水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)展望

李 璇，解 禹

（1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3.中國(guó)北方工業(yè)有限公司，北京 101416）

1 引 言

1966年，星際迷航第一部（Star Trek: The Original Series）上映。這個(gè)系列電影作為科幻電影史上的巨作，影響了幾代人，也促成了許多重要發(fā)明?？梢哉f(shuō)，作者亞瑟·C·克拉克在里面提到的有關(guān)衛(wèi)星的內(nèi)容促進(jìn)了導(dǎo)航通信系統(tǒng)的發(fā)展。“定位一下我的位置，斯科特”，電影里，進(jìn)取號(hào)運(yùn)輸器能夠在幾千英里之外精確定位每位機(jī)組成員。解決“我在哪里”是“我從哪里來(lái)”“我到哪里去”的基礎(chǔ)，這不僅僅是個(gè)技術(shù)問(wèn)題，也是個(gè)哲學(xué)問(wèn)題。而今，科幻已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。GPS（Global Positioning System）、GLONASS、伽利略和北斗系統(tǒng)正是解決這一問(wèn)題的有效手段。以GPS 為代表的定位導(dǎo)航系統(tǒng)使得各類(lèi)涉及到定位的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，包括無(wú)人駕駛、精密制導(dǎo)、自主供給鏈管理等。

在GPS 導(dǎo)航技術(shù)發(fā)明前，TRANSIT 導(dǎo)航就已經(jīng)在為全美戰(zhàn)艦提供導(dǎo)航服務(wù)。1958年，DARPA 啟動(dòng)了GPS 的前身——TRANSIT 衛(wèi)星項(xiàng)目[1]。根據(jù)多普勒效應(yīng)，TRANSIT 利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航，于1959～1960年首次組建了一個(gè)試驗(yàn)性雙星導(dǎo)航系統(tǒng)。從1967～1990年，TRANSIT 導(dǎo)航衛(wèi)星為數(shù)以千計(jì)的戰(zhàn)艦提供了導(dǎo)航服務(wù)。直到1996年，TRANSIT 導(dǎo)航衛(wèi)星才被GPS 所取代，徹底終止服務(wù)。

1973年，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始了GPS 計(jì)劃，1995年徹底走向?qū)嵱?。起初，GPS 具有濃厚的軍事應(yīng)用背景，各類(lèi)導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)是其最重要的用途。20世紀(jì)80年代，GPS 開(kāi)始進(jìn)入民用領(lǐng)域，從各種戰(zhàn)機(jī)、軍艦、戰(zhàn)車(chē)到民用汽車(chē)、手機(jī)。今天，我們拿起手機(jī)就可以定位自己，可以滴滴叫車(chē)，可以定外賣(mài)；大疆已經(jīng)沖上云霄；特斯拉的無(wú)人車(chē)召喚、自動(dòng)駕駛和泊車(chē)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到卡車(chē)上；Amazon和Google正在計(jì)劃差遣無(wú)人機(jī)來(lái)派送快遞。

然而在水下，定位導(dǎo)航長(zhǎng)期以來(lái)一直是一個(gè)盲區(qū)。直到近10年，各國(guó)才嘗試系統(tǒng)性地去解決水下導(dǎo)航定位問(wèn)題。本文將梳理水下導(dǎo)航定位的發(fā)展，并分析其存在的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 GPS 及其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)

GPS 可以看作是獲取定位、導(dǎo)航、授時(shí)信息（PNT）的一個(gè)手段?；仡橤PS 的基本概念，整個(gè)GPS 系統(tǒng)包括衛(wèi)星、地面站、用戶(hù)信號(hào)接收機(jī)3 部分。在距地表20～200 km 的上空，24 顆（后擴(kuò)展至32 顆）GPS 衛(wèi)星均勻分布在6 個(gè)軌道面上（每個(gè)軌道面4 顆），以約12 h 的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在全球任何地方、任意時(shí)刻都可以同時(shí)觀測(cè)到4 顆以上的衛(wèi)星，通過(guò)解算4 個(gè)方程組獲得4 個(gè)未知數(shù)：三維坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差信息。GPS 衛(wèi)星示意圖如圖1所示。

