一种水下授时方法及系统

技术领域

本说明书的一个或多个实施例涉及水声通信技术领域，特别的涉及一种水下授时方法及系统。

背景技术

海洋是国防的屏障、资源的宝藏以及贸易的通道。海洋安全与海洋权益维护、人类生存和可持续发展、油气与金属矿产等战略性资源保障全局性、重大性和长久性问题休戚相关。海洋资源的开发利用和海洋环境安全一直是世界各国特别是海洋大国竞争的焦点。随着人们海洋活动空间维度增加，水下航行器及水下作战平台运行、水下武器发射、深海工作站建设与维护、海底测绘、深海探测、资源勘探等活动将对水下授时服务能力提出越来越迫切的要求。

精确的时间基准对于很多水下应用系统而言都是非常重要的。在水声通信网络中，它是系统同步的基础；在海洋环境数据采集、海洋勘探、污染监测、灾难预警中，它是数据有效性的保证；在水下导航定位系统中，它是影响定位精度的重要参数之一。然而，现有的水下实时授时及同步技术还存在着某些缺陷。由于高频的电磁波信号在海水中迅速衰减，无法远距离传播，因此传统的无线电授时在水下难以正常工作。

发明内容

本说明书一个或多个实施例描述了一种水下授时方法及系统，能够解决传统无线电在水下授时困难的问题。

第一方面，本说明书实施例提供了一种水下授时方法，包括：

接收浮标发送的授时信号，所述授时信号包括浮标授时发送时间；

基于浮标授时发送时间和声传播时间之和，计算潜标实际接收授时信号的时间；

基于潜标实际接收授时信号的时间和潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间的差值，计算漂移值；

基于漂移值，修正潜标的守时系统，完成水下授时。

在一些实施例中，所述授时信号还包括浮标位置，所述声传播时间通过如下过程计算获得：

基于潜标位置和浮标位置，确定潜标与浮标之间的距离；其中，所述潜标位置在潜标被定位系统授时、同步后沉入海底确定；

对照声传播时间表，基于潜标与浮标之间的距离，确定声速；其中，所述声传播时间表存储有与声速对应的潜标与浮标之间的距离；

基于潜标与浮标之间的距离和声速，计算声传播时间。

在一些实施例中，在接收浮标发送的授时信号前，方法还包括：

在潜标下水前，潜标通过定位系统进行授时和同步，以在其守时系统下计时工作；

潜标沉入海底后，潜标同步发射定位信号给定位系统，以使定位系统解算定位信号，获得潜标位置；

接收定位系统发送的潜标位置。

在一些实施例中，所述授时信号还包括秒脉冲；所述授时信号按照秒脉冲、浮标授时发送时间、浮标位置的顺序由浮标发送。

在一些实施例中，所述秒脉冲为线性调频信号。

在一些实施例中，所述漂移值的计算过程，利用时延差估计算法计算实现。

在一些实施例中，所述时延差估计算法的计算过程如下：

对潜标实际接收授时信号的时间信号进行采样，得到采样时间信号；

将所述采样时间信号与参考信号进行相关运算，得到自相关信号；其中，所述参考信号为潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间信号；

对自相关信号求取包络，基于包络的峰值确定时延的估计值，所述时延的估计值为漂移值。

第二方面，本说明书实施例提供了一种水下授时系统，包括潜标、浮标；其特征在于，所述浮标发送授时信号给所述潜标，所述授时信号包括浮标授时发送时间；所述潜标基于浮标授时发送时间和声传播时间之和，计算潜标实际接收授时信号的时间；所述潜标还基于潜标实际接收授时信号的时间和潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间的差值，计算漂移值；所述潜标还基于漂移值，修正潜标的守时系统，完成水下授时。

在一些实施例中，系统还包括定位系统；所述定位系统包括导航系统、时间同步系统、定位测量系统；在潜标下水前，所述导航系统和所述时间同步系统对潜标进行授时和同步，以使得所述潜标在其守时系统下计时工作；潜标沉入海底后，所述定位测量系统收到所述潜标同步发射的定位信号并进行解算，获得潜标位置，之后将潜标位置发送给潜标。

在一些实施例中，所述浮标包括导航系统、时间同步系统、水声通信系统；所述导航系统用于定位所述浮标位置；所述时间同步系统用于下发浮标授时发送时间；所述水声通信系统用于将浮标授时发送时间和浮标位置打包在授时信号内发送给所述潜标。

本说明书一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本说明书一个或多个实施例中，基于浮标的位置和浮标授时发送时间，对潜标进行水下重新授时，解决了传统无线电授时在水下难以正常工作的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书实施例提供的一种水下授时方法的流程图；

图2为本说明书实施例提供的另一种水下授时方法的流程图；

图3为本说明书实施例在应用过程中的实物场景示意图；

图4为本说明书实施例提供的一种水下授时系统的基础架构示意图；

图5为本说明书实施例中浮标向潜标发送信号以及潜标接收信号的通信编码传送示意图。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本说明书中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

