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劉經南院士:海洋時空基準網進展與趨勢

2020-07-02 09:05:56 來源: 武漢大學學報信息科學版 作者: 劉經南 高柯夫等
摘要:全球時空基準網是獲取地球時空信息的基礎設施,它包括地基時空基準網、空間時空基準網和海洋時空基準網3個部分,其中海洋時空基準網的建設尚屬起步階段。

  原標題:學術 | 劉經南院士:海洋時空基準網的進展與趨勢

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  摘 要:

  全球時空基準網是獲取地球時空信息的基礎設施,它包括地基時空基準網、空間時空基準網和海洋時空基準網3個部分,其中海洋時空基準網的建設尚屬起步階段。

  先就海洋時空基準網的概念及內涵進行了分析,并從海洋定位導航基準、高精度海洋水平及垂直定位基準等角度介紹并分析了其發展現狀及未來趨勢。

  海洋時空基準網的主要構建方式是綜合運用GNSS(Global Navigation Satellite System)衛星定位、水下聲學定位以及壓力傳感器等技術將全球統一的時空基準傳遞到海洋表層、內部和底部。它的建設在我國還屬于空白,故需結合國情、配合國家戰略規劃大力推進;指出當前全球和各國海洋環境監測的需求普遍甚旺,而現有海洋環境監測網多為局域網絡,未與時空基準網融合,故海洋環境緩變或快變的時空位置不清楚或不精確,因此,將海洋時空基準網與海洋環境監測網融合起來建設,實現效益、效率和功能的互補提升,顯得尤為重要和緊迫。

  21世紀是海洋的世紀。海洋貯藏著豐厚的自然資源,也同時是影響全球環境和氣候變化的主要動力因素。精準地感知海洋動態和開發利用海洋資源已成為人類文明持續發展的關鍵。

  中國共產黨第十九次全國代表大會報告明確提出加快“建設海洋強國”的戰略。這一戰略在實施中面臨技術局限性和環境復雜性的嚴峻挑戰,如海洋資源、事件、目標等信息發生的環境狀態實時或快速感知的能力不足,以及相應資源、事件、目標發生的準確時間和位置的獲取能力不足等,對于這些挑戰我們需從基礎設施做起。

  時空是一切自然和人類活動的載體,時間和位置信息也是一切表征事物屬性的物理空間狀態和演化過程的標識;全球性時空基準網將時空參考框架與地球坐標系的位置、尺度和方向基準“釘”在一起,是獲取時空信息的基礎設施。

  當前,可以由全球導航衛星系統(Global Navigation Sate- llite System, GNSS)作為基礎來實現。全球時空基準網包括地基時空基準網、空間時空基準網和海洋時空基準網。

  目前,構成GNSS主體部分的地基和空間時空基準網絡已基本成形, 并已在陸地和近地空間提供定位、導航、授時服務多年,而同時能提供海面、水下和海底定位與導航授時服務的海洋時空基準網建設尚屬起步階段。

  由于全球導航衛星系統的信號載體(電磁波)在水中衰減嚴重,而聲波、藍綠激光和超低頻電磁波等在水下環境中傳播各具特點或性能甚優,故現階段海洋時空基準圍繞聲學定位技術為主并輔以其他手段進行建設。

  目前,采用水下三維導航定位方法建立了若干局域的海洋大地基準,但該類基準目前還無法滿足高精度的定位導航需求。由此,大地測量學家提出基于聲學測距建立高精度水平定位基準以及基于壓力計建立高精度垂直定位基準,通過組合空間衛星定位技術、水下聲學定位技術和壓力傳感器技術等,將全球統一的時空基準傳遞到海洋內部,能滿足地球科學的研究需要和海洋時空基準建設和海洋觀測的需求。

  未來,還將引入新型激光技術和量子技術等來提升海洋時空基準網的定位導航授時的性能。

  海洋環境監測網是為針對特定海洋環境監測需求建立的另一種海洋觀測感知網絡。通常其一種形式是有多種傳感器負載的有纜觀測艙與光纖通信聯網布設的海底局域監測網絡,另外一種是利用裝備有多種或特定海態傳感器、分散布設于水面或水下一定深度的無纜浮標來動態感知廣域海洋環境的網絡。

  目前,由于是局域的、分散的或實驗性的等原因,海洋環境監測網對時空位置的精度需求不高,一般尚未與海洋時空基準網聯合布設。

  隨著海洋環境監測的廣域化、全球化、聯網化和任務的精細化,為提升資源利用效率和滿足經濟和社會發展的精準需求,融合海洋時空基準網與環境監測網,建設一體化的海洋時空基準與環境監測網,使水面水下各種感知設備在統一時空框架內感知環境并聯網協同作業,肯定將會成為一種趨勢。

  圍繞海洋時空基準網的建設問題,本文首先闡明了海洋時空基準網的內涵,分析了國內外海洋導航定位及授時方法的發展現狀;然后, 針對海洋時空基準網應用,梳理了海洋環境監測網的國內外發展現狀,闡述了其與海洋時空基準網融合建設的必要性,并剖析了融合網絡與Internet互聯形成的海洋互聯網的建設結構與關鍵問題; 最后, 論述了海洋時空基準網的核心基礎設施地位,并展望了與該領域相關的研究方向。

  一

  海洋時空基準網及其構建方法

  01

  海洋時空基準網的定義、內涵與布設

  海洋時空基準網由布設在海洋表面、水體中以及海洋底部的時空基準站(也稱參考站)組成,以海洋表面基準站裝備的高精度GNSS衛星動態定位結果為基準,對水下和海底基準站展開聲學定位和時間傳遞,同時進行海洋重力測量、磁力測量和慣性導航,并將結果與GNSS陸地大地控制網融合,提供海洋基準站在地球坐標系中的精確坐標及其隨時間變化的信息。

  海洋時空基準站由海面漂浮、海面下一定深度被動或主動移動的觀測艙和相對固定于海床上的觀測艙組成。在海洋表面布設按一定空間距離分布的浮標式觀測艙或島礁式工作站,艙內的GNSS接收機觀測中國的北斗(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、美國的全球定位系統(Global Positioning System, GPS)、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的伽利略(Galileo)等系統的導航衛星,并進行實時動態定位,以分米級甚至厘米級精度確定載體的四維時空位置。

  艙內向水下安置具有測距功能和數據通信傳輸功能的多種聲吶,依需求或者還有激光和超低頻等,對水中和海底同類性質的觀測艙進行聲學/激光測距與有線/無線通信,感知這些觀測艙在地球大地坐標系下的坐標及其移動速度。

