一種百平方千米級(jí)水下通信定位導(dǎo)航系統(tǒng)

潘 笑，王 鵬，溫 雯，王佳奇，李 婧

(中國艦船研究院, 北京 100101)

0 引 言

目前，大部分的水聲通信、定位及導(dǎo)航系統(tǒng)都是相互獨(dú)立的。多系統(tǒng)共同作業(yè)時(shí)，這種功能單一的工作模式會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)不能兼容、作業(yè)距離受限等問題[1]。除此之外，在海上試驗(yàn)過程中目前還難于實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行目標(biāo)的指揮通信功能，難以滿足水下長時(shí)復(fù)雜任務(wù)的作業(yè)需求[2]。

本文通過設(shè)計(jì)具有主/被動(dòng)水下兼容定位技術(shù)的水聲通信定位一體化潛標(biāo)裝備，搭配浮標(biāo)平臺(tái)組成浮-潛標(biāo)，形成水聲定位、導(dǎo)航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域快速部署組網(wǎng)，面向百平方千米級(jí)海域提供水下定位、導(dǎo)航和通信服務(wù)。

1 系統(tǒng)組成與方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

水聲定位、導(dǎo)航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)將4個(gè)浮-潛標(biāo)布設(shè)在一個(gè)正方形海域的4個(gè)頂點(diǎn)上。相鄰節(jié)點(diǎn)間距 10 km，可對(duì) 10 km×10 km 范圍內(nèi)的多個(gè)用戶提供導(dǎo)航定位通信功能，最大通信區(qū)域范圍為20 km×20 km。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)模也可以較充分地驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)化水下導(dǎo)航技術(shù)，以及對(duì)水下多目標(biāo)協(xié)同作業(yè)環(huán)境的保障能力。系統(tǒng)由浮潛標(biāo)通信定位分系統(tǒng)、指揮控制分系統(tǒng)和用戶終端分系統(tǒng)組成，如圖1所示。

作為基本構(gòu)成單元的“浮-潛標(biāo)”是由浮標(biāo)體、水聲通信定位一體化潛標(biāo)、無線電通信設(shè)備、太陽能電池供電模塊、航標(biāo)燈等部分構(gòu)成[3]，如圖2所示。其中，水聲通信定位一體化潛標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水下通導(dǎo)一體的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備將采用通信與導(dǎo)航共用、功能集成、信號(hào)兼容、模塊化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通信與高精度導(dǎo)航功能的集成。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System structural diagram

圖2 浮-潛標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Buoy and submersible buoy structural system

指揮控制分系統(tǒng)是該系統(tǒng)的指揮控制中心，通過對(duì)水面水下工作平臺(tái)的信息匯集、拓?fù)湟?guī)劃、態(tài)勢(shì)顯示、狀態(tài)管控，形成系統(tǒng)信息的一體化綜合管控能力及水面、水下作業(yè)平臺(tái)的指揮能力。

用戶終端分系統(tǒng)為用戶終端設(shè)備提供信息傳輸和定位服務(wù)[4]。用戶終端設(shè)備進(jìn)入通信導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍后，即通過浮潛標(biāo)與指揮中心建立通信鏈路，指揮中心通過模塊式水聲通信定位設(shè)備獲取用戶位置信息。

1.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由水下自組網(wǎng)和水上無線電通信兩部分組成[5]。水下自組網(wǎng)通過水聲通信技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，水上通過無線通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)與岸基的通信，系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖3所示。

1）水下自組網(wǎng)

如前所述，4個(gè)浮標(biāo)分別布設(shè)在正方形海域的4個(gè)頂點(diǎn)。浮標(biāo)間通過水聲通信定位一體化潛標(biāo)設(shè)備實(shí)現(xiàn)水聲組網(wǎng)通信[6]，相鄰節(jié)點(diǎn)間距 10 km，可對(duì) 10 km×10 km范圍內(nèi)的多個(gè)用戶提供高精度導(dǎo)航定位通信功能，最大通信區(qū)域范圍為 20 km×20 km。

圖3 系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖Fig.3 System networking schematic diagram

2）水上無線電通信

浮標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水下通信和水上通信的樞紐，每個(gè)浮標(biāo)都配置無線電通信設(shè)備。水聲通信定位設(shè)備獲取的信息通過水下電纜發(fā)送至浮標(biāo)平臺(tái)，再通過無線電通信設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)至船載指控系統(tǒng)。水上無線電通信示意圖如圖4所示。

圖4 水上無線電通信系統(tǒng)工作示意圖Fig.4 Above water communication system schematic diagram

1.3 工作流程

百平方千米級(jí)水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)的典型功能流程如圖5所示。指揮控制中心的管控指令通過衛(wèi)星鏈路傳輸至海面浮標(biāo)，再通過浮標(biāo)將信息轉(zhuǎn)入水下，潛標(biāo)之間通過水聲通信進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，最后到達(dá)水下用戶終端。反之，水下用戶終端的狀態(tài)信息與感知數(shù)據(jù)也可反向傳輸至指揮控制中心。