圖1 GPS 衛(wèi)星示意圖Fig.1 GPS satellite

然而，GPS 有其局限性。GPS 信號(hào)可能會(huì)遭到敵人的干擾；在極端天氣、太陽(yáng)黑子的情況下，GPS 信號(hào)會(huì)明顯變?nèi)?，甚至完全不能使用；在地下和水中，也都無(wú)法接收到GPS 信號(hào)。在GPS受限或者拒止的情況下，如何進(jìn)行PNT 也是各國(guó)的研究重點(diǎn)。低軌衛(wèi)星拓展了GPS 在近太空的應(yīng)用。SpaceX 的StarLink 的初衷是利用大量的低軌衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)提供天基網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，目前已發(fā)射了1785 顆星鏈衛(wèi)星[2]（截至2021年10月）。除了通信服務(wù)，低軌衛(wèi)星還可以用于定位導(dǎo)航，一方面可進(jìn)一步反哺地面定位提升精度，另一方面可為GPS 信號(hào)較弱的地區(qū)（例如高緯度等地區(qū)）提供定位導(dǎo)航。DARPA 目前也開(kāi)展了多項(xiàng)PNT 相關(guān)項(xiàng)目。從具體單項(xiàng)技術(shù)的層面上，有微技術(shù) PNT 系統(tǒng)、量子輔助傳感和讀出系統(tǒng)（QuASAR）、精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（PINS）、超高速激光科學(xué)和工程應(yīng)用系統(tǒng)、高穩(wěn)原子鐘（ACES）等；從整個(gè)系統(tǒng)或者針對(duì)某種特殊環(huán)境下的層面上，有自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)、全源定位和導(dǎo)航（ASPN）系統(tǒng)、對(duì)抗環(huán)境下的空間、時(shí)間和定位信息（STOIC）、深海導(dǎo)航系統(tǒng)POSYDON等。其中，POSYDON 是DARPA 于2016年4月啟動(dòng)的針對(duì)水下開(kāi)展的深海導(dǎo)航定位系統(tǒng)項(xiàng)目。針對(duì)潛艇以及其他一些軍事用途的水下無(wú)人航行器（UUV），隱蔽導(dǎo)航一直是亟待解決的問(wèn)題。POSYDON 旨在研究一種革新型水下PNT 系統(tǒng)，提高美國(guó)海軍在整個(gè)大洋中的精確定位導(dǎo)航授時(shí)能力。潛艇等水下平臺(tái)將利用多個(gè)水下聲源節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航，而無(wú)須再定期浮出水面獲取GPS信號(hào)，降低了自身平臺(tái)暴露風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，可減少一些受干擾的風(fēng)險(xiǎn)。美海軍計(jì)劃在 Bluefin-21 UUV 上配備該系統(tǒng)。POSYDON 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)包括英國(guó)軍工巨頭BAE Systems 公司、雷神BBN公司、華盛頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。據(jù)悉，目前該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的技術(shù)已移交海軍海上監(jiān)視系統(tǒng)項(xiàng)目辦公室。

POSYDON 需要解決的是全套方案，包括衛(wèi)星、基站、接收解調(diào)器等。BAE 稱(chēng)：“POSYDON綜合運(yùn)用水下聲波信號(hào)、水面浮標(biāo)、水下信標(biāo)或節(jié)點(diǎn)、GPS 信號(hào)，能夠快速地確定水下執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人系統(tǒng)的位置坐標(biāo)，并將數(shù)據(jù)傳輸回水面艦艇或潛艇的指揮控制系統(tǒng)?！比鐖D2所示，POSYDON 的浮標(biāo)部分出水面，可獲得GPS 信息。同時(shí)，通過(guò)聲波或其他手段發(fā)送信號(hào)至潛標(biāo)等，這相當(dāng)于衛(wèi)星；潛標(biāo)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于地面接收站，接收到浮標(biāo)的PNT 信息，并結(jié)合自身位置信息解算，發(fā)送信號(hào)至水下航行器；水下航行器攜帶接收模塊，相當(dāng)于車(chē)載或者手機(jī)上的接收機(jī)，進(jìn)一步解算得到自身的PNT 信息。DARPA 戰(zhàn)略技術(shù)辦公室項(xiàng)目經(jīng)理Lin Haas 表示，考慮到水下聲速是變化的，傳播并非直線，因此相應(yīng)開(kāi)發(fā)了適用于水下聲學(xué)的模型。第一階段是傳播信道研究，第二階段是波形設(shè)計(jì)，第三階段建立完整的原型定位系統(tǒng)。計(jì)劃采用極低頻的波形，利用三角法，GPS 信號(hào)從衛(wèi)星傳至水面節(jié)點(diǎn)，然后利用聲波連接和定位水下節(jié)點(diǎn)（例如UUV 或者潛艇）。

