海洋導(dǎo)航者
——記哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師徐博

本刊記者　劉昊林

海洋導(dǎo)航者
——記哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師徐博

本刊記者劉昊林

徐博

2016年1月12日早上8點(diǎn)，西南印度洋上陽光明媚，在止蕩繩的牽引下，“潛龍二號”緩緩沒入水中，它好似一條黃色的“胖魚”迅速向下游去，很快便消失在視野范圍之內(nèi)。

它要游向何方？導(dǎo)航系統(tǒng)自會告訴它答案。導(dǎo)航就好似運(yùn)載體的眼，可以帶它們到達(dá)任何未知的地方。

徐博的工作就是使這雙眼變得更加炯炯有神。涉足海洋運(yùn)載器導(dǎo)航領(lǐng)域以來，他積極開展了慣性導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、初始對準(zhǔn)、信息融合研究，將理論建模、仿真分析與實(shí)船驗(yàn)證相結(jié)合，為此徐博投入了大量的精力與心血。

描繪汪洋中的無形坐標(biāo)

在海洋運(yùn)載器導(dǎo)航設(shè)備領(lǐng)域，常常會聽到AUV這個英文縮寫，它全稱為“自主式水下機(jī)器人”，相對應(yīng)的是有纜水下機(jī)器人。由于無纜水下機(jī)器人具有活動范圍不受電纜限制，隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)60年代中期起，工業(yè)界和軍方開始對無纜水下機(jī)器人產(chǎn)生興趣。經(jīng)過發(fā)展，它們應(yīng)用廣泛，在民用領(lǐng)域可用于鋪設(shè)管線、海底考察、數(shù)據(jù)收集、鉆井支援、海底施工，水下設(shè)備維護(hù)與維修等；在軍用領(lǐng)域則可用于偵察、布雷、掃雷、援潛和救生等。

直至21世紀(jì)，我國力爭在“開發(fā)利用深度資源、加強(qiáng)深海探測與科學(xué)研究、提高海洋綜合防衛(wèi)能力”這3個重要戰(zhàn)略上取得突破性進(jìn)展，亟待開展深遠(yuǎn)?？臻g站等軍民用深海裝備的關(guān)鍵技術(shù)研究和裝備研制，提升深海探測開發(fā)和海洋綜合防衛(wèi)能力，為打開我國深海經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和國防建設(shè)的新局面提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

國家發(fā)展大背景下，傳統(tǒng)單一的AUV已不能完成或不能高效完成復(fù)雜任務(wù)，于是水下多AUV編隊(duì)協(xié)同作業(yè)模式應(yīng)運(yùn)而生。受高成本和水下環(huán)境限制，多AUV編隊(duì)可以通過高低精度搭配、導(dǎo)航信息網(wǎng)絡(luò)共享從而實(shí)現(xiàn)整個編隊(duì)的高性能定位與導(dǎo)航，這叫做“多AUV協(xié)同導(dǎo)航”。“水下多AUV編隊(duì)協(xié)同作業(yè)也是今后國家的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，而水下環(huán)境的復(fù)雜性也對多AUV協(xié)同導(dǎo)航提出了更高的要求，目前國內(nèi)的研究還停留在理論推導(dǎo)與仿真階段，因此確立了將水面/水下運(yùn)載器的編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航性能優(yōu)化為今后的研究方向”，徐博說道。

“十二五”期間，我國海上能源戰(zhàn)略將更為主動，徐博參與了大量的相關(guān)裝備的預(yù)先研究工作。他以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人身份承擔(dān)了相關(guān)的水面無人艇協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)研究。徐博坦言，在多運(yùn)動平臺編隊(duì)導(dǎo)航領(lǐng)域，我國與國外發(fā)達(dá)國家的差距非常明顯。經(jīng)過數(shù)年的工作，2015年該項(xiàng)目終于順利通過了水上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)驗(yàn)收。“項(xiàng)目雖然順利完成，但是為進(jìn)一步提高導(dǎo)航性能與精度，仍然有很多問題值得深入地思考和研究”，喜悅的同時徐博保持著冷靜。

“多AUV的協(xié)同導(dǎo)航在運(yùn)動方式、工作環(huán)境、設(shè)備配置、工作時間與負(fù)載等方面都有其特殊性”，AUV在水中的運(yùn)動為六自由度的空間運(yùn)動，包括下潛、上浮、定深直航、變深潛浮、轉(zhuǎn)向機(jī)動等，而且其在水中同時受到重力、浮力與水的阻力等同時作用，因此推進(jìn)動力參數(shù)、外測速度參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律和地面上的運(yùn)動機(jī)器人等平臺的運(yùn)動有著本質(zhì)的區(qū)別。諸多技術(shù)難點(diǎn)擺在面前，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)多AUV協(xié)同導(dǎo)航絕非易事，任重而道遠(yuǎn)。

助力海洋導(dǎo)航大發(fā)展

出生在20世紀(jì)80年代，求學(xué)在21世紀(jì)的徐博，行走在我國海洋導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展的黃金時代。20世紀(jì)初期，無線電測向成為航海和航空的一種導(dǎo)航手段。雖然其后有陀螺羅經(jīng)、衛(wèi)星導(dǎo)航、慣導(dǎo)陸續(xù)應(yīng)用，但因其定位時間短，精度高，誤差不受時間、天氣限制等優(yōu)點(diǎn)至今仍廣泛應(yīng)用于近海領(lǐng)域的船舶導(dǎo)航?？墒?，我國在此領(lǐng)域長期空白。郝燕玲教授便迎難而上，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打出了一片新天地。她是我國海洋運(yùn)載器組合導(dǎo)航系統(tǒng)開創(chuàng)者之一，后來徐博也成為她門下的學(xué)生。

