水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

吳富梅, 秦顯平, 曾安敏

(1.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 2.西安測(cè)繪研究所, 陜西 西安 710054)

海洋是人類生存、資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要空間和資源。我國是海洋大國,海岸線漫長(zhǎng),管轄海域廣袤,海洋資源豐富,建設(shè)海洋強(qiáng)國是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重大戰(zhàn)略任務(wù)。《中國海洋發(fā)展報(bào)告(2013)》指出:“未來20年,中國大洋工作將立足資源,超越資源,以拓展國家戰(zhàn)略發(fā)展空間,增加國家戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備,推動(dòng)深海科技達(dá)到世界領(lǐng)先水準(zhǔn),確立中國在大洋事務(wù)中的強(qiáng)國地位為戰(zhàn)略目標(biāo)”[1-2]。

隨著人們海洋活動(dòng)的日益增加,海洋保障、海洋安全及搜救執(zhí)法、海洋資源環(huán)境調(diào)查與綜合管理、海上生產(chǎn)生活及災(zāi)害防治等將對(duì)水下通信導(dǎo)航能力提出越來越迫切的要求。水下通信導(dǎo)航是綜合導(dǎo)航定位授時(shí)(positioning, navigation and timing, PNT)的重要組成部分,是基于慣性導(dǎo)航、水聲定位導(dǎo)航、物理場(chǎng)匹配導(dǎo)航、岸基無線電導(dǎo)航等多種不同原理的PNT信息源,經(jīng)過云平臺(tái)控制、多傳感器高度集成和多源數(shù)據(jù)融合,為水下載體提供全時(shí)全域、實(shí)用有效、安全可靠的PNT信息服務(wù)[3-6]。

為了實(shí)現(xiàn)水下通信導(dǎo)航能力,各國都在開展相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)研究。2001年法國ASCA公司設(shè)計(jì)了水下GPS目標(biāo)跟蹤系統(tǒng),2002年德國Arstech公司開發(fā)了GPS浮標(biāo)陣水下定位系統(tǒng),2016年英國BEASystems公司在DARPA支持下研發(fā)了深海定位導(dǎo)航系統(tǒng),俄羅斯圣彼得堡海洋儀器康采恩研制了水下GLONASS系統(tǒng)等[7-9]。近年來,國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)面向綜合PNT體系中的水下PNT系統(tǒng)建設(shè)需求,提出了構(gòu)建水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)想,主要目的是在局部海域建成相對(duì)完整的水下PNT基礎(chǔ)設(shè)施,形成覆蓋一定范圍的高可用水下導(dǎo)航定位授時(shí)能力。水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)借鑒我國北斗系統(tǒng)的特色功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)控部署的成功經(jīng)驗(yàn),以多種傳感器為核心,建立水下PNT系統(tǒng)。水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括觀測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)以及用戶系統(tǒng)3個(gè)部分,其中,運(yùn)控系統(tǒng)是整個(gè)水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行、控制和服務(wù)的支撐平臺(tái),主要承擔(dān)任務(wù)規(guī)劃與協(xié)調(diào)、水下觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、匯集和處理、水下設(shè)備的運(yùn)行管理和監(jiān)控、用戶任務(wù)需求受理等。水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)將借鑒綜合海洋聲道及通導(dǎo)遙一體化深遠(yuǎn)海PNT基準(zhǔn)及服務(wù)網(wǎng)、PNT服務(wù)終端技術(shù)、多源信息融合技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)可用性、提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力[2-3]。

本文以發(fā)展我國水下通信導(dǎo)航能力為目標(biāo),在介紹水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上,闡述了其運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組成及其功能,然后面向未來水下通信導(dǎo)航用戶需求,重點(diǎn)分析了運(yùn)控系統(tǒng)發(fā)展中需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

1 水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)

水下PNT體系是一個(gè)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)的系統(tǒng)工程。構(gòu)建水下PNT體系應(yīng)結(jié)合國家發(fā)展需求以及技術(shù)發(fā)展水平,采用系統(tǒng)工程思想,遵循多元異質(zhì)技術(shù),充分借鑒北斗系統(tǒng)分階段由區(qū)域到全球的發(fā)展思路,逐步由試驗(yàn)走向?qū)嵱肹7,10]。

