水下PNT體系信息架構及關鍵問題

摘 要：衛星導航系統固有的弱點與脆弱性制約了其水下應用，因此針對水下用戶的定位導航授時(PNT)信息需求，迫切需要建設可提供全時全域、實用有效、安全可靠的PNT信息服務的水下PNT體系。針對水下PNT體系的頂層設計問題，重點探討了PNT體系架構的核心信息架構設計及相關關鍵問題。系統分析了水下PNT體系建設的特殊性以及水下用戶對于水下PNT服務的需求。在水下PNT體系構建原則的基礎上，重點介紹了感知層、預處理參量層、本地時空參數層、環境信息層、多源信息融合層、系統應用服務層、體系服務管理層等七層水下PNT信息體系架構。總結了水下PNT體系構建時所涉及的關鍵科學問題和技術問題，并分析了后續水下PNT體系的主要研究方向。

0 引言

定位導航授時(Positioning, Navigation and Timing, PNT)體系是為交通、運輸、電信、電力、基礎科研、軍事行動和人們日常生活等國防、經濟和社會領域服務的國家重大基礎設施[1-3]。80%以上的人類生產活動信息都與PNT有關[4-5]。綜合PNT體系[6-7]是由時空基準、服務系統、應用系統，以及支撐其發展的基礎技術研發、聯合協調機制、政策法規標準等綜合保障條件多個相關聯的要素組成的有機整體，能夠提供全時域、全空域、精確、連續、可靠的位置、時間、速度等信息，是一個廣泛的、高層次的國家戰略體系。綜合PNT體系是國家信息建設的基石。

隨著北斗衛星導航系統的建設和發展，我國已形成以北斗系統為代表的天基PNT系統，PNT服務也由此帶來了革命性的變化。但由于衛星導航系統固有的弱點與脆弱性，制約了水下PNT的可用性和穩健性[1,7-8]。因此，構建水下PNT體系，為水下載體提供全時全域、實用有效、安全可靠的PNT信息服務, 滿足不斷增長的國家安全、經濟、民用、科研和商業的需要[9-12],就顯得尤為迫切。

然而，海洋環境和水介質的固有特性使得水下PNT相對于水面環境面臨更大的挑戰[13]。現有基礎設施建設、裝備技術水平和信息服務保障能力遠遠不能滿足水下載體長期安全航行和執行任務的需求。隨著未來海上作戰樣式的變革，必將對水下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行統籌規劃和建設具有重大意義。

目前，水下PNT技術已成為美、俄、歐等國家和地區PNT發展的重要方向[14]。代表系統有2001年法國ASCA公司設計的全球首套水下GPS目標跟蹤系統，2002年德國Arstech公司開發的GPS浮標陣水下定位系統，2016年英國BEA Systems公司研發的深海定位導航系統(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系統等[15-16]。

國內楊元喜院士于2017年發文，提出了我國彈性PNT體系的概念[17]。國內多家單位也在水下PNT體系新型慣性基多源信息融合理論、全源定位與導航的統一理論框架、INS/DVL/重力/GNSS的多源組合導航系統以及面向復雜應用的導航智能決策與協同等領域取得多項研究成果[18-19]。未來國家彈性PNT體系力求實現不同應用領域體系架構拓撲的一致性、功能適應的強壯性、形態應用的靈活性、技術發展的開放性、體系覆蓋的普遍性等。著眼這一目標，目前國內在PNT體系信息架構、技術架構、實體架構、運控架構、應用架構等領域的研究還處于起步階段。

信息架構是PNT體系架構的核心。本文從水下PNT體系建設的特殊性出發，系統分析了水下用戶對于水下PNT服務的需求以及水下PNT體系構建時所需遵循的原則，提出了水下PNT信息體系架構構想(如圖1所示)，并總結了其中涉及的科學問題和技術問題，闡明了后續水下PNT體系的研究方向。

圖1 水下PNT體系構想

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體系是一個復雜、開放的系統，在進行水下PNT體系構建時需要充分考慮水下PNT的特殊性，不僅要考慮整個系統的整體，還要考慮每個子系統的特性，所以需要有針對性地分析構建時所需遵循的原則,為水下載體提供安全可靠的PNT服務。

