天海一體化水下重力輔助導(dǎo)航研究進(jìn)展

鄭 偉，李釗偉，吳 凡

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院， 遼寧 阜新 123000；3. 河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院， 河南 焦作 454150)

全球海洋面積(3.61億km2)約占地球總表面積(5.1億km2)的70.8%，主要自然資源包括：礦產(chǎn)資源、石油資源、天然氣資源、生物資源、化學(xué)資源、動(dòng)力資源等。因此，隨著人類(lèi)社會(huì)的高速發(fā)展和進(jìn)步，廣闊而又神奇的海洋必將成為人們探究和開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象之一。水下航行器作為人類(lèi)開(kāi)發(fā)海洋的重要工具也必將得到廣泛應(yīng)用。尤其是在軍事領(lǐng)域，因其隱蔽性好，作戰(zhàn)半徑大，對(duì)制空權(quán)和制海權(quán)依賴(lài)性低，突擊力強(qiáng)，在戰(zhàn)略性打擊中起著決定性作用，因而是世界軍事強(qiáng)國(guó)海上攻防的中堅(jiān)力量。同時(shí)，海水也為水下航行器提供了天然屏障，使其可在水下大范圍和長(zhǎng)時(shí)間地偵察、探測(cè)和跟蹤敵方航行器[1]。由傳統(tǒng)導(dǎo)航只能通過(guò)樹(shù)木、山峰、巖石等作為參照物，漸漸發(fā)展到通過(guò)太陽(yáng)、月亮、星星等來(lái)判斷位置，而指南針的發(fā)明更是導(dǎo)航領(lǐng)域的較大進(jìn)步。隨后，無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航的出現(xiàn)，則具有劃時(shí)代的意義。隨著人類(lèi)活動(dòng)的發(fā)展，對(duì)導(dǎo)航的要求也越來(lái)越高。

天海一體化水下導(dǎo)航(融合天基、?；榷嘣葱畔⒓凹夹g(shù)手段)是水下航行器導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前，水下航行器的精確導(dǎo)航主要依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)，可滿(mǎn)足自主、精確、長(zhǎng)時(shí)間的要求，不僅可提供精確位置和速度等導(dǎo)航信息，使水下航行器到達(dá)預(yù)定地方，還可為水下航行器潛射武器系統(tǒng)提供精確的位置、速度、姿態(tài)等信息，使武器系統(tǒng)可以精準(zhǔn)擊中目標(biāo)物。但是由于慣性元件-陀螺儀的固有漂移，使INS具有誤差隨時(shí)間積累的缺點(diǎn)，時(shí)間越長(zhǎng)，誤差累積越大。因此，為減小INS的誤差累積，確保其安全航行和武器的精準(zhǔn)打擊，目前主要有兩個(gè)途徑：第一，盡可能提高INS中陀螺儀和加速度計(jì)的測(cè)量精度；第二，采用輔助導(dǎo)航技術(shù)，利用外界信息手段對(duì)其進(jìn)行周期性重調(diào)與校正。如今，各種各樣的導(dǎo)航技術(shù)隨著歷史的進(jìn)步而出現(xiàn)，它們已被廣泛應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面[2-4]。

1 慣性器件發(fā)展概況

第一代：1687年，英國(guó)物理學(xué)家牛頓提出了著名的三大運(yùn)動(dòng)定律，為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研究奠定了理論基礎(chǔ)；1852年，法國(guó)物理學(xué)家Leon Foucault提出了陀螺的指向理論、方法和應(yīng)用，并搭建了陀螺羅經(jīng)的雛形；20世紀(jì)初，德國(guó)發(fā)明家Hermann Anschütz-Kaempfe研制出能用于艦船導(dǎo)航的陀螺羅經(jīng)。

第二代：20世紀(jì)40年代初期，德國(guó)人制造了V-Ⅱ火箭的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)；20世紀(jì)50年代中后期，單自由度液浮陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)成功應(yīng)用于B29飛機(jī)；1968年，G6B4型動(dòng)壓陀螺(穩(wěn)定度0.005 (°)/h)和加速度計(jì)(精度10-4g～10-6g)研制成功。1960年，環(huán)形激光陀螺(Ring Laser Gyroscope, RLG)和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strap-down Inertial Navigation Systems, SINS)開(kāi)始研發(fā)。

第三代：20世紀(jì)70年代，為進(jìn)一步提高慣性導(dǎo)航性能，新型陀螺儀(精度0.001 (°)/h)和加速度計(jì)(精度10-6g～10-7g)開(kāi)始推廣和應(yīng)用。新型陀螺儀主要包括：靜電陀螺、動(dòng)力調(diào)諧陀螺、超導(dǎo)體陀螺、粒子陀螺、音叉振動(dòng)陀螺、流體轉(zhuǎn)子陀螺、固態(tài)陀螺等。20世紀(jì)80年代，采用微機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路工藝制造的微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)開(kāi)始發(fā)展。

第四代：20世紀(jì)80年代，隨著環(huán)形激光陀螺、干涉式光纖陀螺等新型固態(tài)陀螺儀(精度10-6(°)/h)的逐漸發(fā)展，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)逐步取代平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

