自主式水下無人潛航器導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用與展望

李 鵬, 魏宗康, 李海兵

（1. 北京航天控制儀器研究所, 北京 100039; 2. 嶗山國家實驗室, 青島 266237）

0 引言

水下潛航器是人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋的重要工具。 其中, 自主式水下無人潛航器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）在保障人身安全的同時, 憑借其性能靈活機(jī)動、隱蔽性好、潛水深度大等特點成為水下探測的重要平臺。

水下導(dǎo)航系統(tǒng)作為AUV 的關(guān)鍵系統(tǒng), 不僅可以有效地保障AUV 的行進(jìn)安全和回收安全, 也是獲取相關(guān)探測信息的基準(zhǔn), 對執(zhí)行水下任務(wù)的成功具有重要意義。 由于水下環(huán)境復(fù)雜多變, GPS 等電磁信號在水中的傳播能力有限, 因此慣性導(dǎo)航和水聲定位仍是水下導(dǎo)航的主要方式。 為了能夠滿足深遠(yuǎn)海、長航時的海洋探測和環(huán)境監(jiān)測等任務(wù)的需求, 降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累計誤差, 一些新型導(dǎo)航技術(shù)得到逐步發(fā)展和應(yīng)用, 這也是推動水下導(dǎo)航系統(tǒng)向前發(fā)展的必要因素。 本文首先論述了AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀, 其次梳理了新型水下導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)缺點, 最后研判了AUV導(dǎo)航系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

1 AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

美國在AUV 方面一直處于領(lǐng)先地位, 是全球擁有水下潛航器研究機(jī)構(gòu)最多的國家。 REMUS 最早由美國Woods Hole 海洋研究所于1995 年研制,后經(jīng)Hydroid 公司升級優(yōu)化, 現(xiàn)已形成作業(yè)深度范圍達(dá)100m ～6000m 的各型AUV。 REMUS 100［1］的導(dǎo)航系統(tǒng)由聲學(xué)定位系統(tǒng)（Acoustic Positioning System, APS）、航位推算系統(tǒng)（Dead Reckoning System,DRS）和GPS 構(gòu)成。 其中, APS 包括長基線（Long Baseline, LBL） 和 超 短 基 線（Ultra Short Baseline,USBL）, LBL 至少采用2 個應(yīng)答器進(jìn)行定位, 而USBL 采用1 個應(yīng)答器進(jìn)行定位; DRS 由聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP）、羅盤/速率陀螺構(gòu)成, 利用慣性導(dǎo)航儀可以將航位推算精度提高至5m/h。 Hydroid 公司于2020 年被美國UII 公司收購, 并于2021 年4 月推出了最新款小型AUV——REMUS300, 其導(dǎo)航系統(tǒng)包含了iXblue Phins C3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、LBL、多普勒輔助航位推算及GPS（軍用可選）, 其航向精度可達(dá)0.1°, 姿態(tài)精度為0.05°, DVL 輔助情況下的定位精度為0.04%D。 iXblue Phins C3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 iXblue Phins C3 型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.1 Diagram of iXblue Phins C3 INS

美國藍(lán)鰭金槍魚（Bluefin） 機(jī)器人公司研制的BPAUV 是一種高性能的小型水下航行器, 其典型代表為因搜尋馬航失聯(lián)客機(jī)MH370 而廣被人知的Bluefin-21［2］, 其外觀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 該型AUV是一種高度模塊化的自主水下潛航器, 其導(dǎo)航系統(tǒng)由INS、DVL、SVS、GPS 和USBL 構(gòu)成, 在潛水和定期上浮進(jìn)行GPS 數(shù)據(jù)更新時, 能融合姿態(tài)方位參考系統(tǒng)（Attitude and Heading Reference System,AHRS）和DVL 的數(shù)據(jù)。 在美海軍的演習(xí)中, Bluefin 對目標(biāo)的定位精確在3m 半徑以內(nèi), 實時定位精度優(yōu)于0.1%D, USBL 可輔助其進(jìn)一步提高航位推算精度。

圖2 Bluefin-21 型AUVFig.2 Diagram of Bluefin-21 AUV

挪威HUGIN 系列AUV 包括HUGIN I、HUGIN II、HUGIN1000、HUGIN3000、HUGIN4500、HUGUN Superior 和HUGIN Endurance 等型號。 其中,HUGIN Endurance 為2021 年2 月Kongsberg 公司推出的一款專為深海環(huán)境作業(yè)而設(shè)計的新一代AUV［3］。 該型AUV 使用的導(dǎo) 航 系統(tǒng)為Kongsberg Sunstone 慣性導(dǎo)航系統(tǒng), 該系統(tǒng)包括HISAS 微導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航以及單應(yīng)答器導(dǎo)航, 定位精度優(yōu)于0.01%D。

