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学术 刘经南院士:海洋时空基准网的进展与趋势

2020-07-11 09:39

 

  全球时空基准网是获取地球时空信息的基础设施,它包括地基时空基准网、空间时空基准网和海洋时空基准网3个部分,其中海洋时空基准网的建设尚属起步阶段。

  先就海洋时空基准网的概念及内涵进行了分析,并从海洋定位基准、高精度海洋水平及垂直定位基准等角度介绍并分析了其发展现状及未来趋势。

  海洋时空基准网的主要构建方式是综合运用GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星定位、水下声学定位以及压力传感器等技术将全球统一的时空基准传递到海洋表层、内部和底部。它的建设在我国还属于空白,故需结合国情、配合国家战略规划大力推进;指出当前全球和海洋监测的需求普遍甚旺,而现有海洋监测网多为局域网络,未与时空基准网融合,故海洋缓变或快变的时空不清楚或不精确,因此,将海洋时空基准网与海洋监测网融合起来建设,实现效益、效率和功能的互补提升,显得尤为重要和紧迫。

  21世纪是海洋的世纪。海洋贮藏着丰厚的自然资源,也同时是影响全球和气候变化的主要动力因素。精准地海洋动态和开发利用海洋资源已成为人类文明持续发展的关键。

  中国第十九次全国代表大会报告明确提出加快“建设海洋强国”的战略。这一战略在实施中面临技术局限性和复杂性的严峻挑战,如海洋资源、事件、目标等信息发生的状态实时或快速的能力不足,以及相应资源、事件、目标发生的准确时间和的获取能力不足等,对于这些挑战我们需从基础设施做起。

  时空是一切自然和人类活动的载体,时间和信息也是一切表征事物属性的物理空间状态和演化过程的标识;全球性时空基准网将时空参考框架与地球坐标系的、尺度和方向基准“钉”在一起,是获取时空信息的基础设施。

  当前,可以由全球卫星系统(Global Navigation Sate- llite System, GNSS)作为基础来实现。全球时空基准网包括地基时空基准网、空间时空基准网和海洋时空基准网。

  目前,构成GNSS主体部分的地基和空间时空基准网络已基本成形, 并已在陆地和近地空间提供定位、、授时服务多年,而同时能提供海面、水下和海底定位与授时服务的海洋时空基准网建设尚属起步阶段。

  由于全球卫星系统的信号载体(电磁波)在水中衰减严重,而声波、蓝绿激光和超低频电磁波等在水下中各具特点或性能甚优,故现阶段海洋时空基准围绕声学定位技术为主并辅以其他手段进行建设。

  目前,采用水下三维定位方法建立了若干局域的海洋大地基准,但该类基准目前还无法满足高精度的定位需求。由此,大地测量学家提出基于声学测距建立高精度水平定位基准以及基于压力计建立高精度垂直定位基准,通过组合空间卫星定位技术、水下声学定位技术和压力传感器技术等,将全球统一的时空基准传递到海洋内部,能满足地球科学的研究需要和海洋时空基准建设和海洋观测的需求。

  海洋监测网是为针对特定海洋监测需求建立的另一种海洋观测网络。通常其一种形式是有多种传感器负载的有缆观测舱与光纤通信联网布设的海底局域监测网络,另外一种是利用装备有多种或特定海态传感器、分设于水面或水下一定深度的无缆浮标来动态广域海洋的网络。

  目前,由于是局域的、分散的或实验性的等原因,海洋监测网对时空的精度需求不高,一般尚未与海洋时空基准网联合布设。

  随着海洋监测的广域化、全球化、联网化和任务的精细化,为提升资源利用效率和满足经济和社会发展的精准需求,融合海洋时空基准网与监测网,建设一体化的海洋时空基准与监测网,使水面水下各种设备在统一时空框架内并联网协同作业,肯定将会成为一种趋势。

  围绕海洋时空基准网的建设问题,本文首先阐明了海洋时空基准网的内涵,分析了国内外海洋定位及授时方法的发展现状;然后, 针对海洋时空基准网应用,梳理了海洋监测网的国内外发展现状,阐述了其与海洋时空基准网融合建设的必要性,并剖析了融合网络与Internet互联形成的海洋互联网的建设结构与关键问题; 最后, 论述了海洋时空基准网的核心基础设施地位,并展望了与该领域相关的研究方向。

  海洋时空基准网由布设在海洋表面、水体中以及海洋底部的时空基准站(也称参考站)组成,以海洋表面基准站装备的高精度GNSS卫星动态定位结果为基准,对水下和海底基准站展开声学定位和时间传递,同时进行海洋重力测量、磁力测量和惯性,并将结果与GNSS陆地大地控制网融合,提供海洋基准站在地球坐标系中的精确坐标及其随时间变化的信息。

  海洋时空基准站由海面漂浮、海面下一定深度被动或主动移动的观测舱和相对固定于海床上的观测舱组成。在海洋表面布设按一定空间距离分布的浮标式观测舱或岛礁式工作站,舱内的GNSS接收机观测中国的北斗(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、美国的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的伽利略(Galileo)等系统的卫星,并进行实时动态定位,以分米级甚至厘米级精度确定载体的四维时空。

  舱内向水下安置具有测距功能和数据通信传输功能的多种声呐,依需求或者还有激光和超低频等,对水中和海底同类性质的观测舱进行声学/激光测距与/无线通信,这些观测舱在地球大地坐标系下的坐标及其移动速度。

  这些观测舱或悬浮于海洋水体的不同深度处,或按适当分布和按探测任务要求相对固定于海底,组成水下声学定位与通信网络系统,构成或局域、或广域或全球的海洋时空基准网络。图1为海洋时空基准网的全局概览,包括移动式和固定式海洋基准站、定位系统、授时系统、电能供给系统、通信系统、岸上中心台站及岛礁中继站等组成部分。

