浅析水下PNT体系及其关键技术

许江宁

(海军工程大学导航工程系，武汉 430033)

浅析水下PNT体系及其关键技术

许江宁

(海军工程大学导航工程系，武汉 430033)

针对水下用户进行了梳理与分类,分析了水下用户对于PNT服务的需求,以及当前水下PNT体系的能力水平距离满足用户长期需求存在的差距。阐述了当前国际上水下PNT体系的建设现状,以及部分国家对于PNT体系建设的规划。在此基础上,分析了未来水下PNT体系的发展方向。最后,从水下PNT特殊性出发,总结归纳了包含惯性、重力/地磁匹配、水声导航、水下PNT能力评估等技术内容的水下PNT关键技术。

水下;定位;导航;授时;PNT

0 引言

定位、导航与授时(Positioning Navigation and Timing, PNT)技术是交通、电信、电力以及基础科研等领域必不可少的元素[1-3,5,6,13]。随着卫星导航系统的建设和发展,国际上正逐步形成以卫星导航系统为核心的天基PNT系统,PNT服务也由此带来了革命性的变化。但由于卫星导航系统固有的脆弱性制约了水下PNT的可用性和稳健性[1,3,4,14,15]。因此,必须构建具有特色的水下PNT体系,为水下运载体提供实用有效、安全可靠的PNT服务,进而满足国家安全、经济、科研和商业的需要[16-23], 形成符合国家信息化建设实际需求的水下PNT服务信息基础设施。在遵循国家经济和技术发展规律的基础上,以满足水下应用需求为目标,以渐进式的方式来构建一个完善的水下PNT体系,是世界各国,特别是经济、科技强国近年来十分关注的问题。

本文将对水下PNT的用户需求,以及当前PNT体系服务能力与需求的差距进行分析。系统阐述当前国际上在水下PNT技术探索方面所做的工作。在此基础上,分析了水下PNT体系的未来发展方向。同时,对水下PNT的关键技术进行了阐述。

1 水下PNT体系概念界定与需求分析

水下PNT通俗地说,就是在精确时间轴上,解决水下载体在哪、去哪和怎么去的问题。我们首先对水下PNT的概念内涵作如下界定[5,6]:

P(定位技术):通过多种技术手段在水面、近水面或水下状态获得载体满足安全航行的实时三维位置信息;

N(导航技术):通过多种技术手段在水面、近水面或水下状态下获取实时姿态、速度、加速度、角速度等载体运动信息,并获取必须的海洋环境信息,完成载体满足安全航行所需的航路规划等任务;

T(授时技术):通过多种技术手段在水面、近水面或水下状态接收准确的时间信息,保持并传递到各用户。

通过对目前常见水下PNT用户的梳理与分析,可以将水下PNT用户可大致归纳为以下三大类:

1)水下作业平台:水下潜器、水下无人平台、打捞救生以及深海工作站等;

2)水中兵器;

3)水下探测:海洋环境探测、海底地形测绘、海洋调查、深海资源开发、声学信标以及各类综合信标等。

以上三类用户对水下PNT技术需求主要体现在以下三个层面:

1)满足水下载体安全航行的需求。对于水下载体,其运动剖面的核心内容主要包括水下三维航路规划以及基于任务结合的辅助决策。为保证水下载体航行安全,要求惯性导航系统、组合导航系统等设备具备长航时、高精度、高可靠的导航定位、定向能力。

2)保障水下作业平台各类任务的实现,以及为水下载体特定任务的达成提供PNT信息保障。水下载体为完成特定任务,需要作为基准信息主要来源的水下载体惯性导航系统、组合导航系统必须能够实时、高精度输出水下载体运动状态测量信息。

3)水下协同的PNT基础信息支持。基于时空统一的水下PNT应向水下载体编队聚焦,将海区内各载体平台联接为一个集成网络,利用分布于海区内的各平台传感器形成精确、实时、统一的海区态势图,利用各平台PNT基础信息支持实现时空统一和信息实时融合。

2 水下PNT体系能力差距及发展方向

2.1 水下PNT体系能力差距

目前,国内外水下PNT体系的建设水平尚不能满足水下用户的需求,主要表现在:

1)水下定位手段有限。无线电类、光学类导航难以利用;北斗、GPS等卫星导航系统和导航雷达等无线电助航设备等导航设备水下无法使用。甚低频无线电定位系统和长波水下定位系统精度有限。水声类和重力、地磁等地球物理场类导航技术尚不成熟。只有美国等极少数国家能够实现地球物理场匹配导航[24],而且匹配精度方面鲜有文献报道。因此,从整体上看,声学及物理场匹配导航的核心测量设备关键技术还有待突破,商用系统应用尚未普及。基础海洋物理场信息建设滞后等使上述技术离实际应用尚有较大距离。惯性导航仍是目前水下导航定位的主要手段。尽管近年来,惯性导航得到长足发展,但尚不能完全满足长航时全海域高精度自主定位的要求[7]。

