0 引言

隨著我國(guó) “海上絲綢之路”和“海洋強(qiáng)國(guó)”等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，海底資源勘探、深遠(yuǎn)海資源開發(fā)、海洋觀測(cè)與科學(xué)考察、海洋考察與海底打撈等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)以及水下有人/無人平臺(tái)遂行多樣化任務(wù)，將對(duì)水下定位、導(dǎo)航和授時(shí)(Position, Navigation and Timing，PNT)服務(wù)能力提出越來越迫切的要求[1-3]。

水下環(huán)境中，聲波是海洋介質(zhì)中唯一能遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳播的信息載體[4-5]。聲波屬于縱波，其在水下的傳輸距離要比無線電波遠(yuǎn)得多，水聲定位將更適合為水下潛航器提供定位服務(wù)[6-8]。此外，水下各項(xiàng)導(dǎo)航定位手段中，除了慣性導(dǎo)航、多物理場(chǎng)匹配導(dǎo)航等自主導(dǎo)航系統(tǒng)，水聲導(dǎo)航技術(shù)也是目前可投入實(shí)際使用的一種水下導(dǎo)航定位技術(shù)手段[9-12]。因此，聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)是水下PNT建設(shè)的重要組成部分，本文針對(duì)水下PNT體系之聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的水下應(yīng)用進(jìn)行分析，從用戶需求出發(fā)，研究水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)的任務(wù)剖面、邊界條件和融合方式等，明確其在水下應(yīng)用的優(yōu)越性與局限性，最后對(duì)我國(guó)未來聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)水下應(yīng)用提出了建議。

1 聲學(xué)導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀

聲學(xué)定位導(dǎo)航技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代，國(guó)外的水聲定位技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)水聲定位系統(tǒng)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化、系列化[13]。目前，以美國(guó)、俄羅斯為代表的軍事強(qiáng)國(guó)在水聲定位發(fā)展方向取得了飛速的進(jìn)步，均建設(shè)了各自的水下聲學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)，有效解決了潛航器水下航行精度校準(zhǔn)問題，提高了其水下隱蔽航行時(shí)間。2010年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DA-RPA)立項(xiàng)開展深海導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Positioning Sys-tem for Deep Ocean Navigation， POSYDON)研究，通過在目標(biāo)海底布放若干聲信號(hào)源，潛航器通過測(cè)量待測(cè)點(diǎn)到這些信號(hào)源的絕對(duì)距離，獲得持續(xù)、精確的定位。利用該技術(shù)，潛航器無需浮上水面尋求全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)定位，可最大限度地降低被探測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)[14-16]。

2016年12月，據(jù)莫斯科《消息報(bào)》報(bào)道，俄羅斯大洋儀器公司研制了獨(dú)一無二的導(dǎo)航和通信系統(tǒng)定位器，可使水下無人器根據(jù)聲納浮標(biāo)信標(biāo)定位，并且不久將在俄羅斯北極大陸架海底部署[17]。該系統(tǒng)由自動(dòng)無人水下裝置、帶有信使D1M衛(wèi)星通信和格洛納斯導(dǎo)航設(shè)備的聲納浮標(biāo)組成。水下機(jī)器人可以根據(jù)在海底的聲納浮標(biāo)信標(biāo)定位，巡邏深達(dá)8km的地區(qū)。在浮標(biāo)上設(shè)有高精度坐標(biāo)，水下無人器在收到這些坐標(biāo)信息后，可以確定自己的位置，浮標(biāo)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(shí)在半徑300m范圍內(nèi)的北極地區(qū)破冰而出，展現(xiàn)了強(qiáng)大的水下定位導(dǎo)航能力。聲學(xué)導(dǎo)航已經(jīng)成為水下PNT的一種重要技術(shù)手段。依據(jù)聲波傳輸?shù)念l率特性，可以分為中高頻聲學(xué)導(dǎo)航(幾十kHz～上千kHz)和低頻聲學(xué)導(dǎo)航(小于1kHz)。