  这一海面、水下和海底立体网络与陆基和岛基所建的北斗/GNSS地基增强系统同步观测、统一数据处理,实现海洋陆地时空基准网联合组网,使海陆时空基准统一,构成陆海空天一体化的时空基准网络。

  这一海洋时空基准同时也作为信号源为水面、水下和海底其他目标提供定位授时信号,反过来也可通过和分析所接受的多种声音信号来探测水面、水下和海底的合作性或非合作性目标,提取海洋与海底事件时空信息。

  海洋时空基准网的定位系统主要围绕声学测距和压力计等技术进行工作,可实现定位和大地测量功能。在海洋声速场不够精确时,其授时系统尚无精确的解决方案。利用海面GNSS接收机、水下原子钟以及海底光电缆等设备进行授时为水下时间同步提供了新思。

  电源供给系统包括用于浮标和潜标的电源自给系统以及用于海底观测舱的电缆供给系统。通信系统包括用于浮标与潜标的无线通信系统(声学、蓝绿光和超低频电磁波)以及用于海底观测舱的光缆通信系统。岸上中心台站和岛礁中继站负责数据管理、呈现、分析以及电源配送和各站点观测状态的,并连接陆基GNSS观测站。

  海洋时空基准站可加载多种传感器设备,包括卫星信号接收机、声学、惯性、原子钟等时空传感器,重力仪、磁力仪和地震仪等大地测量和地球物理传感器,温盐压仪、流速计和压力计等水文传感器以及海洋通信设备。

  众多类型传感器支撑的海洋时空基准网能为海域划界及权益等主权问题,服务、海洋资源开发和信息共享等工程问题,目标探测、识别及等军事问题,海洋时空基准的、大洋板块运动、地球重建模、海洋生态变化等科学问题提供时空信息解决方案。

  故海洋时空基准网可承担与海洋要素等信息的收集、和共享的责任,形成海洋监测网和海洋物联网/互联网的雏形。

  完备的海洋时空基准网既可为水面及水下的各类人造设备提供时空信息,进行立体定位,执行预定的航行任务或进行时空标注;也可以监测海底板块与水体等的动态变化,完善海洋乃至地球系统的模型;承担监测和设备互联的部分任务,支撑信息和共享等服务。

  故海洋时空基准网是海洋定位、海洋监测网以及海洋互联网/物联网的共性基础设施,既为海洋地理空间信息大数据智能网络的时空基准,也是陆海空天全球时空基准建立和的重要组成部分。

  海洋时空基准网海底部分的建设流程见图 2。首先进行基准点布设,基于海面设备的GNSS动态定位结果进行基准传递,获得海底基准点的信息;根据海底基准点之间的测量结果进行基准网的校正和平差,得到每个站点的精确,最后进行组网观测。其中涉及的关键技术包括卫星与声合定位技术、海陆控制网数据的联合处理、多源数据处理与融合、时空基准及更新等。

  目前海洋中的方式主要包括5种:自传感器、地图匹配、多航行器协作、卫星定位以及水声定位。

  自传感器的原理是航迹推算,不仅需要绝对初始,且误差累计会随时间迅速增大;地图匹配基于高精度地形、磁力或重力图进行,为了使结果融入统一的时空框架,也需为初始地图赋予绝对的时空信息;多航行器协作仅能提供相对结果,需辅以时空基准才能获得绝对;电磁波在海水中穿透能力有限,卫星定位仅能为海面设备定位。

  不同于电磁波,声信号可在海水中长距离,故水声定位得到广泛应用,成为海洋时空基准网立体定位的主要方式。

  水声定位技术利用声脉冲对水面以及水体中的人造设备进行定位,服务于人类的海洋活动及研究,是海洋时空基准网的重要技术组成部分。其基本原理是测量不同径的声脉冲之间的时间差或相位差,反演目标。根据基线长短可将水声定位技术分为长基线(long baseline,LBL)、短基线(short baseline,SBL)、超短基线(ultra short baseline,USBL)定位技术,对应的定位系统分别称为长基线)、短基线)和超短基线 长基线定位系统

  长基线水声定位系统将时空基准布设在海底,基准间距为几公里到几十公里的量级,测量目标声源到各基准的距离,确定目标。

  短基线水声定位系统将时空基准布设于海面平台的底部,基准间距一般为几米到几十米,利用目标的声信号到达海面平台各基准的时间差,解算目标的方位和距离。

  超短基线定位系统将一个声学换能器和数个水听器集成为船载的基阵,以基阵的中心为参考点,形成一个时空基准,水听器间距一般为几个厘米到几十厘米,利用声信号到达各水听器的相位差确定目标的方位与距离。

  为充分发挥上述定位系统的优势,达到取长补短的效果,组合式水声定位系统(见图6)应运而生,既包括海底基准,也包括船载基准,以提高定位精度,拓展应用范围。

  近年来,又发展了网状长基线定位系统(Net-LBL,见图 7),利用测船、浮标以及无人船等设备搭建临时的海面长基线时空基准,以廉价的声学调制解调器代替专门的声学换能器,基于卫星动态定位结果进行水下人造设备的定位。

  以上5种水声定位系统既可采用同步信标工作方式,也可选用应答器工作方式。同步信标工作方式要求在基准站和待测目标上均安装高精度的时钟同步系统,信标定时发射信号,获取信号单程时间,确定目标。

  对于应答器工作方式,长基线定位系统要求在待测目标上安装询问收发机,基准站上安装应答收发机,而短基线和超短基线定位系统的要求正好相反。在应答工作时,它们测量询问信号与应答信号的总时间,反演空间距离,确定目标。

