CN112346101B - 一种基于北斗时空基准的全球水下pnt系统 - Google Patents

Abstract

一种基于北斗时空基准的全球水下PNT系统，在全球海域内根据各海域的特点分别构建符合所述海域的水下PNT系统，水下PNT系统包括水上部分和水下部分；所述水上部分布设时空基准转换装置，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部分；水下部分包括若干个固定和移动的导航定位区域及用户端，所述各个导航定位区域配置有相同或不同技术体制的PNT网络，所述用户端配置多源水下导航技术体制进行定位、导航、授时。所述的一种基于北斗时空基准的全球水下PNT系统满足了水下多种平台对水下PNT的要求，且具备小尺寸、低功耗、高隐蔽性、高精度以及长时间工作等特点，能够向水下用户提供连续、可靠、稳定的PNT信息。

Description

一种基于北斗时空基准的全球水下PNT系统

技术领域

本发明涉及水下定位、导航、授时系统领域，尤其涉及一种以北斗卫星导航系统为时空基准的全球水下定位、导航、授时系统。

背景技术

GPS系统是利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位(Positioning)、导航(Navigation)、授时(Timing)的系统。GPS能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等PNT信息。我国自主研发的北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是我国自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。随着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成，北斗系统已具备覆盖全球的PNT服务能力。

无论是GPS导航系统还是北斗导航系统，其信息传输是完全依靠电磁波进行的，但是在水下，由于电磁波无法穿透海水，占地球表面积71％的海洋无法像陆地一样利用北斗系统为水下用户提供导航和通信服务，必须建立专门针对水下用户的导航和通信系统，从而为用户提供定位、导航、授时服务。另外，随着海洋强国战略的推进，海洋资源开发、海洋权益保护、深远海军力发展等海洋活动逐渐增多，水下新型航行器、潜航器、深海探测器等新技术、新装备的大量研制和应用，对水下定位(P)、导航(N)、授时(T)服务的需求也变得更加强烈。

以无人水下航行器UUV(Unmanned Underwater Vehicle)、自主水下航行器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)、遥控无人潜水器ROV(Remote Operated Vehicle)和载人潜水器为代表的水下潜航器，作为海洋调查、资源开发和军事用途的重要手段，具有活动范围广、体积小、隐蔽性好、可进入深海空间、可执行危险任务和在恶劣环境下作业等优点，在民用和军事上均得到了广泛应用，为我国海防、海洋资源勘查、海洋科学研究做出很大贡献。未来，各种潜航器将一起编队，执行多种作战任务，水下长航时高精度导航是水下潜航器等获得有效信息的必要条件，更是决定其安全工作以及顺利返回的关键因素。

随着水下潜航器的大量投入使用，对可适应复杂海洋环境的水下潜航器导航装备的需求快速提升。拥有自主导航能力的惯性导航系统依然是水下导航的核心设备，但是惯导系统的误差会随时间积累，无法满足远海长航时的高精度水下导航需求。而AUV、UUV等潜航器在体积、重量、功耗方面均有限制，导致其无法安装大型高精度惯导，影响了该类潜航器在水下的长时间、高精度作业。此外在较为复杂的海洋环境中，如北极冰盖下的水域、敏感水域等，水下潜航器无法上浮获取北斗/GPS或天文导航信息来校准惯导。因此，急需建设水下PNT系统，以满足国防建设及海洋经济发展的使用要求。

除了国防建设对水下PNT服务具有需求外，国民经济的发展也需要水下PNT系统提供相应的服务，如海洋观测、海上施工、油气和海底固体矿产的勘探和开采等都需要水下定位、导航与授时服务。

发明内容

本申请提供一种基于北斗时空基准的全球水下PNT系统，满足了快速发展的水下多种平台对水下定位、导航和授时的要求，且具备小尺寸、低功耗、高隐蔽性、高精度以及长时间工作等特点，尤其具备多种水下PNT技术体制、时空基准统一、多源组合导航的特点，在目前国内公开的专利以及文献中未见公开报道，具有一定的创新性，该系统架构可为陆、海、空、天一体化的国家PNT体系建设规划的完善提供技术支撑。

本发明技术方案如下：

本发明提供一种基于北斗时空基准的水下PNT系统，在全球海域内根据各海域的特点分别构建符合所述海域的水下定位导航授时系统，所述水下定位导航授时系统包括：水上部分和水下部分；

