CN112332929B - 一种具备广域覆盖和自主监测的水下pnt系统 - Google Patents

Abstract

一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统，包括：水面段、用户段、水下段和岸基控制中心；水面段布设有时空基准传递装置和通信节点，用于将北斗卫星导航系统的时空基准传递至所述水下段和信息交互；用户段布设有用户终端；水下段布设有水下PNT网络，用户终端利用水下PNT网络进行水下定位、导航与授时；水下PNT网络被配置成由多个海底基站构建的海底基站链路所构成的区域网络，通过海底基站链路使水下PNT网络具备自主监测；岸基控制中心用于监测水面段、用户段和水下段的工作状态，并将获取的数据进行处理。该水下PNT系统具有完好性监测功能、具备基站间链路功能和广域服务能力、具有通导一体化功能和远程通信功能、可根据海区环境特性进行自适应修正。

Description

一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统

技术领域

本发明涉及水下定位、导航、授时系统领域，具体涉及一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统。

背景技术

在水上，具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确时间等PNT信息。在水下，为了满足了快速发展的水下多种平台对水下定位、导航和授时的需求，提供了一种以北斗为时空基准的全球水下定位(P)、导航(N)、授时(T)系统，该系统具备小尺寸、低功耗、高隐蔽性、高精度以及长时间工作等特点，主要由海底基站、水面浮标、岸基控制中心、用户端等组成。

海底基站作为水下PNT系统的主要组成单元，布设时锚定在水下，长期为水下PNT系统提供高精度的时空基准，但是由于自然环境或人为因素等原因导致海底基站发布的时空基准信号的完好性无法实时监测，从而导致不能达到广域覆盖的目的，主要体现在：

1)海洋环境十分复杂，海水对信号能量的吸收、环境参数的时空变化、海水介质的不均匀、海底底质差异以及洋流、内波等因素，限制了声、光、电等能量形式的传播距离，制约了水下PNT信息的覆盖范围；

2)海底基站构成的导航网络长期布设在水下，由于自然因素(海洋环境变化、海底滑坡、板块移动等)或人为因素(人类海上作业等)原因引起海底基站位置的移动，导致海底基站位置发生变化，时空基准存在误差等；

3)海底基站布设在水下，其时空基准信号无法实时监控，尤其在远海大范围布设时，时空基准的准确性、完整性、可用性无法实时监测，在不同海域布设的情况下，还需考虑环境适应性等问题。

发明内容

本申请针对海底基站在长期运行过程中由于位置移动导致的时空基准误差及完好性监测的问题，提供了一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统，利用海底基站链路及北斗卫星导航系统实现水下PNT系统的自主监测和广域覆盖。

本发明技术方案如下：

本发明提供一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统，包括：水面段、用户段、水下段和岸基控制中心；

所述水面段布设有时空基准传递装置和通信节点，用于从北斗卫星导航系统获取时空基准，并将时空基准传递至所述水下段以及实现信息交互；

所述用户段布设有用户终端；

所述水下段布设有水下PNT网络，所述用户终端利用所述水下PNT网络进行水下定位、导航与授时；

所述水下PNT网络被配置成由多个海底基站构建的海底基站链路所构成的区域网络，通过所述海底基站链路使所述水下PNT网络具备广域覆盖和自主监测能力；

所述岸基控制中心用于监测所述水面段、用户段和水下段的工作状态，并将获取的数据进行处理。

进一步优选的，所述水下PNT网络被配置成若干个区域网络，各个区域网络由多个海底基站构建的海底基站链路级联所构成。

进一步优选的，所述海底基站链路具有完好性监测功能，相邻海底基站之间双向通信，以使相邻海底基站之间进行双向位置校准、相互授时、双向报文通信，以达到各海底基站对其它海底基站的工作状态进行自主监测。

