广播式远程精密水下导航定位技术

刘杨, 曾安敏, 郑翠娥, 江鹏, 刘焱雄

(1.自然资源部第一海洋研究所 海洋测绘研究中心, 山东 青岛 266061; 2.西安测绘研究所, 陕西 西安 710054; 3.哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001; 4.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉 430079)

海洋时空基准是全球时空基准的重要组成,也是海洋强国战略的重要支撑[1-2]。面向海洋安全保障、海洋资源开发、海洋环境观测等国家重大需求,水下定位、导航与授时(positioning, navigation and timing, PNT)是最为基础的技术支撑和应用保障。水下导航定位已成为海洋资源调查、海洋环境监测、海底大地测量学研究的重要技术手段,广泛应用于海洋石油勘探、板块运动监测、目标探测识别、海洋时空基准维护、海底工程建设等。

目前全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)等空间大地测量技术建立了涵盖近地空间和地表(包括海洋表面)的统一时空基准。然而,受到理论、技术和成本的限制,海洋尚缺乏统一的水下(包括海底)时空基准,相关水下导航定位技术方法也有待突破。当前全球主要海洋强国大力构建空天地海一体化的时空基准、研发海洋PNT技术。美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)研制了水下导航定位系统POSYDON(positioning system for deep ocean navigation),利用海底的水声信标作为“水下GPS星座”,为潜航器提供无需浮出水面的位置标校[3]。俄罗斯也开启新型水下导航系统研究[4]。日本的地震海啸实时观测网(dense ocean floor network for earthquakes and tsunamis, DONET)实现了厘米级海底定位[5]。另外,美国、加拿大和欧洲的海洋观测网,都离不开海洋PNT技术支撑。

我国正推进以北斗为核心的国家综合PNT系统(国家综合时空体系),而水下导航定位是全空间PNT体系的重要组成,当前我国水下基准和水下导航定位技术滞后于经济社会发展和国防需求,亟待研发新型水下导航定位方法和技术[6-8]。近年来,我国海洋大地测量基准与海洋导航技术方面取得重要进展,但在水下PNT技术体系、基站服务范围、导航通信模式、环境适应性等相关技术方面尚存在短板,制约了水下远程精密导航定位的应用场景。

因此,探索一种类似于GNSS模式的水下PNT技术,研究水声导航定位信号体制和水下远程精密位置服务方法,构建局域和广域水声传播误差改正模型,解决水下导航定位服务范围小、用户容量少、精度低等难题,不仅能发展水下PNT方法体系,也能支撑国家综合PNT重大工程建设,具有重要的科学意义和应用价值。

1 水声导航定位问题

受到海水的衰减和阻隔,卫星导航定位(GNSS)信号无法用于水下及海底的导航定位。水下导航定位技术主要有声学、惯性、匹配(地形、重力、磁力等)等。受制于技术本身的缺陷,惯性导航存在漂移、需定期标校,匹配导航需要背景场和特征环境、匹配误差大、可用性低。目前,声学是水下导航定位主要的技术方法。然而,水声导航定位中存在基站服务范围小、作用距离短、终端用户容量小、定位精度低的问题,具体如下。

1.1 水声导航定位信号体制及其服务范围

现有声学定位系统的服务范围和作用距离有限,主要受制于水声信号性能以及基站信标距离海底的高度。海洋环境的复杂性与声波的时空变化给水下导航定位技术的应用带来巨大挑战[9-11]。水声信道具有时空变化特性,声信号经过水声信道传输会出现多普勒效应、多径效应等现象。在水声信号性能方面,根据海水声场特征,不同频段的水声具有不同的定位精度和作用距离。传统水声定位系统的工作频率一般在18～36 kHz,属于中频段,在理想的工作环境条件下,有效作用距离为2～3 km,工作水深可以达到3 km[12];而中低频段声波(例如8～16 kHz、2～4 kHz)虽然测量精度有所降低,但在水中传播的衰减小,作用距离远,可达十几至几十千米[13-14]。基于同步式的水下定位导航系统,为了实现广域远程覆盖,通导一体化信号体制设计可保证设备的小型化和低功耗应用需求,是最终实现高精度服务用户能力的关键技术。

