水下PNT體系信息架構(gòu)及關(guān)鍵問題

水下PNT體系信息架構(gòu)及關(guān)鍵問題

摘 要：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有的弱點(diǎn)與脆弱性制約了其水下應(yīng)用，因此針對(duì)水下用戶的定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)信息需求，迫切需要建設(shè)可提供全時(shí)全域、實(shí)用有效、安全可靠的PNT信息服務(wù)的水下PNT體系。針對(duì)水下PNT體系的頂層設(shè)計(jì)問題，重點(diǎn)探討了PNT體系架構(gòu)的核心信息架構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)關(guān)鍵問題。系統(tǒng)分析了水下PNT體系建設(shè)的特殊性以及水下用戶對(duì)于水下PNT服務(wù)的需求。在水下PNT體系構(gòu)建原則的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了感知層、預(yù)處理參量層、本地時(shí)空參數(shù)層、環(huán)境信息層、多源信息融合層、系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層、體系服務(wù)管理層等七層水下PNT信息體系架構(gòu)?？偨Y(jié)了水下PNT體系構(gòu)建時(shí)所涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)問題，并分析了后續(xù)水下PNT體系的主要研究方向。

0 引言

定位導(dǎo)航授時(shí)(Positioning, Navigation and Timing, PNT)體系是為交通、運(yùn)輸、電信、電力、基礎(chǔ)科研、軍事行動(dòng)和人們?nèi)粘Ｉ畹葒馈⒔?jīng)濟(jì)和社會(huì)領(lǐng)域服務(wù)的國家重大基礎(chǔ)設(shè)施[1-3]。80%以上的人類生產(chǎn)活動(dòng)信息都與PNT有關(guān)[4-5]。綜合PNT體系[6-7]是由時(shí)空基準(zhǔn)、服務(wù)系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)，以及支撐其發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)、聯(lián)合協(xié)調(diào)機(jī)制、政策法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等綜合保障條件多個(gè)相關(guān)聯(lián)的要素組成的有機(jī)整體，能夠提供全時(shí)域、全空域、精確、連續(xù)、可靠的位置、時(shí)間、速度等信息，是一個(gè)廣泛的、高層次的國家戰(zhàn)略體系。綜合PNT體系是國家信息建設(shè)的基石。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，我國已形成以北斗系統(tǒng)為代表的天基PNT系統(tǒng)，PNT服務(wù)也由此帶來了革命性的變化。但由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)固有的弱點(diǎn)與脆弱性，制約了水下PNT的可用性和穩(wěn)健性[1,7-8]。因此，構(gòu)建水下PNT體系，為水下載體提供全時(shí)全域、實(shí)用有效、安全可靠的PNT信息服務(wù), 滿足不斷增長的國家安全、經(jīng)濟(jì)、民用、科研和商業(yè)的需要[9-12],就顯得尤為迫切。

然而，海洋環(huán)境和水介質(zhì)的固有特性使得水下PNT相對(duì)于水面環(huán)境面臨更大的挑戰(zhàn)[13]。現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、裝備技術(shù)水平和信息服務(wù)保障能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水下載體長期安全航行和執(zhí)行任務(wù)的需求。隨著未來海上作戰(zhàn)樣式的變革，必將對(duì)水下PNT能力提出新的更高要求。因此，將水下PNT體系作為綜合PNT體系的重要組成部分進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)具有重大意義。

目前，水下PNT技術(shù)已成為美、俄、歐等國家和地區(qū)PNT發(fā)展的重要方向[14]。代表系統(tǒng)有2001年法國ASCA公司設(shè)計(jì)的全球首套水下GPS目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，2002年德國Arstech公司開發(fā)的GPS浮標(biāo)陣水下定位系統(tǒng)，2016年英國BEA Systems公司研發(fā)的深海定位導(dǎo)航系統(tǒng)(POSYDON)(DARPA支持)，以及俄羅斯圣彼得堡海洋儀器康采恩研制的水下GLONASS系統(tǒng)等[15-16]。

