肖家耀 XIAO Jia-yao

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

眾所周知，海洋所蘊(yùn)含的自然資源是地球上最豐富的但同時(shí)也是人類目前探索最少的地方。隨著人類在利用海洋和開發(fā)海洋上的投入不斷增大，自主水下航行器（AUV）引起了越來越多的關(guān)注[1]，特別是在海洋石油勘探開發(fā)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。AUV是能夠在水下自主航行、自動(dòng)控制、并能按照程序預(yù)先規(guī)劃路徑自主完成預(yù)定任務(wù)的水下集成系統(tǒng)。導(dǎo)航定位技術(shù)是AUV的關(guān)鍵技術(shù)之一，高精度水下導(dǎo)航定位技術(shù)對(duì)AUV的安全航行和高效率完成任務(wù)具有決定性的作用。

由于無線電信號(hào)在水中迅速衰減，AUV無法借助無線電導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離、大范圍的準(zhǔn)確定位，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在水下不可用是AUV水下導(dǎo)航定位面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。在不使用聲學(xué)基線定位系統(tǒng)的情況下，AUV在水下主要依靠自身搭載的羅經(jīng)、多普勒計(jì)程儀（Doppler Velocity Logger，DVL）或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的各類導(dǎo)航信息，通過航位推算模式實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航定位。慣性導(dǎo)航/航位推算方法精度受傳感器本身測(cè)量精度影響，會(huì)隨時(shí)間迅速積累。在DVL鎖定海底并且能夠提供有效對(duì)地速度輔助導(dǎo)航的情況下，慣性導(dǎo)航/航位推算的導(dǎo)航誤差一般為航行距離的0.5-2%，如果使用高精度的慣性導(dǎo)航設(shè)備，導(dǎo)航誤差能夠優(yōu)于航行距離的0.1%。當(dāng)在水面時(shí)，AUV可以通過GNSS（Global Navigation Satellite System）獲得的絕對(duì)位置來實(shí)時(shí)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差。但是定時(shí)上浮接收GNSS信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性導(dǎo)航誤差的校正在實(shí)際應(yīng)用過程中往往是不現(xiàn)實(shí)的，尤其在深水調(diào)查作業(yè)中。

在過去的二十年間，AUV水下導(dǎo)航定位技術(shù)研究取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。以視覺導(dǎo)航和地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)為代表的非傳統(tǒng)導(dǎo)航方式逐步開始在水下導(dǎo)航中得到應(yīng)用，并取得了一定的成果。除此之外，用于解決機(jī)器人導(dǎo)航定位的同步定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）算法技術(shù)日漸成熟，在水下導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用研究也取得了一定的理論和實(shí)踐成果[2]。

AUV水下導(dǎo)航定位技術(shù)主要可以歸納為以下幾類：

1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

AUV可以通過測(cè)量其行進(jìn)的距離和方向來確定其在海上的位置，稱為航位推算。航位推算（Dead reckoning）是一種完全依靠自身設(shè)備而無需其他定位支持即可自主解決載體當(dāng)前位置的方法。在航位推算模式下，AUV可以根據(jù)其出發(fā)點(diǎn)的位置、行進(jìn)方向和速度或加速度矢量來估計(jì)其當(dāng)前的位置。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是完全依靠自身設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航的一種無源系統(tǒng)。AUV的初始位置由全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)確定，AUV的航向、姿態(tài)和加速度信息由慣性測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)提供。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)綜合以上信息就可以實(shí)時(shí)解算出AUV在水下的實(shí)時(shí)位置。本質(zhì)上，慣性導(dǎo)航屬于一種航位推算導(dǎo)航，即從給定的初始位置開始，根據(jù)運(yùn)動(dòng)體在該點(diǎn)的航行速度、航行方向和航行時(shí)間，推算出下一時(shí)刻的位置信息的導(dǎo)航過程。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴任何外界信息，數(shù)據(jù)更新率搞、短期精度和穩(wěn)定性好[3]，是目前AUV主要的導(dǎo)航定位方式。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件為加速度計(jì)和陀螺儀。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在正式工作之前，首先要經(jīng)過初始化對(duì)準(zhǔn)，使平臺(tái)坐標(biāo)系按導(dǎo)航坐標(biāo)系定向，為加速度計(jì)提供一個(gè)高精度的測(cè)量基準(zhǔn)。在AUV航行過程中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用陀螺儀使平臺(tái)始終跟蹤當(dāng)?shù)厮矫妫齻€(gè)軸始終指向東、北、垂向方向。在這三個(gè)軸上的加速度計(jì)分別測(cè)量北向加速度ax、東向加速度ay和垂向加速度az。在tk時(shí)刻時(shí)，將這三個(gè)方向上的加速度分量進(jìn)行一次積分，便可得到AUV沿三個(gè)方向的速度分量為：

再次通過對(duì)速度積分，即可得到tk時(shí)刻AUV在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置，即：

