北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在水下無(wú)人航行器中的應(yīng)用方案研究

尹洪亮，羅 勇，郝 強(qiáng)，吳佐成

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是由我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該導(dǎo)航系統(tǒng)可以在覆蓋范圍內(nèi)為各類用戶提供精確、可靠性強(qiáng)的全球定位、授時(shí)和在線導(dǎo)航服務(wù)，還具備獨(dú)特的雙向短報(bào)文通信服務(wù)能力。經(jīng)過多年的研究探索和不斷發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全球定位和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)也得到了不斷完善，更加有力地推動(dòng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)氣象、電力和推進(jìn)城市智能化等行業(yè)的應(yīng)用。在海洋科考及軍事方面，無(wú)人航行器技術(shù)正在快速發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提高航行器的定位、授時(shí)、導(dǎo)航與控制等功能，本文主要闡述北斗在水下無(wú)人航行器的應(yīng)用情況。

自主式水下無(wú)人航行器( UUV )是一種能夠自主航行和執(zhí)行任務(wù)的半智能化系統(tǒng)，在自主決策方面大多采用人在回路的混合智能，系統(tǒng)組成模塊化，航行器在實(shí)際執(zhí)行任務(wù)時(shí)，針對(duì)不同任務(wù)需求，可對(duì)功能模塊進(jìn)行相適應(yīng)的優(yōu)化和組合。國(guó)內(nèi)外公開的UUV設(shè)計(jì)各不相同，主要包括有回轉(zhuǎn)體形、立扁型、扁平型、多體形及魚雷型等類型，其中以魚雷結(jié)構(gòu)外形的居多。水下無(wú)人航行器技術(shù)隨著能源、水聲、控制和導(dǎo)航等技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展，由此更進(jìn)一步推動(dòng)了其在海洋科考、資源開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用，在軍事領(lǐng)域也備受各國(guó)軍方重視。

具備運(yùn)動(dòng)行為的設(shè)備或裝備，首先要考慮的就是導(dǎo)航定位如何實(shí)現(xiàn)，水下無(wú)人航行器是多項(xiàng)技術(shù)的集成，導(dǎo)航定位技術(shù)仍然是關(guān)鍵技術(shù)之一。水下無(wú)人航行器主要的通信方式和手段是水聲通信，其多數(shù)的時(shí)間都是在水下，無(wú)法與水面船只等進(jìn)行無(wú)線電通信，一旦航行器漂浮到水面，就可通過衛(wèi)星進(jìn)行無(wú)線電通信。北斗能夠提供定位、通信和授時(shí)等服務(wù)[1]。一方面，無(wú)人航行器可以利用北斗進(jìn)行導(dǎo)航定位，獲取更加準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息；另一方面，利用北斗的短報(bào)文通信功能，拓展遠(yuǎn)程控制航行器的距離，同時(shí)大大降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，使得系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定可靠。

1 北斗導(dǎo)航定位功能UUV應(yīng)用方案

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，其在水下無(wú)人航行器的應(yīng)用主要分為兩大類:提供導(dǎo)航定位、通信遙控與數(shù)據(jù)傳輸。導(dǎo)航定位功能主要的應(yīng)用有:航行器組合導(dǎo)航、基于北斗的水下導(dǎo)航系統(tǒng)、UUV拖曳式北斗導(dǎo)航浮標(biāo)、UUV應(yīng)急拋載示位裝置等。通信功能(含定位功能)主要應(yīng)用有:基于北斗的無(wú)人航行器遙控、基于北斗水下無(wú)人航行器處理器參數(shù)調(diào)整等。

1.1 基于北斗的UUV組合導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于具有自主性，一般被作為水下無(wú)人航行器的主導(dǎo)航設(shè)備。但是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)僅可以在有限的時(shí)間內(nèi)為水下航行器提供相對(duì)精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間在水下的任務(wù)，純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法始終維持高精度的導(dǎo)航[2]。因此，水下無(wú)人航行器的導(dǎo)航系統(tǒng)一般還需要另外增加配備具有各種頻率及精度的輔助導(dǎo)航設(shè)備如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)等，進(jìn)行組合導(dǎo)航。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航能夠較精準(zhǔn)獲取航行器的位置、速度等信息，有效校準(zhǔn)慣導(dǎo)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行的導(dǎo)航定位誤差。航行器在水面(或淺水)工作狀態(tài)時(shí)接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，利用Kalman濾波等融合算法輔助航行器慣導(dǎo)系統(tǒng)。