  为削弱水下声学定位的空间相关性误差,海洋大地测量领域的学者提出规划航迹、声学差分以及压力传感器约束等技术手段。规划测船航迹可充分发挥观测值的冗余性和几何对称性,使声速等系统误差可在解算中相互抵消,以提高海底基准站的定位精度。

  声学差分技术以单差或双差模式削弱信号时间上系统误差的影响,但该方法垂直定位结果不稳定。针对海底基准站垂直定位结果容易发散的情况,利用压力传感器反演的高精度水深值约束解算过程,可提升海底基准站定位精度。

  作为分布式系统,时间同步是海洋时空基准网的一个关键问题。由于分布式系统内的晶体振荡器并不完全相同,各节点的本地时钟之间存在差异,故对于网络中发生的同一事件和用于协同网络的消息,不同节点间必然存在时间观测偏差。为使分布式系统正常运转,必须对各节点的时钟进行时间同步,将本地时钟校正到标准时钟上,进而在系统中确定一个统一的全局时间。

  与采用电磁波通信的地基时空基准网不同,海洋时空基准网采用声波信号进行通信,该通信方式具有速度慢、延迟大且时变;信号链距离长;信道带宽小;信号衰减严重;发射能耗高;包含移动节点;误码率高;多径效应严重等特点。

  这些特点使成熟的陆地时空基准网时间同步算法无法直接应用于水下。目前针对海洋时空基准网的授时问题尚无精确的解决方案。有学者提出以浮标为中继,采用北斗/GNSS时作为基准定时源,利用水下原子钟和海底光电缆等对仪器设备进行授时,该方法为水下时间同步问题提供了新思。

  基于水声定位技术可测得目标的三维,但由于水下误差改正技术的,其定位精度不能满足海底板块及水体动态变化等研究的需求。对此,海洋大地测量学家将水声立体定位拆为水平定位和垂直定位两部分,并通过技术改进或设备研发的方式将定位精度从分米级提升到厘米级甚至毫米级。其中,水平定位围绕声学测距技术进行,垂直定位围绕以压力计为代表的设备展开。

  水声定位技术虽然能以很高的精度测量声波的时延,但声速误差极大地了定位精度。声波在海水中的遵循Snell定律,声速主要在垂直方向发生变化,属于深度相关的函数,呈现为分层模型。大地测量学家提出,通过改进测量策略和解算方法,水声定位技术可获得高精度水平定位结果,以满足海底板块监测等地球科学的需求。

  海洋时空基准网高精度水平定位方法可分为直接测距法、间接测距法和GNSS/声学测量法。直接测距法在海底布设时空基准站,连续监测它们的相对距离,原理如图8所示。由于海底声速呈现负梯度变化,声线向海面弯曲,为避免声线触底,基准站间距每增加1 km,基站的架设需提高约3m。由于基站架设不易过高,以基准的稳定,故基准站间距一般设置为1km左右。2012年,日本的Osada等于900m基线 cm精度的水平测距结果。

  2013年,伍兹霍尔海洋研究所McGuire等用直接测距法于1km的基线年,法国、和土耳其的学者在北安纳托利亚断层伊斯坦布尔-西利夫里段布设了10个基准站,基于直接测距法算得此段断层年位移量为1.5~2.5mm,处于闭锁状态。

  间接测距法的思想由美国Scripps海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)的Spiess于1985年提出。2005年,SIO的Sweeney等将该思想精细化、具体化后,提出目前的间接测距法(见图 9),并在胡安德富卡板块的北部区域进行了实施。该方法在海底布设3个高精度应答器作为时空基准,相互间隔约5km,由船拖曳换能器从应答器阵上方约300m处经过,进行声学测量。

  试验结果表明,该方法能以1~2cm的精度测量5km左右的海底基线年,SIO的Blum等于加利福尼亚的圣巴巴拉海盆利用间接测距的思想进行了海底坡面稳定性的评估。应答器基准阵列中的1个应答器悬浮于离海底5~10m处,间接测量跨越倾斜粗糙海底的基线km的斜坡基线 水下声学间接测距法

  直接测距法和间接测距法都只适合于小区域的海底水平定位,针对较大的区域需用到GNSS/声学定位技术。GNSS/声学定位技术组合水面卫星定位技术和水下声学定位技术,确定海底基准站的水平,该思由美国SIO的Spiess于1985年提出,并于1994-1996年在胡安德富卡板块边缘首次实施。

  该定位技术的原理如图10所示,将数个应答器布放于海底一个半径为平均水深的圆上,在科考船底部安装声学换能器,并分别于船的主桅杆以及船尾左右舷处12m高的金属架顶端安装GNSS接收机天线 GNSS/声学定位法

  利用光学设备测量GNSS天线与换能器间的相对,实现毫米级精度传递。作业期间利用动力控位技术将科考船控制在海底应答器基准阵列的中心轴线附近,完成对应答器阵列中心虚拟基准站厘米级的定位,所需测量时间与海况、海水的性质、水深以及应答器类型等相关,一般需24h以上。目前美国在胡安德富卡板块内布设了或计划布设大量此种类型的基准站,如图11中红色和橙色正方形所示。

  SIO的GNSS/声学定位技术提出后,日本海上厅的海洋水文部(The Hydrographic and Oceanographic Department of Japan,JHOD)于1995年开始进行研究,而后东京大学、、名古屋大学、京都大学及工业科学研究所等众多日本科研机构也纷纷开展了相关研究,取得了一系列很好的。

  经过20多年的大力发展,目前日本已经成为GNSS/声学定位技术的主要实施国。2000年,JHOD在日本南海海槽的熊野盆地进行了日本的第一次GNSS/声学定位试验。不同于SIO的GNSS/声学定位技术,该试验将GNSS天线、姿态传感器以及换能器集成到一个杆子上,固定于科考船尾部,即杆系系统,见图 12(a)。

