CN108955678A - 一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法及系统 - Google Patents

一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法及系统。采用本发明的方法实现了通信、定位、导航、授时的一体化和深度融合，能够统一各传感器和系统之间的空间基准和时间基准，降低信息融合难度，实现便捷水声通信、实时/高更新率/低功耗/高精度定位、高精度/容错导航、精确授时。本发明实现了通信、定位、导航、授时四种工作模式同时进行，能够从根本上解决水声通信实用性不足、导航定位性能低下、无授时功能等问题，提高了深海运载器的水下作业效率。

Description

一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法及系统
技术领域
本发明涉及深海探测领域，特别是涉及一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法及系统。
背景技术
高质量深海通信定位导航授时是深海空间站、深海载人潜水器、深海无人遥控潜水器、深海自主航行器等大型深海运载器进入深海、探测深海和开发深海的关键。然而，不论是欧美日俄等传统海洋强国，还是中韩印等新兴海洋国家，无一例外地采用相互分离的通信系统、定位系统、导航系统、同步时钟(原子钟)分别为深海运载器提供通信、定位、导航、时间服务。各系统相互独立直接导致各分离系统的时间、空间基准不统一，增加了信息融合难度，降低了导航定位精度；科考船对深海运载器定位，然后水声通信将定位结果发送给深海运载器，导致深海运载器获得自身位置信息更新率低、延时大。传统通信定位导航系统和工作模式存在固有缺陷，直接影响了深海运载器在深海科考、环境调查、资源开发中的作业效率。
近年来，随着深海高新技术装备的大力发展，对便捷水声通信、实时/高更新率/低功耗/高精度定位、高精度/容错导航、精确授时的需求正在变得愈加迫切与广泛。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法及系统，从根本上解决水声通信实用性不足、导航定位精度低下、无授时功能等问题，提高深海运载器的水下作业效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法，所述一体化方法应用于深海运载器通信定位导航授时一体化装置，所述装置包括水面监控平台、深海运载器和科考船/岸基监控中心，所述一体化方法包括：
获取水面监控平台的经纬度和时间信息；
将水面监控平台的经纬度和所述时间信息以水声通信的方式下发至深海运载器；
通过深海运载器解码通信信息，获取水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
获取深海运载器接收到通信信息的时间；
根据水面监控平台发射通信信息的时间和深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
获取所述深海运载器的声速剖面和所述深海运载器深度；
根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
根据所述本征声线和所述深海运载器深度，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离；
获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
根据所述传播时延、所述方位角和所述深海运载器深度确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息；
获取所述深海运载器的惯性导航信息和多普勒计程仪信息；
将所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息；
将所述深海运载器组合导航信息和所述深海运载器状态信息等以水声通信的方式向上发送至所述深海运载器水面监控平台；
通过所述深海运载器水面监控平台解码通信信息，获取所述深海运载器深海运载器发射的通信信息，并通过卫星转发给科考船/岸基监控中心；
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；
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，根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延，具体包括：
根据所述深海运载器通信解码获得的所述水面监控平台发射通信信息的时刻和所述深海运载器接收到通信信息的时刻，确定水声通信信号的传播时延。
可选的，根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离，具体包括：
根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
根据所述本征声线和所述深海运载器深度采用勾股定理，得到所述水面监控平台与所述深海运载器的水平距离。
可选的，获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角，具体包括：
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
可选的，根据所述传播时延和所述方位角确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息，具体包括：