第五代：原子陀螺儀包括自旋式和干涉式自旋。其在高精度慣性測(cè)量及航天/航海領(lǐng)域具有巨大潛力。

1)自旋式原子陀螺儀：主要包括無(wú)自旋交換弛豫陀螺儀、核磁共振陀螺儀、金剛石結(jié)構(gòu)NV色心陀螺儀等。核磁共振陀螺儀通過(guò)原子核自旋磁矩在靜磁場(chǎng)中的Larmor頻率進(jìn)動(dòng)來(lái)測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)角速率，目前美國(guó)諾格公司已研制出工程樣機(jī)(表頭體積5 cm3和零偏穩(wěn)定性0.01 (°)/h(1σ))。無(wú)自旋交換弛豫(Spin Exchange Relaxation Free， SERF)陀螺儀利用堿金屬原子的電子自旋感知物體轉(zhuǎn)動(dòng)角度，仍處于原理樣機(jī)階段。金剛石結(jié)構(gòu)NV色心陀螺儀利用14 N空穴自旋來(lái)感知物體轉(zhuǎn)動(dòng)信息，理論上可實(shí)現(xiàn)角速率三軸同步測(cè)量。

2)干涉式自旋原子陀螺儀：從歷史發(fā)展來(lái)看，在很早以前就已經(jīng)提出了物質(zhì)波干涉儀的概念，隨后成功研制出了電子干涉儀和中子干涉儀，但兩者分別受限于低計(jì)算率和低質(zhì)量而沒(méi)有在慣性測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。而原子干涉儀概念的提出也很早，但由于原子波不易發(fā)生干涉而使該研究一度停滯不前。

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著激光冷卻原子技術(shù)的快速進(jìn)步，原子干涉技術(shù)和以之為基礎(chǔ)的原子慣性技術(shù)研究取得了突破性進(jìn)展。2003年，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)的“精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Precision Inertial Navigation System， PINS)”等計(jì)劃支持下，美國(guó)斯坦福大學(xué)Kasevich研究團(tuán)隊(duì)與AOsense公司聯(lián)合研制了體積小于1 m3，角隨機(jī)游走小于10-4(°)/Hz1/2的干涉型原子陀螺儀[5]。此外，美國(guó)還制訂了“高動(dòng)態(tài)范圍原子傳感器”計(jì)劃，旨在提高冷原子慣性測(cè)量單元的動(dòng)態(tài)捕獲范圍，并應(yīng)用于軍事裝備平臺(tái)。

2003年，歐洲空間局啟動(dòng)了“空間中的高精度原子干涉測(cè)量技術(shù)”研究計(jì)劃，支持利用冷原子干涉陀螺儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)拖拽效應(yīng)和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的測(cè)量，以驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，同時(shí)也通過(guò)量子陀螺儀進(jìn)行空間飛行器導(dǎo)航。在“空間中的高精度原子干涉測(cè)量技術(shù)”計(jì)劃先期研究中，法國(guó)巴黎天文臺(tái)得到靈敏度為2.4×10-7(rad/s)·Hz1/2原子干涉陀螺儀[6]，已達(dá)到實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段。德國(guó)漢諾威大學(xué)得到靈敏度為6.1×10-7(rad/s)·Hz1/2原子干涉陀螺儀[7]。

我國(guó)一直在原子光學(xué)基礎(chǔ)研究方面緊跟國(guó)際步伐，對(duì)量子慣性器件等量子光學(xué)系統(tǒng)的研制具備相應(yīng)的技術(shù)能力和儲(chǔ)備。近年來(lái)，直接在量子器件的研制上投入了一定的研究力量，且各單位均已獨(dú)立開(kāi)展了量子慣性技術(shù)研究。清華大學(xué)提出自主冷原子束方案，并在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了基于連續(xù)冷原子束的干涉信號(hào)；上海光機(jī)所實(shí)現(xiàn)了芯片上冷原子捕獲；華中科技大學(xué)引力實(shí)驗(yàn)中心研制了高精度冷原子干涉重力精密測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了100 s內(nèi)0.5 μGal的重力測(cè)量分辨率；中科院武漢數(shù)學(xué)物理所實(shí)現(xiàn)了可搬運(yùn)高精度銣-85冷原子絕對(duì)重力儀，由國(guó)際計(jì)量局確認(rèn)的最終報(bào)告顯示其重力測(cè)量絕對(duì)值偏差約為3 μGal， 靈敏度可達(dá)30 μGal/Hz1/2；浙江大學(xué)已在原子干涉儀方面取得了重要突破，重力加速度g測(cè)量精度為10-8m/s2，其在“十二五”期間針對(duì)原子干涉重力梯度儀也取得了突破，掌握和擁有了多項(xiàng)原子干涉的自主關(guān)鍵技術(shù)，為開(kāi)展重力梯度儀的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研究奠定了基礎(chǔ)，已具備開(kāi)展冷原子重力梯度儀的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研究條件。另外，華東師范大學(xué)、吉林大學(xué)、山西大學(xué)等在冷原子量子調(diào)控基礎(chǔ)研究方面也取得了諸多成果。

2 水下輔助導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展

目前使用的慣導(dǎo)系統(tǒng)大多數(shù)屬于第二代和第三代產(chǎn)品。在100余年的發(fā)展歷程中，從機(jī)械陀螺、光學(xué)陀螺到MEMS陀螺，雖然較大程度地提高了測(cè)量性能，但仍無(wú)法滿(mǎn)足慣性導(dǎo)航的高精度需求。然而，原子陀螺儀為慣性器件的發(fā)展指明了方向。冷原子干涉陀螺儀使得單一小型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三軸線(xiàn)加速度、角速度以及重力場(chǎng)補(bǔ)償成為可能，是單機(jī)實(shí)現(xiàn)超高精度六軸慣性系統(tǒng)的有效手段。原子慣性器件一旦研制成功，未來(lái)將無(wú)須依賴(lài)任何外部測(cè)量設(shè)備，僅依靠原子慣性器件即可實(shí)現(xiàn)水下高達(dá)米量級(jí)的定位精度，完全滿(mǎn)足水下航行器導(dǎo)航設(shè)備的高精度、隱蔽性、自主性等需求。但是，據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可看出，目前冷原子干擾陀螺儀的技術(shù)發(fā)展水平距離工程化實(shí)際應(yīng)用還需要若干年的研制時(shí)間。因此，目前解決慣性導(dǎo)航積累誤差問(wèn)題的最優(yōu)技術(shù)路徑是采用輔助導(dǎo)航手段進(jìn)行校正。