圖2 POSYDON 示意圖[3]Fig.2 POSYDON diagram[3]

繼POSYDON 之后，DARPA 在2019年發(fā)布了即時(shí)海上交戰(zhàn)信息項(xiàng)目（TIMEly）的需求，將以POSYDON 為基礎(chǔ)，集成跨域作戰(zhàn)的水下要素，提供自適應(yīng)、異構(gòu)化、可調(diào)整的通信，包括水下通信，以及載人和無(wú)人潛艇、水面艦艇、飛機(jī)和衛(wèi)星之間的通信。該項(xiàng)目在 2022年將開(kāi)展TIMEly 節(jié)點(diǎn)原型樣機(jī)的研制。此外，如表1所示，DARPA 近年來(lái)還有以下幾個(gè)與水下導(dǎo)航相關(guān)的項(xiàng)目。

表1 DARPA 近年的水下導(dǎo)航相關(guān)項(xiàng)目Table 1 Programs about underwater navigation of DARPA

除美國(guó)之外， 俄羅斯正在建造水下“GLONASS”系統(tǒng)。2016年，圣彼得堡海洋設(shè)備公司開(kāi)始研制水下導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，預(yù)期能夠在北極冰蓋下工作，綜合運(yùn)用超短波通信和水聲通信等方式，可與空中、水面和地面的控制中心實(shí)時(shí)交換信息，并借助深海浮標(biāo)，為UUV 提供米級(jí)以下的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

3 水下定位導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)狀

以POSYDON 為代表的水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)需要綜合集成水聲物理信道、水下通信、水下定位、水下導(dǎo)航等多項(xiàng)技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外類(lèi)似的整套系統(tǒng)都還處于攻關(guān)階段。而具體到其中部分單項(xiàng)技術(shù)則已經(jīng)有一些成熟方法和貨架產(chǎn)品。

水下通信是實(shí)現(xiàn)水下定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)，而對(duì)于長(zhǎng)距離水下通信，聲波是不二選擇。近30年來(lái)，水聲通信技術(shù)得到快速發(fā)展。目前，國(guó)外主要的水聲通信機(jī)提供商有美國(guó)的Woods Hole 研究所、Teledyne 公司、德國(guó)的Develogic 公司以及法國(guó)的iXBlue 公司等。通信距離通常在5～10 km，通信速率從幾百bps 至幾千bps 不等。國(guó)內(nèi)進(jìn)行水聲通信的主要研究機(jī)構(gòu)有中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、中船重工715 所等。同時(shí)，廈門(mén)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)等高校也廣泛開(kāi)展了水聲通信的研究。最具代表性的水聲通信設(shè)備就是“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)、“奮斗者”號(hào)載人潛水器上的水聲通信機(jī)。

水下定位方法包括被動(dòng)和主動(dòng)兩種形式。被動(dòng)以匹配場(chǎng)[4]方法為代表，利用聲速剖面等水文參數(shù)，通過(guò)水下聲場(chǎng)建模計(jì)算得到接收基陣的聲場(chǎng)幅度和相位，形成拷貝場(chǎng)向量，并與基陣接收數(shù)據(jù)進(jìn)行“匹配”，從而實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的被動(dòng)定位和海洋環(huán)境參數(shù)的精確估計(jì)。近年來(lái)，有部分研究人員提出采用深度學(xué)習(xí)方法[5]，將時(shí)域信號(hào)映射到目標(biāo)位置，在低信噪比情況下性能優(yōu)于匹配場(chǎng)方法。

