陳 偉，劉 猛，王永召，周賢高

(1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.中國船舶航海保障技術實驗室，天津 300131)

0 引言

隨著我國 “海上絲綢之路”和“海洋強國”等國家戰(zhàn)略的實施，海底資源勘探、深遠海資源開發(fā)、海洋觀測與科學考察、海洋考察與海底打撈等國民經濟建設活動以及水下有人/無人平臺遂行多樣化任務，將對水下定位、導航和授時(Position, Navigation and Timing，PNT)服務能力提出越來越迫切的要求。

水下環(huán)境中，聲波是海洋介質中唯一能遠距離穩(wěn)定傳播的信息載體。聲波屬于縱波，其在水下的傳輸距離要比無線電波遠得多，水聲定位將更適合為水下潛航器提供定位服務。此外，水下各項導航定位手段中，除了慣性導航、多物理場匹配導航等自主導航系統，水聲導航技術也是目前可投入實際使用的一種水下導航定位技術手段。因此，聲學導航定位技術是水下PNT建設的重要組成部分，本文針對水下PNT體系之聲學導航技術的水下應用進行分析，從用戶需求出發(fā)，研究水下PNT聲學導航定位技術的任務剖面、邊界條件和融合方式等，明確其在水下應用的優(yōu)越性與局限性，最后對我國未來聲學導航技術水下應用提出了建議。

1 聲學導航發(fā)展現狀

聲學定位導航技術的研究始于20世紀50年代，國外的水聲定位技術比較成熟，已經實現水聲定位系統的產品化、產業(yè)化、系列化。目前，以美國、俄羅斯為代表的軍事強國在水聲定位發(fā)展方向取得了飛速的進步，均建設了各自的水下聲學校準系統，有效解決了潛航器水下航行精度校準問題，提高了其水下隱蔽航行時間。2010年，美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DA-RPA)立項開展深海導航定位系統(Positioning Sys-tem for Deep Ocean Navigation， POSYDON)研究，通過在目標海底布放若干聲信號源，潛航器通過測量待測點到這些信號源的絕對距離，獲得持續(xù)、精確的定位。利用該技術，潛航器無需浮上水面尋求全球定位系統(Global Positioning System，GPS)定位，可最大限度地降低被探測的風險。

2016年12月，據莫斯科《消息報》報道，俄羅斯大洋儀器公司研制了獨一無二的導航和通信系統定位器，可使水下無人器根據聲納浮標信標定位，并且不久將在俄羅斯北極大陸架海底部署。該系統由自動無人水下裝置、帶有信使D1M衛(wèi)星通信和格洛納斯導航設備的聲納浮標組成。水下機器人可以根據在海底的聲納浮標信標定位，巡邏深達8km的地區(qū)。在浮標上設有高精度坐標，水下無人器在收到這些坐標信息后，可以確定自己的位置，浮標也可用于向水面發(fā)送信息。2021年3月，俄羅斯3艘核潛艇幾乎同時在半徑300m范圍內的北極地區(qū)破冰而出，展現了強大的水下定位導航能力。聲學導航已經成為水下PNT的一種重要技術手段。依據聲波傳輸的頻率特性，可以分為中高頻聲學導航(幾十kHz～上千kHz)和低頻聲學導航(小于1kHz)。

中高頻聲學導航方面，當前以法國、挪威、英國為代表的國外公司研制的水下聲學定位系統產品的最大定位距離約為10km，定位精度為作用距離的0.15%～1.0%。例如，美國LinkQuest公司推出的TrackLink系列，集成了超短基線聲學定位系統和高速水聲通信系統，該系列的定位精度分成三檔：斜距的0.3%、斜距的2%和斜距的5%，斜距測量精度為0.2m或0.3m。該系列產品最大作用距離可達11000m。國內的水下定位技術發(fā)展起始于20世紀70年代末，經過幾十年的努力，目前取得了較大的成果。以哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所和中船重工第七一五研究所為代表的聲學定位系統，作用距離通常也為10km左右量級，定位精度為作用距離的0.2%～1%。例如，原國家海洋局第一海洋研究所與哈爾濱工程大學共同開發(fā)研制的長程超短基線定位系統，2006年5月在中國南海進行了長距離深水定位試驗，最大作用距離可達8.6km，工作水深超過3700m，定位精度可以達到斜距的0.2%～0.3%，并且具有水下目標動態(tài)跟蹤功能。