國內(nèi)楊元喜院士于2017年發(fā)文，提出了我國彈性PNT體系的概念[17]。國內(nèi)多家單位也在水下PNT體系新型慣性基多源信息融合理論、全源定位與導(dǎo)航的統(tǒng)一理論框架、INS/DVL/重力/GNSS的多源組合導(dǎo)航系統(tǒng)以及面向復(fù)雜應(yīng)用的導(dǎo)航智能決策與協(xié)同等領(lǐng)域取得多項(xiàng)研究成果[18-19]。未來國家彈性PNT體系力求實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用領(lǐng)域體系架構(gòu)拓?fù)涞囊恢滦?、功能適應(yīng)的強(qiáng)壯性、形態(tài)應(yīng)用的靈活性、技術(shù)發(fā)展的開放性、體系覆蓋的普遍性等。著眼這一目標(biāo)，目前國內(nèi)在PNT體系信息架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、實(shí)體架構(gòu)、運(yùn)控架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)等領(lǐng)域的研究還處于起步階段。

信息架構(gòu)是PNT體系架構(gòu)的核心。本文從水下PNT體系建設(shè)的特殊性出發(fā)，系統(tǒng)分析了水下用戶對(duì)于水下PNT服務(wù)的需求以及水下PNT體系構(gòu)建時(shí)所需遵循的原則，提出了水下PNT信息體系架構(gòu)構(gòu)想(如圖1所示)，并總結(jié)了其中涉及的科學(xué)問題和技術(shù)問題，闡明了后續(xù)水下PNT體系的研究方向。

圖1 水下PNT體系構(gòu)想

Fig.1 Conception of UPNT system

1 水下PNT體系特殊性及其所需遵循的原則

PNT體系是一個(gè)復(fù)雜、開放的系統(tǒng)，在進(jìn)行水下PNT體系構(gòu)建時(shí)需要充分考慮水下PNT的特殊性，不僅要考慮整個(gè)系統(tǒng)的整體，還要考慮每個(gè)子系統(tǒng)的特性，所以需要有針對(duì)性地分析構(gòu)建時(shí)所需遵循的原則,為水下載體提供安全可靠的PNT服務(wù)。

1)水下PNT技術(shù)體系必須基于多元異質(zhì)技術(shù)體制

與基于無線電技術(shù)體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以應(yīng)用于全球大氣空間不同，水下PNT體系無法采用單一技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)全球、全海域、全深度和全時(shí)應(yīng)用需求。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)可以全時(shí)、全海域，且精度最高，但幾乎無法入水；水聲導(dǎo)航信號(hào)可以在水中全深度應(yīng)用，是目前定位精度僅次于衛(wèi)星導(dǎo)航的技術(shù)體制，但作用距離受限，難以形成導(dǎo)航衛(wèi)星通過太空部署而具備的全球覆蓋能力，相反其布設(shè)區(qū)域和全時(shí)自主能力十分有限，需根據(jù)需要，隨建隨用，且布設(shè)維護(hù)受不同海域條件影響顯著；岸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)可以入水，且覆蓋區(qū)域顯著大于水聲導(dǎo)航技術(shù)，是PNT水下應(yīng)用極具應(yīng)用潛力的技術(shù)選擇，但其入水深度也十分有限，極限深度僅數(shù)十米，難以做到全深度，且無法覆蓋遠(yuǎn)岸大洋，更無法達(dá)到全球覆蓋；慣性導(dǎo)航技術(shù)可以全海域全深度并通達(dá)全球，短時(shí)可具備較高精度，但長時(shí)間需要借助衛(wèi)導(dǎo)、水聲等外部系統(tǒng)進(jìn)行定期修正，無法全時(shí)保精度自主工作，且隨著自主工作時(shí)間越長，技術(shù)、功耗、體積、成本等要求越高，在低成本水下應(yīng)用領(lǐng)域以現(xiàn)有技術(shù)難以大面積應(yīng)用；各類匹配導(dǎo)航定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水下大部分海域、全深度自主應(yīng)用，但在背景信息特征不明顯區(qū)域應(yīng)用受限，且受限于水下相應(yīng)物理場(chǎng)測(cè)量能力和技術(shù)水平。所以，水下PNT技術(shù)體系無法基于單一技術(shù)體制，從根本上是多元異質(zhì)技術(shù)體制，這是水下PNT技術(shù)體系不同于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的本質(zhì)特點(diǎn)。

