非衛(wèi)星水下導(dǎo)航定位技術(shù)綜述*

尹偉偉 郭士犖

(1.中國(guó)人民解放軍海軍902廠 上海 200083)(2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033)

非衛(wèi)星水下導(dǎo)航定位技術(shù)綜述*

尹偉偉1郭士犖2

(1.中國(guó)人民解放軍海軍902廠 上海 200083)(2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033)

水下信息傳輸?shù)木窒扌砸约八氯蝿?wù)的隱蔽性制約了衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在水下航行器工程中的應(yīng)用。系統(tǒng)地介紹了非衛(wèi)星水下導(dǎo)航定位常用技術(shù),主要包括慣性導(dǎo)航,地形、地磁匹配導(dǎo)航,重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航,航位推算導(dǎo)航,聲學(xué)導(dǎo)航,組合導(dǎo)航等多種技術(shù),通過國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例概述導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀,介紹優(yōu)、缺點(diǎn),探討發(fā)展趨勢(shì)。

導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制; 水下導(dǎo)航定位; 慣性導(dǎo)航; 匹配導(dǎo)航; 聲學(xué)導(dǎo)航; 組合導(dǎo)航

1 引言

水下航行器在人類利用和開發(fā)海洋的過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用,無(wú)論是在軍事上還是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。尤其在軍事領(lǐng)域,它可以執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、隱蔽打擊、戰(zhàn)略威懾等多種任務(wù),具有重要的戰(zhàn)略意義。導(dǎo)航定位技術(shù)是水下航行器工程實(shí)際應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),在遠(yuǎn)洋水下軍事任務(wù)中,對(duì)保障作戰(zhàn)效能和航行安全至關(guān)重要。由于水下信息傳輸?shù)木窒扌约安糠炙氯蝿?wù)的隱蔽性,很多情況下高精度的GPS信號(hào)無(wú)法直接使用。因此非衛(wèi)星水下導(dǎo)航定位技術(shù)成為多年來(lái)的研究熱點(diǎn),目前常用的方法有：慣性導(dǎo)航、地形匹配、航位推算、地球物理導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航及組合導(dǎo)航等多種方式。

2 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種自主式的導(dǎo)航系統(tǒng),可以在不與外界通信的條件下,在全天候、全球范圍內(nèi)和任何介質(zhì)環(huán)境里自主地、隱蔽地進(jìn)行連續(xù)的三維定位和定向。1958年美國(guó)“鸚鵡螺”號(hào)核潛艇裝備N6A型慣性導(dǎo)航系統(tǒng),水下連續(xù)航行21天成功穿越北極,航程8146海里,定位誤差僅為20海里,充分體現(xiàn)了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在水下航行器導(dǎo)航應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢(shì)：自主性、隱蔽性、信息的完備性。

二十世紀(jì)九十年代后期,隨著光學(xué)陀螺和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。目前,光學(xué)陀螺及MEMS陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)大量進(jìn)入軍民應(yīng)用領(lǐng)域,典型產(chǎn)品如美國(guó)Sperry公司的MK39/49艦船用激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng),法國(guó)IXSea公司先后研制PHINS和MARINS船用光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(定位精度分別為0.6nmile/h和1nmile/24h)等。

慣導(dǎo)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是存在隨時(shí)間積累的位置誤差,長(zhǎng)時(shí)間航行需要參考信息的校正,而由于水下特殊環(huán)境限制了電磁波及光波的傳播,如果使用水面上層空間的無(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等技術(shù)就不得不浮出水面,造成動(dòng)力損失,對(duì)隱蔽性作業(yè)也有影響。

目前水下慣性導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)展三維全監(jiān)控慣性平臺(tái)系統(tǒng)和靜電陀螺監(jiān)控系統(tǒng)[1];發(fā)展中、低精度慣性系統(tǒng),擴(kuò)大導(dǎo)航級(jí)慣性系統(tǒng)的應(yīng)用范圍;發(fā)展新型慣性器件,研究高精度誤差仿真模型及誤差補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償器件誤差,提高器件輸出精度;發(fā)展包括系統(tǒng)數(shù)字化、集成化、通電快速熱穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)快速對(duì)準(zhǔn)等慣性系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),研究水下慣性測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù);開展水下輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)研究[2]。