主動(dòng)水下定位方法通常通過(guò)測(cè)量目標(biāo)與多個(gè)信標(biāo)間聲波的傳播時(shí)間和相位變化得到傳播距離，進(jìn)而估算出目標(biāo)的三維坐標(biāo)。信標(biāo)（即基元）之間的連線稱(chēng)為基線，根據(jù)基線長(zhǎng)度分為：長(zhǎng)基線定位（LBL，100～6000 m）、短基線定位（SBL，1～50 m）和超短基線定位（USBL，＜1 m）。長(zhǎng)基線需要在海底預(yù)先布放若干基元，測(cè)量目標(biāo)與基元的間距來(lái)確定目標(biāo)的坐標(biāo)。英國(guó)Sonardyne 公司的Fusion2 長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)是國(guó)際上性能最為先進(jìn)的產(chǎn)品。短基線和超短基線一般安裝于水面平臺(tái)，通過(guò)目標(biāo)與各基元之間的時(shí)延差來(lái)估計(jì)應(yīng)答器方位，結(jié)合聲速剖面進(jìn)一步修正距離估算應(yīng)答器坐標(biāo)。目前，長(zhǎng)基線、短基線和超短基線定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于UUV 等平臺(tái)中。長(zhǎng)基線精度與工作深度無(wú)關(guān)，但成本較高且布放較為復(fù)雜；短基線和超短基線使用靈活，但精度受限于基元間距和工作深度。各國(guó)研究者采取多種方法提升基線系統(tǒng)的定位精度，包括采用寬帶信號(hào)，例如擴(kuò)頻技術(shù)、FSK 和chirp 聯(lián)合調(diào)制技術(shù)，或者結(jié)合姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)等組合導(dǎo)航[6]。此外，采用多種基線系統(tǒng)相結(jié)合的方法可以綜合多種基線的優(yōu)勢(shì)，得到更高的定位性能。例如，Sonardyne的Marksman LUSBL 集成了USBL 和LBL，為ROV（遙控式無(wú)人潛水器）等提供更精確的定位精度。

除了利用聲信號(hào)以外，水下導(dǎo)航定位還會(huì)使用偏振光[7]、地形匹配[8]、地磁、重力匹配[9-10]、慣性導(dǎo)航等手段。地形匹配通過(guò)UUV 實(shí)時(shí)形成的地圖與已知海底地形圖解算出位置信息。地形匹配通常與SLAM（及時(shí)地圖構(gòu)建）技術(shù)相結(jié)合。在這方面，美國(guó)斯坦福大學(xué)、蒙特利灣水下研究所以及挪威國(guó)防研究中心（FFI）等研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了多年的研究。FFI 開(kāi)發(fā)了一套地形匹配導(dǎo)航設(shè)備，并基于HUGIN UUV 開(kāi)展了多次海試[11]。斯坦福和蒙特利灣水下研究所基于 BenthicImaging UUV 進(jìn)行了水下地形匹配實(shí)驗(yàn)，海試中穿過(guò)了地圖上設(shè)定的若干信標(biāo)，定位誤差小于20 m[12]。利用重力異常的先驗(yàn)信息作為基準(zhǔn)地圖中的特征點(diǎn)，得到了更小的定位誤差[13]。地形匹配和重力匹配方法不依賴(lài)于導(dǎo)航器件，但只有預(yù)先具備精細(xì)海圖信息或者重力信息才能發(fā)揮作用，一般作為輔助手段配合其他導(dǎo)航定位方法。

慣性導(dǎo)航基于陀螺和加速度計(jì)，通過(guò)積分來(lái)解算運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置信息，適用于空中、地面、水下等各種場(chǎng)景。陀螺是慣導(dǎo)的核心器件，常見(jiàn)的有光學(xué)陀螺及MEMS 陀螺等。最新的光學(xué)陀螺是第三代光纖陀螺——受激布里淵散射光纖陀螺。法國(guó)iXblue 公司在EURONAVAL 2020 展會(huì)上展示了一款新型光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)——MARINS M11[14]，這是當(dāng)前最先進(jìn)的水下慣導(dǎo)裝備，可為潛艇提供隱形的自主導(dǎo)航，提供非常精確的方向、滾動(dòng)、俯仰、速度和位置，導(dǎo)航精度達(dá)到1 海里/360小時(shí)。慣導(dǎo)無(wú)須外部信息輸入，并且也不向外部輸出信息，但誤差隨時(shí)間累積。因此，如果應(yīng)用于長(zhǎng)距離的水下航行中，一般需要潛水器定期上浮或者配合其他導(dǎo)航手段。如表2所示，iXBlue公司分析了幾種導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)[15]。

表2 幾種導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)Table 2 Properties of navigation technique

