水下通信导航试验系统框架设计

吴富梅, 秦显平, 曾安敏

(1.地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054; 2.西安测绘研究所, 陕西 西安 710054)

海洋是人类生存、资源、环境可持续发展的重要空间和资源。我国是海洋大国,海岸线漫长,管辖海域广袤,海洋资源丰富,建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。《中国海洋发展报告(2013)》指出:“未来20年,中国大洋工作将立足资源,超越资源,以拓展国家战略发展空间,增加国家战略资源储备,推动深海科技达到世界领先水准,确立中国在大洋事务中的强国地位为战略目标”[1-2]。

随着人们海洋活动的日益增加,海洋保障、海洋安全及搜救执法、海洋资源环境调查与综合管理、海上生产生活及灾害防治等将对水下通信导航能力提出越来越迫切的要求。水下通信导航是综合导航定位授时(positioning, navigation and timing, PNT)的重要组成部分,是基于惯性导航、水声定位导航、物理场匹配导航、岸基无线电导航等多种不同原理的PNT信息源,经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据融合,为水下载体提供全时全域、实用有效、安全可靠的PNT信息服务[3-6]。

为了实现水下通信导航能力,各国都在开展相关试验系统研究。2001年法国ASCA公司设计了水下GPS目标跟踪系统,2002年德国Arstech公司开发了GPS浮标阵水下定位系统,2016年英国BEASystems公司在DARPA支持下研发了深海定位导航系统,俄罗斯圣彼得堡海洋仪器康采恩研制了水下GLONASS系统等[7-9]。近年来,国内科研团队面向综合PNT体系中的水下PNT系统建设需求,提出了构建水下通信导航试验系统的构想,主要目的是在局部海域建成相对完整的水下PNT基础设施,形成覆盖一定范围的高可用水下导航定位授时能力。水下通信导航试验系统借鉴我国北斗系统的特色功能和系统设计、运控部署的成功经验,以多种传感器为核心,建立水下PNT系统。水下通信导航试验系统主要包括观测系统、运控系统以及用户系统3个部分,其中,运控系统是整个水下通信导航试验系统运行、控制和服务的支撑平台,主要承担任务规划与协调、水下观测数据传输、汇集和处理、水下设备的运行管理和监控、用户任务需求受理等。水下通信导航试验系统将借鉴综合海洋声道及通导遥一体化深远海PNT基准及服务网、PNT服务终端技术、多源信息融合技术增强系统可用性、提高系统容错能力[2-3]。

本文以发展我国水下通信导航能力为目标,在介绍水下通信导航试验系统体系架构的基础上,阐述了其运控系统设计、组成及其功能,然后面向未来水下通信导航用户需求,重点分析了运控系统发展中需要攻克的关键技术。

1 水下通信导航试验系统体系架构

水下PNT体系是一个复杂而具有挑战的系统工程。构建水下PNT体系应结合国家发展需求以及技术发展水平,采用系统工程思想,遵循多元异质技术,充分借鉴北斗系统分阶段由区域到全球的发展思路,逐步由试验走向实用[7,10]。

水下通信导航试验系统整体规划需要考虑海洋导航定位基础设施建设成本和空天海PNT服务体系的兼容性,坚持与综合PNT体系协调有序发展的总体路线,实现多技术手段并用、基础设施和资源共享,解决从近海逐步向远洋乃至全球海域的有效覆盖问题。水下通信导航试验系统设计需要考虑现有水声导航通信技术能力,满足当前水下通信导航的基本功能,同时兼顾未来发展的可扩展性。

参考北斗卫星导航系统组成,将水下通信导航试验系统的结构设计为观测系统、运控系统以及用户系统3个部分(图1)。

图1 水下通信导航试验系统体系架构设计Fig.1 Architecture design of underwater communication and navigation experimental system

图1中观测系统主要由携载水声测距、时间同步等设备的海面浮标/水体潜标/海底基站组成,其功能类似北斗卫星导航系统中的空间段组成部分,为整个水下通信导航试验系统提供位置及时间观测信息;运控系统主要由信息处理系统和信息基础平台组成,其功能类似北斗卫星导航系统的控制段组成部分,为整个水下通信导航试验系统的运行控制及信息服务加工提供平台支撑和信息服务;用户系统主要由水声测距设备及搭载水声测距设备的水下平台组成,其功能主要是类似北斗卫星导航系统中的用户段部分,主要用来测试水下通信导航试验系统性能、开展系统示范应用。观测系统、运控系统以及用户系统之间的关系如图2所示。

