本發(fā)明涉及一種如此類型的水中時(shí)間同步系統(tǒng)，例如包括：水中第一聲通信裝置和動(dòng)態(tài)水中第二聲通信裝置。本發(fā)明還涉及一種如此類型的確定時(shí)間偏移的方法，包括：水中第一聲通信裝置與動(dòng)態(tài)水中第二聲通信裝置通信。

背景技術(shù)：

當(dāng)在水下環(huán)境中作業(yè)時(shí)，有時(shí)候期望關(guān)于通信使能節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)間同步。就此而言，數(shù)據(jù)日志應(yīng)用和導(dǎo)航應(yīng)用需要時(shí)間同步。關(guān)于利用多分布式節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)日志應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)需要被同步，以便在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上記錄的事件可與在系統(tǒng)中的另一節(jié)點(diǎn)上記錄的事件相關(guān)。在不具備確定公共時(shí)間幀的能力的情況下，節(jié)點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)是不可用的。對(duì)于導(dǎo)航應(yīng)用，水下儀器需要被同步，以使得接收節(jié)點(diǎn)知道傳輸節(jié)點(diǎn)在什么時(shí)間傳輸了信號(hào)且因此可使用單向飛行時(shí)間數(shù)據(jù)用于導(dǎo)航。在IEEE精密時(shí)間協(xié)議(PTP)標(biāo)準(zhǔn)1588-2002中列出了標(biāo)題為“用于聯(lián)網(wǎng)測(cè)量及控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)”的同步方法的示例。

已知節(jié)點(diǎn)使用由品質(zhì)各異的振蕩器驅(qū)動(dòng)的本地時(shí)鐘測(cè)量時(shí)間。然而，由于振蕩器的隨機(jī)相移和漂移率，若不采取校正動(dòng)作，在系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處保持的本地時(shí)間將獨(dú)立于彼此開始漂移，導(dǎo)致系統(tǒng)中的同步損失。

已知攜帶有USBL收發(fā)器的船舶與位于海床的應(yīng)答器通信，以確定位于船側(cè)的時(shí)鐘與海床基應(yīng)答器的內(nèi)部時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移。測(cè)量是關(guān)于船側(cè)設(shè)備發(fā)起并進(jìn)行的，因此，由于船舶的移動(dòng)，在計(jì)算時(shí)鐘偏移時(shí)在船側(cè)利用全慣性系統(tǒng)以確定船舶的移動(dòng)從而補(bǔ)償此移動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，提供一種水中時(shí)間同步系統(tǒng)，包括：能夠與動(dòng)態(tài)水中第二聲通信裝置在聲學(xué)上通信的水中第一聲通信裝置，該第一通信裝置包括第一時(shí)間源，且第二聲通信裝置包括第二時(shí)間源；以及偏移計(jì)算器；其中第一聲通信裝置被安排用于向第二水中聲通信裝置傳送第一聲信號(hào)，且第二水中聲通信裝置被安排用于向第一水中聲通信裝置傳送第二聲信號(hào)作為對(duì)第一聲信號(hào)的答復(fù)；以及偏移計(jì)算器被安排用于使用與第一和第二聲信號(hào)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，以確定第一和第二時(shí)間源之間的時(shí)間偏移。

第一聲信號(hào)可具有與其相關(guān)聯(lián)的第一聲傳播路徑；以及動(dòng)態(tài)聲通信裝置可被安排用于計(jì)算由其觀察到的關(guān)于第一聲信號(hào)沿第一聲傳播路徑的傳播的多普勒頻移。

第二聲信號(hào)可具有與其相關(guān)聯(lián)的第二聲傳播路徑；以及第一聲通信裝置可被安排用于計(jì)算由其觀察到的關(guān)于第二聲信號(hào)沿第二聲傳播路徑的傳播的另一多普勒頻移。

可使用計(jì)算出的多普勒頻移以及另一計(jì)算出的多普勒頻移計(jì)算平均多普勒頻移。

第二聲信號(hào)可在預(yù)定的時(shí)間段之后被傳送作為對(duì)第一聲信號(hào)的答復(fù)。

可使用計(jì)算出的平均多普勒頻移以及預(yù)定的時(shí)間段計(jì)算關(guān)于動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置的移動(dòng)的平移距離。

可使用計(jì)算出的平移距離以及聲信號(hào)關(guān)于水的傳播速度計(jì)算時(shí)移。與第二聲信號(hào)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可包括計(jì)算出的時(shí)移。

第二聲信號(hào)可包括第一時(shí)間數(shù)據(jù)。

第一時(shí)間數(shù)據(jù)可包括關(guān)于第二聲信號(hào)的傳輸時(shí)間數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置可以是收發(fā)器。

