曾安敏, 明鋒, 吳富梅

(1.地理信息工程國(guó)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)

海洋占地球表面積的71%,貯藏著豐厚的自然資源,是人類可持續(xù)發(fā)展的重要空間?！敖ㄔO(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”已成為國(guó)家發(fā)展的重要內(nèi)容,維護(hù)海洋權(quán)益、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和研究海洋環(huán)境,離不開高精度海洋時(shí)空基準(zhǔn)信息。高精度海洋時(shí)空基準(zhǔn)信息是水下資源環(huán)境調(diào)查、水下環(huán)境信息保障不可或缺的重要基礎(chǔ)信息,水下導(dǎo)航定位已成為海洋戰(zhàn)略謀劃、決策、規(guī)劃和實(shí)施的前提[1-7]。雖然世界上建成了包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),以及包括羅蘭系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)低頻/甚低頻無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)等時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施,能夠?yàn)榭罩?、陸地、海面用戶提供定位?dǎo)航授時(shí)(positioning, navigation and timing,PNT)服務(wù),但由于海水的吸收作用,這些無(wú)線電信號(hào)入水性差,無(wú)法直接為水下用戶提供服務(wù)。

目前,水下導(dǎo)航定位嚴(yán)重依賴慣性導(dǎo)航技術(shù),慣性導(dǎo)航技術(shù)的機(jī)理決定了其誤差迅速累積,僅采用慣性導(dǎo)航技術(shù)的水下航行器不得不定期上浮或靠近水面,利用外部高精度定位技術(shù)對(duì)其導(dǎo)航定位位置進(jìn)行標(biāo)定,以削弱慣性導(dǎo)航誤差累積的影響,但這種上浮勢(shì)必增加了水下航行器的暴露風(fēng)險(xiǎn),降低了水下航行器的隱蔽性[8]。為確保水下航行器導(dǎo)航定位服務(wù)的可用性和穩(wěn)健性,多普勒計(jì)程儀、電羅經(jīng)/磁羅經(jīng)、壓力傳感器等輔助技術(shù)常被采用[9],建立安全可信時(shí)空基準(zhǔn)的彈性服務(wù)[4,7,10-13]已成為世界強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的目標(biāo)。為提高PNT服務(wù)的可靠性、可用性和安全性,近年國(guó)際上提出了彈性PNT,從彈性概念、多傳感器彈性集成、彈性PNT的特性、彈性架構(gòu)等方面進(jìn)行了較深入研究[14-22],這些基礎(chǔ)理論研究為水下導(dǎo)航定位服務(wù)的體系化提供了重要理論支撐。為提高水下導(dǎo)航定位能力,增加戰(zhàn)略對(duì)抗實(shí)力,美、俄等國(guó)大力開展水下導(dǎo)航定位技術(shù)研究,偏重于各導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展[17],如美國(guó)的深水導(dǎo)航定位系統(tǒng)項(xiàng)目、俄羅斯的新型水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)項(xiàng)目等[23-24],同時(shí)重建低頻/甚低頻無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng),從功能性、安全性、覆蓋性出發(fā)加強(qiáng)PNT能力特征建設(shè)。近年來(lái),我國(guó)學(xué)者也開啟了涵蓋深空、深海的綜合PNT體系研究[25-26],對(duì)水下PNT也進(jìn)行了有益的嘗試[27-28],包括水下用戶需求特點(diǎn)、當(dāng)前PNT體系的水下服務(wù)能力差距分析、未來(lái)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)、初步架構(gòu)設(shè)想、信息架構(gòu)等。

本文試圖對(duì)水下導(dǎo)航定位的彈性架構(gòu)進(jìn)行較初步的系統(tǒng)闡述,系統(tǒng)分析水下導(dǎo)航定位所涉及的技術(shù),從技術(shù)體系設(shè)計(jì)、信息源基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、用戶終端彈性設(shè)計(jì)等方面構(gòu)建了其彈性架構(gòu),分析了水下PNT建設(shè)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

1 不同機(jī)理水下導(dǎo)航定位技術(shù)分析

能夠?yàn)樗掠脩籼峁?dǎo)航定位的主要技術(shù)有慣性導(dǎo)航技術(shù)[8]、航位推算導(dǎo)航技術(shù)[29]、水聲定位導(dǎo)航技術(shù)[30]以及背景場(chǎng)匹配導(dǎo)航技術(shù)[31]等,其主要技術(shù)特點(diǎn)見表1。此外,還包含壓力計(jì)、電羅經(jīng)等輔助設(shè)備。同時(shí)考慮時(shí)間頻率,則還應(yīng)包含晶振、芯片原子鐘等。這些水下導(dǎo)航技術(shù)有不同技術(shù)特點(diǎn),也有其不同的應(yīng)用范圍,可互為補(bǔ)充、互相增強(qiáng)。當(dāng)前蓬勃發(fā)展的量子技術(shù),應(yīng)用于慣導(dǎo)、物理場(chǎng)信息測(cè)量?jī)x等,雖然用途廣泛,并不是獨(dú)立的傳感器技術(shù),本文不論述。

表1 不同水下定位導(dǎo)航技術(shù)特點(diǎn)Table 1 Underwater navigation and positioning technologies and their advantages and disadvantages

