水下導航定位彈性架構及關鍵技術

曾安敏, 明鋒, 吳富梅

(1.地理信息工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710054; 2.西安測繪研究所, 陜西 西安 710054)

海洋占地球表面積的71%,貯藏著豐厚的自然資源,是人類可持續(xù)發(fā)展的重要空間?！敖ㄔO海洋強國”已成為國家發(fā)展的重要內容,維護海洋權益、發(fā)展海洋經(jīng)濟和研究海洋環(huán)境,離不開高精度海洋時空基準信息。高精度海洋時空基準信息是水下資源環(huán)境調查、水下環(huán)境信息保障不可或缺的重要基礎信息,水下導航定位已成為海洋戰(zhàn)略謀劃、決策、規(guī)劃和實施的前提[1-7]。雖然世界上建成了包括北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在內的多個衛(wèi)星導航系統(tǒng),以及包括羅蘭系統(tǒng)在內的多個低頻/甚低頻無線電導航系統(tǒng)等時空基礎設施,能夠為空中、陸地、海面用戶提供定位導航授時(positioning, navigation and timing,PNT)服務,但由于海水的吸收作用,這些無線電信號入水性差,無法直接為水下用戶提供服務。

目前,水下導航定位嚴重依賴慣性導航技術,慣性導航技術的機理決定了其誤差迅速累積,僅采用慣性導航技術的水下航行器不得不定期上浮或靠近水面,利用外部高精度定位技術對其導航定位位置進行標定,以削弱慣性導航誤差累積的影響,但這種上浮勢必增加了水下航行器的暴露風險,降低了水下航行器的隱蔽性[8]。為確保水下航行器導航定位服務的可用性和穩(wěn)健性,多普勒計程儀、電羅經(jīng)/磁羅經(jīng)、壓力傳感器等輔助技術常被采用[9],建立安全可信時空基準的彈性服務[4,7,10-13]已成為世界強國競相發(fā)展的目標。為提高PNT服務的可靠性、可用性和安全性,近年國際上提出了彈性PNT,從彈性概念、多傳感器彈性集成、彈性PNT的特性、彈性架構等方面進行了較深入研究[14-22],這些基礎理論研究為水下導航定位服務的體系化提供了重要理論支撐。為提高水下導航定位能力,增加戰(zhàn)略對抗實力,美、俄等國大力開展水下導航定位技術研究,偏重于各導航定位技術的發(fā)展[17],如美國的深水導航定位系統(tǒng)項目、俄羅斯的新型水下導航定位系統(tǒng)項目等[23-24],同時重建低頻/甚低頻無線電導航系統(tǒng),從功能性、安全性、覆蓋性出發(fā)加強PNT能力特征建設。近年來,我國學者也開啟了涵蓋深空、深海的綜合PNT體系研究[25-26],對水下PNT也進行了有益的嘗試[27-28],包括水下用戶需求特點、當前PNT體系的水下服務能力差距分析、未來發(fā)展關鍵技術、初步架構設想、信息架構等。

本文試圖對水下導航定位的彈性架構進行較初步的系統(tǒng)闡述,系統(tǒng)分析水下導航定位所涉及的技術,從技術體系設計、信息源基礎設施設計、用戶終端彈性設計等方面構建了其彈性架構,分析了水下PNT建設所涉及的關鍵技術。

1 不同機理水下導航定位技術分析

能夠為水下用戶提供導航定位的主要技術有慣性導航技術[8]、航位推算導航技術[29]、水聲定位導航技術[30]以及背景場匹配導航技術[31]等,其主要技術特點見表1。此外,還包含壓力計、電羅經(jīng)等輔助設備。同時考慮時間頻率,則還應包含晶振、芯片原子鐘等。這些水下導航技術有不同技術特點,也有其不同的應用范圍,可互為補充、互相增強。當前蓬勃發(fā)展的量子技術,應用于慣導、物理場信息測量儀等,雖然用途廣泛,并不是獨立的傳感器技術,本文不論述。