動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置在使用時(shí)可遠(yuǎn)離于海床。

第一水中聲通信裝置在使用時(shí)可大體鄰近海床，或被栓于海床。第一水中聲通信裝置的移動(dòng)大體上不受表面波運(yùn)動(dòng)的影響。

第一水中聲通信裝置可以是應(yīng)答器。

動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置可以是應(yīng)答器。

動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置可被可操作地連接至水面船舶，并在使用時(shí)浸沒于水中。

該系統(tǒng)還可包括潛水器，該潛水器包括所述動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置。

潛水器可以是自主水下航行器或遠(yuǎn)程操控航行器。

第一水中聲通信裝置可包括輸出端口，并可被安排用于在使用時(shí)通過輸出端口傳送與確定的時(shí)間偏移相關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還可包括與輸出端口相連的處理節(jié)點(diǎn)，該處理節(jié)點(diǎn)被安排用于在使用時(shí)接收時(shí)間數(shù)據(jù)。

處理節(jié)點(diǎn)可以是海床再編碼節(jié)點(diǎn)。

第一聲通信裝置可包括偏移計(jì)算器。

第二聲通信裝置包括偏移計(jì)算器。

該系統(tǒng)還可包括表面?zhèn)扔?jì)算裝置，該表面?zhèn)扔?jì)算裝置包括偏移計(jì)算器。

第一水中聲通信裝置可以是大體上靜態(tài)的。

根據(jù)本發(fā)明，提供一種確定時(shí)間偏移的方法，該方法包括：水中第一聲通信裝置向動(dòng)態(tài)水中第二聲通信裝置傳送第一聲信號(hào)；第二聲通信裝置向第一聲通信裝置傳送第二聲信號(hào)作為對(duì)第一聲信號(hào)的答復(fù)；以及偏移計(jì)算器使用與第一和第二聲信號(hào)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)確定第一和第二時(shí)間源之間的時(shí)間偏移。

因此，可以提供一種水中時(shí)間同步系統(tǒng)以及確定時(shí)間偏移的方法，該方法提供關(guān)于在水中通信系統(tǒng)內(nèi)保持同步的改進(jìn)精確性。通過將進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間最小化因而將動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置能夠移動(dòng)的時(shí)間最小化來實(shí)現(xiàn)此。多普勒頻移數(shù)據(jù)的使用進(jìn)一步改進(jìn)了精確性。

附圖說明

將參考附圖僅示例性地描述本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，其中：

圖1是構(gòu)成本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間同步系統(tǒng)的示意圖；

圖2是構(gòu)成本發(fā)明另一實(shí)施例的另一時(shí)間同步系統(tǒng)的示意圖；

圖3是表示被圖1或圖2的系統(tǒng)所利用的確定時(shí)間偏移的方法的事件序列圖；

圖4是表示具有相對(duì)于圖3的方法的改進(jìn)準(zhǔn)確性的確定時(shí)間偏移的方法的事件序列圖；

圖5是動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置相對(duì)于靜態(tài)水中聲通信裝置的移動(dòng)的第一示例的示意圖；

圖6是動(dòng)態(tài)水中聲通信裝置相對(duì)于靜態(tài)水中聲通信裝置的移動(dòng)的第二示例的示意圖；

圖7是構(gòu)成本發(fā)明又一實(shí)施例的又一時(shí)間同步系統(tǒng)的示意圖；以及

圖8是構(gòu)成本發(fā)明再一實(shí)施例的再一時(shí)間同步系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

遍及以下的描述，相同的附圖標(biāo)號(hào)將被用于標(biāo)識(shí)相同的部分。

參考圖1，水中時(shí)間同步系統(tǒng)100包括導(dǎo)航傳感器中樞102，該導(dǎo)航傳感器中樞102可操作地與GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104相連，GPS導(dǎo)出信號(hào)例如為日期及時(shí)間數(shù)據(jù)流106以及秒脈沖(1PPS)數(shù)據(jù)流108，與來自GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104的GPS時(shí)間參考信號(hào)一起使用以提供一秒間隔的納秒級(jí)精度的源。導(dǎo)航傳感器中樞102可以為數(shù)據(jù)流(例如數(shù)據(jù)單元，如聲數(shù)據(jù)包)打上時(shí)間戳，并使用時(shí)間信息以將其他數(shù)據(jù)(如傾斜數(shù)據(jù))關(guān)聯(lián)至數(shù)據(jù)單元，因而確保其他數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)單元(如聲數(shù)據(jù)包)是時(shí)間相關(guān)的。當(dāng)然，使用其他功能和/或功能性單元代替導(dǎo)航傳感器中樞102的其他配置是可能的，如將在下文中所描述的。