采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
可选的，根据所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息，具体包括：
采用卡尔曼滤波方法将所述经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息。
可选的，在对所述组合导航之前，还包括：
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，对所述水平距离信息和所述绝对位置信息进行判断，判断所述水平距离信息和所述绝对位置信息是否为野点信息；
若是，则剔除所述水平距离信息和所述绝对位置信息；
若否，则利用所述水平距离信息和所述绝对位置信息对惯导信息进行修正，得到组合导航信息。
可选的，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。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深海运载器通信定位导航授时一体化系统，所述系统包括：
第一获取模块，用于获取水面监控平台的经纬度和时间信息；
向下通信模块，用于将水面监控平台的经纬度和所述时间信息以水声通信的方式下发至深海运载器；
解码模块，用于通过深海运载器解码通信信息，获取水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
第二获取模块，用于获取深海运载器接收到通信信息的时间；
传播时延确定模块，用于根据水面监控平台发射通信信息的时间和深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
第三获取模块，用于获取所述深海运载器的声速剖面和所述深海运载器深度；
本征声线构建模块，用于根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
水平距离确定模块，用于根据所述本征声线和所述深海运载器深度，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离；
方位角精确确定模块，用于获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
相对位置信息确定模块，用于根据所述传播时延、所述方位角和所述深海运载器深度确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
定位模块，用于根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息；
第四获取模块，用于获取所述深海运载器的惯性导航信息和多普勒计程仪信息；
组合导航模块，用于将所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息；
向上通信模块，用于将所述深海运载器组合导航信息和所述深海运载器状态信息等以水声通信的方式向上发送至所述深海运载器水面监控平台；
解码转发模块，用于通过所述深海运载器水面监控平台解码通信信息，获取所述深海运载器深海运载器发射的通信信息，并通过卫星转发给科考船/岸基监控中心；
发射、接收模块，用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，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。
可选的，所述组合导航模块，具体包括：
融合校正单元，用于采用卡尔曼滤波方法将所述经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息。
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：
本发明公开一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法，采用本发明的方法实现了通信、定位、导航、授时的一体化和深度融合，能够统一各传感器和系统之间的空间基准和时间基准，降低信息融合难度，实现便捷水声通信、实时/高更新率/低功耗/高精度定位、高精度/容错导航、精确授时。显然，本发明实现了通信、定位、导航、授时四种工作模式同时进行，可以从根本上解决水声通信实用性不足、导航定位精度低下、无授时功能等问题，提高了深海运载器的水下作业效率。
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为本发明实施例深海运载器通信定位导航授时一体化方法流程图；
图2为本发明实施例深海运载器通信定位导航授时一体化系统结构图；
图3为本发明实施例深海运载器通信定位导航授时一体化工作模式示意图；
图4为本发明实施例科考船/岸基监控中心组成示意图；
图5为本发明实施例水面监控平台组成示意图；
图6为本发明实施例深海运载器组成示意图。
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为本发明实施例深海运载器通信定位导航授时一体化方法流程图。如图1所示，一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法，所述一体化方法应用于深海运载器通信定位导航授时一体化装置，所述装置包括水面监控平台、深海运载器和科考船/岸基监控中心，所述一体化方法包括：
