陳 科,葉開富,杜 度,李 楊
(海軍研究院,北京,100161)
無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)在海洋開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,如海洋資源探索,海底管道鋪設(shè),海底地形地貌描繪等[1-4]。導(dǎo)航是 UUV執(zhí)行任務(wù)的前提,也是UUV能否順利完成任務(wù)的重要保障。由于 UUV航行時(shí)會(huì)存在隨時(shí)間不斷累積的誤差,這種誤差對(duì)于短航時(shí) UUV的影響較小,但對(duì)于長(zhǎng)航時(shí)UUV而言,這種影響十分嚴(yán)峻:UUV導(dǎo)航性能的校正與評(píng)估結(jié)果直接決定了長(zhǎng)航時(shí) UUV執(zhí)行任務(wù)的成敗,而誤差較大的導(dǎo)航結(jié)果會(huì)造成長(zhǎng)航時(shí)UUV的撞毀與丟失等一系列問(wèn)題。因此,研究長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估方法尤為重要。
長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估方法主要分為 2個(gè)方面:一是對(duì)導(dǎo)航方法的校正,即在分析各種 UUV導(dǎo)航方法的基礎(chǔ)上,利用組合導(dǎo)航的方式校正提高精度;二是對(duì)導(dǎo)航性能的評(píng)估,即設(shè)計(jì)一套統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系,以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)。同時(shí)需通過(guò)分析長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航性能評(píng)估需求、評(píng)估方案及評(píng)估指標(biāo)等,給出其導(dǎo)航性能評(píng)估方法體系。
基于此,文中對(duì)長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估方法進(jìn)行了系統(tǒng)闡述,給出其具體方法及性能指標(biāo),并提出相關(guān)分析建議,最后結(jié)合水下聲學(xué)應(yīng)答器(underwater transponder positioning,UTP)的特點(diǎn),提出長(zhǎng)航時(shí) UUV 導(dǎo)航校正方法,通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。
UUV最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代[5],近年來(lái),學(xué)者們提出了多種 UUV導(dǎo)航方法,按照導(dǎo)航原理,主要分為慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和地球物理導(dǎo)航等。
慣性導(dǎo)航是 UUV最常用的導(dǎo)航方式,主要依據(jù)牛頓慣性定律提出[6-8],其優(yōu)點(diǎn)是具有極高的自主性和隱蔽性。但是慣性導(dǎo)航存在隨時(shí)間不斷累積的誤差,特別是對(duì)長(zhǎng)航時(shí) UUV的影響較為嚴(yán)重。UUV慣性導(dǎo)航通用微分方程主要包含姿態(tài)方程、速度方程和位置方程[9],即
式中:α,,βγ為平臺(tái)誤差角;和分別為 3個(gè)坐標(biāo)軸方向上計(jì)算得到的指令角速度;和zω分別為3個(gè)坐標(biāo)軸方向上的指令角速度;εx,εy和εz分別為3個(gè)坐標(biāo)軸上的陀螺漂移;vcx,vcy為速度;Δax,Δay為加速度計(jì)零偏;φc,λc為位置;Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度。
水下的主要通信方式是水聲通信,聲學(xué)導(dǎo)航方法在長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航中發(fā)揮著重要作用,因此在水聲通信的基礎(chǔ)上發(fā)展出水聲導(dǎo)航系統(tǒng)[10]。聲學(xué)導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)航結(jié)果較準(zhǔn)確,且沒(méi)有隨時(shí)間累積的誤差;缺點(diǎn)是由于聲信標(biāo)需提前布放,工作量較大,且對(duì)聲信標(biāo)位置的確定存在一定困難。
視覺(jué)導(dǎo)航是利用視覺(jué)設(shè)備實(shí)時(shí)確定 UUV在水下的位置[8]。這類導(dǎo)航算法較為復(fù)雜,需要UUV上配備全方位水下攝像機(jī),且需要光信標(biāo)等輔助設(shè)施。由于水下能見度較低,這種導(dǎo)航方式使用較少,常用于多UUV協(xié)同導(dǎo)航[11]。
地球物理導(dǎo)航是利用地球物理的本身特征,如重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)或海底地圖等對(duì) UUV進(jìn)行導(dǎo)航[12]。其優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性很高,并且較為準(zhǔn)確;缺點(diǎn)是需要提前測(cè)得所航行海域的地球物理信息,工作量較大且需要存儲(chǔ)識(shí)別的任務(wù)量較多。