针对水下测距与通信一体化的实现方式主要有时分工作方式和频分工作方式2种。时分工作方式利用不同的时隙分别发射通信信号与测距信号进行数据处理[15-16]。频分工作方式将发射端的测距与通信信号选取在不同的工作频段,在接收端经过带通滤波器后分别对测距信息与通信信息进行处理[17]。对于资源紧张的水下导航通信节点,2种信号体制不仅时效性差,而且占用较多的水声带宽,不能满足水下潜航器实时定位需求。同时随着水下潜航器技术的发展,对潜航器在水下工作时间、工作效率与航行速度上均提出了更高的要求。当潜航器航行速度较快时,多普勒不断变化将严重影响信号的载波同步与信息恢复,上述基于时分与频分信号体制的多普勒补偿算法难以满足高动态水下潜航器导航的需求。

随着卫星导航理论的发展,无线电领域出现了大量能够在高动态背景下实现精确、快速获取定位与通信信息的算法,但遗憾的是这类算法并未在水声领域得到应用和改进。近期,英国Sonardyne 公司宣称采用其第六代宽带信号技术,在其系统覆盖范围内服务无限多的用户数量。随着远距离、高精度的深海应用的增加(例如编队协同导航、海底资源勘探、近底多波束测量等)和海洋噪声水平逐渐增加的基本态势,需要提升声呐水声信号测距和通信能力。因此,研究“广播式”水声测量技术,在增加终端用户容量、增强抗干扰能力的同时,有望实现长距离、高精度定位[18-20]。

在基站信标距离海底的高度方面,目前的水下声学定位系统中,为适应海底底质稳定性和海流冲击影响,保持结构稳定,海底基站信标高度一般为2～3 m。为了基站之间相互测距与通信,考虑到声线弯曲(贴近海底)的影响,基站之间距离一般只设计为约1 km。研究表明,为保持水声信号互通,海底基站之间距离每增加1 km,信标的高度需提高约3 m[21],这大大增加了基站建设的难度和维护成本。在这种配置下,水下定位系统如果要服务大范围(例如几十千米)的用户,则需要建设大量基站并进行位置标校作业,成本高、效率低。因此,需要研究相应的基站布网解决方案,以节约成本,提高效率,保证可靠性和精度[22-24]。

1.2 水下声学定位模式及其应用需求

水声定位系统主要有长基线、短基线、超短基线及组合定位系统,按照信号触发方式可划分为声学应答触发(应答式)和同步脉冲触发(同步式)[10-11]。前者要求用户终端发射询问信号,基站应答器收到此信号后发射应答信号,终端通过测量询问信号与应答信号的总传播时间,确定自身位置;后者需要在基站信标和用户终端之间维持高精度的时钟同步,基站信标按预定的间隔定时发射信号,终端根据信号发射时刻到接收时刻的时延确定自身位置。

由于应答式有源定位的固有缺陷,终端用户数量受限,不适应大量水下作业目标的同步工作和隐蔽性要求。同步式水声定位是解决这一问题的有效途径,但需要解决水下高精度、低成本的时间同步技术难题。海底基站在布放之前,一般利用外部同一时钟源(如GNSS授时)进行时钟偏差校准,校准完毕后多个海底基站之间的时钟可认定是严格同步的(偏差在纳秒量级)。但是随着时间累积和水下温度、磁场等环境差异,不同海底基站之间的时钟偏差会逐渐增加。为保证终端定位精度,需要修正海底基站之间的时钟偏差,以保证海底基站节点时间同步。近年来水下声呐时间同步方法的研究取得了一定进展,包括TSHL[25]、MU-Sync[26]、Mobi-sync[27]、多普勒辅助同步[28-29]等,但仍存在显著问题,包括节点移动问题、计算量庞大、设备部署成本增加等。鉴于海底基站布放完成后抵近介入维护比较困难,需要研究高效精确的水下基站之间的时间偏差修正方法。

1.3 声速时空变化误差及其对定位精度影响

水声导航定位通过距离交会确定位置,而精确的距离需要声信号精确的传播时间和速度。若水声定位系统的时间同步精确,且声信号在海水中的传播时延测量准确,则声速成为影响测距的主要因素。声速是温度、盐度和压力的函数,利用经验公式可将温盐压转换为声速。由于影响声速的3个因素温度、盐度和压力都随深度变化,因此可综合地将声速视为一个深度变量的函数,并假设每层内的声速相等或者垂直梯度相等,即分层介质模型。然而,海洋环境的复杂变化导致声速在时间和空间上的显著变化,分层介质模型仍有较大误差,尤其是在1 000 m以浅的上层海洋。其中,长周期误差接近潮汐周期[5],海洋内波的周期从数分钟到数小时(一般在浅海),或者半日到日周期(一般在深海)[9]。受到潮流、海流、温盐分布不均等影响,海洋声速水平方向具有明显时空变化,但目前的水下导航尚未充分考虑。因此,需要结合区域潮汐海流水文特征,精确确定声速不同时间、深度和水平位置的变化,即三维时变。