  這些觀測艙或懸浮于海洋水體的不同深度處,或按適當分布和按探測任務要求相對固定于海底,組成水下聲學定位與通信網絡系統,構成或局域、或廣域或全球的海洋時空基準網絡。圖1為海洋時空基準網的全局概覽,包括移動式和固定式海洋基準站、定位系統、授時系統、電能供給系統、通信系統、岸上中心臺站及島礁中繼站等組成部分。

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  圖 1 海洋時空基準網的全局概覽圖

  這一海面、水下和海底立體網絡與陸基和島基所建的北斗/GNSS地基增強系統同步觀測、統一數據處理,實現海洋陸地時空基準網聯合組網,使海陸時空基準統一維護,構成陸??仗煲惑w化的時空基準網絡。

  這一海洋時空位置基準同時也作為信號源為水面、水下和海底其他目標提供定位導航授時信號,反過來也可通過感知和分析所接受的多種聲音信號來探測跟蹤水面、水下和海底的合作性或非合作性目標,提取海洋與海底事件時空位置信息。

  海洋時空基準網的定位系統主要圍繞聲學測距和壓力計等技術進行工作,可實現導航定位和大地測量功能。在海洋聲速場不夠精確時,其授時系統尚無精確的解決方案。利用海面GNSS接收機、水下原子鐘以及海底光電纜等設備進行授時為水下時間同步提供了新思路。

  電源供給系統包括用于浮標和潛標的電源自給系統以及用于海底觀測艙的電纜供給系統。通信系統包括用于浮標與潛標的無線通信系統(聲學、藍綠光和超低頻電磁波)以及用于海底觀測艙的光纜通信系統。岸上中心臺站和島礁中繼站負責數據管理、呈現、分析以及電源配送和各站點觀測狀態的監控,并連接陸基GNSS觀測站。

  海洋時空基準站可加載多種傳感器設備,包括導航衛星信號接收機、聲學、慣性、原子鐘等時空位置傳感器,重力儀、磁力儀和地震儀等大地測量和地球物理傳感器,溫鹽壓儀、流速計和壓力計等水文傳感器以及海洋通信設備。

  眾多類型傳感器支撐的海洋時空基準網能為海域劃界及權益維護等主權問題,位置服務、海洋資源開發和信息共享等工程問題,目標探測、識別及跟蹤等軍事問題,海洋時空基準的維護、大洋板塊運動、地球重磁場建模、海洋生態環境變化等科學問題提供時空信息解決方案。

  故海洋時空基準網可承擔位置與海洋要素等信息的收集、傳播和共享的責任,形成海洋環境監測網和海洋物聯網/互聯網的雛形。

  完備的海洋時空基準網既可為水面及水下的各類人造設備提供時空信息,進行立體定位導航,執行預定的航行任務或進行時空位置標注;也可以監測海底板塊與水體等環境的動態變化,完善海洋乃至地球系統的模型;承擔環境監測和設備互聯的部分任務,支撐信息傳播和共享等服務。

  故海洋時空基準網是海洋定位導航、海洋環境監測網以及海洋互聯網/物聯網的共性基礎設施,既為海洋環境地理空間信息大數據智能感知網絡的時空基準,也是陸??仗烊驎r空基準建立和維護的重要組成部分。

  海洋時空基準網海底部分的建設流程見圖 2。首先進行基準點布設,基于海面設備的GNSS動態定位結果進行基準傳遞,獲得海底基準點的位置信息;根據海底基準點之間的測量結果進行基準網的校正和平差,得到每個站點的精確位置,最后進行組網觀測。其中涉及的關鍵技術包括衛星與聲學聯合定位技術、海陸控制網數據的聯合處理、多源數據處理與融合、時空基準維護及更新等。

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  圖2 海洋時空基準網海底部分的建設流程

  02

  海洋導航定位及授時方法綜述

  海洋時空基準網可為水面和水體中的人造設備提供時空位置信息,進行三維定位導航。

  目前海洋環境中的導航方式主要包括5種:自感應傳感器導航、地圖匹配導航、多航行器協作導航、衛星定位導航以及水聲定位導航。

  自感應傳感器導航的原理是航跡推算,不僅需要絕對初始位置,且誤差累計會隨時間迅速增大;地圖匹配導航基于高精度地形、磁力或重力圖進行,為了使結果融入統一的時空框架,也需為初始地圖賦予絕對的時空信息;多航行器協作導航僅能提供相對導航結果,需輔以時空基準才能獲得絕對位置;電磁波在海水中穿透能力有限,衛星導航定位僅能為海面設備導航定位。

  不同于電磁波,聲信號可在海水中長距離傳播,故水聲定位導航得到廣泛應用,成為海洋時空基準網立體定位導航的主要方式。

  水聲定位導航技術利用聲脈沖對水面以及水體中的人造設備進行定位,服務于人類的海洋活動及研究,是海洋時空基準網的重要技術組成部分。其基本原理是測量不同路徑傳播的聲脈沖之間的時間差或相位差,反演目標位置。根據基線長短可將水聲定位技術分為長基線(long baseline,LBL)、短基線(short baseline,SBL)、超短基線(ultra short baseline,USBL)定位技術,對應的定位系統分別稱為長基線定位系統(見圖 3)、短基線定位系統(見圖 4)和超短基線定位系統(見圖 5)。

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  圖 3 長基線定位系統

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  圖 4 短基線定位系統

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  圖 5 超短基線定位系統

  長基線水聲定位系統將時空基準布設在海底,基準間距為幾公里到幾十公里的量級,測量目標聲源到各基準的距離,確定目標位置。

  短基線水聲定位系統將時空基準布設于海面平臺的底部,基準間距一般為幾米到幾十米,利用目標的聲信號到達海面平臺各基準的時間差,解算目標的方位和距離。

  超短基線定位系統將一個聲學換能器和數個水聽器集成為船載的基陣,以基陣的中心為參考點,形成一個時空基準,水聽器間距一般為幾個厘米到幾十厘米,利用聲信號到達各水聽器的相位差確定目標的方位與距離。

  為充分發揮上述定位系統的優勢,達到取長補短的效果,組合式水聲定位系統(見圖6)應運而生,既包括海底基準,也包括船載基準,以提高定位精度,拓展應用范圍。

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  圖 6 組合聲學定位系統

  近年來,又發展了網狀長基線定位系統(Net-LBL,見圖 7),利用測船、浮標以及無人船等設備搭建臨時的海面長基線時空基準,以廉價的聲學調制解調器代替專門的聲學換能器,基于衛星動態定位結果進行水下人造設備的導航定位。

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  圖 7 Net-LBL定位系統

  以上5種水聲定位系統既可采用同步信標工作方式,也可選用應答器工作方式。同步信標工作方式要求在基準站和待測目標上均安裝高精度的時鐘同步系統,信標定時發射信號,獲取信號單程傳播時間,確定目標位置。