在此示例中，為了支持本文中所述的以太網(wǎng)連接，水中時(shí)間同步系統(tǒng)100包括水線之上的(top-side)以太網(wǎng)。然而，相關(guān)技術(shù)人員將理解到，依照合適的以太網(wǎng)協(xié)議操作的硬件單元之間的個(gè)別的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈接可被用作本文中所述的“以太網(wǎng)連接”。

導(dǎo)航傳感器中樞102通過以太網(wǎng)連接與個(gè)人電腦(PC)或其他合適的計(jì)算裝置相連。PC 110也通過以太網(wǎng)連接與收發(fā)器接口單元112相連。

構(gòu)成第一通信裝置的大體上靜態(tài)的水中通信裝置116，例如應(yīng)答器信標(biāo)，如可購買自索納達(dá)因(Sonardyne)國際有限公司的Compatt 6應(yīng)答器，通過牽繩或環(huán)鎖(未示出)被安裝或固定于海床118或栓于海床118。如此，大體上靜態(tài)的水中通信裝置116大體上不受表面波運(yùn)動(dòng)的影響。應(yīng)答器信標(biāo)116包括偏移計(jì)算器117以及時(shí)間數(shù)據(jù)的第一內(nèi)部源115。收發(fā)器接口單元112通過諸如RS-422接口連接至水中動(dòng)態(tài)通信裝置114，例如聲收發(fā)器，如可購買自索納達(dá)因國際有限公司-英國的HPT超短基線(Ultra-Short BaseLine，USBL)收發(fā)器或Dunker 6長(zhǎng)基線(Long BaseLine，LBL)收發(fā)器。在此示例中，收發(fā)器114構(gòu)成第二通信裝置。收發(fā)器114在使用時(shí)可與應(yīng)答器信標(biāo)116在聲學(xué)上通信，收發(fā)器114還包括時(shí)間數(shù)據(jù)的第二源119，例如內(nèi)部時(shí)鐘。水中動(dòng)態(tài)聲裝置114可操作地相連于船舶的水線之上的部分，并在使用時(shí)浸沒于水中。

在此示例中，應(yīng)答器信標(biāo)的移動(dòng)范圍和程度是有限的，并且不像動(dòng)態(tài)通信裝置114那樣極端，因此可被視為是大體上靜態(tài)的。在此示例中，大體上靜態(tài)的通信裝置116關(guān)于其移動(dòng)能力受到約束，而動(dòng)態(tài)通信裝置114則不受約束。事實(shí)上，在此示例中，一個(gè)通信裝置是大體上靜態(tài)的而另一個(gè)通信裝置是動(dòng)態(tài)的，兩個(gè)狀態(tài)的差異可簡(jiǎn)化為可能移動(dòng)的相對(duì)程度的事項(xiàng)。例如，當(dāng)裝置在此被描述為“大體上(基本上)靜態(tài)的”，應(yīng)理解，該裝置并非被至該裝置外面的固定特征的物理連接完全剝奪了移動(dòng)能力，而是通過該裝置外面的其他影響力，例如水的運(yùn)動(dòng)，該裝置的移動(dòng)可在以上限制下發(fā)生。在上述示例中，盡管收發(fā)器114被描述為動(dòng)態(tài)的以及應(yīng)答器信標(biāo)是大體上靜態(tài)的，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)理解的是，更一般地，在其他實(shí)施中，第一通信裝置通?？梢允莿?dòng)態(tài)的，并且享有與第二通信裝置相同或相似的移動(dòng)自由，如將在后文中關(guān)于其他示例所描述的。

重新參考PC 110，PC 110支持合適的操作系統(tǒng)以便執(zhí)行例如可購買自索納達(dá)因國際有限公司的導(dǎo)航軟件以及偏移計(jì)算單元120，在該示例中導(dǎo)航軟件提供位置參考功能。

系統(tǒng)架構(gòu)(圖2)的另一示例包括表面接口單元200，該表面接口單元200提供電力和通信轉(zhuǎn)換功能。PC 110可操作地連接至GPS導(dǎo)出信號(hào)(例如日期及時(shí)間數(shù)據(jù)流106)的源104。GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104還將秒脈沖(1PPS)數(shù)據(jù)流108提供至另一類型的水中動(dòng)態(tài)通信裝置122，如以上關(guān)于先前示例所述的，例如另一收發(fā)器，如可購買自索納達(dá)因國際有限公司-英國的Dunker 6LBL收發(fā)器。就此而言，GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104通過諸如RS-232通信鏈接可操作地連接至收發(fā)器122。表面接口單元200通過諸如RS-232通信鏈接連接至PC 110或其他任何合適的計(jì)算裝置，并通過RS-422通信鏈接連接至收發(fā)器122。收發(fā)器122在使用時(shí)可與包括偏移計(jì)算器117以及時(shí)間數(shù)據(jù)的第一源115的大體上靜態(tài)的水中通信裝置116(例如應(yīng)答器信標(biāo)，如以上提及的Compatt 6應(yīng)答器)在聲學(xué)上通信。收發(fā)器122包括時(shí)間數(shù)據(jù)的第二源119。在此示例中，應(yīng)答器信標(biāo)通過牽繩或環(huán)鎖(未示出)被安裝或固定于海床118。