式中，B、L、h為AUV在tk時(shí)刻的緯度、經(jīng)度和高程；B0、L0、h0為AUV在初始時(shí)刻t0的位置，可由GNSS提供；B˙、L˙、h˙分別表示緯度、經(jīng)度和高程的時(shí)間變化率，可以由以下公式解算：

式中RM、RN分別表示地球子午圈、卯酉圈的曲率半徑。

慣性導(dǎo)航主要元件陀螺儀的漂移誤差和加速度計(jì)的零位偏值是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的最直接的和最重要的因素，會(huì)導(dǎo)致慣性導(dǎo)航存在積累誤差，因而難以長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立工作。在實(shí)際應(yīng)用中，通常利用各種外部輔助導(dǎo)航設(shè)備，如多普勒計(jì)程儀（DVL）等，取長(zhǎng)補(bǔ)短，應(yīng)用現(xiàn)代濾波理論和信息融合技術(shù)對(duì)慣性導(dǎo)航的累計(jì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

2 水下聲學(xué)定位系統(tǒng)

水下聲學(xué)定位是一種重要的水下導(dǎo)航定位方法，具備穩(wěn)定的高精度定位能力，能夠?yàn)楦黝惿詈Ｌ綔y(cè)裝備提供絕對(duì)位置信息[4]。它是通過測(cè)量水下聲源所輻射的聲信號(hào)從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間及聲速來確定聲源到各接收點(diǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的。但聲學(xué)定位存在數(shù)據(jù)更新率低，延遲較大等缺點(diǎn)，通常與慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)組合應(yīng)用于AUV中，用于修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作后產(chǎn)生的累計(jì)誤差。根據(jù)定位基線長(zhǎng)度，可以將水下聲學(xué)定位技術(shù)分為三類：長(zhǎng)基線（Long Base Line）、短基線（Short Base Line）、超短基線（Ultra Short Base Line）。表1列舉了這三種水聲定位技術(shù)的典型基線長(zhǎng)度。

表1 水聲定位技術(shù)分類

2.1 長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，一部分是安裝在水下自主航行器或載體的換能器，另一個(gè)部分是布放在海底已知精確地理位置的至少三個(gè)聲學(xué)應(yīng)答器組成的聲學(xué)基陣。應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線，基線長(zhǎng)度根據(jù)工作區(qū)域及應(yīng)答作用距離確定，在上百米到幾千米之間。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)是通過測(cè)量目標(biāo)與各個(gè)聲學(xué)應(yīng)答器之間的斜距，采用球面交匯的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。

從定位原理上講，系統(tǒng)導(dǎo)航定位只需要2個(gè)海底應(yīng)答器就可以，但是產(chǎn)生了目標(biāo)的偏離模糊問題，另外不能測(cè)量目標(biāo)的水深，所以至少需要3個(gè)海底應(yīng)答器才能得到目標(biāo)的三維坐標(biāo)[5]。實(shí)際應(yīng)用中，需要接收4個(gè)以上海底應(yīng)答器的信號(hào)，產(chǎn)生多余觀測(cè)，提高測(cè)量的精度。系統(tǒng)的工作方式是距離測(cè)量（range/range）。長(zhǎng)基線定位精度很高，但系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，成本昂貴，且需要大量的時(shí)間布放和校準(zhǔn)水下聲學(xué)應(yīng)答器基陣，聲學(xué)應(yīng)答器基陣回收程序復(fù)雜，且存在丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 短基線定位系統(tǒng)

短基線定位系統(tǒng)定位原理與長(zhǎng)基線系統(tǒng)相同。區(qū)別在于短基線定位系統(tǒng)的聲基陣通常是由安裝在船底的換能器組成，換能器之間的距離一般在20-50m之間，換能器之間的相互關(guān)系精確測(cè)定，組成聲基陣坐標(biāo)系，聲基陣坐標(biāo)系與船舶坐標(biāo)系的相互關(guān)系由常規(guī)測(cè)量方法確定。短基線系統(tǒng)的測(cè)量方式是由一個(gè)換能器發(fā)射，所有換能器接收，得到一個(gè)斜距觀測(cè)值和不同于這個(gè)觀測(cè)值的多個(gè)斜距值，系統(tǒng)根據(jù)聲基陣坐標(biāo)系相對(duì)于船舶坐標(biāo)系的固定關(guān)系，輔以外部傳感器觀測(cè)值，如GPS、MRU、Gyro提供的船的位置、姿態(tài)、船艏向值，計(jì)算得到目標(biāo)的地理坐標(biāo)。系統(tǒng)的工作方式是距離測(cè)量（range/range）。短基線定位系統(tǒng)的定位精度雖然不如長(zhǎng)基線，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)基線簡(jiǎn)單，由于其聲學(xué)基陣在船底安裝時(shí)已經(jīng)精確測(cè)量校準(zhǔn)，更換作業(yè)工區(qū)不需要重復(fù)布放和校準(zhǔn)聲學(xué)基陣，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。但目標(biāo)位置的解算也會(huì)受到船體姿態(tài)的影響，還需要配備高精度外部傳感器獲取船體實(shí)時(shí)的位置、姿態(tài)和航向信息。