  對于應答器工作方式,長基線定位系統要求在待測目標上安裝詢問收發機,基準站上安裝應答收發機,而短基線和超短基線定位系統的要求正好相反。在應答工作時,它們測量詢問信號與應答信號的總傳播時間,反演空間距離,確定目標位置。

  為削弱水下聲學定位的空間相關性誤差,海洋大地測量領域的學者提出規劃航跡、聲學差分以及壓力傳感器約束等技術手段。規劃測船航跡可充分發揮觀測值的冗余性和幾何對稱性,使聲速等系統誤差可在解算中相互抵消,以提高海底基準站的定位精度。

  聲學差分技術以單差或雙差模式削弱信號傳播時間上系統誤差的影響,但該方法垂直定位結果不穩定。針對海底基準站垂直定位結果容易發散的情況,利用壓力傳感器反演的高精度水深值約束解算過程,可提升海底基準站定位精度。

  作為分布式系統,時間同步是海洋時空基準網的一個關鍵問題。由于分布式系統內的晶體振蕩器并不完全相同,各節點的本地時鐘之間存在差異,故對于網絡中發生的同一事件和用于協同網絡的消息,不同節點間必然存在時間觀測偏差。為使分布式系統正常運轉,必須對各節點的時鐘進行時間同步,將本地時鐘校正到標準時鐘上,進而在系統中確定一個統一的全局時間。

  與采用電磁波通信的地基時空基準網不同,海洋時空基準網采用聲波信號進行通信,該通信方式具有傳播速度慢、延遲大且時變;信號鏈路距離長;信道帶寬??;信號衰減嚴重;發射能耗高;包含移動節點;誤碼率高;多路徑效應嚴重等特點。

  這些特點使成熟的陸地時空基準網時間同步算法無法直接應用于水下環境。目前針對海洋時空基準網的授時問題尚無精確的解決方案。有學者提出以浮標為中繼,采用北斗/GNSS時作為基準定時源,利用水下原子鐘和海底光電纜等對儀器設備進行授時,該方法為水下時間同步問題提供了新思路。

  基于水聲定位技術可測得目標的三維位置,但由于水下誤差改正技術的限制,其定位精度不能滿足海底板塊及水體動態變化等研究的需求。對此,海洋大地測量學家將水聲立體定位拆為水平定位和垂直定位兩部分,并通過技術改進或設備研發的方式將定位精度從分米級提升到厘米級甚至毫米級。其中,水平定位圍繞聲學測距技術進行,垂直定位圍繞以壓力計為代表的設備展開。

  03

  海洋高精度水平定位方法綜述

  水聲定位技術雖然能以很高的精度測量聲波的時延,但聲速誤差極大地限制了定位精度。聲波在海水中的傳播遵循Snell定律,聲速主要在垂直方向發生變化,屬于深度相關的函數,呈現為分層模型。大地測量學家提出,通過改進測量策略和解算方法,水聲定位技術可獲得高精度水平定位結果,以滿足海底板塊監測等地球科學的需求。

  海洋時空基準網高精度水平定位方法可分為直接測距法、間接測距法和GNSS/聲學測量法。直接測距法在海底布設時空基準站,連續監測它們的相對距離,原理如圖8所示。由于海底聲速呈現負梯度變化,聲線向海面彎曲,為避免聲線觸底,基準站間距每增加1 km,基站的架設需提高約3m。由于基站架設不易過高,以保證基準的穩定,故基準站間距一般設置為1km左右。2012年,日本東北大學的Osada等于900m基線上獲得1.5 cm精度的水平測距結果。

  2013年,伍茲霍爾海洋研究所McGuire等用直接測距法于1km的基線上獲得1mm精度的測量結果。2016年,法國、德國和土耳其的學者在北安納托利亞斷層伊斯坦布爾-西利夫里段布設了10個基準站,基于直接測距法算得此段斷層年位移量為1.5~2.5mm,處于閉鎖狀態。

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  圖 8 水下聲學直接測距法

  間接測距法的思想由美國Scripps海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)的Spiess于1985年提出。2005年,SIO的Sweeney等將該思想精細化、具體化后,提出目前的間接測距法(見圖 9),并在胡安德富卡板塊的北部區域進行了實施。該方法在海底布設3個高精度應答器作為時空基準,相互間隔約5km,由船拖曳換能器從應答器陣上方約300m處經過,進行聲學測量。

  試驗結果表明,該方法能以1~2cm的精度測量5km左右的海底基線。2010年,SIO的Blum等于加利福尼亞的圣巴巴拉海盆利用間接測距的思想進行了海底坡面穩定性的評估。應答器基準陣列中的1個應答器懸浮于離海底5~10m處,間接測量跨越傾斜粗糙海底的基線,試驗以2.5cm的精度測量了長約1km的斜坡基線。

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  圖 9 水下聲學間接測距法

  直接測距法和間接測距法都只適合于小區域的海底水平定位,針對較大的區域需用到GNSS/聲學定位技術。GNSS/聲學定位技術組合水面衛星定位技術和水下聲學定位技術,確定海底基準站的水平位置,該思路由美國SIO的Spiess于1985年提出,并于1994-1996年在胡安德富卡板塊邊緣首次實施。

  該定位技術的原理如圖10所示,將數個應答器布放于海底一個半徑為平均水深的圓上,在科考船底部安裝聲學換能器,并分別于船的主桅桿以及船尾左右舷處12m高的金屬架頂端安裝GNSS接收機天線。

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  圖 10 GNSS/聲學定位法

  利用光學設備測量GNSS天線與換能器間的相對位置,實現毫米級精度位置傳遞。作業期間利用動力控位技術將科考船控制在海底應答器基準陣列的中心軸線附近,完成對應答器陣列中心虛擬基準站厘米級的定位,所需測量時間與海況、海水的性質、水深以及應答器類型等相關,一般需24h以上。目前美國在胡安德富卡板塊內布設了或計劃布設大量此種類型的基準站,如圖11中紅色和橙色正方形所示。

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  圖 11 胡安德富卡板塊內GNSS/聲學基準站分布

  SIO的GNSS/聲學定位技術提出后,日本海上保衛廳的海洋水文部(The Hydrographic and Oceanographic Department of Japan,JHOD)于1995年開始進行研究,而后東京大學、東北大學、名古屋大學、京都大學及工業科學研究所等眾多日本科研機構也紛紛開展了相關研究,取得了一系列很好的成果。

  經過20多年的大力發展,目前日本已經成為GNSS/聲學定位技術的主要實施國。2000年,JHOD在日本南海海槽的熊野盆地進行了日本的第一次GNSS/聲學定位試驗。不同于SIO的GNSS/聲學定位技術,該試驗將GNSS天線、姿態傳感器以及換能器集成到一個桿子上,固定于科考船尾部,即桿系系統,見圖 12(a)。

