水下导航技术
水下導航技術
一、導航技術概述
21世紀以來，隨著人類在利用海洋和開發海洋上的投入不斷增大，自主式水下航行器(AUV)引起了越來越多的關注，無論在戰場監視、隱蔽打擊等軍用領域還是在海水檢測、海洋地質勘探等民用領域都得到快速發展。導航是指移動機器人借助傳感器獲知本體狀態，完成從初始位置到達目標位置的自主運動過程。導航技術作為AUV的核心技術，也是最難以解決的關鍵技術之一。
美俄等西方發達國家在這一領域一直處于領先地位，2016年，俄羅斯圣彼得堡海洋儀器康采恩研制出了新型水下導航定位系統，該系統由深海浮標、俄羅斯全球衛星導航系統(GLONASS)和AUV組成，可實現北極冰層下米級高精度導航定位。同年，美國國防部高級研究計劃局授予英國軍工巨頭BAE系統公司一份研發“深海定位導航系統”的合同，通過在海底布放少量聲源信標來代替全球定位系統(GPS)實現無人航行器長時間高精度導航定位，2017年該項目已進入第一階段研發工作，預計2018年對原型樣機進行海試。
國內在該領域起步較晚，但也取得一定的突破，“十五”期間我國首套“水下GPS高精度定位導航系統”研制成功，在千島湖的湖試試驗表明，該系統在水深45m左右海域定位精度可達5cm，測深精度為30cm。
上述導航系統均采用組合導航方法，是由2種及以上導航技術結合形成的綜合導航系統。組合導航結合不同導航技術的優點，能夠增強導航系統的穩定性、精確性和持久性，是當前使用最廣泛的導航方法，也是未來AUV導航技術的發展方向。
⒈航位推算導航
航位推算導航最早于16世紀提出，但當時很少用于水下。航位推算的定義可理解為在已知當前時刻位置的條件下，通過測量載體移動的距離和方位，推算下一時刻位置的方法]。AUV只要配備速度傳感器、航向傳感器及深度傳感器等，通過獲取的數據將AUV的速度對時間進行積分來獲得水下航行器位置。
⒉慣性導航
慣性導航是依據牛頓慣性原理發展起來的自主式導航方法。慣性導航系統通常由慣性測量裝置、控制顯示器、處理計算機等組成，其中慣性測量裝置最為關鍵，是慣性導航的基礎，主要由加速度計和陀螺儀組成。因此，慣性導航是通過將AUV的加速度對時間2次積分來獲得潛航器位置的。1958年，裝備了1套N6-A慣性導航系統和1套MK-19平臺羅經的美國鸚鵡螺號核潛艇從珍珠港出發，歷時21h穿越了北極冰蓋，誤差僅有37km。這次航行充分體現出了慣性導航系統自主性、隱蔽性和全天候的獨特優勢。
⒊聲學導航
聲學導航是建立在水聲傳播技術基礎上的一種通過測定聲波信號傳播時間和相位差進行AUV和水上艦船導航定位的技術。在進行導航定位前，需事先在海底、艦船底部或AUV上布置聲基線陣。常用的聲學導航主要有長基線(LBL)、短基線(SBL)和超短基線(USBL)3種，其中LBL可分為浮標式LBL和潛標式LBL。圖1所示為4種聲學導航定位系統原理圖，換能器或由換能器組成的基陣會向海底聲標或海面浮標發射水聲信號并接受返回的信號，通過測定時延差或者方位角對AUV進行定位。
⒋地球物理導航
地球物理導航依照所需地球物理參數的不同分為3大類：地形匹配導航、海洋地磁導航和重力導航。地球物理導航的原理是將傳感器測得的數據同預先獲得的地球物理數據庫進行匹配確定載體所在位置。
⒌視覺導航