步骤101：获取水面监控平台的经纬度和时间信息；
步骤102：将水面监控平台的经纬度和所述时间信息以水声通信的方式下发至深海运载器；
步骤103：通过深海运载器解码通信信息，获取水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
步骤104：获取深海运载器接收到通信信息的时间；
步骤105：根据水面监控平台发射通信信息的时间和深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
步骤106：获取所述深海运载器的声速剖面和所述深海运载器深度；
步骤107：根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
步骤108：根据所述本征声线和所述深海运载器深度，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离；
步骤109：获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
步骤110：根据所述传播时延、所述方位角和所述深海运载器深度确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
步骤111：根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息；
步骤112：获取所述深海运载器的惯性导航信息和多普勒计程仪信息；
步骤113：将所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息；
步骤114：将所述深海运载器组合导航信息和所述深海运载器状态信息等以水声通信的方式向上发送至所述深海运载器水面监控平台(每20分钟1次)；
步骤115：通过所述深海运载器水面监控平台解码通信信息，获取所述深海运载器深海运载器发射的通信信息，并通过卫星转发给科考船/岸基监控中心；
步骤116：所述水面监控平台和所述深海运载器同时(基于各自时钟)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(每隔数小时)；
步骤117：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118：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119：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；
步骤120：根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。
步骤105，具体包括：
根据所述深海运载器通信解码获得的所述水面监控平台发射通信信息的时刻和所述深海运载器接收到通信信息的时刻，确定水声通信信号的传播时延。
步骤108，具体包括：
根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
根据所述本征声线和所述深海运载器深度采用勾股定理，得到所述水面监控平台与所述深海运载器的水平距离。
步骤109，具体包括：
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
步骤110，具体包括：
采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
步骤113，具体包括：
采用卡尔曼滤波方法将所述经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息。
步骤113之前，还包括：
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，对所述水平距离信息和所述绝对位置信息进行判断，判断所述水平距离信息和所述绝对位置信息是否为野点信息；
若是，则剔除所述水平距离信息和所述绝对位置信息；
若否，则利用所述水平距离信息和所述绝对位置信息对惯导信息进行修正，得到组合导航信息。
步骤119，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。
所述深海运载器下潜过程中利用自身携带的声速计测量整个声速剖面；为补偿表面声速受日照、风浪等的影响，所述水面监控平台每隔一段时间，如1小时，测量海水表面200米以内的声速剖面，并通过数字水声通信的方式下发给所述深海运载器，所述深海运载器将下潜时测量的声速剖面和新收到的表面声速剖面进行融合，得到新的声速剖面，用于本征声线解算。
本发明提供的一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法，可以从根本上解决水声通信实用性不足、导航定位精度低下、无授时功能等问题，提高深海运载器导航定位精度和信息更新频率。
图2为本发明实施例深海运载器通信定位导航授时一体化系统结构图。如图2所示，一种深海运载器通信定位导航授时一体化系统，所述一体化系统包括：
一种深海运载器通信定位导航授时一体化系统，所述系统包括：
第一获取模块201，用于获取水面监控平台的经纬度和时间信息；
向下通信模块202，用于将水面监控平台的经纬度和所述时间信息以水声通信的方式下发至深海运载器；
解码模块203，用于通过深海运载器解码通信信息，获取水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
第二获取模块204，用于获取深海运载器接收到通信信息的时间；
