慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水下校準(zhǔn)新方法

汪湛清，房建成

（1. 北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081；2. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

水下運(yùn)載體運(yùn)行作業(yè)過程中，需要精確導(dǎo)航定位信息，這不僅為保證航行安全，尤其在執(zhí)行某些特定任務(wù)，如海底地形、海洋學(xué)參數(shù)和物理場參數(shù)測繪時(shí)，導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)是測量參數(shù)的基準(zhǔn)信息，因此必須保證一定精度。運(yùn)載體慣導(dǎo)系統(tǒng)長時(shí)間水下工作，位置誤差隨時(shí)間積累，解決慣導(dǎo)系統(tǒng)水下校準(zhǔn)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文討論了水下運(yùn)載體慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差積累問題，分析了水聲定位系統(tǒng)的幾種標(biāo)準(zhǔn)類型及其與慣導(dǎo)系統(tǒng)組合的可行性。在分析比較這些水聲定位系統(tǒng)不同特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)有效組合、方便可用、易于實(shí)現(xiàn)的原則，提出用超短基線（SSBL）水聲定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)形成組合方案，解決慣導(dǎo)系統(tǒng)水下校準(zhǔn)問題，并給出了INS/SSBL組合系統(tǒng)的裝備方案和相關(guān)原理算法。

1 水下運(yùn)載體慣導(dǎo)系統(tǒng)典型工作方式

通常，水下運(yùn)載體裝備由 DVL 輔助 INS，形成INS/DVL組合慣性導(dǎo)航工作方式。

表1 INS 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度級別Tab.1 INS Classes

根據(jù)不同使用環(huán)境和要求組合方式會(huì)有所不同，但不論采用何種工作方式，均有隨時(shí)間和/或隨航程積累的定位誤差。表1給出的是用于水下運(yùn)載體定位導(dǎo)航的一組有代表性的DVL 和INS 精度數(shù)據(jù)。

表2 RDI Workhorse的DVL精度和作用距離規(guī)范典型數(shù)值Tab.2 RDI workhorse navigator DVL accuracy and range specifications ( o.s. – of speed)

DVL 輔助 INS 導(dǎo)航方式誤差源為運(yùn)載體固聯(lián)速度誤差和航向誤差，在直線航路時(shí)這種誤差隨時(shí)間積累，沒有外部位置信息不可觀測。但是水下運(yùn)載體在執(zhí)行MCM、REA和精細(xì)海底測繪任務(wù)時(shí)，往往需要按“割草機(jī)”式（lawn mower pattern）航路運(yùn)行。在運(yùn)載體固聯(lián)速度誤差和航向誤差較穩(wěn)定的情況下，“割草機(jī)”式的往復(fù)航路和航向正反轉(zhuǎn)變，對上述誤差會(huì)有抵消作用。航向改變產(chǎn)生的另一個(gè)重要效應(yīng)，速度誤差在 DVL 輔助 INS 導(dǎo)航系統(tǒng)中成為可觀測量。

由表3可見，不論采用何種組合方式或運(yùn)行航路，DVL 輔助 INS 均存在隨時(shí)間和/或隨航程積累的定位誤差。為了消除積累的定位誤差，須借助外部準(zhǔn)確的位置信息對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)或組合。但是，由于水下不透明空間限制了電磁波和光波在水中傳播，水面上層空間中可用的無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等技術(shù)在水下無法應(yīng)用。許多運(yùn)載體通常在較深的水下運(yùn)行作業(yè)，為了獲取準(zhǔn)確的外部位置信息，水下運(yùn)載體不得不浮出水面。頻繁浮出水面一方面要消耗它們有限的動(dòng)力，而且對于一些隱蔽性作業(yè)也不允許。這就提出一個(gè)必須解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題：如何在水下消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)積累的位置誤差從而對其進(jìn)行校準(zhǔn)。

表3 DVL輔助INS航路“割草機(jī)方式”定位誤差減少效應(yīng)(比對航路直線方式，DVL 1200 kHz，INS 1 n mile/h，緯度45°)Tab.3 Typical reduction in position error drift for DVL aided INS(When comparing a straight-line trajectory with a lawn mower pattern, the numbers apply for a 1200 kHz DVL,1 n mile/h IMU at 45° latitude.)