由于水下PNT體系必須基于多元異質(zhì)技術(shù)體制，使其具備兩個(gè)顯著的技術(shù)發(fā)展需求和特點(diǎn)。一是不同技術(shù)體制面向不同用戶需求的自身技術(shù)體系建設(shè)，以及相應(yīng)的工程系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展；二是圍繞不同用戶需求的異質(zhì)技術(shù)間的跨界技術(shù)整合，以及與水面、空中跨介質(zhì)的系統(tǒng)與體系整合。為成功實(shí)現(xiàn)上述兩者的協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)將水下PNT體系建設(shè)的技術(shù)體系頂層規(guī)劃與設(shè)計(jì)擺在首要地位。

2)水下PNT技術(shù)體系設(shè)計(jì)應(yīng)充分貫徹系統(tǒng)工程思想

與衛(wèi)星導(dǎo)航重大系統(tǒng)工程建設(shè)更多依托天基和航天相關(guān)技術(shù)不同，水下綜合PNT體系將更多依托?；秃Ｑ笙嚓P(guān)技術(shù)，與現(xiàn)有的海洋測(cè)繪、通信、探測(cè)、水文、氣象、海洋信息技術(shù)等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域關(guān)系密切、深度關(guān)聯(lián)，并受到已有技術(shù)發(fā)展的影響和制約。因此，建設(shè)水下PNT體系，需要充分利用已有的技術(shù)資源，分析結(jié)合不同領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)和建設(shè)發(fā)展規(guī)律，從水下PNT建設(shè)需求的角度，牽引相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，并推動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的深度交叉，產(chǎn)生一批新技術(shù)；將水下PNT技術(shù)滲透進(jìn)當(dāng)前技術(shù)體系的同時(shí)，又通過將不同領(lǐng)域技術(shù)無縫融合形成更大的技術(shù)體系。但由于歷史上各領(lǐng)域建設(shè)形式獨(dú)立分散，所以迫切需要從頂層統(tǒng)籌規(guī)劃，優(yōu)化資源，協(xié)調(diào)發(fā)展。

水下PNT體系跨專業(yè)交叉、跨領(lǐng)域交叉的特點(diǎn)鮮明，又涉及軍民等多種應(yīng)用，是一項(xiàng)綜合性極強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。所以需要采取系統(tǒng)工程的思想，遵循系統(tǒng)工程的原則方法，開展水下PNT技術(shù)體系的相關(guān)設(shè)計(jì)與建設(shè)。水下PNT技術(shù)體系頂層設(shè)計(jì)涉及未來各類水下PNT用戶的需求分析、關(guān)鍵支撐技術(shù)、頂層架構(gòu)、體系技術(shù)、工程建設(shè)維護(hù)、試驗(yàn)演示評(píng)估等多方面內(nèi)容，需要明確水下PNT體系的基本框架、實(shí)現(xiàn)途徑、關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)制體制、邊界條件、接口關(guān)系和信息融合方式等一系列要素，并實(shí)現(xiàn)與北斗綜合PNT體系的無縫對(duì)接融合。

3)水下PNT技術(shù)體系建設(shè)應(yīng)充分考慮國情和技術(shù)發(fā)展的時(shí)代特點(diǎn)