中高頻聲學(xué)導(dǎo)航方面，當(dāng)前以法國(guó)、挪威、英國(guó)為代表的國(guó)外公司研制的水下聲學(xué)定位系統(tǒng)產(chǎn)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%[9,18-19]。例如，美國(guó)LinkQuest公司推出的TrackLink系列，集成了超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)和高速水聲通信系統(tǒng)，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(cè)量精度為0.2m或0.3m。該系列產(chǎn)品最大作用距離可達(dá)11000m。國(guó)內(nèi)的水下定位技術(shù)發(fā)展起始于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)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(xué)、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和中船重工第七一五研究所為代表的聲學(xué)定位系統(tǒng)，作用距離通常也為10km左右量級(jí)，定位精度為作用距離的0.2%～1%[19-20]。例如，原國(guó)家海洋局第一海洋研究所與哈爾濱工程大學(xué)共同開發(fā)研制的長(zhǎng)程超短基線定位系統(tǒng)，2006年5月在中國(guó)南海進(jìn)行了長(zhǎng)距離深水定位試驗(yàn)，最大作用距離可達(dá)8.6km，工作水深超過3700m，定位精度可以達(dá)到斜距的0.2%～0.3%，并且具有水下目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟蹤功能。

低頻聲學(xué)導(dǎo)航方面，深海遠(yuǎn)程低頻聲學(xué)導(dǎo)航定位試驗(yàn)和研究結(jié)果尚未見相關(guān)報(bào)道。但深海低頻遠(yuǎn)程水聲通信技術(shù)研究手段相對(duì)較為成熟，日本、美國(guó)和俄羅斯等國(guó)競(jìng)相開展了原理和應(yīng)用研究，海試結(jié)果達(dá)到數(shù)百乃至千km[21-22]。2010年[23]，日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)在日本伊豆諸島和小笠原群島南部4000m深海海域開展遠(yuǎn)程水聲通信試驗(yàn)，通信距離300km，數(shù)據(jù)傳輸率14bit/s；2012年[24]，其利用法國(guó)iXBlue公司設(shè)計(jì)和制造的一種新型聲源，通信距離達(dá)到1000km。2010年9月[25]，美國(guó)Scripps海洋研究所在加利福利亞南部進(jìn)行深海遠(yuǎn)程水聲通信試驗(yàn)，海深4500m，通信距離550km時(shí)通信速率達(dá)到15bit/s，通信距離700km時(shí)通信速率達(dá)到7.5bit/s。2011年4月[26]，美國(guó)海軍實(shí)施了代號(hào)為ICEX-2011的軍事演習(xí)，高調(diào)推出深海汽笛(DeepSiren)低頻遠(yuǎn)程水聲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在北冰洋深海信道的通信距離達(dá)到150n mile，水聲通信速率為15bit/s。國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所于2006年4月開展遠(yuǎn)程通信試驗(yàn)，最遠(yuǎn)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(yuǎn)程通信系統(tǒng)的主波導(dǎo)，收發(fā)節(jié)點(diǎn)均位于聲道軸附近，開展了水平距離500km的聲學(xué)通信。2013年7月，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了千km級(jí)的深海遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水聲通信。

綜上，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的研究手段較為成熟，能夠在幾十km和幾百km實(shí)現(xiàn)低誤碼率傳輸。中高頻聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)也相對(duì)成熟，但其最大作用距離均在10km左右量級(jí)，而深海低頻遠(yuǎn)程水聲導(dǎo)航定位技術(shù)則仍處于起步階段。

2 需求分析

用戶需求是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)和輸入，不同用戶對(duì)水下PNT技術(shù)的需求側(cè)重點(diǎn)存在差異。針對(duì)水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)在水下的應(yīng)用，將從用戶需求出發(fā)進(jìn)行分析。根據(jù)水下用戶遂行任務(wù)的差異，可以大致分為軍用水下有人平臺(tái)、水下無人平臺(tái)以及民用用戶等三類。

公開報(bào)道以潛艇為代表的軍用水下有人平臺(tái)通?；顒?dòng)在0～500m水深范圍內(nèi)，具有活動(dòng)范圍廣、隱蔽性好等特點(diǎn)，在未來作戰(zhàn)中擔(dān)負(fù)著核威懾、二次核打擊及為航母編隊(duì)護(hù)航等重要任務(wù)。依據(jù)我國(guó)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和國(guó)防白皮書確定的“2025年前實(shí)現(xiàn)由近海防御型向遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)型轉(zhuǎn)變，2035年前基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，本世紀(jì)中葉前全面建成世界一流海軍”的發(fā)展思路,我國(guó)水下導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展應(yīng)以鞏固近海防御力量，提升遠(yuǎn)海作戰(zhàn)保障能力，以提高隱蔽長(zhǎng)航時(shí)精確導(dǎo)航能力為重點(diǎn)，要求具有完備的遠(yuǎn)海海域時(shí)空基準(zhǔn)信息和航海導(dǎo)航保障能力。

