海洋通導一體化系統的發展與趨勢

陳冠旭, 劉經南, 劉焱雄, 劉楊, 李夢昊

(1.自然資源部第一海洋研究所 海洋測繪研究中心, 山東 青島 266061; 2.自然資源部 海洋測繪重點實驗室, 山東 青島 266061; 3.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心, 湖北 武漢 430079)

通信和導航原本是一體的,用于通信的信號通常亦可用于導航[1-4]。由于不同的功能側重,2種技術呈現出分離發展的特征。隨著智能時代的到來,以萬物互聯為特征的泛在網正在快速發展[5-6]。為達到泛在網的智能管理和協同控制的目標,需利用導航系統將精準時空信息賦給通信系統,也需利用通信系統來增強導航系統的服務能力,進而需要通導一體化的系統。

海洋占地球表面積的71%,平均深度達3 700 m,它不僅對全球環境和氣候變化有著巨大的影響,而且它的內部還貯藏著豐厚的油氣、礦產、生物以及基因等自然資源,使得理解并開發海洋成為人類文明發展的關鍵[7-8]。因此,在智能時代,需要將通導一體的泛在網覆蓋到海洋內部,進而把整個立體海洋納入人類的認知和控制范圍。

北斗/GNSS(global navigation satellite system)作為唯一的全球性、高精度、高穩定度的時空基準,目前正通過增加低軌通信衛星、融合5 G技術等方式升級為通導一體化的“新型基礎設施”[9]。北斗/GNSS和常用的無線通信系統的信號載體均為電磁波,但電磁波在水體中衰減嚴重,故以北斗/GNSS為核心的全球性通導體系將無法直接用于海洋內部[10]。海洋常用的信號載體中,聲波在水體中的衰減最小、傳播距離最遠,所以水下通信和導航系統以聲學技術為主、并輔以其他手段進行建設[11]。

目前,水下的通信和導航系統基于不同的功能需求,發展了不同的信號體制和硬件設備,這種分離發展的模式有助于技術的快速進步,但它卻不利于海洋泛在網絡的建立以及其與全球性通導體系的對接。因此,亟需加快發展水下通導一體化技術,融合構建海洋通導系統,充分發揮通信和導航的能力,提升設備和能源的利用率。針對上述目標,本文分別對水下通信、水下導航及水下通導一體化等3項技術的發展進行梳理,并對海洋通導一體化系統的發展趨勢進行分析。

1 水下通信技術

聲波、甚低頻/超低頻電磁波和藍綠激光等常被當作水下無線通信的信號載體,它們對應的通信技術各具特點[12-13]。聲波在海水中可長距離傳播,其傳播過程主要受擴散損失和吸收損失的影響。擴散損失是聲波波陣面擴散導致的能量損失,與傳播距離的平方成正比;吸收損失則與聲波頻率的平方正相關,頻率越高則損失越大。俄羅斯和美國的試驗表明:低頻率的聲波(一般小于100 Hz)在海水中最遠可以傳播數千公里[14-15]。相對于聲波,甚低頻/超低頻電磁波和藍綠激光在海水的傳播衰減嚴重。目前,甚低頻/超低頻電磁波在海水中的傳播距離最遠僅約100 m[16-17],藍綠激光實現了約300 m的縱向海水穿透[18-19]。因此,水下電磁波通信和水下光學通信只適合短距離數據傳輸;聲學通信可在水下進行遠程數據傳輸,是目前水下遠程無線通信的主要方式。由它們組成的水下無線通信網絡見圖1。

圖1 水下無線通信網絡概念圖[7]Fig.1 Concept graph of underwater wireless communication network[7]

1.1 水下聲學通信

1945年,美國海軍實驗室研發出基于聲波的水下電話,用于潛艇間的通信,標志著水聲通信系統的誕生[20]。該系統采用單邊帶調制技術,工作頻率為8.33 kHz,作用距離可達幾千米[21]。由于聲波在海水中的傳播損失,水聲通信的工作頻率受到限制,可用帶寬較窄。對于傳播距離越遠的聲波,其可用帶寬就越窄。若需傳輸100～1 000 m,相應聲波的帶寬約20～50 kHz;若需傳輸1～10 km,相應聲波的帶寬小于10 kHz;若需傳輸80 km,相應聲波的帶寬僅為500 Hz[22]。因此,水聲通信的數據傳輸速率很慢。