水下PNT技術(shù)體系建設(shè)在世界范圍內(nèi)總體來說仍舊是一個(gè)新生事物，其概念內(nèi)涵、功能定位、體系架構(gòu)均處于不斷發(fā)展和完善的過程之中。美軍最先提出概念，美俄等大國也進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)[20-22]，但與之前GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球應(yīng)用的技術(shù)成熟度相比差距較大[23-26]。我國水下PNT體系設(shè)計(jì)必須符合國情實(shí)際，服從國家軍事戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求，結(jié)合周邊海域特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，充分借鑒北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分階段由區(qū)域到全球穩(wěn)步發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)穩(wěn)妥論證水下PNT技術(shù)體系建設(shè)的能力需求和技術(shù)發(fā)展目標(biāo)，不斷豐富完善水下PNT體系的特點(diǎn)內(nèi)涵和技術(shù)架構(gòu)。

當(dāng)前軍事作戰(zhàn)樣式發(fā)展變化迅速，民用海洋利用方式復(fù)雜多樣，新的用戶需求不斷變化；與此同時(shí)，各種與水下PNT相關(guān)的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并迅速發(fā)展，如數(shù)字海洋、透明海洋的海洋信息技術(shù)，水文氣象等多類型海洋大數(shù)據(jù)建設(shè), 各種基礎(chǔ)性海洋工程技術(shù)發(fā)展，以及基于人工智能快速發(fā)展的智能探測(cè)與信息技術(shù)領(lǐng)域等。這些技術(shù)發(fā)展的時(shí)代特點(diǎn)要求水下PNT技術(shù)體系既要具備穩(wěn)定的核心技術(shù)架構(gòu)，同時(shí)也要具備對(duì)新技術(shù)的彈性和開放性；既能滿足近期國家發(fā)展需求，也能為未來長遠(yuǎn)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

4)水下PNT技術(shù)體系建設(shè)應(yīng)突出產(chǎn)業(yè)建設(shè)牽引和工程實(shí)用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水下PNT技術(shù)體系研究服務(wù)于北斗綜合PNT重大工程建設(shè)，其目標(biāo)是建設(shè)全面提升國家水下PNT多樣化信息服務(wù)保障的基礎(chǔ)性技術(shù)能力。涉及前沿技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵技術(shù)突破、成熟技術(shù)轉(zhuǎn)化、工程技術(shù)應(yīng)用推廣等多種技術(shù)狀態(tài)，要充分考慮水下PNT建設(shè)海洋工程技術(shù)要求的復(fù)雜性。與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)面臨的困難不同，水下PNT建設(shè)涉及的大量布設(shè)施工與使用維護(hù)工作將面臨近海大陸架、島礁、遠(yuǎn)岸深海、大洋等不同海域,以及不同水深、不同周邊形勢(shì)的差異,限制因素多，技術(shù)復(fù)雜。因此，各項(xiàng)技術(shù)研究中的工程實(shí)用效能的驗(yàn)證與評(píng)估對(duì)推動(dòng)未來具體建設(shè)十分重要。

水下PNT體系的技術(shù)支撐涉及的領(lǐng)域、部門、企業(yè)多，技術(shù)研究需要關(guān)注不同維度下的用戶裝備與技術(shù)層次劃分。技術(shù)研究應(yīng)便于形成相應(yīng)的各類標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、接口、協(xié)議，盡可能貼近引導(dǎo)未來相關(guān)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)發(fā)展。

2 水下PNT體系架構(gòu)

針對(duì)水下PNT體系的特殊性，系統(tǒng)性地分析了水下PNT體系的構(gòu)建原則，提出了PNT三級(jí)體系、七層信息架構(gòu)。值得注意的是，PNT體系的彈性化是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，其概念、內(nèi)涵以及實(shí)現(xiàn)方法在文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[23]中進(jìn)行了詳細(xì)闡述?？紤]到未來水下PNT體系的彈性化特點(diǎn)，本文提出了基于用戶、子體系、體系的三級(jí)彈性化水下PNT體系，以及基于感知層、預(yù)處理參量層、本地時(shí)空參數(shù)層、環(huán)境信息層、多源信息融合層、系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層和體系服務(wù)管理層等七層PNT信息感知、處理與服務(wù)架構(gòu)(如圖2所示)。