表1 不同水下定位導航技術特點Table 1 Underwater navigation and positioning technologies and their advantages and disadvantages

2 水下導航定位體系的彈性化架構

目前,水下導航定位服務能力相對于水下用戶需求存在較大差距,世界各國都在積極發(fā)展慣性導航、聲學導航、輔助導航等技術,逐步完善自身的水下導航定位技術體系[10]。同樣,我國學者也開啟了海底大地基準與水下PNT體系相關研究[2,5-6,8,27],有學者將水下PNT體系分為基本架構、水面/近水面架構、應急PNT架構和評估架構[27]。水下場景不同于陸地/海面、深空場景,水下導航定位作為國家綜合PNT體系的重要組成部分,應遵循綜合PNT架構[25]、彈性化PNT概念[16-17]一般要求,具備對外部干擾等異常的預防、異常響應、性能恢復等彈性能力。這種彈性能力的實現(xiàn),冗余是基礎,即應建立在冗余的基礎上,包括技術冗余、傳感器冗余、分析方法冗余、處理軟件冗余、算法冗余等,傳感器冗余既包括不同機理系統(tǒng)冗余、相同機理系統(tǒng)冗余和多個相似機理傳感器冗余等[32](如圖1所示)。

圖1 彈性PNT體系的多源冗余架構Fig.1 Redundancy technology that support resilience PNT

2.1 彈性化架構的基本要求

構建水下導航定位的彈性化架構,僅有冗余是不夠的,還應具有以下方面。

1)服務技術的多機理性。為滿足水下PNT穩(wěn)健可用性、穩(wěn)健連續(xù)性和高可靠性,為水下用戶提供PNT信息服務的技術應是不同技術、多機理的。之所以水下場景也要強調“不同原理”、“多機理”,是因為基于相同原理的信息一旦受干擾、遮蔽,再多的信息也無濟于事,即一種技術的系統(tǒng)癱瘓不至于影響整個水下導航定位系統(tǒng)的可用性[16,25]。

2)信息源基礎設施的互補性。為水下用戶提供PNT服務的技術,有的需要提供信號的基礎設施和用戶接收傳感器的同時支持,而有的則僅需在用戶終端自主傳感器。水下環(huán)境的信息源基礎設施建設是用戶PNT服務性能提升的基礎與前提。由于建設成本等基礎設施不可能在全球海域都建設,或者說基礎設施在全球海域都有效。提供PNT服務的多種信息源基礎設施應是互補的、冗余性的。海洋環(huán)境下的信息源基礎設施建設成本巨大[1],一般應由國家統(tǒng)籌建設。

3)導航信息的冗余性。由于海水的吸收作用,無線電導航信號入水衰減嚴重,天文導航更不可用,能夠為水下用戶提供的導航定位觀測信息主要有慣性導航信息、航行速度信息、航向信息、水聲測距時延信息、物理場信息以及其他的輔助信息(如深度信息)等,這些信息互相補充,信息冗余。水下用戶應充分利用這些信息,以確保導航定位服務的可靠性、連續(xù)性。

4)用戶終端的彈性化集成。水下用戶終端應能夠利用一切可利用的PNT 信息,這種有效利用是以場景智能感知為前提的,依據(jù)外部場景自動選擇工作的傳感器。傳感器硬件的場景智能接入、彈性優(yōu)化集成、信息的彈性融合處理是用戶終端彈性化集成的關鍵。如此用戶終端可利用一切可利用的PNT信息生成連續(xù)、可用、可靠、穩(wěn)健的PNT服務信息。

