AUV 導(dǎo)航技術(shù)概述

梁益豐，許江寧，吳 苗，陳奎函

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

占全球71%面積的海洋是生物資源、能源、水資源和金屬資源的戰(zhàn)略性開發(fā)基地，對于人類的發(fā)展和社會的進步起至關(guān)重要的作用。由于具備全面的水中作業(yè)能力，水下航行器已成為應(yīng)用范圍最廣的海洋探測設(shè)備之一。例如，美國和英國海軍裝備的REMUS100小型航行器主要用于近海掃雷；美國海軍正在研制的BPAUV將被應(yīng)用于水下導(dǎo)航；澳大利亞國防科學(xué)與技術(shù)組織研制的“瓦亞巴”型航行器可以實現(xiàn)精度為10～15 m的水中定位；中科院沈陽自動化研究所與俄羅斯科學(xué)家合作研制的CR-01型航行器功能多樣并且成功完成了太平洋海域的深海探測任務(wù)，同時標(biāo)志著我國對深海探測器的技術(shù)研究已趨成熟[1]。

常用水下航行器按照操控方式分為有纜遙控水下機器人ROV和自主水下機器人AUV。其中ROV受線纜限制，自主性和活動范圍難以滿足日益復(fù)雜化的水下工作需要。AUV是新一代水下機器人，自治能力強且具備良好的水下作業(yè)能力，已被應(yīng)用于深海探測、水中通信、地形地貌勘探等場景，發(fā)展前景十分廣闊。在不斷深入的探索當(dāng)中，科研人員將AUV的關(guān)鍵技術(shù)大致歸納為動力、智能控制、導(dǎo)航與通信、推進、能源和觀測六大部分，其中導(dǎo)航定位是載體順利達到目的地的技術(shù)保障。AUV是否能夠自主地完成任務(wù)、能否順利回收，都取決于導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和精確度，所以國內(nèi)外均將導(dǎo)航技術(shù)作為AUV最關(guān)鍵的技術(shù)之一[2]。水介質(zhì)的特性決定了AUV導(dǎo)航信息源少、隱蔽性要求高，與空中導(dǎo)航大不相同，因此有必要對現(xiàn)有技術(shù)進行較為全面的闡述，為相關(guān)研究提供參考。

1 AUV對導(dǎo)航功能的需求

AUV的工作環(huán)境水體據(jù)止，直接導(dǎo)致當(dāng)前最常用的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS難以應(yīng)用，也決定了AUV對導(dǎo)航自主性和可靠性的需求最為迫切?？紤]到AUV的水下導(dǎo)航裝置有多種，且成熟的AUV產(chǎn)品都有穩(wěn)定、可靠的導(dǎo)航能力，其配置具有較強的參考價值，列舉幾種典型AUV的導(dǎo)航配置如表1所示。

表1 典型AUV型號及其導(dǎo)航配置Tab. 1 Typical AUV model and navigation configuration

參照不同配置對應(yīng)的技術(shù)手段特點，從中提取出以下主要信息：

1）具有高自主性和強隱蔽性的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS和多普勒測速儀DVL與AUV的工作需求最為契合，是必不可少的水下導(dǎo)航方法；

2）衛(wèi)星信號能夠在水面表層提供穩(wěn)定的導(dǎo)航信息，聲學(xué)信號在海水中傳播衰減很小，對應(yīng)的GPS接收機和水聲定位系統(tǒng)可以作為AUV在特定區(qū)域的備份手段；

3）地形輔助等地球物理場導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)可以投入實用，但一般不作為獨立配置。

AUV產(chǎn)品都擁有多種功能各異的導(dǎo)航配置，其根

本原因是單一手段無法在兼顧可用性與可靠性的同時保證高精度：慣性導(dǎo)航存在誤差隨時間積累的原理性缺陷、需要定期校正；DVL只能提供單一的速度信息，精度受水流速影響；衛(wèi)星信號因電磁波的快速衰減無法傳播至AUV工作深度；聲音傳播特性決定了水聲定位技術(shù)范圍有限等?？梢夾UV難以憑借單一的導(dǎo)航方式完成任務(wù)，詳細分析不同方式的應(yīng)用場景、實現(xiàn)適配技術(shù)之間的優(yōu)勢互補，才可能完成高質(zhì)量的導(dǎo)航定位。

2 水下導(dǎo)航技術(shù)