  作业期间,科考船在应答器阵列上方漂游,以避免螺旋桨对声学测量的影响及航行时的额外水压导致观测杆变形的情况,但该工作模式的航迹不可控,效率低下,且观测过程需人工不断调整设备。2006年,Fujita等引入线性反演法并估计声速剖面的时间变化,使该技术水平测量结果的可重复度达到cm级。

  2008年3月,JHOD将其GNSS/声学定位技术的海面部分由杆系系统改为类似于SIO的船固系统,如图 12(b)所示。新系统的GNSS天线、姿态传感器及换能器分别固定于船体中央部位,使科考船可在不干扰GNSS/声学定位系统的条件下按预定轨迹航行,极大地提高了观测数据的几何结构。

  美国SIO的GNSS/声学定位技术将科考船控制在应答器阵列的中心轴线附近,可获得高精度水平定位结果;而日本JHOD的GNSS/声学定位技术控制科考船沿预定轨迹航行,不仅能进行水平测量,理论上还可进行垂直的测量。

  图13为日本GNSS/声学定位测量时科考船的航迹图,试验结果表明,通过16~24 h的测量,海底基准站的水平定位精度可达2cm。2006-2011年,Yokota等[54]基于新旧两种技术手段检测了日本海沟的6个海底基准站,结果说明不同地方的板块耦合率不同。基于新技术,2015年,Watanabe等成功测量了菲律宾海板块外模相海槽处非火山区域的俯冲速度。

  GNSS/声学基准站为海底应答器阵列,由3个、4个或者6个应答器组成,布设尺寸随深度的增加而变大,且假定测站内应答器的相对固定。2011年日本东北大地震后,日本加大了深海海沟附近大地测量的力度,于2012年沿日本海沟新布设了86个海底应答器,共20个GNSS/声学基准站,大部分位于水深5 000 m处,分布如图14所示;沿日本南海海槽也增加了8个GNSS/声学基准站,总数目达到15个,分布如图 15所示。

  2012年开始,日本的研究团队对日本海沟的GNSS/声学基准站进行了共计5次测量,由于时间跨度仅有1.5a,参数估计误差为10cm左右(大于大部分基准站的大地形变量),只有少部分基准站明显地探测到了与地震相关的位移。2016年,JHOD学者分析南海海槽15个GNSS/声学基准站的数据,更新了该地区的滑动亏损速率模型。

  海洋中水深每增加10m,压强约增加1个大气压,故常将压力计测量值换算为水深值,作为待测点的高程信息。目前主流的压力计在海面和海底均可测得毫米级精度的高程形变信息,所以可用压力计在海底建立固定的垂直基准,即海底压力记录仪法(bottom pressure recorders,BPRs)。

  2014年,日本的Takahashi等设计了基于该方法的监测系统,能以优于5mm的分辨率测得海啸和海底板块8m内的垂直变化。2016年,意大利的Iannaccone等在意大利北部海域基于该方法进行了海底垂直位移的监测(见图16),试验中布放了4个浮标系统,它们各自连接一个海底压力计垂直基准。经过16个月的试验,测得海底垂直方向抬升了(4.20.4) cm。

  由于海底压力计容易监测明显的、迅速的变化,不易监测微小的、缓慢的变化,且高程结果存在每年约8 cm的漂移,故海洋大地测量学家在海底布设水准网,于较短时间内利用压力计测得待定点至远处参考点的相对高程(见图17),克服结果漂移的问题,即移动压力记录仪法(mobile pressure recorders,MPRs)。

  同时海底压力计的自改正方法也是该领域的一个研究热点,试图将压力计的漂移率从每年8cm降到每年1cm内。2013年,美国的Sasagawa和Zumberge设计了一种可进行自改正的海底压力计(见图18),水深600m处的试验表明,104天内结果漂移了1.3cm。2015年,的Gennerich和Villinger提出一种新的漂移自改正思,即海底差分压力计(见图19),将压力计每年漂移量控制在1cm内。GNSS/声学基准站处用压力计捕捉厘米级的瞬时垂直位移,借助自改正式压力计使测量结果数月内保持厘米级精度,利用MPRs实现长时间的高精度测量,这都对完善目前海洋垂直方向测量的不足有巨大意义。

  目前,国内外海洋时空基准网的建设都处于起步阶段。虽然利用水声定位技术可为各种人造设备提供海洋立体功能,但由于以声速为主的误差影响,结果的精度较低;面对大地测量的高精度需求,分别围绕水声测距和压力计技术建立了海洋高精度水平与垂直方向的时空基准,提供厘米级的水平测量结果和毫米级的垂直定位结果,但其主要针对科学领域。

  为满足海洋世纪对精准时空信息的巨大需求,以中国、美国为代表的海洋大国已立项进行水下全球定位系统的研究,发展完备的海洋时空基准网。2015年,美国国防高级计划局发布“深海定位系统”项目公告,研究在海底布放声学基准站,组建类似GPS的定位系统。2016年,我国立项进行“海洋大地测量基准与海洋新技术”相关的研究,期望建成水下全球定位系统“深海北斗”。

  海洋时空基准网是海洋定位、海洋监测网以及未来海洋互联网的共性基础设施。海洋监测网和海洋互联网与海洋时空基准建设的深度融合,也将成为当今海洋监测的精确化和海洋信息传输的主要手段。

  在海洋时空基准网的海面、海下和海底观测舱内加载的各类时间与传感器和换能器、应答器、水听器等声呐器件基础上,增加海态器件,必要时甚至连接上通信光缆,则构成了海洋时空基准网与海洋监测网的融合网络。