郝燕玲教授所在的海洋運(yùn)載器導(dǎo)航設(shè)備研究所，是國內(nèi)唯一全面系統(tǒng)地從事海洋運(yùn)載器導(dǎo)航理論及工程技術(shù)研究的高?？蒲袡C(jī)構(gòu)，在艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域代表了國家最高水平。加入這個大團(tuán)隊(duì)無疑是站在巨人的肩膀上，這讓徐博看得更高更遠(yuǎn)，腳下的步伐也越發(fā)堅(jiān)定。

2007年，徐博參與了國家自然基金項(xiàng)目“水下自主潛器綜合導(dǎo)航系統(tǒng)不定度規(guī)空間濾波方法研究”，項(xiàng)目的創(chuàng)新之處是從另外一種角度，也就是不定度規(guī)空間的視角對水下運(yùn)載器導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行描述，并提出濾波方法框架。項(xiàng)目榮獲2011年黑龍江省科學(xué)技術(shù)獎二等獎。接著，他作為主要完成人完成的“某平臺制導(dǎo)技術(shù)研究”項(xiàng)目獲得中國人民解放軍軍隊(duì)科技進(jìn)步獎二等獎。這次徐博把基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航技術(shù)運(yùn)用至水面作戰(zhàn)平臺上，并先后在無錫太湖試驗(yàn)多次，證明其可極大提高平臺定位導(dǎo)航性能。

在前期研究的基礎(chǔ)上，徐博申請了國家自然基金項(xiàng)目“基于分散式增廣信息濾波的無人艇協(xié)同導(dǎo)航算法研究系統(tǒng)”。為什么是分散式？協(xié)同導(dǎo)航方式分為集中式和分散式兩類，集中式可靠性較低，“所有的信息都集中在一起處理，一旦出現(xiàn)故障，整個編隊(duì)的性能都會受到影響”；而分散式的可靠性就相對高，運(yùn)算量和通信量都會大大降低。“涉及多傳感器信息融合時，如何才能在盡可能保證信息實(shí)時性和濾波精度的前提下，把濾波與信息融合最優(yōu)地分配到各個運(yùn)載體上分別計(jì)算，是我們意在解決的問題”，換言之，項(xiàng)目的目的是在實(shí)際運(yùn)用中解決系統(tǒng)導(dǎo)航性能和運(yùn)算通訊負(fù)載之間的平衡問題。

隨著“十三五”到來，徐博的研究從水面的無人艇轉(zhuǎn)向水下AUV潛器?！斑@5年我們計(jì)劃進(jìn)入水下，因?yàn)樗掳l(fā)展區(qū)域更廣，需求更高，但是水下的環(huán)境比水面惡劣很多?！?/p>

水下惡劣復(fù)雜的工作條件決定了AUV必須具備體積小、重量輕、低功耗的要求，同時還要考慮到水下環(huán)境的特殊性，如未知的洋流、復(fù)雜的水文、地形環(huán)境等。和其他多平臺協(xié)同導(dǎo)航相比，水下環(huán)境決定了AUV只能以慣性導(dǎo)航設(shè)備、DVL和水聲通信與測距裝置為核心傳感器，使用基于相對位置測量的濾波模型，“目前慣性導(dǎo)航短航程條件下定位精度高，但誤差會隨時間不斷累積，使導(dǎo)航精度降低；聲學(xué)測距精度較高，但需在載體上安裝相應(yīng)水聽器，并且和無線通信相比，必然存在通信時間延遲、傳輸距離受限等問題?！?/p>

難題當(dāng)?shù)溃觳┮琅f奮勇直前。近年來，圍繞水面/水下慣性導(dǎo)航與協(xié)同導(dǎo)航方法展開研究，徐博共申報專利10余項(xiàng)。其中慣性導(dǎo)航相關(guān)專利技術(shù)應(yīng)用于我國水面艦船首套光學(xué)慣性導(dǎo)航設(shè)備研制中，在海軍組織的招標(biāo)比武中取得優(yōu)異成績，并且將該算法改寫為DSP程序，嵌入到海軍裝備的光纖航姿設(shè)備系統(tǒng)中，發(fā)揮了巨大作用。專利的相關(guān)算法適用于水下慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差的快速收斂，還可以為其余的任何需要長時間收斂的阻尼系統(tǒng)提供技術(shù)借鑒。

作為青年教師，徐博主講了本科生課程2門、研究生課3門，其中省級精品課1門、校級精品課1門。最令他欣慰的是，在指導(dǎo)的碩士研究生中先后有3人獲得國家獎學(xué)金。徐博也榮獲了學(xué)校教學(xué)建設(shè)工作三等獎、優(yōu)秀碩士生指導(dǎo)教師等稱號。

困難和收獲并存，不能因?yàn)槭斋@而一勞永逸，也不能因?yàn)槔щy而止步于前。未來，徐博希望在多AUV協(xié)同定位可觀測性分析與迭代EKF算法、改進(jìn)的非線性CKF濾波信息融合算法、基于延遲濾波器的通信時滯處理、自適應(yīng)魯棒濾波協(xié)同導(dǎo)航算法等方面取得一些突破性進(jìn)展。浩瀚的海洋上，因?yàn)橛辛讼裥觳┮粯拥暮Ｑ笕?，海洋在漸漸揭開她神秘的面紗……