2 水下導(dǎo)航定位體系的彈性化架構(gòu)

目前,水下導(dǎo)航定位服務(wù)能力相對(duì)于水下用戶需求存在較大差距,世界各國(guó)都在積極發(fā)展慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、輔助導(dǎo)航等技術(shù),逐步完善自身的水下導(dǎo)航定位技術(shù)體系[10]。同樣,我國(guó)學(xué)者也開啟了海底大地基準(zhǔn)與水下PNT體系相關(guān)研究[2,5-6,8,27],有學(xué)者將水下PNT體系分為基本架構(gòu)、水面/近水面架構(gòu)、應(yīng)急PNT架構(gòu)和評(píng)估架構(gòu)[27]。水下場(chǎng)景不同于陸地/海面、深空?qǐng)鼍?水下導(dǎo)航定位作為國(guó)家綜合PNT體系的重要組成部分,應(yīng)遵循綜合PNT架構(gòu)[25]、彈性化PNT概念[16-17]一般要求,具備對(duì)外部干擾等異常的預(yù)防、異常響應(yīng)、性能恢復(fù)等彈性能力。這種彈性能力的實(shí)現(xiàn),冗余是基礎(chǔ),即應(yīng)建立在冗余的基礎(chǔ)上,包括技術(shù)冗余、傳感器冗余、分析方法冗余、處理軟件冗余、算法冗余等,傳感器冗余既包括不同機(jī)理系統(tǒng)冗余、相同機(jī)理系統(tǒng)冗余和多個(gè)相似機(jī)理傳感器冗余等[32](如圖1所示)。

圖1 彈性PNT體系的多源冗余架構(gòu)Fig.1 Redundancy technology that support resilience PNT

2.1 彈性化架構(gòu)的基本要求

構(gòu)建水下導(dǎo)航定位的彈性化架構(gòu),僅有冗余是不夠的,還應(yīng)具有以下方面。

1)服務(wù)技術(shù)的多機(jī)理性。為滿足水下PNT穩(wěn)健可用性、穩(wěn)健連續(xù)性和高可靠性,為水下用戶提供PNT信息服務(wù)的技術(shù)應(yīng)是不同技術(shù)、多機(jī)理的。之所以水下場(chǎng)景也要強(qiáng)調(diào)“不同原理”、“多機(jī)理”,是因?yàn)榛谙嗤淼男畔⒁坏┦芨蓴_、遮蔽,再多的信息也無(wú)濟(jì)于事,即一種技術(shù)的系統(tǒng)癱瘓不至于影響整個(gè)水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的可用性[16,25]。

2)信息源基礎(chǔ)設(shè)施的互補(bǔ)性。為水下用戶提供PNT服務(wù)的技術(shù),有的需要提供信號(hào)的基礎(chǔ)設(shè)施和用戶接收傳感器的同時(shí)支持,而有的則僅需在用戶終端自主傳感器。水下環(huán)境的信息源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是用戶PNT服務(wù)性能提升的基礎(chǔ)與前提。由于建設(shè)成本等基礎(chǔ)設(shè)施不可能在全球海域都建設(shè),或者說(shuō)基礎(chǔ)設(shè)施在全球海域都有效。提供PNT服務(wù)的多種信息源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)是互補(bǔ)的、冗余性的。海洋環(huán)境下的信息源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本巨大[1],一般應(yīng)由國(guó)家統(tǒng)籌建設(shè)。

3)導(dǎo)航信息的冗余性。由于海水的吸收作用,無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)入水衰減嚴(yán)重,天文導(dǎo)航更不可用,能夠?yàn)樗掠脩籼峁┑膶?dǎo)航定位觀測(cè)信息主要有慣性導(dǎo)航信息、航行速度信息、航向信息、水聲測(cè)距時(shí)延信息、物理場(chǎng)信息以及其他的輔助信息(如深度信息)等,這些信息互相補(bǔ)充,信息冗余。水下用戶應(yīng)充分利用這些信息,以確保導(dǎo)航定位服務(wù)的可靠性、連續(xù)性。

4)用戶終端的彈性化集成。水下用戶終端應(yīng)能夠利用一切可利用的PNT 信息,這種有效利用是以場(chǎng)景智能感知為前提的,依據(jù)外部場(chǎng)景自動(dòng)選擇工作的傳感器。傳感器硬件的場(chǎng)景智能接入、彈性優(yōu)化集成、信息的彈性融合處理是用戶終端彈性化集成的關(guān)鍵。如此用戶終端可利用一切可利用的PNT信息生成連續(xù)、可用、可靠、穩(wěn)健的PNT服務(wù)信息。

依據(jù)前述對(duì)水下導(dǎo)航定位體系的彈性化架構(gòu)要求,從多機(jī)理技術(shù)體系、信息源基礎(chǔ)設(shè)施和彈性化終端等方面對(duì)水下導(dǎo)航定位體系的彈性化架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 水下導(dǎo)航定位體系的多機(jī)理融合