  两者存在众多共享的物理设备,包括电能供给系统、通信系统、观测舱及水下机器人等。海洋时空基准网将全球统一的时空框架扩展到水下,可为海洋监测网提供实时的精准时空信息,支持局域监测网结果的融合处理,实现对物理世界的估计、检测、控制和观察。随着海洋的重要性不断提升,已将精准海洋监测定为海洋科学发展的共同方向,投入了大量人力和财力,同样也为海洋时空基准网融入海洋监测网提供了发展契机。

  现有海洋监测网多为针对特定需求建立的局域网络,分无缆锚系浮标系统和有缆监测网两种类型。其中,基于光电缆的有缆监测网突破了海洋观测中能量供给和信息传输两题,成为海洋监测网的主流发展方向,故本文主要以有缆监测网为论述对象。该网络在海底布设观测平台,与各类海洋观测设备相联,通过电缆和光纤网向海底平台输送电能并收集信息,进行长期自动化观测,基本结构如图 20所示。

  建立海洋监测网的思源自冷战时期美国的水下声学系统,该系统在太平洋和大西洋中布放水听器阵列,用以苏联潜艇的动向。1970年代,日本科学家利用废弃的海底通信电缆连接海底地震仪,进行地震监测和海啸预警等方面的研究,形成了有缆海洋监测网的雏形,开始效仿。随着海洋监测网技术的发展,逐步实现了实时、连续以及长期的海洋三维观测,已成为当前海洋科学研究的共同目标。目前全球已建成和计划建设的观测网分布见图21,主要建设国家和地区包括日本、、美国、欧盟和中国。

  日本作为最早建立海洋监测网的国家,1979年便建成了第一个海洋监测网(Tokai网)。2006年, 日本提出密集海底地震和海啸网络系统(Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis, DONET)计划,在伊豆半岛南海附近地震源区铺设海洋监测网,2015年建成(见图 22)。DONET系统由20个观测站组成,各观测站均集成了强震仪、宽频带地震仪、水听器、压力传感器、温盐压测量仪(Conductivity-Temperature-Depth,CTD)、声学多普勒测流剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)和设备等传感器,宽频带、高精度地监测日本南海海槽附近的地震情况。

  2011年311东北大地震后,日本海沟海底地震海啸监测网(seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan trench,S-net)开始立项建设,并于2015年投入使用,包含6个陆地基站以及150个相隔30~50 km的海底观测站,它的光电缆总长达5 700 km(见图 23)。S-net为目前全球规模最大的海洋监测网,规模是现有海王星海洋观测网(north east pacific time series under sea networked experiments,NEPTUNE)等综合性海洋监测网的数倍,但集成的传感器类型单一,且为封闭式设计,不易拓展,其主要任务仅为地震和海啸监测。

  也是较早筹建海洋监测网的国家,包括NEPTUNE部分(NEPTUNE Canada)和海洋观测网(Victoria experimental network under the sea,VENUS),它们一起构成了的海洋观测网(ocean networks Canada,ONC)。

  NEPTUNE是世界上第一个大区域、多节点、多传感器的有缆海洋监测网(见图 24)。该监测网位于美国和的交界处,于1998年由美国正式启动,于1999年参与。2009年完成了长约800 km的环形主干网的建设任务,起始陆地基站位于的艾伯尼港,如图25所示。NEPTUNE设立33个海底观测站,各观测站均集成地震仪、CTD、营养盐分析仪、潜标、波浪传感器、ADCP、电磁海流计、照明设备、设备,以及缆控式水下机器人(remotely operated vehicle,ROV)、自治式水下机器人(autonomous underwater vehicle, AUV)等。该监测网主要用于海底板块构造、地震动力机制、洋壳内的流体通量、增生楔中的天然气水合物、海洋气候和深海生态系统的动力过程等内容的科学研究。

  VENUS是一个近岸的海洋监测网,为海王星观测网的原型试验,其基本结构如图26所示,包括两个子监测网:2006年布设的单节点监测网,长约4km,节点水深100 m,位于萨尼奇海湾;2008年布设的双节点监测网,长约40 km,位于佐治亚海峡。VENUS观测网主要用于研究海洋过程、生物过程及三角洲的动力机制。海底观测站连接的仪器包括计、水听器、强震仪、CTD、ADCP、氧气探测仪、水体声学剖面仪、沉积物捕获器、照机等设备。

  美国的海洋监测网起步较早,1996年建成长期生态观测系统(the long-term ecosystem observatory at 15 m,LEO-15),2000年制定了大洋观测计划(ocean observatories initiative,OOI),2011年建成ALOHA(along-term oligotrophic habitat assessment)观测网,2016年OOI全面启用。美国作为监测网数量最多的国家,其监测网的全面性、多样性和统一性,目前处于世界领先水平。

  美国最著名的海洋监测网就是OOI,它由美国国家科学基金委海洋科学部设立,包括全球网、区域网和近海网等3部分内容,其中与合建的NEPTUNE监测网的美国部分也被纳入该计划。2011年该计划在东太平洋俄勒冈布设了约900km的海底光电缆,并联接到位于太平洋城的陆地基站。该监测网的节点主要由如下单位负责管理:大学、Scripps海洋研究所、州立大学、俄勒冈州立大学、伍兹霍尔海洋研究所、亚利桑那州立大学和雷神公司等。

  1) LEO-15观测网。1996年由美国罗格斯大学布设于大西洋大海湾海岸带,用于海底生态的监测,包括岸基站、2个水深15 m的科学节点和长约9.6 km的海底光电缆,为美国第一个海底监测站。

  2) 马萨葡萄园岛海岸观测网。2000年由伍兹霍尔海洋研究所布设于埃德加顿南岸约1.5 km的海岸带区域,包含2个科学节点,水深分别为12 m与15 m,用于监测海岸带区域的参数。

