無人潛航器的導(dǎo)航技術(shù)

韓世杰

無人潛航器不能利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航，同時(shí)，海水對(duì)電磁信號(hào)是不透明的，在很短的一段距離內(nèi)會(huì)迅速衰減。因此，作為一種多用途的水下重點(diǎn)裝備，無人潛航器的精確和持久導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要。

無人潛航器（UUV）具有多用途，從水雷探測(cè)到淺水中的測(cè)量、深水海洋學(xué)研究、海生物研究、管路監(jiān)控到其他對(duì)人有危險(xiǎn)的深水作業(yè)，都需要無人潛航器。為安全和方便地執(zhí)行這些任務(wù)，其精確和持久的導(dǎo)航顯得非常重要。

無人機(jī)導(dǎo)航一般依靠全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行連續(xù)和精確定位。然而，無人潛航器不能利用衛(wèi)星導(dǎo)航，這是因?yàn)楹Ｋ畬?duì)電磁信號(hào)是不透明的，在很短的一段距離內(nèi)會(huì)迅速衰減。

可是，有若干系統(tǒng)可幫助確定無人潛航器在水下地圖中的位置，從一點(diǎn)導(dǎo)航到另一點(diǎn)，同時(shí)避開障礙物，并對(duì)洋流引起的偏差進(jìn)行補(bǔ)償。這些技術(shù)隨無人潛航器用戶提出的要求（如尺寸、重量與功率要小，以及能跨平臺(tái)輔助）在不斷發(fā)展。

航位推測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）采用安裝在萬(wàn)向架上的加速度計(jì)、陀螺，有時(shí)還有磁強(qiáng)計(jì)組成慣性測(cè)量裝置（IMU）以及計(jì)算機(jī)，來確定無人潛航器的位置、速度和方位。

無人潛航器用的現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品與此有兩點(diǎn)不同。第一.由于維修具有萬(wàn)向架的慣性測(cè)量裝置既復(fù)雜又價(jià)格不菲，無人潛航器正日益采用具有微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)與陀螺的捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置塊，以縮小尺寸，降低成本，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)差不多的姿態(tài)精度。第二，姿態(tài)與航向基準(zhǔn)系統(tǒng)（AHRS）正在日益取代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。通過采用綜合的處理單元，而不是單獨(dú)的計(jì)算機(jī)，它們常常能改進(jìn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精度和可靠性。

這些變化已體現(xiàn)在VectorNav公司新生產(chǎn)的一系列戰(zhàn)術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。適合水下應(yīng)用的VN-110型慣性測(cè)量裝置/姿態(tài)與航向基準(zhǔn)系統(tǒng)的尺寸為56mm×56mm×23mm，重160g。它具有4GB存儲(chǔ)器，及小于1°/h的零偏穩(wěn)定性，消耗功率不到2.5W。

每一種VN-110在全工作溫度范圍內(nèi)（ - 40～+80℃）可對(duì)傳感器單獨(dú)校準(zhǔn)，使傳感器的零偏、不對(duì)準(zhǔn)和刻度因數(shù)誤差得到補(bǔ)償，這是普通慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在水下長(zhǎng)時(shí)期應(yīng)用最重要的問題。VN-110采用微機(jī)電系統(tǒng)三軸加速度計(jì)和陀螺，其數(shù)據(jù)率達(dá)1kHz，實(shí)時(shí)姿態(tài)解在360度運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)是連續(xù)的。VN-110具有綜合外部傳感器（諸如外部磁強(qiáng)計(jì)和光纖陀螺等）測(cè)量的能力。

Nortek公司新的多普勒速度測(cè)程儀（DVL）是一種無人潛航器用于探測(cè)水雷、水下洞穴和失事船只的關(guān)鍵部件。這種]兆赫?qǐng)A筒型DVL的尺寸大致是135mm×148mm，在水中重900g，平均耗用功率為1 .3W。此模塊還具有16GB或64GB的存儲(chǔ)器，可在4℃的水中工作。

跟蹤確切的位置要求有比多普勒速度測(cè)程儀更精確的深度測(cè)量。Valeport公司的ultraP壓力傳感器探測(cè)深度的精度達(dá)0.01%，而且根據(jù)用戶的要求可在不同的深度/壓力范圍（從10～600ba）內(nèi)工作。這種器件安裝在90mm長(zhǎng)、300g的鈦耐壓容器內(nèi)。各種深度的型別可通過RS485接口和連接器的選擇容易更換，容許用戶預(yù)安裝于艙壁。ultraP基于該公司流行的智能壓力傳感器（ miniIPS），已盡量縮小尺寸，具有固定的電壓輸入和RS485數(shù)據(jù)輸出。這種壓力傳感器是一種溫度補(bǔ)償?shù)膲鹤枋絺鞲衅鳎cValeport公司的控制電路組合可提供只有共振式石英壓力傳感器才能達(dá)到的精度，但它的成本低，更小，也更結(jié)實(shí)。