传播时延确定模块205，用于根据水面监控平台发射通信信息的时间和深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
第三获取模块206，用于获取所述深海运载器的声速剖面和所述深海运载器深度；
本征声线构建模块207，用于根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
水平距离确定模块208，用于根据所述本征声线和所述深海运载器深度，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离；
方位角精确确定模块209，用于获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
相对位置信息确定模块210，用于根据所述传播时延、所述方位角和所述深海运载器深度确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
定位模块211，用于根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息；
第四获取模块212，用于获取所述深海运载器的惯性导航信息和多普勒计程仪信息；
组合导航模块213，用于将所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息；
向上通信模块214，用于将所述深海运载器组合导航信息和所述深海运载器状态信息等以水声通信的方式向上发送至所述深海运载器水面监控平台(每20分钟1次)；
解码转发模块215，用于通过所述深海运载器水面监控平台解码通信信息，获取所述深海运载器深海运载器发射的通信信息，并通过卫星转发给科考船/岸基监控中心；
发射、接收模块216，用于所述水面监控平台和所述深海运载器同时(基于各自时钟)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(每隔数小时)；
第一时间间隔确定模块217，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218，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219，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220，用于根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。
所述传播时延确定模块205，具体包括：
传播时延确定单元，用于根据所述深海运载器通信解码获得的所述水面监控平台发射通信信息的时刻和所述深海运载器接收到通信信息的时刻，确定水声通信信号的传播时延。
所述水平距离确定模块208，具体包括：
本征声线构建单元，用于根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
水平距离确定单元，用于根据所述本征声线和所述深海运载器深度采用勾股定理，得到所述水面监控平台与所述深海运载器的水平距离。
所述方位角精确确定模块209，具体包括：
方位角初步确定单元，根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
方位角精确确定单元，根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
所述相对位置信息确定模块210，具体包括：
第一映射单元，采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
第二映射单元，用于将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
重构单元，根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
解算单元，对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
所述组合导航模块213，具体包括：
融合校正单元，用于采用卡尔曼滤波方法将所述经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息。
所述组合导航模块213之前，还包括：
信息判断单元，用于根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，对所述水平距离信息和所述绝对位置信息进行判断，判断所述水平距离信息和所述绝对位置信息是否为野点信息；
若是，则剔除所述水平距离信息和所述绝对位置信息；
若否，则利用所述水平距离信息和所述绝对位置信息对惯导信息进行修正，得到组合导航信息。
所述所述时间差确定模块219，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。
所述深海运载器下潜过程中利用自身携带的声速计测量整个声速剖面；为补偿表面声速受日照、风浪等的影响，所述水面监控平台每隔一段时间，如1小时，测量海水表面200米以内的声速剖面，并通过数字水声通信的方式下发给所述深海运载器，所述深海运载器将下潜时测量的声速剖面和新收到的表面声速剖面进行融合，得到新的声速剖面，用于本征声线解算。