目前海洋声速由声速剖面仪(SVP)或温盐深仪(CTD、XCTD)原位测量或声速场模型得到。SVP或CTD测得的声速剖面存在测量误差,并且不能进行足够高时空分辨率的采样;声速场建模是利用历史观测或解算的声信号,根据声传播模型反演声速场参数,并建立相应的时空模型,存在模型误差。对于水下厘米级至分米级高精度定位而言,原位测量和声速场模型均不能提供高时空分辨率的精确声速[30]。海洋数值预报模式(例如HYCOM、FIOCOM、WOA等)与区域实测声速融合,可以构建优化声速场模型[31-32]。因此,需要深入研究多源数据自适应融合处理的声速场构建方法。

在此基础上,利用基站网之间的时延测量和基站网与用户终端之间的时延,能够反演获取精细声速结构。水声信号传播时间不仅包含了距离信息,还包含了信号传播路径的声速信息。基于此,国内外学者为获取更为精细的声速进行了深入研究。声速时变误差可以在声速平滑变化假设下,利用二次多项式、三次B样条等作为基函数,由迭代基站位置估计残差提取或一同进行参数估计[33-34]。然而,这些方法只考虑了声速的垂向分层介质模型,并未估计水平方向变化,导致声速水平误差被垂向声速的时变参数吸收,降低了定位精度。声速水平梯度影响水声定位精度,尤其对于大范围水下定位服务,需要考虑声速水平梯度。在GNSS-声学定位中声速水平梯度可由时延残差提取或参数估计[35-38]。假设从海面到任意水层中存在空间均匀分布的慢度(速度倒数)梯度,声速的三维时变误差可通过慢度模型估计[39-41]。借鉴GNSS对流层延迟估计方法,利用声速天底总延迟与映射函数,可以构建表征信号传播方向声速变化的模型[42-44]。

然而,对于不同深度长距离精密导航定位,海洋声速误差层析反演仍有诸多问题需要深入研究解决,包括构建分层投影函数、慢度模型、区域格网及声速误差层析方程等。借鉴GNSS水汽层析方法,基于天底总延迟与慢度模型,可进一步推导信号路径上的声速变化。因此,需要研究利用海洋水文环境信息作为背景场构建声速场,以声速时空变化与信号传播时间的关系为基础,优化声速误差层析反演与修正方法,从而为基站服务区域水下导航定位提供精细化的声速误差改正。

综上所述,目前高精度水声导航定位中存在问题体如下。

1)基站服务范围小,作用距离短。根据海水声场特征,不同精度需求和作用范围采用不同的声学频率和信号体制,频率越高,定位精度越高,作用范围越小,反之亦然。受到声线弯曲(贴近海底)的影响,海底基站之间为了信号互通需要提高信标高度,这增加了座底基站建设的难度和成本,和锚系基站的活动范围和标校频次;

2)终端用户容量小、目标易暴露。通常采用的询问应答式定位模式需要区分不同用户终端发射的询问信号,同时服务的用户数量极为有限,并且有源模式容易暴露用户位置;

3)导航精度低。海水声速测量误差及其时空变化,观测几何强度低,导致用户终端三维定位导航精度差、作业效率低等问题。

由此可见,研发大范围、长距离、多用户、高精度、低成本的水下导航定位方法和技术是当前需要解决的重点问题。本文针对广播式水声导航定位信号体制及立体组网、基站及用户精密时间同步及定位模式、广域三维声场时变误差模型及应用改正等开展研究,提出广播式远程精密水声导航定位理论方法和时空服务框架,研究解决水下导航定位成本高、效率低、精度差的问题方案,以期突破制约水下导航定位精度、连续性、可用性、可靠性的技术瓶颈,有效提升水下PNT系统性能,支撑国家综合PNT系统建设与海洋科学研究。

2 广播式远程精密水下导航定位

针对大范围、长距离、多用户、高精度、低成本的水下导航定位需求,本文研究提出广播式远程精密水声导航定位理论方法和时空服务框架,主要包括构建广播式水声信号体制,在系统服务端研制构建广域基站网、信标位置和时钟标校、海洋声速误差反演、改正数生成和播发,在用户终端进行多源融合导航定位。