低頻聲學導航方面，深海遠程低頻聲學導航定位試驗和研究結果尚未見相關報道。但深海低頻遠程水聲通信技術研究手段相對較為成熟，日本、美國和俄羅斯等國競相開展了原理和應用研究，海試結果達到數百乃至千km。2010年，日本海洋研究開發(fā)機構在日本伊豆諸島和小笠原群島南部4000m深海海域開展遠程水聲通信試驗，通信距離300km，數據傳輸率14bit/s；2012年，其利用法國iXBlue公司設計和制造的一種新型聲源，通信距離達到1000km。2010年9月，美國Scripps海洋研究所在加利福利亞南部進行深海遠程水聲通信試驗，海深4500m，通信距離550km時通信速率達到15bit/s，通信距離700km時通信速率達到7.5bit/s。2011年4月，美國海軍實施了代號為ICEX-2011的軍事演習，高調推出深海汽笛(DeepSiren)低頻遠程水聲通信系統。該系統在北冰洋深海信道的通信距離達到150n mile，水聲通信速率為15bit/s。國內，中國科學院聲學研究所于2006年4月開展遠程通信試驗，最遠通信距離超過150km。中船重工第七一五研究所以深海聲道作為遠程通信系統的主波導，收發(fā)節(jié)點均位于聲道軸附近，開展了水平距離500km的聲學通信。2013年7月，中國科學院聲學研究所在國內首次實現了千km級的深海遠程實時水聲通信。

綜上，目前國內外關于遠程通信技術的研究手段較為成熟，能夠在幾十km和幾百km實現低誤碼率傳輸。中高頻聲學導航定位技術也相對成熟，但其最大作用距離均在10km左右量級，而深海低頻遠程水聲導航定位技術則仍處于起步階段。

2 需求分析

用戶需求是系統設計的依據和輸入，不同用戶對水下PNT技術的需求側重點存在差異。針對水下PNT聲學導航技術在水下的應用，將從用戶需求出發(fā)進行分析。根據水下用戶遂行任務的差異，可以大致分為軍用水下有人平臺、水下無人平臺以及民用用戶等三類。

公開報道以潛艇為代表的軍用水下有人平臺通?；顒釉?～500m水深范圍內，具有活動范圍廣、隱蔽性好等特點，在未來作戰(zhàn)中擔負著核威懾、二次核打擊及為航母編隊護航等重要任務。依據我國國家發(fā)展戰(zhàn)略和國防白皮書確定的“2025年前實現由近海防御型向遠海護衛(wèi)型轉變，2035年前基本實現現代化，本世紀中葉前全面建成世界一流海軍”的發(fā)展思路,我國水下導航技術的發(fā)展應以鞏固近海防御力量，提升遠海作戰(zhàn)保障能力，以提高隱蔽長航時精確導航能力為重點，要求具有完備的遠海海域時空基準信息和航海導航保障能力。

隨著無人技術的深化發(fā)展，水下無人平臺的作戰(zhàn)能力范圍不斷拓展，在海上作戰(zhàn)應用越來越廣泛和重要，逐步覆蓋海上警戒、偵察、通信、打擊、評估等領域，擔負著警戒巡邏、偵察監(jiān)視、通信中繼、電子對抗、作戰(zhàn)攻擊、毀傷評估、反潛、反水雷等重要任務。水下無人平臺通?；顒釉?～5000m水深范圍內，具有作戰(zhàn)使用靈活、綜合作戰(zhàn)效益高、適用于危險環(huán)境、人員傷亡率低、全壽命費用低等顯著特點；其作為海基作戰(zhàn)力量水下“千里眼”和“長手臂”，將要求活動于更廣闊的水下空間，對水下PNT的需求更加關注廣域覆蓋能力。