现有水下声波授时技术采用若干已知精确时间、位置的基站(简称：服务器)，通过与需要时间校准的水下平台(简称：用户)进行水声信息交互，实现对用户时钟误差的测量，进而实现授时功能。

水下平台包括水下定位测量系统、守时系统。水下定位测量系统需要在水下进行长时间工作或值守，守时系统来保证水下定位测量系统的时间精度。水下平台在水下长时间工作后，守时系统的时间精度随着时间流逝而漂移，时间越长漂移越大，时间精度达不到定位和测量的要求，需要进行重新授时。

现有水下授时方法在校准时，需要在获得用户端准确位置后，利用传统声学定位技术，同时完成时间校准。在传统声学定位时，用到高频电磁波信号实现。由于高频的电磁波信号在海水中迅速衰减，无法远距离传播，因此传统的无线电授时在水下难以正常工作。

基于此，本说明书实施例提出一种水下授时方法及系统，能够不依赖于基站，来实现远程基于浮标对潜标的水下授时。

图4示出了一种水下授时系统的结构示意图，水下授时系统包括潜标、浮标、定位系统。所述浮标发送授时信号给所述潜标，所述授时信号包括浮标授时发送时间、浮标位置。所述潜标基于浮标授时发送时间、声传播时间、潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间，计算漂移值；所述潜标基于漂移值，修正潜标的守时系统，完成水下授时。

所述定位系统主要是为潜标进行精确定位，定位结果一来可以为定位导航提供精确位置信息，二来在授时时精确的位置可以提高授时精度，其主要包括导航系统、时间同步系统和定位测量系统。

潜标作为导航定位节点或者海洋数据测量记录节点，其包括守时系统、水声通信系统、时延检测系统。

浮标为水下授时提供精确的时刻和精确的秒脉冲信号并通过水通下发，其主要包括导航系统、时间同步系统、水声通信系统。所述导航系统可以是高精度北斗系统，也可以是GPS系统等。所述导航系统用于定位所述浮标位置；所述时间同步系统用于下发浮标授时发送时间；所述水声通信系统用于将包含浮标授时发送时间的授时信号内发送给所述潜标。

请参阅图1，图1示出了本说明书实施例提供的一种水下授时方法的流程图。该方法基于上述系统实现，由潜标端执行。

如图1所示，该水下授时方法具体可包括以下步骤：

步骤102，接收浮标发送的授时信号，所述授时信号包括浮标授时发送时间；

步骤104，基于浮标授时发送时间和声传播时间之和，计算潜标实际接收授时信号的时间；

步骤106，基于潜标实际接收授时信号的时间和潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间的差值，计算漂移值；

步骤108，基于漂移值，修正潜标的守时系统，完成水下授时。

本说明书实施例基于浮标发送的授时时间和声传播时间，确定潜标实际接收授时信号的时间，通过计算潜标实际接收授时信号的时间和潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间的差值，来确定漂移值，进而实现准确地重新授时。该过程无需设置基站，潜标在海底下就能基于浮标发送的信号，就能实现实时授时。

下面结合具体的例子及实施例对图1中的每一个步骤分别进行说明。

潜标在海底长期工作导致时钟漂移，需要对潜标进行重新授时和校准。在步骤102中，当浮标向潜标发送授时信号时，即浮标对潜标进行重新授时。

本发明实施例方法主要由潜标的时延检测系统执行。

潜标通过步骤102接收授时信号，继而执行后续步骤104～步骤108。

在步骤104中，所述声传播时间通过如下过程计算获得：

步骤1041，基于潜标位置和浮标位置，确定潜标与浮标之间的距离；其中，所述潜标位置在潜标被定位系统授时、同步后沉入海底确定；

步骤1043，对照声传播时间表，基于潜标与浮标之间的距离，确定声速；其中，所述声传播时间表存储有与声速对应的潜标与浮标之间的距离；

步骤1045，基于潜标与浮标之间的距离和声速，计算声传播时间。

所述潜标位置(x1，y1，z1)，所述浮标位置(x2，y2，z2)，其中，x1，y1为潜标的地理位置，其在潜标被定位系统授时、同步后沉入海底确定，由定位系统中的导航系统(例如，北斗或GPS等)和定位测量系统对潜标的位置进行精确测量；z1为图3中潜标的换能器深度；x2，y2为浮标的地理位置，其由浮标的导航系统定位获得；z2为图3中浮标的换能器深度。在确定潜标位置和浮标位置后，利用距离公式计算两者的距离。