不同的導(dǎo)航定位測(cè)量信息由不同的導(dǎo)航技術(shù)裝備提供。慣性導(dǎo)航信息由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供;航行速度信息由多普勒計(jì)程儀提供;航向信息由航向傳感器(如羅經(jīng))提供;水聲測(cè)距信息由水聲定位導(dǎo)航系統(tǒng)提供;物理場(chǎng)中的重力信息由實(shí)時(shí)重力測(cè)量?jī)x提供,磁力信息由磁力儀器設(shè)備提供;深度信息由壓力(水深)傳感器提供。此外,水下用戶終端應(yīng)能夠自主維持時(shí)間信息。慣性導(dǎo)航技術(shù)、航位推算導(dǎo)航技術(shù)、水聲定位導(dǎo)航技術(shù)等這些技術(shù)也需要高精度時(shí)鐘信息,小型(芯片式)原子鐘技術(shù)也是水下PNT技術(shù)體系所必不可少的時(shí)間源。

此外,衛(wèi)星導(dǎo)航、(甚)低頻無(wú)線電等技術(shù)的信號(hào)雖然無(wú)法直接為水下用戶服務(wù),但它們能夠?yàn)閼T性導(dǎo)航的累積誤差的標(biāo)定提供支持,也能夠?yàn)樗晫?dǎo)航、物理場(chǎng)匹配輔助導(dǎo)航所必需的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)提供導(dǎo)航位置支持。極端條件下,天文導(dǎo)航[33]也可作為保底手段提供使用。

如此,水下導(dǎo)航定位的多源技術(shù)體系應(yīng)以慣性導(dǎo)航技術(shù)、原子鐘技術(shù)為核心,以航位推算導(dǎo)航技術(shù)、水聲定位導(dǎo)航技術(shù)、水深測(cè)量技術(shù)和物理背景場(chǎng)匹配輔助導(dǎo)航技術(shù)為補(bǔ)充,輔以衛(wèi)星導(dǎo)航、(甚)低頻無(wú)線電、天文導(dǎo)航等技術(shù)為標(biāo)定支撐的技術(shù)體系(如圖2所示)。

圖2 水下導(dǎo)航定位的多機(jī)理技術(shù)體系Fig.2 Underwater navigation and positioning technology architecture with multi-mechanism

2.3 水下導(dǎo)航定位體系的信息源基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)

水下導(dǎo)航定位服務(wù)應(yīng)由基于不同機(jī)理的導(dǎo)航信息提供[16,25],這些導(dǎo)航信息來(lái)自不同的導(dǎo)航技術(shù),有些技術(shù)需要信息源設(shè)施支撐,而有些技術(shù)則不需要。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)只需在用戶終端安裝設(shè)備即可能進(jìn)行導(dǎo)航,工作時(shí)需要初始對(duì)準(zhǔn),包括靜基座對(duì)準(zhǔn)與海上動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn),即需要起算點(diǎn)坐標(biāo)或者在線標(biāo)定。同樣,航位推算系統(tǒng)工作也需要起算點(diǎn)或者在線標(biāo)定。這些起算點(diǎn)坐標(biāo)由大地控制網(wǎng)(空間基準(zhǔn)網(wǎng))提供,這些提供起算坐標(biāo)(或方位信息)的空間基準(zhǔn)網(wǎng)即為其信息源基礎(chǔ)設(shè)施。

對(duì)于水聲導(dǎo)航技術(shù),其信息源基礎(chǔ)設(shè)施為信標(biāo)服務(wù)網(wǎng),包括海面浮標(biāo)網(wǎng)、水中信標(biāo)網(wǎng)、海底信標(biāo)網(wǎng)等,建設(shè)在特定海域。這些信標(biāo)服務(wù)網(wǎng)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)常配置水聲換能器、原子鐘、壓力計(jì)、聲速儀等有效載荷。信標(biāo)服務(wù)網(wǎng)為水下用戶提供服務(wù)時(shí),其位置應(yīng)是已知的。由于海面浮標(biāo)網(wǎng)隨海流運(yùn)動(dòng),其位置只能依靠衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等標(biāo)校技術(shù)手段獲得;水中信標(biāo)網(wǎng)在水體中也是運(yùn)動(dòng)的,其實(shí)時(shí)位置目前只能依靠水聲測(cè)量技術(shù)提供;而海底信標(biāo)網(wǎng)固聯(lián)在海底,其位置是不動(dòng)的,可事先精確標(biāo)定。高精度標(biāo)定信標(biāo)服務(wù)網(wǎng)各點(diǎn)的位置是建設(shè)水聲服務(wù)網(wǎng)的一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)[34-35]。

物理場(chǎng)匹配導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施是可匹配區(qū)的物理場(chǎng)匹配圖數(shù)據(jù)庫(kù)。這種物理場(chǎng)匹配圖數(shù)據(jù)庫(kù)必須事先建設(shè),建設(shè)背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)工作量巨大、技術(shù)復(fù)雜,常采用空、天、地、海一體化測(cè)量融合生成,并且事先注入匹配終端[36-39]。物理場(chǎng)匹配基準(zhǔn)網(wǎng)的分辨率、精度與可適配性直接決定了導(dǎo)航匹配的精度。沒有適配區(qū)的高分辨率、高精度的物理場(chǎng)匹配基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持,匹配導(dǎo)航將無(wú)法工作。