依據(jù)前述對水下導航定位體系的彈性化架構要求,從多機理技術體系、信息源基礎設施和彈性化終端等方面對水下導航定位體系的彈性化架構進行設計。

2.2 水下導航定位體系的多機理融合

不同的導航定位測量信息由不同的導航技術裝備提供。慣性導航信息由慣性導航系統(tǒng)提供;航行速度信息由多普勒計程儀提供;航向信息由航向傳感器(如羅經(jīng))提供;水聲測距信息由水聲定位導航系統(tǒng)提供;物理場中的重力信息由實時重力測量儀提供,磁力信息由磁力儀器設備提供;深度信息由壓力(水深)傳感器提供。此外,水下用戶終端應能夠自主維持時間信息。慣性導航技術、航位推算導航技術、水聲定位導航技術等這些技術也需要高精度時鐘信息,小型(芯片式)原子鐘技術也是水下PNT技術體系所必不可少的時間源。

此外,衛(wèi)星導航、(甚)低頻無線電等技術的信號雖然無法直接為水下用戶服務,但它們能夠為慣性導航的累積誤差的標定提供支持,也能夠為水聲導航、物理場匹配輔助導航所必需的基礎設施建設時提供導航位置支持。極端條件下,天文導航[33]也可作為保底手段提供使用。

如此,水下導航定位的多源技術體系應以慣性導航技術、原子鐘技術為核心,以航位推算導航技術、水聲定位導航技術、水深測量技術和物理背景場匹配輔助導航技術為補充,輔以衛(wèi)星導航、(甚)低頻無線電、天文導航等技術為標定支撐的技術體系(如圖2所示)。

圖2 水下導航定位的多機理技術體系Fig.2 Underwater navigation and positioning technology architecture with multi-mechanism

2.3 水下導航定位體系的信息源基礎設施架構

水下導航定位服務應由基于不同機理的導航信息提供[16,25],這些導航信息來自不同的導航技術,有些技術需要信息源設施支撐,而有些技術則不需要。

慣性導航系統(tǒng)只需在用戶終端安裝設備即可能進行導航,工作時需要初始對準,包括靜基座對準與海上動基座對準,即需要起算點坐標或者在線標定。同樣,航位推算系統(tǒng)工作也需要起算點或者在線標定。這些起算點坐標由大地控制網(wǎng)(空間基準網(wǎng))提供,這些提供起算坐標(或方位信息)的空間基準網(wǎng)即為其信息源基礎設施。

對于水聲導航技術,其信息源基礎設施為信標服務網(wǎng),包括海面浮標網(wǎng)、水中信標網(wǎng)、海底信標網(wǎng)等,建設在特定海域。這些信標服務網(wǎng)的服務節(jié)點常配置水聲換能器、原子鐘、壓力計、聲速儀等有效載荷。信標服務網(wǎng)為水下用戶提供服務時,其位置應是已知的。由于海面浮標網(wǎng)隨海流運動,其位置只能依靠衛(wèi)星導航、無線電導航、天文導航等標校技術手段獲得;水中信標網(wǎng)在水體中也是運動的,其實時位置目前只能依靠水聲測量技術提供;而海底信標網(wǎng)固聯(lián)在海底,其位置是不動的,可事先精確標定。高精度標定信標服務網(wǎng)各點的位置是建設水聲服務網(wǎng)的一項重要關鍵技術[34-35]。

物理場匹配導航技術的基礎設施是可匹配區(qū)的物理場匹配圖數(shù)據(jù)庫。這種物理場匹配圖數(shù)據(jù)庫必須事先建設,建設背景場數(shù)據(jù)庫工作量巨大、技術復雜,常采用空、天、地、海一體化測量融合生成,并且事先注入匹配終端[36-39]。物理場匹配基準網(wǎng)的分辨率、精度與可適配性直接決定了導航匹配的精度。沒有適配區(qū)的高分辨率、高精度的物理場匹配基準網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的支持,匹配導航將無法工作。

水深(壓力)測量技術作為水下導航的輔助技術,可提供深度信息。水深(壓力)儀量測得的深度是相對于當?shù)仄骄Ｋ娴乃?要想得到統(tǒng)一于國家法定基準下的大地高,平均海面高數(shù)據(jù)庫成為水深(壓力)測量技術的基礎設施。平均海面高數(shù)據(jù)庫的分辨率和精度決定了其結果的精度。

