0 引　言

目前，大部分的水声通信、定位及导航系统都是相互独立的。多系统共同作业时，这种功能单一的工作模式会经常出现不能兼容、作业距离受限等问题^[1]。除此之外，在海上试验过程中目前还难于实现对水下航行目标的指挥通信功能，难以满足水下长时复杂任务的作业需求^[2]。

本文通过设计具有主/被动水下兼容定位技术的水声通信定位一体化潜标装备，搭配浮标平台组成浮-潜标，形成水声定位、导航和通信一体化组网系统。该系统可实现区域快速部署组网，面向百平方千米级海域提供水下定位、导航和通信服务。

1 系统组成与方案设计 1.1 系统组成

水声定位、导航和通信一体化组网系统将4个浮-潜标布设在一个正方形海域的4个顶点上。相邻节点间距10 km，可对10 km×10 km范围内的多个用户提供导航定位通信功能，最大通信区域范围为20 km×20 km。该网络系统的规模也可以较充分地验证网络化水下导航技术，以及对水下多目标协同作业环境的保障能力。系统由浮潜标通信定位分系统、指挥控制分系统和用户终端分系统组成，如图1所示。

作为基本构成单元的“浮-潜标”是由浮标体、水声通信定位一体化潜标、无线电通信设备、太阳能电池供电模块、航标灯等部分构成^[3]，如图2所示。其中，水声通信定位一体化潜标是实现水下通导一体的关键设备。该设备将采用通信与导航共用、功能集成、信号兼容、模块化的方法进行设计，实现通信与高精度导航功能的集成。

指挥控制分系统是该系统的指挥控制中心，通过对水面水下工作平台的信息汇集、拓扑规划、态势显示、状态管控，形成系统信息的一体化综合管控能力及水面、水下作业平台的指挥能力。

用户终端分系统为用户终端设备提供信息传输和定位服务^[4]。用户终端设备进入通信导航网络的覆盖范围后，即通过浮潜标与指挥中心建立通信链路，指挥中心通过模块式水声通信定位设备获取用户位置信息。

1.2 系统组网方案

系统网络架构由水下自组网和水上无线电通信两部分组成^[5]。水下自组网通过水声通信技术进行组网，水上通过无线通信设备实现浮标与岸基的通信，系统组网示意图如图3所示。

1）水下自组网

如前所述，4个浮标分别布设在正方形海域的4个顶点。浮标间通过水声通信定位一体化潜标设备实现水声组网通信^[6]，相邻节点间距10 km，可对10 km×10 km范围内的多个用户提供高精度导航定位通信功能，最大通信区域范围为20 km×20 km。

2）水上无线电通信

浮标是实现水下通信和水上通信的枢纽，每个浮标都配置无线电通信设备。水声通信定位设备获取的信息通过水下电缆发送至浮标平台，再通过无线电通信设备转发至船载指控系统。水上无线电通信示意图如图4所示。

1.3 工作流程

百平方千米级水下定位导航系统的典型功能流程如图5所示。指挥控制中心的管控指令通过卫星链路传输至海面浮标，再通过浮标将信息转入水下，潜标之间通过水声通信进行多跳转发，最后到达水下用户终端。反之，水下用户终端的状态信息与感知数据也可反向传输至指挥控制中心。

系统被部署在指定海域后，浮标北斗设备测量得到的浮标位置信息，通过有缆方式传输至浮标下的水声通信定位设备，完成水声通信定位一体化潜标位置标定。水下网络最初的拓扑关系建立后，水下用户进入网络的覆盖范围，当需要向船基或岸基上报位置信息时，声学唤醒潜标上的水声通信定位设备并经身份认证后接入水下网络，所需传输的信息在水下直接或以多跳方式达到某个浮标节点，再通过水面以上的无线电方式发送至船基或岸站，完成主动导航功能。水下用户通过水声通信技术获得潜标的位置信息，通过时延测距技术获得水下用户与潜标之间的距离，解算出水下用户自身的位置，实现水下被动定位功能。

2 水声通信定位一体化潜标设计 2.1 潜标功能

水声通信定位一体化潜标是实现组网系统的核心装备，其中水下数据通信定位单元由换能器、数字电路、功放电路、前放电路、接口电路、电子舱体等组成。在浮标端，由浮标体内电池向水声通信定位设备供电。其主要功能有：