通過(guò)以上對(duì) UUV導(dǎo)航方法的分析可知,適用于 UUV的導(dǎo)航方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn),若要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)的水下導(dǎo)航,只應(yīng)用傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航方法,會(huì)存在累積誤差,且單一導(dǎo)航方法不能滿足要求,需要多種方法配合完成導(dǎo)航任務(wù),提高長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航精度。例如:若UUV可以在航行一段時(shí)間后浮出水面進(jìn)行導(dǎo)航校正,那么就可利用與衛(wèi)星導(dǎo)航組合的形式進(jìn)行導(dǎo)航精度校正;另外,由于聲學(xué)導(dǎo)航具有較高的定位精度,也可將其作為輔助校正方式,如長(zhǎng)基線(long base line,LBL)、短基線(short base line,SBL)、超短基線(ultra-short base line,USBL)以及水下聲信標(biāo)等方式,對(duì)長(zhǎng)航時(shí)UUV的導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行校正;同時(shí)也可利用多傳感器數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正。具體的導(dǎo)航方法以及數(shù)據(jù)融合濾波方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。
長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估方法的實(shí)現(xiàn)需要試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)設(shè)備和評(píng)價(jià)機(jī)制等需求(見圖 1),這些是完成長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估的前提和重要保障。
圖1 長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人水下航行器導(dǎo)航試驗(yàn)需求Fig.1 Navigation test requirements of long-endurance unmanned undersea vehicle (UUV)
對(duì)于一些小型短航時(shí) UUV的導(dǎo)航設(shè)備,可以在室內(nèi)水下進(jìn)行性能評(píng)估。但室內(nèi)水池?zé)o法模擬 UUV在海上應(yīng)用時(shí)所受到的海浪、洋流等干擾,且長(zhǎng)航時(shí) UUV需要開闊海域才能完成長(zhǎng)航程、長(zhǎng)航時(shí)的水下導(dǎo)航性能評(píng)估。因此需要采用室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地與海上試驗(yàn)場(chǎng)地相結(jié)合的模式,完成水下導(dǎo)航性能評(píng)估試驗(yàn)。
導(dǎo)航性能的評(píng)估需要利用較為精確的外測(cè)或內(nèi)測(cè)輔助設(shè)備。通常采用精度較高的全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、光纖羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器、多普勒計(jì)程儀(Doppler velocity log,DVL)等設(shè)備作為輔助設(shè)備。一方面給出當(dāng)前設(shè)備的導(dǎo)航精度水平,另一方面,導(dǎo)航精度要求較高的UUV上也可攜帶上述設(shè)備,通過(guò)濾波算法實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航,從而進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航校正。
UUV導(dǎo)航試驗(yàn)中存在一定未知危險(xiǎn),如航行故障、未經(jīng)過(guò)測(cè)試的導(dǎo)航設(shè)備不準(zhǔn)確導(dǎo)致丟失等。由于 UUV在研制過(guò)程中投入了大量的資金和人力,一旦危險(xiǎn)發(fā)生將產(chǎn)生巨大損失,因而需要有經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)的試驗(yàn)人員,能夠有效預(yù)防問(wèn)題,及時(shí)解決問(wèn)題。同時(shí),長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估需要多天的時(shí)間才能完成,需要對(duì)試驗(yàn)人員提供足夠的生活保障,同時(shí)需要對(duì)UUV長(zhǎng)航時(shí)航行提供足夠的保障資源。