进一步优选的，所述用户终端还用于自动获取海洋环境参数，采用正交匹配追踪压缩感知技术对海洋环境参数进行自动估计与信道补偿。

进一步优选的，所述水下PNT系统通过自主监测手段、基站链路级联、自动参数获取与补偿，使系统达到具备组网建链和广域覆盖功能。

进一步优选的，所述水下段的导航、定位、授时及报文通信在信号体制上进行了一体化设计。

进一步优选的，所述水面段的时空基准传递装置和通信节点，可以安装在主基站上，具有上升和下潜功能。

进一步优选的，所述海底基站链路与北斗卫星导航系统进行信息交互，所述岸基控制中心通过所述北斗卫星导航系统监测水下段的工作状态。

进一步优选的，所述信号体制为从多维度设计的信号体制，以使所述信号体制满足定位导航精度及作用距离的要求、满足授时精度的要求、满足远距离低误码率的报文通信要求。

进一步优选的，所述海底基站还利用深海声道轴特性进行远程通信。

依据上述实施例的具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统，具有以下有益效果：

1)具有完好性监测功能：对于水下PNT信号的质量、时空基准的准确性、完整性、可用性等进行监测；

2)在远海、大范围布设时，可根据海区环境特性进行自适应修正：自动获取环境参数并进行声线修正、信道补偿等；

3)具备基站间链路功能：利用基站间链路级联功能，完成基站的工作状态监测、互相校准、互相授时等；

4)具备广域服务能力：在具备完好性监测、环境参数自动获取和修正、基站间链路功能基础上，可实现水下PNT系统的组网建链和广域覆盖功能；

5)具有通导一体化功能：可利用宽带技术，提供PNT信息+通信功能；

6)具有远程通信功能：利用深海声道轴的特性，达到远程通信的目的。

附图说明

图1为水下PNT系统示意图；

图2为水下PNT系统海底基站链路示意图；

图3为水下PNT系统具备广域覆盖和自主监测模型示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施提供了一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统，可为水下PNT系统提供广域、长期有效的时空基准信息，同时满足多种用户的不同需求，具有连续性、稳健性和可靠性的特点。

本实施例提供的水下PNT系统包括水面段、用户段、水下段和岸基控制中心，其原理图如图1所示。水面段布设有时空基准传递装置和通信节点，用于从北斗卫星导航系统获取时空基准，并将时空基准传递至水下段以及实现信息交互；用户段布设有用户终端；水下段布设有水下PNT网络，用户终端利用水下PNT网络进行水下定位、导航与授时；岸基控制中心用于监测水面段、用户段和水下段的工作状态，并将获取的数据进行处理。

下面对本发明的具体设计细节进行描述。

本实施例中的水面段主要功能是从卫星获取北斗时空基准，通过时空基准传递装置将北斗时空基准传递到水下段中，构建水上/水下时空基准统一。优选的，水面段布设的时空基准传递装置具有多类型形态，包括但不限于UUV单体及编队、水面船、水面浮标。水面段的时空基准传递装置和通信节点，安装在包括但不限于主基站上，具有上升和下潜功能。

本实施例中的用户终端包括但不限于UUV、AUV、深海探测器、水面船、水面无人艇等。

由于海洋的水声传输信道是一个高噪声、强混响、窄带宽、多途干扰严重的“梳状滤波器”，导致水声信息传输易出现误码率高、传输速率低、传输距离近等多种问题。基于此，本实施例的用户终端还用于自动获取海洋环境参数及信道补偿，具体的，用户终端采用了但不限于基于压缩感知技术对海洋环境参数自动估计与补偿技术，是海洋环境信道估计、补偿方法的新思路，该技术在提升补偿效果的同时还兼具了运算量低、误差小、适用性强等特色。

其中，基于压缩感知的信道估计与补偿技术，该技术建立以多途时延、多途衰减和多普勒等参数为基础的双多项式水声稀疏信道模型，其中多途时延和多途衰减均随时间变化。充分挖掘信道稀疏特性，通过一系列的假设，将稀疏信道估计的问题转化成便于实际应用的线性凸优化问题。只要信号是可压缩的或在某个变换域是稀疏的，就可以通过测量矩阵将其投影到一个低维空间上，然后通过求解一个最优化问题从这些少量的投影值中准确地重构原信号。优选的，采用正交匹配追踪(0MP)压缩感知信道估计算法，在每次迭代中对已选子集进行正交化，能够保证每次迭代的优化效果，减少迭代次数，当满足一定的终止准则时停止迭代，得到K次迭代输出的K维稀疏估计。

通过用户终端自动获取海洋环境参数及信道补偿，使得本申请的水下PNT系统具有环境参数自动获取及信道补偿、声线修正功能，在远海、大范围布设时，可根据海区环境特性进行自适应修正，使之自适应不同海区，达到发挥水下PNT系统最优性能的目的，为水下PNT网络广域覆盖提供技术基础。

目前，水下PNT系统大多以局域导航网络的形式存在，各基站工作相对独立，尚未建立海底基站链路。而在本申请中，创造性地提出了水下PNT系统构建海底基站链路，以使水下PNT系统具备广域覆盖和完好性监测能力，该技术点是水下PNT试验系统发展的新思路。