隨著我國海洋開發(fā)和科考活動的持續(xù)發(fā)展，在全球海域開展各類海洋觀測、水下工程建設、科學考察等將成為常態(tài)，包括海上搜救、油氣資源勘探、考古打撈、水下觀測等在內的深遠海經濟活動的頻度將呈現爆炸式增長。針對深遠海工程建設、資源勘探與開發(fā)、海洋科學研究、災害監(jiān)測等民用領域的深遠海經濟活動，通?；顒釉?～5000m水深范圍內，其對水下導航定位的精度要求相對較高，需要將位置信息與精確海底坐標對比，精度要求高達亞米級，與衛(wèi)導偽距差分定位精度相當。

綜上，軍用水下有人平臺要求具備500m以下的水下PNT能力，側重于隱蔽性需求；水下無人平臺作為有人平臺的水下“千里眼”和“長手臂”，要求具備大范圍內的水下PNT能力，更側重于廣域性需求；民用領域的深遠海經濟活動則要求具備全海深的水下PNT能力，更側重于精確性需求。

3 水下PNT聲學導航技術體制特性分析

水下PNT聲學導航定位的作用距離以及導航精度與其聲學設備工作頻段有直接關系。聲學導航設備的定位精度與其工作頻率成正比，而作用距離與其工作頻率成反比。此外，由于海洋環(huán)境的非均勻聲學介質特性，導致海洋內部聲速場的不均勻性，將造成水聲在傳播過程中出現聲線彎曲。特別是，聲信號遠程傳播過程中，在聲線彎曲以及海洋環(huán)境不均勻散射體對聲信號的反射與折射作用下，將會改變聲信號傳播方向，出現聲線反轉現象。因此，關于水下PNT聲學導航技術體制特性分析，將針對中高頻近程聲學導航技術和低頻遠程聲學導航技術分別進行研究，通過分析聲學導航技術的任務剖面、邊界條件和融合方式等，明確其在水下應用的優(yōu)越性與局限性。

3.1 中高頻近程聲學導航技術體制分析

表1所示為水聲定位導航工作頻段劃分及性能對應表。設備工作頻率越低，作用距離越遠，定位精度越差，設備規(guī)模較大；聲學導航設備工作頻率越高，作用距離越近，定位精度越高，設備規(guī)模較小。圖1和圖2所示分別為30kHz和500Hz工作頻率的聲學導航水下傳播損失圖。30kHz中高頻聲學導航的傳播損失很大，在6km外的傳播損失高達120dB；而500Hz低頻聲學導航具有較小的傳播損失，在300km處仍具有良好性能。因此，中高頻聲學導航設備的作用距離相對較近，通常僅有幾km到幾十km左右。針對導航精度要求較高的場景，則可以適當地減小作用距離，采用更高工作頻率，以滿足水下用戶對PNT導航精度的需求。

表1 水聲導航定位頻段劃分及性能對應表

圖1 30kHz聲學導航水下傳播損失Fig.1 Loss of underwater transmission for acoustic navigation with 30kHz

圖2 500Hz聲學導航水下傳播損失Fig. 2 Loss of underwater transmission for acoustic navigation with 500Hz

當前，中高頻聲學導航技術的典型應用為哈爾濱工程大學的深海高精度水聲定位系統，以中高頻工作頻段的聲學導航定位為基礎，為全海深載人潛水器奮斗者號和4500m載人潛水器深海勇士號提供全流程下潛定位導航服務，為開展世界最深點探索、挑戰(zhàn)者深淵地形地貌測量、近底觀測取樣、深海生物拍攝和抓取提供了高精度、連續(xù)、穩(wěn)定可靠的定位信息。2015年，馬努斯熱液-南海冷泉航次的深海高精度水聲定位系統完成海上試驗與應用，實現了靜態(tài)定位精度優(yōu)于0.2m，動態(tài)定位精度優(yōu)于0.5m，為發(fā)現號ROV的全航次作業(yè)提供了亞米級定位支撐。2017年，深海高精度水聲定位系統成功支撐了深海勇士號載人深潛首航試驗，實現了動態(tài)定位精度優(yōu)于0.3m，為載人潛水器10min完成目標尋找試驗起到關鍵性作用，系統有效率超過90%。