當(dāng)然，以上硬件配置僅作為示例，且考慮不同的配置。例如，極簡(jiǎn)配置可包括第一水下收發(fā)器和第二水下收發(fā)器，第一和第二收發(fā)器中的至少一個(gè)是動(dòng)態(tài)的，且至少一個(gè)動(dòng)態(tài)收發(fā)器可響應(yīng)于從另一收發(fā)器接收到的信息。如果期望同步至第一和第二收發(fā)器的外部參考(例如GPS時(shí)鐘參考，或原子鐘參考)，則可使用結(jié)合1PPS數(shù)據(jù)流108的時(shí)間(TIME)消息。就此而言，時(shí)間命令消息由索納達(dá)因國際有限公司的通信協(xié)議提供，該協(xié)議由上述硬件單元支持?？蛇x地，收發(fā)器122可被安排用于支持以太網(wǎng)連通性，或可由支持該連通性并且具有精密時(shí)間協(xié)議(PTP)能力的收發(fā)器替代，從而依照PTP標(biāo)準(zhǔn)所描述地使用時(shí)間。

在操作中(圖1和圖3)，通過向收發(fā)器114發(fā)送時(shí)間命令消息，PC 110所支持的偏移計(jì)算單元120通過導(dǎo)航傳感器中樞102發(fā)起偏移計(jì)算會(huì)話，以基于通過收到來自GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104的日期及時(shí)間數(shù)據(jù)流106的方式提供的時(shí)間數(shù)據(jù)，設(shè)置(步驟300)收發(fā)器114的內(nèi)部時(shí)鐘119的時(shí)間。之后，收發(fā)器114將內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置為從導(dǎo)航傳感器中樞102接收到的時(shí)間，且然后發(fā)送對(duì)由收發(fā)器114設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行確認(rèn)的另一時(shí)間消息(步驟302)至導(dǎo)航傳感器中樞102。然后，PC 110通過導(dǎo)航傳感器中樞102發(fā)送TSYNC命令至收發(fā)器114(步驟304)，該命令指示收發(fā)器114從應(yīng)答器116獲取計(jì)算出的偏移值。盡管在此示例中利用以上操作(步驟300至304)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)理解的是，它們并非對(duì)于所有實(shí)施都是必須的。在實(shí)施需要(例如)從外部源設(shè)置收發(fā)器114的時(shí)間的情況下，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)理解，可利用其他技術(shù)，例如使用以上提及的PTP。在這樣的實(shí)施中，導(dǎo)航傳感器中樞102可依照PTP標(biāo)準(zhǔn)充當(dāng)根時(shí)鐘。

就此而言，在第一時(shí)間T_A1，收發(fā)器114向應(yīng)答器116發(fā)送第一TSYNC消息(步驟306)。第一TSYNC消息不包含時(shí)間數(shù)據(jù)卻包含其他參數(shù)，例如地址數(shù)據(jù)、用以獲得或設(shè)置時(shí)間的命令和/或關(guān)于是否補(bǔ)償多普勒效應(yīng)的指令，從這個(gè)意義上來說，第一TSYNC消息是“空”消息。第一TSYNC消息的目的是發(fā)起同步過程。應(yīng)答器116在第二時(shí)間T_B1接收來自收發(fā)器114的消息。在第一預(yù)定的“固定的”(即已知恒定的)周轉(zhuǎn)時(shí)間F_TAT(例如320ms)之后的第三時(shí)間T_B2，應(yīng)答器116向收發(fā)器發(fā)送第一答復(fù)消息(步驟308)，其構(gòu)成具有第一聲傳播路徑的第一聲信號(hào)用于此示例中的待被進(jìn)行的計(jì)算。在第四時(shí)間T_A2，收發(fā)器114從應(yīng)答器116接收第一答復(fù)消息。在第二預(yù)定的周轉(zhuǎn)時(shí)間F_TAT之后的第五時(shí)間T_A3，收發(fā)器114向應(yīng)答器116發(fā)送包括第一時(shí)間數(shù)據(jù)(例如第五時(shí)間T_A3)的第二答復(fù)消息(步驟310)，該第二答復(fù)消息由應(yīng)答器116在第六時(shí)間T_B3接收。第二答復(fù)消息構(gòu)成具有第二聲傳播路徑的第二聲信號(hào)用于此示例中的待被進(jìn)行的計(jì)算。

