魏博文, 呂文紅, 范曉靜, 朱友康, 郭銀景

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AUV導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

魏博文1, 呂文紅2, 范曉靜1, 朱友康1, 郭銀景1

(1. 山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 山東 青島, 266590; 2. 山東科技大學(xué) 交通學(xué)院, 山東 青島, 266590)

導(dǎo)航技術(shù)是自主式水下航行器(AUV)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一, 而組合導(dǎo)航因其穩(wěn)定性、精確性和持久性, 已成為未來AUV導(dǎo)航技術(shù)的主要發(fā)展方向。文中簡述了AUV傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)和非傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展概況, 詳細(xì)介紹了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)/聲學(xué)組合導(dǎo)航、INS/地球物理組合導(dǎo)航、INS/視覺組合導(dǎo)航和INS/天文組合導(dǎo)航的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。分析可知, INS/地磁匹配組合導(dǎo)航、INS/重力匹配組合導(dǎo)航已成為軍事領(lǐng)域AUV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢; INS/長基線(LBL)組合導(dǎo)航則為民用領(lǐng)域AUV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢。文中同時(shí)展望了INS/地磁匹配組合導(dǎo)航、INS/重力匹配組合導(dǎo)航和INS/LBL組合導(dǎo)航等熱門導(dǎo)航技術(shù)的研究方向。

自主水下航行器; 慣性導(dǎo)航系統(tǒng); 組合導(dǎo)航

0 引言

21世紀(jì)以來, 隨著人類在利用海洋和開發(fā)海洋上的投入不斷增大, 自主式水下航行器(auto- nomous undersea vehicle, AUV)引起了越來越多的關(guān)注, 無論在戰(zhàn)場監(jiān)視、隱蔽打擊等軍用領(lǐng)域還是在海水檢測、海洋地質(zhì)勘探等民用領(lǐng)域都得到快速發(fā)展。導(dǎo)航是指移動(dòng)機(jī)器人借助傳感器獲知本體狀態(tài), 完成從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置的自主運(yùn)動(dòng)過程。導(dǎo)航技術(shù)作為AUV的核心技術(shù), 也是最難以解決的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

美俄等西方發(fā)達(dá)國家在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)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(dǎo)航定位系統(tǒng), 該系統(tǒng)由深海浮標(biāo)、俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global naviga- tion satellite system, GLONASS)和AUV組成, 可實(shí)現(xiàn)北極冰層下米級高精度導(dǎo)航定位[2]。同年, 美國國防部高級研究計(jì)劃局授予英國軍工巨頭BAE系統(tǒng)公司一份研發(fā)“深海定位導(dǎo)航系統(tǒng)”的合同, 通過在海底布放少量聲源信標(biāo)來代替全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)實(shí)現(xiàn)無人航行器長時(shí)間高精度導(dǎo)航定位, 2017年該項(xiàng)目已進(jìn)入第一階段研發(fā)工作, 預(yù)計(jì)2018年對原型樣機(jī)進(jìn)行海試[2]。國內(nèi)在該領(lǐng)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(dǎo)航系統(tǒng)”研制成功, 在千島湖的湖試試驗(yàn)表明, 該系統(tǒng)在水深45 m左右海域定位精度可達(dá)5cm, 測深精度為30cm[3]。

上述導(dǎo)航系統(tǒng)均采用組合導(dǎo)航方法, 是由2種及以上導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合形成的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航結(jié)合不同導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn), 能夠增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和持久性, 是當(dāng)前使用最廣泛的導(dǎo)航方法, 也是未來AUV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向。

1 導(dǎo)航技術(shù)概述

目前, 針對AUV的導(dǎo)航技術(shù)大體可分為傳統(tǒng)導(dǎo)航和非傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)2類。傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)主要包括航位推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和聲學(xué)導(dǎo)航等。與非傳統(tǒng)導(dǎo)航相比技術(shù)更為成熟, 使用范圍更加廣泛。非傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)主要包括地球物理導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等, 是發(fā)達(dá)國家大力研發(fā)的新興導(dǎo)航技術(shù), 通常用來輔助慣性導(dǎo)航。

1.1 航位推算導(dǎo)航

航位推算導(dǎo)航最早于16世紀(jì)提出, 但當(dāng)時(shí)很少用于水下。航位推算的定義可理解為在已知當(dāng)前時(shí)刻位置的條件下, 通過測量載體移動(dòng)的距離和方位, 推算下一時(shí)刻位置的方法[4]。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(shù)據(jù)將AUV的速度對時(shí)間進(jìn)行積分來獲得水下航行器位置。