水下導(dǎo)航技術(shù)和導(dǎo)航信息參數(shù)的種類繁多，在此主要考慮水介質(zhì)傳輸能力、水下工作環(huán)境2個主要因素，以現(xiàn)有方法的自主性和持續(xù)性作為重點指標(biāo)，依次對慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、無源輔助導(dǎo)航等技術(shù)展開論述。

2.1 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用加速計測量載體的加速度信息，對加速度進行一次積分獲得載體的速度信息，對加速度進行二次積分獲得載體的位置信息，從而實現(xiàn)導(dǎo)航定位[3]。它不依賴任何外界信息，也不向外界輻射能量，具有短時精度高、實時性好以及輸出參數(shù)全面等特點。早期的慣導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)雜體積大不適合潛水器使用，隨著光纖陀螺、激光陀螺、原子陀螺等新陀螺技術(shù)的發(fā)展，兼具小體積和高精度的新型慣導(dǎo)系統(tǒng)逐漸投入使用，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航SINS作為其中的代表逐漸成為主流發(fā)展方向?；谂ｎD第二定律進行積分推算的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，由于初始姿態(tài)誤差及IMU器件誤差的存在，解算時不可避免存在振蕩型、常值型誤差，且定位誤差隨時間不斷積累，因此系統(tǒng)的長期導(dǎo)航定位精度難以保證。

陀螺儀技術(shù)一直是制約SINS精度的主要原因之一，專業(yè)人員為此開展了大量工作。近年來精度很高的光學(xué)陀螺與半球諧振陀螺儀技術(shù)取得進展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度有望得到一定提升。利用半球諧振子唇緣駐波進動效應(yīng)感測基座旋轉(zhuǎn)的半球諧振陀螺儀，主要由敏感器件和緩沖電路、控制電路等部分組成，其總體構(gòu)成框圖如圖1所示。采用熔石英玻璃加工的半球諧振子品質(zhì)因數(shù)可以達到107量級，所以半球諧振陀螺敏感器件具有超強的穩(wěn)定性，目前SAGEM等公司生產(chǎn)的半球諧振陀螺儀隨機漂移約為。尚處于開發(fā)中的原子陀螺理論精度高達，它將主要為大型潛艇服務(wù)；MEMS陀螺體積小、成本低，可應(yīng)用于持續(xù)工作時間短的小型AUV。此外，廣大學(xué)者致力于研究慣導(dǎo)啟動初始對準(zhǔn)、工作過程誤差抑制，改進了以濾波技術(shù)為主的相關(guān)算法，對SINS性能提升有一定幫助。可以預(yù)見的是，由于在水下環(huán)境優(yōu)點明顯，SINS在很長一段時間內(nèi)仍將是AUV導(dǎo)航的核心手段。

圖1 半球諧振陀螺總體構(gòu)成框圖Fig. 1 Overall block diagram of hemispheric resonant gyroscope

2.2 聲學(xué)導(dǎo)航

聲學(xué)信號在海水中傳播衰減很小，是水下最有效的信息傳播載體，因此可用于水下通信及導(dǎo)航定位。水聲定位系統(tǒng)有多個基元，互相之間的連線稱為基線。水下有界誤差導(dǎo)航定位通常借助外部傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)，如水聲定位系統(tǒng)一般可按照基線的長度分為長基LBL、短基線SBL和超短基線USBL定位系統(tǒng)3種，采用在海底安裝能發(fā)射聲信號標(biāo)志的信標(biāo)、應(yīng)答器、相應(yīng)器或者是多個應(yīng)答器陣列，將其作為水下參考點來確定水面船體及水下航行器的相對位置，工作原理與衛(wèi)星導(dǎo)航相似[4]。表2列出了LBL，USBL與GPS定位性能參數(shù)[5]。

表2 地理導(dǎo)航定位傳感器Tab. 2 The geographic navigation and positioning sensor

可見聲學(xué)導(dǎo)航的定位精度較高，它主要存在的是數(shù)據(jù)更新率低、基線需要浮標(biāo)配合等缺陷，即開始工作前要在海底布設(shè)基陣，任務(wù)完成中需要校準(zhǔn)及回收，所以該技術(shù)通常適用于長期在某一個區(qū)域工作的AUV，而難以滿足對隱蔽性要求較高或工作區(qū)域靈活的AUV。目前水下單信標(biāo)ASB對基陣的依賴性較小，作為水下距離輔助導(dǎo)航定位的最小實現(xiàn)單元，它通過對來自單個地理參考信標(biāo)的距離測量來提供絕對位置參考，制造成本低、布設(shè)靈活方便、局部海域定位精度較高，因此基于ASB的水下距離輔助導(dǎo)航定位逐漸受到業(yè)界重點關(guān)注[6–8]。