圖2 水下PNT體系信息架構(gòu)

Fig.2 Information architecture of UPNT system

2.1 感知層

感知層作為PNT體系設(shè)計(jì)的第一層，其功能是通過PNT測(cè)量傳感器感知來自其所在位置的環(huán)境物理量和人設(shè)系統(tǒng)傳輸物理量。該層的核心是傳感器技術(shù)，傳感器設(shè)計(jì)的精度、動(dòng)態(tài)特性、可靠性、測(cè)量范圍等綜合性能受到機(jī)理、材料、工藝等約束；多傳感器共性集成設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)解決干擾兼容、物理幾何位置統(tǒng)一等問題。傳感器的測(cè)量精度等性能是后續(xù)處理的基礎(chǔ)和前提。

2.2 預(yù)處理參量層

預(yù)處理參量層是PNT體系設(shè)計(jì)的第二層，其功能是通過解調(diào)、解碼、濾波等方式，將由感知層獲取的各物理量電測(cè)量值等轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行PNT參數(shù)解算使用的時(shí)空基礎(chǔ)參元。該層的核心是各類數(shù)字與信號(hào)處理技術(shù)，即對(duì)于人為信號(hào)，基于信號(hào)體制解調(diào)解碼完成信號(hào)參數(shù)測(cè)量，通過各種數(shù)據(jù)處理等方式提高時(shí)空相關(guān)基礎(chǔ)參元的解算性能。

2.3 本地時(shí)空參數(shù)層

本地時(shí)空參數(shù)層是PNT體系設(shè)計(jì)的第三層，其功能是各PNT子傳感器完成不同機(jī)理和坐標(biāo)系下的時(shí)空參量解算，以來自預(yù)處理參量層輸出的時(shí)空基礎(chǔ)參元等作為輸入，輸出位置、速度、航向、姿態(tài)、時(shí)間等時(shí)空參量。在該層不再涉及信號(hào)體制，其核心為各類PNT解算方法，算法涉及人為(或自然)的外部基準(zhǔn)設(shè)施的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何分布等，得到的各類時(shí)空參量包含不同的誤差特性。單一系統(tǒng)中可獨(dú)立輸出時(shí)空參量，并可用于后續(xù)多源信息融合，該層得到的信息已具有較強(qiáng)的可讀性。

2.4 環(huán)境信息層

環(huán)境信息層是PNT體系設(shè)計(jì)的第四層，其功能是基于環(huán)境感知這一關(guān)鍵技術(shù)，依托環(huán)境感知傳感器獲取來自測(cè)量環(huán)境物理量、直接獲取相關(guān)數(shù)據(jù)庫和各類環(huán)境信息等，并通過多種方式獲取各類環(huán)境物理信息與環(huán)境移動(dòng)目標(biāo)信息，例如重力/重力梯度背景場(chǎng)，磁力/磁力梯度背景場(chǎng)，水體的溫度、鹽度、密度，水下地形地貌和洋流信息等。該層的核心是包含環(huán)境測(cè)量傳感器和信息獲取設(shè)備，甚至包含對(duì)PNT體系的感知層、預(yù)處理參量層的環(huán)境感知與獲取能力，本層對(duì)應(yīng)本地時(shí)空參數(shù)層；支持其他層的數(shù)據(jù)處理，如下一層多源信息融合層的信息融合，以及第七層體系服務(wù)管理層的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航引導(dǎo)等。