2.3 超短基線定位系統(tǒng)

超短基線定位系統(tǒng)由水下聲學(xué)測(cè)量設(shè)備和水上數(shù)據(jù)處理設(shè)備兩大部分組成，其中水下測(cè)量設(shè)備由安裝在船體的聲學(xué)換能器和安裝在水下載體的聲學(xué)應(yīng)答器組成[6]。超短基線定位系統(tǒng)所有的收發(fā)器基元按照精確的相對(duì)位置關(guān)系集成安裝在聲學(xué)換能器內(nèi)部，組成聲基陣坐標(biāo)系，聲基陣坐標(biāo)系與船舶的坐標(biāo)系之間的關(guān)系要在安裝時(shí)精確測(cè)定[7]，包括位置偏差、姿態(tài)偏差（聲基陣的安裝偏差角度：橫搖和縱搖）和艏向偏差（聲基陣坐標(biāo)系與船舶的坐標(biāo)系的水平角度偏差）。系統(tǒng)通過安裝在船上的聲學(xué)換能器發(fā)射并接收回波信號(hào)來確定水下應(yīng)答器相對(duì)于換能器基陣的距離和角度，結(jié)合羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器提供的實(shí)時(shí)的船姿態(tài)與艏向信息以及水面定位系統(tǒng)提供的船舶地理坐標(biāo)，就可以實(shí)時(shí)解算出水下應(yīng)答器所在位置的地理坐標(biāo)。超短基線定位精度相較于長(zhǎng)基線和短基線來說稍低，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝使用方便，成本較低，對(duì)使用載體體積尺寸要求不高，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的定位精度受外部姿態(tài)校準(zhǔn)精度影響較大，安裝后必須在作業(yè)工區(qū)內(nèi)進(jìn)行精確校準(zhǔn)。

3 地球物理導(dǎo)航

地球物理導(dǎo)航是利用AUV所處環(huán)境特征來確定AUV當(dāng)前的位置。地球物理導(dǎo)航首先需要建立工作區(qū)域的特征地圖數(shù)據(jù)庫，然后借助合適的傳感器探測(cè)、識(shí)別和分類環(huán)境特征，與地圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行特征匹配，獲取匹配點(diǎn)的坐標(biāo)信息即AUV當(dāng)前位置。根據(jù)物理參數(shù)的不同，地球物理導(dǎo)航可以分為光學(xué)導(dǎo)航、聲吶導(dǎo)航。

3.1 光學(xué)導(dǎo)航

光學(xué)導(dǎo)航使用單目或立體相機(jī)捕獲海床圖像，然后通過圖像特征匹配以進(jìn)行導(dǎo)航。

單目相機(jī)將光線通過一系列鏡頭或定焦來放大遠(yuǎn)處物體的圖像。立體相機(jī)在連續(xù)圖像對(duì)之間具有完整的六個(gè)自由度變換。由于水下環(huán)境中光照不足，相機(jī)成像范圍較小，因此，水下光學(xué)導(dǎo)航方法主要適用于環(huán)境特征豐富的小范圍區(qū)域的導(dǎo)航定位，如船體或沉船檢測(cè)等。

3.2 聲吶導(dǎo)航

聲吶導(dǎo)航是利用聲學(xué)探測(cè)方法，識(shí)別和提取海底地形或圖像等物理特征，與存儲(chǔ)在AUV內(nèi)部特征地圖庫進(jìn)行匹配，從而獲得AUV的當(dāng)前位置。聲納可分為成像型（提供海底圖像）或測(cè)距型（構(gòu)建海底三維地形或剖面數(shù)據(jù)）。表2和表3分別列舉了幾種常用于水下導(dǎo)航的成像聲吶和測(cè)距聲吶設(shè)備。

表2 用于水下導(dǎo)航的成像型聲吶

表3 用于水下導(dǎo)航的測(cè)距型聲吶

4 總結(jié)

文章回顧了當(dāng)前AUV中應(yīng)用的不同水下導(dǎo)航定位技術(shù)。AUV的導(dǎo)航定位技術(shù)有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、水下聲學(xué)定位和地球物理導(dǎo)航。但是，如果AUV上采用上述單一的導(dǎo)航定位方法，其精度、可靠性無法滿足水下任務(wù)要求，因此低成本、組合式及具有多用途和能實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш降慕M合導(dǎo)航系統(tǒng)是AUV導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展方向[9]。除此之外，隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，不同的位置估算方法如卡爾曼濾波（KF）、擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）、擴(kuò)展信息濾波（EIF）、粒子濾波（PF）等組合應(yīng)用可以獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果。近年來，協(xié)同定位和同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）方法逐漸成為AUV導(dǎo)航定位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10]，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的進(jìn)展。