水下PNT系统构建海底基站链路的结构示意图如图2所示，具体的，水下PNT网络被配置成由多个海底基站构建的海底基站链路所构成的区域网络，通过海底基站链路使水下PNT网络具备自主监测。进一步，水下PNT网络被配置成若干个区域网络，各个区域网络由多个海底基站构建的海底基站链路级联所构成；且海底基站链路中相邻海底基站之间双向通信，以使相邻海底基站之间进行双向位置校准、相互授时、双向报文通信，以达到各海底基站对其它海底基站的工作状态进行自主监测。

通过水下PNT系统构建海底基站链路，使得本申请的水下PNT系统不但能为用户提供定位、导航、授时服务，还具备基站与基站之间、基站与用户之间、用户与用户之间、用户与水面之间的报文通信功能，提高水下信息交互能力。以海底基站为核心的水下PNT系统构建海底基站之间的组网构建链路，实现基站与基站之间的双向位置校准、相互授时、双向报文通信等功能，构成海底基站间链路后，各基站可对其它基站进行工作状态监测与位置校准，提高海底区域网络的自主监测性能，降低对运维设备的依赖，为水下PNT网络广域覆盖提供技术基础。同时，通过海底基站间链路与北斗系统之间的信息交互，岸基控制中心可对水下PNT系统的工作状态，包括信号发射功率、编码方式、信息的有效性、时间同步精度、报文通信误码率、电池电量等一系列状态信息进行监测，有利于水下PNT系统的维护与持续运行，为水下PNT网络广域覆盖提供技术基础。

进一步，本申请提供的水下PNT系统在具备上述涉及的完好性监测功能、环境参数自动获取及信道补偿、声线修正功能、基站间链路功能基础上，结合海底基站间链路的双向通信、自主监测与北斗系统的全球覆盖能力，延拓水下区域网络服务域，实现水下PNT系统的广域覆盖能力。

本申请通过在PNT区域网络海底基站进行构建链路，利用水下通信、海洋环境参数自适应估计、基站工作状态自主监测和高精度自主测阵技术，实现广域定位导航授时、通信及远程完好性监测功能。依托海底基站间链路构建新型水下区域网络，结合先进的海洋环境参数自适应估计技术，使系统具备广域覆盖与完好性监测能力。

进一步，由于水下信道的特殊性，导致传播速度较慢，通信、导航一体化技术为水下PNT系统的广域覆盖和完好性监测提供了技术支撑。基于此，本申请的水下PNT系统集水下定位、导航、授时以及报文通信等多种功能于一体，利用宽带技术使之具备PNT信息+通信报文能力。其信号体制设计既要满足定位导航精度、作用距离要求，也要满足授时精度的需求，同时还要满足远距离低误码率的报文通信，是一个需要从多维度设计的信号体制。

进一步，海底基站可利用深海声道轴的特性，达到远程通信的目的。通过远程通信，实现海底基站的远程控制及数据传输功能。

海底基站构成的导航网络长期布设在水下，由于自然因素(海洋环境变化、海底滑坡、板块移动等)或人为因素(人类海上作业等)原因引起海底基站位置的移动，导致海底基站位置发生变化，时空基准存在误差、PNT信息不完整，本申请涉及的水下PNT系统具有对海底基站完好性监测功能，包括但不限于阵型自动校准、对于水下PNT信号的质量、时空基准的准确性、完整性、可用性等进行监测，并根据监控信息提供相应的解决措施。海底基站工作时以实时或定时的方式与北斗或岸基控制中心进行通信，利于系统的运行及维护，自主运行、自主监测，为水下PNT网络广域覆盖提供技术基础。

本申请涉及的水下PNT系统具备广域覆盖和自主监测功能的效果，其模型图如图3所示。通过图3可知，通过水下长航时、大范围、高精度的PNT方法、海洋环境自适应估计及获取技术、通导一体化技术和远程通信技术为水下PNT网络完好性监测模型提供技术支撑；图3中的基站间链路为完好性模型提供了技术手段；利用北斗的全球覆盖能力扩展水下PNT的全球覆盖能力；利用技术支撑、技术手段完成水下PNT的完好性监测功能，从而实现水下PNT的广域覆盖和完好性监测。