視覺導航是指攝像機或視覺傳感器對捕獲的圖像等信息進行濾波和計算，完成對障礙物和標志物的探測和識別。水下視覺導航分為光視覺和聲視覺2種。光視覺是通過攝像頭對目標進行跟蹤控制，而聲視覺采用的是圖像聲吶。由于海水中光照不足，導致水下光視覺導航只適合AUV在小范圍區域的導航定位。聲視覺因為采用的是類似聲吶的原理，通過處理不同物體返回的聲波，并將其輪廓顯示出來。聲波比光在水中傳播距離更遠，因此，聲視覺比光視覺探測范圍更廣。
水下光視覺導航受限于水中光照不足，而正在研究的水下激光成像技術可比水下照明提高4倍探測范圍。早在1966年，美國就對水下激光成像技術進行了研究，較典型的有美國Sperry海洋有限公司研制的距離選通水下激光成像系統，在衰減系數為0.1/m的水中，觀測距離可達160m，與理論值相近，即使在近岸的渾濁水體中觀察距離也可達30m。另外，美國Sparta公司研制的水下激光成像系統在港口水域的成像距離可達到500W燈泡照射系統的5倍。而我國在該領域的研究大多處在實驗室階段，近幾年，西安光機所、長春光機所、上海光機所、天津電視技術研究所、北京理工大學、華中理工大學及東南大學等單位均對水下成像系統進行了系統研究，但與發達國家相比還存在較大差距。
二、組合導航技術研究熱點
單一的導航技術并不能勝任日益復雜的導航任務，因此AUV導航技術的研究熱點主要集中于組合導航技術。AUV水下組合導航技術通常是指以慣性導航系統(INS)為主，借助聲學導航、地形匹配導航、重力導航、海洋地磁導航及視覺導航等其中的一個或多個進行輔助的組合導航技術，旨在采用高精度的導航技術對INS隨時間累積的誤差進行校正，同時保證AUV的自主性和隱蔽性。常用的組合導航包括：INS/聲學組合導航、INS/地球物理組合導航、INS/視覺組合導航及INS/天文組合導航等。其中針對前2種的研究最為廣泛。
慣性導航系統/地球物理組合導航原理圖
INS/聲學組合導航原理圖
⒈INS/地磁匹配組合導航
INS/地磁匹配組合導航是INS/地球物理組合導航的一種，由INS系統、地磁傳感器、地磁圖和解算計算機等組成。其本質是利用地磁傳感器測得的地磁數據與地磁圖匹配，將匹配結果作為卡爾曼濾波的觀測量對組合導航系統進行濾波，從而對INS系統的誤差進行抑制修正，實現高精度定位。INS/地磁匹配組合導航具有無源、無輻射、全天候、全天時、高精度、隱蔽性好及自主性強等優點，適用范圍廣，除極點外的任何地點都可以使用。2種導航技術相互結合、優勢互補，一方面，地磁匹配導航的定位誤差不隨時間累積，可以抑制INS誤差的發散，重調其定位精度；另一方面，在地磁場較弱的地方，傳感器無法獲取精確測量數據，INS系統可以為地磁匹配提供位置參考，提高匹配精度和效率。INS/地磁匹配組合導航的強大優勢，使其在軍用AUV領域得到高度重視，并迅速發展。
⒉INS/重力匹配組合導航
作為INS/地球物理組合導航的一種，INS/重力匹配組合導航也擁有類似INS/地磁匹配組合導航的結構和優點。INS/重力匹配組合導航系統由INS系統、重力儀或重力梯度儀、海洋重力場背景圖和解算計算機組成。系統在獲取重力信息時對外無能量輻射，也不接受電磁信號，具有良好的隱蔽性，不受地域和時域限制，是名副其實的自主無源高精度導航系統。
⒊INS/LBL組合導航
INS和LBL都是傳統的導航技術，與前面介紹的2種熱門導航技術相比，INS/LBL組合導航技術顯得太過老舊，但這并不影響國內外學者對它的研究熱度。
⒋INS/地形匹配組合導航