VN-110和ultraP這類產(chǎn)品是為專用設(shè)計(jì)的，而其他一些產(chǎn)品，lirulmpactSubsea公司的ISA500則要實(shí)現(xiàn)多種用途。ISA500組合了高度計(jì)和姿態(tài)與航向基準(zhǔn)系統(tǒng)，能提供高度、航向、俯仰、橫滾等讀數(shù)，高度計(jì)發(fā)射5kHz的脈沖到水中，一接觸海床，被部分反射回來。被反射的脈沖由ISA500所探測(cè)，它返回所經(jīng)過的時(shí)間被記錄下來，以確定海床精確到1mm的高度，而其最大測(cè)量范圍是120m。其姿態(tài)與航向基準(zhǔn)系統(tǒng)提供±90°范圍內(nèi)精度為±1°的航向，及±180°范圍內(nèi)精度為0.2°的俯仰與橫滾。ISA500有多回波輸出能力，即聲脈沖可向下和向上發(fā)射，意味著它還適合測(cè)量浪的高度，以及在極區(qū)測(cè)量冰的厚度。聲定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)不能有效地確定無人潛航器在地圖中的位置，而聲通信能很好地適應(yīng)海洋環(huán)境，一旦獲得聲應(yīng)答機(jī)和聲收發(fā)機(jī)的位置，它們相互間的相對(duì)位置或是它們的GNSS坐標(biāo)，便可跟蹤自主無人潛航器和遙控?zé)o人潛航器的位置。

安裝于船上的超短基線（USBL）聲系統(tǒng)在不斷革新。2016年初，英國(guó)應(yīng)用聲學(xué)公司推出了Nexus2超短基線系統(tǒng)。系統(tǒng)具有15kg工廠校準(zhǔn)的多元件EasyTrak收發(fā)機(jī)，從船頭或船尾浸入到深30m的水中，還具有帶嵌入圖形導(dǎo)航界面的EasyTrak Nexus2控制臺(tái)，幫助與收發(fā)機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。來自AAE技術(shù)集團(tuán)公司的Sigma2聲編碼技術(shù)，一套專有的雙向擴(kuò)頻聲協(xié)議，與互補(bǔ)的換能器設(shè)計(jì)一起工作，使位置精度改進(jìn)到斜距的0.2%。此外，系統(tǒng)可同時(shí)跟蹤2500m（也可選995m）范圍內(nèi)的多達(dá)16具無人潛航器，工作頻率在18kHz與34kHz之間。

除提高精度外，第二代改進(jìn)型還要增大跟蹤距離，并保證計(jì)算目標(biāo)位置的可重復(fù)性。對(duì)用于跟蹤的換能器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。2686個(gè)電子電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)制造，以增加動(dòng)態(tài)范圍和采樣能力。Sigma2還提高了靈敏度，且不受噪聲影響。因此，Nexus2的誤差至少減小到原系統(tǒng)的五分之一。

此定位系統(tǒng)可與AAE公司老式的1000系列信標(biāo)和1200A與1300A微型信標(biāo)一起使用，以及更新和更精確的1100系列產(chǎn)品一起使用。這些產(chǎn)品可與Nexus2系統(tǒng)一起下水，采用可再充電的NiMH（鎳氫）電池，每秒發(fā)一個(gè)脈沖能工作55h。而且可與其他生產(chǎn)水下導(dǎo)航產(chǎn)品的主要公司，例如iX Blue、Kongsberg、Sonardyne公司的超短基線系統(tǒng)兼容。

英國(guó)Sonardyne公司的超短基線系統(tǒng)產(chǎn)品包括獲得成功的Ranger2系統(tǒng)，它將跟蹤距離延長(zhǎng)到6000m以外，而且如升級(jí)到可選用慣性輔助和LUSBL的Ranger2 Pro型，則可跟蹤達(dá)99個(gè)目標(biāo)。LUSBL是超短基線和長(zhǎng)基線（LBL）的組合，在部署應(yīng)答機(jī)的情況下，它通過“從頂?shù)较隆钡男?zhǔn)技術(shù)，可節(jié)省校準(zhǔn)長(zhǎng)基線陣的時(shí)間。這些系統(tǒng)可與USBL船載收發(fā)機(jī)，如較新的寬帶的Sub-Mini6 Plus進(jìn)行組合。Sub-Mini6 Plus提供完全的雙向?qū)拵еС郑ㄔ儐柡突卮鹦盘?hào)），以及支持來自Sonardyne公司一些老式系統(tǒng)，如Wideband V2、WBV1和HPR400的信號(hào)。