航位推算給定的初始坐標(biāo)通常為衛(wèi)星定位信號。航向傳感器現(xiàn)多采用光纖陀螺, 與傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺相比, 光纖陀螺具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、質(zhì)量輕及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。速度傳感器大多采用多普勒測速儀(Doppler velocity log, DVL), 國外已研制出精度較高的DVL, 例如美國EDO公司的3040型多普勒測速聲吶工作頻率288 kHz, 測速精度為速度的0.2%[5]。

航位推算方法簡單, 所需設(shè)備價(jià)格相對低廉。航位推算法的當(dāng)前位置是在前一時(shí)刻位置的基礎(chǔ)上推算出來的, 隨著迭代次數(shù)的增加誤差也會(huì)跟著累積, 再加上設(shè)備安裝、測量等過程中的固有誤差, 這些因素都會(huì)大大降低其定位精度。因此, 航位推算適合精度要求不高的導(dǎo)航任務(wù), 需要其他導(dǎo)航進(jìn)行輔助校正推算誤差。

1.2 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是依據(jù)牛頓慣性原理發(fā)展起來的自主式導(dǎo)航方法。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、控制顯示器、處理計(jì)算機(jī)等組成, 其中慣性測量裝置最為關(guān)鍵, 是慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ), 主要由加速度計(jì)和陀螺儀組成。因此, 慣性導(dǎo)航是通過將AUV的加速度對時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)和1套MK-19平臺羅經(jīng)的美國鸚鵡螺號核潛艇從珍珠港出發(fā), 歷時(shí)21 h穿越了北極冰蓋, 誤差僅有37 km。這次航行充分體現(xiàn)出了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自主性、隱蔽性和全天候的獨(dú)特優(yōu)勢[6]。

慣性導(dǎo)航本質(zhì)上可歸類為航位推算導(dǎo)航的一種。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要分捷聯(lián)式和平臺式2種。由于捷聯(lián)式舍棄了平臺, 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便, 而被大多數(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所采用。近年來, 激光陀螺和光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)開始普遍應(yīng)用于軍民領(lǐng)域, 例如美國Sperry公司的MK39/ 49艦船用激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、法國IXSea公司先后研制的PHINS和MARINS船用光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)等[7]。因此, 采用光纖和激光陀螺捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng), 推動(dòng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向高精度、小型化、低成本、高可靠性及數(shù)字化發(fā)展是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

1.3 聲學(xué)導(dǎo)航

聲學(xué)導(dǎo)航是建立在水聲傳播技術(shù)基礎(chǔ)上的一種通過測定聲波信號傳播時(shí)間和相位差進(jìn)行AUV和水上艦船導(dǎo)航定位的技術(shù)。在進(jìn)行導(dǎo)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(xué)導(dǎo)航主要有長基線(long ba- seline, LBL)、短基線(short baseline, SBL)和超短基線(ultra-short baseline, USBL)3種[8], 其中LBL可分為浮標(biāo)式LBL和潛標(biāo)式LBL。

圖1所示為4種聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理圖, 換能器或由換能器組成的基陣會(huì)向海底聲標(biāo)或海面浮標(biāo)發(fā)射水聲信號并接受返回的信號, 通過測定時(shí)延差或者方位角對AUV進(jìn)行定位。

圖1 4種聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)示意圖

表1表明, LBL最長但定位精度最高, 英國Sonardyne公司代表性LBL產(chǎn)品有Compatt 6系列和Fusion 6G系列(圖2 a、b), 其中Compatt 6系列應(yīng)答器根據(jù)不同體積分為6種類型, 標(biāo)準(zhǔn)型Com- patt 6工作水深為3650 m, 定位精度小于15mm; Fusion 6G系列為深水定位設(shè)備, 最大工作水深達(dá)7000m, 定位精度小于15mm且與深度無關(guān)[9-10]。USBL通常為多個(gè)水聽器組成的基陣, 作為一個(gè)整體安裝在艦船底部或AUV上, 基線最短, 定位精度最低。典型的USBL系統(tǒng)有法國iXblue公司的Posidonia II USBL和Gaps USBL (圖2 c、d), 其中Posidonia II最大作用范圍超過10000m以上,定位精度為斜距的0.2%; Gaps作用范圍較小, 最大作用距離為4000 m, 定位精度為斜距的0.06%[11-12]。

表1 聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)分類

圖2 典型長基線和超短基線產(chǎn)品

SBL的定位精度和基線長度都介于兩者間。針對SBL設(shè)計(jì)的產(chǎn)品很少, 美國Desert Star公司的Pilot是使用最多的SBL定位系統(tǒng), 其配置簡單, 可幾分鐘內(nèi)在任何船只上設(shè)置安裝完成, 在多徑效應(yīng)嚴(yán)重的淺海區(qū)域定位精度可達(dá)分米級。