德國阿特拉斯電子公司研制了多個系列的AUV［4-5］, 包括 “海狐-IQ（SeaFox-IQ）” “海狼A（SeaWolf A）” “海獺（SeaOtter）”。 其中, SeaOtter系列包含SeaOtter Mkl、SeaOtter Mk2、SeaOtter Mk2D 等型號。 為滿足水下執(zhí)行任務(wù)期間的高精度導(dǎo)航需求, SeaOtter Mk2 的導(dǎo)航系統(tǒng)采用了MARPOS II 定位系統(tǒng), 其導(dǎo)航精度在距離海底深度不超過200m 時可達(dá)到航程的0.03%D。 導(dǎo)航信息不僅利用先進(jìn)的Kalman 濾波器進(jìn)行處理, 導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)還嵌入了LBL 和USBL, 從而提高了大航程下的導(dǎo)航精度。

冰島TeledyneGavia 公司研制的“GAVIA” 是一款完全模塊化設(shè)計的精簡型AUV, 既可在極淺水域又可在深水中執(zhí)行任務(wù)。 其導(dǎo)航系統(tǒng)配有美國Kearfort 公司生產(chǎn)的INS、亞迪儀器公司生產(chǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng): 1200kHz DVL、GPS、MCP 以及LBL 或USBL 聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)。 其中, INS 采用的是環(huán)形激光陀螺儀, 經(jīng)組合后的INS/DVL/GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度為3m/h［6-7］。

1.2 國內(nèi)AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)AUV 的研制主要集中于科研院所和高校,中科院沈陽自動化所、中船710 所、哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、中國海洋大學(xué)均有成熟產(chǎn)品; 民營企業(yè)中, 如深之藍(lán)海洋科技公司也推出了導(dǎo)航精度優(yōu)異的AUV 產(chǎn)品。

2019 年, 由中科院沈陽自動化所、哈爾濱工程大學(xué)等多家單位聯(lián)合研制的“潛龍三號” AUV在大西洋成功應(yīng)用。 如圖3 所示, “潛龍三號”AUV 搭載有USBL、INS、DVL 等導(dǎo)航設(shè)備, 當(dāng)在近底作業(yè)時, 其采用了“慣導(dǎo)+多普勒聲吶系統(tǒng)”組合導(dǎo)航模式, 同時融合了超短基線定位信息和深度信息, 經(jīng)實測驗證, 其定位精度優(yōu)于0.3%D［8］。

由哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合中科院研制的HSU001型AUV 于2019 年10 月1 日國慶節(jié)閱兵中公開亮相, 如圖4 所示。 據(jù)悉該AUV 可裝備多種載荷,與導(dǎo)航相關(guān)的設(shè)備包括: 多波束聲吶、避碰聲吶、多普勒速度計程儀、慣性導(dǎo)航組件等。 鑒于公開資料較少, 無法通過數(shù)據(jù)表明該型AUV 的導(dǎo)航精度。 但是, 該型AUV 在國慶閱兵中公開亮相, 表明該型AUV 已在部隊中列裝, 技術(shù)成熟、可靠,性能指標(biāo)滿足我國海軍作戰(zhàn)能力要求。

中船710 所推出了海神系列AUV, 最大作業(yè)深度達(dá)6000m, 其導(dǎo)航系統(tǒng)主要由INS 和DVL 組成。 西北工業(yè)大學(xué)研制的50kg 級AUV、中國海洋大學(xué)研制的“旗魚” 系列AUV 以及天津大學(xué)研制的MI-AUV 所用的導(dǎo)航系統(tǒng)同樣采用了以INS 為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

“橙鯊” 系列是國內(nèi)深之藍(lán)海洋科技公司完全自主研發(fā)的中/小型AUV, 其導(dǎo)航系統(tǒng)采用“DVL+INS（光纖/激光） +GPS/BD” 組合方案, 最高導(dǎo)航精度優(yōu)于0.5%D, 可依據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行不同精度等級定制。

1.3 AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用小結(jié)

根據(jù)目前AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)的實際應(yīng)用現(xiàn)狀, 可得到如下結(jié)論:

1）水下導(dǎo)航系統(tǒng)多是以INS、聲學(xué)設(shè)備為主要導(dǎo)航方式。 其中, INS 以光纖陀螺和激光陀螺為主, MEMS 陀螺等低成本慣性儀表則應(yīng)用較少。