目前，水下定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)主要有以下兩個(gè)方面。

（1）由單種導(dǎo)航模式向多種組合導(dǎo)航模式發(fā)展。通過(guò)融合多種導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)，獲取更優(yōu)越的定位導(dǎo)航性能。IXBlue 的GAPS-USBL 集成了超短基線、慣導(dǎo)和GPS，作用距離4000 m，定位精度達(dá)0.06%*距離。GAPS-USBL 通過(guò)USBL 與船載平臺(tái)連接，得到精確的位置信息，然后集成慣導(dǎo)進(jìn)行推算，無(wú)須上浮進(jìn)行校正。iXBlue 公司還有另一款RAMSES[16]，集成了慣導(dǎo)和合成基線技術(shù)（USBL 和LBL，由1～10 個(gè)浮標(biāo)構(gòu)成稀疏陣），并基于SLAM 進(jìn)行自校正。RAMSES 是目前國(guó)際上定位精度最佳的設(shè)備，測(cè)距誤差小于0.01 m，最大作用距離4000 m，深度6000 m。我國(guó)蛟龍?zhí)栞d人潛水器中長(zhǎng)基線定位裝置使用的正是RAMSES 6000。

（2）協(xié)同定位導(dǎo)航是促進(jìn)水下定位導(dǎo)航邁向?qū)嵱没挠行侄?，可提升水下定位?dǎo)航的精度，增大作用距離，并有效控制成本。歐盟的CO3AUVs（多水下航行器協(xié)同認(rèn)知控制）項(xiàng)目[17]中包括了協(xié)同導(dǎo)航、協(xié)同態(tài)勢(shì)感知的內(nèi)容。多個(gè)UUV 的協(xié)同導(dǎo)航形式有多種，包括主從式、分布式、分層式等。最常見(jiàn)的形式就是主從式，選擇一個(gè)UUV 或者USV（無(wú)人艇）作為領(lǐng)航者，裝備高精度慣導(dǎo)等導(dǎo)航設(shè)備，其他UUV 裝備低成本低精度的導(dǎo)航裝備，結(jié)合通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)UUV集群的高精度導(dǎo)航。西北工業(yè)大學(xué)張立川等[18]針對(duì)主從式UUV，提出無(wú)須同步時(shí)鐘的合作導(dǎo)航算法。新加坡TAN 等[19]提出利用領(lǐng)航UUV 的測(cè)距信息，來(lái)降低其他任務(wù)型UUV 的導(dǎo)航定位誤差。伍茲霍爾研究所于2018年8月在Charles 河上進(jìn)行的多UUV 協(xié)同導(dǎo)航試驗(yàn)[20]，通過(guò)主從式集群導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較高精度的集群導(dǎo)航。

4 水下導(dǎo)航定位發(fā)展的挑戰(zhàn)

近年來(lái)，水下定位導(dǎo)航發(fā)展迅速，但仍然面臨重重挑戰(zhàn)，甚至可以說(shuō)其困難遠(yuǎn)勝于 GPS。GAPS-USBL 等慣導(dǎo)裝備需要母船配合并且相互通信，以保證定位精度，各方面成本較高。而POSYDON 項(xiàng)目直到今天也還沒(méi)有發(fā)展到可成熟化應(yīng)用的階段。這主要是由水下信號(hào)載體、傳播介質(zhì)和傳播環(huán)境這幾個(gè)本質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致的。

4.1 信號(hào)載體

GPS 信號(hào)只有極淺的近水面的地方才能接收到。電磁波、紅外線、激光、普通光線等在水下都會(huì)迅速衰減。電磁波的衰減率是4500dB/km（每米能量衰減90%）。而聲波的衰減率是1dB/km（10 kHz 頻率，聲波的衰減與頻率的平方成正比），利用海洋中的波導(dǎo)效應(yīng)，聲波可以傳播得更遠(yuǎn)。低頻聲波在水下甚至可以從太平洋一側(cè)傳到另一側(cè)。因此，毫無(wú)疑問(wèn)，聲波是水下導(dǎo)航信號(hào)的主要載體。然而與電磁波相比，水下聲速僅1500 m/s 左右，僅為電磁波速度的二十萬(wàn)分之一。水下聲波在應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、探測(cè)、測(cè)繪不同場(chǎng)景時(shí)，需要設(shè)定在不同的頻帶，但最大帶寬也不超過(guò)100 kHz，遠(yuǎn)不及電磁波的上MHz 乃至上GHz 的帶寬，所承載的信息量也就隨之小很多。此外，多普勒、混響、多徑等因素造成聲信道的畸變，帶來(lái)匹配和同步誤差。因此，聲波傳輸慢、帶寬窄、覆蓋范圍小、聲信號(hào)畸變嚴(yán)重等成為水下通信定位導(dǎo)航共同面臨的難題。

