,需要作為基準信息主要來源的水下載體慣性導航系統、組合導航系統必須能夠實時、高精度輸出水下載體運動狀態測量信息。

3)水下協同的PNT基礎信息支持。基于時空統一的水下PNT應向水下載體編隊聚焦,將海區內各載體平臺聯接為一個集成網絡,利用分布于海區內的各平臺傳感器形成精確、實時、統一的海區態勢圖,利用各平臺PNT基礎信息支持實現時空統一和信息實時融合。

2 水下PNT體系能力差距及發展方向

2.1 水下PNT體系能力差距

目前,國內外水下PNT體系的建設水平尚不能滿足水下用戶的需求,主要表現在:

1)水下定位手段有限。無線電類、光學類導航難以利用;北斗、GPS等衛星導航系統和導航雷達等無線電助航設備等導航設備水下無法使用。甚低頻無線電定位系統和長波水下定位系統精度有限。水聲類和重力、地磁等地球物理場類導航技術尚不成熟。只有美國等極少數國家能夠實現地球物理場匹配導航[24],而且匹配精度方面鮮有文獻報道。因此,從整體上看,聲學及物理場匹配導航的核心測量設備關鍵技術還有待突破,商用系統應用尚未普及。基礎海洋物理場信息建設滯后等使上述技術離實際應用尚有較大距離。慣性導航仍是目前水下導航定位的主要手段。盡管近年來,慣性導航得到長足發展,但尚不能完全滿足長航時全海域高精度自主定位的要求[7]。

2)水下導航能力有限。導航助航設備的研究和應用不足;圖像聲納、水文測量設備等助航設備尚無法滿足水下導航需求;海洋地球物理場測量與數據庫建設有待加強,水下三維電子海圖的構建滯后;主要海域、極區等全球復雜海域的水下導航技術研究滯后,單純依靠水下導航定位技術實現全球到達的能力不足。

3)當 PNT 性能下降或提供錯誤引導信息時,不能以要求的時效性通知用戶。

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

5)水下PNT頂層規劃和評估能力不足。水下PNT建設是綜合性極強的重大工程建設,具有跨專業交叉、跨領域交叉的鮮明特點。與測繪、通信、探測、海洋工程等多個專業領域深度關聯,涉及多種應用。目前,國內外對水下PNT精度的評估能力尚有待加強,還需要建立規范的評估方法,并構建嚴謹的評估體系。

2.2 水下PNT技術研究現狀及發展方向

針對目前水下PNT服務能力相對于需求的差距,世界各國都在進行相關研究工作,以美國為代表的部分經濟、科技強國也對未來PNT體系的建設方案作出了計劃。其中,完善水下等GPS拒止環境下的PNT服務能力建設是重點關注的內容之一。

2008年,美國國家安全航天辦公室制定發布了《國家定位導航授時(PNT)體系結構研究最終報告》[20],報告分析了PNT服務的長期用戶需求與當前PNT體系之間的矛盾,闡述了2025年前美國PNT體系建設及轉型的方案。報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、自主性強的技術途徑,使得PNT系統具備抵抗物理干擾和電磁干擾的能力。

圖1 水下定位導航授時技術體系構想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劃局(DARPA)為代表的多家機構開展了研究工作[21-22]。從2010年起,DARPA啟動了多項GPS拒止環境下的高精度PNT技術研究項目。2014 年7 月,DARPA發布了其正在發展的5 項不依賴 GPS 的高精度PNT技術研究項目,主要包括:定位、導航與授時微技術(Micro-PNT);自適應導航系統(ANS);量子輔助傳感與讀出(QuASAR);超速激光科學與工程(PULSE);對抗環境下的空間、時間和方位信息(STOIC) 項目。

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

法國在水下定位導航技術領域也有深厚的積累,以IXSEA公司為代表的多家機構對慣性技術、聲學定位等水下PNT體系中的關鍵技術開展了長期研究。2009年,IXSEA公司就結合慣性導航系統PHINS和聲學導航系統RAMSES開展了水下組合定位的實驗[23],在130km的航線上,得到了最大定位誤差不超過14m的實驗結果。

在PNT體系建設方面,俄羅斯、中國、日本、印度以及歐盟等正逐步完善自身的衛星導航系統,世界各國也在結合自身實際,發展衛星導航的增強系統。例如,美國的WAAS、LAAS和MDGPS,歐洲的EGNOS,印度的GAGAN,日本的MTSAT。同時,各國也通過發展慣性導航、聲學導航等技術,逐步完善自身的水下PNT體系。

通過對當前水下PNT技術的發展水平的分析,結合各國對于自身PNT體系建設,特別是水下PNT體系建設的規劃,在對水下PNT體系的需求、用戶的種類等問題進行思考的基礎上,可以對未來水下PNT體系的發展方向進行分析。為了滿足未來水下PNT用戶的長期需求,我們可以將水下PNT體系按照應用層分為四類,如圖1所示:1)水下PNT基本架構,包括水下通過自主型、傳感器輔助型、數據融合型等方式可提供水下PNT服務的技術;2)水面/近水面航行水下PNT架構,包括水下載體作業或執行任務時允許航行在水面、近水面等航行狀態時,可提供水下PNT服務的技術;3)水下應急PNT架構,當水下潛器受環境制約無法上浮,為了保證航行安全或執行任務時,可提供水下PNT服務的技術;4)水下PNT評估架構,可對水下PNT建設的能力和效能進行評估和分析。