图1 广播式远程精密水下导航定位架构Fig.1 Architecture of broadcast-style long-range precise underwater navigation and positioning

2.1 广播式远程通导一体化信号

相对于空气介质无线电信道,水声信道存在着载频低、可利用带宽小的特点,水声通导一体化面临着相对于无线电信道中更加困难多途、大多普勒等挑战。因此水下PNT体系中需要结合环境和任务需求采用不同调制体制、不同速率的信号发生体制,而不能采用统一的码分多址来完成通导一体化。

借鉴GNSS信号体制,可构建水下连续波体制,采用连续测距码实时调制指令信息的编码方式,实现潜航器终端测距与通信信息的同步解析,减小数据更新周期。针对水下潜航器高动态需求,可研发并行结构处理的捕获技术,克服传统算法捕获时间长的缺点。采用适应水下环境的最佳环路跟踪策略,从信号跟踪输出的通信数据与参数估计精度两方面分析跟踪算法在高动态匀速模型与变速模型下的性能,并突破传统的水下长基线定位只能给出伪距观测值的能力,输出载波相位,以进行更高精度定位解算。

信号层面的通导融合,不仅有利于节约系统成本,还有望提高通信和导航的性能。基站通信和导航融合到一个载荷中,在硬件上共用模拟、功放等模块,既减少设备成本也减少能量消耗,有助于实现载荷的通用化;通信信号和导航信号融合,共用频率资源,可以实现一站多用,提高水下信息系统的性能,节省大量基站成本。通信与导航融合,导航可以为通信提供更精准的时间同步,而通信可以通过播发导航增强信息缩短定位时间、提升定位精度。

通导一体化信号可采用2种方式:1)采用类GNSS信号体制,使用基于伪随机序列测距的直扩信号或其他数据调制方式携带时间位置等信息。2)利用导航和通信信息的正交特点进行导航和通信信息的分离。基站信号调制方式可研究采用混合OFDM/MPSK/MQAM等多种调制方式,并分为分时体制、分频体制、分波束体制、全共享体制等,可依据实际海洋环境与信道特征进行选择配置。对于用户终端而言,在传播速度已知的情况下,测距主要解决信号发射与接收时间差测量的精确性,需要测距信号在接收端有精细的时间分辨率;通信将发射端的信息解调提取,首先需要进行信号同步,信号同步的精度直接影响信息能否正确接收,采用有较高精度时间分辨率的通信同步头信号,可在一组通信信号内同时实现导航定位与通信功能。为了进行测距,接收端可通过互相关等手段估计出时延,进而解算出收发两端的距离。通信和定位都需要精确的时间同步。在信号捕获和跟踪方面需要重点考虑基站与终端之间的多普勒效应,因为其对载波频率、伪随机码和伪码相位有重要影响。针对多普勒效应,应顾及相对运动速度,计算多普勒频偏范围,并针对高动态扩大频率搜索范围。终端接收不同基站的定位通信信号,应对每一个信号分通道单独处理。

通信信息中包含基站地址码(或站点位置)、时钟校准参数、海洋环境参数等,每类信息分配固定长度的数据码元。通导一体化信号体制不但可实现基站对用户终端的授时,同时也可实现水面母船到基站的授时。针对声呐信标长距离服务,可选取中低频、甚低频组合工作频率,优化信号波形和信号体制,采用多频分级服务声呐信号编码工作方式,实现用户终端长距离声学引导、近距离米级动态定位及远程信息传输。

2.2 基站网构建与信标位置在线标校

广播式水下基站可融合声呐、IMU、压力计、温盐深仪、海流计,利用坐底声呐与锚系声呐之间的水声时延测量、自测阵时延测量,融合锚系声呐的IMU和压力测量,实现锚系信标的实时动态高精度标校。综合考虑深海声道轴深度[45]、基站网几何结构GDOP、海底/潜标/浮标声呐覆盖范围和声传播损失、海洋地质、水文等海洋环境特征,确定水面、水体、海底基站布放位置,从而建立融合海底、潜标、海面浮标基站的立体组网大范围服务端,实现用户终端的位置与钟差在线估计,提升系统定位精度与性能。

海面浮标基站可集成GNSS、IMU和声呐。水下基站采用坐底声呐信标与锚系声呐信标集成的方式,2个信标之间可以相互测距和通信。其中,锚系信标(可集成IMU、压力计、海流计等)可以距离海底几百米至几千米,或者布设在深海声道轴深度,从而极大地拓展服务区域。利用坐底声呐与锚系声呐之间的水声时延测量,融合锚系声呐的IMU和压力计测量值,实现锚系信标位置的高精度自标定。另外,通过不同基站节点之间的自测阵时延测量,可进一步实现提高锚系信标的实时动态标校精度。