4.2 海洋地圖的獲取

有人/無(wú)人駕駛的導(dǎo)航乃至導(dǎo)彈的末端制導(dǎo)都需要地圖作為基礎(chǔ)。精準(zhǔn)的地圖對(duì)導(dǎo)航的意義至關(guān)重要。《美國(guó)國(guó)家海洋科技發(fā)展：未來(lái)十年愿景》[21]中指出美國(guó)國(guó)家海洋科技未來(lái)研究機(jī)遇需要通過(guò)改進(jìn)海底測(cè)繪，更好地為海上運(yùn)輸作業(yè)提供信息。英國(guó)《預(yù)見(jiàn)未來(lái)海洋》[22]中建議開(kāi)展海洋測(cè)繪，以便在全球海洋發(fā)展機(jī)遇中獲益。無(wú)論是水下導(dǎo)航定位還是海上油氣、礦產(chǎn)的開(kāi)采作業(yè)等都迫切需要海底地形的測(cè)繪信息。然而目前全球海洋測(cè)繪還遠(yuǎn)不能滿足需求。2018年，《僅18%的海底被繪制，XPRIZE 無(wú)人機(jī)可以改變這種狀況》[23]一文指出：世界上只有9%的海底通過(guò)現(xiàn)代聲納技術(shù)詳細(xì)繪制過(guò)，只有18%的海底被調(diào)查過(guò)，而且分辨率很不盡如人意。受時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，如果進(jìn)行高分辨率的調(diào)查船測(cè)繪，可能需要幾個(gè)世紀(jì)才能繪制出世界海洋的圖表。2018年，日本財(cái)團(tuán)（The Nippon Foundation）宣布開(kāi)展日本世界大洋深度圖（GEBCO）2030 海底項(xiàng)目，目標(biāo)是在2030年前繪制整個(gè)海底地圖。如圖3所示，GEBCO 2030 項(xiàng)目已經(jīng)可以提供部分區(qū)域高質(zhì)量、高分辨率的海底地圖。

圖3 GEBCO2030 提供的臺(tái)灣以東太平洋海域的海底地形圖[24]Fig.3 Seabed map east of TAIWAN (provided by GEBCO2030) [24]

4.3 海洋水文信息的快速感知

與行駛于地面上的車(chē)輛相比，UUV、潛艇的航行不僅僅需要海底地圖，還需要海洋三維水文環(huán)境信息，特別是聲速剖面、洋流、內(nèi)波等信息。海洋水文環(huán)境信息之于潛水器相當(dāng)于氣象信息之于飛機(jī)。

在海洋環(huán)境中，密度、溫度、鹽度變化導(dǎo)致聲速發(fā)生變化，聲傳播路徑不再是直線。由圖4可見(jiàn)，聲波在傳播過(guò)程中彎曲明顯。圖4僅考慮了垂直的聲速變化，在三維立體空間中，聲速還會(huì)受到洋流、內(nèi)波等中尺度海洋現(xiàn)象的影響。因此，聲信號(hào)的傳播時(shí)間與發(fā)射端（信標(biāo)）和接收端距離并非直接對(duì)應(yīng)的關(guān)系。由于聲線彎曲的效應(yīng)，傳播距離和直線距離存在差距。當(dāng)缺乏三維聲速剖面先驗(yàn)信息時(shí)，無(wú)法根據(jù)傳播時(shí)間直接計(jì)算得到信標(biāo)和接收端的距離，繼而無(wú)法給出精確的位置參數(shù)。傳播時(shí)間和距離兩者之間的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系需要結(jié)合聲場(chǎng)模型來(lái)解算。

圖4 水下聲場(chǎng)的變化Fig.4 Change of the underwater sound field

海洋三維環(huán)境不僅僅對(duì)聲波的傳播有巨大影響，還會(huì)影響水下航行器的性能和航行安全。缺乏水文信息會(huì)給水下航行器的航行安全帶來(lái)巨大威脅。在同一深度，洋流、渦、內(nèi)孤立波等中尺度現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致海水溫度鹽度發(fā)生較大變化，密度的躍變相當(dāng)于形成了滔天巨浪。1964年，美國(guó)長(zhǎng)尾鯊號(hào)核潛艇極有可能正是遭遇了內(nèi)波形成的“海中斷崖”，導(dǎo)致潛艇快速下沉，最終超出耐壓深度而被壓碎。我國(guó)372 艇遭遇內(nèi)波也發(fā)生了掉深，險(xiǎn)些造成艇毀人亡的事故。內(nèi)波可能由海面風(fēng)激發(fā)后向深海傳播，或者由潮流越過(guò)水下海山激發(fā)形成[25]。