隨著無人技術(shù)的深化發(fā)展，水下無人平臺(tái)的作戰(zhàn)能力范圍不斷拓展，在海上作戰(zhàn)應(yīng)用越來越廣泛和重要，逐步覆蓋海上警戒、偵察、通信、打擊、評(píng)估等領(lǐng)域，擔(dān)負(fù)著警戒巡邏、偵察監(jiān)視、通信中繼、電子對(duì)抗、作戰(zhàn)攻擊、毀傷評(píng)估、反潛、反水雷等重要任務(wù)。水下無人平臺(tái)通?；顒?dòng)在0～5000m水深范圍內(nèi)，具有作戰(zhàn)使用靈活、綜合作戰(zhàn)效益高、適用于危險(xiǎn)環(huán)境、人員傷亡率低、全壽命費(fèi)用低等顯著特點(diǎn)；其作為?；鲬?zhàn)力量水下“千里眼”和“長(zhǎng)手臂”，將要求活動(dòng)于更廣闊的水下空間，對(duì)水下PNT的需求更加關(guān)注廣域覆蓋能力。

隨著我國(guó)海洋開發(fā)和科考活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展，在全球海域開展各類海洋觀測(cè)、水下工程建設(shè)、科學(xué)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(cè)等在內(nèi)的深遠(yuǎn)海經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的頻度將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。針對(duì)深遠(yuǎn)海工程建設(shè)、資源勘探與開發(fā)、海洋科學(xué)研究、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域的深遠(yuǎn)海經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，通?；顒?dòng)在0～5000m水深范圍內(nèi)，其對(duì)水下導(dǎo)航定位的精度要求相對(duì)較高，需要將位置信息與精確海底坐標(biāo)對(duì)比，精度要求高達(dá)亞米級(jí)，與衛(wèi)導(dǎo)偽距差分定位精度相當(dāng)。

綜上，軍用水下有人平臺(tái)要求具備500m以下的水下PNT能力，側(cè)重于隱蔽性需求；水下無人平臺(tái)作為有人平臺(tái)的水下“千里眼”和“長(zhǎng)手臂”，要求具備大范圍內(nèi)的水下PNT能力，更側(cè)重于廣域性需求；民用領(lǐng)域的深遠(yuǎn)海經(jīng)濟(jì)活動(dòng)則要求具備全海深的水下PNT能力，更側(cè)重于精確性需求。

3 水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)體制特性分析

水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航定位的作用距離以及導(dǎo)航精度與其聲學(xué)設(shè)備工作頻段有直接關(guān)系。聲學(xué)導(dǎo)航設(shè)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(xué)介質(zhì)特性，導(dǎo)致海洋內(nèi)部聲速場(chǎng)的不均勻性，將造成水聲在傳播過程中出現(xiàn)聲線彎曲。特別是，聲信號(hào)遠(yuǎn)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(duì)聲信號(hào)的反射與折射作用下，將會(huì)改變聲信號(hào)傳播方向，出現(xiàn)聲線反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，關(guān)于水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)體制特性分析，將針對(duì)中高頻近程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)和低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)分別進(jìn)行研究，通過分析聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的任務(wù)剖面、邊界條件和融合方式等，明確其在水下應(yīng)用的優(yōu)越性與局限性。