图2 观测系统、运控系统以及用户系统之间关系Fig.2 Relationship between observation system, operation control system and user system

水下通信导航试验系统各组成部分采用统一的坐标系统和时间系统,建议坐标系统采用2000中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000),时间系统采用中国标准时间系统,使观测系统(海面浮标/水体潜标/海底基站)、用户系统(水下潜器等)以及运控系统的数据处理与服务产品具有统一的坐标基准和时间基准。

2 水下通信导航运控系统设计

运控系统是水下通信导航试验系统的大脑和中枢,主要任务是通过通信系统收集观测系统的工作参数、运行状态、观测数据等信息,并将收集到的各种信息进行质量控制、数据处理和监测分析,然后再根据需求将控制命令、状态参数、导航定位、时间、改正信息等通过通信系统发送到相应设备或者用户,同时完成状态管理、配置管理、故障管理、安全管理等工作(见图3)。

图3 水下通信导航运控系统设计Fig.3 Design for operation and control system of underwater communication and navigation experimental system

在数据存储、数据管理、网络安全、状态监控等基础技术的支撑下,优化水下通信导航试验系统的业务模式及信息流程,搭建运控系统信息处理系统,在试验区域实现多类型广播式与主动式协同弹性化的导航定位服务。

2.1 运控系统信息处理系统

水下通信导航试验系统中,运控系统的信息处理系统主要包括信息传输、数据质量控制、数据存储管理、数据处理、设备运行监控、数据应用服务以及系统运行监测等子系统。

信息传输子系统通过卫星通信发送浮标数据传输指令,实时获取浮标卡号、时间、经纬度坐标、航速、航向、电压、传感器工作状态等设备状态信息和水声测距信息、温盐深数据、海流数据等浮标挂载的各类传感器的探测数据;同时通过网络传输必要的海洋气象水文数据等。

数据质量控制子系统通过各类质量控制算法实现对水下观测原始数据的质量控制处理,包括相关性检验、连续性检验、等值检查等。

数据存储管理子系统将传输的浮标探测数据、地理信息数据和水文气象数据进行任务调度、数据整编归档入库,将结构化、半结构化和非结构化的数据通过数据复制、分库分表、读写分离等技术实现海量数据的集中存储和高效管理,并建立综合信息数据库。

数据处理子系统对海洋时空基准精密数据处理、水下导航定位服务产品构建以及海洋环境与海洋灾害监测等进行研究,构建海洋时空基准网络数据处理与海洋多源观测融合处理模型,为水下声呐高精度定位和水下导航等提供产品支撑。

数据应用服务子系统通过交互方式提取入库数据,实现数据的查询展示应用,系统通过不同查询条件,从数据库中进行相应数据的调用,供数据直接展示,同时提供给实时应用服务子系统、事后应用服务子系统进行相应的应用计算。

设备运行监控子系统通过所搭载电量监测计、压力传感器、温度传感器等实现对设备电量、周围环境、数据包缺失或数据包紊乱等信息进行精准监测,并发送指令对浮标、海底基站和潜标进行控制,以及接受来自浮标和指令进行分析并相应处理。

系统运行监测子系统对运控系统网络链路、网络资源、存储资源及业务应用的统一运维管理需求,实现对IT资源、数据资源、业务运行的状态采集、统一管理、全面监控、事件告警、应急处置、重点系统健康度分析、健康度预警以及总体运维态势展现等功能,并通过对业务关键性能指标的统计与分析,来帮助用户发现业务系统在运行过程中的问题与不足。