當(dāng)前存在著一些水下校準(zhǔn)的理論方法，即所謂地球物理場參數(shù)匹配，如重力場參數(shù)匹配和地磁場參數(shù)匹配等原理方法。但是，采用這些方法不僅需研制價(jià)格昂貴的測量設(shè)備和相應(yīng)的算法軟件，還必須采集、積累海量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用以形成具有相當(dāng)密度和分辨率的地球物理場參數(shù)地圖，這是采用物理場參數(shù)匹配的必要條件，這項(xiàng)任務(wù)的工作量，以及與其相關(guān)物理場參數(shù)匹配技術(shù)的現(xiàn)實(shí)可行性不言而喻。因此，尋求能有效消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)積累誤差的現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)手段，是解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水下校準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)，也是本文提出并期冀解決的問題。

2 水聲定位系統(tǒng)類型及組合校準(zhǔn)可行性分析

20世紀(jì)70年代，在海洋工程、海洋經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究等需求牽引下，出現(xiàn)了水聲定位設(shè)備，根據(jù)不同環(huán)境下不同對象的使用要求，出現(xiàn)了一些不同類型的系統(tǒng)。它們通常給出的是所謂“視在位置”，即兩目標(biāo)間的相對距離和相對方位；所以，它們不是真正意義上的導(dǎo)航設(shè)備，通常只限于根據(jù)特定環(huán)境下的特定需求，裝備在活動(dòng)于有限海域的特定載體上。

水聲定位是一個(gè)特定的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，在理論和實(shí)用設(shè)備方面都有充分的研究。因此，本文不準(zhǔn)備研究水聲定位系統(tǒng)自身的技術(shù)問題，而是根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水下校準(zhǔn)需求，對技術(shù)成熟并已商品化的水聲定位系統(tǒng)類型進(jìn)行分析、比較，提出一種現(xiàn)實(shí)可行的，INS/SSBL（慣性/超短基線）組合技術(shù)方案，解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水下校準(zhǔn)這一技術(shù)關(guān)鍵。

2.1 超短基線水聲定位系統(tǒng)（Super Short Baseline System）

聲基線長度 ＜10 cm (λ2)

2.1.1 超短基線水聲定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安裝

如圖1所示，超短基線的所有聲單元（單元個(gè)數(shù)至少為 3）集中安裝在一個(gè)收發(fā)器中，組成聲基陣。聲單元之間的相互位置精確測定，組成聲基陣坐標(biāo)系。聲基陣應(yīng)安裝在艦船載體上，為便于討論，可認(rèn)為聲基陣坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系匹配一致。

圖1 超短基線定位示意圖Fig.1 Diagram of super-short baseline acoustic system

2.1.2 超短基線水聲定位系統(tǒng)的定位原理

系統(tǒng)通過測定聲單元接收聲波的相位差確定換能器到應(yīng)答器的方向；換能器與應(yīng)答器的距離通過測定聲波傳播的時(shí)間，確定距離進(jìn)行定位，即角度/距離(angle/range)定位方式。

超短基線水聲定位系統(tǒng)的測量基陣一般由排成等腰直角三角形的三個(gè)水聽器組成，其定位原理如圖 2所示。設(shè)目標(biāo)位于S處，坐標(biāo)為[x,y,z]。目標(biāo)徑矢為，S′為S在xoy平面上的投影, 它與x軸的夾角θ為目標(biāo)在xoy平面的方位角。α為徑矢與x軸夾角，β為徑矢與y軸夾角。記1號(hào)水聽器和2號(hào)水聽器所接收聲波的相位差為φ12，3號(hào)水聽器和2號(hào)水聽器所接收聲波的相位差為φ32，當(dāng)目標(biāo)位置滿足遠(yuǎn)場條件，在平面波模型下，有下列空間幾何關(guān)系：