水面监控平台和深海运载器对通信、定位有着不同的需求。水面监控平台主要是指科考船、无人船、浮标等。对于载人潜水器/深海米级无人遥控潜水器(ROV)，水面监控平台一般为科考船；对于深海空间站/水下自主航行器(AUV)，水面监控平台既可以是科考船，也可以是无人船或浮标；无人船或浮标与科考船之间通过卫星或无线电保持通信联系。其中水面监控平台主要监控深海运载器的位置和姿态，不需要较高的数据更新率；深海运载器水下作业需要实时、高更新率的获取自身位置信息，因此要确保通信/定位以服务深海运载器为主，水面监控平台为辅的工作模式。为此将通信/定位换能器阵列安装在深海运载器上，并与惯导系统集成为一体化固件，构建免校正声学定位系统。深海运载器上也安装了高精度原子钟。水面监控平台上安装声学通信换能器和GPS接收机，用于将自身的GPS位置和时间信息，以数字通信的形式发送给深海运载器，供深海运载器上声学定位实时、高更新率、低功耗的解算自身位置。图3为本发明实施例深海运载器通信定位导航授时一体化工作模式示意图。图中深海AUV代表深海运载器(如深海空间站、深海载人潜水器、深海无人遥控潜水器、深海自主航行器等)，无人船代表水面监控平台(如科考船、无人船、浮标等)，科考船代表科考船或岸基监控中心。
具体工作模式如下：
通信工作模式：深海运载器以低更新率向水面监控平台进行水声通信，发送自身状态信息，如20分钟一次，水面监控平台解码后可以获得深海运载器的状态信息，如位置等；然后，水面监控平台通过卫星将深海运载器的状态信息发送给远处的科考船，或者岸基监控中心。当科考船或岸基监控中心需要向深海运载器发送指令时，先将指令信息通过卫星发送给水面监控平台，然后通过水面监控平台下发给深海运载器。
定位工作模式：①水面监控平台通过卫星获取自身位置，将携带位置信息、时间信息和指令等一起打包，以高更新率下发至深海运载器，如1秒1次；②基于先验位置信息，可以预设声学换能器阵列波束指向，抑制深海运载器自身的噪声，提高输出信噪比；③深海运载器接收到后，进行通信解码，获取水面监控平台发射时刻的位置和时间，同时进行方位估计，并结合水面监控平台发射时刻，估计传播时延，完成自身位置解算。整个定位过程中，声信号由水面监控平台单向传送给深海运载器，深海运载器只接收不发射，由此实现对自身位置的实时、高更新率、低功耗、高精度定位。
导航工作模式：构成SINS+DVL+声学定位的组合导航系统，实现高精度、容错导航。
授时工作模式：利用声场互易原理，水面监控平台和深海运载器每隔数小时互发授时信号，测量时间差，补偿深海运载器原子钟的时间漂移误差，实现水下精确授时。
实际应用中，通信、定位、导航、授时等四种工作功能是相互交叉，融合一体的。具体工作步骤如下：
(1)1秒1次的更新率进行声学定位
正常情况下，水面监控平台的卫星定位单元(为减少坐标系转换，卫星接收天线安装在水声通信换能器正上方)实时获取自身位置(经纬度)和时间(GPS时间)，为提高卫星定位精度，一般采用差分GPS；
水面监控平台的信号处理单元将经纬度信息、时间信息和普通指令(非第一优先级)等一起打包，编码后，通过水声通信单元，以高更新率下发至深海运载器，如1秒1次；其中数字水声信号的包头作为测时脉冲，经纬度信息和时间信息主要用于深海运载器的定位。
深海运载器的声学换能器阵接收到来自水面监控平台的水声信号。为提高接收水声信号的质量，深海运载器的声学换能器采用阵列结构，根据自身位置和水面监控平台位置的先验信息，预估水面监控平台相对于深海运载器的方位，根据深海运载器的惯导输出的自身姿态信息，调整声学换能器阵列的波束指向，使其指向水面监控平台方向，从而抑制深海运载器自身的噪声(螺旋桨、电机等辐射噪声)，提高输出信噪比。
声学换能器阵接收到水面监控平台的水声信号后，深海运载器的水声定位信号处理单元，一方面，利用数字水声信号的包头，记录定位脉冲达到时刻；另一方面，利用数字水声信号的包头，进行目标方位估计，准确估计水面监控平台相对于深海运载器的方位。
同时，深海运载器的水声通信信号处理单元对接收信号进行通信解码，获取水面监控平台发射时刻的位置(经纬度)、时刻(时间)和普通指令。
深海运载器的水声定位信号处理单元根据水面监控平台发射时刻和深海运载器接收定位脉冲时刻，估计水声信号传播时延。
深海运载器的水声定位信号处理单元，基于射线理论模型，以已解算出的方位角(水平和俯仰)和传播时延分别为出射角和本征声线传播时间，快速计算出连接水面监控平台和深海运载器的本征声线，准确解算出深海运载器相对于水面监控平台的位置，并利用高精度深度计测得的深度信息进行修正。
深海运载器的水声定位信号处理单元，结合水面监控平台发射时刻的经纬度信息，将深海运载器相对水面监控平台的相对位置，转换为深海运载器的绝对经纬度，实现自身位置的解算。整个定位过程中，水声信号由水面监控平台单向传送给深海运载器，深海运载器只接收不发射，由此实现对自身位置的实时、高更新率(1秒1次)、低功耗、高精度定位。
(2)定位结果以1秒1次的更新率修正组合导航
深海运载器的组合导航信息融合单元，以惯导(SINS，与声学换能器集成为一体化，并在实验室完成校准)和声学多普勒计程仪(DVL)为核心，利用DVL测量的速度信息对SINS进行修正，其中DVL数据更新率约为10Hz。
深海运载器的水声定位信号处理单元每完成一次定位，将定位结果输送给深海运载器的组合导航信息融合单元，信息融合单元首先根据先验信息判断定位结果是否为野点。如果是野点，直接剔除；如果不是野点，则利用该定位结果修正SINS+DVL导航结果。定位数据更新率约为1Hz。
(3)每隔20分钟左右，进行一次水声通信
每隔较长时间，如20分钟，深海运载器的水声通信信号处理单元以低更新率向水面监控平台进行一次水声通信，发送自身状态信息，水面监控平台的水声通信信号处理单元解码后可以获得深海运载器的状态信息，如位置、姿态等。
水面监控平台的卫星通信单元将深海运载器的状态信息发送给远处的科考船或者岸基监控中心。