系统中的原始观测数据或者指令信息分别采用卫星通信、网络传输或离线拷贝的方式将数据或者信息传输给信息传输分系统;信息传输分系统汇集信息时,首先根据信息汇集频率不同分为实时信息汇集和文件(事后)数据汇集,主要包括信息指令、水声测距数据、浮标坐标序列、温盐深数据等,然后通过校验、加解密、解压缩等处理后传输到数据管理分系统的原始观测数据库中,并利用专业数据处理软件实现对原始数据的处理和产品加工,并将得到中间处理成果和产品成果分别存放到中间处理数据库、产品成果数据库。将需要分发共享的各类数据及订单明细单独存放,形成共享分发数据库;数据存储管理分系统实现对工程原始数据、中间数据、成果数据、共享分发数据、运维管理数据的存储及管理。用户通过数据共享软件完成对整个数据库的查询检索及各数据中心间的成果共享。设备运行监控子系统通过所搭载电量监测计、压力传感器、温度传感器等实现对设备电量、周围环境、数据包缺失或数据包紊乱等信息进行精准监测,并发送指令对浮标、海底基站和潜标进行控制,以及接受来自浮标和指令进行分析并相应处理。运行监控对整个系统的业务调度、软件部署、权限管理等进行控制,并对信息系统的概况和产出成果进行多样化的直观展示。整个流程见图4。

图4 运控系统信息处理系统流程Fig.4 Flow chart of information processing system for operation and control system

2.2 运控系统信息基础平台

水下通信导航试验系统中,信息基础平台是信息处理系统运行的软硬件载体,为保证信息处理系统的研制成功与可持续运行,在信息基础平台建设时应遵循先进性、高可靠、标准化、适用性、可扩展性、统一设计的原则。

信息基础平台采用“五横四纵”体系架构。“五横”为基础设施层、数据资源层、业务应用层、服务支撑层与用户层5个层次,自下而上提供综合服务;“四纵”分别为规程规范体系、安全保障体系、运维管理体系和系统管理体系,用以实现本系统从规程规范、安全管理、运维管理和建设管理等阶段全过程的质量保障,具体如图5所示。

图5 水下通信导航运控系统信息基础平台架构Fig.5 Design of information insfrastructure platform for the operation and control system of underwater communication and navigation experimental system

基础设施层由网络设备、主机设备、存储设备、安全设备等组成,为上层应用提供服务,为业务系统的运行提供基础支撑环境。

数据资源层主要通过构建水下通信导航试验系统的基础数据库,包含原始观测数据库、中间处理数据库、成果产品数据库,为数据汇集、处理等系统提供基础数据支撑;针对业务的流程构建包含共享分发数据库和运行管理数据库等的业务数据库,为系统提供业务数据支撑。

服务支撑层主要包括消息中间件、门户服务软件、数据共享交换平台、ETL工具、报表工具、空间可视化平台、服务集群管理软件等,为系统提供服务支撑。

业务应用层通过基础设施层和数据资源层,构建面向数据汇集、处理、分发共享服务以及数据管理和运行监控的应用系统。通过数据汇集、数据管理、数据处理、数据分发共享服务、运行监控5个分系统,实现对水下通信导航试验系统的接收、解析、存储、格式转换、处理、应用、分发共享服务以及全过程全流程的数据管理与运行监控。

2）农村公共服务供给制度的构成和分类。汪杰贵等［18］认为，农村公共服务供给制度应当涵盖农村公共服务的供给主体结构、供给决策制度、供给筹资制度、提供制度、生产制度和分配制度等6个方面。林耘［19］根据农村公共服务提供者和生产者的不同，将农村公共服务供给制度分为4种基本类型，公共服务提供者和生产者都是公共部门的政府直接供给方式；公共服务提供者和生产者均为私人部门的纯粹市场供给方式；提供者是公共部门、而生产者是私人部门的政府间接供给方式，如合同外包、特许经营和凭单制等；生产者是公共部门、提供者是私人部门的政府出售方式。

3 水下通信导航运控系统关键技术

随着水下通信导航需求的不断提升、水下传感器技术的不断发展、多源融合算法的不断改进,水下通信导航系统性能将不断提升和发展。随之,对水下通信导航运控系统也提出了更高要求。运控系统的设计应围绕“协同、可靠、安全、稳健、优化”等目标,着眼提高运控系统运行速度和效率、降低系统安全风险、增强系统服务能力,涉及的关键技术主要有空天地海一体化通信技术、基于云平台的数据处理技术、基于人工智能的复杂系统任务调度技术、基于区块链的数据安全共享技术以及弹性化服务技术等。