2)水下导航能力有限。导航助航设备的研究和应用不足;图像声纳、水文测量设备等助航设备尚无法满足水下导航需求;海洋地球物理场测量与数据库建设有待加强,水下三维电子海图的构建滞后;主要海域、极区等全球复杂海域的水下导航技术研究滞后,单纯依靠水下导航定位技术实现全球到达的能力不足。

3)当 PNT 性能下降或提供错误引导信息时,不能以要求的时效性通知用户。

4)缺乏地球空间信息。这种情况在航空、地面、水上和水下航行时都有。可靠的地理空间信息会向用户提供到达目的地沿路的环境,这对正确使用导航信息是必要的。

5)水下PNT顶层规划和评估能力不足。水下PNT建设是综合性极强的重大工程建设,具有跨专业交叉、跨领域交叉的鲜明特点。与测绘、通信、探测、海洋工程等多个专业领域深度关联,涉及多种应用。目前,国内外对水下PNT精度的评估能力尚有待加强,还需要建立规范的评估方法,并构建严谨的评估体系。

2.2 水下PNT技术研究现状及发展方向

针对目前水下PNT服务能力相对于需求的差距,世界各国都在进行相关研究工作,以美国为代表的部分经济、科技强国也对未来PNT体系的建设方案作出了计划。其中,完善水下等GPS拒止环境下的PNT服务能力建设是重点关注的内容之一。

2008年,美国国家安全航天办公室制定发布了《国家定位导航授时(PNT)体系结构研究最终报告》[20],报告分析了PNT服务的长期用户需求与当前PNT体系之间的矛盾,阐述了2025年前美国PNT体系建设及转型的方案。报告中明确指出需要提升PNT体系的自主工作能力,采用功耗低、自主性强的技术途径,使得PNT系统具备抵抗物理干扰和电磁干扰的能力。

图1 水下定位导航授时技术体系构想Fig.1 Illustration of underwater PNT system

为提升PNT体系的自主工作能力,以美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)为代表的多家机构开展了研究工作[21-22]。从2010年起,DARPA启动了多项GPS拒止环境下的高精度PNT技术研究项目。2014 年7 月,DARPA发布了其正在发展的5 项不依赖 GPS 的高精度PNT技术研究项目,主要包括:定位、导航与授时微技术(Micro-PNT);自适应导航系统(ANS);量子辅助传感与读出(QuASAR);超速激光科学与工程(PULSE);对抗环境下的空间、时间和方位信息(STOIC) 项目。

这些方案的制定以及项目的开展,将对美国水下PNT体系建设提供重要的指导意义和推动作用。

法国在水下定位导航技术领域也有深厚的积累,以IXSEA公司为代表的多家机构对惯性技术、声学定位等水下PNT体系中的关键技术开展了长期研究。2009年,IXSEA公司就结合惯性导航系统PHINS和声学导航系统RAMSES开展了水下组合定位的实验[23],在130km的航线上,得到了最大定位误差不超过14m的实验结果。

在PNT体系建设方面,俄罗斯、中国、日本、印度以及欧盟等正逐步完善自身的卫星导航系统,世界各国也在结合自身实际,发展卫星导航的增强系统。例如,美国的WAAS、LAAS和MDGPS,欧洲的EGNOS,印度的GAGAN,日本的MTSAT。同时,各国也通过发展惯性导航、声学导航等技术,逐步完善自身的水下PNT体系。

通过对当前水下PNT技术的发展水平的分析,结合各国对于自身PNT体系建设,特别是水下PNT体系建设的规划,在对水下PNT体系的需求、用户的种类等问题进行思考的基础上,可以对未来水下PNT体系的发展方向进行分析。为了满足未来水下PNT用户的长期需求,我们可以将水下PNT体系按照应用层分为四类,如图1所示:1)水下PNT基本架构,包括水下通过自主型、传感器辅助型、数据融合型等方式可提供水下PNT服务的技术;2)水面/近水面航行水下PNT架构,包括水下载体作业或执行任务时允许航行在水面、近水面等航行状态时,可提供水下PNT服务的技术;3)水下应急PNT架构,当水下潜器受环境制约无法上浮,为了保证航行安全或执行任务时,可提供水下PNT服务的技术;4)水下PNT评估架构,可对水下PNT建设的能力和效能进行评估和分析。

3 水下PNT关键技术

水下PNT的主要特点是工作环境为水下,主要问题在于不能直接利用卫星信号进行定位、导航与授时。因此，水下PNT的关键技术有别于一般PNT体系的特点。如图2所示,总体可分为自主型和非自主型两大类,具体包括惯性、重力/地磁匹配、水声导航、水下PNT能力评估等技术内容[7-12],现择其要者简要阐述技术内容及需要探索研究的内容。

图2 水下PNT若干关键技术Fig.2 Key technologies of underwater PNT system

1)惯性技术

需针对激光陀螺技术、光子晶体光纤陀螺技术、谐振式光纤陀螺技术等新型光学陀螺进行研究,在此基础上开展新型光学陀螺惯性导航系统技术研究;新型自补偿惯性系统技术研究;面向超高精度长航时惯性导航的需要,研究新概念的原子陀螺仪及其系统技术,明确原子自旋陀螺仪和原子干涉陀螺仪的技术方案及其技术难点,探索原子陀螺仪惯性导航系统中总体方案及其难点;采用惯性导航系统/天文多传感器信息进行智能融合,在一定最优估计准则下,进行最优估计,考虑通过引入系统重构和自适应信息分配策略提高系统的惯性系统的精度和可靠性。