當(dāng)接收到第二答復(fù)消息時(shí)，應(yīng)答器116的偏移計(jì)算器能夠以以下的方式計(jì)算應(yīng)答器116的第一時(shí)鐘115與收發(fā)器114的第二時(shí)鐘119之間的時(shí)間偏移。

使用以下方程式計(jì)算單向飛行時(shí)間T_FAB2：

T_FAB2＝(T_B3-T_B2-F_TAT)/2 (1)

一旦單向飛行時(shí)間已被計(jì)算完成，則使用以下方程式計(jì)算偏移：

Offset_BA＝T_B3-T_A3+T_FAB2 (2)

以上計(jì)算基于用于計(jì)算第一時(shí)鐘115和第二時(shí)鐘119之間的偏移的倒轉(zhuǎn)模型，即關(guān)于與源于水面下方但接近于水面(例如來自安裝于水面船舶上的水下收發(fā)器)的通信及其答復(fù)相反的源于接近海床118的通信及其答復(fù)，進(jìn)行此計(jì)算。就此而言，且如上所提及的，收發(fā)器114是動(dòng)態(tài)的，因此在海水運(yùn)動(dòng)的影響下移動(dòng)。因此，所作的測(cè)量受到收發(fā)器114有機(jī)會(huì)移動(dòng)的影響。這可以發(fā)生于周轉(zhuǎn)時(shí)間期間，但如果偏移計(jì)算是基于源于在水線之上的雙向通信，這也可發(fā)生于收發(fā)器114和應(yīng)答器116之間的信號(hào)的傳播(飛行時(shí)間)期間。相反，倒轉(zhuǎn)模型要求進(jìn)行僅在第二周轉(zhuǎn)時(shí)間F_TAT內(nèi)受到收發(fā)器114的移動(dòng)的影響的測(cè)量。因此，降低了由在收發(fā)器114和應(yīng)答器116之間的通信的飛行時(shí)間內(nèi)的收發(fā)器114的移動(dòng)導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性。

在另一實(shí)施例中(圖4至圖6)，使用多普勒頻移數(shù)據(jù)以改進(jìn)以上計(jì)算出的偏移的準(zhǔn)確性。參考圖4，通過向收發(fā)器114發(fā)送時(shí)間命令消息，PC 110所支持的偏移計(jì)算單元200通過導(dǎo)航傳感器中樞102發(fā)起偏移計(jì)算會(huì)話，以基于通過收到來自GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104的日期及時(shí)間數(shù)據(jù)流106的方式提供的時(shí)間數(shù)據(jù)，設(shè)置(步驟300)收發(fā)器114的內(nèi)部時(shí)鐘115的時(shí)間。之后，收發(fā)器114將內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置為從導(dǎo)航傳感器中樞102接收到的時(shí)間，且然后發(fā)送對(duì)由收發(fā)器114設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行確認(rèn)的另一時(shí)間消息(步驟302)至導(dǎo)航傳感器中樞102。然后，PC 110通過導(dǎo)航傳感器中樞102發(fā)送TSYNC命令至收發(fā)器114(步驟304)，該命令指示收發(fā)器114從應(yīng)答器116獲取計(jì)算的偏移值。

就此而言，在第一時(shí)間T_A1，收發(fā)器114從第一位置400(圖4)向應(yīng)答器116發(fā)送第一TSYNC消息(步驟306)。第一TSYNC消息不包含時(shí)間數(shù)據(jù)卻包含其他參數(shù)，例如地址數(shù)據(jù)、用以獲得或設(shè)置時(shí)間的命令和/或關(guān)于是否補(bǔ)償多普勒效應(yīng)的指令(其在該示例中是需要的)，從這個(gè)意義上來說，第一TSYNC消息是“空”消息。應(yīng)答器116在第二時(shí)間T_B1接收來自收發(fā)器114的消息。應(yīng)答器116配備有能夠?qū)ρ刂邮盏降男盘?hào)的聲路徑的多普勒頻移進(jìn)行精細(xì)估計(jì)的硬件，并因此計(jì)算第一多普勒頻移，Dop_B1。

在第一預(yù)定的周轉(zhuǎn)時(shí)間T_TAT(例如320ms)之后的第三時(shí)間T_B2，應(yīng)答器116向收發(fā)器114發(fā)送第一答復(fù)消息(步驟308)，其構(gòu)成具有第一聲傳播路徑的第一聲信號(hào)用于此示例中的待被進(jìn)行的計(jì)算。在第四時(shí)間T_A2，收發(fā)器114從第二位置402(圖4)接收來自應(yīng)答器116的第一答復(fù)消息。收發(fā)器114還配備有能夠?qū)ρ刂邮盏降男盘?hào)的聲路徑的多普勒頻移進(jìn)行精細(xì)估計(jì)的硬件(未示出)，并因此計(jì)算關(guān)于從應(yīng)答器116到收發(fā)器114的聲路徑的第二多普勒頻移，Dop_A2。