水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)整體規(guī)劃需要考慮海洋導(dǎo)航定位基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本和空天海PNT服務(wù)體系的兼容性,堅(jiān)持與綜合PNT體系協(xié)調(diào)有序發(fā)展的總體路線,實(shí)現(xiàn)多技術(shù)手段并用、基礎(chǔ)設(shè)施和資源共享,解決從近海逐步向遠(yuǎn)洋乃至全球海域的有效覆蓋問題。水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮現(xiàn)有水聲導(dǎo)航通信技術(shù)能力,滿足當(dāng)前水下通信導(dǎo)航的基本功能,同時(shí)兼顧未來發(fā)展的可擴(kuò)展性。

參考北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成,將水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為觀測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)以及用戶系統(tǒng)3個(gè)部分(圖1)。

圖1 水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Architecture design of underwater communication and navigation experimental system

圖1中觀測(cè)系統(tǒng)主要由攜載水聲測(cè)距、時(shí)間同步等設(shè)備的海面浮標(biāo)/水體潛標(biāo)/海底基站組成,其功能類似北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的空間段組成部分,為整個(gè)水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)提供位置及時(shí)間觀測(cè)信息;運(yùn)控系統(tǒng)主要由信息處理系統(tǒng)和信息基礎(chǔ)平臺(tái)組成,其功能類似北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的控制段組成部分,為整個(gè)水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行控制及信息服務(wù)加工提供平臺(tái)支撐和信息服務(wù);用戶系統(tǒng)主要由水聲測(cè)距設(shè)備及搭載水聲測(cè)距設(shè)備的水下平臺(tái)組成,其功能主要是類似北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的用戶段部分,主要用來測(cè)試水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)性能、開展系統(tǒng)示范應(yīng)用。觀測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)以及用戶系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 觀測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)以及用戶系統(tǒng)之間關(guān)系Fig.2 Relationship between observation system, operation control system and user system

水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng),建議坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000中國大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000),時(shí)間系統(tǒng)采用中國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng),使觀測(cè)系統(tǒng)(海面浮標(biāo)/水體潛標(biāo)/海底基站)、用戶系統(tǒng)(水下潛器等)以及運(yùn)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與服務(wù)產(chǎn)品具有統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)。

2 水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)控系統(tǒng)是水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的大腦和中樞,主要任務(wù)是通過通信系統(tǒng)收集觀測(cè)系統(tǒng)的工作參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、觀測(cè)數(shù)據(jù)等信息,并將收集到的各種信息進(jìn)行質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)分析,然后再根據(jù)需求將控制命令、狀態(tài)參數(shù)、導(dǎo)航定位、時(shí)間、改正信息等通過通信系統(tǒng)發(fā)送到相應(yīng)設(shè)備或者用戶,同時(shí)完成狀態(tài)管理、配置管理、故障管理、安全管理等工作(見圖3)。

圖3 水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3 Design for operation and control system of underwater communication and navigation experimental system

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)安全、狀態(tài)監(jiān)控等基礎(chǔ)技術(shù)的支撐下,優(yōu)化水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式及信息流程,搭建運(yùn)控系統(tǒng)信息處理系統(tǒng),在試驗(yàn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多類型廣播式與主動(dòng)式協(xié)同彈性化的導(dǎo)航定位服務(wù)。

2.1 運(yùn)控系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)

水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)中,運(yùn)控系統(tǒng)的信息處理系統(tǒng)主要包括信息傳輸、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)以及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)。