所述水上部分布设时空基准转换装置，用于从北斗卫星导航系统获取时空基准，并将获取的北斗时空基准传递至所述水下部分；

所述水下部分包括若干个导航定位区域及用户端，所述各个导航定位区域配置有相同或不同的水下PNT网络，所述用户端利用水下PNT网络进行定位、导航、授时。

进一步优选的，所述时空基准转换装置采用有线或无线方式进行时空基准传递；所述有线方式包括但不限于电缆、光纤等手段进行传递；所述无线方式包括但不限于声学、激光等手段进行传递，将时空基准传递至水下部分。

进一步优选的，所述导航定位区域被划分为固定服务区域和移动服务区域，所述固定服务区域配置有固定定位导航授时网络，所述移动服务区域配置有移动定位导航授时网络。

进一步优选的，若干个所述导航定位区域包括声学导航区域、地形导航区域、地磁导航区域、重力导航区域和组合导航区域。

进一步优选的，各个导航区域的定位坐标系均以北斗时空基准为基础进行坐标转换，各个导航区域的定位服务的时空基准统一。

进一步优选的，所述声学导航区域被配置有固定声学PNT网络，所述地形导航区域被配置有固定地形PNT网络、所述地磁导航区域被配置有固定地磁PNT网络、所述重力导航区域被配置有固定重力PNT网络、所述组合导航区域被配置有组合PNT网络。

进一步优选的，所述声学PNT网络包括声学定位导航授时系统，所述声学定位导航授时系统采用但不限于长基线、短基线或超短基线进行导航定位；

所述地形PNT网络包括地形定位导航系统，所述地形定位导航系统利用地形特征的时空不变性和局部唯一性进行定位导航；

所述地磁PNT网络包括地磁定位导航系统，所述地磁定位导航系统通过预先获取区域的地磁场数据并提取地磁场特征值，利用地磁场特征值进行索引、匹配，获得当前位置的地磁参考值，进而获取位置信息，根据所述位置信息进行定位导航；

所述重力PNT网络包括重力定位导航系统，所述重力定位导航系统利用重力敏感器件测量重力信息，通过重力解析获得本地重力信息，将所述本地重力信息与预先存储的重力信息进行匹配，获得本地的位置信息，根据所述位置信息进行定位导航；

所述组合PNT网络包括所述声学定位导航授时系统、地形定位导航系统、地磁定位导航系统、重力定位导航系统中的至少2种导航系统。

进一步优选的，所述移动PNT网络利用但不限于UUV的移动方式提供区域与区域之间的PNT服务，以消除区域与区域之间的服务盲区。

进一步优选的，所述移动PNT网络采用但不限于声学导航技术和惯性导航技术提供定位导航授时服务。

依据上述实施例的全球水下定位导航授时系统，具有以下优点：

1、该系统提供一种以北斗为时空基准的全球水下PNT服务，满足了快速发展的水下多种平台对水下定位、导航、授时的要求，且具备小尺寸、低功耗、高隐蔽性、高精度以及长时间工作等特点，能够向水下用户提供连续、可靠、稳定的定位、导航、授时信息。

2、该系统采用了多种水下导航技术体制，较单一体制的好处在于当受到外界干扰的情况下，多种水下导航的技术体制受干扰影响较小，可保持提供持续、稳定的水下PNT服务。

3、该系统建立了多区域的水下PNT网络，该系统在全球海域内根据各海区的特点分别构建符合该区域的水下PNT网络，不仅该水下PNT网络的建立符合该海区的特点，而且能为用户端提供最优性能的水下PNT服务，且能持续、稳定的水下PNT服务。

4、该系统采用了“固定+移动”的服务手段，对于固定区域的水下PNT服务网络，利用UUV等的移动方式提供区域与区域之间的水下PNT服务，消除区域与区域间的服务盲区，是对PNT服务网络的补充。

附图说明

图1为水下定位导航授时系统架构示意图；

图2为时空基准传递数据流程图；

图3为水下定位导航授时系统的工作态势图。

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。

本实施例提供了一种以北斗为时空基准的全球水下定位、导航、授时系统，能为水下用户提供定位、导航、授时服务，可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。该系统尤其具有以下三个创新点：一是采用了多种水下导航技术体制，由于海洋环境十分复杂，信号的传播易受到海水介质的物理特性限制以及海洋环境条件的影响，单一的技术体制所实现的PNT服务一旦受到干扰，则会导致水下平台的导航定位与授时处于盲区，影响水下平台的作业，更严重的可能会导致不可预估的损失，多源的技术体制所实现的PNT服务受干扰影响有限，可保持持续、稳定的水下PNT服务；二是建立了多区域的水下PNT网络，系统在全球海域内根据各海区的特点分别构建符合该区域的水下PNT网络，不仅该水下PNT网络的建立符合该海区的特点，而且能为用户端提供最优性能的水下PNT服务；三是采用了“固定+移动”的系统构建方案，在固定区域的水下PNT网络外，利用UUV编队构建移动方式的水下PNT网络，作为水下固定PNT服务网络的补充。