  3) 灯塔海洋研究计划锚系观测网。2005年由美国灯塔海洋研发公司布设于北阿拉伯海和阿曼海的浅水区域,2010年与德克萨斯州农业大学一起将其升级为深海有缆监测网,主干光电缆354 km,包括1个海啸预警系统、5个科学节点(水深60 ~1 350 m)及4个水深3 000 m的观测站,主要记录温度、盐度、压强、溶氧量、海流及浊度等数据。

  4) 蒙特利加速研究系统。2008年由蒙特利湾水生研究所布设,由52 km的光电缆和一个水深891 m的海底科学节点组成。该系统的主要目的是为设备提供深海试验平台,共8个湿插拔接口支撑海底仪器的电力和通信需求。

  5) ALOHA观测网。2011年由夏威夷大学布设于瓦胡岛北100 km处,水深4 726 m,包含一个230 m的海底锚系系统,利用废弃海底通信电缆监测深海水体属性和声学特征,并进行海底摄像,研究深海的生物特征及物理和化学性质随时间变化的情况。

  欧盟的海洋监测网计划可归纳为欧洲海洋观测网(European seafloor observatory network,ESONET)和欧洲多学科海底观测(European multidisciplinary seafloor observatory,EMSO)。ESONET由各参与国的科研机构负责,主要进行海洋监测网统一规划与设计;EMSO为参与国的部门负责,主要进行海洋监测网的建设及,两者密切配合、协同推进。图27展示了欧洲主要海域规划建设的15个海洋监测网,其中标白色五角星的9个已开始运营。由于欧洲现阶段的海洋监测网不是一个整体网络,各区域观测系统都有自己的领导单位和执行委员会。ESONET计划通过不断的发展,将各子网组成统一的联合体,以监测欧洲周边的整体海域。

  1)北冰洋观测网。由负责,包括17个水深1 000~5 000 m的永久观测站,主要监测深水环流、海冰消融对生态系统的影响,计划补充基于海冰的浮标观测系统,首批32个浮标已成功布设。

  2)豪猪湾深海平原观测网。由英国负责,包括水深4 800 m的着陆器和锚系浮标,加载多种科学仪器以及传感器,主要用于监测气候变化的影响。

  3)亚速尔群岛观测网。由法国负责,包括水深1 700 m的两个观测站,主要用于海底热液喷口研究。

  4)加那利群岛观测网。由西班牙负责,包括水深3 600 m的多学科缆系装置,主要用于测试深海仪器设备并研究海洋生态系统恢复力。

  6)西艾欧尼亚海观测站。由意大利负责,包括水深2 100 m处的有缆主基站,搭载宽频地震仪、压力计和水听器等设备,主要用于地震、海啸、火山活动以及背景噪声研究。

  7)希腊弧观测网。由希腊负责,包括水深4 000 m处的缆系中微子延伸望远镜与海洋研究站,主要用于地质灾害、溶氧量以及流体通量的监测。

  8)马尔马拉海观测网。由土耳其负责,包括5个缆系的地震及海洋学观测设备,主要用于地震监测、双层流研究。

  9)黑海观测网。由欧盟负责,包括5个海底观测站和5个装载传感器的浮标,主要用于地质灾害的预警。

  目前中国海洋监测网建设尚属起步阶段,开展了探索性的布设以及研究工作,主要包括如下6个部分。

  2009年东海海底观测网小衢山试验站建成,次年基于该监测网进行了跨洋海啸信号的分析。该试验站位山国际深水港东南约20km的小衢山岛附近,平均水深15m,由长约1.1km的光电缆、1个海底接驳盒以及CTD、ADCP和浊度仪等组成。2011年在舟山东部的长江口区域,基于小衢山试验站,开始布设750km的环形海洋监测网,主要用于记录地震和海啸数据、泥沙的等。

  中国科学院声学研究所的南海海底观测网位于海南陵水海域,主要用于海底的探测以及目标的。2009年南海声学与海洋综合观测实验站挂牌;2011年中国科学院在陵水建设了南海海洋技术与系统试验研究;同年科技部在陵水建设了光纤长度为100km的海底探测系统;2012年科技部又依托陵水开始建设南海深海海底观测网试验系统,2016年建成。它是我国第一个自主研发的大规模深海海底观测网,能实时获取我国南海区域海底活动和海洋的信息,为国防安全及海洋灾害预警等提供数据支撑。

  2013年由中国科学院南海海洋研究所牵头,联合沈阳自动化所和声学研究所,在海南三亚海域建设了海底观测示范系统。包括岸基站、长约2km的光电缆、水深20m的两个接驳盒、1个声学网关节点和3个搭载观测设备的观测站等。同时,2009年中国科学院南海研究所在西沙群岛永兴岛建设了深海海洋观测研究站,这是中国地区第一个水深超过1000m的海洋观测站。

  浙江大学的摘箬山岛海洋观测网主要应用于地震监测。2013年,浙江大学开始在摘箬山岛北部海域进行海洋观测网的布设工作,2014年正式建成。它由1个接驳盒、2个科学仪器插座模块、14个传感器和1个摄像设备组成。传感器类型包括CTD、ADCP、磁力计、浊度仪、酸碱度检测仪、氧气探测仪、叶绿素仪以及有机物检测仪等。

  国家海洋局的海洋立体监测系统(主要由沿海各城市的监测网组成)用于满足我国海洋防灾减灾、海洋经济发展、海洋科学研究、海洋权益和海洋生态文明建设等方面的需求[89],目前已建立的子系统包括:上海海洋立体监测和信息服务系统、海峡及毗邻海域海洋动力实时立体监测系统、渤海海洋生态海空准实时综合监测示范系统、海洋立体监测系统以及深圳市海洋综合立体监测网等。