水深(壓力)測(cè)量技術(shù)作為水下導(dǎo)航的輔助技術(shù),可提供深度信息。水深(壓力)儀量測(cè)得的深度是相對(duì)于當(dāng)?shù)仄骄Ｋ娴乃?要想得到統(tǒng)一于國(guó)家法定基準(zhǔn)下的大地高,平均海面高數(shù)據(jù)庫(kù)成為水深(壓力)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施。平均海面高數(shù)據(jù)庫(kù)的分辨率和精度決定了其結(jié)果的精度。

如此,為滿足潛器、水下無(wú)人平臺(tái)等國(guó)防安全需求,以及水下工程建設(shè)、資源勘探、水下考古等民用需求,水下導(dǎo)航定位體系的信息源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)主要由“海面信標(biāo)網(wǎng)+水中信標(biāo)網(wǎng)+海底信標(biāo)網(wǎng)+地基無(wú)線電+物理場(chǎng)匹配圖+平均海面高數(shù)據(jù)庫(kù)”組成,如圖3所示。

圖3 水下導(dǎo)航定位體系的信息源基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)Fig.3 Underwater navigation and positioning infrastructure architecture

水下導(dǎo)航定位體系的信息源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不僅要考慮其穩(wěn)定性和可觀測(cè)性,還必須考慮其網(wǎng)型設(shè)計(jì)[2]。海面信標(biāo)網(wǎng)、水中信標(biāo)網(wǎng)、海底信標(biāo)網(wǎng)、地基無(wú)線電站網(wǎng)是實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施,需要考慮幾何分布。信標(biāo)網(wǎng)是通過(guò)水聲技術(shù)進(jìn)行PNT服務(wù)的,而水聲技術(shù)的服務(wù)距離有限,采用中頻技術(shù)的單個(gè)基準(zhǔn)站服務(wù)距離通常8～10 km,而采用低頻技術(shù)的服務(wù)距離可達(dá)上百公里。水聲導(dǎo)航離不開水下聲速信息,水下載體導(dǎo)航時(shí)停下來(lái)測(cè)量聲速是不現(xiàn)實(shí)的,事先建立聲速數(shù)據(jù)庫(kù)是可行的。水下聲速場(chǎng)、物理場(chǎng)匹配圖數(shù)據(jù)庫(kù)、平均海面高數(shù)據(jù)庫(kù)并不存在硬件實(shí)體,可稱為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。這些數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施除考慮分辨率和精度外,也應(yīng)考慮分布。如此,為了使效能最大化,實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字基準(zhǔn)設(shè)施的布局設(shè)計(jì)應(yīng)相隔一定距離,并且考慮冗余、互補(bǔ),建成接力型(或蛙跳型)服務(wù)網(wǎng)。

2.4 水下導(dǎo)航定位體系的終端彈性化設(shè)計(jì)

水下復(fù)雜環(huán)境下,基于單一傳感器的用戶終端存在不連續(xù)、不準(zhǔn)確或不可靠風(fēng)險(xiǎn),甚至完全失去服務(wù)能力,充分利用多傳感器進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)是合理的選擇。水下導(dǎo)航定位終端的彈性化包括多傳感器彈性集成和多源信息的彈性融合[40]。

2.4.1 多源導(dǎo)航定位傳感器彈性集成

水下導(dǎo)航定位終端傳感器包括高精度慣性導(dǎo)航傳感器、水下聲吶信號(hào)接收傳感器、物理場(chǎng)匹配傳感器、微型原子鐘傳感器、水深(壓力)傳感器、航位推算傳感器等等。眾多的傳感器不能簡(jiǎn)單捆綁集成,也不能一味強(qiáng)調(diào)深度集成,而應(yīng)彈性集成。簡(jiǎn)單捆綁集成的終端必然存在互相干擾、終端體積大、功耗高、可攜帶性差等問題,一味強(qiáng)調(diào)深度集成可能造成系統(tǒng)異常復(fù)雜、實(shí)用性差等[16]。多傳感器應(yīng)依據(jù)用戶需要,智能感知應(yīng)用場(chǎng)景、彈性集成,為了實(shí)現(xiàn)水下多源傳感器的彈性集成,傳感器組件整體優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

1)分層次集成原則。依據(jù)各傳感器特性、大小、復(fù)雜度,采用深度集成、即插即用、外部捆綁進(jìn)行集成[40]。深度集成的前提是各傳感器有共性組件,能共用的盡量共用,如微慣導(dǎo)、微型原子鐘、聲吶信號(hào)接收機(jī)的伺服單元、處理單元等共性組件可深度集成;高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、水深(壓力)傳感器等可設(shè)計(jì)為即插即用,而重力傳感器體積大、系統(tǒng)復(fù)雜,不易集成,可設(shè)計(jì)為外部捆綁。

2)接口標(biāo)準(zhǔn)化開放原則。水下導(dǎo)航定位終端的各類組件的接口必須標(biāo)準(zhǔn)化,如采用以太網(wǎng)口、USB口、串口、時(shí)間同步接口等,這些標(biāo)準(zhǔn)化接口遵循開發(fā)架構(gòu)[40],接口標(biāo)準(zhǔn)化,便于各組件、傳感器的集成,便于控制信息和數(shù)據(jù)信息的聯(lián)通,便于組件、傳感器的維修更換。