3 地形匹配

地形匹配導(dǎo)航的原理是利用測(cè)深儀、聲吶等水下地形探測(cè)設(shè)備,提取水下航行器下方地形特征值,把該特征值與事先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里已知的高分辨率的地形圖進(jìn)行匹配,從而確定位置信息。與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一樣,具有自主性強(qiáng)、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn),基于已知水下地形信息,可以獲得不亞于GPS的導(dǎo)航精度[3]。

國(guó)外20世紀(jì)90年代才開始研究海底地形匹配技術(shù),日本東京大學(xué)研制的開架式AUV“TUNA-SAND”, 2008年在鹿兒島海域進(jìn)行地形導(dǎo)航海上試驗(yàn),在400m×400m的區(qū)域內(nèi),3m格網(wǎng)精度的情況下,定位精度高于慣導(dǎo)系統(tǒng)[4]。2010年,挪威國(guó)防研究組織(FFI)研制的HUGIN系列智能水下機(jī)器人(AUV)在奧斯陸海灣進(jìn)行了一次全程水下試驗(yàn),利用水下地形高度匹配(TEM)導(dǎo)航方式,航行5小時(shí)浮出水面時(shí)與GPS信號(hào)間的誤差約為5m[5～6]。

水下地形匹配導(dǎo)航的缺點(diǎn)在于必須事先勘測(cè)活動(dòng)海域水下地形并記錄下來(lái),定位精度受限于先驗(yàn)地形圖的精度;測(cè)量海底輪廓需要使用主動(dòng)聲吶,不利于隱蔽性要求。因此水下地形匹配導(dǎo)航多用于輔助其他導(dǎo)航方式[7]。美國(guó)斯坦福大學(xué)研制了一種適用于大航程AUV的地形導(dǎo)航方法。使用高度計(jì)、多普勒計(jì)程儀(DVL)作為測(cè)量設(shè)備,與低精度INS進(jìn)行組合,2008年4月進(jìn)行“MBARIDorado”AUV測(cè)試試驗(yàn),定位精度達(dá)到4m～10m[8]。

地磁匹配導(dǎo)航與地形匹配導(dǎo)航類似,也需要先驗(yàn)水下地磁場(chǎng)信息圖,由于地球磁場(chǎng)與地理坐標(biāo)系之間存在客觀、規(guī)律的聯(lián)系,因此利用地磁傳感器感測(cè)地磁方向與強(qiáng)度可以得到方位、姿態(tài)等信息[9]。2003年8月,美國(guó)國(guó)防部文件宣稱其研制的純地磁導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航精度為：地面和空中定位精度優(yōu)于30m(CEP),水下導(dǎo)航精度優(yōu)于500m(CEP)。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位主要有海軍裝備研究院、北京大學(xué)、航天三院等,目前還處于原理探索和仿真研究階段。地磁匹配缺點(diǎn)是易受磁場(chǎng)環(huán)境影響,水下磁場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜,獲取較高精度的先驗(yàn)水下地磁場(chǎng)信息圖難度較大。

4 重力場(chǎng)導(dǎo)航

重力場(chǎng)導(dǎo)航是一種新型無(wú)源導(dǎo)航技術(shù),其前提是有相當(dāng)精度的重力分布圖,其原理與地磁導(dǎo)航原理一樣,都是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比先驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)航方法。重力導(dǎo)航系統(tǒng)有三個(gè)要素：導(dǎo)航用重力儀、導(dǎo)航用重力圖和重力匹配定位算法?，F(xiàn)有海洋重力異常場(chǎng)分辨率已經(jīng)達(dá)到2′×2′以內(nèi),這給高精度重力匹配導(dǎo)航提供了可能性。重力測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注和研究,國(guó)外研究起步較早,代表性的有美國(guó)的LaCoste & Romberg重力儀系統(tǒng)和俄羅斯的Check-AM重力儀系統(tǒng),測(cè)量精度可以達(dá)到1mGal[10]。2012年,國(guó)防科技大學(xué)研制的捷聯(lián)式航空重力儀SGA-WZ在與Check-AM系統(tǒng)進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)中,測(cè)量精度優(yōu)于1.83mGal/7km,與Check-AM系統(tǒng)精度相當(dāng)[11];海軍工程大學(xué)與中科院測(cè)量與地球物理研究所合作研制的國(guó)家重大儀器專項(xiàng)“海洋/航空重力儀”取得突破性進(jìn)展,目前已進(jìn)入海上測(cè)試階段。