信息傳輸子系統(tǒng)通過衛(wèi)星通信發(fā)送浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸指令,實(shí)時(shí)獲取浮標(biāo)卡號(hào)、時(shí)間、經(jīng)緯度坐標(biāo)、航速、航向、電壓、傳感器工作狀態(tài)等設(shè)備狀態(tài)信息和水聲測(cè)距信息、溫鹽深數(shù)據(jù)、海流數(shù)據(jù)等浮標(biāo)掛載的各類傳感器的探測(cè)數(shù)據(jù);同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸必要的海洋氣象水文數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制子系統(tǒng)通過各類質(zhì)量控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)水下觀測(cè)原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制處理,包括相關(guān)性檢驗(yàn)、連續(xù)性檢驗(yàn)、等值檢查等。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)將傳輸?shù)母?biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)整編歸檔入庫,將結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)復(fù)制、分庫分表、讀寫分離等技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和高效管理,并建立綜合信息數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)對(duì)海洋時(shí)空基準(zhǔn)精密數(shù)據(jù)處理、水下導(dǎo)航定位服務(wù)產(chǎn)品構(gòu)建以及海洋環(huán)境與海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)等進(jìn)行研究,構(gòu)建海洋時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理與海洋多源觀測(cè)融合處理模型,為水下聲吶高精度定位和水下導(dǎo)航等提供產(chǎn)品支撐。

數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)通過交互方式提取入庫數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢展示應(yīng)用,系統(tǒng)通過不同查詢條件,從數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的調(diào)用,供數(shù)據(jù)直接展示,同時(shí)提供給實(shí)時(shí)應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)、事后應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用計(jì)算。

設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)通過所搭載電量監(jiān)測(cè)計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電量、周圍環(huán)境、數(shù)據(jù)包缺失或數(shù)據(jù)包紊亂等信息進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè),并發(fā)送指令對(duì)浮標(biāo)、海底基站和潛標(biāo)進(jìn)行控制,以及接受來自浮標(biāo)和指令進(jìn)行分析并相應(yīng)處理。

系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)運(yùn)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)鏈路、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源及業(yè)務(wù)應(yīng)用的統(tǒng)一運(yùn)維管理需求,實(shí)現(xiàn)對(duì)IT資源、數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)運(yùn)行的狀態(tài)采集、統(tǒng)一管理、全面監(jiān)控、事件告警、應(yīng)急處置、重點(diǎn)系統(tǒng)健康度分析、健康度預(yù)警以及總體運(yùn)維態(tài)勢(shì)展現(xiàn)等功能,并通過對(duì)業(yè)務(wù)關(guān)鍵性能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)與分析,來幫助用戶發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的問題與不足。

系統(tǒng)中的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)或者指令信息分別采用衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸或離線拷貝的方式將數(shù)據(jù)或者信息傳輸給信息傳輸分系統(tǒng);信息傳輸分系統(tǒng)匯集信息時(shí),首先根據(jù)信息匯集頻率不同分為實(shí)時(shí)信息匯集和文件(事后)數(shù)據(jù)匯集,主要包括信息指令、水聲測(cè)距數(shù)據(jù)、浮標(biāo)坐標(biāo)序列、溫鹽深數(shù)據(jù)等,然后通過校驗(yàn)、加解密、解壓縮等處理后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理分系統(tǒng)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)庫中,并利用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理和產(chǎn)品加工,并將得到中間處理成果和產(chǎn)品成果分別存放到中間處理數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品成果數(shù)據(jù)庫。將需要分發(fā)共享的各類數(shù)據(jù)及訂單明細(xì)單獨(dú)存放,形成共享分發(fā)數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、共享分發(fā)數(shù)據(jù)、運(yùn)維管理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理。用戶通過數(shù)據(jù)共享軟件完成對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫的查詢檢索及各數(shù)據(jù)中心間的成果共享。設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)通過所搭載電量監(jiān)測(cè)計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電量、周圍環(huán)境、數(shù)據(jù)包缺失或數(shù)據(jù)包紊亂等信息進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè),并發(fā)送指令對(duì)浮標(biāo)、海底基站和潛標(biāo)進(jìn)行控制,以及接受來自浮標(biāo)和指令進(jìn)行分析并相應(yīng)處理。運(yùn)行監(jiān)控對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)調(diào)度、軟件部署、權(quán)限管理等進(jìn)行控制,并對(duì)信息系統(tǒng)的概況和產(chǎn)出成果進(jìn)行多樣化的直觀展示。整個(gè)流程見圖4。

圖4 運(yùn)控系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)流程Fig.4 Flow chart of information processing system for operation and control system