  中央气象局的“妈祖计划”(marine cable hosted observatory,MACHO),原定为环状缆线个海底主基站。由于经费问题,缆线年建成,它位于中国东北宜兰县头城镇外海,最深处为300m。海底仪器主要包括宽频带海底地震仪、高频地震仪、水听器、CTD以及高精度压力传感器等设备。初期目标是监测海底地震、海啸及南冲绳海槽海底火山活动,后期目标将升级为监测各项海底因子。妈祖观测网所处地形如图28所示,红色线为目前主干电缆的,白色线为规划的新主干电缆线的。新主干电缆前半段与目前缆线相同,而后往南延伸62 km至南澳海盆。

  日前,中国第一个海洋领域国家重大科技基础设施——国家海底科学观测网已正式立项,建设周期5 a,总投资逾21亿元,观测网的预计寿命约为25 a。该项目由同济大学牵头、中国科学院声学研究所共建,在中国东海和南海海底分别建设基于光电复合缆的海洋监测网,实现海底向海面的全方位、综合性、实时的高分辨率立体观测。观测网缆线km,侧重于生态和海洋灾害的观测,并规划在上海临港建立监测与数据中心,对整个海底科学观测系统进行数据存储和管理,并对其网络的运行进行监测。2017年6月,国家海底科学观测网项目组提交了该大科学工程项目的可行性报告。

  海洋时空基准网与海洋监测网融合建设,各个网站之间通过光缆或无线(声波或者蓝绿光)进行数据传输及信息交换,便形成一个海洋物联网,亦即海洋时空大数据网。该网和现有的Internet互联就构成一个全球性的网络,可称为海洋互联网。

  它为水下每个对象建立全球可访问的虚拟实体,在全球统一的时空框架内记录并存储该对象当前及历史的物理属性和背景。人类可利用Internet获取这些信息,并通过人与人、人与物和物与物的通信方式对海洋中的各类人造设备进行远程控制,进而把整个立体海洋纳入人类的认知和控制范围。

  海洋互联网的关键部分是水下节点和边界由。水下节点可由主机远程控制,负责收集、处理和传输数据;边界由主要安置在航船、浮标、岸基、无人水下航行器(unmanne underwater vehicle, UUV)和观测舱等平台上,负责桥接水下网络段与传统IP网络,通过电信通信网和卫星通信网接入Internet。海洋互联网综合了资源非常有限的无线传感器网和时延非常长的延迟网,与Internet有着明显的区别。陆地通信常用的无线电波在海水中衰减严重,且频率越高,衰减越大,只能用于短距离高速通信,无法满足远距离的传输要求。声波信号在水中衰减较弱,可长距离,故常被用作水下无线通信系统的传输载体。然而,它存在时延长、误码率高、多径效应强、带宽受距离、速率受(压力、洋流、温度、深度、噪声)影响大等特征。

  本文认为,海洋互联网可参照Internet分为局域网、区域网和广域网。局域网是实现某特定功能的局部网络,由静态节点和移动节点构成,网络中的数据可通过水声、条件容许时也可用光学或超低频通信等手段在中继节点中传输。水下静态节点彼此之间组成一个稀疏水声通信网络,节点间先可以水声方式构成通信链。移动节点由携带多种传感器的下潜器组成,节点间可相互链接成一个动态的自组织子网,用于扩大水下网络的通信范围。由于水下的复杂性,不同深度、不同传输距离、水平及垂直方向等分别适用于不同通信方式,水下网络节点可综合传感器的,根据信道条件自动地选择恰当的通信模式来建立通信链接。图 29是水下声学无线通信网络概念图,这是典型的局域海洋互联网。

  区域网是将若干功能不同的局域网络通过接驳盒链接到海底光电缆上实现国家级或区域级的覆盖。接驳盒相当于网络中的一个由节点,其基本功能是中继和由,并将海底光电缆中传来的电能进行转换和分配,实现基站和各局域网的信息通信。

  区域网的光电缆可与海底通信电缆对接,实现网络的扩展。若干区域网络连接在海底通信电缆上,或通过海面基准浮标观测舱和海岛基准站与通信卫星实现无线链接,便可以构成跨国家、跨洲际的广域网,组成整个海洋互联网。届时任何连接互联网的终端(如手机)都可以通过IPV6协议访问到水下的网络节点。

  海底通信电缆是目前互联网的网络,全球总长超过80.5万km(见图30),但它们对外部海洋是聋、哑、盲的。如果在部署新的海底通信电缆系统时,增加5%~10%的费用,将其升级为海洋互联网网络,就可构建出全球统一的广域网,既可远程控制各类水下人造设备,也可对海啸、地震及海洋进行建模和预测,甚至无数条生命和数十亿的财产。

  海洋互联网的建设和发展包含6个关键问题:时钟同步、定位问题、由问题、能源问题、通信问题及安全问题。时间同步是海洋互联网极其重要的问题,通信协议中的时间戳、数据融合中用到的时间标签、睡眠调度机制和基于时隙分配的多访问控制(multiple access control, MAC)协议等都需要进行不同程度的时间同步。由于水声通信延迟大,且各节点时钟间存在系统偏差,水下时钟同步成为了一个研究难点,需利用海洋时空基准网组合GNSS和原子钟,并综合声学、光学和无线电多种手段解决这个问题。

  定位问题就是水下各节点获取自身空间的过程。海洋中存在持续的海流,水体中的网络节点具有流动性,定位难度较大。基于海洋时空基准网,利用水声定位和压力计技术可获得各节点的实时高精度空间信息。海洋互联网的由问题是基于网点的移动性和稀疏性,需要重点研究减少延时和通信能耗、降低存储空间和由信息成本的方法。

  目前海洋互联网能源主要为电缆和电池,电缆的覆盖范围有限,而海洋中电池更换也较困难,故亟待发展新的能量采集技术,如微生物燃料电池、海洋温差能、垂直压差能、海流能、潮汐能、波浪能和盐差能等[2]。海洋网点过于稀疏分散,额外增加了通信与成本,故也需研究高效的通信方式。

