面向空间信息网络的分布式水声信号协同处理机理研究与演示验证

Because of the complexity and variability of the ocean environment, underwater acoustic communication confronts the shortage of frequency band resources and the large delay of information transmission. It takes much longer to establish an underwater acoustic network than radio network and the networking efficiency is very low. There are many and strong jamming targets in underwater target detection, which leads to great difficulties for long-range detection of weak targets. High-precision navigation of underwater vehicles far from land is also a worldwide problem because of large cumulative error of inertial navigation system, high consumption of time and energy to obtain information from satellite navigation or other navigation systems. This project will propose a network architecture of sea buoy based on satellite networking to solve the underwater acoustic communication, weak targets detection and navigation problems on the high seas. The main research contents include the on surface or underwater integrative architecture of buoy network, distributed underwater target detection technology, acoustic and inertial integrated navigation technology, underwater acoustic communication networking technology, and buoy-satellite adaptability. Based on the breakthroughs in the theory and key technologies of underwater acoustic cooperative detection, communication and navigation for distributed wide area buoy network, the key technologies would be verified by sea trials in typical areas. It will provide theoretical and technical support for the development of a new underwater detection system.

由于海洋环境的复杂性和多变性，水声通信面临着频带资源匮乏、信息传输时延大等问题，水声通信组网建立需要的时间长，组网效率极低；水下目标探测面临的干扰目标多且强，弱目标远程探测极为困难。由于惯性导航累积误差大，深远海航行器上浮至接近水面获取卫星导航或其他导航系统的导航信息需要很多时间和能耗，远离陆地的水下航行器高精度导航问题目前仍是世界性难题。本项目拟针对远海大洋水下通信传输、弱目标探测和导航定位难题，提出基于卫星组网的海上浮标网络架构，开展海上浮标网络水面水下一体化架构、分布式水下目标探测技术、声学与惯性组合导航技术、水声通信组网技术和“浮标-卫星”适配性等研究，突破面向分布式广域水面浮标网的水声协作探测、通信、导航一体化处理理论和关键技术，在典型海域开展关键技术演示验证，为新型水下探测系统研制提供理论与技术支撑。

本项目针对远海大洋水下通信传输、弱目标探测和导航定位难题，开展了海上浮标网络水面水下一体化架构、分布式水下目标探测技术、声学与惯性组合导航技术、水声通信组网技术和“浮标-卫星”适配性等研究。.提出了基于卫星组网的海上浮标网络水面水下一体化架构，以漂流浮标为一体化处理终端，依托北斗系统和地面接收处理装置，实现了海、空、地三位一体联合处理；设计了浮标与岸基信息综合处理系统之间、浮标之间、以及浮标与水下运动目标之间等信息传输要素，浮标处理与岸基系统处理分配、卫星通信信息传输、以及水声通信信息传输等策略，以及水下探测与网络一体化的信息流协议。.提出了基于积分域自适应处理的非平稳线谱检测方法，与采用基于长时积分功率谱估计的线谱检测方法相比，该方法可明显提高线谱检测的有效性；提出了一种基于分布式多浮标匹配的目标线谱特征辩识方法，充分利用分布式浮标大范围探测的优势，提高了目标探测性能；基于湖上和海上试验数据，分析了分布式节点接收的目标信号相关性，设计了基于特征引导的分布式节点协同定位方法。.提出了基于时分多址及时隙竞争的复合数据链路层协议，解决了区域网络信息流传输的突发拥堵、自主组网与导航定位的信道冲突等问题，提高了水下信息网络远程数据上报的快速反应能力。提出了基于单节点和基于多节点的组合导航定位方法，实现了惯性导航系统的累积误差修正，可实现高精度的组合导航。.试制了多个分布式浮标节点和岸基综合处理系统，利用北斗卫星导航系统，结合演练任务，开展了海上试验验证，初步验证了复杂海洋环境下的卫星通信功能和性能、以及浮标网络目标探测功能；试制了多个水下信息节点，开展了湖上试验，初步验证了目标探测、水声通信组网、导航定位一体化处理功能。.本项目突破了面向分布式广域水面浮标网的水声协作探测、通信、导航一体化处理理论和关键技术，开展了关键技术的湖上和海上试验验证，可为新型水下探测系统研制提供理论与技术支撑。