3.1 中高頻近程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)體制分析

表1所示為水聲定位導(dǎo)航工作頻段劃分及性能對(duì)應(yīng)表[27-29]。設(shè)備工作頻率越低，作用距離越遠(yuǎn)，定位精度越差，設(shè)備規(guī)模較大；聲學(xué)導(dǎo)航設(shè)備工作頻率越高，作用距離越近，定位精度越高，設(shè)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(xué)導(dǎo)航水下傳播損失圖。30kHz中高頻聲學(xué)導(dǎo)航的傳播損失很大，在6km外的傳播損失高達(dá)120dB；而500Hz低頻聲學(xué)導(dǎo)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(xué)導(dǎo)航設(shè)備的作用距離相對(duì)較近，通常僅有幾km到幾十km左右。針對(duì)導(dǎo)航精度要求較高的場(chǎng)景，則可以適當(dāng)?shù)販p小作用距離，采用更高工作頻率，以滿足水下用戶對(duì)PNT導(dǎo)航精度的需求。

表1 水聲導(dǎo)航定位頻段劃分及性能對(duì)應(yīng)表

Tab.1 Frequency division of acoustic navigation and positioning with corresponding performances

圖1 30kHz聲學(xué)導(dǎo)航水下傳播損失

Fig.1 Loss of underwater transmission for acoustic navigation with 30kHz

圖2 500Hz聲學(xué)導(dǎo)航水下傳播損失

Fig. 2 Loss of underwater transmission for acoustic navigation with 500Hz

當(dāng)前，中高頻聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的典型應(yīng)用為哈爾濱工程大學(xué)的深海高精度水聲定位系統(tǒng)，以中高頻工作頻段的聲學(xué)導(dǎo)航定位為基礎(chǔ)，為全海深載人潛水器奮斗者號(hào)和4500m載人潛水器深海勇士號(hào)提供全流程下潛定位導(dǎo)航服務(wù)，為開展世界最深點(diǎn)探索、挑戰(zhàn)者深淵地形地貌測(cè)量、近底觀測(cè)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[9,17,30-31]。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(tǒng)完成海上試驗(yàn)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)定位精度優(yōu)于0.2m，動(dòng)態(tài)定位精度優(yōu)于0.5m，為發(fā)現(xiàn)號(hào)ROV的全航次作業(yè)提供了亞米級(jí)定位支撐。2017年，深海高精度水聲定位系統(tǒng)成功支撐了深海勇士號(hào)載人深潛首航試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)定位精度優(yōu)于0.3m，為載人潛水器10min完成目標(biāo)尋找試驗(yàn)起到關(guān)鍵性作用，系統(tǒng)有效率超過90%。

綜上，中高頻聲學(xué)導(dǎo)航設(shè)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(xué)導(dǎo)航定位應(yīng)用將不適用大面積建設(shè)，僅適用局部海域布設(shè)，依據(jù)不同水下用戶的導(dǎo)航定位精度需求，采用不同的工作頻率聲學(xué)設(shè)備，適當(dāng)增大或減小布設(shè)密度，滿足潛艇、水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)及其他海洋活動(dòng)高精度導(dǎo)航需求。

3.2 低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)體制分析

當(dāng)水聲導(dǎo)航定位設(shè)備工作在較低工作頻段時(shí)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，有望實(shí)現(xiàn)水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航的廣域性建設(shè)，進(jìn)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(xué)介質(zhì)特性影響，使得聲信號(hào)在水聲信道中沿著不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)。在聲學(xué)導(dǎo)航接收信號(hào)端則主要體現(xiàn)在直達(dá)聲和經(jīng)海面海底反射的反射聲隨到達(dá)時(shí)間逐漸衰減的多重信號(hào)。而水聲導(dǎo)航定位過程通常期望采用直達(dá)聲信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位，故遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航定位將對(duì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)乃曅诺乐饕校簻\表層遠(yuǎn)程聲信道、聲道軸遠(yuǎn)程聲信道以及可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道三種。淺表層遠(yuǎn)程聲信道通常為200m以內(nèi)海深的表面波導(dǎo)層；聲道軸遠(yuǎn)程聲信道通常分布在1000m左右海深；可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道則主要依靠深海聲線彎曲以及聲線反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。其中，淺表層遠(yuǎn)程聲信道在近海面中，將會(huì)受到海面混響、近海面噪聲干擾以及嚴(yán)重的時(shí)空變異性，很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航定位能力。例如，夏季的表面遠(yuǎn)程聲信道層很薄并且不穩(wěn)定，存在強(qiáng)烈的時(shí)空變異性，是不穩(wěn)定的信道。因此，本文主要針對(duì)聲道軸遠(yuǎn)程聲信道以及可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道兩種遠(yuǎn)程聲信道進(jìn)行分析，明確其在不同水下用戶需求所對(duì)應(yīng)的服務(wù)場(chǎng)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(lì)的可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道的直達(dá)聲線軌跡。300km作用距離可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道的直達(dá)聲分布區(qū)域如表2所示。由圖3可知，可靠聲信道的直達(dá)聲線軌跡將出現(xiàn)明顯的直達(dá)聲分布區(qū)和直達(dá)聲影區(qū)，在作用距離0～300km范圍內(nèi)大約存在5～6個(gè)直達(dá)聲分布區(qū)和直達(dá)聲影區(qū)。同時(shí)，可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道全部直達(dá)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(gè)直達(dá)聲分布區(qū)，最大直達(dá)聲分布區(qū)的寬度為43km。