2.5 多源信息融合層

多源信息融合層的功能是構(gòu)建統(tǒng)一抽象的全源導(dǎo)航信息融合框架，在涵蓋傳統(tǒng)PNT最優(yōu)估計(jì)算法的基礎(chǔ)上，納入包含機(jī)器學(xué)習(xí)、隨機(jī)接入等新算法，建立信息融合全過程信息處理流程結(jié)構(gòu)。通過處理來自本地時(shí)空參數(shù)層的各子系統(tǒng)信息、各類環(huán)境信息等,得到精確、彈性、可靠、強(qiáng)壯的本地PNT參數(shù)。

2.6 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層

本層基于PNT信息、環(huán)境參數(shù)和任務(wù)需求等，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)航等各類信息應(yīng)用服務(wù)，包括實(shí)現(xiàn)智能路徑規(guī)劃、輔助決策、相對(duì)導(dǎo)航及PNT環(huán)境語義態(tài)勢(shì)生成，提供導(dǎo)航等各類PNT相關(guān)信息服務(wù)支持，其核心在于導(dǎo)航規(guī)劃與協(xié)同決策等算法。

2.7 體系服務(wù)管理層

體系服務(wù)管理層的功能是實(shí)現(xiàn)全域PNT能力監(jiān)控、全域態(tài)勢(shì)目標(biāo)監(jiān)控、備份PNT系統(tǒng)啟用控制、跨領(lǐng)域跨介質(zhì)協(xié)同等體系級(jí)信息服務(wù)處理，明確以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為核心實(shí)現(xiàn)跨介跨域協(xié)同等體系級(jí)PNT信息服務(wù)，將來自PNT體系及通信、水文氣象等其他體系級(jí)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息轉(zhuǎn)化為全域PNT信息服務(wù)、運(yùn)行維護(hù)等體系信息服務(wù)，其核心為體系管理技術(shù)。

3 關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題

3.1 關(guān)鍵科學(xué)問題

水下PNT體系研究主要涉及國家PNT體系彈性化架構(gòu)設(shè)計(jì)，慣性基多源PNT信息彈性化統(tǒng)一融合理論與算法，跨域、跨介、跨體制PNT體系時(shí)空統(tǒng)一基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建機(jī)理和彈性化PNT能力測(cè)試評(píng)估理論4個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：

1)國家PNT體系彈性化架構(gòu)設(shè)計(jì)，是跨領(lǐng)域、跨專業(yè)、全時(shí)、全域PNT復(fù)雜大系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的科學(xué)問題，對(duì)設(shè)計(jì)理念的研究有助于清晰把握PNT體系的本質(zhì)特點(diǎn)，推動(dòng)未來形成PNT話語體系和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)未來頂層規(guī)劃和建設(shè)決策提供理論支持。

2)慣性基多源PNT信息彈性化統(tǒng)一融合理論與算法，是實(shí)現(xiàn)彈性、精準(zhǔn)、穩(wěn)健的PNT信息解算的關(guān)鍵[27]。

3)跨域、跨介、跨體制PNT體系時(shí)空統(tǒng)一基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建，是依托北斗向水下、地下、深空等領(lǐng)域拓展,構(gòu)建國家綜合PNT體系的基礎(chǔ)。

4)彈性化PNT能力測(cè)試評(píng)估理論，是系統(tǒng)研究解決測(cè)繪、水聲、導(dǎo)航等多學(xué)科交叉PNT體系建設(shè)、應(yīng)用、評(píng)估的重要科學(xué)問題。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)問題

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)前唯一能向水下載體導(dǎo)航提供必要的全部數(shù)據(jù)的設(shè)備，其最為突出的優(yōu)點(diǎn)是工作完全獨(dú)立，不受外界干擾和破壞，隱蔽性能好，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值[1,28-29]。然而,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是定位誤差隨時(shí)間的積累而增大,難以滿足長期和高精度的導(dǎo)航定位要求。因此，必須開展高精度慣性器件及系統(tǒng)技術(shù)研究，同時(shí)利用外部輔助定位導(dǎo)航信息源，開展慣性基多源定位導(dǎo)航技術(shù)研究，主要包括水下高精度慣性基多源信息融合技術(shù)和慣性基多傳感器信息融合PNT終端集成技術(shù)。

