CN113686385A - 一种多频段海底大地基准站 - Google Patents

Abstract

一种多频段海底大地基准站，解决了现有海底大地基准站覆盖范围受限的问题，属于海洋大地测量技术领域和海洋工程领域。本发明包括多个水下导航系统，分布在海底，目标用户根据多个水下导航系统的分布位置和距离进行定位和导航；每个水下导航系统采用长距离水下导航系统、中距离水下导航系统或短距离水下导航系统；长距离水下导航系统的中心频带为500Hz；中距离水下导航系统的工作频带为2kHz‑4kHz；短距离水下导航系统的工作频带为8kHz‑16kHz。本发明选择中频和低频的双频段工作频率，设计了三种工作频带的导航系统，分别实现长距离、中距离和短距离，分布在海底，扩大海底大地基准站覆盖范围。

Description

一种多频段海底大地基准站

技术领域

本发明涉及海洋大地测量技术领域和海洋工程领域。

背景技术

海底大地基准网建设难度极大，技术要求高，建设周期相对较长，而且海底大地基准网设备的工作寿命又相对较短。为此国际大地测量协会(IAG)于2019年正式设立了海洋大地测量工作组，推动海洋空间基准与水下定位技术的发展。其中海底位置基准信标是其中不可或缺的一环。

海底大地基准站作为水下PNT(Positioning Navigation Timing，定位导航授时)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，但是由于自然环境因素等原因导致海底大地基准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，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。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有海底大地基准站覆盖范围受限的问题，本发明提供一种实现深水远距离的多频段海底大地基准站。

本发明的一种多频段海底大地基准站，所述基准站包括多个水下导航系统，分布在海底，目标用户根据多个水下导航系统的分布位置和距离进行定位和导航；

每个水下导航系统采用长距离水下导航系统、中距离水下导航系统或短距离水下导航系统；

长距离水下导航系统的中心频带为500Hz；

中距离水下导航系统的工作频带为2kHz-4kHz；

短距离水下导航系统的工作频带为8kHz-16kHz。

作为优选，所述水下导航系统采用直扩序列作为导航信号波形。

作为优选，所述水下导航系统包括一号声学信标、二号声学信标、三号声学信标、一号浮体、二号浮体、一号海洋环境采集器、二号海洋环境采集器、高频声源、海底海洋环境采集器、浮球、释放器和坐底结构；

一号声学信标、三号声学信标均为高频声信标，二号声学信标为低频声信标；

坐底结构通过锚系结构与海底固定，三号声学信标、海底海洋环境采集器与释放器固定在一起，与坐底结构挂接；

浮球与释放器连接，二号浮体底部连接一号浮球，二号海洋环境采集器、高频声源和二号声学信标挂载在二号浮体上，一号浮体底部连接二号浮体，一号海洋环境采集器和一号声学信标挂载在一号浮体上；

一号海洋环境采集器，用于采集所处位置处的环境信息；

二号海洋环境采集器，用于采集所处位置处的环境信息；

海底海洋环境采集器，用于采集海底的环境信息；

一号声学信标通过高频声源与二号声学信标通信，将一号海洋环境采集器采集的环境信息发送至二号声学信标；

三号声学信号通过高频声源与二号声学信标通信，将海底海洋环境采集器采集的环境信息发送至二号声学信标；

二号声学信标，用于与目标用户建立通信，将接收到的环境信息及二号海洋环境采集器采集的环境信息发送至目标用户；

三号声学信标，用于对自身位置进行标定，还用于与目标用户进行通信，接收目标用户的释放命令，当接收到释放命令，释放器与坐底结构脱离，一号声学信标、二号声学信标、三号声学信标、一号浮体、二号浮体、一号海洋环境采集器、二号海洋环境采集器、海底海洋环境采集器、一号浮球随着释放器浮起，实现回收。

作为优选，所述长距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处，二号声学信标布放在声道轴上，工作频带为500Hz。

作为优选，所述中距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处；二号声学信标布放在声道轴上，工作频带为2kHz-4kHz。

作为优选，所述短距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处；二号声学信标布放在声道轴上，工作频带为8kHz-16kHz。