1)重力輔助導(dǎo)航。載體在航行過(guò)程中經(jīng)過(guò)特征較明顯的區(qū)域時(shí)，利用重力儀實(shí)時(shí)采集周?chē)亓?chǎng)信息，通過(guò)和預(yù)先測(cè)量得到的基準(zhǔn)重力數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，構(gòu)建水下重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)重調(diào)。水下重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括：重力/重力梯度儀、重力/重力梯度基準(zhǔn)圖和重力/重力梯度匹配定位算法。重力儀的測(cè)量精度現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到亞毫伽量級(jí)，全球重力基準(zhǔn)圖的分辨率可以達(dá)到2′×2′，導(dǎo)航匹配算法的研究也取得了一定突破。重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是，獲取重力信息時(shí)重力測(cè)量?jī)x器對(duì)外無(wú)須發(fā)射或接收外部信號(hào)，可以隱蔽地為水下航行器提供精確的全球位置信息，是名副其實(shí)的無(wú)源導(dǎo)航系統(tǒng)[8]。

2)地形輔助導(dǎo)航。通過(guò)深度傳感器(測(cè)深/測(cè)潛儀)獲得所在區(qū)域的水深信息，將實(shí)測(cè)的水深信息和海底地形圖上提取的水深信息歸算到同一計(jì)算面上，然后按照一定的算法進(jìn)行高精度匹配，從而獲得載體的最佳位置信息。它是一種隱蔽、全天候、自主、導(dǎo)航定位精度與航程無(wú)關(guān)的導(dǎo)航技術(shù)，具有精度高、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，水下地形導(dǎo)航需要預(yù)先測(cè)量海底地形數(shù)據(jù)，獲取全球海底地形數(shù)據(jù)目前存在一定的困難，同時(shí)，聲吶波束在深海海域?qū)崟r(shí)測(cè)量海底地形時(shí)，誤差較大，因而地形輔助導(dǎo)航技術(shù)只適用于淺海[9]。

3)地磁輔助導(dǎo)航。在20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)E-systems公司提出了地磁異常場(chǎng)等值線(xiàn)匹配系統(tǒng)，并于70年代進(jìn)行了離線(xiàn)實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)80年代初，瑞典Lund學(xué)院開(kāi)展了船只地磁導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了船只的位置和速度。2009年，美國(guó)已研制出地面和空中定位精度高于30 m和水下定位精度高于500 m的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)[10]。地磁輔助導(dǎo)航具有不向外發(fā)射信號(hào)，隱蔽性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，全天候、全時(shí)間、全地域地連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，存在磁力儀干擾源較多、精度較低、易受外部環(huán)境和磁場(chǎng)影響等諸多缺點(diǎn)。

4)水聲導(dǎo)航。聲學(xué)信號(hào)在海水中的傳播衰減較小，借助聲波可在水下遠(yuǎn)距離傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)點(diǎn)，聲學(xué)系統(tǒng)已成為水下常用的導(dǎo)航信息源。傳統(tǒng)聲學(xué)定位導(dǎo)航有長(zhǎng)基線(xiàn)定位、短基線(xiàn)定位和超短基線(xiàn)定位三種方式。這三種方式可在水下獲得良好的定位精度，定位需要1個(gè)或多個(gè)事先在水下布放且位置精確已知的固定陣元信標(biāo)，故只能在某些特定海域內(nèi)使用。缺點(diǎn)是：戰(zhàn)時(shí)易被敵方破壞和利用，易受人為或自然干擾[11]。

①長(zhǎng)基線(xiàn)定位系統(tǒng)(Long Base-Line, LBL)：能在寬闊區(qū)域內(nèi)提供精確位置，需要在定位載體上安裝一個(gè)換能器，同時(shí)在基線(xiàn)長(zhǎng)度為幾千米的已知位置的海底布設(shè)3個(gè)應(yīng)答器。各應(yīng)答器接收到被定位載體的詢(xún)問(wèn)信號(hào)后，以不同頻率發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。通過(guò)測(cè)量海底各應(yīng)答器與換能器之間的斜距，從而通過(guò)測(cè)量中的前方或后方交會(huì)對(duì)目標(biāo)精確定位。LBL的優(yōu)點(diǎn)是：可進(jìn)行大面積、深海定位工作，受水深影響小、精度高、可靠性好、換能器非常小、易于安裝。缺點(diǎn)是：數(shù)量巨大的應(yīng)答器基陣造價(jià)昂貴，系統(tǒng)較復(fù)雜，基陣布放及回收煩瑣，海底基陣校準(zhǔn)技術(shù)要求高、風(fēng)險(xiǎn)大等。

②短基線(xiàn)定位系統(tǒng)(Short Base-Line, SBL)：由1個(gè)海底應(yīng)答器和3個(gè)以上安裝于水面艦船或水下航行器上的換能器組成聲基陣。各換能器與海底安裝的應(yīng)答器互相問(wèn)答，通過(guò)距離交會(huì)或相位差解算出目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)定位。SBL定位不需要布放多個(gè)海底應(yīng)答器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