水下基站坐底信标与锚系信标的初始标校方面,采用船载GNSS-声学定位方法。通过全站仪精确测定换能器在船体坐标系下的位置和角度安装偏差,利用GNSS、姿态传感器等提供换能器的位置、姿态,以测得水下信标的绝对位置。测量船采用优化航迹,例如半径约1.4倍水深的圆航迹和中心点与圆心重合的十字航迹,测定船载换能器与信标之间的信号传播时间,再利用声速剖面,顾及地球曲率进行高精度声线跟踪,估计厘米级至分米级精度的声速变化,确定换能器与信标之间的直线距离,获取坐底信标、锚系信标、潜标信标的厘米级到分米级的初始位置。海面信标可以基于GNSS,获取约0.1 m精度的实时位置[46-47]。

2.3 基站网与终端时间同步

水下基站需进行绝对时间维持与时钟同步,以生成基站钟差产品并播发。在水下基站中,配备高精度芯片级原子钟或石英钟,用于绝对时间基准维持,并定期与海面平台(例如浮标基站、无人船)GNSS-声学授时进行联测,修正水下时间基准漂移。在水下基站之间进行定期联测和时间同步,维持水下相对时间基准,用于基站站网内外的用户终端的导航定位。

各水下基站的锚系声呐之间的时间同步可通过2个锚系声呐之间的2次应答式测量,并利用海流计测量的流速流向进行修正,实现2个锚系声呐之间的时间同步。锚系声呐A发射一个脉冲信号,锚系声呐B接收该脉冲信号并处理得到时延tB1;然后,锚系声呐B在约定的延时Δd后应答一个脉冲信号,锚系声呐A接收该脉冲信号;然后,锚系声呐A在相同的约定的延时Δd后再次应答一个脉冲信号,锚系声呐B接收到该脉冲信号处理得到锚系声呐B发收2个脉冲信号之间的时延tB2;设海流修正为Δc,若无海流观测则设Δc=0,则锚系声呐B根据测量的tB1和tB2计算得到锚系声呐B与锚系声呐A之间的同步时间偏差Δt为:

Δt=(tB2-Δd)/2+Δc-tB1

(1)

锚系声呐B根据同步时间偏差Δt调整自身时钟,实现与锚系声呐A的时间同步。利用同样的方法得到任意2个相邻锚系声呐之间的同步时间偏差,进行同步偏差修正,从而实现所有锚系声呐之间的在线精密时间同步。该时间同步方案限定在时间域内,与声速无关,只与2次信号时延估计精度有关,按误差传播律,若单次时延测量精度为10 μs,则时间同步精度约为11 μs,可达到较高的精度[30]。该水下基站之间同步偏差自修正的条件是应答式测量的短时间内基站时钟稳定和基站位置不变。由于基站安装高稳定性时钟,短时间内海流较为稳定,这2个条件均是满足的。

对于用户终端,钟差误差主要来源是晶振自身晶体和元件的老化,反映为时钟的偏移与漂移。参考GNSS接收机钟差的修正模型,可将终端钟差模型描述为二次多项式模型:

Δt=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2

(2)

式中:Δt为用户终端与基站网之间的钟差;toc代表钟差模型选定的起始参考时间;a0、a1、a2分别为用户终端时钟的钟偏、钟速与频漂参数;t为用户终端接收声信号的时间。每个时钟的校准参数可事先测量并存储在用户终端中,用户终端根据二次多项式模型进行时钟偏差修正。上述模型是一个近似模型,校正后的终端接收机时钟仍存在一定的误差,但残留的时钟钟差是一个相对小量。如果基站各站点之间已时间同步,终端与基站网之间的时钟误差可通过长基线定位解算方法求解,进一步提高定位精度[48-49]。

2.4 声速误差反演及声速改正数生成

针对复杂多变的海洋声速场这一主要误差源,构建附加声速场时变参数的函数模型和顾及声速变化特性的随机模型。海洋中的热量、盐量由海流输送,影响海水温盐的空间分布,所以影响声速场结构。提出融合海洋物理机理的改正数建模和增强位置服务方法[45,50]。引入多源温盐资料,结合基站网和用户终端实测声速,构建区域声速场。在此基础上,利用水下定位系统的时延观测数据提取声信号传播声速误差,结合解析和格网模型,通过解算附加约束的声速误差层析观测方程组,反演声速误差并生成声速改正产品。