作为优选，一号海洋环境采集器包括一号声学多普勒流速剖面仪、声学记录器和一号温盐深测量仪，

一号声学多普勒流速剖面仪，用于测量海面和声道轴以上的流速剖面，用于估算一号浮体的姿态情况；

声学记录器，用于测量距离水面500m处的声学噪声情况；

一号温盐深测量仪，用于采集距离水面500m处的温度信息、盐度信息和深度信息。

作为优选，二号海洋环境采集器包括二号声学多普勒流速剖面仪、二号温盐深测量仪、同步授时模块和声场计算模块；

二号声学多普勒流速剖面仪，用于测量声道轴上下的流速剖面，用于估算二号浮体的姿态情况；

二号温盐深测量仪，用于采集水深1000m处的温度信息、盐度信息和深度信息；

同步授时模块，用于为一号声学信标、二号声学信标和三号声学信标提供同步时间；

声场计算模块，用于测量声速。

作为优选，海底海洋环境采集器包括一号海流计和三号温盐深测量仪，

一号海流计，用于测量海底的海流速度和海流方向，

三号温盐深测量仪，采集海底的温度信息、盐度信息和深度信息。

本发明的有益效果是：本发明选择中频和低频的双频段工作频率，设计了三种工作频带的导航系统，分别实现长距离、中距离和短距离，分布在海底，扩大海底大地基准站覆盖范围。同时优化信号波形，优选信号体制，实现深水远距离PNT声学引导、近距离高精度PNT服务；针对信息源安全问题，采用水声主动、被动定位模式智能切换方法和授权PNT服务技术，构建提供水下声学PNT服务。

具体实施方式

本实施方式的一种多频段海底大地基准站，包括多个水下导航系统，分布在海底，目标用户根据多个水下导航系统的分布位置和距离进行定位和导航；

每个水下导航系统采用长距离水下导航系统、中距离水下导航系统或短距离水下导航系统；海水介质是一种不均匀的非理想介质，由于声传播过程中波阵面的扩展、海水介质本身的吸收等原因，声波在传播过程中，传播方向上的声强度将会逐渐减弱，从而影响作用距离。其中，扩展损失也称为几何衰减，与声波频率无关；而吸收损失与频率相关，也就决定了不同频率声波的作用距离。根据吸收系数(单位为dB/km)和声波频率之间的关系，可以发现随着声波频率的增加、吸收损耗增大，作用距离也越近。因此，高频率的声波，其可用带宽也大，因此定位精度更高、通信速率更快，但是作用距离较近；低频率的声波，其可用带宽也小，虽然定位精度更低、通信速率更慢，但是作用距离更远。

根据声波的传播特性，设计不同作用距离和不同精度的水下导航系统。经过声纳方程分析，确定以下三种导航场景：

长距离水下导航系统的中心频带为500Hz，作用距离300km-500km；；

中距离水下导航系统的工作频带为2kHz-4kHz，作用距离30km-50km；

短距离水下导航系统的工作频带为8kHz-16kHz，作用距离10km。

不同作用距离和精度需求：从公里级到百公里级的距离需求，要求信号具有较大的时间带宽积和时间分辨力；

1)高精度连续定位需求：利用连续定位实现导航跟踪、以及低信噪比下定位；

2)多用户数接入需求：能实现多信标定位信号的同时传输，以及水下集群定位；

3)军民两用需求：针对军民不同用户，提供不同的导航精度；并对军事用户提供隐蔽接入能力。

根据以上需求分析，本实施方式的水下导航系统采用直扩序列作为导航信号波形。

直扩序列具有如下特性：

1)具有较大的扩频增益：较大的扩频增益可以增加作用距离，或者降低发射功率以提升隐蔽性；

2)具有良好的循环自相关特性：时间分辨力好且多普勒敏感，因此适合水下的位置、速度和时间(PVT)测量；

3)具有良好的互相关特性：互相关干扰小的序列数较多，可以满足水下导航的多用户需求；

4)能满足军民两用不同的隐蔽性和精度需求：扩频增益可以增加隐蔽性，并且通过复合或混沌的直扩序列设计使得信号难以被破译；

此外，可以通过直扩序列与伪随机噪声序列叠加的方式，实现不同的导航精度，即对于军事用户不叠加噪声序列，对于服务等级低的用户，可以增大伪随机噪声序列的功率。

由于水声传播环境的特殊性，以及水下导航的隐蔽性需求，水下导航的波形设计不能单纯借鉴GNSS中的信号波形设计(如采用长度为1023的Gold序列，重复20次)。这是因为序列长度越长、扩频增益也就越大，从而增大了作用距离或提升了隐蔽性，但是水声环境的时变特性以及平台运动特性，限制了水声信号的长度及积分时间。