早期的水聲通信主要采用模擬調制技術。1950年代末,基于該技術研制的工作頻率為20 kHz的水聲通信系統,實現了海面平臺與水下設備之間的通信[23]。然而,模擬調制技術的信號容易受水聲信道影響而發生畸變,導致信息丟失或失真。1970年代,水聲通信開始使用數字調制技術[24],主要為采用能量檢測模式(非相干)的頻率偏移調制,提高了數據傳輸的可靠性,并在時域和頻域上對信號畸變進行了補償。然而,非相干通信系統頻帶利用效率低,通常不超過0.5 (bit/s)/Hz。基于有限的水聲信道帶寬,非相干聲學通信系統的數據傳輸速率僅為數百比特每秒,不適合圖像傳輸等高傳輸速率的應用[25]。

1980年代,水聲通信開始使用基于相位檢測模式(相干)的相位偏移調制,其中差分相位偏移調制的應用最為廣泛,使帶寬利用率提高了一個數量級,數據傳輸率、抗頻漂能力及抗多徑效應能力都有了很大提升。1990年代,水聲通信采用正交相位偏移調制技術實現了傳輸速度為l kbit/s的通信服務。而后,其他單載波相干通信技術又相續問世(如正交幅度調制),進一步提高了水聲信道頻譜利用率,傳輸速率也提高至5 kbit/s左右[25]。然而,單載波相干通信技術在淺海水平信道中受碼間干擾影響嚴重。

近年來,陸基通信技術在水聲通信中的成功實現或使用,使得水聲信道傳輸速率和性能又有了明顯的提高[26-27]。正交頻分復用技術(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)是應用最為廣泛的多載波調制技術,它將一個高速的數據流分解為若干低速的子數據流,然后再調制相應的子載波,構成并行信號進行傳輸,克服了單載波通信中單次干擾可中斷整個傳輸鏈路的問題,并能夠使用簡單的頻域均衡消除水聲信道的碼間干擾,極大地提高了水聲通信的傳輸能力和抗干擾能力[25]。由于水聲信道的復雜性,OFDM在水下通信中的應用仍面臨時間同步等技術難題。此外,碼分多址擴譜技術可為水下多用戶間的通信提供技術支撐[28]。水下多輸入多輸出技術(multiple-input multiple-output,MIMO)[29]在有限的頻譜資源條件下,可有效提高頻譜利用率,為通信系統提供空間復用增益和空間分集增益,以提高信號的穩定性和信噪比。

2005年,美國麻省理工學院的Milica Stojanovic利用零填充正交頻分復用技術在淺海區域進行了水聲通信試驗,結果表明:在2.5 km的距離內,通信速率能夠達到30 kbit/s[30]。目前,美國密歇根大學、斯坦福大學等大學的研究人員已在實驗室環境下證明了利用協同降噪技術可使水聲通信速率達到約100 kbit/s。美國康涅狄格大學周勝利等和密西根理工大學王昭輝[31]系統地研究了OFDM,并研制了相應的商業水聲通信機。廈門大學研制了水下語音通信系統和圖像傳輸系統,淺海試驗表明:該語音傳輸系統的作用距離可達10 km;對于水下圖像傳輸系統,當水平距離820 m時,通信速率為1.5 kbit/s[32]。2002年,我國在“十五”計劃期間提出了采用相干通信技術進行圖像高速傳輸和采用非相干通信技術進行傳感器數據中速傳輸的中程高速數字化水聲通信的技術方案,實現8～10 km距離內最高10 kbit/s的速率傳輸數據、語音和圖像,目前正將作用距離延拓至12 km[27]。

總體來看,水聲通信雖是目前進行水下遠程信息傳輸的主要方式,但水聲信道作為自然界中最復雜的無線信道之一,為水聲通信帶來很多挑戰,主要包括:1)水聲通信的頻率低、工作帶寬有限、數據傳輸率較低、傳播時延大;2)聲波的傳播速度由海水介質的特性(壓力、溫度、鹽度)所決定,而海水介質的分布既在空間上不均勻、又具有時變特征,進而導致聲線彎曲,也使得水聲通信的傳輸不穩定且存在起伏效應;3)受海洋噪聲(洋流、潮汐、波浪、湍流、內波)、聲波界面反射和隨機散射的影響,水聲通信的誤碼率高、多路徑效應強等。

目前,水聲通信研究主要集中在美、英、日、法、德等國家的大學和科研機構[33],一些國外公司(如:美國Teledyne Marine、美國LinkQuest、英國Tritech、澳大利亞DSPComm、德國Evologics和挪威Kongsberg等)研發了許多商用的水下通信產品(水下聲學調制解調器)[34]。我國科研單位于1990年代才開始對水聲通信技術展開深入地研究,起步相對較晚。目前,中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學、杭州應用聲學研究所、廈門大學、浙江大學、西北工業大學、武漢大學、東南大學等單位已在水聲通信領域取得一定的科研成果[21],主要包括:水下語音通信、水下圖像傳輸、擴頻通信、遠程遙控、通信網絡、非相干通信、單載波相干通信、多載波相干通信、時反技術、MIMO技術、糾錯編碼技術、水聲通信網絡協議等方面,但成果多為科研樣機及湖試,與國際先進水平還存在較大差距。