近年來, 針對浮標(biāo)式LBL的研究和使用較潛標(biāo)式LBL更為火熱, 這是由于浮標(biāo)布置簡單, 而潛標(biāo)在海底布置困難所造成的。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種利用浮標(biāo)式LBL導(dǎo)航定位輔助慣性導(dǎo)航的水下定位系統(tǒng), 并利用頻域加權(quán)對水聲信號進(jìn)行處理, 將定位誤差控制在2 m以內(nèi)。文獻(xiàn)[14]提出一種基于多無人水面船(unmanned surface vehicle, USV)/AUV的LBL導(dǎo)航定位方法, 通過建立定位評價(jià)函數(shù)評估多USV與AUV間的角度距離關(guān)系, 建立最優(yōu)隊(duì)形結(jié)構(gòu), 并通過仿真試驗(yàn)證明該方法可以有效提高AUV定位精度。這種用USV代替浮標(biāo)的方法, 相當(dāng)于賦予了浮標(biāo)可移動(dòng)屬性, 本質(zhì)上屬于浮標(biāo)式LBL。

1.4 地球物理導(dǎo)航

地球物理導(dǎo)航依照所需地球物理參數(shù)的不同分為3大類: 地形匹配導(dǎo)航、海洋地磁導(dǎo)航和重力導(dǎo)航。地球物理導(dǎo)航的原理是將傳感器測得的數(shù)據(jù)同預(yù)先獲得的地球物理數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配確定載體所在位置。因3種地球物理導(dǎo)航原理類似, 文中重點(diǎn)以地形匹配導(dǎo)航原理為例介紹。

地形匹配導(dǎo)航是指通過比較地形參考數(shù)據(jù)庫以及地形高度測量值來確定載體位置的特征匹配導(dǎo)航技術(shù)[15]。海底地形輔助導(dǎo)航(seabed terrain aided navigation, STAN)技術(shù)主要用于水下導(dǎo)航定位, 將利用水下地形傳感器測得水下地形數(shù)據(jù), 同水下地形數(shù)字海圖數(shù)據(jù)庫相匹配, 通過計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)得出潛航器所在位置, 通常用于輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng), 其導(dǎo)航原理如圖3所示。

圖3 海底地形輔助導(dǎo)航原理圖

水下地形傳感器多采用測深測潛儀, 通過測得的水下地形特征, 結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)估算出位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和補(bǔ)償, 即可獲得傳感器測得的實(shí)時(shí)地形位置, 利用匹配算法同數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲(chǔ)的水下地形數(shù)字海圖進(jìn)行匹配, 信息融合后可得最佳匹配位置, 并進(jìn)一步對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行修正[16]。STAN技術(shù)的難點(diǎn)主要有以下2個(gè)方面。

1) 高精度測深測潛儀的研制。目前測深測潛儀主要有3種: 多波束測深系統(tǒng)、亨特克深拖系統(tǒng)和激光探測系統(tǒng)。前2種系統(tǒng)屬于聲探測技術(shù)范疇, 由于水聲信號的傳播容易被干擾和截獲, 因此該類技術(shù)多用于非軍事領(lǐng)域。2008年, 日本東京大學(xué)研制的TUNA-SAND型AUV利用自身攜帶的多波束傳感器在鹿兒島海域進(jìn)行了基于地形匹配的水下導(dǎo)航試驗(yàn), 取得較好的效果[17]。同年4月, 美國斯坦福大學(xué)研究的MBARI Dorado型AUV使用多波束測深測潛儀、多普勒計(jì)程儀和高度儀在蒙特利海灣進(jìn)行了地形匹配導(dǎo)航的海試試驗(yàn), 其定位精度可達(dá)4 m[18-19]。激光探測系統(tǒng)隱蔽性好、探測精度高, 但價(jià)格昂貴, 多用于軍用領(lǐng)域。1971年, 美國海軍研制出脈沖激光測深系統(tǒng)(pulsed light airborne depth sounder, PLADS)型激光探測系統(tǒng), 并進(jìn)行了海底地形地貌的實(shí)測[20]。可加強(qiáng)對激光探測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù), 如激光偏振光水下成像技術(shù)、水下目標(biāo)回波信號技術(shù)等的研究, 提高激光探測系統(tǒng)精度并設(shè)法降低成本, 從而普及其在非軍事領(lǐng)域的使用。