科考船或者岸基监控中心收到后，可以实现对深海运载器的监控，并视情况将指令反馈给水面监控平台，并由水面监控平台的水声通信信号处理单元将指令下发至深海运载器。
(4)每隔数小时，进行一次水下授时
水面监控平台和深海运载器的水声通信信号处理单元在约定的整点时刻(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水声信号。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。
水面监控平台精确测量接收到深海运载器发来水声信号的时刻，并与其整点时刻进行比较，计算时间间隔；深海运载器精确测量接收到水面监控平台发来水声信号的时刻，并与其整点时刻进行比较，计算时间间隔。
水面监控平台的水声通信信号处理单元将水面监控平台测量得到的时间间隔发送给深海运载器；深海运载器根据两个时间间隔，可以解算水面监控平台与深海运载器的时间差。
水面监控平台采用全球导航卫星系统时间，属于绝对时间，因此深海运载器绝对时间可以通过补偿该时间差获得，实现水下精确授时。
水面监控平台的卫星通信单元始终处于监听状态，随时接收来自科考船或岸基监控中心的指令。一种指令是给水面监控平台的，另一种指令是给深海运载器的。其中科考船或岸基监控中心向深海运载器发送的指令处于最高优先级。一旦水面监控平台接收到需要下发给深海运载器的指令后，暂时中断正在进行的定位等其他任务，优先与深海运载器进行交互通信。此时，水面监控平台的信号处理单元将接收到的指令等进行编码后，通过数字水声通信系统发送出去；深海运载器数字水声通信系统接收到后，进行解码，并执行该指令；然后，深海运载器上的信号处理单元将执行结果或状态等信息编码后，通过数字水声通信系统上发至水面监控平台。正常情况下，这种指令性通信比较少，一般发生在应急情况。
深海运载器通信定位导航授时一体化方法具有如下优势：
1)便于实现对自身的实时、高更新率、低功耗、高精度定位；
2)避免分离系统的现场标校，降低时间、空间基准不统一带来的多传感器信息融合难度，提高组合导航精度；
3)便于构建对水面监控平台精确测距的辅助导航，解决深海运载器长时间下潜/上浮/超近海底作业过程中，DVL速度信息缺失带来的组合导航异常；
4)引入声学授时解决时基统一性问题，延迟系统定位精度发散速度，延长系统水下工作时间；
5)所依赖的水面监控平台可以是无人船或浮标，可以最大限度的解放水面科考船。
因此，深海运载器通信定位导航授时一体化方法，可以从根本上解决水声通信实用性不足、导航定位精度低下、无授时功能等问题，提高深海运载器导航定位精度和信息更新频率。
深海运载器通信定位导航授时一体化装置包括：
1、科考船/岸基监控中心部分
图4为本发明实施例科考船/岸基监控中心组成示意图。如图4所示，科考船或岸基监控中心部分主要由卫星通信单元1、信息处理单元2和显示器3等组成。卫星通信单元1用于与水面监控平台进行交互通信。一方面，将指令发送给水面监控平台，并有水面监控平台发送给深海运载器；另一方面，接收水面监控平台发来的深海运载器状态信息，如位置、能耗、姿态、报警信息等。信息处理单元和显示器主要用于直观显示深海运载器的位置、能耗、姿态、报警信息等。
科考船或岸基监控中心的卫星通信单元1，通过卫星与水面监控平台的卫星通信单元4进行交互通信。科考船或岸基监控中心的卫星通信单元1与科考船或岸基监控中心的信息处理单元2相连，将水面监控平台发来的深海运载器信息转发至信息处理单元2，同时接收信息处理单元2的指令。
科考船或岸基监控中心的信息处理单元2与科考船或岸基监控中心的卫星通信单元1相连，处理水面监控平台发来的水面监控平台和深海运载器状态信息，并将人工输入的指令，通过卫星通信单元1发送给水面监控平台。
科考船或岸基监控中心的显示器3与科考船或岸基监控中心的信息处理单元2，用于显示深海运载器和水面监控平台的状态信息。
2、水面监控平台部分
水面监控平台作为深海运载器和科考船或岸基监控中心之间的信息枢纽，其主要功能是，一方面向深海运载器发送声学通信定位信号，并接收来自深海运载器的通信信号；另一方面与科考船或岸基监控中心通过卫星进行信息交互。图5为本发明实施例水面监控平台组成示意图。如图5所示，水面监控平台部分主要由卫星通信单元4、卫星定位单元5、收发合置声学换能器6、水声通信信号处理单元7、表面声速计8、原子钟9等组成。
水面监控平台的卫星通信单元4通过卫星与科考船或岸基监控中心的卫星通信单元1相连，进行交互通信。水面监控平台的卫星通信单元4与水面监控平台的水声通信信号处理单元7相连，将科考船或岸基监控中心发来的指令转发给水声通信信号处理单元7，或者接收水声通信信号处理单元7接收的深海运载器状态信息。水面监控平台的卫星通信单元4与水面监控平台的原子钟8相连，为后者提供时间校正。
水面监控平台的卫星定位单元5与水面监控平台的水声通信信号处理单元7，为后者提供水面监控平台的经度、维度和时间等信息。
水面监控平台的收发合置声学换能器6与水面监控平台的水声通信信号处理单元7相连，将水声通信信号处理单元7的信息下发至深海运载器，或者接收深海运载器发来的信息。
表面声速计8与与水面监控平台的水声通信信号处理单元7相连，用于提供表层声速剖面信息。
水面监控平台的原子钟9与水面监控平台的水声通信信号处理单元7相连，用于提供时间基准。水面监控平台的原子钟9与水面监控平台的卫星定位单元5，用于实时校正原子钟随时间的漂移。
3、深海运载器部分
在深海运载器通信定位导航授时一体化系统中，通信定位导航授时均以服务深海运载器为主，服务水面监控平台和科考船或岸基监控中心为辅。图6为本发明实施例深海运载器组成示意图。如图6所示，深海运载器部分主要由声学换能器阵列10、水声通信信号处理单元11、惯导单元12、水声定位信号处理单元13、声学多普勒计程仪14、组合导航信息融合单元15、深度计16、声速计17、原子钟18等组成。