因此，需要根据长距离、中距离、短距离三种模式下的声学传播特性，对信号序列类型，如Gold序列、Kasami序列、Chu序列，以及复合序列、混沌序列等，信号序列长度等进行详细设计，从而满足不同的需求。

通过声学指令切换的方式实现主动、被动及多源定位切换的方式，针对不同用户在不同工况的工作环境下自主切换，具备水下互测距、声学链路信息传输、主动广播、被动播发等多种工作模式，实现多种服务模式集成的定位导航服务。

本实施方式的水下导航系统包括一号声学信标、二号声学信标、三号声学信标、一号浮体、二号浮体、一号海洋环境采集器、二号海洋环境采集器、高频声源、海底海洋环境采集器、浮球、释放器和坐底结构；

一号声学信标、三号声学信标均为高频声信标，二号声学信标为低频声信标；

坐底结构通过锚系结构与海底固定，三号声学信标、海底海洋环境采集器与释放器固定在一起，与坐底结构挂接；

浮球与释放器连接，二号浮体底部连接一号浮球，二号海洋环境采集器、高频声源和二号声学信标挂载在二号浮体上，一号浮体底部连接二号浮体，一号海洋环境采集器和一号声学信标挂载在一号浮体上；

一号海洋环境采集器，用于采集所处位置处的环境信息；

二号海洋环境采集器，用于采集所处位置处的环境信息；

海底海洋环境采集器，用于采集海底的环境信息；

一号声学信标通过高频声源与二号声学信标通信，将一号海洋环境采集器采集的环境信息发送至二号声学信标；

三号声学信号通过高频声源与二号声学信标通信，将海底海洋环境采集器采集的环境信息发送至二号声学信标；

二号声学信标，用于与目标用户建立通信，将接收到的环境信息及二号海洋环境采集器采集的环境信息发送至目标用户；

三号声学信标，用于对自身位置进行标定，还用于与目标用户进行通信，接收目标用户的释放命令，当接收到释放命令，释放器与坐底结构脱离，一号声学信标、二号声学信标、三号声学信标、一号浮体、二号浮体、一号海洋环境采集器、二号海洋环境采集器、海底海洋环境采集器、一号浮球随着释放器浮起，实现回收。

本实施方式中，高频声源用于校准1号浮体的位置，通过与海底基准的联合测距定位实现主浮体位置的精确估算。估算位置服务于声场计算模块，为长距离声学定位服务提供精确位置；高频声信标用于辅助校准1号浮体的位置，通过与1号浮体的高频声源的联合测距定位实现主浮体位置的精确估算；

本实施方式还包括同步授时模块用于提供高精度时钟信息，在入水前进行授时同步，在水下通过高精度原子钟完成各个声信标的同步，能够根据时钟漂移等进行模型估算；

本实施方式还包括声场计算模块用于估计声信标的布放位置及信道传播情况，一次来提高远距离的声学定位精度；

针对声呐长距离水下服务问题，选择2kHz-4kHz/8kHz-16kHz的双频段工作频率，优化信号波形，优选信号体制，实现深水远距离声学引导、近距离高精度水下服务；针对信息源安全问题，采用水声主动、被动定位模式智能切换方法和授权水下服务技术，构建提供水下声学服务。本实施方式中的长距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处，二号声学信标布放在声道轴上，工作频带为500Hz。

中距离声学信标采用中频工作频段(2kHz～4kHz)，整体配置以锚系和坐底平台结合的方式。离底布放200～300m，同时在锚系结构周围2～3km的范围内布放4个坐底结构，用于高精度标定锚系平台的位置。本实施方式的中距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处；二号声学信标布放在声道轴上。坐底结构配置高频声信标、单点海流计、CTD、浮球和释放器。单点海流计用于测量海底点的流速，估算海底锚系的姿态；CTD测量温、盐、深，用于估计声信道传播。浮球和声学释放器用于试验结束后回收。