2) 完備的水下地形數(shù)字海圖數(shù)據(jù)庫也是地形匹配導(dǎo)航的基本數(shù)據(jù)源。美國國家圖像與測繪局(national imagery and mapping agency, NIMA)已經(jīng)建立了分辨率可達(dá)0.5′的DBDB0.5海底地形數(shù)據(jù)庫。美國海軍海洋中心(naval oceano-graphic office, NAVOCEANO)也研制出了1套類似DBDB 0.5, 但分辨率更高的海底地形數(shù)據(jù)庫, 并將其應(yīng)用于彈道導(dǎo)彈水下潛艇艦隊(duì)。

與地形匹配導(dǎo)航類似, 海洋地磁導(dǎo)航也采用預(yù)先獲取高精度地磁數(shù)據(jù)庫的方法, 目前有地磁測量和建立地磁場模型2種獲取方式。由于地磁場是不斷變化的, 所以單單依靠地磁測量數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航是不現(xiàn)實(shí)的, 構(gòu)建高精度的地磁場模型才能提高導(dǎo)航的可靠性[21]。目前的地磁模型有國際地磁模型(international geomagnetic reference field, IGRF)、中國地磁模型(China geomagnetic referen- ce field, CGRF)和局域地磁模型(local geomagne- tic reference field, LGRF)。由于前2種模型精度較低, 在100~200 nT之間, 所以并不適合高精度的地磁匹配導(dǎo)航。LGRF需要實(shí)測局域地磁特征量以構(gòu)建地磁模型, 精度高于前2種[22]。地磁導(dǎo)航中的匹配算法和信息融合算法通常采用卡爾曼濾波或擴(kuò)展卡爾曼濾波算法, 不斷優(yōu)化算法也是提高導(dǎo)航精度的重要手段。

重力導(dǎo)航是基于重力場圖的導(dǎo)航方法, 其前提條件是要有相當(dāng)精度的重力圖。重力圖主要依靠重力儀實(shí)現(xiàn)實(shí)測測量, 而重力測量獲得的重力圖不能直接用于導(dǎo)航, 這是因?yàn)橹亓龅奶匦院椭亓x測量精度不能保證重力異常值與位置的嚴(yán)格單值對應(yīng)關(guān)系, 而且測量點(diǎn)間隔也很大。因此, 根據(jù)導(dǎo)航重力儀和導(dǎo)航精度要求的具體情況, 尋求能夠保證導(dǎo)航定位精度的重力圖構(gòu)建和優(yōu)化方法是實(shí)現(xiàn)重力導(dǎo)航的關(guān)鍵。另外, 采用合適的重力匹配算法, 也是重力導(dǎo)航的重點(diǎn)研究內(nèi)容。目前, 常用的有基于剛性變換的最近等值線點(diǎn)迭代算法和基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的算法。

1.5 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航是指攝像機(jī)或視覺傳感器對捕獲的圖像等信息進(jìn)行濾波和計(jì)算, 完成對障礙物和標(biāo)志物的探測和識別。水下視覺導(dǎo)航分為光視覺和聲視覺2種[23]。光視覺是通過攝像頭對目標(biāo)進(jìn)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(dǎo)致水下光視覺導(dǎo)航只適合AUV在小范圍區(qū)域的導(dǎo)航定位。聲視覺因?yàn)椴捎玫氖穷愃坡晠鹊脑? 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(yuǎn), 因此, 聲視覺比光視覺探測范圍更廣。

目前, 采用視覺導(dǎo)航的AUV多為光視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。澳洲國立大學(xué)和悉尼大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的Kam- bara是一種基于光視覺導(dǎo)航控制的AUV[24-25]。Kambara上共配有3個(gè)攝像頭, 其中2個(gè)側(cè)向攝像頭為其提供立體視覺, 第3個(gè)攝像頭用于實(shí)現(xiàn)自身控制和目標(biāo)追蹤。日本東京大學(xué)研發(fā)一種可用于水質(zhì)監(jiān)測和水下浮游生物分布測量的光視覺系統(tǒng)AUV——Tantan[25], 通過其配備的高分辨率顯微攝像頭和內(nèi)嵌的圖像識別處理模塊, 可以清晰地識別出不同水域中的浮游生物。由于目前還沒有相對完善的圖像聲吶識別目標(biāo)的理論框架, 所以基于圖像聲吶的聲視覺導(dǎo)航多用來輔助光視覺導(dǎo)航。例如美國早期的一款水下搜索系統(tǒng)AUV, 裝備了前視聲吶、靜物照相機(jī)、電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)攝像機(jī)以及水下照明設(shè)備, 在6 100 m的深海中, 可通過聲吶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并不斷接近, 配合水下照明設(shè)備使用CCD攝像機(jī)拍照, 最后將圖片壓縮回傳到母艦或陸上控制中心。