  目前海洋互联网能源主要为电缆和电池,电缆的覆盖范围有限,而海洋中电池更换也较困难,故亟待发展新的能量采集技术,如微生物燃料电池、海洋温差能、垂直压差能、海流能、潮汐能、波浪能和盐差能等。海洋网点过于稀疏分散,额外增加了通信与成本,故也需研究高效的通信方式。

  海洋互联网的无线通信主要依靠水声信道,而该信道具有性,利用水听器便能窃取通信数据;同时海洋互联网是动态拓扑结构的网络,网络节点容易被俘获和。海洋互联网安全问题非常突出,需对其进行建模,构建一致性、结构化的模型。借鉴现有Internet建模过程,以数据或信息为主干,建立系统流程图,依据交互活动出现的设立信任边界(权限边界),进而在信任边界处分析可能出现的,解决什么时间在哪里会有及如何有效地防范等问题。

  海洋互联网的无线通信主要依靠水声信道,而该信道具有性,利用水听器便能窃取通信数据;同时海洋互联网是动态拓扑结构的网络,网络节点容易被俘获和。海洋互联网安全问题非常突出,需对其进行建模,构建一致性、结构化的模型。借鉴现有Internet建模过程,以数据或信息为主干,建立系统流程图,依据交互活动出现的设立信任边界(权限边界),进而在信任边界处分析可能出现的,解决什么时间在哪里会有及如何有效地防范等问题。

  网络协议栈是互联网进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合,故可用于系统地分析网络的数据流程。网络协议栈包括物理层、数据链层及网络层3方面内容。物理层研究网络实体在水下中的自适应变化,包括水下通信信道建模与编解码、多模式调制与解调、资源管理与分配、信号发送与接收等内容。数据链层负责寻址以及信道的访问控制,尽量避免通信冲突、节省能量。

  由于水声信道的特殊性,水下数据链层的协议与陆地上的协议有很大不同。网络层主要负责由的选择,以便数据的传输、搜索、确定、分发,并源节点与目的节点间的由信息,完成邻居发现、分组由、拥塞控制和网络互联等功能。可按照数据产生、传输以及接收的系统脉络进行分析。数据产生阶段会遇到物理、数据注入和数据修改等;数据传输时会遭受数据窃取、协议和泛洪等;数据接收阶段会遇到伪装、内部、汇聚等。现有Internet上出现的同样也会出现在海洋互联网中,故借鉴现行互联网的模型,结合海洋互联网的特征可对其进行完备的建模。

  建设海洋强国是一个全球性、综合性、系统性的海洋发展战略,是海洋技术、能力和实力的全面超越。建设海洋时空基准网不仅是海洋强国战略的重要体现,也是人类共同开发利用海洋的重要组成部分。但是,建立全球海洋时空基准网,需要解决面临的诸多技术挑战,需靠多学科交叉,靠国家集中优势和国际广泛合作,靠落实到全球性监测和网络体系基础设施建设。

  全球海洋时空基准网首先是将全球统一的GNSS时空框架引入到海洋海面浮标作为动态基准,水下和海底段的海洋时空基准网围绕声学定位技术进行建设。当前已发展了包括长基线、短基线、超短基线、组合声学定位及网状长基线种水下三维定位方法,并基于它们建立了局部的海洋定位基准。通过国际合作实现当前所建的局域性海洋时空基准网的全球联网,既保持一定的自主可控,又能实现数据的全球共享,还有很长的要走。但应是未来必然趋势,这也可以参照国际GNSS服务组织模式来解决这一问题。

  为支撑地球科学的研究,大地测量学家提出了基于声学测距技术建立海洋高精度水平定位基准,研发新型压力计建立海洋高精度垂直定位基准。这种组合空间卫星定位、水下声学定位以及压力传感器等技术的方法,将全球统一的时空基准传递到海洋内部,能满足地球科学的研究需要和海洋时空基准建设的需求。然而,由于水声信道的高延迟特性,水下时钟同步成为了一项亟待解决的难题。

  有学者提出以浮标为中继,采用北斗/GNSS时作为基准定时源,利用水下原子钟时间的短稳和长稳都很好的特性和海底光电缆等设备进行综合授时,给水下时间同步问题提供了新思。为满足海洋世纪对精准时空信息的巨大需求,以中美为代表的海洋大国均已立项进行水下全球定位系统的研究,利用上述思可建设较为完备的海洋时空基准网和具有时空属性的海洋互联网。

  随着海洋监测重要性的不断凸现,日本、、美国、欧盟及中国等国家和地区都针对特定需求成立了众多海洋监测网建设项目,但这些监测网络大多为零散分布、各自的局部网络,未与时空基准网融合。故需加强海洋时空基准与监测网的融合建设,提升资源利用效率,形成全球性具有时空属性的认知网络。这一网络和现有的Internet通过海底光缆和卫星通信互联后构成海洋互联网,可支撑信息的和共享,确保各类水下设备在统一的精准时空下、协同作业,进而将立体海洋纳入人类的认知体系和控制范围。

  海洋时空基准网是海洋定位、海洋监测网及海洋互联网的共性基础设施,已成为地球科学未来10~30 a急需和必须解决的重要科学技术难题。但是,它的建设在我国还属于空白,故需要结合我国基本国情、配合国家战略规划大力发展。期望利用10a左右的时间建立以中国周边海域为主的国家精密动态海洋时空基准网,逐步建立国家海洋定位、、授时、通信(positioning, navigation, timing and communication, PNTC)体系与监测网,同时联合多边的国际合作,通过“一带一”的战略落实,开展全球性海洋时空基准与监测网的布设,为我国建设海洋强国的战略目标提供强力支撑。

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