2.2 運(yùn)控系統(tǒng)信息基礎(chǔ)平臺(tái)

水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)中,信息基礎(chǔ)平臺(tái)是信息處理系統(tǒng)運(yùn)行的軟硬件載體,為保證信息處理系統(tǒng)的研制成功與可持續(xù)運(yùn)行,在信息基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)時(shí)應(yīng)遵循先進(jìn)性、高可靠、標(biāo)準(zhǔn)化、適用性、可擴(kuò)展性、統(tǒng)一設(shè)計(jì)的原則。

信息基礎(chǔ)平臺(tái)采用“五橫四縱”體系架構(gòu)。“五橫”為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、服務(wù)支撐層與用戶層5個(gè)層次,自下而上提供綜合服務(wù);“四縱”分別為規(guī)程規(guī)范體系、安全保障體系、運(yùn)維管理體系和系統(tǒng)管理體系,用以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)從規(guī)程規(guī)范、安全管理、運(yùn)維管理和建設(shè)管理等階段全過程的質(zhì)量保障,具體如圖5所示。

圖5 水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)信息基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)Fig.5 Design of information insfrastructure platform for the operation and control system of underwater communication and navigation experimental system

基礎(chǔ)設(shè)施層由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、主機(jī)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、安全設(shè)備等組成,為上層應(yīng)用提供服務(wù),為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐環(huán)境。

數(shù)據(jù)資源層主要通過構(gòu)建水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,包含原始觀測(cè)數(shù)據(jù)庫、中間處理數(shù)據(jù)庫、成果產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫,為數(shù)據(jù)匯集、處理等系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐;針對(duì)業(yè)務(wù)的流程構(gòu)建包含共享分發(fā)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫等的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,為系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支撐。

服務(wù)支撐層主要包括消息中間件、門戶服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)、ETL工具、報(bào)表工具、空間可視化平臺(tái)、服務(wù)集群管理軟件等,為系統(tǒng)提供服務(wù)支撐。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過基礎(chǔ)設(shè)施層和數(shù)據(jù)資源層,構(gòu)建面向數(shù)據(jù)匯集、處理、分發(fā)共享服務(wù)以及數(shù)據(jù)管理和運(yùn)行監(jiān)控的應(yīng)用系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分發(fā)共享服務(wù)、運(yùn)行監(jiān)控5個(gè)分系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的接收、解析、存儲(chǔ)、格式轉(zhuǎn)換、處理、應(yīng)用、分發(fā)共享服務(wù)以及全過程全流程的數(shù)據(jù)管理與運(yùn)行監(jiān)控。

2）農(nóng)村公共服務(wù)供給制度的構(gòu)成和分類。汪杰貴等［18］認(rèn)為，農(nóng)村公共服務(wù)供給制度應(yīng)當(dāng)涵蓋農(nóng)村公共服務(wù)的供給主體結(jié)構(gòu)、供給決策制度、供給籌資制度、提供制度、生產(chǎn)制度和分配制度等6個(gè)方面。林耘［19］根據(jù)農(nóng)村公共服務(wù)提供者和生產(chǎn)者的不同，將農(nóng)村公共服務(wù)供給制度分為4種基本類型，公共服務(wù)提供者和生產(chǎn)者都是公共部門的政府直接供給方式；公共服務(wù)提供者和生產(chǎn)者均為私人部門的純粹市場(chǎng)供給方式；提供者是公共部門、而生產(chǎn)者是私人部門的政府間接供給方式，如合同外包、特許經(jīng)營和憑單制等；生產(chǎn)者是公共部門、提供者是私人部門的政府出售方式。

3 水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

隨著水下通信導(dǎo)航需求的不斷提升、水下傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展、多源融合算法的不斷改進(jìn),水下通信導(dǎo)航系統(tǒng)性能將不斷提升和發(fā)展。隨之,對(duì)水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)也提出了更高要求。運(yùn)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞“協(xié)同、可靠、安全、穩(wěn)健、優(yōu)化”等目標(biāo),著眼提高運(yùn)控系統(tǒng)運(yùn)行速度和效率、降低系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)、增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)能力,涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有空天地海一體化通信技術(shù)、基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、基于人工智能的復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度技術(shù)、基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全共享技術(shù)以及彈性化服務(wù)技術(shù)等。