3)完好性監(jiān)測(cè)原則。終端傳感器多,水下環(huán)境復(fù)雜,影響數(shù)據(jù)質(zhì)量因素也多。由于信號(hào)發(fā)射器問題、水下環(huán)境的變化等影響,會(huì)導(dǎo)致某些導(dǎo)航定位信號(hào)的不可用,信號(hào)故障診斷與檢測(cè)、信號(hào)故障影響緩解、觀測(cè)信號(hào)可用性確定、多源觀測(cè)信號(hào)互檢與評(píng)估等均應(yīng)納入完好監(jiān)測(cè)范疇,如此能夠確保水下PNT服務(wù)終端得到可靠的觀測(cè)信號(hào)。

2.4.2 多源導(dǎo)航定位信息的彈性融合

可用的水下導(dǎo)航定位觀測(cè)信息相對(duì)較多,這些觀測(cè)信息對(duì)估計(jì)參數(shù)的可測(cè)性不同,有不同的觀測(cè)模型,在其不同觀測(cè)模型下有不同的隨機(jī)模型。此外,還有不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的不同動(dòng)力學(xué)模型。在復(fù)雜的海洋環(huán)境下,其函數(shù)模型和隨機(jī)模型不應(yīng)一成不變,而應(yīng)隨外部環(huán)境的變化而彈性調(diào)整。多源導(dǎo)航定位信息的彈性融合應(yīng)該在對(duì)函數(shù)模型誤差和隨機(jī)模型誤差充分識(shí)別的基礎(chǔ)上,實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地優(yōu)化原有模型,使融合模型最佳地適應(yīng)相應(yīng)場(chǎng)景和相應(yīng)數(shù)據(jù)源,并具備一定的抵御“干擾”的能力[25]。

水下導(dǎo)航定位觀測(cè)信息的彈性函數(shù)模型的目的是強(qiáng)調(diào)模型的“可靠性”,既要具備模型系統(tǒng)誤差的識(shí)別能力,又要具備模型誤差變化規(guī)律的學(xué)習(xí)能力[40]。“可靠”的彈性函數(shù)模型要求:1)基本函數(shù)模型的統(tǒng)一表達(dá),依據(jù)水下導(dǎo)航定位觀測(cè)信號(hào)特點(diǎn)表示成相同的位置、速度和時(shí)間參數(shù)的統(tǒng)一函數(shù)模型庫(kù),將不同導(dǎo)航傳感器信息抽象分類整理,統(tǒng)一到相同的理論模型框架[42];2)統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)歸算,應(yīng)以國(guó)家法定空間基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)為基礎(chǔ),確保表達(dá)的函數(shù)模型對(duì)應(yīng)統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn);3)系統(tǒng)誤差的彈性修正或自適應(yīng)修正,系統(tǒng)誤差的應(yīng)能依據(jù)外部環(huán)境的變化而變化[4],并實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地修正原有的函數(shù)模型,使其適應(yīng)當(dāng)前相應(yīng)的外部場(chǎng)景;4)函數(shù)模型的彈性選擇與診斷,即強(qiáng)調(diào)特殊的時(shí)期、特殊的場(chǎng)景選擇備份好的特殊模型,使得模型的適應(yīng)性最佳化;5)處理算法的冗余,不僅動(dòng)力學(xué)模型冗余,而且分析方法冗余。

水下導(dǎo)航定位觀測(cè)信息的彈性隨機(jī)模型強(qiáng)調(diào)模型的“自適應(yīng)彈性調(diào)整”,即各導(dǎo)航定位觀測(cè)信息的隨機(jī)模型在狀態(tài)參數(shù)估計(jì)過(guò)程中不是固定不變的,而是隨著觀測(cè)信息不確定度的變化而彈性變化[1]?！白赃m應(yīng)調(diào)整”的彈性隨機(jī)模型要求:1)對(duì)觀測(cè)信息異常誤差的影響控制,觀測(cè)信息異常誤差可采用抗差估計(jì),動(dòng)力學(xué)模型的異常擾動(dòng)可采用在線診斷或自適應(yīng)估計(jì),若動(dòng)力學(xué)模型和觀測(cè)信息同時(shí)存在異常擾動(dòng),可采用自適應(yīng)抗差估計(jì)法[43-46];2)觀測(cè)信號(hào)噪聲的在線標(biāo)定,水下多源觀測(cè)信息具有完全不同的不確定度。甚至在不同水下環(huán)境下,即使相同類型的觀測(cè)信息或者相同類型載體運(yùn)動(dòng)信息,相應(yīng)的不確定度也有可能不同。3)不同類觀測(cè)信息權(quán)重的動(dòng)態(tài)分配,多類水下導(dǎo)航定位觀測(cè)信息融合時(shí),應(yīng)實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地確定各類觀測(cè)信息的方差或權(quán)重,可以采用方差分量估計(jì)或基于實(shí)際偏差量確定的隨機(jī)模型[45-46]。需要說(shuō)明的是,函數(shù)模型誤差與隨機(jī)模型誤差是可相互轉(zhuǎn)換的,同時(shí)存在顯著的函數(shù)模型誤差和隨機(jī)模型誤差時(shí),則需要同時(shí)優(yōu)化函數(shù)模型和隨機(jī)模型,這類混合模型優(yōu)化是十分困難的[46]。