③超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)(Ultra-Short Base-Line， USBL)：基線(xiàn)極短(小到幾厘米)，所有聲單元(3個(gè)以上)集成于換能器中，組成聲基陣。通過(guò)測(cè)定聲單元的相位差確定換能器與目標(biāo)的方位(水平和垂直角度)，通過(guò)測(cè)定聲波傳播時(shí)間確定換能器到目標(biāo)的距離。優(yōu)點(diǎn)是：尺寸較小、相對(duì)定位精度較高、安裝較方便，但系統(tǒng)安裝后需要較高的校準(zhǔn)精度。

④移動(dòng)長(zhǎng)基線(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)，近幾年出現(xiàn)的一種新型導(dǎo)航方式，其定位原理、精度與傳統(tǒng)聲學(xué)定位相同，區(qū)別在于：其陣元信標(biāo)并非固定在某處，而是將1個(gè)或多個(gè)已精確定位的移動(dòng)載體(水面艦船、水下潛器等)作為陣元信標(biāo)，且不受陣元信標(biāo)載體運(yùn)動(dòng)的影響，可在隨之前進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)定位。因此，移動(dòng)長(zhǎng)基線(xiàn)導(dǎo)航極大地?cái)U(kuò)大了聲學(xué)定位系統(tǒng)在水下導(dǎo)航的可用范圍。

5)無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航。無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)：精度高、全天候、作用距離遠(yuǎn)、不受時(shí)間和天氣限制、定位時(shí)間短等。但是，無(wú)線(xiàn)電波在海水高導(dǎo)電介質(zhì)中傳播衰減較快，需要水下航行器上浮接收信號(hào)，不利于水下航行器的隱蔽。

6)衛(wèi)星導(dǎo)航。采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(美國(guó)GPS、歐洲Galileo、俄羅斯GLONASS、中國(guó)北斗系統(tǒng)、印度IRNSS系統(tǒng)等)對(duì)陸、海、空、天的用戶(hù)進(jìn)行精確導(dǎo)航定位。但是，衛(wèi)星信號(hào)易受干擾和哄騙，戰(zhàn)時(shí)導(dǎo)航信息不可靠。而且需上浮或接近水面獲得導(dǎo)航信息，自主性和隱蔽性均較差[12]。

7)天文導(dǎo)航。1837年，美國(guó)船長(zhǎng)Sumner T.H.發(fā)現(xiàn)了天文船位線(xiàn)可在海上同時(shí)測(cè)量經(jīng)緯度，為近代天文定位奠定了基礎(chǔ)[13]，目前也是洲際導(dǎo)彈和火箭制導(dǎo)的重要方式之一[14]。天文導(dǎo)航具有保密性強(qiáng)、隱蔽性好、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。它主要用于水面導(dǎo)航，若用于水下導(dǎo)航，則需要水下航行器定時(shí)浮出水面觀(guān)測(cè)，降低了載體的隱蔽性，不適合長(zhǎng)時(shí)間水下隱蔽航行導(dǎo)航。

8)地文導(dǎo)航。利用投影幾何學(xué)原理，運(yùn)用圖像跟蹤技術(shù)及三角解算技術(shù)來(lái)獲取空間位置?；舅悸肥牵和ㄟ^(guò)載體上圖像傳感器獲取環(huán)境圖像，提取圖像上的特征量后與已知參考位置的特征量進(jìn)行匹配，來(lái)確定載體空間的相對(duì)位置，或者根據(jù)圖像上地物目標(biāo)的相關(guān)位置信息，利用幾何關(guān)系，推算載體的空間位置[15]。

9)推算船位法。將位置已知的船位作為推算起點(diǎn)，依靠羅經(jīng)、計(jì)程儀、測(cè)量海風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速以及流向、流速的儀器等推算實(shí)時(shí)船位的海上定位法。因?yàn)閮x器測(cè)量精度較低，海風(fēng)和海流影響不易精確修正，隨航行時(shí)間增加而誤差積累等缺點(diǎn)，所以測(cè)定船位法僅為輔助方法。

10)電磁導(dǎo)航。電磁導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是：引線(xiàn)隱蔽，簡(jiǎn)單實(shí)用。缺點(diǎn)是：成本高，對(duì)復(fù)雜路徑局限性大，且不適用于長(zhǎng)距離導(dǎo)航。

如表1所示，通過(guò)前面各種導(dǎo)航技術(shù)的綜合分析，將地球物理場(chǎng)與INS系統(tǒng)聯(lián)合構(gòu)成的無(wú)源輔助導(dǎo)航系統(tǒng)始終是有效抑制INS系統(tǒng)誤差積累問(wèn)題的國(guó)際研究熱點(diǎn)。目前，可用于水下長(zhǎng)時(shí)間隱蔽導(dǎo)航的技術(shù)有地磁輔助、地形輔助、重力輔助等。地磁場(chǎng)本身存在長(zhǎng)期和短期變化，使地磁圖精度達(dá)不到較高的要求，且測(cè)磁手段存在磁干擾等局限性[16]。重力場(chǎng)和海底地形都是輔助導(dǎo)航的主要技術(shù)手段，地形場(chǎng)的研究開(kāi)展相對(duì)較早。水下地形輔助導(dǎo)航起步較晚，《2000—2035年美國(guó)海軍技術(shù)》發(fā)展戰(zhàn)略研究中提出了主要采用地形輔助提高水下航行器導(dǎo)航精度的目標(biāo)[17-18]，但由于需要向外發(fā)射聲波，而且聲吶測(cè)量在海況復(fù)雜條件下無(wú)法精確探測(cè)到深海地形，因此水下地形匹配導(dǎo)航僅適用于淺海[19]。然而，水下重力輔助導(dǎo)航是根據(jù)地球不同位置的重力差異來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的，重力場(chǎng)數(shù)據(jù)主要包括海洋重力基準(zhǔn)圖和重力測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。海洋重力基準(zhǔn)圖通過(guò)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、航空測(cè)量數(shù)據(jù)、海洋測(cè)量數(shù)據(jù)等聯(lián)合構(gòu)建，具有高精度、強(qiáng)可靠性等優(yōu)點(diǎn)；利用水下重力儀獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，水下航行器測(cè)量不需向外輻射能量，也不需浮出水面，且地球重力場(chǎng)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，因此有望實(shí)現(xiàn)水下潛器精確、自主和連續(xù)長(zhǎng)航時(shí)的定位。