1.2 基于北斗的水下導(dǎo)航系統(tǒng)

在水下定位技術(shù)方面，實(shí)際應(yīng)用中有長(zhǎng)基線、短基線、超短基線等技術(shù)，可以跟蹤定位水下目標(biāo)，但這些系統(tǒng)部署、校準(zhǔn)和維護(hù)難度較大，且系統(tǒng)靈活機(jī)動(dòng)性差、定位精度不理想，還未達(dá)到水下高精度定位的應(yīng)用需求。

基于北斗的水下導(dǎo)航系統(tǒng)主要是一種能夠集水聲通信、北斗衛(wèi)星通信、水聲定位技術(shù)于一身的新型產(chǎn)品。與傳統(tǒng)水下定位系統(tǒng)相比，它不僅具有布設(shè)便捷、定位迅速且精度高、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且能夠同時(shí)為多目標(biāo)提供水下定位服務(wù)?；诒倍返乃露ㄎ粚?dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是以北斗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，水面浮標(biāo)通過北斗精確定位，系統(tǒng)經(jīng)由浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)精確定位。該水下導(dǎo)航系統(tǒng)主要技術(shù)包括北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、浮標(biāo)水聲導(dǎo)航定位技術(shù)、高精度時(shí)鐘技術(shù)等。通過拖拽的操作模式，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)如水下無(wú)人航行器的導(dǎo)航定位。

基于北斗的水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括：北斗衛(wèi)星星座、北斗差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站(為北斗浮標(biāo)提供實(shí)時(shí)位置信息)、北斗浮標(biāo)、水聲導(dǎo)航接收器（水下目標(biāo)端）、數(shù)據(jù)采集控制中心(在其他載體的平臺(tái)或岸基)。

圖1 基于北斗的水下導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of underwater navigation system based on BDS

北斗浮標(biāo)作為水下導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組成部分，由浮體、北斗定位信號(hào)接收器、數(shù)字傳輸電臺(tái)、水聲定位信號(hào)發(fā)射器、浮標(biāo)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)和電源模塊等組成。北斗定位接收機(jī)搜星定位，數(shù)傳電臺(tái)獲取來(lái)自北斗差分基準(zhǔn)站的北斗雙頻差分定位信號(hào)，由此便可以對(duì)浮標(biāo)位置進(jìn)行精確的標(biāo)定[3]。多個(gè)浮標(biāo)共同構(gòu)成一個(gè)類似于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海面動(dòng)態(tài)大地測(cè)量定位基準(zhǔn)。水聲信號(hào)發(fā)射機(jī)向航行器發(fā)射水聲信號(hào)，如超短基、短基線等，實(shí)現(xiàn)對(duì)UUV的精確定位[4]。浮標(biāo)在水面漂浮時(shí)，姿態(tài)會(huì)受到風(fēng)浪等因素影響產(chǎn)生偏移，姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量浮標(biāo)的姿態(tài)變化，對(duì)浮標(biāo)的坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)校正。

水下無(wú)人航行器通過水聲導(dǎo)航接收機(jī)接收水聲信號(hào)，該水聲信號(hào)是北斗浮標(biāo)的水聲定位信號(hào)發(fā)射器在偽隨機(jī)碼上將導(dǎo)航電文調(diào)制后再與載波調(diào)制，最后經(jīng)由發(fā)射器發(fā)射。UUV接收并解調(diào)來(lái)自多個(gè)北斗浮標(biāo)的水聲信號(hào)獲取導(dǎo)航電文，測(cè)算出自身位置與各北斗浮標(biāo)所在位置之間的距離（類比衛(wèi)星導(dǎo)航定位工作原理，根據(jù)測(cè)距定位理論，需要接收4個(gè)以上的測(cè)距信息），從而實(shí)現(xiàn)水下無(wú)人航行器的定位導(dǎo)航和測(cè)速。

1.3 UUV拖曳式北斗導(dǎo)航浮標(biāo)輔助導(dǎo)航

在遠(yuǎn)航工作條件下，對(duì)水下無(wú)人航行器導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度提出更大的要求，水下無(wú)人航行器主導(dǎo)航一般為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后導(dǎo)航誤差會(huì)累積增加，為此可以采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行輔助導(dǎo)航，提高導(dǎo)航精度。