深海运载器的声学换能器阵列10由多个接收水听器、滤波放大器、波束形成器，以及1个发射换能器、功率放大器等组成。与深海运载器的水声通信信号处理单元11相连，用于与水面监控平台的通信解码。与深海运载器的水声定位信号处理单元13相连，用于记录水声信号到达时刻，并完成目标方位估计。与深海运载器的惯导单元12相连，集成为一体化，在实验室完成校准，避免繁重的海上校准。
深海运载器的水声通信信号处理单元11与深海运载器的声学换能器阵列10相连，用于接收来自水面监控平台的水声信号，或者将深海运载器状态信息发送至水面监控平台。与深海运载器的水声定位信号处理单元13相连，用于将解码的水面监控平台发来的信息，如经纬度、时间、时间间隔等，转发给水声定位信号处理单元，用于完成定位解算，或授时。与深海运载器的组合导航信息融合单元15相连，提供深海运载器的经纬度和姿态信息。与深海运载器的原子钟相连，利用原子钟18提供时间基准。
深海运载器的水声定位信号处理单元13与深海运载器的声学换能器阵列10相连，用于接收来自水面监控平台的水声信号。与深海运载器的水声通信信号处理单元11相连，用于接收的水面监控平台发来的信息。与深海运载器的惯导单元12相连，提供深海运载器的声学换能器阵列10的姿态信息。与深海运载器的组合导航信息融合单元15相连，将定位结果发送给组合导航信息融合单元15，修正组合导航误差，并接收组合导航信息融合单元15提供的深海运载器位置数据，与姿态信息、水面监控平台前一时刻位置等信息一起作为先验信息，调整声学换能器阵列10的波束指向，使其指向水面监控平台方向，抑制深海运载器自身的噪声(螺旋桨、电机等辐射噪声)，提高输出信噪比。与深海运载器的原子钟18相连，利用后者提供时间基准。
深海运载器的惯导单元12深海运载器的声学换能器阵列10相连，集成为一体化固件，在实验室完成校准。与深海运载器的水声定位信号处理单元13相连，为后者提供定位所需的姿态信息。与深海运载器的组合导航信息融合单元15相连，作为组合导航的基础。
深海运载器的声学多普勒计程仪14与深海运载器的组合导航信息融合单元15，为后者提供速度修正。与深海运载器的原子钟18相连，由后者提供时间基准。
深海运载器的组合导航信息融合单元15与深海运载器的水声通信信号处理单元11，为后者提供深海运载器的经纬度和姿态信息。与深海运载器的水声定位信号处理单元13相连，接收后者提供的声学定位信息，用于组合导航。与深海运载器的惯导单元12，由后者提供组合导航基础。与深海运载器的声学多普勒计程仪14，由后者提供速度修正。与深海运载器的原子钟18相连，由后者提供时间基准。
深海运载器的深度计16与深海运载器的水声定位信号处理单元13相连，为后者提供深度信息。与深海运载器的组合导航信息融合单元15相连，为后者提供深度信息。与深海运载器的原子钟18相连，由后者提供时间基准。
深海运载器的声速计17与深海运载器的水声定位信号处理单元13相连，与表层声速信息进行融合，生成新的声速剖面，为后者提供声速剖面信息。与深海运载器的原子钟18相连，由后者提供时间基准。
深海运载器的原子钟18与深海运载器的各系统相连，用于提供时间基准。
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，各个实施例之间相同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 (10)

1.一种深海运载器通信定位导航授时一体化方法，其特征在于，所述一体化方法应用于深海运载器通信定位导航授时一体化装置，所述装置包括水面监控平台、深海运载器和科考船/岸基监控中心，所述一体化方法包括：
获取水面监控平台的经纬度和时间信息；
将水面监控平台的经纬度和所述时间信息以水声通信的方式下发至深海运载器；
通过深海运载器解码通信信息，获取水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
获取深海运载器接收到通信信息的时间；
根据水面监控平台发射通信信息的时间和深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
获取所述深海运载器的声速剖面和所述深海运载器深度；
根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
根据所述本征声线和所述深海运载器深度，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离；
获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
根据所述传播时延、所述方位角和所述深海运载器深度确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息；
获取所述深海运载器的惯性导航信息和多普勒计程仪信息；
将所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息；
将所述深海运载器组合导航信息和所述深海运载器状态信息等以水声通信的方式向上发送至所述深海运载器水面监控平台；
通过所述深海运载器水面监控平台解码通信信息，获取所述深海运载器深海运载器发射的通信信息，并通过卫星转发给科考船/岸基监控中心；
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；