此外,水下導(dǎo)航定位觀測(cè)信息的彈性融合處理必須采用合理高效的計(jì)算方法,如自適應(yīng)濾波、因子圖、并行濾波等[47-52]。也應(yīng)注意到,水下用戶終端能量有限,算力也有限,彈性融合處理算法盡量簡(jiǎn)潔高效,算法復(fù)雜度應(yīng)低,復(fù)雜的算法在水下終端無(wú)法完成實(shí)時(shí)計(jì)算,并行計(jì)算是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位觀測(cè)信息高效融合一種可行手段。

3 水下導(dǎo)航定位體系建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

水下導(dǎo)航定位體系建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及水下導(dǎo)航定位服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和用戶終端開發(fā)。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

水下導(dǎo)航定位的信息源基礎(chǔ)設(shè)施包含實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。由于這些信息源基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)作用強(qiáng)、投資大且涉及國(guó)家安全,其建設(shè)維護(hù)應(yīng)由國(guó)家或行業(yè)主導(dǎo)。實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括設(shè)備載荷集成、基準(zhǔn)站站址堪選(含可匹配區(qū)確定)、基準(zhǔn)站網(wǎng)形架構(gòu)設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)站位置標(biāo)校與維護(hù)等。數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)本質(zhì)上屬于測(cè)繪新基建范疇,包括匹配區(qū)背景場(chǎng)圖構(gòu)建、水聲速度場(chǎng)構(gòu)建、平均海面建立等內(nèi)容。本文認(rèn)為信息源基礎(chǔ)設(shè)施組網(wǎng)技術(shù)、背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)技術(shù)、水聲速度場(chǎng)構(gòu)建技術(shù)以及基準(zhǔn)站載荷設(shè)備的長(zhǎng)距離水聲導(dǎo)航技術(shù)是當(dāng)前水下導(dǎo)航定位體系服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)優(yōu)先解決的問題。

3.1.1 信息源基礎(chǔ)設(shè)施組網(wǎng)技術(shù)

布局良好的信息源基礎(chǔ)設(shè)施能提供性能優(yōu)良的水下導(dǎo)航定位信息服務(wù)。信息源基礎(chǔ)設(shè)施組網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)解決實(shí)體基準(zhǔn)站網(wǎng)與數(shù)字基準(zhǔn)站網(wǎng)的協(xié)調(diào)布局問題。海洋深度是有限的,最深處有萬(wàn)米,絕大多數(shù)區(qū)域只有幾千米,依靠聲吶服務(wù)的信標(biāo)網(wǎng)所提供的幾何觀測(cè)強(qiáng)度是有限的,只有在合適的海域才能夠建設(shè)信標(biāo)網(wǎng)。水下匹配導(dǎo)航的背景場(chǎng)只有在可匹配區(qū)才具有可用性,這些可匹配區(qū)通常是地形變化較大的區(qū)域,匹配區(qū)的選擇是匹配導(dǎo)航首先應(yīng)關(guān)心的問題。另外,實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)調(diào)組網(wǎng)是信息源基礎(chǔ)設(shè)施組網(wǎng)應(yīng)重點(diǎn)解決的問題。依據(jù)海洋環(huán)境特點(diǎn)、所使用技術(shù)特點(diǎn)、建設(shè)成本、用戶需求,進(jìn)行信息源基礎(chǔ)設(shè)施的合理布局,既保證能夠提供一定覆蓋范圍、又保證有足夠的冗余。

3.1.2 背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)

背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)重點(diǎn)解決匹配導(dǎo)航所必需要的背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)問題。依據(jù)物理場(chǎng)特性有重力場(chǎng)、磁力異常場(chǎng)、地形/地貌等特征數(shù)據(jù)庫(kù)背景信息。建立這些背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)很多,不同技術(shù)間觀測(cè)資料的分辨率不同、精度不同、誤差也不同,天、空、地、海各種觀測(cè)數(shù)據(jù)融合存在不同的系統(tǒng)誤差。此外,由于測(cè)得的物理場(chǎng)信息的空間位置不同,存在向上向下延拓問題,目前這方面研究相對(duì)較少。另外,由于觀測(cè)時(shí)間不同,建立背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間尺度上也存在變化,如何歸算到參考?xì)v元時(shí)刻。并不是所有區(qū)域都能夠成功匹配導(dǎo)航,可匹配區(qū)的選擇也是必須要解決的問題。如此,構(gòu)建一個(gè)與導(dǎo)航精度相適應(yīng)的、一定分辨率、一定精度的統(tǒng)一的背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)是背景場(chǎng)匹配輔助導(dǎo)航所要解決的核心技術(shù)問題。

3.1.3 水聲速度場(chǎng)構(gòu)建技術(shù)