圖3 可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道的直達(dá)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(shè)聲源無開角限制，以球面360°實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)發(fā)射，由于存在直達(dá)聲影區(qū)，則在不同海水深度的平面內(nèi)，直達(dá)聲分布將呈環(huán)形帶狀分布。以三角形陣型布設(shè)低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航聲源，采用三圓交匯原理進(jìn)行定位，則可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道可滿足實(shí)現(xiàn)水下定位分布的區(qū)域如圖4所示，可滿足實(shí)現(xiàn)水下定位分布的區(qū)域?yàn)閳D中黑色覆蓋區(qū)域，則采用可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲學(xué)實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航定位在其布設(shè)范圍內(nèi)仍存在較多的導(dǎo)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(yuǎn)程聲學(xué)實(shí)現(xiàn)水下PNT體系導(dǎo)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(dá)聲分布區(qū)域

Tab.2 Distribution of direct sound with reliable acoustic path in 300km distance

圖4 可靠聲路徑遠(yuǎn)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(yuǎn)程聲信道的直達(dá)聲線軌跡。聲道軸遠(yuǎn)程聲軌跡的直達(dá)聲區(qū)域?qū)挾入S著水平距離的增加將逐漸變寬，當(dāng)前直達(dá)聲區(qū)域尾部與后直達(dá)聲區(qū)域首部重疊時(shí)，0～500m深度范圍內(nèi)直達(dá)聲影區(qū)逐漸消失，但聲道軸遠(yuǎn)程聲信道的直達(dá)聲在0～500m深度范圍內(nèi)直達(dá)聲區(qū)域聲能量相對(duì)分散，使得傳播損失變大，很難完成有效聲信號(hào)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(hào)的接收，具備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航的條件。然而，聲道軸遠(yuǎn)程聲信道全部直達(dá)聲要求海深范圍至少達(dá)到3600m以上。因此，基于聲道軸的低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，具有較高費(fèi)效比，滿足水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施的廣域性建設(shè)需求。但基于聲道軸的低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航僅可以為聲道軸(1000m左右海深)附近用戶提供導(dǎo)航定位的能力，并對(duì)水下水深地形有一定要求。

圖5 聲道軸遠(yuǎn)程聲信道的直達(dá)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(guó)南海南沙群島附近海域和中部平坦海域兩條測(cè)試路徑進(jìn)行仿真，基于聲道軸的低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)傳播測(cè)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(hào)在聲道軸傳播可滿足遠(yuǎn)程導(dǎo)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(hào)無法有效地傳播滿足遠(yuǎn)程導(dǎo)航定位需求，如圖9和圖11所示。因此，低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航需要在滿足一定海深條件并且地形相對(duì)平坦的區(qū)域?qū)嵤?/span>

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

圖7 測(cè)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(cè)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(cè)試路徑1的水下聲線傳播Fig.9 Acoustic propagation of test path 1