2）面向深遠(yuǎn)海AUV 的水下導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用,地形匹配導(dǎo)航也隨之嶄露頭角。

3）GPS 及APS 等非自主定位方式由于作用范圍有限, 需要結(jié)合實際的任務(wù)環(huán)境在特定條件或區(qū)域內(nèi)使用。

4）國內(nèi)AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)在定位精度方面仍與國外存在一定差距。

因此, 面對AUV 向深遠(yuǎn)海方向的不斷發(fā)展,GPS 及APS 等非自主式導(dǎo)航系統(tǒng)的局限性問題將更加突出。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度需要仍需不斷提升, 特別是MEMS 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度亟需提高,以滿足未來小型深遠(yuǎn)海AUV 的低成本需求。

2 新型導(dǎo)航技術(shù)的水下應(yīng)用情況及面臨的問題

除上述INS、APS、DVL 等傳統(tǒng)水下定位導(dǎo)航技術(shù)外, 人們?yōu)榱送黄艷PS 的局限性, 開展了如地球物理場導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、仿生導(dǎo)航等新型導(dǎo)航技術(shù)的研究, 期望能夠進(jìn)一步豐富導(dǎo)航手段的多樣性, 克服慣性導(dǎo)航的誤差累計問題, 提高AUV 的綜合導(dǎo)航精度。 特別是全源導(dǎo)航的提出更加強(qiáng)調(diào)了多樣導(dǎo)航的必要性, 旨在全方位保證導(dǎo)航系統(tǒng)具有良好魯棒性、容錯性、連續(xù)性和高精度性能, 對未來導(dǎo)航的發(fā)展提出了新的指引。

2.1 地球物理場導(dǎo)航

地球物理場導(dǎo)航一般包括重力場導(dǎo)航、地形導(dǎo)航以及地磁導(dǎo)航。 三種導(dǎo)航方式都是通過各自物理場內(nèi)的物理特征進(jìn)行匹配定位［9-12］, 物理特征則可以根據(jù)已知的地理信息或者通過AUV 攜帶的地球物理導(dǎo)航傳感器測量得到。

目前, 只有美國、俄羅斯等極少數(shù)國家能夠?qū)崿F(xiàn)地球物理場匹配導(dǎo)航, 而且匹配精度方面鮮有文獻(xiàn)報道。

重力場導(dǎo)航方面, 日本東京大學(xué)利用了Micro-G Lacoste 公司新式的重力儀L&RS-174, 用AUV較大范圍測量的重力數(shù)據(jù)重復(fù)精度可達(dá)0.1mGal,重力場的空間分辨率可達(dá)75m。 美國早在1998 年和1999 年已將通用重力模塊（UGM）與靜電陀螺導(dǎo)航儀先后在“先鋒號” 艦和戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈核潛艇上進(jìn)行了演示試驗, 試驗數(shù)據(jù)表明: 采用重力場匹配導(dǎo)航技術(shù), 可將導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)度誤差和緯度誤差降低至導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)稱誤差的10%, 該系統(tǒng)裝備已安裝在潛艇上［13］。 目前, 美國新一代的潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)基本都包含重力傳感器模塊。

地形導(dǎo)航方面, 除上述HUGIN 系列AUV 具備水下地形匹配輔助導(dǎo)航技術(shù)外, 美國斯坦福大學(xué)與蒙特利灣水下研究所在Benthic Imaging AUV上進(jìn)行了基于多波束聲吶的水下地形匹配實驗［14］。 如圖5 所示, 通過他們設(shè)計的TRN 濾波器, 實驗獲得了5m ～10m 的定位精度; 與實際路線相比, 結(jié)合地形匹配的路線偏差約為35m,表明該系統(tǒng)具有可與聲導(dǎo)引系統(tǒng)相媲美的在線返站能力。

地磁導(dǎo)航方面, 2003 年, 美國國防部宣稱已實現(xiàn)水下導(dǎo)航精度優(yōu)于500m（CEP）的純地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的研制［15］。 文獻(xiàn)［16］使用低分辨率地圖與高精度導(dǎo)航傳感器、地磁傳感器和深度傳感器進(jìn)行水下導(dǎo)航模擬試驗, 試驗結(jié)果表明: 整個試驗的位置誤差小于25m, 平均誤差小于13m。 文獻(xiàn)［17］中,日本大阪大學(xué)使用AUV 分別在海底緩坡和有著陡峭海底斜坡的駿河灣進(jìn)行了地磁數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)匹配實驗, 通過評估分析, 表明AUV 在水流中采用地磁圖和水深圖匹配方法獲得的導(dǎo)航精度優(yōu)于單獨使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或地磁輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的導(dǎo)航精度。