INS/地形匹配組合導航較其他2種地球物理組合導航研究更早，使用更廣泛。在很長一段時間內，海底地形輔助導航的潛力并沒有被充分挖掘，這是由于無法構建高精度的海底地形圖。直到多波束測深系統和激光探測系統等的出現，海底的詳細地形信息才得以獲取并制成海圖。2002年6月，北大西洋公約組織(NATO)對搭載了由挪威國防研究所研制的地形匹配輔助INS導航系統的HUGINAUV進行了多次BP02海試試驗。澳大利亞悉尼大學研發的OberonAUV采用的也是INS/地形匹配組合導航，并在澳大利亞的近海進行了圖標定位和導航試驗。
三、展望
導航技術由于其各自的導航方式不同，應用領域也存在差異。航位推算導航和慣性導航通常作為一種基礎的導航方式與其他導航技術結合，在軍民領域都廣泛使用；聲學導航也廣泛應用于軍民領域，但隨著各國在軍事上的投入不斷加大，技術的不斷加強，借助衛星信號定位的聲學導航信號被截獲、被干擾的可能性增大；地球物理導航中，INS/地形匹配組合導航相對INS/地磁匹配和INS/重力匹配組合方式更為成熟，這是由于地形數據庫相較于地磁和重力數據庫更易獲取、更加穩定，所以后2種導航方式目前只在軍用領域有所使用。
⒈軍用AUV導航技術
在軍事領域，AUV對提高海軍作戰能力有著舉足輕重的作用。在未來的水下戰略戰術中，通過提高AUV導航能力來增強其在水下作戰中的自主性、隱蔽性及精確性等性能迫在眉睫。聲學導航由于其浮標或海底聲信標布置的困難性，GPS信號和水聲信號易被截獲和不穩定性，在水下作戰中顯得尤為被動，并有被INS/地磁匹配組合導航、INS/重力匹配組合導航等地球物理輔助導航方式取代的趨勢。
⒉民用AUV導航技術
在民用領域，例如海洋環境監測、海水養殖等，并不要求信息具有隱蔽性。因此在未來的導航方式中，可選擇性也會比較多。在獲得完備的地磁數據庫、重力數據庫的情況下，利用地磁或者重力輔助INS的組合導航顯然是不錯的選擇。
INS/LBL組合導航方式在未來的發展方向可劃分為以下幾點：
⑴逐漸用浮標代替海底信標。浮標相比于海底信標布置簡單、回收方便、經濟實用，而且能保持LBL的高精度定位；
⑵我國北斗衛星導航系統(BDS)已經覆蓋了亞太地區，浮標接收的GPS信號逐步用BDS信號來代替是我國浮標輔助導航定位的發展趨勢；
⑶研究高精度水聲傳感器。為了提高AUV同浮標間的通信能力，面對復雜的水聲信道，研制抗干擾能力更強、穩定性更好的水聲傳感器勢在必行；
⑷優化定位算法。LBL定位大多采用三角定位和數據融合算法，設置更合適的權值以及在AUV上安裝深度傳感器將定位場景從3維轉換到2維等，都能提高定位精度。
對我國而言，逐步完成BDS導航系統，以代替美國的GPS導航，實現衛星導航領域的自主性，并逐步擴大BDS導航范圍，才能實現我國INS/LBL組合導航質的發展。
四、結束語
針對組合導航技術在AUV發展與應用中的重要地位，文中詳細介紹了各種AUV導航技術發展概況，并著重對各種組合導航技術的發展情況進行了分析研究。可以看出，未來AUV的導航技術仍將是以INS為主的組合導航。INS/地磁匹配組合導航、INS/重力匹配組合導航等地球物理組合導航將在軍事領域發揮更加強大的作用；INS/LBL組合導航技術則將更加廣泛地應用于民用領域。
總結
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