2.3 無源輔助導(dǎo)航

無源輔助導(dǎo)航一般指利用地球物理場作為導(dǎo)航輔助手段的一種方法，當(dāng)前真正投入應(yīng)用的主要是地磁輔助導(dǎo)航和重力場輔助導(dǎo)航2種。這種技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)在于精確的基準(zhǔn)圖，由于具有不向外輻射能量、隱蔽性好等優(yōu)點，且可以全天候、不受環(huán)境限制地供給潛艇導(dǎo)航信息而備受關(guān)注。目前AUV對導(dǎo)航精度要求逐漸提高，地磁輔助的穩(wěn)定性和水下導(dǎo)航環(huán)境中的抗干擾能力有待加強。重力輔助方面，國外衛(wèi)星、船載、機載重力梯度儀的測量精度已經(jīng)基本能夠達到水下工作的技術(shù)要求，為重力梯度輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前我國有些單位已經(jīng)能夠獨立或合作生產(chǎn)重力儀工程樣機，但尚未成功研制重力梯度儀。接下來應(yīng)當(dāng)在深入研究重力異常輔助導(dǎo)航系統(tǒng)和研制高精度重力梯度儀的基礎(chǔ)上，著力推進重力梯度輔助導(dǎo)航的研究工作，最后研究多種無源方式信息融合的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 海洋/航空重力儀陀螺穩(wěn)定平臺Fig. 2 Ocean/Airborne gravimeter gyro stabilization platform

3 AUV導(dǎo)航系統(tǒng)類型

AUV導(dǎo)航方式的選取根據(jù)任務(wù)需求確定，以多種方法輔助慣性導(dǎo)航形成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠彌補單一手段缺陷，通過編隊模式運行的協(xié)同導(dǎo)航模式可以實現(xiàn)重要信息共享，是研究的重點內(nèi)容。

3.1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

組合導(dǎo)航是以計算機為中心把不同的導(dǎo)航信息進行綜合優(yōu)化后輸出有效數(shù)據(jù)的一種方法。其重點在于將不同的導(dǎo)航設(shè)備與方法進行綜合，實用性得到較大提升，因而被廣泛應(yīng)用。組合導(dǎo)航的方式多種多樣，以SINS為核心的組合方式由于自主性和持續(xù)性好，通常能取得良好的效果。例如，李萬里[9]提出DVL輔助SINS非線性對準(zhǔn)觀測模型，并利用UKF進行DVL輔助SINS動基座精對準(zhǔn)?；趫D像匹配理論的迭代最近等值點ICCP方法成功應(yīng)用于磁力/重力匹配輔助SINS導(dǎo)航[10]，均取得了良好效果。

3.1.1 SINS/DVL組合系統(tǒng)

DVL可以穩(wěn)定提供速度信息，將其與SINS系統(tǒng)耦合起來，利用卡爾曼濾波等技術(shù)對位置、速度等導(dǎo)航參數(shù)進行綜合處理，并通過輸出的參數(shù)誤差估計值直接校正系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航參數(shù)，可以達到提高慣性導(dǎo)航精度的目的。這種系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、高自主性等優(yōu)點，可分為松耦合和緊耦合2種方式[11]。松耦合通過DVL提供的載體速度測量信息與SINS給出的位置、速度等導(dǎo)航參數(shù)做融合處理，緊耦合方式則是將DVL原始數(shù)據(jù)與SINS的參數(shù)做融合處理[12]。多數(shù)商用DVL都只提供載體速度信息，并不給出原始數(shù)據(jù)，因此AUV的SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)通常屬于松耦合。這種組合方式操作比較簡便，隱蔽性和精度也能滿足短時間需求。但是單一的SINS/DVL系統(tǒng)誤差方程中的位置參數(shù)不可觀，會導(dǎo)致系統(tǒng)的定位精度緩慢發(fā)散，同時初始對準(zhǔn)存在一定困難。

圖3 典型SINS/DVL組合導(dǎo)航原理框圖Fig. 3 Typical SINS/DVL integrated navigation schematic block diagram