3 水下PNT關鍵技術

水下PNT的主要特點是工作環境為水下,主要問題在于不能直接利用衛星信號進行定位、導航與授時。因此，水下PNT的關鍵技術有別于一般PNT體系的特點。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、水聲導航、水下PNT能力評估等技術內容[7-12],現擇其要者簡要闡述技術內容及需要探索研究的內容。

圖2 水下PNT若干關鍵技術Fig.2 Key technologies of underwater PNT system

1)慣性技術

需針對激光陀螺技術、光子晶體光纖陀螺技術、諧振式光纖陀螺技術等新型光學陀螺進行研究,在此基礎上開展新型光學陀螺慣性導航系統技術研究;新型自補償慣性系統技術研究;面向超高精度長航時慣性導航的需要,研究新概念的原子陀螺儀及其系統技術,明確原子自旋陀螺儀和原子干涉陀螺儀的技術方案及其技術難點,探索原子陀螺儀慣性導航系統中總體方案及其難點;采用慣性導航系統/天文多傳感器信息進行智能融合,在一定最優估計準則下,進行最優估計,考慮通過引入系統重構和自適應信息分配策略提高系統的慣性系統的精度和可靠性。

2)慣性/重力/計程儀融合的組合導航定位技術

在對導航數據庫的建立、匹配準則、匹配方法的研究基礎上,基于組合導航數據融合技術,將重力匹配定位提供的匹配位置、計程儀測量的載體速度作為外部更新信息,通過建立組合導航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系統的誤差進行估計,在INS/重力/計程儀組合定位導航系統中得到穩定的導航解。

3)絕對/相對重力儀、重力梯度儀及動態測量技術

動態重力場測量技術和儀器是建立導航背景場數據庫、實測測量重力場、重力匹配定位的必備基礎技術之一。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,傳統的相對重力測量用碼頭附近的絕對重力標準點來約束和改正重力儀零漂,無法滿足水下實時測量等特定環境下的測量要求,因此應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果,信息的豐富和冗余也更適合于匹配定位,因此應該開展對重力梯度測量技術的研究。

4)新型磁強計及其匹配導航技術

需針對高精度、高分辨地磁匹配導航,研究原子磁強計、原子磁力梯度儀等新技術及其發展潛力,并進一步研究地磁場小尺度高精度時空分布以及載體磁場環境綜合補償技術;針對目標區域地磁圖難以實地測量、大范圍地磁基準圖難以獲取條件下,研究未知環境中慣性/地磁匹配組合導航方法。

5)基于干涉合成孔徑聲納的水下聲學定位導航技術

需研究實用性地形匹配導航處理技術,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字海底地形數據庫的快速精確匹配處理算法,實現水下航行體的快速定位導航。該研究是水下地形匹配定位導航技術的另一核心技術,是完成從高分辨二維和三維聲圖向水下航行體定位導航信息快速轉化的重要途徑。另外，研究地形跟蹤與障礙物避碰技術是避免水下航行體因水下地形急劇變化或存在懸浮物、障礙物而導致的定位導航失效問題,及時發現、及時處理,保證復雜地形下的定位導航能力。

6)水下長波信號接收技術

由于長波信號具有一定的入水深度,因此,可以使水下授時用戶,在不浮出水面的情況下,進行授時信號接收,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進行研究,主要包括長波磁天線技術、色散效應補償技術、低信噪比條件下信號捕獲和跟蹤與授時信號提取技術等。

7)水下定位導航授時能力評估技術

水下定位導航授時能力評估技術是一種綜合性技術,主要包括水上通信鏈路構建技術、水下通信鏈路構建技術、水下定位技術等基礎性技術研究,并開展系統仿真驗證技術和原理驗證系統研究等；開展水下衛星定位導航授時技術仿真驗證系統的研究,研究可擴展、可調整的水上通信鏈路、海洋環境、水下通信鏈路的綜合仿真技術,驗證水下衛星定位導航授時技術路線的可行性與技術效能；開展海上區域范圍原理驗證系統研究,選擇海上試驗地點,確定定位長基線網布放形式,研究定位基元的硬件集成方案、差分基準站與地面監控中心的實現方案,研究分析海上試驗結果與仿真結果的誤差及所提技術指標的準確性。

4 結束語

水下PNT技術是認識海洋、經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、礦產勘探、資源開發及水下航行器運行等活動日益頻繁。我國正在由平臺建設向體系建設轉型,護航、撤僑、搜救、聯演、出訪等使命任務不斷拓展。軍民應用領域均對水下PNT技術提出了更高的要求。開展水下PNT技術研究是我們當前和今后相當長一段時間內的重要任務。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體系的建設現狀,以及未來發展方向。可供參考。

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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。

國家重點研發計劃(2016YFB0501700，2016YFB0501701)；國家第二代衛星導航系統重大專項(GFZX0301040303)

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

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.001

U666.12

A

2095-8110(2017)01-0001-06