表1 水下導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比

天海一體化水下慣性/重力組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可基于重力/測(cè)高衛(wèi)星和海洋觀(guān)測(cè)多源數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)精確測(cè)量的重力信息進(jìn)行高精度輔助導(dǎo)航，使水下航行器的水下自主導(dǎo)航能力大幅提高，延長(zhǎng)其上浮校正周期，如圖1所示。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為導(dǎo)航精度較高、計(jì)算速度較快、應(yīng)用前景良好等。目前，國(guó)際水下導(dǎo)航精度約為百米級(jí)，我國(guó)水下導(dǎo)航精度與國(guó)際相比，存在較大差距。開(kāi)展此項(xiàng)研究，有利于保障國(guó)家/國(guó)防安全和領(lǐng)海主權(quán)完整。

圖1 天海一體化水下重力輔助導(dǎo)航原理圖Fig.1 Schematic diagram of the underwater gravity matching navigation based on the information of aerospace-marine integration

3 重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

基于目前公開(kāi)文獻(xiàn)可知，20世紀(jì)中期，美國(guó)海軍開(kāi)始研究重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，目的是提高三叉戟彈道導(dǎo)彈潛艇導(dǎo)航性能[20]。美國(guó)研制成功了3種新型重力梯度儀：Bell Aerospace Textron的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀，Charles Stark Draper Laboratory的球形懸浮重力梯度儀和Hughes Aircraft Company的旋轉(zhuǎn)重力梯度儀，用于消除重力模型不準(zhǔn)確引入的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差。20世紀(jì)70年代，Kalman濾波技術(shù)結(jié)合重力擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)模型法開(kāi)始研究，例如：Heller提出的重力梯度儀輔助導(dǎo)航(Gradiometer as An External navigation Aid， GAEA)方案[21]和Wells等提出的參考橢球輔助導(dǎo)航(Reference Ellipsoid Formula as An External navigation Aid， REFAEA)方案[22]。GAEA的核心思想：將載體速度與擾動(dòng)梯度輸入根據(jù)重力擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)模型搭建的Kalman濾波系統(tǒng)，估計(jì)由垂線(xiàn)偏差導(dǎo)致的慣性導(dǎo)航位置和速度誤差，此研究主要以理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)為主。REFAEA方案則是將重力梯度儀信號(hào)積分后得到重力向量，然后引入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)?；诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易性和系統(tǒng)容錯(cuò)性，GAEA雖略?xún)?yōu)于REFAEA，但二者均可有效消除重力引入的導(dǎo)航誤差。

上述重力偏差補(bǔ)償法可消除由參考重力場(chǎng)模型不準(zhǔn)確導(dǎo)致的INS誤差，但無(wú)法消除由INS器件(如陀螺漂移等)固有缺陷引起的水下導(dǎo)航誤差，補(bǔ)償后的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差仍隨時(shí)間累積。20世紀(jì)90年代初，隨著B(niǎo)ell Aerospace Textron研制的重力傳感器系統(tǒng)成功在運(yùn)動(dòng)載體上進(jìn)行了重力梯度測(cè)量，并裝配于三叉戟-Ⅱ型潛艇上，實(shí)時(shí)估計(jì)了重力異常和垂線(xiàn)偏差。此外，GEOSAT測(cè)高衛(wèi)星的發(fā)射和船載、機(jī)載重力儀/重力梯度儀的發(fā)展改進(jìn)，獲得了大量的海洋重力數(shù)據(jù)，重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)逐漸由無(wú)圖向有圖匹配導(dǎo)航發(fā)展，兩種新的導(dǎo)航方案被提出重力梯度導(dǎo)航系統(tǒng) (Gravity Gadiometer Navigations System， GGNS)和重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Gravity Aided Inertial Navigation System， GAINS)。

1990年，Jircitano等提出了GGNS系統(tǒng)[23-24]，該導(dǎo)航系統(tǒng)充分利用了地形輔助導(dǎo)航(Sandia Inertial Terrain-Aided Navigation， SITAN)算法的原理，隨著動(dòng)基座重力梯度儀的不斷完善，它是基于慣性導(dǎo)航、重力梯度儀、重力梯度基準(zhǔn)圖的匹配定位系統(tǒng)，是實(shí)質(zhì)意義的無(wú)源導(dǎo)航方式。該系統(tǒng)以重力梯度基準(zhǔn)圖上慣性導(dǎo)航指示位置處的梯度數(shù)據(jù)與重力梯度儀輸出數(shù)據(jù)之差作為濾波器的觀(guān)測(cè)量，對(duì)慣性導(dǎo)航誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。