重力場(chǎng)導(dǎo)航技術(shù)在水下航行器中經(jīng)常用于輔助慣性導(dǎo)航或其他導(dǎo)航手段,包括實(shí)時(shí)估算垂線偏差,用以減少慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差;匹配重力圖位置坐標(biāo),為慣導(dǎo)系統(tǒng)提供位置修正等。1998年至1999年間,美國(guó)洛克希德·馬丁公司開發(fā)研制了通用重力模塊,在靜電陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)水下航行器上進(jìn)行演示試驗(yàn),取得了較好的效果,目前已經(jīng)成為美國(guó)海軍下一代精確導(dǎo)航的一個(gè)研究方向。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)一些單位如哈爾濱工程大學(xué)、中船重工707所、東南大學(xué)等也已經(jīng)開展重力場(chǎng)導(dǎo)航方面的工作。

5 航位推算導(dǎo)航

航位推算是水下航行器常用的一種導(dǎo)航方法,利用多普勒計(jì)程儀或相關(guān)速度計(jì)加上羅經(jīng),給定初始位置坐標(biāo)后根據(jù)航行時(shí)間以及航向,推算下一時(shí)刻坐標(biāo)位置,原理與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)類似,但相比慣導(dǎo)系統(tǒng)體積小、成本低。航位推算系統(tǒng)的缺點(diǎn)是存在隨時(shí)間累積的誤差,沒有GPS修正的情況下導(dǎo)航精度較差;容易受環(huán)境噪聲影響,多普勒計(jì)程儀需要向外發(fā)射聲波信號(hào),隱蔽性較差。

航位推算導(dǎo)航算法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),目前仍然是水下導(dǎo)航的重要手段。光纖陀螺體積小、精度高,一般用作航位推算系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器,速度計(jì)目前主要采用多普勒測(cè)速儀(DVL),國(guó)外已經(jīng)研制出了精度較高的DVL,例如美國(guó)EDO公司研制的3010型和3050型DVL,速度可達(dá)0.2%[12]。因此在有其他輔助導(dǎo)航方法進(jìn)行修正的情況下,航位推算導(dǎo)航方法具有優(yōu)越的實(shí)用性和有效性。

6 聲學(xué)導(dǎo)航

在水下,聲波信號(hào)相比電磁信號(hào)能夠傳播更遠(yuǎn)的距離,因此聲學(xué)導(dǎo)航也是水下導(dǎo)航的重要手段。利用聲學(xué)導(dǎo)航首先要在水下布設(shè)應(yīng)答器基陣,根據(jù)航行體與應(yīng)答器之間聲信號(hào)傳播確定航行器相對(duì)應(yīng)答器的位置。主要有長(zhǎng)基線導(dǎo)航(LBL)、短基線導(dǎo)航(SBL)和超短基線導(dǎo)航(USBL)三種形式。

LBL定位精度較高,在邊長(zhǎng)100m的三角形定位區(qū)域內(nèi)定位精度可以達(dá)到1cm; SBL定位精度次之,澳大利亞Nautronix公司生產(chǎn)的NASDnllRS925短基線定位系統(tǒng),可以在水深3500m工作,定位精度優(yōu)于2.5m; USBL定位精度較前兩種方法稍差,以法國(guó)Oceano Technology公司生產(chǎn)的posidonia6000為例,其定位精度大約為作用距離的0.5%～1.0%[13]。

聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)精度高,不存在累計(jì)誤差,其缺點(diǎn)是需提前布設(shè)應(yīng)答基陣,不適合遠(yuǎn)洋航行、突發(fā)水下任務(wù)等應(yīng)用場(chǎng)合,設(shè)備成本較高,維護(hù)困難。已知信標(biāo)通過聲信號(hào)傳播通信,不利于隱蔽性要求,因此聲學(xué)導(dǎo)航多用于商用及民用任務(wù)。為滿足高精度水下導(dǎo)航需求,聲學(xué)定位系統(tǒng)聯(lián)合定位、聲學(xué)定位與其他導(dǎo)航定位方式組合定位等已經(jīng)成為聲學(xué)定位技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

7 組合導(dǎo)航

上述各種水下導(dǎo)航系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn),針對(duì)不同的任務(wù)需求可以選擇不同的導(dǎo)航方式。但是不論何種水下導(dǎo)航任務(wù),都要求其導(dǎo)航定位設(shè)備盡量達(dá)到較高的精度。而目前各種單一的導(dǎo)航方法,在精度、可靠性或者其他方面都或多或少存在不足,無(wú)法滿足水下航行體發(fā)展的需要。因此低成本、高性能的組合導(dǎo)航系統(tǒng)成為水下航行未來(lái)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的方向[14]。