水下高精度慣性基多源信息融合技術(shù)，主要抑制復(fù)雜環(huán)境干擾引起的水聲定位性能下降，從而確保實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的高精度導(dǎo)航定位；慣性基多傳感器信息融合PNT終端集成技術(shù)，是基于硬軟件工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PNT用戶最終能力的關(guān)鍵。

電磁信號(hào)水下衰減速度極快，幾乎無法透過海水，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，聲信號(hào)成為當(dāng)前已知最有效的水下信息載體[1,30]。近十多年來，基于聲學(xué)手段的水下目標(biāo)的定位與導(dǎo)航技術(shù)和相關(guān)裝備研發(fā)被各國列為具有戰(zhàn)略意義的科研計(jì)劃之中。

所以，水聲定位導(dǎo)航技術(shù)不僅是一種重要的水下定位手段，也是未來水下PNT體系架構(gòu)不可或缺的定位導(dǎo)航技術(shù)[1]。復(fù)雜海洋環(huán)境高精度水下聲學(xué)PNT關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)確保用戶在水下指定工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位至關(guān)重要。

除此之外，高精度水下導(dǎo)航動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)與重構(gòu)技術(shù)是PNT水下測(cè)試領(lǐng)域的經(jīng)典難題，所以必須構(gòu)建高精度水下動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)。

4 未來水下PNT研究方向

4.1 國家PNT體系彈性化架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

采取系統(tǒng)工程、信息論等方法，多維、多角度研究體系架構(gòu)，從定量表征PNT體系抵御外力干擾破壞能力的角度，提出了PNT彈性化體系指標(biāo)，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)評(píng)估實(shí)現(xiàn)量化牽引；從規(guī)模尺度角度，提出了PNT體系的用戶、子體系、體系三級(jí)層次劃分和七層PNT體系信息架構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究信息—技術(shù)—產(chǎn)品—系統(tǒng)—服務(wù)應(yīng)用/布控維護(hù)—產(chǎn)業(yè)/部門，直至國家層面的PNT分層架構(gòu)。

通過深空、地下、水下、室內(nèi)等不同應(yīng)用領(lǐng)域體系架構(gòu)的解決方案設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)和深化架構(gòu)設(shè)計(jì)原則。

4.2 慣性基多源PNT信息融合關(guān)鍵技術(shù)

慣性基多源PNT信息融合關(guān)鍵技術(shù)研究主要解決慣性基彈性化統(tǒng)一融合理論架構(gòu)與算法模型問題，梳理歸納多種應(yīng)用場(chǎng)景慣性基信息融合算法，著眼彈性化需求，設(shè)計(jì)多源信息融合統(tǒng)一理論框架[31]。在此基礎(chǔ)上，研究不同精度慣性基信息融合模型和算法，基于水聲信標(biāo)SLAM算法，提升慣性基平臺(tái)水下動(dòng)態(tài)定位精度，進(jìn)一步構(gòu)建慣性基PNT系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)提出的理論與模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證評(píng)估。

4.3 水下聲學(xué)彈性化PNT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

水下聲學(xué)彈性化PNT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究主要實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)彈性化PNT系統(tǒng)。

完成水下PNT系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；開展大深度海底雙頻基準(zhǔn)站、智能升降浮標(biāo)、海面北斗聲學(xué)浮標(biāo)等技術(shù)攻關(guān)和樣機(jī)研制；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)由潛標(biāo)、浮標(biāo)、升降標(biāo)組成的混合立體型水面/水下聲學(xué)彈性化PNT系統(tǒng)，為更加靈活、多樣的三維水下基準(zhǔn)體系提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