系統(tǒng)被部署在指定海域后，浮標(biāo)北斗設(shè)備測量得到的浮標(biāo)位置信息，通過有纜方式傳輸至浮標(biāo)下的水

圖5 百平方千米級(jí)水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)信息流程圖Fig.5 System information flow chart

聲通信定位設(shè)備，完成水聲通信定位一體化潛標(biāo)位置標(biāo)定。水下網(wǎng)絡(luò)最初的拓?fù)潢P(guān)系建立后，水下用戶進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，當(dāng)需要向船基或岸基上報(bào)位置信息時(shí)，聲學(xué)喚醒潛標(biāo)上的水聲通信定位設(shè)備并經(jīng)身份認(rèn)證后接入水下網(wǎng)絡(luò)，所需傳輸?shù)男畔⒃谒轮苯踊蛞远嗵绞竭_(dá)到某個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)，再通過水面以上的無線電方式發(fā)送至船基或岸站，完成主動(dòng)導(dǎo)航功能。水下用戶通過水聲通信技術(shù)獲得潛標(biāo)的位置信息，通過時(shí)延測距技術(shù)獲得水下用戶與潛標(biāo)之間的距離，解算出水下用戶自身的位置，實(shí)現(xiàn)水下被動(dòng)定位功能。

2 水聲通信定位一體化潛標(biāo)設(shè)計(jì)

2.1 潛標(biāo)功能

水聲通信定位一體化潛標(biāo)是實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)系統(tǒng)的核心裝備，其中水下數(shù)據(jù)通信定位單元由換能器、數(shù)字電路、功放電路、前放電路、接口電路、電子艙體等組成。在浮標(biāo)端，由浮標(biāo)體內(nèi)電池向水聲通信定位設(shè)備供電。其主要功能有：

1）水聲通信

對(duì)信息進(jìn)行編碼、調(diào)制、組幀，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)發(fā)射；對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行復(fù)帶移、同步、解調(diào)和解碼，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)接收。

2）水聲組網(wǎng)

達(dá)成岸船監(jiān)控中心與潛器或潛標(biāo)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，具有沖突避免媒質(zhì)接入控制功能，以及支持多跳和路由重構(gòu)功能。

3）水聲定位

包含主動(dòng)定位與被動(dòng)導(dǎo)航2種模式。

2.2 潛標(biāo)組成

一體化潛標(biāo)系統(tǒng)硬件包括浮標(biāo)、潛標(biāo)和外部電池。系統(tǒng)主體為潛標(biāo)，包括收發(fā)合置水聲換能器、信號(hào)處理部件（模擬預(yù)處理單元、數(shù)字信號(hào)處理單元、電源模塊）、協(xié)議處理部件（協(xié)議處理板、深度計(jì)及水聽器）、收發(fā)轉(zhuǎn)換及匹配板、功率發(fā)射板[7]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

水聲通信定位一體化潛標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括電子艙、電池組、收發(fā)合置換能器、水聽器、深度計(jì)和接口等主要部件，由浮標(biāo)體內(nèi)電池通過水密纜給潛標(biāo)供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

3 定位方程解算方法

一體化組網(wǎng)系統(tǒng)具有主動(dòng)導(dǎo)航、被動(dòng)定位2種定位模式。

圖6 水聲通信定位一體化潛標(biāo)系統(tǒng)組成圖Fig.6 Integrated acoustic communication and navigation submersible structural diagram

圖7 水聲通信定位一體化潛標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Integrated acoustic communication and navigation submersible internal structure

3.1 主動(dòng)導(dǎo)航工作方式

潛器周期性發(fā)射詢問信號(hào)，接收4個(gè)浮潛標(biāo)返回?cái)y帶位置信息的應(yīng)答通信信號(hào)，通過應(yīng)答測距獲得與各浮潛標(biāo)間距離di（i=1,2,3,4）[8]，通過解碼獲得各浮潛標(biāo)位置，利用位置 (xi,yi,zi)、距離信息建立下列方程組，解方程組中潛器自身位置 (xs,ys,zs)。

3.2 被動(dòng)定位工作方式

潛器不發(fā)聲，4個(gè)浮潛標(biāo)在同一時(shí)刻t0發(fā)送攜帶位置信息 (xi,yi,zi)的定位報(bào)文，各潛器估計(jì)不同浮標(biāo)的定位報(bào)文到達(dá)時(shí)刻ti，并解碼獲得浮潛標(biāo)的位置信息[9]，通過解下列4個(gè)方程組獲得自身位置信息 (xs,ys,zs)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)定位。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)集水聲定位、導(dǎo)航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)組成及工作原理，提出該組網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備—水聲通信定位一體化潛標(biāo)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，提供主動(dòng)導(dǎo)航及被動(dòng)定位2種定位模式的解算方法。利用該組網(wǎng)系統(tǒng)最大可形成100 km2范圍內(nèi)海域的定位導(dǎo)航和400 km2范圍內(nèi)海域通信能力，為區(qū)域內(nèi)水下有人/無人、固定/移動(dòng)多類水面水下作業(yè)平臺(tái)提供通信及定位導(dǎo)航服務(wù)。