如此,為滿足潛器、水下無人平臺等國防安全需求,以及水下工程建設、資源勘探、水下考古等民用需求,水下導航定位體系的信息源基礎設施應主要由“海面信標網(wǎng)+水中信標網(wǎng)+海底信標網(wǎng)+地基無線電+物理場匹配圖+平均海面高數(shù)據(jù)庫”組成,如圖3所示。

圖3 水下導航定位體系的信息源基礎設施架構Fig.3 Underwater navigation and positioning infrastructure architecture

水下導航定位體系的信息源基礎設施建設不僅要考慮其穩(wěn)定性和可觀測性,還必須考慮其網(wǎng)型設計[2]。海面信標網(wǎng)、水中信標網(wǎng)、海底信標網(wǎng)、地基無線電站網(wǎng)是實體基礎設施,需要考慮幾何分布。信標網(wǎng)是通過水聲技術進行PNT服務的,而水聲技術的服務距離有限,采用中頻技術的單個基準站服務距離通常8～10 km,而采用低頻技術的服務距離可達上百公里。水聲導航離不開水下聲速信息,水下載體導航時停下來測量聲速是不現(xiàn)實的,事先建立聲速數(shù)據(jù)庫是可行的。水下聲速場、物理場匹配圖數(shù)據(jù)庫、平均海面高數(shù)據(jù)庫并不存在硬件實體,可稱為數(shù)字基礎設施。這些數(shù)字基礎設施除考慮分辨率和精度外,也應考慮分布。如此,為了使效能最大化,實體基礎設施和數(shù)字基準設施的布局設計應相隔一定距離,并且考慮冗余、互補,建成接力型(或蛙跳型)服務網(wǎng)。

2.4 水下導航定位體系的終端彈性化設計

水下復雜環(huán)境下,基于單一傳感器的用戶終端存在不連續(xù)、不準確或不可靠風險,甚至完全失去服務能力,充分利用多傳感器進行彈性設計是合理的選擇。水下導航定位終端的彈性化包括多傳感器彈性集成和多源信息的彈性融合[40]。

2.4.1 多源導航定位傳感器彈性集成

水下導航定位終端傳感器包括高精度慣性導航傳感器、水下聲吶信號接收傳感器、物理場匹配傳感器、微型原子鐘傳感器、水深(壓力)傳感器、航位推算傳感器等等。眾多的傳感器不能簡單捆綁集成,也不能一味強調深度集成,而應彈性集成。簡單捆綁集成的終端必然存在互相干擾、終端體積大、功耗高、可攜帶性差等問題,一味強調深度集成可能造成系統(tǒng)異常復雜、實用性差等[16]。多傳感器應依據(jù)用戶需要,智能感知應用場景、彈性集成,為了實現(xiàn)水下多源傳感器的彈性集成,傳感器組件整體優(yōu)化設計十分必要。

1)分層次集成原則。依據(jù)各傳感器特性、大小、復雜度,采用深度集成、即插即用、外部捆綁進行集成[40]。深度集成的前提是各傳感器有共性組件,能共用的盡量共用,如微慣導、微型原子鐘、聲吶信號接收機的伺服單元、處理單元等共性組件可深度集成;高精度的慣性導航系統(tǒng)、水深(壓力)傳感器等可設計為即插即用,而重力傳感器體積大、系統(tǒng)復雜,不易集成,可設計為外部捆綁。

2)接口標準化開放原則。水下導航定位終端的各類組件的接口必須標準化,如采用以太網(wǎng)口、USB口、串口、時間同步接口等,這些標準化接口遵循開發(fā)架構[40],接口標準化,便于各組件、傳感器的集成,便于控制信息和數(shù)據(jù)信息的聯(lián)通,便于組件、傳感器的維修更換。