水下光視覺導(dǎo)航受限于水中光照不足, 而正在研究的水下激光成像技術(shù)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(shù)進(jìn)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(tǒng), 在衰減系數(shù)為0.1/m的水中, 觀測距離可達(dá)160 m, 與理論值相近, 即使在近岸的渾濁水體中觀察距離也可達(dá)30 m。另外, 美國Sparta公司研制的水下激光成像系統(tǒng)在港口水域的成像距離可達(dá)到500 W燈泡照射系統(tǒng)的5倍[26]。而我國在該領(lǐng)域的研究大多處在實(shí)驗(yàn)室階段, 近幾年, 西安光機(jī)所、長春光機(jī)所、上海光機(jī)所、天津電視技術(shù)研究所、北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)及東南大學(xué)等單位均對水下成像系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究, 但與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距[27]。

2 組合導(dǎo)航技術(shù)研究熱點(diǎn)

單一的導(dǎo)航技術(shù)并不能勝任日益復(fù)雜的導(dǎo)航任務(wù), 因此AUV導(dǎo)航技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中于組合導(dǎo)航技術(shù)。AUV水下組合導(dǎo)航技術(shù)通常是指以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system, INS)為主, 借助聲學(xué)導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、海洋地磁導(dǎo)航及視覺導(dǎo)航等其中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行輔助的組合導(dǎo)航技術(shù), 旨在采用高精度的導(dǎo)航技術(shù)對INS隨時(shí)間累積的誤差進(jìn)行校正, 同時(shí)保證AUV的自主性和隱蔽性。常用的組合導(dǎo)航包括: INS/聲學(xué)組合導(dǎo)航、INS/地球物理組合導(dǎo)航、INS/視覺組合導(dǎo)航及INS/天文組合導(dǎo)航等。其中針對前2種的研究最為廣泛, 其導(dǎo)航原理分別如圖4和圖5所示。

圖4 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/地球物理組合導(dǎo)航原理圖

2.1 INS/地磁匹配組合導(dǎo)航

INS/地磁匹配組合導(dǎo)航是INS/地球物理組合導(dǎo)航的一種, 由INS系統(tǒng)、地磁傳感器、地磁圖和解算計(jì)算機(jī)等組成。其本質(zhì)是利用地磁傳感器測得的地磁數(shù)據(jù)與地磁圖匹配, 將匹配結(jié)果作為卡爾曼濾波的觀測量對組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行濾波, 從而對INS系統(tǒng)的誤差進(jìn)行抑制修正, 實(shí)現(xiàn)高精度定位。INS/地磁匹配組合導(dǎo)航具有無源、無輻射、全天候、全天時(shí)、高精度、隱蔽性好及自主性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 適用范圍廣, 除極點(diǎn)外的任何地點(diǎn)都可以使用。2種導(dǎo)航技術(shù)相互結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ), 一方面, 地磁匹配導(dǎo)航的定位誤差不隨時(shí)間累積, 可以抑制INS誤差的發(fā)散, 重調(diào)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(shù)據(jù), INS系統(tǒng)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(dǎo)航的強(qiáng)大優(yōu)勢, 使其在軍用AUV領(lǐng)域得到高度重視, 并迅速發(fā)展。

圖5 INS/聲學(xué)組合導(dǎo)航原理圖

美、俄、英等軍事強(qiáng)國早在20世紀(jì)70年代就按照全陸域100~200 km和全海域400~500 km的測線間隔進(jìn)行了全球磁力測量, 并繪制了可用于全球定位、AUV輔助導(dǎo)航及武器制導(dǎo)等的全球磁力矢量分布圖。20世紀(jì)90年代, 美國研制出了一種適合AUV的磁定位系統(tǒng), 并發(fā)明了一項(xiàng)水下運(yùn)載體磁標(biāo)定位系統(tǒng)專利, 對AUV進(jìn)行定位和重調(diào)。2003年8月, 美國國防部對外宣稱已研制成功定位精度在地面和空中優(yōu)于30 m圓概率誤差(circular error probable, CEP), 在水下優(yōu)于500 m CEP的純地磁導(dǎo)航系統(tǒng)[28]。2010年, 美國等西方發(fā)達(dá)國家開始倡導(dǎo)在軍隊(duì)中發(fā)展不依賴GPS的導(dǎo)航技術(shù)。為此, 美國海軍于2015年1月制定計(jì)劃明確任何需要主動(dòng)向外發(fā)送信號的方案一律不予通過, 以防暴露潛艇的位置, 并建議采用磁場、天文或光學(xué)作為導(dǎo)航源。我國針對INS/地磁匹配組合導(dǎo)航的研究大多處在仿真階段。哈爾濱工程大學(xué)在對水下地磁測量、水下磁定位技術(shù)、INS/地磁組合導(dǎo)航以及地磁匹配算法等領(lǐng)域都做了大量的仿真和試驗(yàn), 并取得不錯(cuò)的效果。