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  圖 12 日本GNSS/聲學系統

  作業期間,科考船在應答器陣列上方自由漂游,以避免螺旋槳對聲學測量的影響及航行時的額外水壓導致觀測桿變形的情況,但該工作模式的航跡不可控,效率低下,且觀測過程需人工不斷調整設備。2006年,Fujita等引入線性反演法并估計聲速剖面的時間變化,使該技術水平測量結果的可重復度達到cm級。

  2008年3月,JHOD將其GNSS/聲學定位技術的海面部分由桿系系統改為類似于SIO的船固系統,如圖 12(b)所示。新系統的GNSS天線、姿態傳感器及換能器分別固定于船體中央部位,使科考船可在不干擾GNSS/聲學定位系統的條件下按預定軌跡航行,極大地提高了觀測數據的幾何結構。

  美國SIO的GNSS/聲學定位技術將科考船控制在應答器陣列的中心軸線附近,可獲得高精度水平定位結果;而日本JHOD的GNSS/聲學定位技術控制科考船沿預定軌跡航行,不僅能進行水平位置測量,理論上還可進行垂直位置的測量。

  圖13為日本GNSS/聲學定位測量時科考船的航跡圖,試驗結果表明,通過16~24 h的測量,海底基準站的水平定位精度可達2cm。2006-2011年,Yokota等[54]基于新舊兩種技術手段檢測了日本海溝的6個海底基準站,結果說明不同地方的板塊耦合率不同?;谛录夹g,2015年,Watanabe等成功測量了菲律賓海板塊外模相海槽處非火山區域的俯沖速度。

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  圖 13 日本海洋GNSS/聲學規劃的航跡

  GNSS/聲學基準站為海底應答器陣列,由3個、4個或者6個應答器組成,布設尺寸隨深度的增加而變大,且假定測站內應答器的位置相對固定。2011年日本東北大地震后,日本政府加大了深海海溝附近大地測量的力度,于2012年沿日本海溝新布設了86個海底應答器,共20個GNSS/聲學基準站,大部分位于水深5 000 m處,分布如圖14所示;沿日本南海海槽也增加了8個GNSS/聲學基準站,總數目達到15個,分布如圖 15所示。

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  圖 14 日本海溝處GNSS/聲學基準站的分布

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  圖 15 日本南海海槽處GNSS/聲學基準站的分布

  2012年開始,日本東北大學的研究團隊對日本海溝的GNSS/聲學基準站進行了共計5次測量,由于時間跨度僅有1.5a,參數估計誤差為10cm左右(大于大部分基準站的大地形變量),只有少部分基準站明顯地探測到了與地震相關的位移。2016年,JHOD學者分析南海海槽15個GNSS/聲學基準站的數據,更新了該地區的滑動虧損速率模型。

  04

  海洋高精度垂直定位方法綜述

  海洋中水深每增加10m,壓強約增加1個大氣壓,故常將壓力計測量值換算為水深值,作為待測點的高程信息。目前主流的壓力計在海面和海底均可測得毫米級精度的高程形變信息,所以可用壓力計在海底建立固定的垂直基準,即海底壓力記錄儀法(bottom pressure recorders,BPRs)。

  2014年,日本的Takahashi等設計了基于該方法的監測系統,能以優于5mm的分辨率測得海嘯和海底板塊±8m內的垂直變化。2016年,意大利的Iannaccone等在意大利北部海域基于該方法進行了海底垂直位移的監測(見圖16),試驗中布放了4個浮標系統,它們各自連接一個海底壓力計垂直基準。經過16個月的試驗,測得海底垂直方向抬升了(4.2±0.4) cm。

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  圖 16 海底垂直位移實時監測站

  由于海底壓力計容易監測明顯的、迅速的變化,不易監測微小的、緩慢的變化,且高程結果存在每年約8 cm的漂移,故海洋大地測量學家建議在海底布設水準網,于較短時間內利用壓力計測得待定點至遠處參考點的相對高程(見圖17),克服結果漂移的問題,即移動壓力記錄儀法(mobile pressure recorders,MPRs)。

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  圖 17 基于壓力計海底相對高程測量原理

  同時海底壓力計的自改正方法也是該領域的一個研究熱點,試圖將壓力計的漂移率從每年8cm降到每年1cm內。2013年,美國的Sasagawa和Zumberge設計了一種可進行自改正的海底壓力計(見圖18),水深600m處的試驗表明,104天內結果漂移了1.3cm。2015年,德國的Gennerich和Villinger提出一種新的漂移自改正思路,即海底差分壓力計(見圖19),將壓力計每年漂移量控制在1cm內。GNSS/聲學基準站處用壓力計捕捉厘米級的瞬時垂直位移,借助自改正式壓力計使測量結果數月內保持厘米級精度,利用MPRs實現長時間的高精度測量,這都對完善目前海洋垂直方向測量的不足有巨大意義。

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  圖 18 自改正式的海底壓力計(Sasagawa)

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  圖 19 自改正式海底壓力計(Gennerich)

  目前,國內外海洋時空基準網的建設都處于起步階段。雖然利用水聲定位技術可為各種人造設備提供海洋立體導航功能,但由于以聲速為主的誤差影響,位置結果的精度較低;面對大地測量的高精度位置需求,分別圍繞水聲測距和壓力計技術建立了海洋高精度水平與垂直方向的時空基準,提供厘米級的水平測量結果和毫米級的垂直定位結果,但其主要針對科學領域。

  為滿足海洋世紀對精準時空信息的巨大需求,以中國、美國為代表的海洋大國已立項進行水下全球定位系統的研究,發展完備的海洋時空基準網。2015年,美國國防高級計劃局發布“深海導航定位系統”項目公告,研究在海底布放聲學基準站,組建類似GPS的定位系統。2016年,我國立項進行“海洋大地測量基準與海洋導航新技術”相關的研究,期望建成水下全球定位系統“深海北斗”。

  二

  海洋時空基準網與環境監測網、互聯網的融合

  海洋時空基準網是海洋定位導航、海洋環境監測網以及未來海洋互聯網的共性基礎設施。海洋環境監測網和海洋互聯網與海洋時空基準建設的深度融合,也將成為當今海洋環境監測的精確化和海洋信息傳輸的主要手段。

  01

  海洋環境監測網

  在海洋時空基準網的海面、海下和海底觀測艙內加載的各類時間與位置傳感器和換能器、應答器、水聽器等聲吶器件基礎上,增加海態環境感知器件,必要時甚至連接上通信光纜,則構成了海洋時空基準網與海洋環境監測網的融合網絡。