3)完好性監(jiān)測原則。終端傳感器多,水下環(huán)境復雜,影響數(shù)據(jù)質量因素也多。由于信號發(fā)射器問題、水下環(huán)境的變化等影響,會導致某些導航定位信號的不可用,信號故障診斷與檢測、信號故障影響緩解、觀測信號可用性確定、多源觀測信號互檢與評估等均應納入完好監(jiān)測范疇,如此能夠確保水下PNT服務終端得到可靠的觀測信號。

2.4.2 多源導航定位信息的彈性融合

可用的水下導航定位觀測信息相對較多,這些觀測信息對估計參數(shù)的可測性不同,有不同的觀測模型,在其不同觀測模型下有不同的隨機模型。此外,還有不同運動狀態(tài)下的不同動力學模型。在復雜的海洋環(huán)境下,其函數(shù)模型和隨機模型不應一成不變,而應隨外部環(huán)境的變化而彈性調整。多源導航定位信息的彈性融合應該在對函數(shù)模型誤差和隨機模型誤差充分識別的基礎上,實時或準實時地優(yōu)化原有模型,使融合模型最佳地適應相應場景和相應數(shù)據(jù)源,并具備一定的抵御“干擾”的能力[25]。

水下導航定位觀測信息的彈性函數(shù)模型的目的是強調模型的“可靠性”,既要具備模型系統(tǒng)誤差的識別能力,又要具備模型誤差變化規(guī)律的學習能力[40]。“可靠”的彈性函數(shù)模型要求:1)基本函數(shù)模型的統(tǒng)一表達,依據(jù)水下導航定位觀測信號特點表示成相同的位置、速度和時間參數(shù)的統(tǒng)一函數(shù)模型庫,將不同導航傳感器信息抽象分類整理,統(tǒng)一到相同的理論模型框架[42];2)統(tǒng)一的時空基準歸算,應以國家法定空間基準和時間基準為基礎,確保表達的函數(shù)模型對應統(tǒng)一的坐標基準和時間基準;3)系統(tǒng)誤差的彈性修正或自適應修正,系統(tǒng)誤差的應能依據(jù)外部環(huán)境的變化而變化[4],并實時或準實時地修正原有的函數(shù)模型,使其適應當前相應的外部場景;4)函數(shù)模型的彈性選擇與診斷,即強調特殊的時期、特殊的場景選擇備份好的特殊模型,使得模型的適應性最佳化;5)處理算法的冗余,不僅動力學模型冗余,而且分析方法冗余。

水下導航定位觀測信息的彈性隨機模型強調模型的“自適應彈性調整”,即各導航定位觀測信息的隨機模型在狀態(tài)參數(shù)估計過程中不是固定不變的,而是隨著觀測信息不確定度的變化而彈性變化[1]?！白赃m應調整”的彈性隨機模型要求:1)對觀測信息異常誤差的影響控制,觀測信息異常誤差可采用抗差估計,動力學模型的異常擾動可采用在線診斷或自適應估計,若動力學模型和觀測信息同時存在異常擾動,可采用自適應抗差估計法[43-46];2)觀測信號噪聲的在線標定,水下多源觀測信息具有完全不同的不確定度。甚至在不同水下環(huán)境下,即使相同類型的觀測信息或者相同類型載體運動信息,相應的不確定度也有可能不同。3)不同類觀測信息權重的動態(tài)分配,多類水下導航定位觀測信息融合時,應實時或近實時地確定各類觀測信息的方差或權重,可以采用方差分量估計或基于實際偏差量確定的隨機模型[45-46]。需要說明的是,函數(shù)模型誤差與隨機模型誤差是可相互轉換的,同時存在顯著的函數(shù)模型誤差和隨機模型誤差時,則需要同時優(yōu)化函數(shù)模型和隨機模型,這類混合模型優(yōu)化是十分困難的[46]。

此外,水下導航定位觀測信息的彈性融合處理必須采用合理高效的計算方法,如自適應濾波、因子圖、并行濾波等[47-52]。也應注意到,水下用戶終端能量有限,算力也有限,彈性融合處理算法盡量簡潔高效,算法復雜度應低,復雜的算法在水下終端無法完成實時計算,并行計算是實現(xiàn)導航定位觀測信息高效融合一種可行手段。