短距离水下导航系统采用高频工作频段8kHz～16kHz，整体配置以坐底平台方式为主。设计的海底方舱以溢流式框架为主，配置浮球提供上浮回收所需的浮力，同时配置单点海流计、同步授时模块、CTD传感器和声学释放器，根据设计的网形在固定区域内实现高精度定位导航。本实施方式的短距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处；二号声学信标布放在声道轴上。

本实施方式的一号海洋环境采集器包括一号声学多普勒流速剖面仪、声学记录器和一号温盐深测量仪，

一号声学多普勒流速剖面仪，用于测量海面和声道轴以上的流速剖面，用于估算一号浮体的姿态情况；

声学记录器，用于测量距离水面500m处的声学噪声情况；

一号温盐深测量仪，用于采集距离水面500m处的温度信息、盐度信息和深度信息。

本实施方式的一号声学信标主要挂载2个75kHz频段的一号声学多普勒流速剖面仪、1个声学记录器和1个一号温盐深测量仪。

一号声学多普勒流速剖面仪测量海面和声道轴以上的流速剖面，用于估算整个锚系的姿态情况；

声学记录器记录海面附近的噪声情况，用于测量不同频段的声学噪声情况；

一号温盐深测量仪测量温、盐、深，用于估计声信道传播。

本实施方式的二号海洋环境采集器包括二号声学多普勒流速剖面仪、二号温盐深测量仪、同步授时模块和声场计算模块；

二号声学多普勒流速剖面仪，用于测量声道轴上下的流速剖面，用于估算二号浮体的姿态情况；

二号温盐深测量仪，用于采集水深1000m处的温度信息、盐度信息和深度信息；

同步授时模块，用于为一号声学信标、二号声学信标和三号声学信标提供同步时间；

声场计算模块，用于测量声速。

本实施方式的海底海洋环境采集器包括一号海流计和三号温盐深测量仪，

一号海流计，用于测量海底的海流速度和海流方向，

三号温盐深测量仪，采集海底的温度信息、盐度信息和深度信息。

本实施方式的基准信标安全保障系统设计

(1)防材料腐蚀

水下基站金属构件在海洋环境中易发生腐蚀。这种腐蚀具有普遍性、隐蔽性、渐进性和突发性的特点。由于海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，在这种环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。为防止海洋环境对水下基站的腐蚀，除正确设计金属构件、合理选材外，再辅助以下几种方式：

对方舱本体采用厚浆型重防式涂料；

对方舱内部重点部件采用耐腐蚀材料包套；

在设计方舱结构件时考虑到足够的腐蚀余量；

根据电化学腐蚀原理，对部分易腐蚀部件采用牺牲阳极的方式处理。

(2)防生物附着

布放在海底的方舱舱体不可避免地受海洋附着生物影响，海洋附着生物在生态功能上具有多样性，种类繁多，能够耐受海洋特有的高盐、高压、低营养、低光照等极端条件,是影响海洋设施安全与使用寿命的重要因素。因此，其对金属进行腐蚀的形式和机理也是多样的。针对水下基站，海洋生物的附着一是破坏舱体内部金属构件的漆膜，加速金属构件的腐蚀；二是海洋生物附着在搭载的仪器设备之上，干扰数据信号的传输；三是堵塞舱内仪器传感器探头，影响仪器测量精度。迄今，采用防污涂料喷涂舱体表面方式依然是防止海洋生物附着的经济有效的措施。防污涂料的类型有传统型防污涂料、释放型防污涂料、烧蚀型防污涂料、自抛光防污涂料和自释放型防污涂料。其中自抛光防污涂料有两类：含锡型和无锡型(不含锡)。由于有机锡类防污涂料污染海洋环境，国际海事组织(IMO)已于2008年全面禁止了有机锡在防污涂料中的使用。

(3)防泥沙淤积

水下基站在浅海应用时特别是淤积严重海域应用受泥沙影响较大，泥沙淤积可致释放装置无法正常释放，甚至有可能整个舱体都被泥沙掩埋，从而导致舱体无法正常回收。如前所述，本课题使用基座支腿、基座底部侧面开设通水孔以及提高释放器安装位置的形式抵抗海底泥沙的沉积影响。同时可弃基座承担配重的作用，并具有一定高度，方舱布放于海底时，海底泥沙易在海流作用下流过基座，而不易在上部仪器舱内形成泥沙淤积，有效保护方舱内部仪器。