  兩者存在眾多共享的物理設備,包括電能供給系統、通信系統、觀測艙及水下機器人等。海洋時空基準網將全球統一的時空框架擴展到水下,可為海洋環境監測網提供實時的精準時空信息,支持局域監測網結果的融合處理,實現對物理世界的估計、檢測、控制和觀察。隨著海洋的重要性不斷提升,各國已將精準海洋環境監測定為海洋科學發展的共同方向,投入了大量人力和財力,同樣也為海洋時空基準網融入海洋環境監測網提供了發展契機。

  現有海洋環境監測網多為針對特定需求建立的局域網絡,分無纜錨系浮標系統和有纜環境監測網兩種類型。其中,基于光電纜的有纜環境監測網突破了海洋觀測中能量供給和信息傳輸兩大難題,成為海洋環境監測網的主流發展方向,故本文主要以有纜環境監測網為論述對象。該網絡在海底布設觀測平臺,與各類海洋觀測設備相聯,通過電纜和光纖網向海底平臺輸送電能并收集信息,進行長期自動化觀測,基本結構如圖 20所示。

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  圖 20 海洋環境監測網示意圖

  建立海洋環境監測網的思路源自冷戰時期美國的水下聲學監聽系統,該系統在太平洋和大西洋中布放水聽器陣列,用以監聽蘇聯潛艇的動向。1970年代,日本科學家利用廢棄的海底通信電纜連接海底地震儀,進行地震監測和海嘯預警等方面的研究,形成了有纜海洋環境監測網的雛形,各國開始效仿。隨著海洋環境監測網技術的發展,逐步實現了實時、連續以及長期的海洋環境三維觀測,已成為當前各國海洋科學研究的共同目標。目前全球已建成和計劃建設的觀測網分布見圖21,主要建設國家和地區包括日本、加拿大、美國、歐盟和中國。

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  圖 21 全球有纜海底觀測網分布

  日本

  日本作為最早建立海洋環境監測網的國家,1979年便建成了第一個海洋監測網(Tokai網)。2006年, 日本提出密集海底地震和海嘯網絡系統(Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis, DONET)計劃,在伊豆半島南海附近地震源區鋪設海洋環境監測網,2015年建成(見圖 22)。DONET系統由20個觀測站組成,各觀測站均集成了強震儀、寬頻帶地震儀、水聽器、壓力傳感器、溫鹽壓測量儀(Conductivity-Temperature-Depth,CTD)、聲學多普勒測流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)和照相設備等傳感器,寬頻帶、高精度地監測日本南海海槽附近的地震情況。

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  圖 22 日本DONET觀測網示意圖

  2011年311東北大地震后,日本海溝海底地震海嘯監測網(seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan trench,S-net)開始立項建設,并于2015年投入使用,包含6個陸地基站以及150個相隔30~50 km的海底觀測站,它的光電纜總長達5 700 km(見圖 23)。S-net為目前全球規模最大的海洋環境監測網,規模是現有海王星海洋環境觀測網(north east pacific time series under sea networked experiments,NEPTUNE)等綜合性海洋環境監測網的數倍,但集成的傳感器類型單一,且為封閉式設計,不易拓展,其主要任務僅為地震和海嘯監測。

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  圖 23 日本S-net觀測網示意圖

  加拿大

  加拿大也是較早籌建海洋環境監測網的國家,包括NEPTUNE加拿大部分(NEPTUNE Canada)和金星海洋環境觀測網(Victoria experimental network under the sea,VENUS),它們一起構成了加拿大的海洋觀測網(ocean networks Canada,ONC)。

  NEPTUNE是世界上第一個大區域、多節點、多傳感器的有纜海洋環境監測網(見圖 24)。該監測網位于美國和加拿大的交界處,于1998年由美國正式啟動,加拿大于1999年參與。2009年加拿大完成了長約800 km的環形主干網的建設任務,起始陸地基站位于溫哥華的艾伯尼港,如圖25所示。NEPTUNE設立33個海底觀測站,各觀測站均集成地震儀、CTD、營養鹽分析儀、潛標、波浪傳感器、ADCP、電磁海流計、照明設備、照相設備,以及纜控式水下機器人(remotely operated vehicle,ROV)、自治式水下機器人(autonomous underwater vehicle, AUV)等。該監測網主要用于海底板塊構造、地震動力機制、洋殼內的流體通量、增生楔中的天然氣水合物、海洋氣候和深海生態系統的動力過程等內容的科學研究。

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  圖 24 NEPTUNE海底觀測網

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  圖 25 NEPTUNE Canada海底觀測網

  VENUS是一個近岸的海洋環境監測網,為海王星觀測網的原型試驗,其基本結構如圖26所示,包括兩個子監測網:2006年布設的單節點監測網,長約4km,節點水深100 m,位于薩尼奇海灣;2008年布設的雙節點監測網,長約40 km,位于佐治亞海峽。VENUS觀測網主要用于研究海洋過程、生物過程及三角洲的動力機制。海底觀測站連接的儀器包括強壓計、水聽器、強震儀、CTD、ADCP、氧氣探測儀、水體聲學剖面儀、沉積物捕獲器、照機等設備。

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  圖 26 VENUS海底觀測網

  美國

  美國的海洋環境監測網起步較早,1996年建成長期生態觀測系統(the long-term ecosystem observatory at 15 m,LEO-15),2000年制定了大洋觀測計劃(ocean observatories initiative,OOI),2011年建成ALOHA(along-term oligotrophic habitat assessment)觀測網,2016年OOI全面啟用。美國作為監測網數量最多的國家,其監測網的全面性、多樣性和統一性,目前處于世界領先水平。

  美國最著名的海洋環境監測網就是OOI,它由美國國家科學基金委海洋科學部設立,包括全球網、區域網和近海網等3部分內容,其中與加拿大合建的NEPTUNE監測網的美國部分也被納入該計劃。2011年該計劃在東太平洋俄勒岡布設了約900km的海底光電纜,并聯接到位于太平洋城的陸地基站。該監測網的節點主要由如下單位負責管理:華盛頓大學、Scripps海洋研究所、新澤西州立大學、俄勒岡州立大學、伍茲霍爾海洋研究所、亞利桑那州立大學和雷神公司等。

  此外,美國還建了一些零散的海洋監測網,其中較具代表性的網絡有如下5個。

  1) LEO-15觀測網。1996年由美國羅格斯大學布設于大西洋新澤西大海灣海岸帶,用于海底生態環境的監測,包括岸基站、2個水深15 m的科學節點和長約9.6 km的海底光電纜,為美國第一個海底監測站。

  2) 馬薩葡萄園島海岸觀測網。2000年由伍茲霍爾海洋研究所布設于埃德加頓南岸約1.5 km的海岸帶區域,包含2個科學節點,水深分別為12 m與15 m,用于監測海岸帶區域的環境參數。