3 水下導航定位體系建設關鍵技術

水下導航定位體系建設的關鍵技術主要涉及水下導航定位服務基礎設施建設和用戶終端開發(fā)。

3.1 基礎設施建設關鍵技術

水下導航定位的信息源基礎設施包含實體基礎設施和數(shù)字基礎設施。由于這些信息源基礎設施基礎作用強、投資大且涉及國家安全,其建設維護應由國家或行業(yè)主導。實體基礎設施建設包括設備載荷集成、基準站站址堪選(含可匹配區(qū)確定)、基準站網(wǎng)形架構設計、基準站位置標校與維護等。數(shù)字基礎設施的建設本質上屬于測繪新基建范疇,包括匹配區(qū)背景場圖構建、水聲速度場構建、平均海面建立等內容。本文認為信息源基礎設施組網(wǎng)技術、背景場數(shù)據(jù)庫建設技術、水聲速度場構建技術以及基準站載荷設備的長距離水聲導航技術是當前水下導航定位體系服務基礎設施建設應優(yōu)先解決的問題。

3.1.1 信息源基礎設施組網(wǎng)技術

布局良好的信息源基礎設施能提供性能優(yōu)良的水下導航定位信息服務。信息源基礎設施組網(wǎng)技術重點解決實體基準站網(wǎng)與數(shù)字基準站網(wǎng)的協(xié)調布局問題。海洋深度是有限的,最深處有萬米,絕大多數(shù)區(qū)域只有幾千米,依靠聲吶服務的信標網(wǎng)所提供的幾何觀測強度是有限的,只有在合適的海域才能夠建設信標網(wǎng)。水下匹配導航的背景場只有在可匹配區(qū)才具有可用性,這些可匹配區(qū)通常是地形變化較大的區(qū)域,匹配區(qū)的選擇是匹配導航首先應關心的問題。另外,實體基礎設施與數(shù)字基礎設施的協(xié)調組網(wǎng)是信息源基礎設施組網(wǎng)應重點解決的問題。依據(jù)海洋環(huán)境特點、所使用技術特點、建設成本、用戶需求,進行信息源基礎設施的合理布局,既保證能夠提供一定覆蓋范圍、又保證有足夠的冗余。

3.1.2 背景場數(shù)據(jù)庫構建技術

背景場數(shù)據(jù)庫構建技術重點解決匹配導航所必需要的背景場數(shù)據(jù)庫問題。依據(jù)物理場特性有重力場、磁力異常場、地形/地貌等特征數(shù)據(jù)庫背景信息。建立這些背景場數(shù)據(jù)庫的技術很多,不同技術間觀測資料的分辨率不同、精度不同、誤差也不同,天、空、地、海各種觀測數(shù)據(jù)融合存在不同的系統(tǒng)誤差。此外,由于測得的物理場信息的空間位置不同,存在向上向下延拓問題,目前這方面研究相對較少。另外,由于觀測時間不同,建立背景場數(shù)據(jù)庫的基礎觀測數(shù)據(jù)在時間尺度上也存在變化,如何歸算到參考歷元時刻。并不是所有區(qū)域都能夠成功匹配導航,可匹配區(qū)的選擇也是必須要解決的問題。如此,構建一個與導航精度相適應的、一定分辨率、一定精度的統(tǒng)一的背景場數(shù)據(jù)庫是背景場匹配輔助導航所要解決的核心技術問題。