1）水声通信

对信息进行编码、调制、组帧，实现通信信号发射；对接收信号进行复带移、同步、解调和解码，实现通信信号接收。

2）水声组网

达成岸船监控中心与潜器或潜标之间的双向数据传输，具有冲突避免媒质接入控制功能，以及支持多跳和路由重构功能。

3）水声定位

包含主动定位与被动导航2种模式。

2.2 潜标组成

一体化潜标系统硬件包括浮标、潜标和外部电池。系统主体为潜标，包括收发合置水声换能器、信号处理部件（模拟预处理单元、数字信号处理单元、电源模块）、协议处理部件（协议处理板、深度计及水听器）、收发转换及匹配板、功率发射板^[7]。系统结构如图6所示。

2.3 内部结构

水声通信定位一体化潜标内部结构包括电子舱、电池组、收发合置换能器、水听器、深度计和接口等主要部件，由浮标体内电池通过水密缆给潜标供电。内部结构示意图如图7所示。

3 定位方程解算方法

一体化组网系统具有主动导航、被动定位2种定位模式。

3.1 主动导航工作方式

潜器周期性发射询问信号，接收4个浮潜标返回携带位置信息的应答通信信号，通过应答测距获得与各浮潜标间距离 ${d_i}$ （ $i = 1,2,3,4$ ）^[8]，通过解码获得各浮潜标位置，利用位置 $({x_i},{y_i},{z_i})$ 、距离信息建立下列方程组，解方程组中潜器自身位置 $({x_s},{y_s},{z_s})$ 。

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{({x_1} - {x_s})}^2} + {{({y_1} - {y_s})}^2} + {{({z_1} - {z_s})}^2} = d_1^2}\text{，}\\ {{{({x_2} - {x_s})}^2} + {{({y_2} - {y_s})}^2} + {{({z_2} - {z_s})}^2} = d_2^2}\text{，}\\ {{{({x_3} - {x_s})}^2} + {{({y_3} - {y_s})}^2} + {{({z_3} - {z_s})}^2} = d_3^2}\text{，}\\ {{{({x_4} - {x_s})}^2} + {{({y_4} - {y_s})}^2} + {{({z_4} - {z_s})}^2} = d_4^2}\text{。} \end{array}} \right. $

3.2 被动定位工作方式

潜器不发声，4个浮潜标在同一时刻 ${t_0}$ 发送携带位置信息 $({x_i},{y_i},{z_i})$ 的定位报文，各潜器估计不同浮标的定位报文到达时刻 ${t_i}$ ，并解码获得浮潜标的位置信息^[9]，通过解下列4个方程组获得自身位置信息 $({x_s},{y_s},{z_s})$ ，实现被动定位。

$\left\{ \!{\begin{array}{*{20}{l}} {{{({x_1} - {x_s})}^2} + {{({y_1} - {y_s})}^2} + {{({z_1} - {z_s})}^2} = {c^2} \times {{\left( {t_1^{}{\rm{ - }}{t_0}} \right)}^2}}\text{，}\\ {{{({x_2} - {x_s})}^2} + {{({y_2} - {y_s})}^2} + {{({z_2} - {z_s})}^2} = {c^2} \times {{\left( {t_2^{}{\rm{ - }}{t_0}} \right)}^2}}\text{，}\\ {{{({x_3} - {x_s})}^2} + {{({y_3} - {y_s})}^2} + {{({z_3} - {z_s})}^2} = {c^2} \times {{\left( {t_3^{}{\rm{ - }}{t_0}} \right)}^2}}\text{，}\\ {{{({x_4} - {x_s})}^2} + {{({y_4} - {y_s})}^2} + {{({z_4} - {z_s})}^2} = {c^2} \times {{\left( {t_4^{}{\rm{ - }}{t_0}} \right)}^2}}\text{。} \end{array}} \right. $

4 结　语

本文设计集水声定位、导航和通信一体化组网系统，描述了系统组成及工作原理，提出该组网系统的核心设备—水声通信定位一体化潜标的详细设计方案，提供主动导航及被动定位2种定位模式的解算方法。利用该组网系统最大可形成100 km²范围内海域的定位导航和400 km²范围内海域通信能力，为区域内水下有人/无人、固定/移动多类水面水下作业平台提供通信及定位导航服务。