1.2 水下電磁波通信

海水由于包含大量離子狀態的元素而成為電的良性導體,因此電磁波在海水中衰減很快。與聲學信號相似,電磁波頻率越高,衰減愈嚴重,傳播距離越短。甚低頻電磁波(3～30 kHz)在海水中的傳播距離最多僅約20 m;超低頻電磁波(30～300 Hz)在海水中的傳播距離最遠也僅約100 m。基于甚低頻/超低頻電磁波,美國和俄羅斯均分別建立了岸基大規模(占地面積為平方千米級)、高功率(兆瓦級)的信號發射裝置,可對數千公里外、水下幾米到幾十米的潛艇進行單行通信[35]。雖然電磁波在海水中傳播距離較短,但它基本不受水文條件的影響、具有相當穩定的通信能力。因此也有基于高頻電磁波(300 MHz～300 GHz,微波)的通信系統進行海面的中繼通信,該系統在水下傳輸距離約為10 m,數據傳輸速率可達Mbit/s量級[36]。

2012年,Domigo[37]推導了水下磁感應通信的信道模型,標志著水下磁感應通信研究的開始。它以磁場為載體,通過改變磁場強度進行信息傳輸,在水體中的傳輸距離可達100 m,速率可達每秒兆比特量級,且隱蔽性極強。2015年,美國喬治亞理工大學的Akyildiz等、威奇托州立大學的Pu Wang以及紐約州立大學的Zhi Sun在實驗室實現了水下磁感應通信,并對其性能和應用前景進行了評估[38]。上述水下電磁波通信成果或處于實驗室研究階段或直接服務于軍方單位,尚無公開的商業產品。

1.3 水下光學通信

1963年,美國Sullivan等[39]發現海水在藍綠光波段(波長為450～570 nm)存在低損耗窗口(比相鄰頻段低3～4個數量級)。而后基于此原理發展出了水下光學通信技術,并分為水下 LED 通信和水下激光通信:前者為非相干光,帶寬范圍窄,傳輸距離較近;后者為相干光,帶寬可達兆赫茲量級,傳輸距離較遠。藍綠光作為一種電磁波,它在海水中的衰減依舊嚴重,目前的激光技術已實現縱向穿透約300 m海水的通信。

2008年,美國Hanson等[40]在實驗室的研究表明:2 m的距離內,水下光學通信的傳輸速率可達到1 Gbit/s,有著巨大的應用潛力。2010年,美國伍茲霍爾海洋研究所的Farr等[39]在100 m的距離內實現傳輸速率達10～20 Mbit/s的水下光學通信。2016年,美國克萊姆森大學的Baghdady等[41]在模擬的海洋環境中實現相距2.96 m的傳輸速率達3 Gbit/s的水下光學通信;同年,阿卜杜拉國王科技大學Chao Shen等[42]利用緊湊、低功耗的水下光學通信系統實現了相距12 m的2 Gbit/s傳輸速率和相距20 m的1.5 Gbit/s傳輸速率。此外,英國Sonardyne公司研發的BLUECOMM系列水下光學通信產品可在海水中150 m的范圍內進行傳輸速率高達10 Mbit/s的通信[43],見圖2。

圖2 BLUECOMM水下光學通信產品[43]Fig.2 BLUECOMM underwater optical communication product[43]

水下光學通信通常采用開關鍵控調制和脈沖位置調制,對光源功率和靈敏度以及接收器的靈敏度均有較高要求[44]。相較水下電磁波通信,水下光學通信受環境的影響較大(包括:光散射和背景光污染),且需要激光直線對準才能進行信息的傳輸,這就對目標間的相對位置關系提出了高精度的要求。

現階段,美國已完成藍綠激光水下通信技術在各種海洋條件和幾乎全天候氣象條件下的高速通信測試;俄羅斯、歐洲和日本也先后獨立或同美國聯合研制了機載以及星載激光通信系統;我國只是完成了150 m深的水下通信的可行性研究[45]。中國海洋大學搭建的水下光學通信系統在60 m距離內實現了視頻的傳輸[46];2019年,中科院無線光電通信重點實驗室徐正元團隊[47]在60 m的距離內實現速率達2.5 Gbit/s的水下光學數據傳輸;清華大學、華中科技大學、上海光學精密機械研究所、浙江大學、桂林電子科技大學等其他科研單位也開展了水下光通信研究[39],但大多還處于仿真模擬和水槽實驗驗證階段。