Claims (9)

1.一种多频段海底大地基准站，其特征在于，所述基准站包括多个水下导航系统，分布在海底，目标用户根据多个水下导航系统的分布位置和距离进行定位和导航；

每个水下导航系统采用长距离水下导航系统、中距离水下导航系统或短距离水下导航系统；

长距离水下导航系统的中心频带为500Hz；

中距离水下导航系统的工作频带为2kHz-4kHz；

短距离水下导航系统的工作频带为8kHz-16kHz。

2.根据权利要求1所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，所述水下导航系统采用直扩序列作为导航信号波形。

3.根据权利要求2所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，所述水下导航系统包括一号声学信标、二号声学信标、三号声学信标、一号浮体、二号浮体、一号海洋环境采集器、二号海洋环境采集器、高频声源、海底海洋环境采集器、浮球、释放器和坐底结构；

一号声学信标、三号声学信标均为高频声信标，二号声学信标为低频声信标；

坐底结构通过锚系结构与海底固定，三号声学信标、海底海洋环境采集器与释放器固定在一起，与坐底结构挂接；

浮球与释放器连接，二号浮体底部连接一号浮球，二号海洋环境采集器、高频声源和二号声学信标挂载在二号浮体上，一号浮体底部连接二号浮体，一号海洋环境采集器和一号声学信标挂载在一号浮体上；

一号海洋环境采集器，用于采集所处位置处的环境信息；

二号海洋环境采集器，用于采集所处位置处的环境信息；

海底海洋环境采集器，用于采集海底的环境信息；

一号声学信标通过高频声源与二号声学信标通信，将一号海洋环境采集器采集的环境信息发送至二号声学信标；

三号声学信号通过高频声源与二号声学信标通信，将海底海洋环境采集器采集的环境信息发送至二号声学信标；

二号声学信标，用于与目标用户建立通信，将接收到的环境信息及二号海洋环境采集器采集的环境信息发送至目标用户；

三号声学信标，用于对自身位置进行标定，还用于与目标用户进行通信，接收目标用户的释放命令，当接收到释放命令，释放器与坐底结构脱离，一号声学信标、二号声学信标、三号声学信标、一号浮体、二号浮体、一号海洋环境采集器、二号海洋环境采集器、海底海洋环境采集器、一号浮球随着释放器浮起，实现回收。

4.根据权利要求3所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，所述长距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处，二号声学信标布放在声道轴上，工作频带为500Hz。

5.根据权利要求3所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，所述中距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处；二号声学信标布放在声道轴上，工作频带为2kHz-4kHz。

6.根据权利要求3所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，所述短距离水下导航系统中的一号浮体设置在距离水面500m处，二号浮体设置在距离水面1000m处；二号声学信标布放在声道轴上，工作频带为8kHz-16kHz。

7.根据权利要求3所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，一号海洋环境采集器包括一号声学多普勒流速剖面仪、声学记录器和一号温盐深测量仪，

一号声学多普勒流速剖面仪，用于测量海面和声道轴以上的流速剖面，用于估算一号浮体的姿态情况；

声学记录器，用于测量距离水面500m处的声学噪声情况；

一号温盐深测量仪，用于采集距离水面500m处的温度信息、盐度信息和深度信息。

8.根据权利要求3所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，二号海洋环境采集器包括二号声学多普勒流速剖面仪、二号温盐深测量仪、同步授时模块和声场计算模块；

二号声学多普勒流速剖面仪，用于测量声道轴上下的流速剖面，用于估算二号浮体的姿态情况；

二号温盐深测量仪，用于采集水深1000m处的温度信息、盐度信息和深度信息；

同步授时模块，用于为一号声学信标、二号声学信标和三号声学信标提供同步时间；

声场计算模块，用于测量声速。

9.根据权利要求3所述的多频段海底大地基准站，其特征在于，海底海洋环境采集器包括一号海流计和三号温盐深测量仪，

一号海流计，用于测量海底的海流速度和海流方向，

三号温盐深测量仪，采集海底的温度信息、盐度信息和深度信息。