圖2 超短基線定位幾何原理Fig.2 Principle of super-short baseline acoustic system

式中，d為基線長度，R為目標(biāo)斜距，C為水中聲速，Δt為從發(fā)送信號(hào)到接收信號(hào)的時(shí)間差。實(shí)際的測量值為φ12、φ32、Δt，采用應(yīng)答測距法根據(jù)Δt估計(jì)的R精度很高，所以x、y的精度主要取決于φ12、φ32的測量精度。通常陣元間相位差用自適應(yīng)相位計(jì)來測量，這種方法有較高的精度。一種典型SSBL系統(tǒng)產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)為:

定位精度 ------ 0.2% X 斜距；

角度精度 ------ 0.12o。

上述分析可以看出SSBL系統(tǒng)直接給出的“定位”數(shù)據(jù)是安裝發(fā)射基陣載體與應(yīng)答器兩者在發(fā)射基陣坐標(biāo)系, 即載體坐標(biāo)系中的“相對”方向和距離，即所謂“視在位置”。

SSBL系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

第一，為獲得目標(biāo)在地理坐標(biāo)系中的位置，需要根據(jù)安裝發(fā)射基陣的載體艏向、姿態(tài)、地理坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，把“視在位置”變換為地理坐標(biāo)系的“地理位置”，這樣，SSBL系統(tǒng)必須與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合，才能實(shí)現(xiàn)真正意義的定位導(dǎo)航。

第二，SSBL系統(tǒng)給出的是兩目標(biāo)的“相對”方向和距離，即“相對位置”。如果安裝發(fā)射基陣的運(yùn)載體位置已知，則安裝應(yīng)答器的水中目標(biāo)可借此定位；反之，如果應(yīng)答器的位置已知，則安裝發(fā)射基陣的水下運(yùn)載體可借此定位。這樣，安裝發(fā)射基陣的運(yùn)載體不僅能對安裝應(yīng)答器的目標(biāo)跟蹤定位，同時(shí)在應(yīng)答器位置已知情況下，還可對自身定位。這種“雙向定位功能”不僅是解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水下校準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)可行的有效關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)還可借以實(shí)現(xiàn)水下多運(yùn)載體協(xié)同導(dǎo)航。

第三，SSBL系統(tǒng)只有一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、體積不太大的換能器基陣，便于在目標(biāo)載體上安裝使用，不受海域限制。

2.2 短基線定位系統(tǒng)（Short Baseline System）

如圖3所示，短基線定位系統(tǒng)由安裝在目標(biāo)載體的多于三個(gè)的換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成聲基陣。換能器之間的距離一般超過10 m，換能器之間的幾何關(guān)系精確測定，組成聲基陣坐標(biāo)系，聲基陣坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系的相互關(guān)系精確測定。短基線系統(tǒng)的測量方式是由一個(gè)換能器發(fā)射，所有換能器接收，得到多個(gè)不同的斜距觀測值。系統(tǒng)根據(jù)聲基陣相對載體坐標(biāo)系的固定關(guān)系，借助外部設(shè)備提供的船位、姿態(tài)和艏向值，計(jì)算得到目標(biāo)的大地坐標(biāo)。系統(tǒng)的工作方式是距離／距離(range/range)定位方式。

圖3 短基線定位示意圖Fig.3 Diagram of short baseline acoustic system

短基線定位的主要缺點(diǎn)是: 深水測量要達(dá)到高的精度,基線長度一般需要大于40 m；多個(gè)換能器安裝標(biāo)校難度大，也不易避開噪聲部位。

2.3 長基線定位系統(tǒng)（Long Baseline System )

長基線系統(tǒng)包含兩部分，一部分是安裝在載體上的詢問器（interrogator）， 另一部分是一系列已知位置的固定在海底的應(yīng)答器，至少三個(gè)以上。應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線，長度在上百米到幾千米之間，相對超短基線、短基線，稱為長基線系統(tǒng)。