3.1 空天地海一體化通信技術(shù)

水下通信導(dǎo)航是綜合PNT的重要組成部分,水下通信導(dǎo)航的空間基準(zhǔn)、時(shí)間基準(zhǔn)都需要通過通信網(wǎng)絡(luò)向海面以及空中進(jìn)行溯源,因此水下通信導(dǎo)航的通信網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)合水下-海面-空中建立的立體通信網(wǎng)絡(luò)[1],其中水下通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、完成整體認(rèn)知的關(guān)鍵一環(huán)。水下通信網(wǎng)絡(luò)可以為如下類別[11]:1)有線網(wǎng)絡(luò),包括海底電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、艦船及港口光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);2)非聲通信網(wǎng)絡(luò),包括激光和電磁波遠(yuǎn)程通信;3)水聲通信網(wǎng)絡(luò)。相比于有線網(wǎng)絡(luò),無線網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)濟(jì)性和服務(wù)范圍方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),且在大多數(shù)場(chǎng)景下聲波優(yōu)于無線電波、低頻電磁波和光波,因此聲波仍然是當(dāng)前最有效的手段[11]。

水下通信導(dǎo)航系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)部分:空間網(wǎng)、海面網(wǎng)和水下網(wǎng)。空中網(wǎng)主要由不同軌道上的各種衛(wèi)星,如 GEO、MEO、LEO、高空氣球等空中通信設(shè)備組成,覆蓋范圍相對(duì)較廣,可以獲取實(shí)時(shí)的不同維度的空間信息,并對(duì)收集到的信息進(jìn)行傳輸和處理[12]。海面網(wǎng)由同時(shí)具備與空中網(wǎng)和水下網(wǎng)進(jìn)行通信功能的海面浮標(biāo)組成,如利用水聲通信功能與北斗系統(tǒng)全球雙向短報(bào)文通信功能,通過海面浮標(biāo)建立與北斗衛(wèi)星通信鏈路可將水下信息傳遞至全球用戶。水下網(wǎng)由帶有水聲通信功能的水下基準(zhǔn)站或者潛標(biāo)組成,不但具有遠(yuǎn)程傳輸信息的收發(fā)能力,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了各基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)空基準(zhǔn)信息、空間觀測(cè)信息的互聯(lián)互通和共享,為高精度基準(zhǔn)點(diǎn)的維護(hù)和覆蓋水域高精度的位置服務(wù)提供了支撐[1]。

3.2 基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)承擔(dān)著信息傳輸、存儲(chǔ)、處理、分發(fā)、共享、監(jiān)控等任務(wù),隨著海洋試驗(yàn)系統(tǒng)由局部區(qū)域走向大范圍海域全球海域水下PNT系統(tǒng)管理及服務(wù),管控對(duì)象和用戶也會(huì)隨之越來越多,運(yùn)控系統(tǒng)涉及的鏈條環(huán)節(jié)會(huì)急劇增多,工作流程會(huì)日益復(fù)雜,對(duì)數(shù)據(jù)處理速度和效率要求會(huì)越來越高。

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展,云平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生,成為目前十分重要的數(shù)據(jù)信息整合存儲(chǔ)平臺(tái),為解決大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算提供了便利[13-14]。虛擬化是云計(jì)算的基礎(chǔ),目前已在水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)中采用了虛擬化云平臺(tái)技術(shù)。在虛擬化套件場(chǎng)景,通過虛擬化技術(shù)將物理服務(wù)器進(jìn)行虛擬化,具體為CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、設(shè)備I/O虛擬化等,實(shí)現(xiàn)在單一物理服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)虛擬服務(wù)器(虛擬機(jī)),把應(yīng)用程序?qū)Φ讓拥南到y(tǒng)和硬件的依賴抽象出來,從而解除應(yīng)用與操作系統(tǒng)和硬件的耦合關(guān)系,使得物理設(shè)備的差異性與兼容性與上層應(yīng)用透明,不同的虛擬機(jī)之間相互隔離、互不影響,可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng),并提供不同的應(yīng)用服務(wù)。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖6所示。