有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有利于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí),利用已存儲(chǔ)的可重復(fù)利用的數(shù)據(jù)可有效地減少試驗(yàn)次數(shù)。因此,試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)應(yīng)具有足夠的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,以保證對(duì) UUV航行過(guò)程中導(dǎo)航性能的校正、分析與處理。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的選擇與設(shè)計(jì),使其具備對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理以及航行后數(shù)據(jù)還原的能力,為長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航提供可靠的數(shù)據(jù)處理保障機(jī)制。
長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估的具體實(shí)現(xiàn)方法是利用較高精度的導(dǎo)航設(shè)備輔助測(cè)試UUV所攜帶設(shè)備的導(dǎo)航精度。由于衛(wèi)星和無(wú)線電導(dǎo)航精度較高,在進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航性能評(píng)估時(shí),可采用近水面航行的方式,利用衛(wèi)星或無(wú)線電導(dǎo)航結(jié)果作為 UUV水下導(dǎo)航的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。另外,也可采用其他導(dǎo)航精度較高的試驗(yàn)設(shè)備作為評(píng)估依據(jù)。通過(guò)室內(nèi)水池試驗(yàn)以及海上試驗(yàn) 2種方式收集導(dǎo)航數(shù)據(jù),將收集到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)對(duì)比,給出UUV導(dǎo)航性能評(píng)估結(jié)果。具體流程如圖2所示。
1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。在進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估試驗(yàn)之前,應(yīng)制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案,規(guī)劃試驗(yàn)過(guò)程中 UUV的航行路徑,確定并安裝輔助導(dǎo)航設(shè)備,制定試驗(yàn)應(yīng)急預(yù)案等。
2)UUV布放入水。利用吊放吊具等設(shè)備,將UUV緩慢布放入水,進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備。
3)水下備航。啟動(dòng) UUV備航模式,為自身攜帶的控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等供電,并與控制中心交換信號(hào),確認(rèn)備航過(guò)程順利進(jìn)行。水下備航過(guò)程是長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航試驗(yàn)進(jìn)行的重要保證,決定著航行試驗(yàn)的安全性和準(zhǔn)確性,因而需要對(duì)水下備航階段予以高度重視。
4)進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航試驗(yàn)。根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的航行航路進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。按照水下導(dǎo)航執(zhí)行任務(wù)的要求設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程,根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)過(guò)程執(zhí)行試驗(yàn)。
圖2 長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航性能評(píng)估流程圖Fig.2 Flow chart of navigation performance evaluation of long-endurance UUV
5)收集各導(dǎo)航設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果,用于實(shí)時(shí)比較和試驗(yàn)后還原??紤]到試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中要耗費(fèi)大量的人力和物力,在設(shè)計(jì)長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估方法時(shí),采用數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的形式,數(shù)據(jù)一方面用于實(shí)時(shí)導(dǎo)航校正與評(píng)估,另一方面用于試驗(yàn)后數(shù)據(jù)離線時(shí)的精確處理及試驗(yàn)還原。