水下無(wú)人航行器采用拖曳式北斗導(dǎo)航浮標(biāo)，主要是為了利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)輔助航行器導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理如圖2所示，主要工作流程為：水下無(wú)人航行器配備一個(gè)北斗導(dǎo)航浮標(biāo)，在航行一定時(shí)間后需要對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，釋放出北斗導(dǎo)航浮標(biāo)，浮標(biāo)上浮至水面后自動(dòng)開啟搜星定位獲得精確的導(dǎo)航信息并向航行器傳輸，航行器控制處理模塊結(jié)合北斗浮標(biāo)導(dǎo)航信息、纜索姿態(tài)解算數(shù)據(jù)可以間接獲取航行器自身的精確位置信息。該種方式的優(yōu)勢(shì)之處在于它極大地減少了水下無(wú)人航行器上浮至水面進(jìn)行導(dǎo)航校準(zhǔn)的次數(shù)，便于隱蔽。

圖2 UUV拖曳式北斗導(dǎo)航浮標(biāo)系統(tǒng)Fig. 2 UUV towed Beidou navigation buoy system

1.4 水下無(wú)人航空器應(yīng)急拋載示位裝置

水下無(wú)人航行器技術(shù)迅猛發(fā)展，航行器應(yīng)用快速增長(zhǎng)，保障航行器安全的相關(guān)措施和技術(shù)逐漸被關(guān)注重視。航行器在出現(xiàn)應(yīng)急情況會(huì)進(jìn)行應(yīng)急拋載，若不能進(jìn)行快速定位，不利于航行器的搜尋與回收[5]。

UUV的應(yīng)急拋載示位設(shè)備，一般是給航行器另外加裝設(shè)備或裝置（需提前預(yù)留空間及軟硬件接口），包括浮體、配重、拋載夾持機(jī)構(gòu)（螺栓或箍筋等）。浮體安裝了北斗定位模塊、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、電池模塊、水深壓力傳感器和控制器，控制器能夠根據(jù)水深壓力傳感器的數(shù)值判斷是否執(zhí)行拋載動(dòng)作，浮體浮至水面自動(dòng)開啟北斗衛(wèi)星導(dǎo)航功能，并向外部提供位置信息。

應(yīng)急拋載示位具體工作流程為：1) 在航行器下水前，設(shè)置控制器啟動(dòng)拋載程序的水深壓力閾值；2) 水深壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量水深壓力值并將數(shù)據(jù)傳輸給控制器進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)水深壓力傳感器數(shù)值均大于設(shè)定的閾值，控制器啟動(dòng)拋載程序（一般為爆炸螺栓爆炸分離或箍筋解綁）；3) 浮體上浮，根據(jù)水深壓力傳感器的數(shù)值比對(duì)，判斷浮體已浮至水面；4) 啟動(dòng)北斗定位模塊，向外部提供浮體位置信息，方便用戶搜尋，提高搜索的成功率。

2 北斗通信功能（含導(dǎo)航定位功能）在UUV中的應(yīng)用方案

2.1 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的UUV遙控系統(tǒng)

基于北斗系統(tǒng)的UUV遙控系統(tǒng)是一個(gè)新的應(yīng)用趨勢(shì)。由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除導(dǎo)航定位功能外，還具有通信功能，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的UUV遙控系統(tǒng)能夠進(jìn)行控制指令和感知信息實(shí)時(shí)傳遞與協(xié)同。岸基或其他平臺(tái)隨時(shí)可迅速準(zhǔn)確地獲取航行器所在位置坐標(biāo)，又可以通過北斗衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸控制指令，接收航行器探測(cè)器得到的感知信息以及狀態(tài)信息，擴(kuò)展了UUV的工作半徑，同時(shí)也增強(qiáng)了控制端對(duì)UUV的遙控能力。