下面对本实施例的全球水下PNT系统进行详细说明，如图1所示，水下PNT系统包括：水上部分和水下部分。

水上部分布设时空基准转换装置，用于从北斗卫星导航系统获取时空基准，并将获取的北斗时空基准传递至所述水下部分。

水上部分主要为北斗系统接收机和时空基准转换装置，完成为水下部分提供北斗时空基准服务及传递功能。

进一步，如图2所示，时空基准转换装置从北斗卫星系统获取北斗时空信息基准，进行时空信息校验、转换，将转换后的信息进行压缩、编码，经压缩、编码后进行时空信息调制，调制后的时空信息再根据采取的传递方式进行跨介质传递，最终北斗信息被传递到水下PNT网络，实现时空基准传递至水下部分。

水下部分包括若干个导航定位区域及用户端，各个导航定位区域配置有相同或不同的水下PNT网络，用户端配置了多源的水下导航技术体制进行定位、导航、授时。优选的，在本实施例中，各个导航定位区域配置有不同的水下PNT网络。

进一步，导航定位区域被划分为固定服务区域和移动服务区域，固定服务区域配置有固定PNT网络，移动服务区域配置有移动PNT网络。

进一步，若干个导航定位区域包括但不限于声学导航区域、地形导航区域、地磁导航区域、重力导航区域、组合导航区域(即多源组合导航区域)，例如，本实施例中的若干个导航定位区域包括该五个导航区域。各个导航区域的定位坐标系均以北斗时空基准为基础进行坐标转换，各个导航区域的定位服务的时空基准统一。

相应的，声学导航区域被配置有固定声学PNT网络，地形导航区域被配置有固定地形PNT网络、地磁导航区域被配置有固定地磁PNT网络、重力导航区域被配置有固定重力PNT网络、组合导航区域被配置有组合PNT网络。

本实施例中的固定声学PNT网络构建原则是该区域需要高精度的定位导航服务，可构建声学PNT服务区域，声学PNT服务网络主要由北斗接收系统和声学定位导航授时系统组成，北斗接收系统主要用于时空基准的传递，声学定位导航授时系统一般采用长基线、短基线或超短基线定位系统，三种基线系统的复杂度、体积尺寸、定位精度等各不相同：长基线导航定位系统由预先布设的海底信标基阵组成，基线长度可达千米，定位精度高，主要应用于区域高精度定位；短基线由装在用户端的基阵和海底信标组成，基线长度一般为几米到几十米，导航定位精度易受到用户端载体形变的影响；超短基线同样由装在用户端的基阵和海底信标组成，基线长度为分米级或小于等于半波长，体积小，但导航定位精度依赖于航向、姿态及校准安装误差等。声学授时集成在定位、导航系统中，利用一体化的技术体制同时完成授时功能，声学PNT服务区域也可采用其他授时手段达到授时目的。声学PNT服务区具有连续性、高精度等特点，适用于需要高精度导航定位的区域，可与惯性导航系统结合，修正惯性导航系统的累计误差。

本实施例的固定地形PNT网络构建原则是该区域地形特征较明显，且只需导引服务，无需高精度的导航服务时，可构建地形匹配的PNT服务区域，地形匹配的PNT服务网络主要由北斗接收系统和地形定位导航系统组成，北斗接收系统主要用于时空基准的传递，地形定位导航系统利用地形特征的时空不变性和局部唯一性为水下目标提供导航服务，该地形匹配系统具有不依赖于导航器件、不受传感器精度限制等特点，但是只能在预先存储基准水下数字地图区域进行导航。在地形匹配PNT服务区域可采用多种授时手段达到授时目的。地形匹配PNT服务区域具有不依赖于导航器件、不受传感器精度限制等特点，但精度不高，一般作为辅助水下定位导航方式。

本实施例的固定地磁PNT网络构建原则是该区域地磁特征较明显或具有人工地磁信标，且只需导引服务，无需高精度的导航服务时，可构建地磁PNT服务区域，地磁的PNT服务网络主要由北斗接收系统和地磁定位导航系统组成，北斗接收系统主要用于时空基准的传递，地磁系统与地形匹配导航系统类似，通过预先获取该区域的地磁场数据并提取出磁场特征值，利用地磁场数值进行索引、匹配，得到当前位置的地磁参考值，从而得到准确的位置信息，为水下目标提供导航定位服务。在地磁PNT服务区域可采用多种授时手段达到授时目的。地磁PNT服务区同样具有不依赖于导航器件、不受传感器精度限制等特点，但精度不高，一般作为辅助水下定位导航方式。