1)水下PNT技術體系必須基于多元異質技術體制

與基于無線電技術體制的衛星導航系統可以應用于全球大氣空間不同，水下PNT體系無法采用單一技術體制實現全球、全海域、全深度和全時應用需求。衛星導航信號可以全時、全海域，且精度最高，但幾乎無法入水；水聲導航信號可以在水中全深度應用，是目前定位精度僅次于衛星導航的技術體制，但作用距離受限，難以形成導航衛星通過太空部署而具備的全球覆蓋能力，相反其布設區域和全時自主能力十分有限，需根據需要，隨建隨用，且布設維護受不同海域條件影響顯著；岸基無線電導航系統信號可以入水，且覆蓋區域顯著大于水聲導航技術，是PNT水下應用極具應用潛力的技術選擇，但其入水深度也十分有限，極限深度僅數十米，難以做到全深度，且無法覆蓋遠岸大洋，更無法達到全球覆蓋；慣性導航技術可以全海域全深度并通達全球，短時可具備較高精度，但長時間需要借助衛導、水聲等外部系統進行定期修正，無法全時保精度自主工作，且隨著自主工作時間越長，技術、功耗、體積、成本等要求越高，在低成本水下應用領域以現有技術難以大面積應用；各類匹配導航定位技術可以實現水下大部分海域、全深度自主應用，但在背景信息特征不明顯區域應用受限，且受限于水下相應物理場測量能力和技術水平。所以，水下PNT技術體系無法基于單一技術體制，從根本上是多元異質技術體制，這是水下PNT技術體系不同于衛星導航系統建設的本質特點。

由于水下PNT體系必須基于多元異質技術體制，使其具備兩個顯著的技術發展需求和特點。一是不同技術體制面向不同用戶需求的自身技術體系建設，以及相應的工程系統的建設發展；二是圍繞不同用戶需求的異質技術間的跨界技術整合，以及與水面、空中跨介質的系統與體系整合。為成功實現上述兩者的協調發展，應將水下PNT體系建設的技術體系頂層規劃與設計擺在首要地位。

2)水下PNT技術體系設計應充分貫徹系統工程思想

與衛星導航重大系統工程建設更多依托天基和航天相關技術不同，水下綜合PNT體系將更多依托海基和海洋相關技術，與現有的海洋測繪、通信、探測、水文、氣象、海洋信息技術等多個專業領域關系密切、深度關聯，并受到已有技術發展的影響和制約。因此，建設水下PNT體系，需要充分利用已有的技術資源，分析結合不同領域的技術特點和建設發展規律，從水下PNT建設需求的角度，牽引相關技術領域發展，并推動技術領域的深度交叉，產生一批新技術；將水下PNT技術滲透進當前技術體系的同時，又通過將不同領域技術無縫融合形成更大的技術體系。但由于歷史上各領域建設形式獨立分散，所以迫切需要從頂層統籌規劃，優化資源，協調發展。

水下PNT體系跨專業交叉、跨領域交叉的特點鮮明，又涉及軍民等多種應用，是一項綜合性極強的復雜系統工程。所以需要采取系統工程的思想，遵循系統工程的原則方法，開展水下PNT技術體系的相關設計與建設。水下PNT技術體系頂層設計涉及未來各類水下PNT用戶的需求分析、關鍵支撐技術、頂層架構、體系技術、工程建設維護、試驗演示評估等多方面內容，需要明確水下PNT體系的基本框架、實現途徑、關鍵技術、機制體制、邊界條件、接口關系和信息融合方式等一系列要素，并實現與北斗綜合PNT體系的無縫對接融合。

3)水下PNT技術體系建設應充分考慮國情和技術發展的時代特點

水下PNT技術體系建設在世界范圍內總體來說仍舊是一個新生事物，其概念內涵、功能定位、體系架構均處于不斷發展和完善的過程之中。美軍最先提出概念，美俄等大國也進行了相關系統建設[20-22]，但與之前GPS和GLONASS衛星導航系統全球應用的技術成熟度相比差距較大[23-26]。我國水下PNT體系設計必須符合國情實際，服從國家軍事戰略與經濟建設需求，結合周邊海域特點和技術優勢，充分借鑒北斗衛星導航系統分階段由區域到全球穩步發展的成功經驗，科學穩妥論證水下PNT技術體系建設的能力需求和技術發展目標，不斷豐富完善水下PNT體系的特點內涵和技術架構。