2.2 INS/重力匹配組合導(dǎo)航

作為INS/地球物理組合導(dǎo)航的一種, INS/重力匹配組合導(dǎo)航也擁有類似INS/地磁匹配組合導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)。INS/重力匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)由INS系統(tǒng)、重力儀或重力梯度儀、海洋重力場背景圖和解算計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)在獲取重力信息時(shí)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(shí)域限制, 是名副其實(shí)的自主無源高精度導(dǎo)航系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代初, 研究者們提出了利用重力圖形匹配技術(shù)來改善INS系統(tǒng)性能的新概念。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的重力輔助INS系統(tǒng)(gravi- ty aided inertial navigation system, GAINS)和重力梯度儀導(dǎo)航系統(tǒng)(gravity gradiometer navigation system, GGNS)都取得了預(yù)期效果。美國海軍于1998和1999年分別在艦船和潛艇上對洛克希德·馬丁公司研制的通用重力模塊(universal gra- vity module, UGM)進(jìn)行了演示驗(yàn)證。試驗(yàn)證實(shí)采用重力圖形匹配技術(shù)可將導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)緯度誤差降低至標(biāo)稱誤差的10%。目前, 美國新一代的潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)基本都包含重力傳感器模塊。國內(nèi)針對INS/重力匹配組合導(dǎo)航的研究始于21世紀(jì)初, 主要對匹配算法進(jìn)行研究, 尤其是迭代最近等值線點(diǎn)(iterative closest contour point, ICCP)算法。武漢大學(xué)、海軍工程大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)及哈爾濱工程大學(xué)等對ICCP算法、桑迪亞慣性地形輔助導(dǎo)航(Sandia inertial terrain-aided navigation, SITAN)算法、基于相關(guān)分析的地形輪廓匹配(terrain contour matching, TERCOM)算法做了大量研究和改進(jìn), 并取得一定進(jìn)展[29-31]。整體來看, 我國同國外發(fā)達(dá)國家在INS/重力匹配組合導(dǎo)航領(lǐng)域還存在較大差距。

2.3 INS/LBL組合導(dǎo)航

INS和LBL都是傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù), 與前面介紹的2種熱門導(dǎo)航技術(shù)相比, INS/LBL組合導(dǎo)航技術(shù)顯得太過老舊, 但這并不影響國內(nèi)外學(xué)者對它的研究熱度。INS/LBL組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度與水深無關(guān), 可以在較大的范圍內(nèi)獲得較高的定位精度, 無需進(jìn)行復(fù)雜的地磁模型和重力模型的創(chuàng)建, 而且新興的浮標(biāo)式LBL輔助INS系統(tǒng)可以克服潛標(biāo)式LBL在海底信標(biāo)布置困難的缺陷。這也是INS/LBL組合導(dǎo)航技術(shù)仍舊為當(dāng)下熱點(diǎn)研究的原因之一。

2010年, 美國海軍和Hydronalix公司合作, 研發(fā)一種基于INS的AUV浮標(biāo)定位和控制系統(tǒng), 目的是使操作人員能夠?qū)UV進(jìn)行跟蹤、監(jiān)控、下達(dá)命令并與其通信, 項(xiàng)目被分為3個(gè)階段進(jìn)行, 目前該項(xiàng)目仍處在研發(fā)過程中[32]。美國的羅德島大學(xué)近年來也正在進(jìn)行1個(gè)AUV浮標(biāo)定位通信的研究項(xiàng)目, 通過在每個(gè)浮標(biāo)上安裝4個(gè)水聽器和1個(gè)發(fā)射換能器, 采用三角定位和水聲通信原理實(shí)現(xiàn)AUV的定位和同浮標(biāo)的信息交互[33]。2013年, 我國的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器在南海進(jìn)行4天10次的下潛試驗(yàn), “蛟龍?zhí)枴迸鋫溆蠰BL和SBL兩套定位系統(tǒng)來輔助INS, 其中長基線定位系統(tǒng)精度更高, 可以保證“蛟龍?zhí)枴痹陟o止?fàn)顟B(tài)下定位方差小于2 cm。這10次下潛不僅發(fā)現(xiàn)了冷泉和新的海洋物種, 還帶來了海水樣品, 是我國海洋地質(zhì)勘探領(lǐng)域的一次重大突破。我國雖然在LBL輔助INS導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展, 但高精度的LBL定位系統(tǒng)仍需從國外引進(jìn), 例如“蛟龍?zhí)枴焙汀皾擙執(zhí)枴辈捎玫腖BL系統(tǒng)都是法國IXBLUE公司的深水LBL系統(tǒng)。