3.1.2 SINS/ASB組合系統(tǒng)

聲學(xué)導(dǎo)航目前對于AUV的工作區(qū)域有一定要求，需要沿海地區(qū)持續(xù)推進基線鋪設(shè)工作。目前對基線依賴性相對較小的SINS/ASB組合系統(tǒng)，通過單信標(biāo)信息對慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作誤差進行修正，從而提高導(dǎo)航精度，具有多目標(biāo)、雙向定位的技術(shù)特點，圖4為該方案的工作原理和流程示意。在實施過程中，只需要水下航行器裝備一個水聲測距設(shè)備，就能利用事先投放且位置已知的單個或多個ASB，獲取所需的距離位置信息，然后通過信息融合算法實現(xiàn)高精度導(dǎo)航。這種方法充分發(fā)揮了慣性導(dǎo)航、水聲導(dǎo)航的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)可靠性高、隱蔽性良好，已被美國等多個國家和科研機構(gòu)重點研究開發(fā)[13]。

圖4 SINS/ASB組合導(dǎo)航原理示意圖Fig. 4 The schematic diagram of SINS/ASB integrated navigation

圖中還表明了SINS/ASB組合系統(tǒng)的作用范圍限制，即ASB作用半徑范圍外，AUV只能依靠SINS進行導(dǎo)航。為了抑制SINS位置誤差的持續(xù)發(fā)散可設(shè)計以下組合導(dǎo)航方案：當(dāng)AUV進入ASB的作用區(qū)域時，采用SINS/DVL/ASB組合導(dǎo)航模式，此時SINS的導(dǎo)航定位誤差保持穩(wěn)定；當(dāng)離開ASB的作用區(qū)域時，采用SINS/DVL組合導(dǎo)航模式，此時AUV在DVL速度輔助的條件下導(dǎo)航定位誤差緩慢發(fā)散，在即將達到誤差上限時，使得AUV能夠再次進入ASB作用區(qū)域。這種方法需要對以卡爾曼濾波為主的濾波技術(shù)有深入理解，可以為多信息源組合方式提供借鑒。

3.1.3 SINS/重力梯度匹配組合系統(tǒng)

以重力信息輔助慣性導(dǎo)航形成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過重力測量傳感器獲取重力梯度、重力異常和垂線偏差等實測數(shù)據(jù)時，不需要接近水面且不向外輻射能量，是一種真正意義上的無源導(dǎo)航方式。重力梯度與重力異常相比，在獨立分量的數(shù)目上具有明顯優(yōu)勢，能為導(dǎo)航系統(tǒng)提供更加全面可靠的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；對于地表地形來說，重力梯度比重力異常更加敏感，因此重力梯度輔助導(dǎo)航系統(tǒng)能夠達到更高精度的定位水平。這種組合方式要求事先制作好重力基準(zhǔn)圖并存儲于導(dǎo)航系統(tǒng)中，通過水下航行器自身的重力測量系統(tǒng)測量當(dāng)?shù)刂亓?shù)據(jù)，并將實測數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)圖進行比較，然后由濾波技術(shù)實時估計載體的定位信息來輔助慣性導(dǎo)航，從而提高慣性導(dǎo)航精度，具有定位精度高、自主性強、隱蔽性好、全天候等優(yōu)點[14–16]。相似的技術(shù)有地磁、地震波、地形輔助等，互相之間存在信息融合的可能性，例如慣性/重力/地磁水下自主匹配定位導(dǎo)航系統(tǒng)的理論研究已經(jīng)展開，但是它們都需要完善的數(shù)據(jù)庫支撐，短期內(nèi)難以實現(xiàn)全海域?qū)Ш絒17]。

3.2 協(xié)同導(dǎo)航模式

隨著探究海洋的任務(wù)日漸多樣化，單體AUV難以支持大范圍海洋環(huán)境調(diào)查、海底地質(zhì)勘探、水下目標(biāo)搜索等任務(wù)，因此多AUV協(xié)同工作模式應(yīng)運而生。協(xié)同導(dǎo)航主要分為并行和主從2種方式，能夠有效擴大AUV的工作區(qū)域、減少導(dǎo)航過程對基陣的依賴，有助于高效率地完成一些復(fù)雜的任務(wù)。