圖6 虛擬化云平臺(tái)邏輯架構(gòu)Fig.6 Virtual cloud platform architecture

下一步隨著水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)的發(fā)展,將充分發(fā)揮云平臺(tái)的特色和優(yōu)勢(shì),降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置的需求,減少對(duì)較大計(jì)算內(nèi)存和更高性能處理去的依賴,依托線上計(jì)算,突破時(shí)間和空間的限制,實(shí)現(xiàn)方便、快捷的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、處理和服務(wù)。

3.3 基于人工智能的復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度技術(shù)

2017年,國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[15]提出的戰(zhàn)略目標(biāo)之一是,到2030年,在人工智能理論、技術(shù)與應(yīng)用總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平,成為世界人工智能創(chuàng)新中心,在類腦智能、自主智能、混合智能和群體智能等領(lǐng)域取得重大突破[16]。人工智能在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出令人期待的發(fā)展?jié)摿?在運(yùn)控系統(tǒng)的質(zhì)量控制、自主監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃、資源分配等方面,通過采用智能技術(shù),有望提升執(zhí)行效率和資源利用率[2]。

3.4 基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全共享技術(shù)

2015年,在美國定位、導(dǎo)航與授時(shí)咨詢委員會(huì)(positioning, navigation and timing advisory board, PNTAB)第十六次會(huì)議上提出了可信PNT的概念。可信PNT是綜合PNT體系的安全保障,可信PNT可劃分為數(shù)據(jù)可信、主體可信、環(huán)境可信、行為可信等部分[17],其中數(shù)據(jù)可信是關(guān)鍵核心。水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)的運(yùn)控對(duì)象主要包括海面浮標(biāo)、水下基準(zhǔn)站和潛標(biāo)等,其觀測(cè)數(shù)據(jù)非常重要,如果被修改、刪除或竊取,將造成重大國防和經(jīng)濟(jì)損失。

隨著安全可信問題的重視度提升,伴隨著金融行業(yè)的發(fā)展,區(qū)塊鏈技術(shù)引起學(xué)者的廣泛重視。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫,其本質(zhì)是通過加密、共識(shí)和分布式存儲(chǔ)等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的安全驗(yàn)證、透明性和可信性。區(qū)塊鏈技術(shù)是以區(qū)塊鏈作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),將記錄以塊的形式鏈接在一起,并通過網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)和驗(yàn)證這個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫的一致性[17]。PNT體系為了保證安全需要要去中心化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[18],同樣地,水下通信導(dǎo)航系統(tǒng)也可利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決可信問題。

水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)通過在不同的地點(diǎn)建設(shè)數(shù)據(jù)維護(hù)節(jié)點(diǎn),同時(shí)將水下數(shù)據(jù)作為去中心化數(shù)據(jù)庫接入至節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)“區(qū)塊”,而地理位置標(biāo)記的區(qū)域地理信息就是“賬本”[17]。水下用戶可以向任何節(jié)點(diǎn)傳輸新的數(shù)據(jù),并廣播給其他節(jié)點(diǎn)以驗(yàn)證信息的安全性與合法性,信息一旦確認(rèn)就可以加入到“鏈中”,最后形成整個(gè)水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的“信息賬本”,用戶使用時(shí)根據(jù)地理位置調(diào)取節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息。由于不同節(jié)點(diǎn)間互相備份互信,這樣即使某一節(jié)點(diǎn)遭遇突發(fā),也不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行,即可實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)可信以及安全運(yùn)行。

3.5 水下通信導(dǎo)航彈性化服務(wù)技術(shù)

水下通信導(dǎo)航系統(tǒng)具有能源供給困難、海洋環(huán)境誤差影響大、水下通信難度大、信號(hào)損失嚴(yán)重等諸多難點(diǎn),這導(dǎo)致水下通信導(dǎo)航服務(wù)范圍有限、服務(wù)類別復(fù)雜、服務(wù)難度加大[19]。

