CN108762049A - 一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统。授时方法应用于水下授时装置，水下授时方法包括：水面监控平台和深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；测量水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及水面监控平台接收到深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；测量深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及深海运载器接收到水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；基于声场互易定理，根据第一时间间隔和第二时间间隔，计算水面监控平台和深海运载器的时间差；根据时间差对深海运载器的时钟进行授时。采用本发明的方法或者系统能够实现深海复杂环境的精确授时。

Description

一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统

技术领域

本发明涉及深海探测领域，特别是涉及一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统。

背景技术

时间是物理学中的七个基本物理量之一，它为一切动力学系统、时序过程的测量和定量研究提供必不可少的时基坐标。授时是发播或转播时间信号。

一方面，全球卫星导航定位系统(如美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo和我国北斗)可以为人们提供高精度的授时。然而，由于海水对电磁波的强烈吸收衰减作用，电磁波无法在海水中远距离传播。这也意味着基于卫星的授时技术无法应用于水下。

另一方面，随着深海高新技术装备的大力发展，深海水下自主航行器(AUV)、深海水下滑翔机(Glider)、深海空间站等深海运载器的水下作业时间越来越长。例如，在深海科学调查方面应用更为广泛的长航程AUV往往具备水下更长的工作时间(几十个，甚至上百个小时)。这使得对水下精确授时的需求正在变得愈加迫切与广泛。

目前的做法是，科考船和深海运载器上都安装有同步时钟，按相同的间隔输出触发脉冲，为整个声学系统的分时工作方式提供时间基准。然而，同步时钟不能提供绝对时间，而且会随着时间发生漂移，不适合长时间水下工作。例如，美国伍兹霍尔海洋研究所采用TXCO型原子钟，它是SeaScan公司的产品，具备温度补偿功能，但是其漂移率约为1毫秒/14小时。假如该原子钟持续工作70个小时，那么它会产生5毫秒左右的漂移，相应的声学测距误差约为7.5米(假定海水声速为1500米/秒)。这对于声学定位而言是难以接受的。

目前还没有一种手段可以实现对深海运载器的精确授时，在一定程度上制约了深海运载器的长期水下工作。由于缺乏高精度授时技术，原子钟的漂移会导致导航定位精度降低、深海运载器上搭载的传感器采集的数据缺乏统一的时间基准，降低了科学价值。因此，要实现深海运载器的长时间水下工作，并提高采集数据资料的科学价值，就必须解决深海复杂环境下精确授时的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统，能够实现水下精确授时。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于声场互易定理的水下授时方法，所述水下授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时装置包括水面监控平台和深海运载器，所述水下授时方法包括：

所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；

测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；

测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；

基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；

根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。

可选的，所述水面监控平台通过接收卫星信号得到时间。

可选的，所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号是指基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自时钟在同一时刻向对方发射授时声脉冲信号。

可选的，所述根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差，具体包括：

通过下列公式Δt＝(Δt₁-Δt₂)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；

其中，Δt₁为所述第一时间间隔，Δt₂为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于声场互易定理的水下授时系统，所述水下授时系统包括：

发射、接收模块，所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；

第一时间间隔确定模块，用于测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；

第二时间间隔确定模块，用于测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；

时间差确定模块，用于基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；

授时模块，用于根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。

可选的，所述水面监控平台通过接收卫星信号得到准确时间。

可选的，基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自时钟在同一时刻向对方发射授时声脉冲信号。

可选的，所述时间差确定模块，具体包括：

时间差确定单元，用于通过下列公式Δt＝(Δt₁-Δt₂)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；

其中，Δt₁为所述第一时间间隔，Δt₂为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种基于声场互易定理的水下授时方法。授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时方法包括：水面监控平台和深海运载器同时(并非绝对意义上的同一时刻，而是指基于各自时钟，按照约定时刻)向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；测量水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及水面监控平台接收到深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；测量深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及深海运载器接收到水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；基于声场互易定理，根据第一时间间隔和第二时间间隔，计算水面监控平台和深海运载器的时间差；根据时间差对深海运载器的时钟进行授时。采用本发明的方法能够实现深海复杂环境的精确授时。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时方法流程图；

图2为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时系统结构图；

图3为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时示意图；

图4为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时流程图；

图5为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时方法流程图。如图1所示，一种基于声场互易定理的水下授时方法，所述水下授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时装置包括水面监控平台和深海运载器，所述水下授时方法包括：

步骤101：所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号，这里的同时并非绝对意义上的同一时刻，而是指基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自的时钟，按照约定时刻向对方发射授时声脉冲信号；

步骤102：测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；

步骤103：测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；

步骤104：基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差，在声场互易定理的条件下，短时间内上行和下行的声信号经过相同的路径，水声信道中介质的不均匀性等的影响相互抵消；；

步骤105：根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。

所述水面监控平台通过接收卫星信号得到准确时间。

步骤104中，具体包括：

通过下列公式Δt＝(Δt₁-Δt₂)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；

其中，Δt₁为所述第一时间间隔，Δt₂为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。

采用本发明的方法能够实现深海复杂环境的精确授时。

图2为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时系统结构图。如图2所示，一种基于声场互易定理的水下授时系统，所述水下授时系统包括：