1.4 其他水下通信方法

除聲波、甚低頻/超低頻電磁波和藍綠激光等3種走向應用的通信手段外,近年來以中微子和引力波作為信號載體的通信思路也獲得了高度的關注。

中微子是原子核內質子或中子發生衰變時產生的中性基本粒子,它的質量比電子的質量小近10個數量級。中微子不參與重力、電磁力以及質子和中子結合的強相互作用力,能沿直線以近光速度傳播,具有極強穿透力。據學者估算:高能中微子束即使穿過整個地球,其能量衰減也不超過0.1%[12]。

引力波是物質震動所產生的引力場波動,它以光速進行傳播。據學者預測,可被探測的引力波的頻率大約位于7～10 Hz和10～11 Hz。雖然引力波較微弱,但任何物質都不能阻擋引力波的傳播。試驗表明:引力波在水體中穿過1 029 km時,其能量只衰減一半[12]。

未來,中微子探測器及振蕩器研制成熟、引力波調制解調器研發出來后,將極大地降低海水環境的影響、豐富水下通信的方式,使水下任意位置、任意時間的通信成為可能。此外,蓬勃發展的量子通信技術也正在走入海洋,為未來實現水下通信的高保密性和高抗干擾性提供了可能。

2 水下導航技術

目前主要的水下導航技術有5種:自感應傳感器導航、地圖匹配導航、同步定位與地圖創建(simultaneous localization and mapping,SLAM)導航、水聲定位導航以及多航行器協作導航[48]。

自感應傳感器導航主要指慣性導航,其原理是航跡推算,但它不僅需要絕對初始位置,且誤差累計還會隨時間迅速增大。地圖匹配導航基于高精度地形、磁力圖或重力圖進行位置服務,為了使結果融入統一的時空框架,也需事先為用于匹配的地圖賦予絕對的時空信息。SLAM技術利用傳感器觀測值構建環境信息地圖,同時完成自身定位,但其結果也為相對位置。以上3種導航手段的作用范圍均比較有限,且無法直接獲得水下目標在全球統一時空框架內的位置信息。

由于聲波信號能在海水中長距離傳播[49],將其與北斗/GNSS聯合建立局部的海洋大地基準,可為海洋設備提供絕對位置信息[50-51]。目前,水聲定位導航已成為應用最為廣泛的水下導航技術[52]。多航行器協作導航則是近年來發展的、綜合了上述4種水下導航方法的技術[48,53-54],為水下航行器群落的協同作業服務,但它需要輔以聲學導航提供的時空基準才能獲得航行器的絕對位置,否則也只能提供航行器間的相對位置。

2.1 水下聲學導航的分類

聲波信號的波形帶寬越寬,相同聲源的譜級就越低,使得相同聲源級條件下寬帶信號的譜級低于單頻信號、且更不易被監測[55]。因此,為保證聲學測量的穩定性以及精度,水聲導航技術的發展歷程中通常沒有考慮通信功能,而是直接利用聲脈沖對水面以及水體中的設備進行定位。其基本原理是測量不同路徑傳播的聲脈沖的時間或時間差,進而反演目標位置。根據基線的長短及工作模式的差別,一般可將水聲定位技術分為長基線(long baseline,LBL)、短基線(short baseline,SBL)、超短基線(ultra short baseline,USBL)以及綜合基線定位技術,對應的定位系統分別稱為長基線定位系統、短基線定位系統、超短基線定位系統以及綜合基線定位系統[56-60],見圖3。

圖3 水聲定位系統[7]Fig.3 Acoustic positioning system[7]

長基線水聲定位系統[61]將時空基準布設在海底,基準間距為幾百米到幾千米,甚至到幾十千米的量級,測量目標聲源到各基準的距離,交會確定目標的位置。長基線定位系統作業成本高,主要應用于局部區域的高精度定位工作。

短基線水聲定位系統[62]將時空基準布設于海面平臺的底部,基準間距一般為幾米到幾十米,利用目標的聲信號到達海面平臺各基準的時間差,解算目標的方位和距離。短基線定位系統只需在海面平臺服役前進行設備安裝即可,作業簡易,但其精度受載體形變等因素的影響。