綜上，中高頻聲學導航設備基本可以滿足不同精度要求的全海深水下用戶需求，但其作用距離有限，通常僅有幾km到幾十km左右；由于其工作在較高工作頻段，傳播損失較大，從而具有一定的隱蔽性。因此，中高頻聲學導航定位應用將不適用大面積建設，僅適用局部海域布設，依據不同水下用戶的導航定位精度需求，采用不同的工作頻率聲學設備，適當增大或減小布設密度，滿足潛艇、水下無人作戰(zhàn)平臺及其他海洋活動高精度導航需求。

3.2 低頻遠程聲學導航技術體制分析

當水聲導航定位設備工作在較低工作頻段時，可以進行遠距離傳輸，有望實現水下PNT聲學導航的廣域性建設，進而滿足水下用戶的廣域性需求。由于海洋環(huán)境的非均勻聲學介質特性影響，使得聲信號在水聲信道中沿著不同路徑到達接收點。在聲學導航接收信號端則主要體現在直達聲和經海面海底反射的反射聲隨到達時間逐漸衰減的多重信號。而水聲導航定位過程通常期望采用直達聲信號進行導航定位，故遠程聲學導航定位將對海洋環(huán)境有其特殊要求，特別是水深地形等。

在廣域的海洋環(huán)境中，可以滿足低頻水聲實現遠距離傳輸的水聲信道主要有：淺表層遠程聲信道、聲道軸遠程聲信道以及可靠聲路徑遠程聲信道三種。淺表層遠程聲信道通常為200m以內海深的表面波導層；聲道軸遠程聲信道通常分布在1000m左右海深；可靠聲路徑遠程聲信道則主要依靠深海聲線彎曲以及聲線反轉實現遠距離傳輸。其中，淺表層遠程聲信道在近海面中，將會受到海面混響、近海面噪聲干擾以及嚴重的時空變異性，很難實現遠程聲學導航定位能力。例如，夏季的表面遠程聲信道層很薄并且不穩(wěn)定，存在強烈的時空變異性，是不穩(wěn)定的信道。因此，本文主要針對聲道軸遠程聲信道以及可靠聲路徑遠程聲信道兩種遠程聲信道進行分析，明確其在不同水下用戶需求所對應的服務場景的優(yōu)越性與局限性。

以300km水聲作用距離為例，圖3所示為3000m聲源激勵的可靠聲路徑遠程聲信道的直達聲線軌跡。300km作用距離可靠聲路徑遠程聲信道的直達聲分布區(qū)域如表2所示。由圖3可知，可靠聲信道的直達聲線軌跡將出現明顯的直達聲分布區(qū)和直達聲影區(qū)，在作用距離0～300km范圍內大約存在5～6個直達聲分布區(qū)和直達聲影區(qū)。同時，可靠聲路徑遠程聲信道全部直達聲要求水深至少在3800m以上。由表2可知，在300km的水平距離上，存在有6個直達聲分布區(qū)，最大直達聲分布區(qū)的寬度為43km。

圖3 可靠聲路徑遠程聲信道的直達聲線軌跡圖Fig.3 Trajectory of sound ray of direct sound with remote acoustic channel based on reliable acoustic path

假設聲源無開角限制，以球面360°實現聲信號發(fā)射，由于存在直達聲影區(qū)，則在不同海水深度的平面內，直達聲分布將呈環(huán)形帶狀分布。以三角形陣型布設低頻遠程聲學導航聲源，采用三圓交匯原理進行定位，則可靠聲路徑遠程聲信道可滿足實現水下定位分布的區(qū)域如圖4所示，可滿足實現水下定位分布的區(qū)域為圖中黑色覆蓋區(qū)域，則采用可靠聲路徑遠程聲學實現水下導航定位在其布設范圍內仍存在較多的導航盲區(qū)，有效定位區(qū)域分布有限。因此，采用可靠聲路徑遠程聲學實現水下PNT體系導航定位的方法存在一定局限性。

表2 300km作用距離可靠聲路徑的直達聲分布區(qū)域

圖4 可靠聲路徑遠程聲信道水下三圓交匯定位分布區(qū)域Fig.4 Positioning distribution area of remote acoustic channel based on reliable acoustic path with three-circle intersection