在第二預(yù)定的周轉(zhuǎn)時(shí)間F_TAT之后的第五時(shí)間T_A3，收發(fā)器114從第三位置404(圖4)向應(yīng)答器116發(fā)送包括第一時(shí)間數(shù)據(jù)(例如第五時(shí)間T_A3)的第二答復(fù)消息(步驟310)，其構(gòu)成具有第二聲傳播路徑的第二聲信號(hào)用于該示例中待被進(jìn)行的計(jì)算，并由應(yīng)答器116在第六時(shí)間T_B3接收。因此，應(yīng)答器116計(jì)算關(guān)于從收發(fā)器114到應(yīng)答器116的聲路徑的第三多普勒頻移，Dop_B3。

應(yīng)答器116還以以下方式計(jì)算應(yīng)答器116的內(nèi)部時(shí)鐘115和收發(fā)器114、122的內(nèi)部時(shí)鐘119之間的偏移Offset_BA，由于多普勒頻移數(shù)據(jù)的使用，其與以上提出的計(jì)算稍有不同。

就此而言，使用以下方程式計(jì)算單向飛行時(shí)間T_FAB2：

T_FAB2＝(T_B3-T_B2-F_TAT)/2 (3)

使用第二和第三計(jì)算出的多普勒頻移Dop_A2和Dop_B3，應(yīng)答器116然后使用以下方程式計(jì)算平均多普勒速度：

Dop_TB＝(Dop_B3+Dop_A2)/2 (4)

一旦平均多普勒速度已被計(jì)算完成，在(從應(yīng)答器116至收發(fā)器114的)外發(fā)傳播路程(propagation leg)和(從收發(fā)器114至應(yīng)答器116的)返回傳播路程之間的關(guān)于動(dòng)態(tài)聲通信裝置114的第一差異d₁，使用以上的方程式(4)計(jì)算如下：

d₁＝F_TAT*Dop_TB (5)

使用計(jì)算出的距離差異d₁，在應(yīng)答器116計(jì)算的等于水中的聲音傳播時(shí)間的一半的平均多普勒頻移的時(shí)移分量T_DopB，可使用水中的聲速SS計(jì)算：

T_DopB＝d₁/(2*SS) (6)

如果發(fā)生了多普勒頻移，則以上計(jì)算的單向飛行時(shí)間T_FAB2將成為發(fā)送和接收時(shí)間的中點(diǎn)，假設(shè)多普勒頻移在周轉(zhuǎn)時(shí)間F_TAT內(nèi)是線性的。因此，需要從單向飛行時(shí)間T_FAB2減去此移動(dòng)的一半。

一旦單向飛行時(shí)間以及傳播時(shí)間的一半T_DopB已被計(jì)算完成，具有改進(jìn)的準(zhǔn)確性的偏移可使用以下方程式計(jì)算：

Offset_BA＝T_B3-T_A3+T_FAB2-T_DopB (7)

然后，應(yīng)答器116將第二時(shí)間T_B1、偏移Offset_BA、第三多普勒頻移Dop_B3以及第一多普勒頻移Dop_B1傳送至收發(fā)器114(步驟312)。之后，收發(fā)器114從第四位置406(圖4)接收來自應(yīng)答器116的第二時(shí)間T_B1、偏移Offset_BA、第三多普勒頻移Dop_B3以及第一多普勒頻移Dop_B1，并隨后計(jì)算第四多普勒頻移Dop_A4。

然后，收發(fā)器114以以下方式計(jì)算另一偏移Offset_AB。單向飛行時(shí)間T_FAB1使用以下方程式計(jì)算：

T_FAB1＝(T_A2-T_A1-F_TAT)/2 (8)

然后，收發(fā)器114使用以下方程式計(jì)算平均多普勒速度：

Dop_TA＝(Dop_A2+Dop_B1)/2 (9)

一旦平均多普勒速度已被計(jì)算完成，在(從收發(fā)器114至應(yīng)答器116的)引入傳播路程和(從應(yīng)答器116至收發(fā)器114的)返回傳播路程之間的關(guān)于動(dòng)態(tài)聲通信裝置114的第二差異d₂，使用以上的方程式(9)計(jì)算如下：

d₂＝F_TAT*Dop_TA (10)

使用計(jì)算出的距離差異d₂，在收發(fā)器114計(jì)算的等于水中的聲音傳播時(shí)間的一半的平均多普勒頻移的時(shí)移分量T_DopA，可使用水中的聲速SS計(jì)算：