當前軍事作戰樣式發展變化迅速，民用海洋利用方式復雜多樣，新的用戶需求不斷變化；與此同時，各種與水下PNT相關的新技術不斷涌現并迅速發展，如數字海洋、透明海洋的海洋信息技術，水文氣象等多類型海洋大數據建設, 各種基礎性海洋工程技術發展，以及基于人工智能快速發展的智能探測與信息技術領域等。這些技術發展的時代特點要求水下PNT技術體系既要具備穩定的核心技術架構，同時也要具備對新技術的彈性和開放性；既能滿足近期國家發展需求，也能為未來長遠建設奠定基礎。

4)水下PNT技術體系建設應突出產業建設牽引和工程實用的評價標準

水下PNT技術體系研究服務于北斗綜合PNT重大工程建設，其目標是建設全面提升國家水下PNT多樣化信息服務保障的基礎性技術能力。涉及前沿技術攻關、關鍵技術突破、成熟技術轉化、工程技術應用推廣等多種技術狀態，要充分考慮水下PNT建設海洋工程技術要求的復雜性。與衛星導航系統建設面臨的困難不同，水下PNT建設涉及的大量布設施工與使用維護工作將面臨近海大陸架、島礁、遠岸深海、大洋等不同海域,以及不同水深、不同周邊形勢的差異,限制因素多，技術復雜。因此，各項技術研究中的工程實用效能的驗證與評估對推動未來具體建設十分重要。

水下PNT體系的技術支撐涉及的領域、部門、企業多，技術研究需要關注不同維度下的用戶裝備與技術層次劃分。技術研究應便于形成相應的各類標準、規范、接口、協議，盡可能貼近引導未來相關產業的建設發展。

2 水下PNT體系架構

針對水下PNT體系的特殊性，系統性地分析了水下PNT體系的構建原則，提出了PNT三級體系、七層信息架構。值得注意的是，PNT體系的彈性化是未來發展的必然趨勢，其概念、內涵以及實現方法在文獻[1]和文獻[23]中進行了詳細闡述。考慮到未來水下PNT體系的彈性化特點，本文提出了基于用戶、子體系、體系的三級彈性化水下PNT體系，以及基于感知層、預處理參量層、本地時空參數層、環境信息層、多源信息融合層、系統應用服務層和體系服務管理層等七層PNT信息感知、處理與服務架構(如圖2所示)。

圖2 水下PNT體系信息架構

Fig.2 Information architecture of UPNT system

2.1 感知層

感知層作為PNT體系設計的第一層，其功能是通過PNT測量傳感器感知來自其所在位置的環境物理量和人設系統傳輸物理量。該層的核心是傳感器技術，傳感器設計的精度、動態特性、可靠性、測量范圍等綜合性能受到機理、材料、工藝等約束；多傳感器共性集成設計時，應解決干擾兼容、物理幾何位置統一等問題。傳感器的測量精度等性能是后續處理的基礎和前提。

2.2 預處理參量層

預處理參量層是PNT體系設計的第二層，其功能是通過解調、解碼、濾波等方式，將由感知層獲取的各物理量電測量值等轉化為可進行PNT參數解算使用的時空基礎參元。該層的核心是各類數字與信號處理技術，即對于人為信號，基于信號體制解調解碼完成信號參數測量，通過各種數據處理等方式提高時空相關基礎參元的解算性能。

2.3 本地時空參數層

本地時空參數層是PNT體系設計的第三層，其功能是各PNT子傳感器完成不同機理和坐標系下的時空參量解算，以來自預處理參量層輸出的時空基礎參元等作為輸入，輸出位置、速度、航向、姿態、時間等時空參量。在該層不再涉及信號體制，其核心為各類PNT解算方法，算法涉及人為(或自然)的外部基準設施的拓撲結構和幾何分布等，得到的各類時空參量包含不同的誤差特性。單一系統中可獨立輸出時空參量，并可用于后續多源信息融合，該層得到的信息已具有較強的可讀性。

2.4 環境信息層

環境信息層是PNT體系設計的第四層，其功能是基于環境感知這一關鍵技術，依托環境感知傳感器獲取來自測量環境物理量、直接獲取相關數據庫和各類環境信息等，并通過多種方式獲取各類環境物理信息與環境移動目標信息，例如重力/重力梯度背景場，磁力/磁力梯度背景場，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境測量傳感器和信息獲取設備，甚至包含對PNT體系的感知層、預處理參量層的環境感知與獲取能力，本層對應本地時空參數層；支持其他層的數據處理，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管理層的路徑規劃和導航引導等。