3.1.3 水聲速度場構建技術

水聲導航離不開水聲時延觀測數(shù)據(jù),聲線路徑上聲速是水聲導航必不可少的基礎參數(shù)。水下載體行進中不可能為水導航停下來測量聲線路徑上聲速,利用歷史觀測資料構建水聲速度場是解決水聲導航所必須的聲速的關鍵技術。無線電導航信號傳播路徑上的無線電波速度是一常數(shù),而聲線傳播路徑上水聲速度是溫度、鹽度、深度相關的非線性函數(shù)。溫度、鹽度具有明顯的時空特性,由此獲得的水聲聲速自然具有明顯的時空特性。如何由獲得的離散水文數(shù)據(jù)構建水聲聲速場是一個關鍵問題,涉及多源數(shù)據(jù)融合處理理論、異常誤差控制、系統(tǒng)誤差補償、融合方法、處理準則等。另外,水聲速度場是利用歷史特定時空觀測的水文數(shù)據(jù)構建的,與使用時刻是不一致的,水下聲速場預報模型也是水聲速度場構建技術一項關鍵研究內容。

3.1.4 長距離水聲導航技術

長距離水聲導航技術將有效解決水聲導航服務距離的問題,拓展其服務應用。現(xiàn)有的水聲導航技術常采用8～16 kHz中頻信號,服務距離有限,通常小于10 km,極大限制了水聲導航的應用領域與服務范圍。如何降低頻率、增大服務距離、而又不顯著降低導航精度是長距離水聲導航應用的核心關鍵所在。工作頻率選擇、信號波形優(yōu)化、信號體制優(yōu)選等等,直接決定了作用距離,是長距離水聲導航首先充分考慮的事情。另外,主動、被動工作模式定位模型的智能切換直接決定了用戶使用方法。如何提供信息安全、服務授權、抗干擾防欺騙等確保信息使用安全也是需要考慮。

3.2 水下用戶導航定位終端關鍵技術

水下導航定位終端是水下用戶體驗位置服務感受最直接的設備,直接反映了水下導航定位體系的性能。水下用戶導航定位終端以慣性導航、原子鐘為核心、輔以其他傳感器的終端,水下用戶導航定位終端的物理場信息實時動態(tài)感知技術是背景場匹配輔助導航另一項關鍵技術。多傳感器的彈性集成與多源導航定位觀測信息彈性融合是其關鍵核心技術[16],本文不再分析。

3.2.1 微慣性導航技術

慣性導航可獲得姿態(tài)、位置和速度等眾多導航信息,是水下導航定位終端的核心技術之一。精度、重調周期、可靠性以及壽命是其眾多技術指標最主要指標。微陀螺MEMS、微慣導具有體積小(甚至芯片化)、成本低等優(yōu)點,是慣性導航的主攻方向之一。包括光纖陀螺、環(huán)狀激光陀螺、原子陀螺、微原子核磁共振螺旋儀等單個小型、微型、甚至芯片化、成體系的新型陀螺研究,美國先后啟動了這個方面7項研究計劃[24]。此外,多個具有不同特性的微型慣性測量組件,集成到單一的微尺度測量單元,也是微慣導研究的重要組成部分。另外,初始對準也是慣性導航系統(tǒng)的一項共性關鍵技術,包括靜基座對準與海上動基座對準,初始對準誤差對導航參數(shù)影響是系統(tǒng)性的,如何又快又準地進行初對準一直是慣性導航努力方向。慣性導航受眾多誤差的影響,包括漂移誤差、標度因子誤差、溫度誤差等,這些誤差的標定、補償與校正(含在線標定與補償)是提高系統(tǒng)精度與可靠性的重要方式,也是難點問題之一。

3.2.2 微原子鐘技術

時鐘傳感器除了提供水下導航定位終端的時間信息外,還為水下終端的陀螺儀、加速度計等傳感器提供時間頻率和時間同步信號,大大提升了終端系統(tǒng)性能。芯片原子鐘是當前微時鐘發(fā)展重點方向,國外已具備規(guī)?；赡芰52]。微時鐘、芯片時鐘有利于實現(xiàn)小功耗的實現(xiàn)、多傳感器的集成,其精度較常用晶振高5個數(shù)量級,準確度和長期穩(wěn)定性高,且具有守時功能。它主要由物理封裝、射頻模塊和伺服環(huán)路控制模塊組成,物理封裝部分是其最核心部分。近年來,我國雖然芯片級原子鐘取得了長遠發(fā)展,但仍有許多關鍵技術需要突破,如真空泵、光隔離器以及組件集成等[55-56]。另外,芯片級光學原子鐘由于具有更高的頻率、更高的準確度,能把時間分割成更小的單位,有一個“高品質因子”,有望成為下一代芯片級原子鐘。其光學頻率梳連接了微波頻率和光學頻率,能夠將光學頻率傳遞出去,是實用化光學原子鐘研究的最核心技術[52]。