圖5所示為300km作用距離聲道軸遠程聲信道的直達聲線軌跡。聲道軸遠程聲軌跡的直達聲區(qū)域寬度隨著水平距離的增加將逐漸變寬，當前直達聲區(qū)域尾部與后直達聲區(qū)域首部重疊時，0～500m深度范圍內直達聲影區(qū)逐漸消失，但聲道軸遠程聲信道的直達聲在0～500m深度范圍內直達聲區(qū)域聲能量相對分散，使得傳播損失變大，很難完成有效聲信號的捕獲以及跟蹤。值得注意的是，在聲道軸附近，大部分聲能被限制在聲道軸上下一定厚度的水層中傳播，且聲波能量在聲道軸深度附近最為集中，容易完成聲信號的接收，具備實現遠程聲學導航的條件。然而，聲道軸遠程聲信道全部直達聲要求海深范圍至少達到3600m以上。因此，基于聲道軸的低頻遠程聲學導航有望實現遠距離的傳輸，具有較高費效比，滿足水下PNT聲學導航基礎設施的廣域性建設需求。但基于聲道軸的低頻遠程聲學導航僅可以為聲道軸(1000m左右海深)附近用戶提供導航定位的能力，并對水下水深地形有一定要求。

圖5 聲道軸遠程聲信道的直達聲聲線軌跡圖Fig.5 Trajectory of sound ray of direct sound with remote acoustic channel based on the acoustic channel axis

如圖6所示，選取我國南海南沙群島附近海域和中部平坦海域兩條測試路徑進行仿真，基于聲道軸的低頻遠程聲學傳播測試路徑的水深地形剖面、聲線傳播路徑和聲傳播損失如圖7～圖12所示。在深海地形平坦的海域，聲信號在聲道軸傳播可滿足遠程導航定位需求，如圖10和圖12所示。但在海底地形崎嶇的海域，由于水深地形的遮擋，聲信號無法有效地傳播滿足遠程導航定位需求，如圖9和圖11所示。因此，低頻遠程聲學導航需要在滿足一定海深條件并且地形相對平坦的區(qū)域實施。

圖6 南海海域2條水下測試路徑Fig.6 Two underwater test paths in the South China Sea

圖7 測試路徑1的水下水深地形剖面Fig.7 Profile of the underwater depth and topography for test path 1

圖8 測試路徑2水下水深地形剖面Fig.8 Profile of the underwater depth and topography for test path 2

圖9 測試路徑1的水下聲線傳播Fig.9 Acoustic propagation of test path 1

圖10 測試路徑2的水下聲線傳播Fig.10 Acoustic propagation of test path 2

圖11 測試路徑1的水下聲傳播損失Fig.11 Loss of underwater acoustic transmission of test path 1

圖12 測試路徑2的水下聲傳播損失Fig.12 Loss of underwater acoustic transmission of test path 2

綜上所述，低頻遠程聲學導航設備在聲道軸遠程聲信道以及可靠聲路徑遠程聲信道可以實現聲信號的遠程傳播，滿足水下用戶廣域性應用需求?；诳煽柯暵窂降倪h程聲學導航定位方法在布設范圍內仍存在導航盲區(qū)，具有一定的局限性?；诼暤垒S的遠程聲學導航對聲道軸附近用戶廣域性的導航定位需求具有特殊優(yōu)越性。因此，基于聲道軸的遠程聲學導航技術研究有望成為未來水下低頻遠程聲學導航技術發(fā)展的主要研究方向，具有較高費效比，滿足水下無人平臺的廣域性導航定位需求，其對于聲道軸附近水下用戶更具優(yōu)越性，可以直接進行導航定位。同時，低頻聲學導航對水下水深及地形有一定的要求，實現遠距離導航需滿足全部直達聲信道約3600m以上的水深條件以及相對平坦的地形要求。

4 水下PNT聲學導航技術水下應用分析

綜上所述，高頻聲學導航定位具有較好的隱蔽性和精確性，但作用距離有限，僅適用于局部海域的布設；低頻聲學導航定位具有較遠的作用距離，可以更好地凸顯水下唯一遠距離穩(wěn)定傳播的信息載體的優(yōu)越性，但其對水下水深及地形具有一定的要求，需滿足約3600m水深條件以及相對平坦的區(qū)域地形要求。因此，針對水下PNT聲學導航技術的水下應用分析應先從水下水深及地形出發(fā)分析其可用性。