1991年，Jircitano等提出了GAINS系統(tǒng)[25]，并于1994年獲得美國(guó)專(zhuān)利授權(quán)(專(zhuān)利號(hào)：5339684)，該系統(tǒng)由INS、重力儀/重力梯度儀、重力場(chǎng)基準(zhǔn)圖、深度傳感器和最優(yōu)濾波器組成。將重力梯度儀實(shí)時(shí)測(cè)得的梯度誤差、重力基準(zhǔn)圖中提取的重力信息、深度傳感器與慣導(dǎo)給定的深度之差等數(shù)據(jù)作為最優(yōu)濾波器的輸入量，最終得到所需的導(dǎo)航參數(shù)信息[26-28]。

20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)對(duì)水下導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化改進(jìn)，從而降低了成本、方便維護(hù)。Lockheed Martin公司在GAINS基礎(chǔ)上研制出了更為經(jīng)濟(jì)的通用重力模塊(Universal Gravity Module， UGM)[29]，并于2000年獲得了UGM的專(zhuān)利授權(quán)(專(zhuān)利號(hào)：6014103)。該模塊包括1個(gè)重力儀和3個(gè)重力梯度儀，用于測(cè)量實(shí)際重力與正常重力偏離的大小以及重力在三維空間的變化速率，經(jīng)美國(guó)海軍1998—1999年在水面“先鋒號(hào)”艦和核潛艇上的測(cè)試結(jié)果可知，UGM可使導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)緯度誤差約降至標(biāo)稱(chēng)誤差的10%[30]。

1997年，Lowrey Ⅲ和Shellenbarger提出了重力異常匹配法，利用潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)裝備的電磁加速度計(jì)作為重力儀，配合慣性導(dǎo)航和深度計(jì)，將重力異常與重力異常基準(zhǔn)圖進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)圖匹配技術(shù)在無(wú)源導(dǎo)航濾波器中計(jì)算導(dǎo)航校正[31]。

1999年，Behzad等提出了適用于水下重力異常匹配導(dǎo)航的等值線(xiàn)迭代最近點(diǎn)(Iterative Contour Closed Point， ICCP)算法[32]。該算法將重力儀數(shù)據(jù)與重力異常數(shù)據(jù)庫(kù)等值線(xiàn)進(jìn)行匹配，尋找測(cè)量航跡與已有重力圖之間的最優(yōu)匹配變換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量航跡的校正。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外的重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)已較為成熟，而國(guó)內(nèi)的仍處于理論研究與仿真模擬階段，雖在信息處理算法上有一定的發(fā)展創(chuàng)新，但在工程應(yīng)用上仍存在較大差距?，F(xiàn)階段，我國(guó)應(yīng)深入開(kāi)展重力輔助導(dǎo)航技術(shù)研究，為將來(lái)水下航行器精確導(dǎo)航提供支撐。

劉光軍等采用在匹配算法中融合多模型自適應(yīng)估計(jì)技術(shù)，通過(guò)并行Kalman濾波器搜索最佳匹配位置[33]。閆利等將TERCOM(terrain contour matching)算法用于水下重力匹配仿真計(jì)算，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了地形粗糙度和坡度方差與TERCOM算法的定位精度具有強(qiáng)相關(guān)性，可將二者作為匹配區(qū)選取指標(biāo)[34]。張紅梅等對(duì)ICCP算法進(jìn)行了預(yù)平移簡(jiǎn)化，消除了誤匹配問(wèn)題，有效提高了匹配精度和可靠性[35]。魏二虎等提出了帶有旋轉(zhuǎn)和尺度變換功能的改進(jìn)TERCOM算法，進(jìn)一步提高了定位精度[36]。童余德等針對(duì)ICCP算法實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，采用固定初始序列長(zhǎng)度的方式對(duì)算法采樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善并推導(dǎo)出單點(diǎn)迭代公式，同時(shí)采用滑動(dòng)窗搜索方式縮小搜索范圍，進(jìn)而提高算法速度，并設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)ICCP算法[37]。蔣東方等提出了在具有統(tǒng)一解析式連續(xù)背景場(chǎng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)迭代最近等值線(xiàn)的匹配算法，建立了局部連續(xù)背景場(chǎng)的最近點(diǎn)搜索模型，較大程度地提高了匹配精度[38]。劉洪等改進(jìn)了質(zhì)點(diǎn)濾波算法，避免了離散模型出現(xiàn)概率密度函數(shù)發(fā)生除零現(xiàn)象，進(jìn)而提高了質(zhì)點(diǎn)濾波算法的適應(yīng)性[39]。程力等通過(guò)在重力場(chǎng)區(qū)域中移動(dòng)局部計(jì)算窗口方法，提出了重力匹配區(qū)經(jīng)驗(yàn)選擇準(zhǔn)則[40]。夏冰等提出了基于SPSS回歸分析的重力匹配區(qū)域選擇法，通過(guò)在重力數(shù)據(jù)和重力場(chǎng)特征參數(shù)之間建立定量關(guān)系，作為重力匹配判斷準(zhǔn)則，進(jìn)而對(duì)重力匹配區(qū)域進(jìn)行選擇[41]。蔡體菁等采用層次分析法，通過(guò)反演重力圖的多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征及匹配仿真結(jié)果，提出新型重力匹配區(qū)域選擇準(zhǔn)則[42]。許大欣采用增益系數(shù)和信息更新序列的新方法對(duì)某區(qū)域進(jìn)行Kalman濾波的模擬計(jì)算，較大程度地提高了匹配精度[43]。孫嵐將采樣Kalman濾波算法應(yīng)用于重力圖形匹配，濾波通過(guò)設(shè)計(jì)少量的σ點(diǎn)，從而獲得濾波值基于非線(xiàn)性狀態(tài)方程的更新[44]。王虎彪等采用多模型自適應(yīng)Kalman濾波并行算法對(duì)重力異常和重力梯度聯(lián)合輔助導(dǎo)航，通過(guò)加權(quán)處理得到潛艇位置的最優(yōu)實(shí)時(shí)估計(jì)[45]。王偉等圍繞Kalam濾波可能存在濾波發(fā)散問(wèn)題，提出了漸消記憶自適應(yīng)濾波方法，通過(guò)在濾波過(guò)程中設(shè)置發(fā)散原則，對(duì)Kalman濾波進(jìn)行干預(yù)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)、快速、高效的匹配效果[46]。龐永杰等改進(jìn)了貝葉斯估計(jì)算法，通過(guò)引入費(fèi)希爾判據(jù)，減少了算法偽點(diǎn)數(shù)，從而提高了算法的穩(wěn)定性[47]。劉繁明等將差分進(jìn)化引入到粒子濾波的重采樣過(guò)程，從而提高了組合導(dǎo)航的定位精度[48]。熊凌等提出將粒子濾波算法引入重力梯度匹配定位中，這樣不僅可加快粒子濾波的收斂速度，同時(shí)有利于提高粒子濾波算法的精度[49]。劉念等采用地形輪廓匹配算法在匹配區(qū)內(nèi)進(jìn)行匹配定位，采用無(wú)跡Kalman濾波算法在非匹配區(qū)內(nèi)進(jìn)行跟蹤定位，提高了重力梯度匹配的導(dǎo)航精度[50]。