本实施例的固定重力PNT网络构建原则是该区域重力特征较敏感，且只需导引服务，无需高精度的导航服务时，可构建重力PNT服务区域，重力PNT服务网络主要由北斗接收系统和重力定位导航系统组成，北斗接收系统主要用于时空基准的传递，重力系统与地形匹配导航系统类似，利用重力敏感器件测量重力信息，经过重力解析后得到本地重力异常信息，通过与预先存储的重力信息进行匹配，得到准确的位置信息，为水下目标提供导航定位服务。在重力匹配PNT服务区域可采用多种授时手段达到授时目的。重力导航服务区同样具有不依赖于导航器件、不受传感器精度限制等特点，但精度不高，一般作为辅助水下定位导航方式。

本实施例的多源组合导航区域被配置有固定组合定位导航授时网络(固定组合PNT网络)和移动定位导航授时网络(移动PNT网络)，其中，固定多源组合定位、导航、授时区域是将上述声学导航信息、地形匹配导航信息、地磁导航信息、重力导航信息等多种信息进行多参量信息融合，实现高可靠的多源组合定位、导航、授时服务。在组合PNT服务区域可采用多种授时手段达到授时目的。

本实施例中的移动PNT网络是对固定服务区域的水下PNT网络的补充，利用但不限于UUV的移动方式提供区域与区域之间的水下PNT服务，消除区域与区域间的服务盲区，具有一定的创新性，所述的UUV包括但不限于水下移动的各种潜航器、水面移动船或浮标的形态。移动PNT补充服务区域主要采用声学导航技术和惯性导航技术提供PNT服务。

如图3所示，下面对以北斗为时空基准的全球水下PNT系统工作态势进行说明。

水下用户在水下航行时，以惯性导航为主，当航行到声学PNT服务区域时，进行惯性/声学组合导航定位；当航行到地形匹配PNT服务区域时，进行惯性/地形匹配组合导航定位；当航行到地磁匹配PNT服务区域时，进行惯性/地磁匹配组合导航定位；当航行到重力匹配PNT服务区域时，进行惯性/重力匹配组合导航定位；当航行到多源组合PNT服务区域时，将惯性导航信息、声学导航信息、物理场匹配导航信息等多种信息进行多参量信息融合，实现高可靠的多源组合导航。水下多种PNT技术体制构成的区域性导航定位之间的坐标体系都以北斗时空基准为基础进行坐标转换，因此水下多个PNT服务区域之间的时空基准统一，通过大范围构建PNT服务区域，结合北斗系统的全球定位、导航、授时能力，实现全球水下的定位、导航、授时服务。

水下PNT虽然信息源有限，但是基于北斗的水下PNT服务系统也应具有可用性、完好性、连续性、可靠性以及稳健性的特点，水下PNT系统不应采用单一信息源作为实现手段，否则一旦该信息源受到干扰，水下PNT系统将会崩溃。

因此，本实施例提供的一种以北斗为时空基准的全球水下定位、导航、授时系统以某一种较为稳健的信息源为基础，辅以其他机理的水下信息源进行修正，从硬件、软件等多方面进行集成，实现多源信息融合、多传感器集成的高可靠性水下PNT系统，具有一定的创新性，其有益效果在于：

1、该系统提供一种以北斗为时空基准的全球水下定位、导航、授时服务，满足了快速发展的水下多种平台对水下定位、导航、授时的要求，且具备小尺寸、低功耗、高隐蔽性、高精度以及长时间工作等特点，能够向水下用户提供连续、可靠、稳定的定位、导航、授时信息。

2、该系统采用了多种水下导航技术体制，较单一体制的好处在于当受到外界干扰的情况下，多种水下导航的技术体制受干扰影响较小，可保持提供持续、稳定的水下PNT服务。

3、该系统建立了多区域的水下PNT网络，该系统在全球海域内根据各海区的特点分别构建符合该区域的水下PNT网络，不仅该水下PNT网络的建立符合该海区的特点，而且能为用户端提供最优性能的水下PNT服务，且能持续、稳定的水下PNT服务。

4、该系统采用了“固定+移动”的服务手段，对于固定区域的水下PNT服务网络，利用UUV等的移动方式提供区域与区域之间的水下PNT服务，消除区域与区域间的服务盲区，是对PNT服务网络的补充。