超短基線定位系統[60]將一個聲學換能器和數個水聽器集成為船載的聲學基陣,以基陣的中心為參考點,形成一個時空基準,水聽器間距一般為幾個厘米到幾十厘米,利用聲信號到達各水聽器的相位差確定目標方位與距離。超短基線定位系統尺寸小、使用方便,但其定位誤差與距離相關,僅適用于局部作業區域的跟蹤工作。

為充分發揮LBL、SBL和USBL定位系統的優勢,達到取長補短的效果,組合式水聲定位系統[63]應運而生,既包含海底基準,也包含船載基準,可提高定位精度、拓展應用范圍。

上述水聲定位系統既可采用同步信標工作方式,也可選用應答器工作方式[7]。同步信標工作方式要求在基準站和待測目標上均安裝高精度的時鐘同步系統,信標定時發射信號,獲取信號單程傳播時間,確定目標位置。對于應答器工作方式,長基線定位系統要求在待測目標上安裝詢問收發機,基準站上安裝應答收發機,而短基線和超短基線定位系統的要求正好相反。在應答工作時,測量詢問信號與應答信號的總傳播時間,反演空間距離,確定目標位置。

2.2 水下聲學導航的國外發展現狀

自1950年代末起,經過60多年的發展,國外的水聲定位技術已比較成熟,實現了水聲定位系統的產品化、產業化和系列化[64-66]。國際上主要的水聲定位系統的生產廠商有:法國iXblue、挪威Kongsberg、英國Sonardyne、德國Evologics、美國LinkQuest、挪威Imenco等[67]。

法國的iXblue公司研發了包括長基線和超短基線系統的多種產品。其中,超短基線產品主要為Gaps系列和Posidonia[68]。Gaps系列的工作頻段20～30 kHz,最大作用距離可達4 km,絕對精度最高可達斜距的0.06%。Posidonia是長程超短基線系統,工作頻段8～18 kHz,最大作用距離可達10 km,精度最高可達斜距的0.1%。該公司還推出了組建長基線系統的Ramses產品(聲學收發器)和Canopus產品(聲學應答器)[69],測距精度均優于0.01 m,最大工作深度可達6 km。其中,Ramses產品還能聯合慣導系統進行緊組合導航,以提高特殊聲學環境中的定位精度和魯棒性。

挪威Kongsberg公司研發了便攜式超短基線定位系統MICROPAP系列產品[70]以及長程超短基線定位系統HiPAP系列產品[71]。其中,HiPAP系列產品距離探測精度可達0.02 m,包括頻帶分為21～31 kHz和10～15 kHz的2類產品,它們的最遠作用距離分別為5 km和10 km。目前,HiPAP系列產品已經由單純的超短基線定位系統升級為綜合定位系統,能夠同時以長基線與超短基線2種模式工作。

英國Sonardyne公司針對水下聲學定位研發了包括了長基線、超短基線以及組合定位系統[72-73]。Fusion LBL系列產品是該公司研發的長基線定位系統,測距精度優于0.015 m,可不受水深限制地提供目標厘米級精度的相對位置。Ranger2 USBL系列產品為該公司研發的超短基線系統,可根據工作頻段分為19～34 kHz和14～19.5 kHz 2類,作用距離最大可達11 km,精度最高可達斜距的0.04%。同時,該公司還研發了綜合長基線和超短基線的定位系統Marksman LUSBL,為深海鉆探等活動提供高可靠性和魯棒性的位置信息。該套系統在水深3 000 m處的陣列半徑為525 m,目標跟蹤的可重復性為0.39 m。

德國Evologics公司分別研發了超短基線定位系統和長基線定位系統的S2C R系列產品[74-75],最遠作用距離均可達10 km。其中,超短基線定位系列產品的工作頻率覆蓋了7～78 kHz的多個頻段,工作水深為200 m至10 km不等,標稱斜距測量精度為0.01 m;長基線定位系列產品的工作頻率覆蓋了7～180 kHz的多個頻段,工作水深為200 m～10 km不等,標稱定位精度為0.015 m。Evologics公司產品的特色是將定位功能和通信功能進行了融合,無需進行定位模式和通信模式的切換。

美國LinkQuest公司研發了多款超短基線和長基線定位系統[76],但該公司主要為客戶提供定制的產品,沒有公開最新產品的詳細信息。挪威Imenco公司研發的NASNet系統[77]是被動定位的長基線定位系統,定位目標不受數量限制。NASDriII USBL[78]則是該公司研發的超短基線定位系統,在3 500 m的工作范圍內提供精度優于2.5 m的定位服務。該公司也研發了綜合長基線與短基線的水下定位系統NASDrill RS925[79],以滿足深水鉆井船在水平方向700 m范圍內動力定位的應用需求,其中短基線系統測距結果的重復測量標準差為斜距的0.15%,長基線系統在水深4 000 m條件下的定位標準差約為1 m。