T_DopA＝d₂/(2*SS) (11)

如果發(fā)生了多普勒頻移，則以上計(jì)算的單向飛行時(shí)間T_FAB1將是發(fā)送和接收時(shí)間的中點(diǎn)，假設(shè)多普勒頻移在周轉(zhuǎn)時(shí)間T_TAT內(nèi)是線性的。因此，需要將關(guān)于此移動(dòng)的時(shí)間的一半與單向飛行時(shí)間T_FAB1相加。

一旦單向飛行時(shí)間以及傳播時(shí)間的一半T_DopA已被計(jì)算完成，具有改進(jìn)的準(zhǔn)確性的偏移可使用以下方程式計(jì)算：

Offset_AB＝T_B1-T_A1+T_FAB1+T_DopA (12)

之后，收發(fā)器114將TSYNC答復(fù)消息傳送至導(dǎo)航傳感器中樞102(步驟314)，其包括本地計(jì)算的Offset_AB、遠(yuǎn)程計(jì)算的Offset_BA、關(guān)于從應(yīng)答器116至收發(fā)器114的通信的第二多普勒頻移Dop_A2、關(guān)于從收發(fā)器114至應(yīng)答器116的通信的第一多普勒頻移Dop_B1、以及關(guān)于從收發(fā)器114至應(yīng)答器116的通信的第三多普勒頻移Dop_B3?？蛇x地，第四多普勒頻移Dop_A4可從收發(fā)器114被傳送至導(dǎo)航傳感器中樞102。導(dǎo)航傳感器中樞102將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至PC 110。然后，偏移計(jì)算單元120向PC 110所支持的其他應(yīng)用(例如導(dǎo)航軟件或監(jiān)控系統(tǒng))傳送偏移數(shù)據(jù)。

參考圖6，可關(guān)于淺水以及收發(fā)器114的水平速率高(例如高達(dá)20ms^-1如5ms^-1)的環(huán)境使用以上提及的方法及裝置。

轉(zhuǎn)向圖7，在另一實(shí)施例中，在水下環(huán)境中以間隔的方式布置多個(gè)應(yīng)答器。與之前的實(shí)施例相反，收發(fā)器114被包含準(zhǔn)確內(nèi)部時(shí)鐘502以及偏移計(jì)算器117的第一應(yīng)答器500替代。第二應(yīng)答器504、第三應(yīng)答器506以及第四應(yīng)答器508以關(guān)于彼此以及第一應(yīng)答器500間隔開的關(guān)系坐落。第二、第三以及第四應(yīng)答器504、506、508中的每個(gè)具有比第一應(yīng)答器500的內(nèi)部時(shí)鐘502較低的準(zhǔn)確性的內(nèi)部時(shí)鐘。與以上提出的配置相反，水中時(shí)間同步系統(tǒng)不包括表面?zhèn)仍O(shè)備，例如導(dǎo)航傳感器中樞102、GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104、PC 100或收發(fā)器接口單元112。使用在之前實(shí)施例中所提出的以上方法，第二、第三以及第四應(yīng)答器504、506、508中的每個(gè)以上述方式彼此獨(dú)立地與第一應(yīng)答器500通信，以計(jì)算各自的偏移和時(shí)鐘漂移率，從而與第一應(yīng)答器500保持同步。第一、第二、第三以及第四應(yīng)答器500、504、506、508中的每個(gè)配備有合適的硬件以實(shí)施其間的通信。就此而言，第一應(yīng)答器500被指定為響應(yīng)聲通信裝置，其為動(dòng)態(tài)的，(例如從第二、第三或第四應(yīng)答器504、506、508中的一個(gè))接收第一聲信號(hào)并向第一聲信號(hào)所源自的第二、第三或第四應(yīng)答器504、506、508中的一個(gè)答復(fù)第二聲信號(hào)。將在后文中更詳細(xì)地描述動(dòng)態(tài)聲通信裝置履行響應(yīng)第一聲信號(hào)的作用的此一般原理?？蛇x地，在給出的兩個(gè)通信裝置是移動(dòng)的情況下，二者都可包括運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，以確定哪個(gè)將充當(dāng)大體上靜態(tài)的裝置用于計(jì)算時(shí)間偏移。

第一應(yīng)答器500可被栓于水下或連接于或集成于或至潛水器，例如水下遠(yuǎn)程操控航行器(ROV)或自主水下航行器(AUV)，或任意其他合適的水下平臺(tái)。