圖13所示為我國近海和“兩洋”區(qū)域的水下水深地形圖。圖14所示為南海海域水下水深地形三維圖。圖15所示為二島鏈海域水下水深地形三維圖。圖16所示為西太海域水下水深地形三維圖。

圖13 近海、“兩洋”區(qū)域水下水深地形圖Fig.13 Underwater depth and topography of China’s offshore and two ocean areas

圖14 南海海域水下水深地形三維圖Fig.14 Three-dimensional map of underwater depth and topography for the South China Sea

圖15 二島鏈海域水下水深地形三維圖Fig.15 Three-dimensional map of underwater depth and topography for the two island Chain area

圖16 西太海域水下水深地形三維圖Fig.16 Three-dimensional map of underwater depth and topography for the Western Pacific Region

由圖13～圖16可知，我國南海包含有東沙群島、西沙群島、中沙群島、南沙群島等區(qū)域，具有較復雜的水深地形情況，僅南海中部區(qū)域有較深水深且平緩的地形。其中，大陸架周圍水深約為100m，中部最深海水深度約為4234m。二島鏈海域范圍具有較深的海水深度，約為5863m，中部存在連續(xù)海山，海水深度約為2662m。西太海域上部具有較平坦的海底地形以及較深的海水深度，約5730m；西太海域下部則是眾多海山地形，海山深度約1318m?！皟裳蟆焙Ｓ騽t具有更深水深且海底地形平緩。

以300km水聲作用距離的低頻遠程聲學導航設施覆蓋太平洋全海域為例，其布設情況如圖17所示，需要上千個水聲基陣，工程難度巨大、工程費效比較低，采用低頻遠程聲學導航實現全海域覆蓋幾乎不可實施。

圖17 低頻遠程聲學導航太平洋全海域覆蓋布設示意圖Fig.17 Deployment of full coverage construction of the whole Pacific region with low frequency acoustic navigation technology

由上，針對水下PNT聲學導航技術的水下應用，主要包括中高頻近程聲學導航和低頻遠程聲學導航技術兩方面：

針對中高頻近程聲學導航技術的水下應用，一是依據軍用水下平臺對水下導航定位的隱蔽性需求，可在近海局部重點海域布設，作為輔助校準手段，滿足水下軍用用戶的隱蔽長航時高精度導航定位需求；二是依據不同水下民用用戶的導航定位精度需求，采用不同工作頻率聲學設備，適當增大或減小布設密度，滿足水下民用用戶的高精度導航需求。

針對低頻遠程聲學導航技術的水下應用，可優(yōu)先考慮聲道軸的遠程聲學導航技術發(fā)展，依托低頻遠程聲學導航定位對水下水深及地形要求，實現我國近海岸海域范圍內南海海域及二島鏈海域應用；“兩洋”海域的低頻遠程聲學導航應用則可以采用高速公路服務區(qū)的應用模式，結合水下平臺適配的慣性導航、匹配導航等自主導航系統，滿足潛艇、水下無人作戰(zhàn)平臺及其他海洋活動的廣域性導航定位需求。

5 結論

由于水下導航定位手段相對匱乏，聲學導航定位方法是水下PNT建設的一種有效增量手段。面向當前對水下導航定位服務能力的迫切需求，則應充分發(fā)揮和利用聲學導航技術增量手段，即充分發(fā)揮利用中高頻聲學導航技術的隱蔽性和精確性，以及低頻聲學導航技術的廣域性，滿足水下用戶對水下導航定位能力的隱蔽性、廣域性以及精確性需求。

1)結合軍用水下有人平臺導航需求，加快中高頻聲學導航的水下應用技術研究，滿足水下有人平臺長航時隱蔽高精度導航定位需求。

2)結合未來水下無人平臺的自主導航能力，加緊低頻遠程聲學導航定位關鍵技術突破，大幅提升聲學導航的作用距離，形成服務區(qū)模式的未來建設規(guī)劃發(fā)展思路，滿足水下無人平臺的廣域性導航定位能力需求。

3)結合水下民用用戶的導航精度要求，開展基于中高頻聲學導航的多源信息綜合應用技術的標準化、型譜化規(guī)劃研究，形成水下綜合導航定位服務能力，實現民用水下導航的提質、降本、增效，打造民用市場核心競爭力。