2.3 水下聲學導航的國內發展現狀

我國由于人力、資金及市場需求的限制,進行水聲定位技術研究的起步較晚,與國際頂級水平還有差距,工程項目中采用的相關產品大部分仍為國外引進。隨著國家對該領域重視度的提升以及相關戰略的實施,我國水聲定位技術的研究單位不斷增多,相應的技術進步十分迅速。1970年代,哈爾濱工程大學的楊士莪團隊[80]研發了我國首套水聲定位系統(長基線水聲定位系統),為我國第一顆洲際導彈試驗的準確落點提供了科學依據。伴隨我國“十五”計劃(2000～2005年)的實施,海洋資源的保護和開發得到了重視,水下聲學定位技術亦得到了有力的促進和發展。期間,哈爾濱工程大學與自然資源部第一海洋研究所[81]聯合研制了“長程超短基線定位系統”,2006年5月于中國南海的試驗顯示該系統的作用距離可達8 600 m,工作水深超過3 700 m,定位精度可達到斜距的0.2%～0.3%;杭州應用聲學研究所與中國測繪科學研究院聯合研制了“水下DGPS高精度定位系統”[82],2004年1月于浙江千島湖的試驗顯示該系統在深約45 m的水域定位精度為5 cm,測深精度為30 cm,授時精度為0.2 ms。

目前,我國的水下定位技術取得了眾多的成果,其中最具代表性的是哈爾濱工程大學孫大軍團隊等研制的多型超短基線和長基線定位系統,其研究的超短基線定位系統已在多條科考船上安裝,研制的長基線定位系統也為各類潛器提供了水下高精度定位服務[55,83]。我國自主研發的水下綜合定位系統(組合長基線和超短基線定位系統)也于2015年開始在“科學”號科考船上服役,試驗表明該系統的定位精度優于0.5 m。此外,西北工業大學、國防科技大學、中國海洋大學、武漢大學、中國石油大學(華東)及山東大學等科研單位,中國石油東方地球物理勘探公司、中海油物探公司及中石化勝利油田地球物理勘探開發公司等生產單位,江蘇中海達海洋信息技術有限公司、嘉興聲電子科技有限公司、青島明深信息技術有限責任公司及中科院聲學研究所嘉興工程中心等商業公司目前均針對水下聲學定位技術進行了深入研究。我國在水聲定位領域起步較晚,但經過多年積累,已取得較大進展,總的發展歷程如圖4所示,聲學定位系統的作用距離從8 000 m向12 000 m邁進,定位精度也從幾十米量級向0.5 m提升,我國已從“跟跑”階段逐漸進入“并跑”階段[80]。

圖4 水聲定位系統發展歷程[80]Fig.4 Development history of underwater acoustic positioning system[80]

3 水下通導一體化技術

3.1 水下通導一體化的內涵

近年來,隨著智能時代的到來以及世界各國海洋戰略的推進,海洋時空基準網、海洋環境監測網、海洋互聯網、水下傳感器網、水下機器人編隊組網等各類水下網絡的建設及其相關的技術得到了越來越多的關注和研究,期望在海洋內部建立無時不有、無處不在、無所不包、無所不能的泛在網絡,全面實現對海洋的感知、建模、預測和控制[5-6,9]。然而,沒有水下導航系統的支撐,就無法精確感知自身狀態、海洋環境及兩者間的關系;沒有水下通信系統的支撐,就無法獲取各類海洋設備產生的數據并對其進行遠程控制。目前,針對特定任務(如:油氣勘探、地震海嘯預警、大洋鉆探、區域環境監測等)分別發展起來的水下通信系統和水下導航系統均只能用于局部海域,無法滿足海洋泛在網的建設需求。正在建設的海洋時空基準網是北斗/GNSS維持的全球性時空參考框架向海洋內部的延伸,將為水下的通信設備提供北斗/GNSS精準坐標位置和以北斗/GNSS時為準的精確時間同步,進而給水下通信系統賦予很強的時空位置服務功能。各個水下通信節點亦可反過來成為海洋時空基準網的靜態或動態增強基站,構成水下時空參考框架相同精度級別的補充。未來利用海底固定和水體中移動的時空基準站與通信節點,可方便地進行海洋環境的層析,構建聲速場等環境參數的精準模型,提供更為精準的通信和導航服務[84-85]。