2.5 多源信息融合層

多源信息融合層的功能是構建統一抽象的全源導航信息融合框架，在涵蓋傳統PNT最優估計算法的基礎上，納入包含機器學習、隨機接入等新算法，建立信息融合全過程信息處理流程結構。通過處理來自本地時空參數層的各子系統信息、各類環境信息等,得到精確、彈性、可靠、強壯的本地PNT參數。

2.6 系統應用服務層

本層基于PNT信息、環境參數和任務需求等，實現各種應用場景導航等各類信息應用服務，包括實現智能路徑規劃、輔助決策、相對導航及PNT環境語義態勢生成，提供導航等各類PNT相關信息服務支持，其核心在于導航規劃與協同決策等算法。

2.7 體系服務管理層

體系服務管理層的功能是實現全域PNT能力監控、全域態勢目標監控、備份PNT系統啟用控制、跨領域跨介質協同等體系級信息服務處理，明確以北斗導航系統為核心實現跨介跨域協同等體系級PNT信息服務，將來自PNT體系及通信、水文氣象等其他體系級信息系統的基礎信息轉化為全域PNT信息服務、運行維護等體系信息服務，其核心為體系管理技術。

3 關鍵科學和技術問題

3.1 關鍵科學問題

水下PNT體系研究主要涉及國家PNT體系彈性化架構設計，慣性基多源PNT信息彈性化統一融合理論與算法，跨域、跨介、跨體制PNT體系時空統一基準網構建機理和彈性化PNT能力測試評估理論4個關鍵科學問題：

1)國家PNT體系彈性化架構設計，是跨領域、跨專業、全時、全域PNT復雜大系統頂層設計的科學問題，對設計理念的研究有助于清晰把握PNT體系的本質特點，推動未來形成PNT話語體系和規范標準，并對未來頂層規劃和建設決策提供理論支持。

2)慣性基多源PNT信息彈性化統一融合理論與算法，是實現彈性、精準、穩健的PNT信息解算的關鍵[27]。

3)跨域、跨介、跨體制PNT體系時空統一基準網構建，是依托北斗向水下、地下、深空等領域拓展,構建國家綜合PNT體系的基礎。

4)彈性化PNT能力測試評估理論，是系統研究解決測繪、水聲、導航等多學科交叉PNT體系建設、應用、評估的重要科學問題。

3.2 關鍵技術問題

慣性導航系統是當前唯一能向水下載體導航提供必要的全部數據的設備，其最為突出的優點是工作完全獨立，不受外界干擾和破壞，隱蔽性能好，具有極其重要的應用價值[1,28-29]。然而,慣性導航系統的主要缺點是定位誤差隨時間的積累而增大,難以滿足長期和高精度的導航定位要求。因此，必須開展高精度慣性器件及系統技術研究，同時利用外部輔助定位導航信息源，開展慣性基多源定位導航技術研究，主要包括水下高精度慣性基多源信息融合技術和慣性基多傳感器信息融合PNT終端集成技術。

水下高精度慣性基多源信息融合技術，主要抑制復雜環境干擾引起的水聲定位性能下降，從而確保實現連續、穩定的高精度導航定位；慣性基多傳感器信息融合PNT終端集成技術，是基于硬軟件工程設計實現PNT用戶最終能力的關鍵。

電磁信號水下衰減速度極快，幾乎無法透過海水，經過數十年的發展，聲信號成為當前已知最有效的水下信息載體[1,30]。近十多年來，基于聲學手段的水下目標的定位與導航技術和相關裝備研發被各國列為具有戰略意義的科研計劃之中。

所以，水聲定位導航技術不僅是一種重要的水下定位手段，也是未來水下PNT體系架構不可或缺的定位導航技術[1]。復雜海洋環境高精度水下聲學PNT關鍵技術，對確保用戶在水下指定工作范圍內實現高精度導航定位至關重要。

除此之外，高精度水下導航動態基準與重構技術是PNT水下測試領域的經典難題，所以必須構建高精度水下動態基準。

4 未來水下PNT研究方向

4.1 國家PNT體系彈性化架構設計方案

采取系統工程、信息論等方法，多維、多角度研究體系架構，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，對相關設計評估實現量化牽引；從規模尺度角度，提出了PNT體系的用戶、子體系、體系三級層次劃分和七層PNT體系信息架構。