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 (6)

1.一种基于北斗时空基准的全球水下PNT系统，其特征在于，在全球海域内根据各海域的特点分别构建符合所述海域的水下PNT系统，通过水下的多区域PNT网络为水下平台用户提供连续、可靠、稳定的导航定位授时信息；所述水下PNT系统包括水上部分和水下部分；

所述水上部分布设时空基准转换装置，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部分的多区域PNT网络，实现水下和北斗系统的基准统一；

所述水下部分包括若干个导航定位区域及用户端，所述各个导航定位区域配置有相同或不同的水下PNT网络；

其中，水下多区域PNT网络包括声学PNT服务区域、地形匹配PNT服务区域、地磁匹配PNT服务区域、重力匹配PNT服务区域及多源组合PNT服务区域，各个导航区域的定位坐标系均以北斗时空基准为基础进行坐标转换，各个导航区域的定位服务的时空基准统一；

所述若干个导航定位区域包括声学导航区域、地形导航区域、地磁导航区域、重力导航区域和组合导航区域；

声学导航区域被配置有固定声学PNT网络，地形导航区域被配置有固定地形PNT网络、地磁导航区域被配置有固定地磁PNT网络、重力导航区域被配置有固定重力PNT网络、组合导航区域被配置有组合PNT网络；

所述固定声学PNT网络由北斗接收系统和声学定位导航授时系统组成，北斗接收系统用于时空基准的传递，声学定位导航授时系统采用长基线、短基线或超短基线定位系统,所述长基线定位系统由预先布设的海底信标基阵组成，所述短基线由装在用户端的基阵和海底信标组成，所述超短基线由装在用户端的基阵和海底信标组成，声学PNT服务区用于需要高精度导航定位的区域，可与惯性导航系统结合，修正惯性导航系统的累计误差；

所述固定地形PNT网络由北斗接收系统和地形定位导航系统组成，北斗接收系统主要用于时空基准的传递，地形定位导航系统利用地形特征的时空不变性和局部唯一性为水下目标提供导航服务；

所述固定地磁PNT网络由北斗接收系统和地磁定位导航系统组成，北斗接收系统用于时空基准的传递，地磁系统通过预先获取区域的地磁场数据并提取出磁场特征值，利用地磁场数值进行索引、匹配，得到当前位置的地磁参考值，从而得到准确的位置信息，为水下目标提供导航定位服务；

所述固定重力PNT网络由北斗接收系统和重力定位导航系统组成，北斗接收系统用于时空基准的传递，重力系统利用重力敏感器件测量重力信息，经过重力解析后得到本地重力异常信息，通过与预先存储的重力信息进行匹配，得到准确的位置信息，为水下目标提供导航定位服务；

所述组合PNT网络包括所述声学定位导航授时系统、地形定位导航系统、地磁定位导航系统、重力定位导航系统中的至少2种导航系统；

水下用户在水下航行时，以惯性导航为主，当航行到声学PNT服务区域时，进行惯性/声学组合导航定位；当航行到地形匹配PNT服务区域时，进行惯性/地形匹配组合导航定位；当航行到地磁匹配PNT服务区域时，进行惯性/地磁匹配组合导航定位；当航行到重力匹配PNT服务区域时，进行惯性/重力匹配组合导航定位；当航行到多源组合PNT服务区域时，将惯性导航信息、声学导航信息、物理场匹配导航信息等多种信息进行多参量信息融合，实现高可靠的多源组合导航。

2.如权利要求1所述的全球水下PNT系统，其特征在于，所述时空基准转换装置采用有线或无线方式进行时空基准传递；所述有线方式包括但不限于利用电缆、光纤进行传递；所述无线方式包括但不限于利用声学、激光进行传递。

3.如权利要求1所述的全球水下PNT系统，其特征在于，所述导航定位区域配置了固定服务区域和移动服务区域，所述固定服务区域配置有固定PNT网络，所述移动服务区域配置有移动PNT网络。

4.如权利要求1所述的全球水下PNT系统，其特征在于，所述用户端配置了多源水下导航技术体制进行定位、导航、授时。

5.如权利要求3所述的全球水下PNT系统，其特征在于，所述移动PNT网络利用UUV的移动方式提供区域与区域之间的PNT服务，以消除区域与区域之间的服务盲区。

6.如权利要求5所述的全球水下PNT系统，其特征在于，所述移动PNT网络采用声学导航技术和惯性导航技术提供定位导航授时服务。