2.4 INS/地形匹配組合導(dǎo)航

INS/地形匹配組合導(dǎo)航較其他2種地球物理組合導(dǎo)航研究更早, 使用更廣泛。在很長一段時(shí)間內(nèi), 海底地形輔助導(dǎo)航的潛力并沒有被充分挖掘, 這是由于無法構(gòu)建高精度的海底地形圖。直到多波束測深系統(tǒng)和激光探測系統(tǒng)等的出現(xiàn), 海底的詳細(xì)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(North Atlantic treaty organization, NATO)對搭載了由挪威國防研究所研制的地形匹配輔助INS導(dǎo)航系統(tǒng)的HUGIN AUV進(jìn)行了多次BP02海試試驗(yàn)[34]。澳大利亞悉尼大學(xué)研發(fā)的Oberon AUV采用的也是INS/地形匹配組合導(dǎo)航, 并在澳大利亞的近海進(jìn)行了圖標(biāo)定位和導(dǎo)航試驗(yàn)[35]。

3 展望

導(dǎo)航技術(shù)由于其各自的導(dǎo)航方式不同, 應(yīng)用領(lǐng)域也存在差異。航位推算導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航通常作為一種基礎(chǔ)的導(dǎo)航方式與其他導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合, 在軍民領(lǐng)域都廣泛使用; 聲學(xué)導(dǎo)航也廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域, 但隨著各國在軍事上的投入不斷加大, 技術(shù)的不斷加強(qiáng), 借助衛(wèi)星信號定位的聲學(xué)導(dǎo)航信號被截獲、被干擾的可能性增大; 地球物理導(dǎo)航中, INS/地形匹配組合導(dǎo)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(shù)據(jù)庫相較于地磁和重力數(shù)據(jù)庫更易獲取、更加穩(wěn)定, 所以后2種導(dǎo)航方式目前只在軍用領(lǐng)域有所使用。

3.1 軍用AUV導(dǎo)航技術(shù)

在軍事領(lǐng)域, AUV對提高海軍作戰(zhàn)能力有著舉足輕重的作用。在未來的水下戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)中, 通過提高AUV導(dǎo)航能力來增強(qiáng)其在水下作戰(zhàn)中的自主性、隱蔽性及精確性等性能迫在眉睫。聲學(xué)導(dǎo)航由于其浮標(biāo)或海底聲信標(biāo)布置的困難性, GPS信號和水聲信號易被截獲和不穩(wěn)定性, 在水下作戰(zhàn)中顯得尤為被動(dòng), 并有被INS/地磁匹配組合導(dǎo)航、INS/重力匹配組合導(dǎo)航等地球物理輔助導(dǎo)航方式取代的趨勢。

INS/地磁匹配組合導(dǎo)航和INS/重力匹配組合導(dǎo)航的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面。

1) 高精度的磁傳感器和重力傳感器的研制。高靈敏度、低功耗、穩(wěn)定性好及抗干擾能力強(qiáng)將是未來2種傳感器研究的重點(diǎn)。

2) 完整的重力場模型和地磁模型的建立。這2種模型的創(chuàng)建都是極為復(fù)雜的工作, 而且由于重力場和地磁場都是不斷變化的, 每隔幾年都需要進(jìn)行更新。因此, 定期對重力場模型和地磁模型進(jìn)行更新和完善將是一項(xiàng)持久的工作。

3) 匹配算法的優(yōu)化。對ICCP算法、SITAN算法、TERCOM算法等相關(guān)匹配算法進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析, 或者相互結(jié)合, 減小匹配誤差。

4) 結(jié)合其他導(dǎo)航技術(shù)。在現(xiàn)有組合導(dǎo)航方式的基礎(chǔ)上, 繼續(xù)發(fā)展同衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等的相互結(jié)合或者地磁導(dǎo)航同重力導(dǎo)航相結(jié)合輔助INS的多種導(dǎo)航技術(shù), 優(yōu)勢互補(bǔ), 也是未來組合導(dǎo)航的發(fā)展方向之一。

其中完整的重力場模型和地磁模型的建立是其最大難點(diǎn)。如何在重力和地磁數(shù)據(jù)匱乏, 地球物理模型建立困難的情況下完成AUV的導(dǎo)航定位才是當(dāng)務(wù)之急。