水下通導一體化是實現水下通信系統與水下導航系統相互賦能的最優模式。目前,海洋環境中主要的通信和導航技術都是基于聲波信號實現的,但兩者卻處于分離發展的狀態。基于通信功能對通信速率的要求,聲信號帶寬越寬越好,即工作頻率越高越好。故而,水下通信作業時,根據所需的傳輸距離選擇合適的工作頻段。然而,聲波信號波形帶寬越寬,相同聲源的譜級越低,越不容易被監測。所以,對于水下聲學導航技術,為了提高測距精度,大多采用了譜級和時間分辨率更高的脈沖信號或單頻信號。因此,由于技術的限制,導致了目前水聲通信和水聲導航采用不同信號形式分離發展的情況。正如現代科學的產生,關鍵在于解剖分析;而當代系統科學的發展,又反過來要求整合集成[86]。在各類水下網絡建設的刺激下,水下通信與水下導航整合集成的需求也逐漸增大。

3.2 水下通導一體化的發展

1995年,美國海軍首先提出建設水下通信網絡的思路,期望對水下設備進行命令、控制、通信及導航。1998-2008年,美國海軍以海網計劃(SeaWeb)名義,針對深度為50～300 m目標海域進行了水下網絡的組網試驗[87-88]。試驗期間,網絡的續航時間僅為90 d,支持350 Byte長度的數據包,傳輸速率為800 bit/s,節點間時間同步精度為0.1～1.0 s的量級,定位精度為100 m的量級。SeaWeb是水下通導一體化網絡的雛形,但是由于技術的限制,直接用通信系統進行定位和授時的精度均過低,距海洋泛在網建設的需求有著相當大的距離。

伴隨著民用水下聲學調制解調器技術的發展,以多航行器協作組網為代表的水下傳感器網絡技術正逐漸打破聲學通信系統直接用于水下導航的限制。近年來發展的網狀長基線定位系統(Net-LBL)[89-91],見圖5,以廉價的聲學調制解調器代替專門的水聲導航設備,利用測船、浮標以及無人船等設備搭建臨時海面長基線時空基準,在進行數據傳輸的同時,基于衛星動態定位結果為水下人造設備提供導航服務。2014年,隸屬北約科學和技術組織(NATO STO)的海洋研究和實驗中心(CMRE)對研制的Net-LBL系統進行了首次海試,在淺海試驗區內可將導航誤差控制在60 m內[89]。他們的Net-LBL系統主要包括導航模塊、數據收集/分發模塊以及測距模塊等3個組成部分。導航模塊根據收集的信息計算水下設備的位置。數據收集/分發模塊主要收集本地導航模塊所需信息,并以聲學方式分發其他節點的導航模塊所需信息。測距模塊利用收集的聲信號發射與接收的時間戳,基于聲速測量值計算2個節點間的距離并共享至其他模塊。

圖5 Net-LBL定位系統[7]Fig.5 Net-LBL positioning system[7]

類似傳統的水聲導航系統,Net-LBL亦可分為同步和應答等2種工作模式。同步工作模式對各節點的時間同步能力提出了高精度的要求,需要增加原子鐘等額外的設備實現精準時間同步,故該模式會增加系統成本和耗能;應答工作模式不需要進行嚴格的時間同步,所以被更廣泛地應用,但該模式受應答延遲和節點運動的影響,導致節點間距的計算不夠精確。美國海軍太空與海戰司令部(SPAWAR)下屬海軍信息戰中心(NIWC)的研究人員,利用美國的芯片級原子鐘(CSACs)及意大利Applicon s.e.l.公司的水下聲學調制解調器(SeaModem),研制了同步工作模式的Net-LBL設備,并于2015年和2016年分別在西班牙和意大利的海域進行測試,結果表明由時間同步問題導致的測距誤差僅為厘米級[89,92]。

2000年,德國的Konstantin Kebkal基于海豚通信機理的研究開發了掃頻擴展載波(sweep spread carrier,S2C)技術專利,解決了多徑干擾和信號譜級低于海洋環境噪聲情況下進行解碼的問題,使得利用同一種聲學信號同時進行水下通信和導航成為可能。同年,Konstantin Kebkal創建Evologics公司。目前,該公司研發的S2C R系列水下長基線定位和超短基線定位產品在通信的同時完成定位,無需進行定位和通信模式轉換,使得通信系統和導航系統集成在一起、相互補充;他們研發的水聲調制解調器也被CMRE團隊用于研發Net-LBL系統[89,93-94],見圖6。該公司系列產品已被廣泛應用于北約成員國科研人員的水聲通導一體化研究中,因此可看作我國水下通導一體化設備發展的模板。目前,英國Sonardyne公司也已將旗下的Ranger系列產品升級為通信導航一體化的硬件設備。