當(dāng)航行器在水面航行狀態(tài)時(shí)，通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信接收指揮控制中心發(fā)送的指令數(shù)據(jù)，航行器的遙控指令信息處理模塊按照指定協(xié)議要求對(duì)接收到的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取并輸出到航行控制模塊，航行控制模塊按照該指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)航行器的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制。遙控系統(tǒng)信息傳遞不只是從指揮控制中心到航行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還需要從航行器端將狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)反饋回指揮控制中心，主要流程為：航行控制模塊將UUV的狀態(tài)、探測(cè)外界信息等數(shù)據(jù)發(fā)送至狀態(tài)報(bào)告模塊，對(duì)這些數(shù)據(jù)按規(guī)定進(jìn)行加密等處理后經(jīng)由北斗傳輸回指揮控制中心，指揮控制中心對(duì)航行器反饋回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取航行器狀態(tài)信息，航行器的控制決策模塊根據(jù)這些航行器信息來(lái)分析航行器狀態(tài)，制定出下一步控制指令?；诒倍废到y(tǒng)的UUV遙控系統(tǒng)的控制過程如圖3所示。

2.2 基于北斗水下無(wú)人航行器處理器參數(shù)調(diào)整

水下無(wú)人航行器處理器的參數(shù)一般設(shè)置預(yù)為設(shè)值，在航行過程中會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。但是，目前為止的調(diào)整方法是，在回收無(wú)人航行器后，連接航行器處理器進(jìn)行參數(shù)變更。由于參數(shù)的調(diào)整無(wú)法通過一次試驗(yàn)就能確定，需要多次反復(fù)試驗(yàn)，所以該參數(shù)調(diào)整方法需要頻繁進(jìn)行布放和回收操作。這個(gè)方法效率低下，而且尤為重要的是，難以避免因布放回收次數(shù)的增多而增加事故發(fā)生率。

水下無(wú)人航行器安裝有多種通信設(shè)備，各通信設(shè)備的作用距離和作用介質(zhì)不一樣，一般無(wú)線通信裝置和北斗衛(wèi)星通信裝置航行器在水面或極淺水中狀態(tài)才會(huì)被啟用，水聲通信設(shè)備一般在水中使用，這幾種設(shè)備與UUV的處理器通過總線連接，地面控制終端同樣連接幾種設(shè)備的地面終端。航行器參數(shù)調(diào)整的流程為：1) 水下無(wú)人航行器的信息傳輸?shù)娇刂贫嗽O(shè)備；2)技術(shù)人員獲取航行器信息并經(jīng)過分析，確定參數(shù)調(diào)整內(nèi)容，形成指令，通過上述幾種通信裝置（系統(tǒng)有信息冗余處理機(jī)制）將信號(hào)發(fā)送給UUV；3) 航行器接收到信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行解調(diào)及解密，確認(rèn)獲取的參數(shù)調(diào)整符合規(guī)定的協(xié)議后，反饋數(shù)據(jù)接收完成的信息；4) 航行器根據(jù)收到的參數(shù)調(diào)整內(nèi)容修改相關(guān)參數(shù)。

基于北斗衛(wèi)星通信的UUV處理器參數(shù)調(diào)整，增加了衛(wèi)星通信的方法，與無(wú)線通信和水聲通信形成功能互補(bǔ)，拓展了航行器水面航行時(shí)在視距范圍和超遠(yuǎn)距離的參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)置措施，明顯提高參數(shù)設(shè)置成功率。

3 結(jié) 語(yǔ)

水下無(wú)人航行器作為新興技術(shù)，在海洋資源探測(cè)、科考等方面發(fā)揮重要作用，在無(wú)人軍事裝備領(lǐng)域更是有著方便、隱蔽等特點(diǎn)，能夠替代有人艇進(jìn)行偵察、攻擊等任務(wù)。這些重要應(yīng)用使得水下無(wú)人航行器導(dǎo)航定位功能和安全保障措施均應(yīng)當(dāng)采用我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)服務(wù)：一方面，北斗有區(qū)別于現(xiàn)有其他三大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)特短報(bào)文通信功能，能夠增加控制航行器的手段；另一方面，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)導(dǎo)航定位服務(wù)受美國(guó)控制，有必要使用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行替代，提高自主可控性。

本文梳理了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在UUV的幾種重要應(yīng)用，如主要應(yīng)用北斗導(dǎo)航定位功能的組合導(dǎo)航、基于北斗的水下導(dǎo)航、拖曳式北斗導(dǎo)航浮標(biāo)等，以及同時(shí)應(yīng)用北斗導(dǎo)航定位和通信功能的UUV遙控系統(tǒng)、基于北斗的無(wú)人航行器處理器參數(shù)調(diào)整等，為水下無(wú)人航行器的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行“北斗化”提供了發(fā)展思路。