4 研究進(jìn)展

高精度重力輔助導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心問(wèn)題是解決全球高精度和高空間分辨率海洋重力場(chǎng)基準(zhǔn)圖、高精度重力輔助導(dǎo)航算法、高精度重力儀等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)。但是，目前全球海洋重力基準(zhǔn)圖的空間分辨率僅為2′×2′[51]，無(wú)法滿(mǎn)足高精度水下重力輔助導(dǎo)航的迫切需求，主要原因如下：第一，目前獲取全球海洋重力場(chǎng)基準(zhǔn)圖的主要手段是通過(guò)星載高度計(jì)海面測(cè)高；第二，目前基于衛(wèi)星海面測(cè)高數(shù)據(jù)的全球海洋重力場(chǎng)反演方法無(wú)法有效地抑制重力場(chǎng)空間分辨率的損失。因此，滿(mǎn)足高精度水下重力輔助導(dǎo)航要求的百米級(jí)空間分辨率的全球海洋重力場(chǎng)基準(zhǔn)圖在國(guó)際上仍為空白。基于以上原因，本研究團(tuán)隊(duì)主要圍繞全球高精度和高分辨率海洋重力基準(zhǔn)圖反演和重力輔助導(dǎo)航算法優(yōu)化開(kāi)展研究。預(yù)期提出和突破基于新一代GNSS-R衛(wèi)星海面測(cè)高原理反演全球高精度和高空間分辨率的海洋重力場(chǎng)的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)，以及構(gòu)建高精度水下重力輔助導(dǎo)航優(yōu)化算法，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)自主、隱蔽、長(zhǎng)航時(shí)和高精度的全球水下導(dǎo)航提供理論基礎(chǔ)和方法支撐。

4.1 階段性研究成果

錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室天空海一體化導(dǎo)航與探測(cè)團(tuán)隊(duì)在“十三五”期間承擔(dān)了多項(xiàng)水下導(dǎo)航、探測(cè)和隱身等項(xiàng)目，取得了階段性研究成果。

1)在水下重力輔助導(dǎo)航方面，開(kāi)展了慣性導(dǎo)航、重力輔助等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)研究，綜合統(tǒng)計(jì)分析重力異常標(biāo)準(zhǔn)差、坡度標(biāo)準(zhǔn)差、粗糙度、重力異常差異熵、分形維數(shù)等重力場(chǎng)主要特征參數(shù)，聯(lián)合主成分分析準(zhǔn)則和加權(quán)平均原理，提出主成分加權(quán)平均歸一化法，并得出重力異?；鶞?zhǔn)圖各區(qū)域的總體特征參數(shù)指標(biāo)，在優(yōu)選適配性良好的區(qū)域進(jìn)行重力輔助導(dǎo)航[52]。聯(lián)合分層鄰域的快速搜索算法和最優(yōu)化閾值選取思路，在保證精度的前提下，提出了新型分層鄰域閾值搜索法，通過(guò)提高初始匹配點(diǎn)的選取標(biāo)準(zhǔn)，提高了算法的匹配效率[53]。