2)惯性/重力/计程仪融合的组合导航定位技术

在对导航数据库的建立、匹配准则、匹配方法的研究基础上,基于组合导航数据融合技术,将重力匹配定位提供的匹配位置、计程仪测量的载体速度作为外部更新信息,通过建立组合导航Kalman滤波器,将载体的位置、速度及惯性传感器的误差作为待估的参量,对INS系统的误差进行估计,在INS/重力/计程仪组合定位导航系统中得到稳定的导航解。

3)绝对/相对重力仪、重力梯度仪及动态测量技术

动态重力场测量技术和仪器是建立导航背景场数据库、实测测量重力场、重力匹配定位的必备基础技术之一。目前海洋重力测量使用的都是相对测量型的海洋重力仪,存在较大的零漂,传统的相对重力测量用码头附近的绝对重力标准点来约束和改正重力仪零漂,无法满足水下实时测量等特定环境下的测量要求,因此应该开展对无零漂的海洋绝对重力测量的研究。此外,重力梯度测量从原理上来说不受等效原理的限制,也不受载体运动加速度的影响,更加适合于动基座测量,是未来重力测量发展的重要方向之一,资料显示,目前世界上正在研制中的重力测量仪器70%以上是重力梯度测量仪器。此外,重力梯度测量可以得到多个分量的结果,信息的丰富和冗余也更适合于匹配定位,因此应该开展对重力梯度测量技术的研究。

4)新型磁强计及其匹配导航技术

需针对高精度、高分辨地磁匹配导航,研究原子磁强计、原子磁力梯度仪等新技术及其发展潜力,并进一步研究地磁场小尺度高精度时空分布以及载体磁场环境综合补偿技术;针对目标区域地磁图难以实地测量、大范围地磁基准图难以获取条件下,研究未知环境中惯性/地磁匹配组合导航方法。

5)基于干涉合成孔径声纳的水下声学定位导航技术

需研究实用性地形匹配导航处理技术,主要是研究基于合成孔径声纳/干涉合成孔径声纳获取的二维和三维声图和已知的数字海底地形数据库的快速精确匹配处理算法,实现水下航行体的快速定位导航。该研究是水下地形匹配定位导航技术的另一核心技术,是完成从高分辨二维和三维声图向水下航行体定位导航信息快速转化的重要途径。另外，研究地形跟踪与障碍物避碰技术是避免水下航行体因水下地形急剧变化或存在悬浮物、障碍物而导致的定位导航失效问题,及时发现、及时处理,保证复杂地形下的定位导航能力。

6)水下长波信号接收技术

由于长波信号具有一定的入水深度,因此,可以使水下授时用户,在不浮出水面的情况下,进行授时信号接收,但由于水下与水上信号接收具有较大差异,故需要对长波信号的水下接收技术进行研究,主要包括长波磁天线技术、色散效应补偿技术、低信噪比条件下信号捕获和跟踪与授时信号提取技术等。

7)水下定位导航授时能力评估技术

水下定位导航授时能力评估技术是一种综合性技术,主要包括水上通信链路构建技术、水下通信链路构建技术、水下定位技术等基础性技术研究,并开展系统仿真验证技术和原理验证系统研究等；开展水下卫星定位导航授时技术仿真验证系统的研究,研究可扩展、可调整的水上通信链路、海洋环境、水下通信链路的综合仿真技术,验证水下卫星定位导航授时技术路线的可行性与技术效能；开展海上区域范围原理验证系统研究,选择海上试验地点,确定定位长基线网布放形式,研究定位基元的硬件集成方案、差分基准站与地面监控中心的实现方案,研究分析海上试验结果与仿真结果的误差及所提技术指标的准确性。

4 结束语

水下PNT技术是认识海洋、经略海洋的基本信息保障。随着人们海洋活动空间维度的增加,针对海底测绘、深海探测、考古探险、矿产勘探、资源开发及水下航行器运行等活动日益频繁。我国正在由平台建设向体系建设转型,护航、撤侨、搜救、联演、出访等使命任务不断拓展。军民应用领域均对水下PNT技术提出了更高的要求。开展水下PNT技术研究是我们当前和今后相当长一段时间内的重要任务。本文从水下PNT用户需求与水下PNT能力差距分析入手,阐述了国际上水下PNT体系的建设现状,以及未来发展方向。可供参考。

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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。

国家重点研发计划(2016YFB0501700，2016YFB0501701)；国家第二代卫星导航系统重大专项(GFZX0301040303)

许江宁(1964-),男,教授,博士生导师，主要从事国家综合PNT体系与技术及惯性技术的研究。E-mail:xujiangning@hotmail.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.001

U666.12

A

2095-8110(2017)01-0001-06