相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)理解，不同于以上提出的實(shí)施的其他實(shí)施是可能的。就此而言，以上示例利用能夠與動(dòng)態(tài)水中第二聲通信裝置在聲學(xué)上通信的水中第一聲通信裝置。大體上靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的第一聲通信裝置能夠向第二聲通信裝置傳輸?shù)谝宦曅盘?hào)。盡管是動(dòng)態(tài)的，第二聲通信裝置能夠在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)提供響應(yīng)于第一聲信號(hào)的第二聲信號(hào)，從而減小了在收到第一聲信號(hào)和傳輸?shù)诙曅盘?hào)的時(shí)間內(nèi)的第二聲通信裝置的位置變化。由于在接收到第一聲信號(hào)的時(shí)間和傳輸?shù)诙曅盘?hào)的時(shí)間之間的第二聲通信裝置移動(dòng)的距離僅在周轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)是有關(guān)的，時(shí)鐘偏移計(jì)算，例如關(guān)于第一聲通信裝置的第一時(shí)鐘與第二聲通信裝置的第二時(shí)鐘之間的偏移，受到第一和第二聲通信裝置其中之一或兩者的移動(dòng)的影響較小。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)允許傳輸聲通信裝置在雙程的時(shí)間內(nèi)以移動(dòng)顯著地影響時(shí)間偏移計(jì)算結(jié)果的效果移動(dòng)，當(dāng)使用大體上靜態(tài)的傳輸聲通信裝置來傳輸?shù)谝宦曅盘?hào)并接收第二聲信號(hào)時(shí)，指定動(dòng)態(tài)聲通信裝置響應(yīng)第一聲信號(hào)而非起到傳輸?shù)谝宦曅盘?hào)并接收響應(yīng)于第一聲信號(hào)的第二聲信號(hào)的作用，將改進(jìn)計(jì)算出的時(shí)間偏移的準(zhǔn)確性。就此而言，接收第一聲信號(hào)并傳輸?shù)诙曅盘?hào)的動(dòng)態(tài)聲通信裝置可被布置于水下朝向于水體的表面或可被浸沒于水中并進(jìn)一步朝向(例如)海床。

參考圖8，可變化圖2的示例以支持水下動(dòng)態(tài)平臺(tái)，例如AUV 700，其中水線之上的設(shè)備702例如由于錨定裝置或使用動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的船舶維護(hù)站的使用而是大體上靜態(tài)的。就此而言，水線之上的設(shè)備702包括以以上關(guān)于圖2所述的方式布置的表面接口單元200、收發(fā)器122、GPS導(dǎo)出信號(hào)的源104以及PC 110。AUV構(gòu)成第二動(dòng)態(tài)通信裝置，并在周轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)TSYNC消息作為以上關(guān)于圖1和圖2的操作所述的過程的部分。如此，例如，圖7的偏移計(jì)算單元120可依照以上關(guān)于圖3所提出的方法計(jì)算時(shí)間偏移?？蛇x地，為了確定收發(fā)器122或AUV 700是否至少正在移動(dòng)，并因此充當(dāng)用于計(jì)算時(shí)間偏移的大體上靜態(tài)的裝置，AUV 700以及收發(fā)器122中的每個(gè)可包括運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器。

在上述的示例中，包括時(shí)間偏移數(shù)據(jù)的時(shí)間數(shù)據(jù)已在水線之上被聲學(xué)地通信。然而，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)理解，需要時(shí)可以直接檢索裝置存儲(chǔ)在水下的數(shù)據(jù)。例如，第一水中聲通信裝置可包括輸出端口并可被安排用于通過該輸出端口傳送與確定的時(shí)間偏移相關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)。就此而言，包括偏移計(jì)算器的處理節(jié)點(diǎn)可與輸出端口連接，并可被安排用于接收時(shí)間數(shù)據(jù)；處理節(jié)點(diǎn)可以是水下處理節(jié)點(diǎn)。然后，處理節(jié)點(diǎn)可在隨后被檢索或可傳送在水線之上的檢索和/或計(jì)算的數(shù)據(jù)。

在水中時(shí)間同步系統(tǒng)中偏移被計(jì)算的位置可隨期望的實(shí)施而改變。因此，偏移計(jì)算器可被提供于第二聲通信裝置或PC 110中。

本發(fā)明的可選實(shí)施例可被實(shí)施為與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一起使用的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品是，例如，存儲(chǔ)于有形數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)如磁盤、CD-ROM、ROM或硬盤上或具現(xiàn)于在有形介質(zhì)或諸如微波或紅外線的無線介質(zhì)上傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)中的一系列計(jì)算機(jī)指令。一系列計(jì)算機(jī)指令可構(gòu)成全部或部分的上述功能，并可存儲(chǔ)于任意的存儲(chǔ)設(shè)備，易失性或非易失性的，如半導(dǎo)體、磁性、光學(xué)性或其他存儲(chǔ)設(shè)備。