步骤1043中声传播时间表存储声速，以及与声速对应的潜标与浮标之间的距离和传播时延。所述声传播时间表通过声线修正方法在本发明方法实现前预先离线形成。声线修正方法的具体思想是将传播时延与相应的目标声源与接收点的水平距离对应起来。所述声线修正方法已通过海试验证，修正后声线弯曲对定位的精度可以忽略。所述传播时延是指在实际给定的水文条件下声线从发射点到接收点所需要的时间。将整个海洋信道看作一个网络系统(采用多途信道模型)，以水文条件、声速和传播时延等参数作为该系统的输入，以水平距离作为该系统的输出。

所述步骤1045利用距离除以声速的方式，得到声传播时间。

在步骤106中，所述漂移值的计算过程，利用时延差估计算法计算实现。

在利用时延差算法计算时，设声源发出的信号为s(t)，其信号持续时间T，信号频率的上限和下限分别为f

x(t)＝ks(t-τ)+n(t) (1)

式中，x(t)是阵元接收到的信号，k表示信号的幅度，τ为传输的时延，n(t)是加性噪声。

接收到的信号x(t)与参考信号s(t)进行相关运算，得

式(2)中，R

|R

若选择合适的信号形式s(t)，其自相关函数峰值尖锐，使得式(2)中R(τ)在τ

在实际应用中，所述步骤106具体过程如下：

步骤1061，对潜标实际接收授时信号的时间信号进行采样，得到采样时间信号；例如，接收到的信号x(t)以采样率F

步骤1063，将所述采样时间信号与参考信号进行相关运算，得到自相关信号；其中，所述参考信号为潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间信号；例如，采样信号x(nT

步骤1065，对自相关信号求取包络，基于包络的峰值确定时延的估计值，所述时延的估计值为漂移值。

由于进行了采样，理论上的峰值点可能不在采样点上，这就需要通过对相关运算结果求取包络，再计算包络峰值位置的办法计算时延的估计值。其中，相关函数的包络RB(mT

请参阅图2示出的本说明书实施例的又一种水下授时方法的流程图。

如图2所示，该水下授时方法具体可包括以下步骤：

步骤202，在潜标下水前，潜标通过定位系统进行授时和同步，以在其守时系统下计时工作；

步骤204，潜标沉入海底后，潜标同步发射定位信号给定位系统，以使定位系统解算定位信号，获得潜标位置；

步骤206，接收定位系统发送的潜标位置；

步骤208，接收浮标发送的授时信号，所述授时信号包括浮标授时发送时间；

步骤210，基于浮标授时发送时间和声传播时间之和，计算潜标实际接收授时信号的时间；

步骤212，基于潜标实际接收授时信号的时间和潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间的差值，计算漂移值；

步骤214，基于漂移值，修正潜标的守时系统，完成水下授时。

本说明书实施例的方法在潜标端执行。本说明书实施例基于浮标发送的授时时间和声传播时间，确定潜标实际接收授时信号的时间，通过计算潜标实际接收授时信号的时间和潜标在其守时系统计时下的接收授时信号的时间的差值，来确定漂移值，进而实现准确地重新授时。该过程无需设置基站，潜标在海底下就能基于浮标发送的信号，就能实现实时授时。

相比于图1示例，图2示例中多了潜标位置确定流程。为此，其他步骤208～步骤214不再详细说明，接下来将详细说明步骤202～步骤206。

在步骤202中，在潜标下水前，所述定位系统的所述导航系统和所述时间同步系统对潜标进行授时和同步，以使得所述潜标在其守时系统下计时工作。

在步骤204中，潜标沉入海底后，所述定位测量系统收到所述潜标同步发射的定位信号并进行解算，获得潜标位置，之后将潜标位置发送给潜标。例如，潜标一直发送定位信号，当定位测量系统收到定位信号后，利用多个点接收潜标信号就可以求出多个距离，根据球面交汇的原理就能定出潜标位置。之后，定位系统将潜标位置发送给潜标。

在图1示例和图2示例中，授时信号由浮标发送。所述授时信号按照秒脉冲、浮标授时发送时间、浮标位置的编码顺序编码并由浮标发送。以图5为例，秒脉冲作为发射启动信号，使用线性调频信号作为秒脉冲，可以提高时延检测精度。同时下发浮标授时发送时间和浮标位置。图中，白色方框为秒脉冲1PPS，浅色方框为时间编码信号，以时频编码方式编码，深色方框为位置编码信号，以时频编码方式编码，。

本说明书实施例水下授时方法的授时精度主要取决于一下几个因素：潜标自身定位精度、浮标定位精度、声传播声速精度以及导航系统的时间精度。当潜标自身定位精度达到≤1米范围，浮标定位精度≤1米，声速误差满足≤1‰，则系统的水下授时精度可达毫秒级。

以上所述的实施例仅仅是本说明书的优选实施例方式进行描述，并非对本说明书的范围进行限定，在不脱离本说明书的设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本说明书的技术方案作出的各种变形及改进，均应落入本说明书的权利要求书确定的保护范围内。