此外，Sonardyne公司的Fusion6G LBL系統(tǒng)仍繼續(xù)廣泛用于較大區(qū)域的任務(wù)。用戶首先圍繞目標(biāo)區(qū)域安裝Compatt6應(yīng)答機(jī)陣，并測(cè)量它們之間的距離。這種第六代Fusion系統(tǒng)在將遙測(cè)信號(hào)和信息傳回到操作員之前，可使Compatt6應(yīng)答機(jī)相互之間同時(shí)測(cè)距。以前需要90min校準(zhǔn)的8個(gè)Compatt6組成的陣，現(xiàn)在不到15min就可完成校準(zhǔn)。

然后，從水面艦艇部署Dunker6長(zhǎng)基線收發(fā)機(jī)，進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)獲取。自主無人潛航器和遙控?zé)o人潛航器都可裝備成在這個(gè)長(zhǎng)基線場(chǎng)中進(jìn)行跟蹤。遙控潛水器裝的是RovNav6遙控長(zhǎng)基線收發(fā)機(jī)，由遙控潛水器的臍帶進(jìn)行觸發(fā)。Av-Trak6是用于自主無人潛航器的長(zhǎng)基線收發(fā)機(jī)，它還具有超短基線應(yīng)答機(jī)/響應(yīng)機(jī)模式，可用于發(fā)射小數(shù)據(jù)包和任務(wù)更新信息。上述三種收發(fā)機(jī)的測(cè)距精度為15mm或更高，測(cè)量深度至少為3000m和5000m，按需要還可提供7000m的額定深度。

Bluefin-12自主無人潛航器的導(dǎo)航系統(tǒng)

實(shí)際上，無人潛航器將組合慣性、聲和地球物理導(dǎo)航，使通用性和工作精度最大化，并消除每種導(dǎo)航的薄弱環(huán)節(jié)，例如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的零偏誤差或聲定位的帶寬限制。藍(lán)鰭機(jī)器人公司的Bluefin-12自主無人潛航器帶有一套Sonardyne公司的導(dǎo)航系統(tǒng)，最近還綜合了后者的Solstice側(cè)向掃描聲吶。

新的Solstice聲吶比前幾代增大了覆蓋范圍（±200m），其機(jī)上處理為自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和任務(wù)后分析提供地理編碼的側(cè)向掃描圖像。一種“背投”波束成形技術(shù)將來自每側(cè)的65個(gè)波束聚焦在整個(gè)掃描寬度上1×1像素格網(wǎng)的每一點(diǎn)。為了在較長(zhǎng)距離時(shí)減小變形，微鑲嵌算法將“顯示塊”縫合在一起，以高分辨率和高對(duì)比度顯示目標(biāo)，具有很小的幾何不對(duì)稱性。

除Solstice聲吶外，Bluefin-12還采用了Sonardyne公司的其他產(chǎn)品。與Ranger2聯(lián)系進(jìn)行超短基線跟蹤的寬帶微型應(yīng)答機(jī)裝在后部，而Av-Trak6則是為長(zhǎng)基線系統(tǒng)提供的。Sprint輔助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有100Hz以上輸出速率，并與姿態(tài)與航向基準(zhǔn)系統(tǒng)綜合，可同超短基線或長(zhǎng)基線定位進(jìn)行組合，以提供更高的保真度，而且還可采用Janus INS后處理軟件，以精化收集的數(shù)據(jù)，并可能消除系統(tǒng)配置誤差或傳感器數(shù)據(jù)喪失等實(shí)時(shí)問題。

除增加安全外，安裝于Bluefin-12前部的導(dǎo)航和障礙物回避聲吶NOAS探測(cè)和分類可能的障礙物，采用2D和3D導(dǎo)航安全航行。2D模式提供關(guān)鍵的遠(yuǎn)距導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以保證安全的航路;而3D聲吶掃描海床和自主無人潛航器前的水柱，以便更靠近地探測(cè)和分類障礙物。在關(guān)鍵時(shí)刻，通過uComm聲調(diào)制解調(diào)器和BlueComm光通信技術(shù)，進(jìn)行人工控制是可能的。BlueComm光通信技術(shù)可使2Mb/s的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)接脩簟?/p>