長基線系統(tǒng)是通過測量詢問器和應(yīng)答器之間的距離，采用測量的交會(huì)對目標(biāo)定位，系統(tǒng)的工作方式是距離／距離(range/range)。如果應(yīng)答器的地理坐標(biāo)已知，則安裝詢問器的載體可測得其地理位置。長基線定位系統(tǒng)的限制在于，多個(gè)應(yīng)答器固定安裝在海底，并須準(zhǔn)確測定其地理位置，工程艱巨，造價(jià)昂貴，安裝標(biāo)校困難，而且作用范圍只限于應(yīng)答器覆蓋的海域。

圖4 長基線定位示意圖Fig.4 Diagram of long baseline acoustic system

3 INS/SSBL優(yōu)選組合方案及原理算法

從上述討論明顯可見，三種水聲定位系統(tǒng)中，SSBL系統(tǒng)只有一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、體積不大的換能器基陣，在運(yùn)載體上安裝并與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合，方便易行，實(shí)用有效，而且不受海域限制，特別是，SSBL系統(tǒng)“雙向定位功能”及其可與多個(gè)應(yīng)答器匹配的能力，不僅可在水下有效消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)積累的定位誤差，同時(shí)還可解決多個(gè)運(yùn)載體目標(biāo)水下協(xié)同導(dǎo)航問題。所以，INS/SSBL組合系統(tǒng)是解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水下校準(zhǔn)的優(yōu)選方案。

3.1 INS/SSBL優(yōu)選組合方案

1）在裝有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)載體上安裝SSBL系統(tǒng)換能器聲基陣，用以對與其相關(guān)的應(yīng)答器跟蹤定位。

2）在與運(yùn)載體協(xié)同運(yùn)行的“協(xié)同目標(biāo)”上，加裝與運(yùn)載體換能器聲基陣相關(guān)的應(yīng)答器，接受運(yùn)載體的跟蹤定位。

3）運(yùn)載體與協(xié)同目標(biāo)在確定范圍海域運(yùn)行活動(dòng)時(shí)，運(yùn)行活動(dòng)開始即可借助INS/SSBL組合系統(tǒng)在海底適當(dāng)位置，布放一個(gè)位置確定的應(yīng)答器，向運(yùn)載體慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的定位信息，必要時(shí)用以對其校準(zhǔn)；其它需被跟蹤定位的協(xié)同目標(biāo)，安裝與運(yùn)載體換能器聲基陣對應(yīng)的應(yīng)答器，用以對其跟蹤定位。

4）運(yùn)載體與協(xié)同目標(biāo)在不確定范圍海域運(yùn)行活動(dòng)時(shí)，運(yùn)載體可攜帶配備如圖5的浮標(biāo)。

圖5表示浮標(biāo)配備器件，其中包括GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，用以控制浮標(biāo)運(yùn)行的浮標(biāo)控制器，控制器中包含接收信息解碼器和發(fā)送信息形成器；此外，還包括聲學(xué)應(yīng)答器，用以對水下INS/SSBL組合系統(tǒng)發(fā)送和接收聲學(xué)信息；聲學(xué)換能器用以對應(yīng)答器進(jìn)行“電-聲”和“聲-電”能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)運(yùn)載體慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需在水下校準(zhǔn)時(shí)投放浮標(biāo)，使天線伸出水面，借助水聲通訊傳送回浮標(biāo)位置信息，用以對運(yùn)載體慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行水下校準(zhǔn)。

圖5 浮標(biāo)配備器件Fig.5 Float buoy equipped with various devices

3.2 INS/SSBL組合原理算法

考慮到慣性導(dǎo)航和水聲定位各自作為特定的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，理論和工程應(yīng)用已相當(dāng)成熟，他們自身的原理算法不是本節(jié)討論的內(nèi)容。此處僅對 INS/SSBL組合情況下的原理算法做概要描述。

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