3.2.1 并行式協(xié)同導(dǎo)航

并行式由多個配置相同的AUV組成，是一種雙向通信方式[18]，每個AUV通過自身配備的導(dǎo)航系統(tǒng)進行自身的導(dǎo)航定位，利用Kalman濾波器等設(shè)備與其他AUV進行信號傳輸和共享，有助于信息交流。但是，只有為每個AUV都配備高精度導(dǎo)航系統(tǒng)才能提高系統(tǒng)精度，將大幅增加制作成本，且多臺設(shè)備協(xié)同工作時，除保持單體的高精度外，還需要探測其他AUV的位置信息以及互相之間的相對位置。此外，利用水聲通信進行彼此之間的交流時，帶寬的限制將對系統(tǒng)性能有明顯影響，因此并行式只適用于AUV數(shù)量較少的情況，并不能作為一種通用的工作方式[19]。

圖5 并行式圖示Fig. 5 Parallel schematic diagram

3.2.2 主從式協(xié)同導(dǎo)航

主從式協(xié)同模式分工明確，如圖6所示。只需要在部分主水下航行器安裝高精度導(dǎo)航設(shè)備，對從水下航行器中配備低精度元器件即可，成本能夠得到控制[20]。主從式工作原理是配備高精度導(dǎo)航設(shè)備的主水下航行器作為領(lǐng)航者為從水下航行器提供精確位置信息，從水下航行器通過主水下航行器提供的位置信息，修正自身位置信息，從而實現(xiàn)自身的導(dǎo)航定位。根據(jù)領(lǐng)航者數(shù)目的不同，多水下航行器協(xié)同導(dǎo)航定位可分為單領(lǐng)航者協(xié)同導(dǎo)航定位和多領(lǐng)航者協(xié)同導(dǎo)航定位[19]。由于協(xié)同模式是一種相對觀測的信息融合算法，編隊形式影響系統(tǒng)可觀測性進而直接決定系統(tǒng)精度，所以AUV的編隊規(guī)模、間距是其中的關(guān)鍵因素，楊峻巍[3]設(shè)計的一種領(lǐng)航艇Z字型機動方式可以有效改進單領(lǐng)航者協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性，從而房新鵬提高系統(tǒng)定位精度；對多領(lǐng)航者協(xié)同導(dǎo)航模式進行深入研究，得出了2個領(lǐng)航AUV與從AUV保持90°分離角相對運動的最優(yōu)隊形。目前關(guān)于協(xié)同導(dǎo)航編隊的研究仍然是熱點方向之一。

圖6 主從式圖示Fig. 6 Master-slave diagram

主從式協(xié)同方法不僅大大提高了導(dǎo)航定位的精度，還節(jié)省了設(shè)備成本，因此成為多水下航行器導(dǎo)航定位重點的研究方向。但是由于在導(dǎo)航定位過程中，水下航行器需通過水聲裝置進行位置信息的傳輸以及相對距離、方位信息的測定，對水聲通信要求高，所以水聲裝置的性能優(yōu)劣將在一定程度上決定協(xié)同導(dǎo)航的定位精度。如何彌補水聲通信的缺陷，是提高導(dǎo)航精度過程中需要重點解決的問題[18]。

4 結(jié) 語

導(dǎo)航技術(shù)影響著水下載體作業(yè)的范圍和質(zhì)量，是AUV技術(shù)的重點和難點，深入分析和研究其發(fā)展現(xiàn)狀具有重要的理論意義和實際工程意義。本文介紹水下重點導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用場景，結(jié)合水下環(huán)境的特殊性，對AUV應(yīng)用的典型組合導(dǎo)航方案、協(xié)同工作模式進行了詳細論述，為AUV導(dǎo)航的下一步研究給出以下建議：

1）發(fā)展硬件、改善算法，提升SINS功能。依托半球諧振陀螺等器件的優(yōu)異性能提高SINS的精度，深入研究初始對準(zhǔn)和誤差抑制技術(shù)，提高濾波估計的魯棒性；

2）完善數(shù)據(jù)庫，發(fā)展水下信息融合技術(shù)。豐富重力梯度、地形匹配、地磁匹配等手段所需的信息數(shù)據(jù)庫，為組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供更多信息源；

3）重視多AUV協(xié)同模式，優(yōu)化編隊方案。以遠程導(dǎo)航能力、信息交互水平為主要指標(biāo)，在確保水聲通信可靠性的前提下，根據(jù)AUV的具體工作任務(wù)設(shè)計最優(yōu)編隊方案，并總結(jié)相似工作環(huán)境下的通用解。