6)計(jì)算機(jī)在線實(shí)時(shí)處理 UUV導(dǎo)航試驗(yàn)結(jié)果。其目的在于,根據(jù)UUV在當(dāng)前時(shí)刻的航行狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航校正,并且實(shí)時(shí)評(píng)估導(dǎo)航結(jié)果,及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)路線,避免潛在的試驗(yàn)危險(xiǎn)。
7)存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù),離線處理導(dǎo)航結(jié)果。與在線處理數(shù)據(jù)相比,離線處理數(shù)據(jù)可以提供更加精確的結(jié)果。另外,在試驗(yàn)后需要還原試驗(yàn)場(chǎng)景時(shí),也可以進(jìn)行離線數(shù)據(jù)處理,這樣無(wú)需重新進(jìn)行試驗(yàn),可節(jié)約試驗(yàn)成本和時(shí)間。離線處理與在線處理相比有更高的處理效率與試驗(yàn)精度,可以對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行重現(xiàn),以得到更好的結(jié)果。
8)給出 UUV導(dǎo)航性能指標(biāo),并與期望指標(biāo)進(jìn)行比較。通過(guò)比較給出長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航的系統(tǒng)化性能指標(biāo),便于橫向比較各種類型的長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航性能。
9)給出長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航性能評(píng)估結(jié)果。結(jié)合上述各個(gè)步驟得到的結(jié)果綜合評(píng)價(jià)長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航性能,給出綜合化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
通過(guò)上述步驟完成長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估的整個(gè)過(guò)程。
長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括姿態(tài)誤差、速度誤差和位置誤差等。針對(duì)具體的試驗(yàn)需求,給出各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求,并將試驗(yàn)結(jié)果與期望指標(biāo)相比較,利用比較結(jié)果進(jìn)行水下導(dǎo)航校正與性能評(píng)估。當(dāng)然,也可依據(jù)實(shí)際情況,與長(zhǎng)航時(shí) UUV的整體評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合,建立系統(tǒng)化的長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航性能評(píng)估體系(例如將UUV航行距離、使用壽命、具體執(zhí)行任務(wù)等方面與其導(dǎo)航性能相結(jié)合)。
建立長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估方法,有利于UUV導(dǎo)航性能的完善與裝備研制的發(fā)展。對(duì)于長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航性能的評(píng)價(jià),應(yīng)站在全局角度,結(jié)合UUV的整體設(shè)計(jì)、任務(wù)需求等綜合考慮,給出長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航評(píng)估結(jié)果。長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估的目的在于,給出有說(shuō)服力的水下導(dǎo)航評(píng)估結(jié)果,為設(shè)備性能提供可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)。提高長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航精度的具體建議包含以下幾點(diǎn)。
1)將長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估體系與長(zhǎng)航時(shí) UUV整體評(píng)價(jià)體系相結(jié)合,建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
2)建立通用的試驗(yàn)設(shè)施。在設(shè)計(jì)搭建試驗(yàn)場(chǎng)地時(shí),應(yīng)考慮不同試驗(yàn)對(duì)于場(chǎng)地及其他后勤設(shè)備的需求,建立統(tǒng)一化、通用化的試驗(yàn)場(chǎng)地以及后勤服務(wù),可以有效提高試驗(yàn)場(chǎng)地及后勤設(shè)備的利用率,節(jié)約成本。