圖6 Evologics通導一體系列產品[75]Fig.6 Evologics integrated communication and navigation system product series [75]

3.3 水下通導一體化的趨勢

伴隨著海洋科學研究的深入、開發力度的增大以及各國海洋戰略的推進,對海洋時空信息需求的不斷增強。2015年,美國國防高級計劃局(DARPA)發布了“深海導航定位系統”(positioning system for deep ocean navigation, POSYDON)項目公告,研究在海底布放聲學基準站,組建類似GPS的定位系統[95-96]。2016年5月,英國貝宜系統公司獲得DARPA的合同,2020年研發出“深海GPS系統”。該系統將部署大量的海底固定基站,像GPS衛星一樣播發聲學信號,為海洋內部設備提供高精度的導航定位服務。我國于“十三五”計劃(2015年～2020年)開始由楊元喜院士主持開展“海洋大地測量基準與海洋導航新技術”研究,并在“十四五”計劃(2020-2025年)、“問海計劃”等支持下開展水下基準網絡研究,期望建成水下全球定位系統“深海北斗”[3,10,97-100]。

目前,“深海GPS”和“深海北斗”的建設均聚焦于水下導航定位,且處于研究和布設的階段。其中,基于海底聲學基站的大地測量技術在海底板塊監測方面取得了厘米級精度的定位成果[50-51,55],且在深海局部范圍內(數十平方千米)的導航方面取得了米級精度的導航結果[55,85,101];基于潛標基站的聲學浮標系統(Swallow、Sofar和Rafos等中性浮標)則在中尺度海流(直徑數百千米)監測方面取得了數千米精度的定位成果[102]。然而,上述成果尚未形成通導一體化的成熟體系。對上述海洋通導系統的技術、系統、應用進行實例匯總,見表1。

表1 通導一體化實例匯總Table 1 Summary of integrated communication and navigation system

隨著深海資源開發的深入和應用場景的拓展,上述水下全球定位系統必將與水下通信系統相互賦能,突破通導體制設計以及通導波形設計等技術瓶頸,融合成為通導一體化的水下基礎設施。最后,通過海面平臺的“信號接力”,與以北斗/GNSS為核心的全球性通導體系進行對接,服務于海洋精準建模、潛器集群協同、深海搜索救援等需求,真正地實現透明的智慧海洋,見圖7。

圖7 通導一體化海洋基準網[3]Fig.7 Marine reference network combined of communication and navigation[3]

目前,以美國為代表的北約組織國家已認識到水下通導一體化在軍事、社會、商業及科學等領域的重要價值,開展了技術攻關和設備研發,并積極進行海試,積累了一些水下通導融合的技術成果。然而,他們的成果大多處于淺海試驗階段,且主要是針對水聲技術的通導融合。因此,雖然我國現階段水下通導一體化成果較少,但可發揮的空間較多,實現戰略超車的可能性很大。借助我國“加快建設海洋強國”的戰略規劃和打造“深海北斗”的戰略機遇,我們亟需加快針對水下通導一體化技術的研究,做到即要謀萬世、謀全局,也爭分奪秒、積跬步至千里[5]。

4 結論

1)水下通信的載體為聲波、甚低頻/超低頻電磁波和藍綠激光,其中聲學通信是目前水下遠程無線通信的主要方式;水聲通信受水聲信道復雜性的影響,其效果遠弱于大氣無線電通信效果;電磁波通信和光學通信在近距離有穩定高速的通信特征,可在短程范圍內提供通信服務補充;未來可利用中微子和引力波通信構建不受海水影響的通信系統。

2)現階段應用最為廣泛的水下導航技術為水聲導航,包括長基線、短基線、超短基線及綜合基線定位技術;目前國外的商業公司已實現了水聲定位系統的產品化、產業化和系列化,國內眾多科研單位、生產單位及商業公司也在進行深入研究,并于關鍵技術指標實現了從“跟跑”到“并跑”的轉變。

3)面對海洋泛在網的建設需求,需將獨立發展的水下通信系統和水下導航系統相互賦能,進行一體化整合集成;以美國為首的北約組織積極試驗通導一體化的淺海網絡(SeaWeb計劃、Net-LBL系統),其中基于S2C技術的系列產品是最具代表性的水下通導一體化硬件設備;目前中美日均在加速建設通導一體化的水下全球定位系統,雖然取得了厘米級精度的海底大地測量成果、米級精度的局部海域導航成果及千米級精度的中尺度海域定位成果,但尚未形成海洋通導一體化的成熟體系。