3.1 空天地海一体化通信技术

水下通信导航是综合PNT的重要组成部分,水下通信导航的空间基准、时间基准都需要通过通信网络向海面以及空中进行溯源,因此水下通信导航的通信网络是联合水下-海面-空中建立的立体通信网络[1],其中水下通信网络是实现数据通信、完成整体认知的关键一环。水下通信网络可以为如下类别[11]:1)有线网络,包括海底电缆网络系统、舰船及港口光纤网络系统;2)非声通信网络,包括激光和电磁波远程通信;3)水声通信网络。相比于有线网络,无线网络在经济性和服务范围方面具有绝对优势,且在大多数场景下声波优于无线电波、低频电磁波和光波,因此声波仍然是当前最有效的手段[11]。

水下通信导航系统的通信网络包括3个部分:空间网、海面网和水下网。空中网主要由不同轨道上的各种卫星,如 GEO、MEO、LEO、高空气球等空中通信设备组成,覆盖范围相对较广,可以获取实时的不同维度的空间信息,并对收集到的信息进行传输和处理[12]。海面网由同时具备与空中网和水下网进行通信功能的海面浮标组成,如利用水声通信功能与北斗系统全球双向短报文通信功能,通过海面浮标建立与北斗卫星通信链路可将水下信息传递至全球用户。水下网由带有水声通信功能的水下基准站或者潜标组成,不但具有远程传输信息的收发能力,同时也实现了各基准点时空基准信息、空间观测信息的互联互通和共享,为高精度基准点的维护和覆盖水域高精度的位置服务提供了支撑[1]。

3.2 基于云平台的数据处理技术

水下通信导航运控系统承担着信息传输、存储、处理、分发、共享、监控等任务,随着海洋试验系统由局部区域走向大范围海域全球海域水下PNT系统管理及服务,管控对象和用户也会随之越来越多,运控系统涉及的链条环节会急剧增多,工作流程会日益复杂,对数据处理速度和效率要求会越来越高。

随着互联网信息技术的不断发展,云平台应运而生,成为目前十分重要的数据信息整合存储平台,为解决大规模数据计算提供了便利[13-14]。虚拟化是云计算的基础,目前已在水下通信导航运控系统中采用了虚拟化云平台技术。在虚拟化套件场景,通过虚拟化技术将物理服务器进行虚拟化,具体为CPU虚拟化、内存虚拟化、设备I/O虚拟化等,实现在单一物理服务器上运行多个虚拟服务器(虚拟机),把应用程序对底层的系统和硬件的依赖抽象出来,从而解除应用与操作系统和硬件的耦合关系,使得物理设备的差异性与兼容性与上层应用透明,不同的虚拟机之间相互隔离、互不影响,可以运行不同的操作系统,并提供不同的应用服务。系统逻辑架构如图6所示。

图6 虚拟化云平台逻辑架构Fig.6 Virtual cloud platform architecture

下一步随着水下通信导航运控系统的发展,将充分发挥云平台的特色和优势,降低对计算机硬件配置的需求,减少对较大计算内存和更高性能处理去的依赖,依托线上计算,突破时间和空间的限制,实现方便、快捷的数据存储、管理、处理和服务。

3.3 基于人工智能的复杂系统任务调度技术

2017年,国务院印发的《新一代人工智能发展规划》[15]提出的战略目标之一是,到2030年,在人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平,成为世界人工智能创新中心,在类脑智能、自主智能、混合智能和群体智能等领域取得重大突破[16]。人工智能在众多领域展现出令人期待的发展潜力,在运控系统的质量控制、自主监控、任务规划、资源分配等方面,通过采用智能技术,有望提升执行效率和资源利用率[2]。

3.4 基于区块链的数据安全共享技术

2015年,在美国定位、导航与授时咨询委员会(positioning, navigation and timing advisory board, PNTAB)第十六次会议上提出了可信PNT的概念。可信PNT是综合PNT体系的安全保障,可信PNT可划分为数据可信、主体可信、环境可信、行为可信等部分[17],其中数据可信是关键核心。水下通信导航运控系统的运控对象主要包括海面浮标、水下基准站和潜标等,其观测数据非常重要,如果被修改、删除或窃取,将造成重大国防和经济损失。