國(guó)內(nèi)外研究較多的水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)集中在以慣導(dǎo)系統(tǒng)為主,輔以聲學(xué)導(dǎo)航、重力匹配、地形、地磁匹配系統(tǒng)等。目前國(guó)外比較成熟的水下組合導(dǎo)航技術(shù)主要是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)和多普勒速度聲吶系統(tǒng)(DVS)的組合導(dǎo)航系統(tǒng),如丹麥與美國(guó)聯(lián)合研制的MARPOS多普勒/慣性水下定位系統(tǒng),在距離海水深度不超過200m的條件下,定位精度可以達(dá)到航程的0.03%;美國(guó)海軍研究生學(xué)院提出的低成本捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)加DVS、GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng),其中慣性/DVS組合導(dǎo)航精度可以達(dá)到航程的0.01%[15]。

哈爾濱工程大學(xué)水下智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了由多普勒測(cè)速儀、光纖羅經(jīng)、深度計(jì)等組成的水下航位推算系統(tǒng),并通過水下試驗(yàn)驗(yàn)證了可行性,但仍然需要GPS作為水面位置校正信號(hào)[16]。

8 其他導(dǎo)航方式

除上述內(nèi)容,目前研究較多的還有以下幾種水下導(dǎo)航方式：

1) 天文導(dǎo)航：利用天體觀測(cè)設(shè)備、天文導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成天文導(dǎo)航系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)在于利用天體輻射能,不易受電磁波干擾,且測(cè)量誤差不隨時(shí)間積累;缺點(diǎn)在于易受環(huán)境、氣候的影響,上浮觀測(cè)天體不利于隱蔽性的要求。

2) 無(wú)線電導(dǎo)航：包括羅蘭C、OMEGA、導(dǎo)航雷達(dá)等。其優(yōu)點(diǎn)在于定位精度較高、作用距離遠(yuǎn),缺點(diǎn)在于需要上浮接收信號(hào),不利于隱蔽性要求。

3) 多AUV協(xié)通導(dǎo)航：分為并行式與主從式兩種方式。并行式成本較高,并不實(shí)用,主從式則不同,主AUV配備高精度水下導(dǎo)航系統(tǒng),定位精度較高。從AUV通過水聲測(cè)距獲取相對(duì)主AUV的方位、距離信息,對(duì)自身定位結(jié)果進(jìn)行修正[17]。目前協(xié)通導(dǎo)航已經(jīng)成為水下導(dǎo)航研究的一個(gè)新方向,美、英等國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段,而國(guó)內(nèi)仍停留在理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)階段,代表性的研究機(jī)構(gòu)有西北工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)[18]。

9 結(jié)語(yǔ)

本文研究了水下導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)?？偟膩?lái)看,單一水下導(dǎo)航技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn),應(yīng)根據(jù)不同任務(wù)需求合理選擇導(dǎo)航方式。以中、低精度慣導(dǎo)系統(tǒng)與地形、地磁或者重力匹配等其他無(wú)源導(dǎo)航方式進(jìn)行組合,形成低成本、高精度組合水下無(wú)源導(dǎo)航系統(tǒng),已經(jīng)成為水下導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

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Survey on Non-satellite Underwater Navigation and Positioning Technology

YIN Weiwei1GUO Shiluo2

(1. Naval 902 Factory of Chinese People’s Liberation Army, Shanghai 200083)(2. Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The application of satellite navigation and positioning technology in underwater vehicle engineering is restricted by the limitation of underwater information transmission and the concealment of underwater task. Common technology for underwater navigation and positioning of non satellite, including inertial navigation,terrain matching and geomagnetic matching navigation, gravity matching navigation, dead reckoning navigation,acoustic navigation,integrated navigation and other technology are systematically introduced. Research status of navigaion technology is summarized by example of the domestic and foreign, the advantages, disadvantages and the development trend are explored.

navigation, guidance and control, underwater navigation and positioning, inertial navigation, matching navigation, acoustic navigation, integrated navigation

U666.11

2016年9月1日,

2016年10月23日

尹偉偉,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:艦船裝備技術(shù)保障。郭士犖,男,博士研究生,研究方向:慣性技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)研究。

U666.11

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.003