  3) 燈塔海洋研究計劃錨系觀測網。2005年由美國燈塔海洋研發公司布設于北阿拉伯海和阿曼海的淺水區域,2010年與德克薩斯州農業大學一起將其升級為深海有纜監測網,主干光電纜354 km,包括1個海嘯預警系統、5個科學節點(水深60 ~1 350 m)及4個水深3 000 m的觀測站,主要記錄溫度、鹽度、壓強、溶氧量、海流及濁度等數據。

  4) 蒙特利加速研究系統。2008年由蒙特利灣水生研究所布設,由52 km的光電纜和一個水深891 m的海底科學節點組成。該系統的主要目的是為各國設備提供深海試驗平臺,共8個濕插拔接口支撐海底儀器的電力和通信需求。

  5) ALOHA觀測網。2011年由夏威夷大學布設于瓦胡島北100 km處,水深4 726 m,包含一個230 m的海底錨系系統,利用廢棄海底通信電纜監測深海水體屬性和聲學特征,并進行海底攝像,研究深海的生物特征及物理和化學性質隨時間變化的情況。

  歐盟

  歐盟的海洋環境監測網計劃可歸納為歐洲海洋觀測網(European seafloor observatory network,ESONET)和歐洲多學科海底觀測(European multidisciplinary seafloor observatory,EMSO)。ESONET由各參與國的科研機構負責,主要進行海洋環境監測網統一規劃與設計;EMSO為參與國的政府部門負責,主要進行海洋環境監測網的建設及維護,兩者密切配合、協同推進。圖27展示了歐洲主要海域規劃建設的15個海洋環境監測網,其中標白色五角星的9個已開始運營。由于歐洲現階段的海洋環境監測網不是一個整體網絡,各區域觀測系統都有自己的領導單位和執行委員會。ESONET計劃通過不斷的發展,將各子網組成統一的聯合體,以監測歐洲周邊的整體海域環境。

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  圖 27 歐洲已有海底觀測站的分布圖

  歐洲已運行的9個海洋環境監測網分別如下。

  1)北冰洋觀測網。由德國負責,包括17個水深1 000~5 000 m的永久觀測站,主要監測深水環流、海冰消融對生態系統的影響,計劃補充基于海冰的浮標觀測系統,首批32個浮標已成功布設。

  2)豪豬灣深海平原觀測網。由英國負責,包括水深4 800 m的著陸器和錨系浮標,加載多種科學儀器以及傳感器,主要用于監測氣候變化的影響。

  3)亞速爾群島觀測網。由法國負責,包括水深1 700 m的兩個觀測站,主要用于海底熱液噴口研究。

  4)加那利群島觀測網。由西班牙負責,包括水深3 600 m的多學科纜系裝置,主要用于測試深海儀器設備并研究海洋生態系統恢復力。

  5)利古里亞海觀測網。由法國負責,包括海底纜系監測設備,主要用于地震海嘯和海氣交換研究。

  6)西艾歐尼亞海觀測站。由意大利負責,包括水深2 100 m處的有纜主基站,搭載寬頻地震儀、壓力計和水聽器等設備,主要用于地震、海嘯、火山活動以及背景噪聲研究。

  7)希臘弧觀測網。由希臘負責,包括水深4 000 m處的纜系中微子延伸望遠鏡與海洋研究站,主要用于地質災害、溶氧量以及流體通量的監測。

  8)馬爾馬拉海觀測網。由土耳其負責,包括5個纜系的地震及海洋學觀測設備,主要用于地震監測、雙層流研究。

  9)黑海觀測網。由歐盟負責,包括5個海底觀測站和5個裝載傳感器的浮標,主要用于地質災害的預警。

  中國

  目前中國海洋環境監測網建設尚屬起步階段,開展了探索性的布設以及研究工作,主要包括如下6個部分。

  1) 同濟大學東海海底觀測網

  2009年東海海底觀測網小衢山試驗站建成,次年基于該監測網進行了跨洋海嘯信號的分析。該試驗站位于洋山國際深水港東南約20km的小衢山島附近,平均水深15m,由長約1.1km的光電纜、1個海底接駁盒以及CTD、ADCP和濁度儀等組成。2011年在舟山東部的長江口區域,基于小衢山試驗站,開始布設750km的環形海洋環境監測網,主要用于記錄地震和海嘯數據、監控泥沙的走向等。

  2) 中國科學院聲學研究所南海海底觀測網

  中國科學院聲學研究所的南海海底觀測網位于海南陵水海域,主要用于海底的探測以及目標的監控。2009年南海聲學與海洋綜合觀測實驗站掛牌;2011年中國科學院在陵水建設了南海海洋技術與系統試驗研究基地;同年科技部在陵水基地建設了光纖長度為100km的海底探測系統;2012年科技部又依托陵水基地開始建設南海深海海底觀測網試驗系統,2016年建成。它是我國第一個自主研發的大規模深海海底觀測網,能實時獲取我國南海區域海底活動和海洋環境的信息,為國防安全及海洋災害預警等提供數據支撐。

  3) 中國科學院南海研究所海底觀測網

  2013年由中國科學院南海海洋研究所牽頭,聯合沈陽自動化所和聲學研究所,在海南三亞海域建設了海底觀測示范系統。包括岸基站、長約2km的光電纜、水深20m的兩個接駁盒、1個聲學網關節點和3個搭載觀測設備的觀測站等。同時,2009年中國科學院南海研究所在西沙群島永興島建設了深海海洋環境觀測研究站,這是中國大陸地區第一個水深超過1000m的海洋環境觀測站。

  4) 浙江大學摘箬山島海洋觀測網

  浙江大學的摘箬山島海洋觀測網主要應用于地震監測。2013年,浙江大學開始在摘箬山島北部海域進行海洋觀測網的布設工作,2014年正式建成。它由1個接駁盒、2個科學儀器插座模塊、14個傳感器和1個攝像設備組成。傳感器類型包括CTD、ADCP、磁力計、濁度儀、酸堿度檢測儀、氧氣探測儀、葉綠素儀以及有機物檢測儀等。

  5) 國家海洋局的海洋立體監測系統

  國家海洋局的海洋立體監測系統(主要由沿海各城市的監測網組成)用于滿足我國海洋防災減災、海洋經濟發展、海洋科學研究、海洋權益維護和海洋生態文明建設等方面的需求[89],目前已建立的子系統包括:上海海洋環境立體監測和信息服務系統、臺灣海峽及毗鄰海域海洋動力環境實時立體監測系統、渤海海洋生態環境??諟蕦崟r綜合監測示范系統、北戴河海洋環境立體監測系統以及深圳市海洋綜合立體監測網等。