圖10 測(cè)試路徑2的水下聲線傳播Fig.10 Acoustic propagation of test path 2

圖11 測(cè)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(cè)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(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航設(shè)備在聲道軸遠(yuǎn)程聲信道以及可靠聲路徑遠(yuǎn)程聲信道可以實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的遠(yuǎn)程傳播，滿足水下用戶廣域性應(yīng)用需求?；诳煽柯暵窂降倪h(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航定位方法在布設(shè)范圍內(nèi)仍存在導(dǎo)航盲區(qū)，具有一定的局限性。基于聲道軸的遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航對(duì)聲道軸附近用戶廣域性的導(dǎo)航定位需求具有特殊優(yōu)越性。因此，基于聲道軸的遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)研究有望成為未來水下低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要研究方向，具有較高費(fèi)效比，滿足水下無人平臺(tái)的廣域性導(dǎo)航定位需求，其對(duì)于聲道軸附近水下用戶更具優(yōu)越性，可以直接進(jìn)行導(dǎo)航定位。同時(shí)，低頻聲學(xué)導(dǎo)航對(duì)水下水深及地形有一定的要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離導(dǎo)航需滿足全部直達(dá)聲信道約3600m以上的水深條件以及相對(duì)平坦的地形要求。

4 水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)水下應(yīng)用分析

由上分析，高頻聲學(xué)導(dǎo)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(shè)；低頻聲學(xué)導(dǎo)航定位具有較遠(yuǎn)的作用距離，可以更好地凸顯水下唯一遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳播的信息載體的優(yōu)越性，但其對(duì)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(duì)平坦的區(qū)域地形要求。因此，針對(duì)水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的水下應(yīng)用分析應(yīng)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(guó)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(guó)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(fù)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。“兩洋”海域則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(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航設(shè)施覆蓋太平洋全海域?yàn)槔洳荚O(shè)情況如圖17所示，需要上千個(gè)水聲基陣，工程難度巨大、工程費(fèi)效比較低，采用低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)全海域覆蓋幾乎不可實(shí)施。

圖17 低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航太平洋全海域覆蓋布設(shè)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(duì)水下PNT聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的水下應(yīng)用，主要包括中高頻近程聲學(xué)導(dǎo)航和低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)兩方面：

針對(duì)中高頻近程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的水下應(yīng)用，一是依據(jù)軍用水下平臺(tái)對(duì)水下導(dǎo)航定位的隱蔽性需求，可在近海局部重點(diǎn)海域布設(shè)，作為輔助校準(zhǔn)手段，滿足水下軍用用戶的隱蔽長(zhǎng)航時(shí)高精度導(dǎo)航定位需求；二是依據(jù)不同水下民用用戶的導(dǎo)航定位精度需求，采用不同工作頻率聲學(xué)設(shè)備，適當(dāng)增大或減小布設(shè)密度，滿足水下民用用戶的高精度導(dǎo)航需求。

針對(duì)低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的水下應(yīng)用，可優(yōu)先考慮聲道軸的遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展，依托低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航定位對(duì)水下水深及地形要求，實(shí)現(xiàn)我國(guó)近海岸海域范圍內(nèi)南海海域及二島鏈海域應(yīng)用；“兩洋”海域的低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航應(yīng)用則可以采用高速公路服務(wù)區(qū)的應(yīng)用模式，結(jié)合水下平臺(tái)適配的慣性導(dǎo)航、匹配導(dǎo)航等自主導(dǎo)航系統(tǒng)，滿足潛艇、水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)及其他海洋活動(dòng)的廣域性導(dǎo)航定位需求。

5 結(jié)論

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

1)結(jié)合軍用水下有人平臺(tái)導(dǎo)航需求，加快中高頻聲學(xué)導(dǎo)航的水下應(yīng)用技術(shù)研究，滿足水下有人平臺(tái)長(zhǎng)航時(shí)隱蔽高精度導(dǎo)航定位需求。

2)結(jié)合未來水下無人平臺(tái)的自主導(dǎo)航能力，加緊低頻遠(yuǎn)程聲學(xué)導(dǎo)航定位關(guān)鍵技術(shù)突破，大幅提升聲學(xué)導(dǎo)航的作用距離，形成服務(wù)區(qū)模式的未來建設(shè)規(guī)劃發(fā)展思路，滿足水下無人平臺(tái)的廣域性導(dǎo)航定位能力需求。

3)結(jié)合水下民用用戶的導(dǎo)航精度要求，開展基于中高頻聲學(xué)導(dǎo)航的多源信息綜合應(yīng)用技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、型譜化規(guī)劃研究，形成水下綜合導(dǎo)航定位服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)民用水下導(dǎo)航的提質(zhì)、降本、增效，打造民用市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)（略）