发射、接收模块201，水面监控平台和深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；

第一时间间隔确定模块202，用于测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；

第二时间间隔确定模块203，用于测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；

时间差确定模块204，用于根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；

授时模块205，用于根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。

所述水面监控平台通过接收卫星信号得到准确时间。

所述时间差确定模块204，具体包括：

时间差确定单元，用于通过下列公式Δt＝(Δt₁-Δt₂)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；

其中，Δt₁为所述第一时间间隔，Δt₂为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。

图3为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时示意图；图4为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时流程图；图5为本发明实施例基于声场互易定理的水下授时原理图。

具体实施例1：

水面监控平台上的卫星接收模块实时接收卫星信号，确保水面监控平台上的时钟与卫星时间一致；

水面监控平台和深海运载器的声学换能器在约定整点时刻(基于各自的时钟)，同时向对方发射不同编码的声学脉冲信号，声学换能器分别接收来自对方的声学信号；

基于声场互易定理，短时间内上行和下行的声信号经过相同的路径，水声信道中介质的不均匀性等的影响相互抵消；

精确测量水面监控平台发出信号时刻t_SRST与接收到深海运载器信号时刻t_SRSR之间的时间间隔Δt_SRS-SRS；

精确测量深海运载器发出信号时刻t_DSVT与接收到水面监控平台信号时刻t_DSVR之间的时间间隔Δt_DSV-DSV；

通过水声通信系统将水面监控平台测量得到的时间间隔Δt_SRS-SRS发送给深海运载器；

深海运载器根据两个时间间隔，可以求得水面监控平台与深海运载器的时间差，Δt＝(Δt_DSV-DSV-Δt_SRS-SRS)/2，见图2；

水面监控平台采用全球导航卫星系统(GNSS)时间，则深海运载器绝对时间可以通过补偿时间差获得，实现水下精确授时。

本发明中的水下授时装置包含以下两部分

水面部分--水面监控平台：

水面监控平台主要是指科考船、无人船、浮标等，作为中继节点。水面监控平台上主要由卫星接收模块、声学换能器模块、通信信号处理模块、原子钟等组成。在水下授时时，主要包括两部分内容：(1)与深海运载器在约定整点时刻(依各自时钟为准)，相互发射授时声脉冲信号，并接收深海运载器发来的声脉冲信号，测量发射时刻和接收时刻的时延差Δt_SRS-SRS；(2)将测量的时延差Δt_SRS-SRS，通过数字水声通信的方式，下发给深海运载器。

水下部分--深海运载器：

深海运载器主要是指长航程深海AUV、深海Glider、深海空间站等。深海运载器部分主要由声学换能器模块、通信信号处理模块、原子钟等组成。在水下授时时，主要包括四部分内容：：(1)与水面监控平台在约定整点时刻(依各自时钟为准)，相互发射授时声脉冲信号，并接收水面监控平台发来的声脉冲信号，测量发射时刻和接收时刻的时延差Δt_DSV-DSV；(2)水声通信系统接收水面监控平台发来的时延差Δt_SRS-SRS；(3)计算水面监控平台与深海运载器两时钟之间的时间差，Δt＝(Δt_DSV-DSV-Δt_SRS-SRS)/2；(4)对深海运载器时钟进行补偿，实现水下精确授时。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，所述水下授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时装置包括水面监控平台和深海运载器，所述水下授时方法包括：

所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；

测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；

测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；

基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；

根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。

2.根据权利要求1所述的基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，所述水面监控平台通过接收卫星信号得到准确时间。

3.根据权利要求1所述的基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号是指基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自时钟在同一时刻向对方发射授时声脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，基于声场互易定理，短时间内上行和下行的声信号经过相同的路径，水声信道中介质的不均匀性等的影响相互抵消，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差，具体包括：

通过下列公式Δt＝(Δt₁-Δt₂)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；

其中，Δt₁为所述第一时间间隔，Δt₂为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。

5.一种基于声场互易定理的水下授时系统，其特征在于，所述水下授时系统包括：

发射、接收模块，水面监控平台和深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；

第一时间间隔确定模块，用于测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；

第二时间间隔确定模块，用于测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；

时间差确定模块，用于根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；

授时模块，用于根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。

6.根据权利要求5所述的基于声场互易定理的水下授时系统，其特征在于，所述水面监控平台通过接收卫星信号得到准确时间。

7.根据权利要求5所述的基于声场互易定理的水下授时系统，其特征在于，基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自时钟在同一时刻向对方发射授时声脉冲信号。

8.根据权利要求5所述的基于声场互易定理的水下授时系统，其特征在于，所述时间差确定模块，具体包括：

时间差确定单元，用于通过下列公式Δt＝(Δt₁-Δt₂)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；

其中，Δt₁为所述第一时间间隔，Δt₂为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。