  6) 臺灣媽祖海底觀測網

  臺灣中央氣象局的“媽祖計劃”(marine cable hosted observatory,MACHO),原定為環狀纜線觀測系統,光電纜長約450km,包括4個海底主基站。由于經費問題,纜線長度縮減至45km,于2011年建成,它位于中國臺灣東北宜蘭縣頭城鎮外海,最深處為300m。海底儀器主要包括寬頻帶海底地震儀、高頻地震儀、水聽器、CTD以及高精度壓力傳感器等設備。初期目標是監測海底地震、海嘯及南沖繩海槽海底火山活動,后期目標將升級為監測各項海底環境因子。媽祖觀測網所處位置地形如圖28所示,紅色線為目前主干電纜的位置,白色線為規劃的新主干電纜線的位置。新主干電纜前半段與目前纜線位置相同,而后往南延伸62 km至南澳海盆。

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  圖 28 媽祖海底觀測網

  日前,中國第一個海洋領域國家重大科技基礎設施——國家海底科學觀測網已正式立項,建設周期5 a,總投資逾21億元,觀測網的預計壽命約為25 a。該項目由同濟大學牽頭、中國科學院聲學研究所共建,在中國東海和南海海底分別建設基于光電復合纜的海洋環境監測網,實現海底向海面的全方位、綜合性、實時的高分辨率立體觀測。觀測網纜線總長預計達1500km,側重于生態環境和海洋災害的觀測,并規劃在上海臨港建立監測與數據中心,對整個海底科學觀測系統進行數據存儲和管理,并對其網絡的運行進行監測。2017年6月,國家海底科學觀測網項目組提交了該大科學工程項目的可行性報告。

  02

  海洋互聯網

  海洋互聯網的含義和結構

  海洋時空基準網與海洋環境監測網融合建設,各個網站之間通過光纜或無線(聲波或者藍綠光)進行數據傳輸及信息交換,便形成一個海洋物聯網,亦即海洋時空大數據網。該網和現有的Internet互聯就構成一個全球性的網絡,可稱為海洋互聯網。

  它為水下每個對象建立全球可訪問的虛擬實體,在全球統一的時空框架內記錄并存儲該對象當前及歷史的物理屬性和環境背景。人類可利用Internet獲取這些信息,并通過人與人、人與物和物與物的通信方式對海洋中的各類人造設備進行遠程控制,進而把整個立體海洋納入人類的認知和控制范圍。

  海洋互聯網的關鍵部分是水下節點和邊界路由。水下節點可由主機遠程控制,負責收集、處理和傳輸數據;邊界路由主要安置在航船、浮標、岸基、無人水下航行器(unmanne underwater vehicle, UUV)和觀測艙等平臺上,負責橋接水下網絡段與傳統IP網絡,通過電信通信網和衛星通信網接入Internet。海洋互聯網綜合了資源非常有限的無線傳感器網和傳播時延非常長的延遲容忍網,與Internet有著明顯的區別。陸地通信常用的無線電波在海水中衰減嚴重,且頻率越高,衰減越大,只能用于短距離高速通信,無法滿足遠距離的傳輸要求。聲波信號在水中衰減較弱,可長距離傳播,故常被用作水下無線通信系統的傳輸載體。然而,它存在時延長、誤碼率高、多路徑效應強、帶寬受距離限制、傳播速率受環境(壓力、洋流、溫度、深度、噪聲)影響大等特征。

  本文認為,海洋互聯網可參照Internet分為局域網、區域網和廣域網。局域網是實現某特定功能的局部網絡,由靜態節點和移動節點構成,網絡中的數據可通過水聲、條件容許時也可用光學或超低頻通信等手段在中繼節點中傳輸。水下靜態節點彼此之間組成一個稀疏水聲通信網絡,節點間先可以水聲方式構成通信鏈路。移動節點由攜帶多種傳感器的下潛器組成,節點間可相互鏈接成一個動態的自組織子網,用于擴大水下網絡的通信范圍。由于水下環境的復雜性,不同深度、不同傳輸距離、水平及垂直方向等分別適用于不同通信方式,水下網絡節點可綜合傳感器感知的外界環境,根據信道條件自動地選擇恰當的通信模式來建立通信鏈接。圖 29是水下聲學無線通信網絡概念圖,這是典型的局域海洋互聯網。

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  圖 29 水下聲學無線通信網絡概念圖

  區域網是將若干功能不同的局域網絡通過接駁盒鏈接到海底光電纜上實現國家級或區域級的覆蓋。接駁盒相當于網絡中的一個路由節點,其基本功能是中繼和路由,并將海底光電纜中傳來的電能進行轉換和分配,實現基站和各局域網的信息通信。

  區域網的光電纜可與海底通信電纜對接,實現網絡的擴展。若干區域網絡連接在海底通信電纜上,或通過海面基準浮標觀測艙和海島基準站與通信衛星實現無線鏈接,便可以構成跨國家、跨洲際的廣域網,組成整個海洋互聯網。屆時任何連接互聯網的終端(如手機)都可以通過IPV6協議訪問到水下的網絡節點。

  海底通信電纜是目前互聯網的骨干網絡,全球總長超過80.5萬km(見圖30),但它們對外部海洋環境是聾、啞、盲的。如果在部署新的海底通信電纜系統時,增加5%~10%的費用,將其升級為海洋互聯網骨干網絡,就可構建出全球統一的廣域網,既可遠程控制各類水下人造設備,也可對海嘯、地震及海洋環境進行建模和預測,甚至挽救無數條生命和數十億的財產。

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  圖 30 全球海底通信電纜(Telegeography.com)

  海洋互聯網的關鍵問題

  海洋互聯網的建設和發展包含6個關鍵問題:時鐘同步、定位問題、路由問題、能源問題、通信問題及安全問題。時間同步是海洋互聯網極其重要的問題,通信協議中的時間戳、數據融合中用到的時間標簽、睡眠調度機制和基于時隙分配的多路訪問控制(multiple access control, MAC)協議等都需要進行不同程度的時間同步。由于水聲通信延遲大,且各節點時鐘間存在系統偏差,水下時鐘同步成為了一個研究難點,需利用海洋時空基準網組合GNSS和原子鐘,并綜合聲學、光學和無線電多種手段解決這個問題。

  定位問題就是水下各節點獲取自身空間位置的過程。海洋中存在持續的海流,水體中的網絡節點具有流動性,定位難度較大?;诤Q髸r空基準網,利用水聲定位和壓力計技術可獲得各節點的實時高精度空間位置信息。海洋互聯網的路由問題是基于網點的移動性和稀疏性,需要重點研究減少延時和通信能耗、降低存儲空間和路由信息維護成本的方法。