水聲導(dǎo)航離不開水聲時(shí)延觀測(cè)數(shù)據(jù),聲線路徑上聲速是水聲導(dǎo)航必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)。水下載體行進(jìn)中不可能為水導(dǎo)航停下來(lái)測(cè)量聲線路徑上聲速,利用歷史觀測(cè)資料構(gòu)建水聲速度場(chǎng)是解決水聲導(dǎo)航所必須的聲速的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)傳播路徑上的無(wú)線電波速度是一常數(shù),而聲線傳播路徑上水聲速度是溫度、鹽度、深度相關(guān)的非線性函數(shù)。溫度、鹽度具有明顯的時(shí)空特性,由此獲得的水聲聲速自然具有明顯的時(shí)空特性。如何由獲得的離散水文數(shù)據(jù)構(gòu)建水聲聲速場(chǎng)是一個(gè)關(guān)鍵問題,涉及多源數(shù)據(jù)融合處理理論、異常誤差控制、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、融合方法、處理準(zhǔn)則等。另外,水聲速度場(chǎng)是利用歷史特定時(shí)空觀測(cè)的水文數(shù)據(jù)構(gòu)建的,與使用時(shí)刻是不一致的,水下聲速場(chǎng)預(yù)報(bào)模型也是水聲速度場(chǎng)構(gòu)建技術(shù)一項(xiàng)關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。

3.1.4 長(zhǎng)距離水聲導(dǎo)航技術(shù)

長(zhǎng)距離水聲導(dǎo)航技術(shù)將有效解決水聲導(dǎo)航服務(wù)距離的問題,拓展其服務(wù)應(yīng)用?，F(xiàn)有的水聲導(dǎo)航技術(shù)常采用8～16 kHz中頻信號(hào),服務(wù)距離有限,通常小于10 km,極大限制了水聲導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域與服務(wù)范圍。如何降低頻率、增大服務(wù)距離、而又不顯著降低導(dǎo)航精度是長(zhǎng)距離水聲導(dǎo)航應(yīng)用的核心關(guān)鍵所在。工作頻率選擇、信號(hào)波形優(yōu)化、信號(hào)體制優(yōu)選等等,直接決定了作用距離,是長(zhǎng)距離水聲導(dǎo)航首先充分考慮的事情。另外,主動(dòng)、被動(dòng)工作模式定位模型的智能切換直接決定了用戶使用方法。如何提供信息安全、服務(wù)授權(quán)、抗干擾防欺騙等確保信息使用安全也是需要考慮。

3.2 水下用戶導(dǎo)航定位終端關(guān)鍵技術(shù)

水下導(dǎo)航定位終端是水下用戶體驗(yàn)位置服務(wù)感受最直接的設(shè)備,直接反映了水下導(dǎo)航定位體系的性能。水下用戶導(dǎo)航定位終端以慣性導(dǎo)航、原子鐘為核心、輔以其他傳感器的終端,水下用戶導(dǎo)航定位終端的物理場(chǎng)信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知技術(shù)是背景場(chǎng)匹配輔助導(dǎo)航另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。多傳感器的彈性集成與多源導(dǎo)航定位觀測(cè)信息彈性融合是其關(guān)鍵核心技術(shù)[16],本文不再分析。

3.2.1 微慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航可獲得姿態(tài)、位置和速度等眾多導(dǎo)航信息,是水下導(dǎo)航定位終端的核心技術(shù)之一。精度、重調(diào)周期、可靠性以及壽命是其眾多技術(shù)指標(biāo)最主要指標(biāo)。微陀螺MEMS、微慣導(dǎo)具有體積小(甚至芯片化)、成本低等優(yōu)點(diǎn),是慣性導(dǎo)航的主攻方向之一。包括光纖陀螺、環(huán)狀激光陀螺、原子陀螺、微原子核磁共振螺旋儀等單個(gè)小型、微型、甚至芯片化、成體系的新型陀螺研究,美國(guó)先后啟動(dòng)了這個(gè)方面7項(xiàng)研究計(jì)劃[24]。此外,多個(gè)具有不同特性的微型慣性測(cè)量組件,集成到單一的微尺度測(cè)量單元,也是微慣導(dǎo)研究的重要組成部分。另外,初始對(duì)準(zhǔn)也是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù),包括靜基座對(duì)準(zhǔn)與海上動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn),初始對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)導(dǎo)航參數(shù)影響是系統(tǒng)性的,如何又快又準(zhǔn)地進(jìn)行初對(duì)準(zhǔn)一直是慣性導(dǎo)航努力方向。慣性導(dǎo)航受眾多誤差的影響,包括漂移誤差、標(biāo)度因子誤差、溫度誤差等,這些誤差的標(biāo)定、補(bǔ)償與校正(含在線標(biāo)定與補(bǔ)償)是提高系統(tǒng)精度與可靠性的重要方式,也是難點(diǎn)問題之一。

3.2.2 微原子鐘技術(shù)

時(shí)鐘傳感器除了提供水下導(dǎo)航定位終端的時(shí)間信息外,還為水下終端的陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器提供時(shí)間頻率和時(shí)間同步信號(hào),大大提升了終端系統(tǒng)性能。芯片原子鐘是當(dāng)前微時(shí)鐘發(fā)展重點(diǎn)方向,國(guó)外已具備規(guī)?；赡芰52]。微時(shí)鐘、芯片時(shí)鐘有利于實(shí)現(xiàn)小功耗的實(shí)現(xiàn)、多傳感器的集成,其精度較常用晶振高5個(gè)數(shù)量級(jí),準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性高,且具有守時(shí)功能。它主要由物理封裝、射頻模塊和伺服環(huán)路控制模塊組成,物理封裝部分是其最核心部分。近年來(lái),我國(guó)雖然芯片級(jí)原子鐘取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破,如真空泵、光隔離器以及組件集成等[55-56]。另外,芯片級(jí)光學(xué)原子鐘由于具有更高的頻率、更高的準(zhǔn)確度,能把時(shí)間分割成更小的單位,有一個(gè)“高品質(zhì)因子”,有望成為下一代芯片級(jí)原子鐘。其光學(xué)頻率梳連接了微波頻率和光學(xué)頻率,能夠?qū)⒐鈱W(xué)頻率傳遞出去,是實(shí)用化光學(xué)原子鐘研究的最核心技術(shù)[52]。

