一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统。授时方法应用于水下授时装置，水下授时方法包括：水面监控平台和深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；测量水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及水面监控平台接收到深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；测量深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及深海运载器接收到水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；基于声场互易定理，根据第一时间间隔和第二时间间隔，计算水面监控平台和深海运载器的时间差；根据时间差对深海运载器的时钟进行授时。采用本发明专利技术的方法或者系统能够实现深海复杂环境的精确授时。

An underwater time service method and system based on sound field reciprocity theorem

The invention discloses an underwater time service method and system based on sound field reciprocity theorem. The time-service method is applied to underwater time-service devices. The underwater time-service methods include: the underwater monitoring platform and the deep-sea vehicle simultaneously transmit the time-service acoustic pulse signal to each other and receive the time-service acoustic pulse signal from the other side; measuring the time of the time-service acoustic pulse signal from the surface monitoring platform and receiving the deep-sea acoustic pulse signal from the surface monitoring platform. The time of time-service acoustic pulse signal emitted by the launch vehicle is recorded as the first time interval; the time of time-service acoustic pulse signal emitted by the deep-sea launch vehicle and the time of receiving the time-service acoustic pulse signal emitted by the deep-sea launch vehicle from the water surface monitoring platform are measured as the second time interval; based on the sound field reciprocity theorem, according to the first time interval. The time difference between the surface monitoring platform and the deep-sea vehicle is calculated between the interval and the second time interval, and the clock of the deep-sea vehicle is timed according to the time difference. By adopting the method or system of this invention, accurate time service in deep sea complex environment can be realized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统
本专利技术涉及深海探测领域，特别是涉及一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统。
技术介绍
时间是物理学中的七个基本物理量之一，它为一切动力学系统、时序过程的测量和定量研究提供必不可少的时基坐标。授时是发播或转播时间信号。一方面，全球卫星导航定位系统(如美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo和我国北斗)可以为人们提供高精度的授时。然而，由于海水对电磁波的强烈吸收衰减作用，电磁波无法在海水中远距离传播。这也意味着基于卫星的授时技术无法应用于水下。另一方面，随着深海高新技术装备的大力发展，深海水下自主航行器(AUV)、深海水下滑翔机(Glider)、深海空间站等深海运载器的水下作业时间越来越长。例如，在深海科学调查方面应用更为广泛的长航程AUV往往具备水下更长的工作时间(几十个，甚至上百个小时)。这使得对水下精确授时的需求正在变得愈加迫切与广泛。目前的做法是，科考船和深海运载器上都安装有同步时钟，按相同的间隔输出触发脉冲，为整个声学系统的分时工作方式提供时间基准。然而，同步时钟不能提供绝对时间，而且会随着时间发生漂移，不适合长时间水下工作。例如，美国伍兹霍尔海洋研究所采用TXCO型原子钟，它是SeaScan公司的产品，具备温度补偿功能，但是其漂移率约为1毫秒/14小时。假如该原子钟持续工作70个小时，那么它会产生5毫秒左右的漂移，相应的声学测距误差约为7.5米(假定海水声速为1500米/秒)。这对于声学定位而言是难以接受的。目前还没有一种手段可以实现对深海运载器的精确授时，在一定程度上制约了深海运载器的长期水下工作。由于缺乏高精度授时技术，原子钟的漂移会导致导航定位精度降低、深海运载器上搭载的传感器采集的数据缺乏统一的时间基准，降低了科学价值。因此，要实现深海运载器的长时间水下工作，并提高采集数据资料的科学价值，就必须解决深海复杂环境下精确授时的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于声场互易定理的水下授时方法及系统，能够实现水下精确授时。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于声场互易定理的水下授时方法，所述水下授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时装置包括水面监控平台和深海运载器，所述水下授时方法包括：所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。可选的，所述水面监控平台通过接收卫星信号得到时间。可选的，所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号是指基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自时钟在同一时刻向对方发射授时声脉冲信号。可选的，所述根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差，具体包括：通过下列公式Δt＝(Δt1-Δt2)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；其中，Δt1为所述第一时间间隔，Δt2为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于声场互易定理的水下授时系统，所述水下授时系统包括：发射、接收模块，所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；第一时间间隔确定模块，用于测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；第二时间间隔确定模块，用于测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；时间差确定模块，用于基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；授时模块，用于根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。可选的，所述水面监控平台通过接收卫星信号得到准确时间。可选的，基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自时钟在同一时刻向对方发射授时声脉冲信号。可选的，所述时间差确定模块，具体包括：时间差确定单元，用于通过下列公式Δt＝(Δt1-Δt2)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δt；其中，Δt1为所述第一时间间隔，Δt2为所述第二时间间隔，Δt为所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术公开一种基于声场互易定理的水下授时方法。授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时方法包括：水面监控平台和深海运载器同时(并非绝对意义上的同一时刻，而是指基于各自时钟，按照约定时刻)向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；测量水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及水面监控平台接收到深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；测量深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及深海运载器接收到水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；基于声场互易定理，根据第一时间间隔和第二时间间隔，计算水面监控平台和深海运载器的时间差；根据时间差对深海运载器的时钟进行授时。采用本专利技术的方法能够实现深海复杂环境的精确授时。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例基于声场互易定理的水下授时方法流程图；图2为本专利技术实施例基于声场互易定理的水下授时系统结构图；图3为本专利技术实施例基于声场互易定理的水下授时示意图；图4为本专利技术实施例基于声场互易定理的水下授时流程图；图5为本专利技术实施例基于声场互易定理的水下授时原理图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例基于声场互易定理的水下授时方法流程图。如图1所示，一种基于声场互易定理的水下授时方法，所述水下授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时装置包括水面监控平台和深海运载器，所述水下授时方法包括：步骤101：所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号，这里的同时并非绝对意义上的同一时刻，而是指基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，所述水下授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时装置包括水面监控平台和深海运载器，所述水下授时方法包括：所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。

【技术特征摘要】
1.一种基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，所述水下授时方法应用于水下授时装置，所述水下授时装置包括水面监控平台和深海运载器，所述水下授时方法包括：所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号，并接收对方发送的授时声脉冲信号；测量所述水面监控平台发射授时声脉冲信号的时间以及所述水面监控平台接收到所述深海运载器发射的授时声脉冲信号的时间，记为第一时间间隔；测量所述深海运载器发射授时声脉冲信号的时间以及所述深海运载器接收到所述水面监控平台发射的授时声脉冲信号的时间，记为第二时间间隔；基于声场互易定理，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差；根据所述时间差对所述深海运载器的时钟进行授时。2.根据权利要求1所述的基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，所述水面监控平台通过接收卫星信号得到准确时间。3.根据权利要求1所述的基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，所述水面监控平台和所述深海运载器同时向对方发射授时声脉冲信号是指基于所述水面监控平台和所述深海运载器各自时钟在同一时刻向对方发射授时声脉冲信号。4.根据权利要求1所述的基于声场互易定理的水下授时方法，其特征在于，基于声场互易定理，短时间内上行和下行的声信号经过相同的路径，水声信道中介质的不均匀性等的影响相互抵消，根据所述第一时间间隔和所述第二时间间隔，计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差，具体包括：通过下列公式Δt＝(Δt1-Δt2)/2计算所述水面监控平台和所述深海运载器的时间差Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张同伟，秦升杰，王向鑫，唐嘉陵，鲁德泉，李正光，
申请(专利权)人：国家深海基地管理中心，
类型：发明
国别省市：山东,37