受信號(hào)空間分布和建設(shè)成本所限,海底聲吶很難實(shí)現(xiàn)數(shù)百公里到上千公里大范圍的高精度導(dǎo)航定位信號(hào)覆蓋,因此水下通信導(dǎo)航信息源建設(shè)很難做到全球海域覆蓋。為有效發(fā)揮水下通信導(dǎo)航應(yīng)用效能,針對(duì)目前水下導(dǎo)航以慣性導(dǎo)航為主的現(xiàn)狀,考慮采彈性化的“接力式”布設(shè)模式(圖7),在研究慣性和水聲組合定位模式及誤差特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,分析確定不同水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的點(diǎn)組之間距離,對(duì)信息源配置進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)信息源對(duì)長(zhǎng)航時(shí)慣性導(dǎo)航的標(biāo)校。

圖7 “接力式”水下導(dǎo)航定位服務(wù)模式示意Fig.7 Schematic diagram of the “relay type” underwater navigation and positioning service mode

水下通信導(dǎo)航信息源的布設(shè),是系統(tǒng)建設(shè)工作中的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。通過布放施工,將海面浮標(biāo)/水體潛標(biāo)/海底基站按照設(shè)計(jì)站點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)施工,使海底基準(zhǔn)站設(shè)備按設(shè)計(jì)要求精確地布設(shè)在指定位置,確保觀測(cè)系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地長(zhǎng)期運(yùn)行。

同時(shí),在水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng),考慮采用“喚醒式”水下導(dǎo)航定位彈性化服務(wù)模式,主要包括廣播式、主動(dòng)式、精密導(dǎo)航定位等導(dǎo)航定位服務(wù),與多頻信號(hào)相結(jié)合,既解決海底基準(zhǔn)站的能源供給問題,也確保水下用戶導(dǎo)航定位的安全性。廣播式服務(wù)模式類似北斗系統(tǒng)通過衛(wèi)星發(fā)送廣播星歷進(jìn)行廣域?qū)Ш降姆?wù)模式[20-22],主要是在一定服務(wù)范圍內(nèi)為集群用戶提供通用導(dǎo)航定位服務(wù);主動(dòng)式服務(wù)模式類似北斗系統(tǒng)的RDSS服務(wù)模式,用戶通過運(yùn)控系統(tǒng)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求,運(yùn)控系統(tǒng)根據(jù)請(qǐng)求將服務(wù)信號(hào)發(fā)送給用戶實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位;精密導(dǎo)航定位服務(wù)模式本質(zhì)上也是一種主動(dòng)服務(wù)模式,類似北斗差分高精度服務(wù)模式,通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)較高精度的服務(wù)。與北斗系統(tǒng)不同的是,水下用戶數(shù)量較少、服務(wù)環(huán)境更為復(fù)雜,同時(shí)為了節(jié)約能源、減小設(shè)備損耗,無論是廣播式、主動(dòng)式還是精密導(dǎo)航定位服務(wù)模式都需要用戶進(jìn)行申請(qǐng)服務(wù)。

4 結(jié)束語

水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)是面向綜合導(dǎo)航定位授時(shí)體系中水下通信導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)需求建立的通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng),主要目的是在局部海域建成相對(duì)完整的水下通信導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施,形成覆蓋一定范圍的高可用水下導(dǎo)航定位授時(shí)能力。水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行、控制和服務(wù)的支撐平臺(tái),是水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的大腦。本文在介紹水下通信導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上,闡述了水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)中信息處理系統(tǒng)和信息基礎(chǔ)平臺(tái)的架構(gòu)和流程,然后針對(duì)未來北斗運(yùn)控系統(tǒng)的發(fā)展,圍繞“協(xié)同、可靠、安全、穩(wěn)健、優(yōu)化”的目標(biāo),著眼提高運(yùn)控系統(tǒng)運(yùn)行速度和效率、降低系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)、增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)能力,重點(diǎn)分析了空天地海一體化通信技術(shù)、基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、基于人工智能的復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度技術(shù)、采取區(qū)塊鏈技術(shù)建立多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)安全共享以及“喚醒式”的彈性化服務(wù)技術(shù),為下一步水下通信導(dǎo)航運(yùn)控系統(tǒng)提供參考。