在此基礎上，進一步研究信息—技術—產品—系統—服務應用/布控維護—產業/部門，直至國家層面的PNT分層架構。

通過深空、地下、水下、室內等不同應用領域體系架構的解決方案設計，檢驗和深化架構設計原則。

4.2 慣性基多源PNT信息融合關鍵技術

慣性基多源PNT信息融合關鍵技術研究主要解決慣性基彈性化統一融合理論架構與算法模型問題，梳理歸納多種應用場景慣性基信息融合算法，著眼彈性化需求，設計多源信息融合統一理論框架[31]。在此基礎上，研究不同精度慣性基信息融合模型和算法，基于水聲信標SLAM算法，提升慣性基平臺水下動態定位精度，進一步構建慣性基PNT系統仿真平臺，對提出的理論與模型進行仿真驗證評估。

4.3 水下聲學彈性化PNT系統關鍵技術

水下聲學彈性化PNT系統關鍵技術研究主要實現水下聲學彈性化PNT系統。

完成水下PNT系統方案設計；開展大深度海底雙頻基準站、智能升降浮標、海面北斗聲學浮標等技術攻關和樣機研制；在此基礎上，設計由潛標、浮標、升降標組成的混合立體型水面/水下聲學彈性化PNT系統，為更加靈活、多樣的三維水下基準體系提供設計經驗。

采取遠海面精密定位、跨介柔性基準偏差補償、海底信標精密標定、海天高程統一等多種關鍵技術，綜合解決跨域、跨介、跨體制PNT時空基準統一問題，實現海底基準點高精度定位；采取加裝高精度時鐘、寬帶編碼水聲通信，實現定位信號周期性同步發射，完成用戶平臺靜默條件下的導航定位；采取聲速分層反演和全潛深參數測量，實現聲速傳播誤差的準確修正；基于鐘差精密修正等技術，使陣內區域水平定位提升至與衛星導航定位同等水平。

4.4 水面/水下彈性化PNT系統集成與陸上模擬仿真技術

水面/水下彈性化PNT系統集成與陸上模擬仿真技術重點設計慣性基多源PNT傳感器原型樣機，它是水下拖曳平臺等用戶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，研制原型樣機，完成從單機到系統的實驗室功能和性能測試；完成系統在水面/水下模擬環境下的仿真、演示與評估，并對海試試驗方案制定提供技術支撐。

為有效抑制復雜環境造成水聲性能下降，采取水聲/慣導深組合技術，在抑制水聲數據噪聲的同時，實現慣導積累誤差的高精度重調修正。

研究基于識別的潛標空間位置，確定最佳水聲定位軌跡。通過環境分析、航路控制(SLAM)，使組合導航系統性能處于最優狀態，采取智能控制融合等多種手段實現穩定高精度定位，保證所有關鍵技術自主可控，為未來制定相關國內標準規范奠定基礎。

4.5 水面/水下彈性化PNT試驗驗證評估

水面/水下彈性化PNT系統試驗驗證與評估充分考慮評測問題的復雜性，可采取拖曳平臺+智能升降浮標+大型水下平臺試驗評估方案，完成系統性能驗證；并科學規劃PNT性能評估的試驗方案設計、系統搭建、試驗組織、數據處理和性能評估等各環節，完成驗證評估，保證試驗方案靈活多變，在確保試驗順利完成的同時，為專業瓶頸問題的技術攻關留出合理空間。

5 結束語

水下PNT體系建設具有跨學科、跨領域交叉的特點，與測繪、通信、探測、海洋信息技術、海洋大數據、人工智能等多個專業領域深度關聯，涉及軍民多種應用。目前，各領域存在建設分散、重復建設資源浪費的風險，需要從國家層面統籌規劃、優化資源、協調發展。因此，迫切需要開展水下PNT體系架構研究，本文從水下PNT的特點分析入手，充分考慮時代發展特點，對PNT體系建設需要遵循的原則、水下PNT信息體系架構，以及關鍵科學技術問題和未來研究方向進行了系統分析和探討，以期為本領域的相關研究提供參考。在此基礎上，今后應進一步明確水下PNT體系架構、實現途徑、關鍵技術、機制體制、邊界條件、接口關系和信息融合方式等，并在未來實現與北斗綜合PNT體系的無縫無感對接。