以数值预报模式的温盐深为背景场约束,融合基站网SVP、CTD等实测数据,构建区域声速场。引入声速场误差导致的天底总时延和水平梯度,建立声信号传播时延误差表达式。基于声线入射角、方位角、深度等参数建立投影函数,将垂向时延误差及梯度项投影至声线方向。声信号传播时延误差表示为:

δT=MδTNTD+MΔ[GNcosφ+GEsinφ]

(3)

式中:δT为声信号传播时延误差;δTNTD、M分别为天底总延迟及其投影函数;GN、GE分别为北方向和东方向梯度项;MΔ为梯度项的投影函数;φ为方位角。利用海洋模式分析数据对声速场变化进行实时建模,然后计算声速场变化引起的天底总延迟和水平梯度的随机游走过程噪声,用于实时滤波参数估计,以改进历元定位精度、高分辨率声速变化精度和滤波收敛。其中,随机游走方差σRW的实时计算可采用一阶马尔可夫过程,以天底总延迟为例:

(4)

式中:Δt是天底总延迟的时间间隔;E表示数学期望。随机游走方差σRW可利用实时海洋分析数据计算的天底总延迟序列确定。该方法有助于提高水声定位和声速反演的时间分辨率。

以反演声速误差为目标,假设任意水层中存在空间均匀的慢度梯度,建立时延与慢度声信号路径积分的表达式,以构建声速误差层析方程组。

(5)

式中:δs为慢度;δTj为第j条声信号传播总延迟;(x,z,t)分别为格网的平面位置、深度及时间;dl为慢度积分路径;Γ为总路径;i为声信号历经的子格序号。基于声信号疏密程度与声速变化特征设置格网分辨率,构建非均匀格网模型,并增加约束方程解决不适定性问题。基于海洋水文特性与海洋数值模式,考虑海洋物理机理,以距离加权平均、Munk声速模型和模式预报等方式建立水平和垂向约束方程[43,51]。声速误差主要位于上层海洋,这为确定声速误差的分层Munk模型和深度约束方程提供了依据。根据海洋数值模式预报结果和原位流向流速实测数据,得到流场结构,设置区域中声速剖面和水平梯度的时变参数。

由于远程水声信道频率低、数据带宽较小,为了提高改正数播发效率,利用修正后的声速和基站网自定义声速基准,建立声速改正数与格网位置的参数表达,并设计一种基于参数重构的声速改正数产品,各基站播发重构的参数信息[45,50]。声速改正产品主要包括时间、基站标记或位置、声速改正重构参数等。用户终端接收改正数后,根据终端时间和概略位置,内插或外推以获取声速改正等信息,区分多途信号[48,52],实现更高精度的位置解算。

3 结论

1)面向潜航器无源导航等海洋安全保障、海底油气可燃冰等资源开发、海洋环境观测等国家重大需求,面向海底板块运动等科学前沿,水下定位、导航与授时需要突破制约其精度、连续性、可用性、可靠性的技术瓶颈。随着AUV编队组网作业、海底资源勘探、近底地形地貌测量等远距离、高精度的深海应用需求的增加[53-55],亟需研究宽覆盖的水声测量与数据处理技术,在保证高精度的同时,增加终端用户容量。

2)本文分析了水声导航定位信号体制及其服务范围、水声导航定位模式及其应用需求和声速时空变化误差及其对定位精度影响等关键问题,提出了广播式远程精密水声导航定位理论方法和时空服务框架,研究了通导一体化信号体制、基站网构建与信标位置标校、基站网与终端时间同步、广域声速场建模与误差反演改正等关键技术。

3)本文分析了基站立体组网优化设计、同步观测和数据处理等关键问题,提出了基站自主定位和时间同步解决方案。针对复杂多变的海洋声速场这一主要误差源,构建了附加声速场时变参数的函数模型和顾及声速变化特性的随机模型,提出了融合海洋物理机理的改正数建模和增强位置服务方法,以期提升水下PNT服务性能,也可提供高分辨率高精度海洋水文监测。

4)研发大范围、长距离、多用户、高精度的广播式水下导航定位技术,尚需开展关键技术攻关和验证,通过装备研制和多次海试,迭代完善技术方法,验证装备稳定性和精确性,实现软硬件一体化的基站与终端装备,并解决实际工程应用中的问题,为国家海洋PNT系统建设提供技术支撑。