3)提高試驗(yàn)水平與實(shí)戰(zhàn)水平的近似程度。利用試驗(yàn)設(shè)備模擬真實(shí)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的環(huán)境等情況,使得試驗(yàn)結(jié)果更加接近于真實(shí)實(shí)戰(zhàn)水平,從而使長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估方法的提出更加具有實(shí)際意義。
為了更系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估,應(yīng)針對(duì)不同情況建立系統(tǒng)的導(dǎo)航評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。培養(yǎng)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的試驗(yàn)人員,成立長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估指導(dǎo)小組,一方面需提高指導(dǎo)小組的專業(yè)技術(shù)能力,另一方面,需加強(qiáng)與各研制單位的交流協(xié)作,以培養(yǎng)更多、更全面的試驗(yàn)人才。
傳統(tǒng)的 UUV多采用慣性導(dǎo)航航位推算等形式確定其位置。根據(jù)UUV的初始導(dǎo)航信息,結(jié)合傳感器測(cè)量結(jié)果推算 UUV的位置信息。這種方法在短時(shí)間內(nèi)可以保證較高精度,但隨著時(shí)間的增加,誤差會(huì)不斷發(fā)散。UTP是一種基于水聲設(shè)備測(cè)距進(jìn)而給出 UUV所在具體位置的水聲輔助導(dǎo)航儀器。其原理是:在海底布放聲信標(biāo),在測(cè)定時(shí)通過(guò)聲音傳輸給出 UUV較為準(zhǔn)確的位置信息??梢岳肬TP輔助校正,以減小UUV導(dǎo)航的積累誤差。下面以UTP為輔助導(dǎo)航設(shè)備[13],對(duì)UUV航位推算的結(jié)果加以校正。
首先給出 UUV姿態(tài)誤差、速度誤差以及位置誤差的表達(dá)式[13]如下
1)姿態(tài)誤差方程
采用四元數(shù)方法對(duì) UUV的姿態(tài)進(jìn)行更新,經(jīng)過(guò)推導(dǎo),得到UUV的姿態(tài)誤差方程為
2)速度誤差方程
利用DVL的測(cè)量結(jié)果為UUV航位推算提供速度參考。根據(jù) DVL的測(cè)量原理可知,其測(cè)量誤差主要由刻度因數(shù)誤差δKD、速度漂移誤差ΔvD以及測(cè)量白噪聲wΔ組成,即
式中,為多普勒測(cè)速儀在載體坐標(biāo)系下的速度測(cè)量值。
3)位置誤差方程
首先給出UUV的位置微分方程
結(jié)合位置微分方程可以得到 UUV的位置誤差方程為
4)UTP輔助航位推算的UUV狀態(tài)方程
結(jié)合以上推導(dǎo)的 UUV姿態(tài)、速度和位置的誤差方程,選擇狀態(tài)變量,可以建立 UTP輔助UUV航位推算的狀態(tài)方程
式中:x為狀態(tài)變量;F為系統(tǒng)矩陣;G為控制矩陣;w為控制向量。
5)UTP輔助航位推算的UUV觀測(cè)方程
UUV航位推算系統(tǒng)的位置解算方程為
UTP系統(tǒng)的位置解算方程為
將UUV航位推算系統(tǒng)位置解算值與UTP系統(tǒng)位置估計(jì)值的差值作為觀測(cè)量,可以建立系統(tǒng)的觀測(cè)方程
通過(guò)設(shè)計(jì)下述仿真試驗(yàn)驗(yàn)證所提出的 UTP輔助 UUV航位推算導(dǎo)航校正結(jié)果。試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:UUV初始位置設(shè)置為東經(jīng)120°、北緯 30°;姿態(tài)誤差分別為 1′,1′和 10′。三軸速度誤差均為0.6m/s,三軸位置誤差均為10m。得到UTP輔助導(dǎo)航校正UUV的位置結(jié)果如圖3所示。
圖3 水下聲學(xué)應(yīng)答器輔助校正結(jié)果Fig.3 Results of calibration assisted by underwater transponder positioning (UTP)
通過(guò)圖 3可以看出,經(jīng)過(guò) UTP輔助校正的UUV位置導(dǎo)航誤差均穩(wěn)定在零值附近,且在20 m范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)。仿真結(jié)果證明UTP可以為UUV提供較為準(zhǔn)確的位置校正信息,經(jīng)過(guò)UTP的校正,抑制了UUV的導(dǎo)航位置誤差發(fā)散。
文中通過(guò)對(duì) UUV導(dǎo)航方法的分析比較,提出了長(zhǎng)航時(shí) UUV導(dǎo)航校正與性能評(píng)估的實(shí)現(xiàn)方法與流程,并結(jié)合UTP對(duì)長(zhǎng)航時(shí)UUV導(dǎo)航累積誤差進(jìn)行了校正。仿真結(jié)果表明,通過(guò)UTP輔助導(dǎo)航的形式,可以有效減少長(zhǎng)航時(shí) UUV誤差累積導(dǎo)致的發(fā)散,位置誤差結(jié)果在零值附近波動(dòng),滿足長(zhǎng)航時(shí)UUV的導(dǎo)航需求。