“海黃蜂”遙控?zé)o人潛航器的導(dǎo)航系統(tǒng)

Sonardyne公司的聲定位技術(shù)在2016年問世的世界上最大的“海黃蜂”遙控?zé)o人潛航器上也能見到。

薩伯海眼公司制造的“海黃蜂”利用了其現(xiàn)有民用遙控?zé)o人潛航器系列的技術(shù)，并增加以前為軍用系統(tǒng)發(fā)展的能力。該公司與美國(guó)水下危險(xiǎn)物響應(yīng)團(tuán)體一起工作，將“海黃蜂”應(yīng)用于爆炸物處理。

“海黃蜂”打算用作效費(fèi)比高和水力學(xué)上穩(wěn)定的水雷對(duì)抗工具，無需危及人的生命。這種“水中反簡(jiǎn)易爆炸裝置安全平臺(tái)”依靠精確導(dǎo)航系統(tǒng)，通過光纖系纜將獲得的精確實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給位于支持船上，或岸上控制車上的控制臺(tái)。光纖系纜還用于傳輸電力。

“海黃蜂”遙控潛水器的傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)成主要用來確定目標(biāo)位置，這些目標(biāo)可位于船的殼體上，海港壁上或海床上?！昂｜S蜂”然后采用一系列工具和技術(shù)來識(shí)別威脅的性質(zhì)及最優(yōu)的處理方法。

“海黃蜂”采用臺(tái)萊達(dá)因RDI公司的Explorer DVL確定其在海床上面的速度，高度可達(dá)66m（或者如采用相控陣換能器，可達(dá)81m）。其慣性測(cè)量裝置采用了每小時(shí)只有幾度漂移的光纖陀螺，精確到采用薩伯公司的算法可以找到真北。

這種新的遙控潛航器還載有多波束前視聲吶和兩個(gè)彩色攝像機(jī)，其中一個(gè)攝像機(jī)裝在臂部。盡管起初考慮不與導(dǎo)航綜合，但薩伯公司正在研究用它們來補(bǔ)充多普勒速度測(cè)程儀的圖像處理和聲吶處理技術(shù)。

自主式無人潛航器蜂群的導(dǎo)航技術(shù)

采用小型自主式無人潛航器組成的蜂群進(jìn)行寬域監(jiān)控是一個(gè)較新的概念。盡管受到要導(dǎo)引多具潛水器的限制，蜂群有朝一日可成為同時(shí)測(cè)量多個(gè)位置的一種選擇，提供稠密和暫時(shí)一致的數(shù)據(jù)云。這將使跟蹤和測(cè)繪水處理的流出污染物，以及在挖泥作業(yè)期間監(jiān)控粒子污染等應(yīng)用變得相當(dāng)容易。

瑞士Hydromea公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重量為7kg的Vertex微型自主式無人潛航器能執(zhí)行這些任務(wù)，而且采用多具Vertex作為一個(gè)蜂群進(jìn)行合作和通信的技術(shù)。

除尺寸和價(jià)格限制外，Hydromea公司面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于大多數(shù)水下導(dǎo)航和通信設(shè)備假定在其一時(shí)刻只有一艘或幾艘潛水器在遙測(cè)距離之內(nèi)。低效地采用可用的聲帶寬使這種方法擴(kuò)大到較大的蜂群時(shí)會(huì)遇到麻煩，尤其是在初期依靠現(xiàn)有的通信和測(cè)距技術(shù)時(shí)。

該公司的辛勤工作已造成一個(gè)新奇的工作環(huán)境。通過交換導(dǎo)航數(shù)據(jù)，每個(gè)潛水器通過獲取其他潛水器的位置估計(jì)值，可改進(jìn)其位置估計(jì)值。若處于水面的一具潛水器獲得GPS定位，則可顯著提高附近許多自主式無人潛航器的導(dǎo)航精度。自主式無人潛航器一般采用的光纖陀螺和多普勒速度測(cè)程儀對(duì)于Vertex來太大，也太貴，故該公司在其上采用基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的姿態(tài)與航向基準(zhǔn)系統(tǒng)和定制的通信與測(cè)距系統(tǒng)組合，而且操作所有這些系統(tǒng)的軟件從一開始就按使用多具自主式無人潛航器和所有系統(tǒng)緊密綜合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Vertex兩個(gè)附加的應(yīng)用是得到海底的光鑲嵌顯示，及找到未爆彈藥。這兩種應(yīng)用大大促進(jìn)了蜂群技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)橐痪邼撍髟诮o定時(shí)間只能覆蓋很小的區(qū)域。