3.2.3 物理場(chǎng)信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

物理場(chǎng)信息實(shí)時(shí)測(cè)量包括重力測(cè)量、磁力測(cè)量和地形/地貌測(cè)量等,這些物理場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量是水下物理場(chǎng)匹配導(dǎo)航的三大關(guān)鍵技術(shù)之一[37-39]。海洋重力測(cè)量的實(shí)質(zhì)是相對(duì)重力測(cè)量,受到多項(xiàng)擾動(dòng)的影響,必須要對(duì)這些擾動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的高精度改正才能獲得高精度的測(cè)量值[37]。零漂是相對(duì)重力測(cè)量最大的影響因素,傳統(tǒng)方法是用絕對(duì)重力控制網(wǎng)來(lái)約束和改正,無(wú)零漂或低零漂的海洋實(shí)時(shí)重力測(cè)量與處理技術(shù)是重力匹配輔助導(dǎo)航的一項(xiàng)關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。重力梯度測(cè)量不受等效原理限制,也不受載體運(yùn)動(dòng)加速度影響,適合動(dòng)基座平臺(tái),并且可得到多個(gè)分量結(jié)果,也將成為動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)重力測(cè)量的有效手段。磁力測(cè)量的新型磁強(qiáng)計(jì)、原子磁力梯度儀器等新技術(shù),在高精度、小尺度磁場(chǎng)環(huán)境探測(cè)應(yīng)用發(fā)展方面潛力巨大[38]。此外,獲得三維、二維高精度海底地形、地貌的合成孔徑聲吶、干涉合成孔徑聲吶是地形匹配導(dǎo)航定位的另一核心技術(shù)[38]。

4 結(jié)束語(yǔ)

水下導(dǎo)航定位體系是綜合PNT體系的重要組成部分,與綜合PNT體系有著緊密聯(lián)系,應(yīng)遵循綜合PNT體系所要求的彈性PNT架構(gòu)、微PNT等要求。但由于水下環(huán)境特殊,建設(shè)難度大、技術(shù)復(fù)雜、花費(fèi)成本極高、并且用戶相對(duì)少,水下導(dǎo)航定位體系建設(shè)不同于服務(wù)陸地、海面、航空的PNT體系,有其特殊性,應(yīng)依據(jù)其特定用途合理按需建設(shè)。

水下導(dǎo)航定位的技術(shù)體系是以慣性導(dǎo)航、原子鐘為核心的多機(jī)理技術(shù)組成的技術(shù)體系,BDS等衛(wèi)星導(dǎo)航作為標(biāo)校技術(shù)支撐水下導(dǎo)航定位服務(wù),如此的技術(shù)體系設(shè)計(jì)確保了水下導(dǎo)航定位技術(shù)的多機(jī)理性。水下導(dǎo)航定位的信息源基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)為由服務(wù)于水聲導(dǎo)航的信標(biāo)網(wǎng)實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)于匹配導(dǎo)航的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施,以及支撐水下導(dǎo)航定位服務(wù)的平均海平面數(shù)據(jù)庫(kù)、水聲速度場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施組成。這些信息源基礎(chǔ)設(shè)施不僅強(qiáng)調(diào)其穩(wěn)定性和可觀測(cè)性,還應(yīng)充分考慮其網(wǎng)型優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理布局(分辨率)和冗余性。由于其基礎(chǔ)作用強(qiáng)、投資大、建設(shè)難度高,且涉及國(guó)家安全,水下信息源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)由國(guó)家、行業(yè)結(jié)合國(guó)家綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)綜合考慮。終端彈性化設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)遵循分層次集成、標(biāo)準(zhǔn)化接口、完好性監(jiān)測(cè)等原則的多傳感器彈性集成,以及強(qiáng)調(diào)函數(shù)模型下系統(tǒng)誤差彈性構(gòu)建和隨機(jī)誤差的自適應(yīng)調(diào)整的多源信息彈性融合,充分多源信息,滿足水下用戶導(dǎo)航定位服務(wù)服務(wù)的可用性、精確性、可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)健性等要求。

當(dāng)前水下導(dǎo)航定位彈性建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)不僅應(yīng)包括信息源組網(wǎng)布設(shè)技術(shù)、背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、物理背景場(chǎng)延托技術(shù)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)鍵技術(shù),還包括微慣性導(dǎo)航技術(shù)、微原子鐘技術(shù)、背景場(chǎng)信息實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)等水下定位終端關(guān)鍵技術(shù)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)展的重中之重,PNT終端關(guān)鍵技術(shù)是提升PNT優(yōu)良服務(wù)的用戶最直接的關(guān)鍵。