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所述的深海运载器通信定位导航授时一体化方法，其特征在于，所述根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延，具体包括：
根据所述深海运载器通信解码获得的所述水面监控平台发射通信信息的时刻和所述深海运载器接收到通信信息的时刻，确定水声通信信号的传播时延。
3.根据权利要求1所述的深海运载器通信定位导航授时一体化方法，其特征在于，所述根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离，具体包括：
根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
根据所述本征声线和所述深海运载器深度采用勾股定理，得到所述水面监控平台与所述深海运载器的水平距离。
4.根据权利要求1所述的深海运载器通信定位导航授时一体化方法，其特征在于，获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角，具体包括：
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
5.根据权利要求1所述的深海运载器通信定位导航授时一体化方法，其特征在于，所述根据所述传播时延和所述方位角确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息，具体包括：
采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
6.根据权利要求1所述的深海运载器通信定位导航授时一体化方法，其特征在于，将所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息，具体包括：
采用卡尔曼滤波方法将所述经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息。
7.根据权利要求1所述的深海运载器通信定位导航授时一体化方法，其特征在于，在对所述组合导航之前，还包括：
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，对所述水平距离信息和所述绝对位置信息进行判断，判断所述水平距离信息和所述绝对位置信息是否为野点信息；
若是，则剔除所述水平距离信息和所述绝对位置信息；
若否，则利用所述水平距离信息和所述绝对位置信息对惯导信息进行修正，得到组合导航信息。
8.根据权利要求1所述的深海运载器通信定位导航授时一体化方法，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。
9.一种深海运载器通信定位导航授时一体化系统，其特征在于，所述系统包括：
第一获取模块，用于获取水面监控平台的经纬度和时间信息；
向下通信模块，用于将水面监控平台的经纬度和所述时间信息以水声通信的方式下发至深海运载器；
解码模块，用于通过深海运载器解码通信信息，获取水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
第二获取模块，用于获取深海运载器接收到通信信息的时间；
传播时延确定模块，用于根据水面监控平台发射通信信息的时间和深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
第三获取模块，用于获取所述深海运载器的声速剖面和所述深海运载器深度；
本征声线构建模块，用于根据所述声速剖面、所述深海运载器深度和所述传播时延，构建本征声线；
水平距离确定模块，用于根据所述本征声线和所述深海运载器深度，得到水面监控平台与深海运载器的水平距离；
方位角精确确定模块，用于获取所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
相对位置信息确定模块，用于根据所述传播时延、所述方位角和所述深海运载器深度确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
定位模块，用于根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息；
第四获取模块，用于获取所述深海运载器的惯性导航信息和多普勒计程仪信息；
组合导航模块，用于将所述水面监控平台的经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息；
向上通信模块，用于将所述深海运载器组合导航信息和所述深海运载器状态信息等以水声通信的方式向上发送至所述深海运载器水面监控平台；
解码转发模块，用于通过所述深海运载器水面监控平台解码通信信息，获取所述深海运载器深海运载器发射的通信信息，并通过卫星转发给科考船/岸基监控中心；
发射、接收模块，用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，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。
10.根据权利要求9所述的深海运载器通信定位导航授时一体化系统，其特征在于，所述组合导航模块，具体包括：
融合校正单元，用于采用卡尔曼滤波方法将所述经纬度信息、所述水平距离、所述绝对位置信息、所述惯性导航信息和所述多普勒计程仪信息进行融合校正，得到组合导航信息。
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