因此，對(duì)海洋的多尺度現(xiàn)象的預(yù)報(bào)是必要的。根據(jù)某片海域的歷史水文數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星等空中觀測(cè)手段以及DART 浮標(biāo)、ARGO 浮標(biāo)及OoT項(xiàng)目的浮標(biāo)（DARPA 于2018年開(kāi)始的海上物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，目前進(jìn)展到第二期，可搜集海溫、海況、GPS 定位、船只和飛機(jī)活動(dòng)信息）等獲取的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)海洋動(dòng)力的快速同化，為海洋水文動(dòng)力的感知和預(yù)報(bào)提供支撐。美國(guó)海軍為了從海洋環(huán)境中充分獲取信息優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了一系列地球預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)ESPC[26]，包括流預(yù)測(cè)的混合坐標(biāo)海洋模式（HYCOM），區(qū)域海軍近海海洋模式(RNCOM)，海岸海軍近海海洋模式（CNCOM），用于波浪預(yù)測(cè)的海軍標(biāo)準(zhǔn)化海浪模式（NSSM），用于潮汐預(yù)報(bào)的潮汐評(píng)估模型（PCTides），用于冰預(yù)測(cè)的海冰模型（CICE），用于大氣預(yù)報(bào)的海軍業(yè)務(wù)化全球大氣預(yù)測(cè)系統(tǒng)（NOGAPS）等。其中，HYCOM[27]是國(guó)際公開(kāi)開(kāi)發(fā)的模式，美海軍的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)正是采用該模式，可提供一天內(nèi)每3 個(gè)小時(shí)的海流預(yù)報(bào)，精度達(dá)1/12。

4.4 水下能源補(bǔ)給

能源問(wèn)題是水下導(dǎo)航系統(tǒng)的一大瓶頸。浮標(biāo)可以考慮太陽(yáng)能、風(fēng)能，將浮式風(fēng)機(jī)與浮標(biāo)結(jié)合起來(lái)。但潛標(biāo)及水下航行器的能源補(bǔ)給是一大挑戰(zhàn)。一方面，需要利用海洋自身特性革新新型能源手段，例如潮汐能、波浪能、溫差能、生物質(zhì)能等。一方面，需要建設(shè)水下空間站，實(shí)現(xiàn)與UUV的對(duì)接，可以進(jìn)行充電、數(shù)據(jù)交互等。2015年，美國(guó)海軍研究局啟動(dòng)了“前沿部署能源和通信哨所（FDECO Forward-Deployed Energy and Communications Outpost）”項(xiàng)目[28]，計(jì)劃建設(shè)固定式的水下塢站，用于給UUV 充電和數(shù)據(jù)交互。水下塢站拓展了UUV 的作用范圍，可有效解決能源補(bǔ)給問(wèn)題。同時(shí)，水下塢站的發(fā)展離不開(kāi)水下導(dǎo)航定位技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)UUV 與塢站的可靠對(duì)接，必須以高精度水下導(dǎo)航定位為支撐。

5 結(jié)束語(yǔ)

定位導(dǎo)航技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)洋、深海的作業(yè)效能和航行安全的保障至關(guān)重要。在深海建立區(qū)域高精度的定位導(dǎo)航基準(zhǔn)，是人類(lèi)依賴(lài)眾多水下航行器進(jìn)入海洋、探測(cè)海洋和開(kāi)發(fā)海洋的關(guān)鍵問(wèn)題之一，也是規(guī)劃建設(shè)“21 世紀(jì)海上絲綢之路”的重要基礎(chǔ)。然而，目前水下“GPS”從信號(hào)載體、平臺(tái)到環(huán)境等多方面仍面臨著重重制約。隨著水下機(jī)動(dòng)平臺(tái)遠(yuǎn)程高速通信、海洋環(huán)境快速預(yù)報(bào)、海洋精細(xì)地圖構(gòu)建、水下充電等技術(shù)的突破，水下導(dǎo)航定位將在未來(lái)二十年內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用。