下面对本申请的水下PNT系统在使用时的操作过程进行说明。

第一步，布设海底基站：在海底布设主基站及从基站。

第二步，获取北斗的时空基准：可采用但不仅限于潜浮标、AUV或水面船方式将时空基准信息传递到水下。

第三步，为水下用户提供PNT信息：在采取所述的完好性监测、环境参数自动获取和修正、基站间链路等技术手段，以及阵型校准、状态监测等，使水下PNT系统时空基准保持在较高精度，为水下用户提供连续、可靠、有效的PNT信息。

本申请提供了一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统，可为水下PNT系统提供广域、长期有效的时空基准信息，同时满足多种用户的不同需求，具有连续性、稳健性和可靠性的特点。该水下PNT系统除具备常规的水下长航时、大范围、高精度定位、导航、授时的功能外，尤其具有以下创新点：

1)具有完好性监测功能：对于水下PNT信号的质量、时空基准的准确性、完整性、可用性等进行监测；

2)在远海、大范围布设时，可根据海区环境特性进行自适应修正：自动获取环境参数并进行声线修正、信道补偿等；

3)具备基站间链路功能：利用基站间链路级联功能，完成基站的工作状态监测、互相校准、互相授时等；

4)具备广域服务能力：在具备完好性监测、环境参数自动获取和修正、基站间链路功能基础上，可实现水下PNT系统的组网建链和广域覆盖功能；

5)具有通导一体化功能：可利用宽带技术，提供PNT信息+通信功能；

6)具有远程通信功能：利用深海声道轴的特性，达到远程通信的目的。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种具备广域覆盖和自主监测的水下PNT系统，其特征在于，具有海底基站在长期运行过程中由于位置移动导致的时空基准误差自动修正及完好性监测功能，包括：水面段、用户段、水下段和岸基控制中心；

所述水面段布设有时空基准传递装置和通信节点，用于从北斗卫星导航系统获取时空基准，并将时空基准传递至所述水下段以及实现信息交互，实现水上水下时空基准统一，具有潜浮标、AUV单体及编队、水面船、水面浮标多种形态；

所述用户段布设有用户终端，所述用户终端用于自动获取海洋环境参数及信道补偿，使得水下PNT系统具有环境参数自动获取及信道补偿、声线修正功能，以及广域海区的环境特性自适应修正功能；

所述水下段布设有由多个海底基站构建的海底基站链路所构成的水下PNT网络，自主监测水下PNT信号的质量和水下时空基准的准确性、完整性、可用性，所述用户终端利用所述水下PNT网络进行水下定位、导航与授时；

所述水下PNT网络被配置成由多个海底基站构建的海底基站链路所构成的若干个区域网络，各个区域网络由多个海底基站构建的海底基站链路级联所构成，通过所述海底基站链路使所述水下PNT网络具备广域覆盖和自主监测能力；

所述岸基控制中心用于监测所述水面段、用户段和水下段的工作状态，并将获取的数据进行处理。

2.如权利要求1所述的水下PNT系统，其特征在于，所述海底基站链路具有完好性监测功能，相邻海底基站之间双向通信和高精度自主测阵，以使相邻海底基站之间进行双向位置校准、相互授时、双向报文通信，以达到各海底基站对其它海底基站的工作状态进行自主监测。

3.如权利要求1所述的水下PNT系统，其特征在于，所述用户终端还用于自动获取海洋环境参数，采用正交匹配追踪压缩感知技术对海洋环境参数进行自动估计与信道补偿。

4.如权利要求1所述的水下PNT系统，其特征在于，通过自主监测手段、基站链路级联、自动参数获取与补偿，使系统达到具备组网建链和广域覆盖功能。

5.如权利要求1所述的水下PNT系统，其特征在于，所述水下段的导航、定位、授时及报文通信在信号体制上进行了一体化设计。

6.如权利要求1所述的水下PNT系统，其特征在于，所述水面段的时空基准传递装置和通信节点，安装在包括但不限于主基站上，具有上升和下潜功能。

7.如权利要求1所述的水下PNT系统，其特征在于，所述海底基站链路与北斗卫星导航系统进行信息交互，所述岸基控制中心通过所述北斗卫星导航系统监测水下段的工作状态。

8.如权利要求5所述的水下PNT系统，其特征在于，所述信号体制为从多维度设计的信号体制，以使所述信号体制满足定位导航精度及作用距离的要求、满足授时精度的要求、满足远距离低误码率的报文通信要求。

9.如权利要求2所述的水下PNT系统，其特征在于，所述海底基站还可利用深海声道轴特性进行远程通信。

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