采取遠(yuǎn)海面精密定位、跨介柔性基準(zhǔn)偏差補(bǔ)償、海底信標(biāo)精密標(biāo)定、海天高程統(tǒng)一等多種關(guān)鍵技術(shù)，綜合解決跨域、跨介、跨體制PNT時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一問題，實(shí)現(xiàn)海底基準(zhǔn)點(diǎn)高精度定位；采取加裝高精度時(shí)鐘、寬帶編碼水聲通信，實(shí)現(xiàn)定位信號(hào)周期性同步發(fā)射，完成用戶平臺(tái)靜默條件下的導(dǎo)航定位；采取聲速分層反演和全潛深參數(shù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)聲速傳播誤差的準(zhǔn)確修正；基于鐘差精密修正等技術(shù)，使陣內(nèi)區(qū)域水平定位提升至與衛(wèi)星導(dǎo)航定位同等水平。

4.4 水面/水下彈性化PNT系統(tǒng)集成與陸上模擬仿真技術(shù)

水面/水下彈性化PNT系統(tǒng)集成與陸上模擬仿真技術(shù)重點(diǎn)設(shè)計(jì)慣性基多源PNT傳感器原型樣機(jī)，它是水下拖曳平臺(tái)等用戶PNT終端。

研制慣性基PNT核心傳感組件，搭建通用信息融合平臺(tái)，研制原型樣機(jī)，完成從單機(jī)到系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室功能和性能測(cè)試；完成系統(tǒng)在水面/水下模擬環(huán)境下的仿真、演示與評(píng)估，并對(duì)海試試驗(yàn)方案制定提供技術(shù)支撐。

為有效抑制復(fù)雜環(huán)境造成水聲性能下降，采取水聲/慣導(dǎo)深組合技術(shù)，在抑制水聲數(shù)據(jù)噪聲的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)積累誤差的高精度重調(diào)修正。

研究基于識(shí)別的潛標(biāo)空間位置，確定最佳水聲定位軌跡。通過環(huán)境分析、航路控制(SLAM)，使組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能處于最優(yōu)狀態(tài)，采取智能控制融合等多種手段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高精度定位，保證所有關(guān)鍵技術(shù)自主可控，為未來制定相關(guān)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

4.5 水面/水下彈性化PNT試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估

水面/水下彈性化PNT系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估充分考慮評(píng)測(cè)問題的復(fù)雜性，可采取拖曳平臺(tái)+智能升降浮標(biāo)+大型水下平臺(tái)試驗(yàn)評(píng)估方案，完成系統(tǒng)性能驗(yàn)證；并科學(xué)規(guī)劃PNT性能評(píng)估的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)搭建、試驗(yàn)組織、數(shù)據(jù)處理和性能評(píng)估等各環(huán)節(jié)，完成驗(yàn)證評(píng)估，保證試驗(yàn)方案靈活多變，在確保試驗(yàn)順利完成的同時(shí)，為專業(yè)瓶頸問題的技術(shù)攻關(guān)留出合理空間。

5 結(jié)束語

水下PNT體系建設(shè)具有跨學(xué)科、跨領(lǐng)域交叉的特點(diǎn)，與測(cè)繪、通信、探測(cè)、海洋信息技術(shù)、海洋大數(shù)據(jù)、人工智能等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域深度關(guān)聯(lián)，涉及軍民多種應(yīng)用。目前，各領(lǐng)域存在建設(shè)分散、重復(fù)建設(shè)資源浪費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn)，需要從國家層面統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)化資源、協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，迫切需要開展水下PNT體系架構(gòu)研究，本文從水下PNT的特點(diǎn)分析入手，充分考慮時(shí)代發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)PNT體系建設(shè)需要遵循的原則、水下PNT信息體系架構(gòu)，以及關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題和未來研究方向進(jìn)行了系統(tǒng)分析和探討，以期為本領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。在此基礎(chǔ)上，今后應(yīng)進(jìn)一步明確水下PNT體系架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)途徑、關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)制體制、邊界條件、接口關(guān)系和信息融合方式等，并在未來實(shí)現(xiàn)與北斗綜合PNT體系的無縫無感對(duì)接。