3.2.3 物理場信息實時動態(tài)測量技術

物理場信息實時測量包括重力測量、磁力測量和地形/地貌測量等,這些物理場信息的實時動態(tài)測量是水下物理場匹配導航的三大關鍵技術之一[37-39]。海洋重力測量的實質是相對重力測量,受到多項擾動的影響,必須要對這些擾動進行相應的高精度改正才能獲得高精度的測量值[37]。零漂是相對重力測量最大的影響因素,傳統(tǒng)方法是用絕對重力控制網(wǎng)來約束和改正,無零漂或低零漂的海洋實時重力測量與處理技術是重力匹配輔助導航的一項關鍵研究內容。重力梯度測量不受等效原理限制,也不受載體運動加速度影響,適合動基座平臺,并且可得到多個分量結果,也將成為動態(tài)實時重力測量的有效手段。磁力測量的新型磁強計、原子磁力梯度儀器等新技術,在高精度、小尺度磁場環(huán)境探測應用發(fā)展方面潛力巨大[38]。此外,獲得三維、二維高精度海底地形、地貌的合成孔徑聲吶、干涉合成孔徑聲吶是地形匹配導航定位的另一核心技術[38]。

4 結束語

水下導航定位體系是綜合PNT體系的重要組成部分,與綜合PNT體系有著緊密聯(lián)系,應遵循綜合PNT體系所要求的彈性PNT架構、微PNT等要求。但由于水下環(huán)境特殊,建設難度大、技術復雜、花費成本極高、并且用戶相對少,水下導航定位體系建設不同于服務陸地、海面、航空的PNT體系,有其特殊性,應依據(jù)其特定用途合理按需建設。

水下導航定位的技術體系是以慣性導航、原子鐘為核心的多機理技術組成的技術體系,BDS等衛(wèi)星導航作為標校技術支撐水下導航定位服務,如此的技術體系設計確保了水下導航定位技術的多機理性。水下導航定位的信息源基礎設施設計為由服務于水聲導航的信標網(wǎng)實體基礎設施、服務于匹配導航的數(shù)字基礎設施,以及支撐水下導航定位服務的平均海平面數(shù)據(jù)庫、水聲速度場數(shù)據(jù)庫等數(shù)字基礎設施組成。這些信息源基礎設施不僅強調其穩(wěn)定性和可觀測性,還應充分考慮其網(wǎng)型優(yōu)化設計、合理布局(分辨率)和冗余性。由于其基礎作用強、投資大、建設難度高,且涉及國家安全,水下信息源基礎設施建設應由國家、行業(yè)結合國家綜合PNT基礎設施建設綜合考慮。終端彈性化設計強調遵循分層次集成、標準化接口、完好性監(jiān)測等原則的多傳感器彈性集成,以及強調函數(shù)模型下系統(tǒng)誤差彈性構建和隨機誤差的自適應調整的多源信息彈性融合,充分多源信息,滿足水下用戶導航定位服務服務的可用性、精確性、可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)健性等要求。

當前水下導航定位彈性建設的關鍵技術不僅應包括信息源組網(wǎng)布設技術、背景場數(shù)據(jù)庫構建技術、物理背景場延托技術等基礎設施建設關鍵技術,還包括微慣性導航技術、微原子鐘技術、背景場信息實時測量技術等水下定位終端關鍵技術?；A設施建設關鍵技術是發(fā)展的重中之重,PNT終端關鍵技術是提升PNT優(yōu)良服務的用戶最直接的關鍵。