2)在GNSS-R衛(wèi)星海面測(cè)高方面，基于GNSS-R反射參考面的修正，開(kāi)展了提高鏡面反射點(diǎn)定位精度研究[54]。第一，提出了重力場(chǎng)反射參考面修正法，將反射參考面由橢球面修正到大地水準(zhǔn)面，減小了與實(shí)際海面的高程差異引起的鏡面反射點(diǎn)定位誤差，將定位精度提高了25.15 m；第二，提出了法向投影反射參考面修正法，將重力場(chǎng)反射參考面修正法確定的鏡面反射點(diǎn)由徑向反射參考面修正至法向，并且在解算反射路徑的空間幾何關(guān)系過(guò)程中，通過(guò)直接解算法向投影，減小了近似代換誤差，定位精度向法向進(jìn)一步提高了13.05 m；第三，基于重力場(chǎng)-法向投影反射參考面組合修正法，鏡面反射點(diǎn)定位精度最終提高了28.66 m。同時(shí)，為了進(jìn)行鏡面反射點(diǎn)定位和海面測(cè)高精度的實(shí)測(cè)驗(yàn)證，本研究團(tuán)隊(duì)已于2018年6月在東海和南海的不同區(qū)域和天氣條件下基于船載GNSS-R設(shè)備進(jìn)行了海面測(cè)高實(shí)驗(yàn)，獲取了1個(gè)月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)在水下探測(cè)和隱身方面，牽頭并聯(lián)合相關(guān)單位，提出深遠(yuǎn)海水下航行器智能隱身和隱蔽環(huán)境人工干預(yù)的機(jī)理與方法，通過(guò)提升水下航行器自身隱身和偽裝能力，使敵方無(wú)法探測(cè)到我方平臺(tái)的聲、光、電、磁等目標(biāo)特性信號(hào)，通過(guò)研究深遠(yuǎn)海物理、化學(xué)、生物等海洋環(huán)境人工干預(yù)方法，構(gòu)建人工隱蔽海洋環(huán)境，從而提高我方平臺(tái)的隱蔽性和作戰(zhàn)能力。

4.2 預(yù)期研究工作

錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室天空海一體化導(dǎo)航與探測(cè)團(tuán)隊(duì)在“十四五”期間預(yù)期開(kāi)展的研究如下：

1)在水下重力輔助導(dǎo)航方面，預(yù)期聯(lián)合航跡約束模型進(jìn)行多次先驗(yàn)遞推匹配和迭代最小二乘的思路，基于統(tǒng)計(jì)和擬合原理提出新型航跡約束遞推誤匹配修正法，通過(guò)迭代擬合由遞推所得到的一系列先驗(yàn)匹配點(diǎn)之間的函數(shù)關(guān)系，剔除先驗(yàn)誤匹配點(diǎn)，構(gòu)建誤匹配點(diǎn)判別修正模型，旨在同時(shí)提高水下重力輔助導(dǎo)航精度和可靠性；預(yù)期聯(lián)合幾何學(xué)中的球面最短距離法則和航天/航海學(xué)中的姿態(tài)控制原理，提出球面最短弧航向控制法，旨在提高航向控制精度。

2)在GNSS-R衛(wèi)星海面測(cè)高方面，預(yù)期提出實(shí)際海態(tài)鏡面反射點(diǎn)精確定位法，減小反射參考面與實(shí)際海面的差異引起的定位誤差，提高GNSS-R鏡面反射點(diǎn)的定位精度。第一，提出大地水準(zhǔn)面修正定位法，將反射參考面由橢球面修正至大地水準(zhǔn)面，減小反射參考面的靜態(tài)高程誤差和垂線(xiàn)偏差，提高定位精度；第二，在大地水準(zhǔn)面修正定位的基礎(chǔ)上，提出海洋潮汐修正定位法，將反射參考面由靜態(tài)的大地水準(zhǔn)面修正到時(shí)變的海洋潮汐面上，減小反射參考面的時(shí)變高程誤差，進(jìn)一步提高定位精度；第三，構(gòu)建實(shí)際海態(tài)鏡面反射點(diǎn)精確定位法，并逐步開(kāi)展船載、空基和天基GNSS-R測(cè)高實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證精度和反饋優(yōu)化?；谏鲜龇椒ǖ慕M合應(yīng)用，預(yù)期有效提高GNSS-R鏡面反射點(diǎn)定位精度，進(jìn)而提高GNSS-R測(cè)高精度，為高精度和高空間分辨率海面測(cè)高和海洋重力基準(zhǔn)圖構(gòu)建提供理論和方法支持[55-59]，進(jìn)而支撐高精度水下重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。

3)在水下地形輔助導(dǎo)航方面，預(yù)期以地形相似性為指標(biāo)，根據(jù)地形自適應(yīng)確定格網(wǎng)閾值的數(shù)字水深模型原理，提出相似性指標(biāo)閾值自適應(yīng)確定法，旨在提高海底地形基準(zhǔn)圖精度；結(jié)合理論模型可推廣性強(qiáng)和統(tǒng)計(jì)分析模型準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，構(gòu)建新型自適應(yīng)概率加權(quán)多準(zhǔn)則決策法優(yōu)選適配性強(qiáng)的地形區(qū)域等。

5 結(jié)論

本文圍繞天海一體化水下重力輔助導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)展了研究?；?1世紀(jì)水下航行器“隱蔽性、自主性、高精度、無(wú)源性和長(zhǎng)時(shí)間”的導(dǎo)航需求，水下信息傳輸?shù)木窒扌约安糠炙氯蝿?wù)的隱蔽性，導(dǎo)致水下航行器導(dǎo)航作戰(zhàn)能力相對(duì)較差。在進(jìn)行科考、打撈、救援等水下工作時(shí)，常常無(wú)法自身精確定位，且無(wú)法獲得與救援目標(biāo)之間的相對(duì)準(zhǔn)確位置。因而，以慣性導(dǎo)航為主要手段，結(jié)合重力輔助手段，同時(shí)可聯(lián)合地形輔助、地磁輔助、水聲輔助等多種手段實(shí)施組合導(dǎo)航已成為天海一體化水下導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，可以更好地確保水下航行器的安全性。