3.2 民用AUV導(dǎo)航技術(shù)

在民用領(lǐng)域, 例如海洋環(huán)境監(jiān)測、海水養(yǎng)殖等, 并不要求信息具有隱蔽性。因此在未來的導(dǎo)航方式中, 可選擇性也會(huì)比較多。在獲得完備的地磁數(shù)據(jù)庫、重力數(shù)據(jù)庫的情況下, 利用地磁或者重力輔助INS的組合導(dǎo)航顯然是不錯(cuò)的選擇。但在條件限制而無法獲得完備數(shù)據(jù)庫的情況下, 利用基于LBL的浮標(biāo)導(dǎo)航定位輔助INS的組合導(dǎo)航方式更加方便、經(jīng)濟(jì), 也必將成為未來民用AUV導(dǎo)航技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

INS/LBL組合導(dǎo)航方式在未來的發(fā)展方向可劃分為以下幾點(diǎn):

1) 逐漸用浮標(biāo)代替海底信標(biāo)。浮標(biāo)相比于海底信標(biāo)布置簡單、回收方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用, 而且能保持LBL的高精度定位;

2) 我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou naviga- tion satellite system, BDS)已經(jīng)覆蓋了亞太地區(qū), 浮標(biāo)接收的GPS信號逐步用BDS信號來代替是我國浮標(biāo)輔助導(dǎo)航定位的發(fā)展趨勢;

3) 研究高精度水聲傳感器。為了提高AUV同浮標(biāo)間的通信能力, 面對復(fù)雜的水聲信道, 研制抗干擾能力更強(qiáng)、穩(wěn)定性更好的水聲傳感器勢在必行;

4) 優(yōu)化定位算法。LBL定位大多采用三角定位和數(shù)據(jù)融合算法, 設(shè)置更合適的權(quán)值以及在AUV上安裝深度傳感器將定位場景從3維轉(zhuǎn)換到2維等, 都能提高定位精度。

對我國而言, 逐步完成BDS導(dǎo)航系統(tǒng), 以代替美國的GPS導(dǎo)航, 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的自主性, 并逐步擴(kuò)大BDS導(dǎo)航范圍, 才能實(shí)現(xiàn)我國INS/ LBL組合導(dǎo)航質(zhì)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

針對組合導(dǎo)航技術(shù)在AUV發(fā)展與應(yīng)用中的重要地位, 文中詳細(xì)介紹了各種AUV導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展概況, 并著重對各種組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了分析研究?？梢钥闯? 未來AUV的導(dǎo)航技術(shù)仍將是以INS為主的組合導(dǎo)航。INS/地磁匹配組合導(dǎo)航、INS/重力匹配組合導(dǎo)航等地球物理組合導(dǎo)航將在軍事領(lǐng)域發(fā)揮更加強(qiáng)大的作用; INS/LBL組合導(dǎo)航技術(shù)則將更加廣泛地應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

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WEI Bo-wen1, Lü Wen-hong2, FAN Xiao-jing1, ZHU You-kang1, GUO Yin-jing1

(1. College of Electronic Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. College of Transportation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Navigation technology is one of the key technologies in the development and application of an autonomous undersea vehicle(AUV). Integrated navigation has become the development direction of AUV navigation technology in the future because of its higher stability, accuracy and persistency. This paper briefly describes the development of traditional navigation technologies and non-traditional navigation technologies for an AUV, and analyzes the application and research status of the inertial navigation system(INS)/acoustic integrated navigation, INS/geophysical integrated navigation, INS/visual integrated navigation, and INS/astronomical integrated navigation. It is concluded that the INS/geomagnetic matching integrated navigation and INS/gravity matching integrated navigation have become the development trend of AUV navigation technologies in military fields, and the INS/long baseline(LBL) integrated navigation has become the development direction of AUV navigation technologies in civilian fields. In addition, the research directions of the INS/geomagnetic matching integrated navigation, INS/gravity matching integrated navigation, and INS/LBL integrated navigation are looked forward.

autonomous undersea vehicle(AUV); inertial navigation system(INS); integrated navigation

魏博文, 呂文紅, 范曉靜, 等. AUV導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(1): 1-9.

TJ630.33; U675.7; U674.941

R

2096-3920(2019)01-0001-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.001

2018-06-12;

2018-11-12.

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(公益類專項(xiàng))項(xiàng)目(2018GHY115022).

魏博文(1991-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù).

呂文紅(1968-), 女, 博士, 教授, 主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航與通信系統(tǒng)、運(yùn)籌學(xué)與最優(yōu)化方法等.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)