  目前海洋互聯網能源主要為電纜和電池,電纜的覆蓋范圍有限,而海洋環境中電池更換也較困難,故亟待發展新的能量采集技術,如微生物燃料電池、海洋溫差能、垂直壓差能、海流能、潮汐能、波浪能和鹽差能等[2]。海洋網點過于稀疏分散,額外增加了通信與維護成本,故也需研究高效的通信方式。

  目前海洋互聯網能源主要為電纜和電池,電纜的覆蓋范圍有限,而海洋環境中電池更換也較困難,故亟待發展新的能量采集技術,如微生物燃料電池、海洋溫差能、垂直壓差能、海流能、潮汐能、波浪能和鹽差能等。海洋網點過于稀疏分散,額外增加了通信與維護成本,故也需研究高效的通信方式。

  海洋互聯網的無線通信主要依靠水聲信道,而該信道具有開放性,利用水聽器便能竊取通信數據;同時海洋互聯網是動態拓撲結構的網絡,網絡節點容易被俘獲和攻擊。海洋互聯網安全問題非常突出,需對其進行威脅建模,構建一致性、結構化的威脅模型。借鑒現有Internet建模過程,以數據或信息為主干,建立系統流程圖,依據交互活動出現的位置設立信任邊界(權限邊界),進而在信任邊界處分析可能出現的威脅,解決什么時間在哪里會有攻擊及如何有效地防范攻擊等問題。

  海洋互聯網的無線通信主要依靠水聲信道,而該信道具有開放性,利用水聽器便能竊取通信數據;同時海洋互聯網是動態拓撲結構的網絡,網絡節點容易被俘獲和攻擊。海洋互聯網安全問題非常突出,需對其進行威脅建模,構建一致性、結構化的威脅模型。借鑒現有Internet建模過程,以數據或信息為主干,建立系統流程圖,依據交互活動出現的位置設立信任邊界(權限邊界),進而在信任邊界處分析可能出現的威脅,解決什么時間在哪里會有攻擊及如何有效地防范攻擊等問題。

  網絡協議棧是互聯網進行數據交換而建立的規則、標準或約定的集合,故可用于系統地分析網絡的數據流程。網絡協議棧包括物理層、數據鏈路層及網絡層3方面內容。物理層研究網絡實體在水下環境中的自適應變化,包括水下通信信道建模與編解碼、多模式調制與解調、資源管理與分配、信號發送與接收等內容。數據鏈路層負責尋址以及信道的訪問控制,盡量避免通信沖突、節省能量。

  由于水聲信道的特殊性,水下數據鏈路層的協議與陸地上的協議有很大不同。網絡層主要負責路由的選擇,以便數據的傳輸、搜索、確定、分發,并維護源節點與目的節點間的路由信息,完成鄰居發現、分組路由、擁塞控制和網絡互聯等功能??砂凑諗祿a生、傳輸以及接收的系統脈絡進行威脅分析。數據產生階段會遇到物理破壞、數據注入和數據修改等攻擊;數據傳輸時會遭受數據竊取、協議攻擊和泛洪攻擊等;數據接收階段會遇到偽裝攻擊、內部攻擊、匯聚攻擊等?,F有Internet上出現的攻擊同樣也會出現在海洋互聯網中,故借鑒現行互聯網的威脅模型,結合海洋互聯網的特征可對其進行完備的威脅建模。

  三

  總結與展望

  建設海洋強國是一個全球性、綜合性、系統性的海洋發展戰略,是海洋技術、能力和實力的全面超越。建設海洋時空基準網不僅是海洋強國戰略的重要體現,也是人類共同開發利用海洋的重要組成部分。但是,建立全球海洋時空基準網,需要解決面臨的諸多技術挑戰,需靠多學科交叉,靠國家集中優勢和國際廣泛合作,靠落實到全球性監測和網絡體系基礎設施建設。

  全球海洋時空基準網首先是將全球統一的GNSS時空框架引入到海洋海面浮標作為動態基準,水下和海底段的海洋時空基準網圍繞聲學定位技術進行建設。當前已發展了包括長基線、短基線、超短基線、組合聲學定位及網狀長基線等5種水下三維導航定位方法,并基于它們建立了局部的海洋定位基準。通過國際合作實現當前各國所建的局域性海洋時空基準網的全球聯網,既保持一定的自主可控,又能實現數據的全球共享,還有很長的路要走。但應是未來必然趨勢,這也可以參照國際GNSS服務組織模式來解決這一問題。

  為支撐地球科學的研究,大地測量學家提出了基于聲學測距技術建立海洋高精度水平定位基準,研發新型壓力計建立海洋高精度垂直定位基準。這種組合空間衛星定位、水下聲學定位以及壓力傳感器等技術的方法,將全球統一的時空基準傳遞到海洋內部,能滿足地球科學的研究需要和海洋時空基準建設的需求。然而,由于水聲信道的高延遲特性,水下時鐘同步成為了一項亟待解決的難題。

  有學者提出以浮標為中繼,采用北斗/GNSS時作為基準定時源,利用水下原子鐘時間的短穩和長穩都很好的特性和海底光電纜等設備進行綜合授時,給水下時間同步問題提供了新思路。為滿足海洋世紀對精準時空信息的巨大需求,以中美為代表的海洋大國均已立項進行水下全球定位系統的研究,利用上述思路可建設較為完備的海洋時空基準網和具有時空位置屬性的海洋互聯網。

  隨著海洋環境監測重要性的不斷凸現,日本、加拿大、美國、歐盟及中國等國家和地區都針對特定需求成立了眾多海洋環境監測網建設項目,但這些監測網絡大多為零散分布、各自獨立的局部網絡,未與時空基準網融合。故需加強海洋時空基準與環境監測網的融合建設,提升資源利用效率,形成全球性具有時空位置屬性的環境感知認知網絡。這一網絡和現有的Internet通過海底光纜和衛星通信互聯后構成海洋互聯網,可支撐信息的傳播和共享,確保各類水下設備在統一的精準時空下感知環境、協同作業,進而將立體海洋納入人類的認知體系和控制范圍。

  海洋時空基準網是海洋定位導航、海洋環境監測網及海洋互聯網的共性基礎設施,已成為地球科學未來10~30 a急需和必須解決的重要科學技術難題。但是,它的建設在我國還屬于空白,故需要結合我國基本國情、配合國家戰略規劃大力發展。期望利用10a左右的時間建立以中國周邊海域為主的國家精密動態海洋時空基準網,逐步建立國家海洋定位、導航、授時、通信(positioning, navigation, timing and communication, PNTC)體系與環境監測網,同時聯合多邊的國際合作,通過“一帶一路”的戰略落實,開展全球性海洋時空基準與環境監測網的布設,為我國建設海洋強國的戰略目標提供強力支撐。


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