随着安全可信问题的重视度提升,伴随着金融行业的发展,区块链技术引起学者的广泛重视。区块链是一种去中心化的分布式数据库,其本质是通过加密、共识和分布式存储等技术手段,实现对数据的安全验证、透明性和可信性。区块链技术是以区块链作为数据结构,将记录以块的形式链接在一起,并通过网络中的多个节点共同维护和验证这个分布式数据库的一致性[17]。PNT体系为了保证安全需要要去中心化数据存储[18],同样地,水下通信导航系统也可利用区块链技术解决可信问题。

水下通信导航运控系统通过在不同的地点建设数据维护节点,同时将水下数据作为去中心化数据库接入至节点。每个节点就是一个“区块”,而地理位置标记的区域地理信息就是“账本”[17]。水下用户可以向任何节点传输新的数据,并广播给其他节点以验证信息的安全性与合法性,信息一旦确认就可以加入到“链中”,最后形成整个水下通信导航试验系统的“信息账本”,用户使用时根据地理位置调取节点相关信息。由于不同节点间互相备份互信,这样即使某一节点遭遇突发,也不会影响系统运行,即可实现水下数据可信以及安全运行。

3.5 水下通信导航弹性化服务技术

水下通信导航系统具有能源供给困难、海洋环境误差影响大、水下通信难度大、信号损失严重等诸多难点,这导致水下通信导航服务范围有限、服务类别复杂、服务难度加大[19]。

受信号空间分布和建设成本所限,海底声呐很难实现数百公里到上千公里大范围的高精度导航定位信号覆盖,因此水下通信导航信息源建设很难做到全球海域覆盖。为有效发挥水下通信导航应用效能,针对目前水下导航以惯性导航为主的现状,考虑采弹性化的“接力式”布设模式(图7),在研究惯性和水声组合定位模式及误差特点的基础上,分析确定不同水下通信导航试验系统的点组之间距离,对信息源配置进行整体优化设计,实现信息源对长航时惯性导航的标校。

图7 “接力式”水下导航定位服务模式示意Fig.7 Schematic diagram of the “relay type” underwater navigation and positioning service mode

水下通信导航信息源的布设,是系统建设工作中的一个极为重要的环节。通过布放施工,将海面浮标/水体潜标/海底基站按照设计站点进行布设施工,使海底基准站设备按设计要求精确地布设在指定位置,确保观测系统能够安全、稳定地长期运行。

同时,在水下通信导航运控系统,考虑采用“唤醒式”水下导航定位弹性化服务模式,主要包括广播式、主动式、精密导航定位等导航定位服务,与多频信号相结合,既解决海底基准站的能源供给问题,也确保水下用户导航定位的安全性。广播式服务模式类似北斗系统通过卫星发送广播星历进行广域导航的服务模式[20-22],主要是在一定服务范围内为集群用户提供通用导航定位服务;主动式服务模式类似北斗系统的RDSS服务模式,用户通过运控系统发送服务请求,运控系统根据请求将服务信号发送给用户实现导航定位;精密导航定位服务模式本质上也是一种主动服务模式,类似北斗差分高精度服务模式,通过这种方式可以实现较高精度的服务。与北斗系统不同的是,水下用户数量较少、服务环境更为复杂,同时为了节约能源、减小设备损耗,无论是广播式、主动式还是精密导航定位服务模式都需要用户进行申请服务。

4 结束语

水下通信导航试验系统是面向综合导航定位授时体系中水下通信导航系统建设需求建立的通信导航试验系统,主要目的是在局部海域建成相对完整的水下通信导航基础设施,形成覆盖一定范围的高可用水下导航定位授时能力。水下通信导航运控系统是整个系统运行、控制和服务的支撑平台,是水下通信导航试验系统的大脑。本文在介绍水下通信导航试验系统体系架构的基础上,阐述了水下通信导航运控系统中信息处理系统和信息基础平台的架构和流程,然后针对未来北斗运控系统的发展,围绕“协同、可靠、安全、稳健、优化”的目标,着眼提高运控系统运行速度和效率、降低系统安全风险、增强系统服务能力,重点分析了空天地海一体化通信技术、基于云平台的数据处理技术、基于人工智能的复杂系统任务调度技术、采取区块链技术建立多节点数据安全共享以及“唤醒式”的弹性化服务技术,为下一步水下通信导航运控系统提供参考。