國內(nèi)的地球物理場導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展方興未艾,但基本處于仿真階段, 只進(jìn)行了少量的水下試驗。重力導(dǎo)航方面, 我國科技部已將“海洋大地測量基準(zhǔn)與海洋導(dǎo)航新技術(shù)” 作為重點研發(fā)計劃, 重點發(fā)展海洋重力匹配等地球物理場導(dǎo)航技術(shù)。 錢學(xué)森實驗室的鄭偉等［18］提出了通過GNSS-R 測高星座獲得高空間分辨率和高精度全球海洋重力基準(zhǔn)圖的思路及技術(shù)路線, 該理論通過天海一體化水下慣性/重力組合導(dǎo)航系統(tǒng), 可基于重力/測高衛(wèi)星和海洋觀測多源數(shù)據(jù), 并根據(jù)實時精確測量的重力信息進(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, 延長了其上浮校正周期。 航天十三所開展了多個航次海洋重力儀的重力測量試驗, 積累了大量試驗數(shù)據(jù), 為重力匹配導(dǎo)航的應(yīng)用提供了重要參考和保障。 地形導(dǎo)航方面, 哈爾濱工程大學(xué)［19］提出了一種單波束協(xié)同地形匹配導(dǎo)航方法來改善北極冰下的定位性能。國內(nèi)學(xué)者在基于粒子濾波和質(zhì)點濾波地形匹配算法的基礎(chǔ)上開展了大量工作, 以改善地形匹配誤差問題［20-24］。 地磁導(dǎo)航方面, 國防科技大學(xué)在2011 年進(jìn)行了慣性/地磁匹配水下導(dǎo)航實驗, 驗證了慣性/地磁匹配組合導(dǎo)航技術(shù)的可行性。 文獻(xiàn)［25］提出了一種地磁匹配區(qū)自組織優(yōu)化分類方法, 仿真實驗結(jié)果表明, 該方法在地磁導(dǎo)航適配區(qū)選取方面具有較高的分類精度和可靠性。 文獻(xiàn)［26］提出了一種基于DDQNQ 強(qiáng)化地磁導(dǎo)航算法預(yù)測航向角, 在缺少兩地間地磁數(shù)據(jù)庫的情況下,該算法可使AUV 隨著兩地往返次數(shù)增多減少地磁搜索步數(shù), 仿真驗證了該算法的有效性。

雖然地球物理場導(dǎo)航自主性好, 對長航時、深遠(yuǎn)海導(dǎo)航具有天然優(yōu)勢, 但是也存在一定的不足:

1）導(dǎo)航中需要先驗場圖用于匹配, 但是在多數(shù)水域需要先獲取地球物理場信息數(shù)據(jù)庫, 且準(zhǔn)確獲取存在一定難度。 比如地形特征獲取需要AUV與海底距離保持在一定范圍內(nèi), 否則會影響場圖的匹配精度。

月修中應(yīng)重點關(guān)注回火器濾網(wǎng)的清洗、安裝情況，對濾網(wǎng)片不好安裝的，要對底盤進(jìn)行攻絲，以免松脫造成防爆片爆炸；要利用月中更換系統(tǒng)的機(jī)會清洗回火器，且根據(jù)各燒嘴壓力情況適時更換干凈的回火器；水冷套管變形較多時，應(yīng)排查、更換回火器；確認(rèn)爐區(qū)各燒嘴處是否有冷銅，若冷銅距燒嘴較近，宜先用大火燒融，確認(rèn)后再停爐吹風(fēng)冷卻；做好漏風(fēng)、漏水等管道密封工作；后期要將各燒嘴冷卻水一律開至最大，更換使用狀況不良的蝶閥和不帶鋼絲的軟管。

2）除地形特征較為明顯穩(wěn)定外, 其他物理場信息辨識較為困難, 如地磁場易受干擾, 重力場變化緩慢, 辨識度不高。 此外, 重力儀或重力梯度儀的體積和功耗較大, 多搭載于水面艦船使用,難以用于中小型AUV。

3）地球物理場類導(dǎo)航技術(shù)尚不成熟, 且該信息較為敏感, 多涉及軍事領(lǐng)域, 因此外界很難獲知。

雖然地球物理場導(dǎo)航需要地形、地磁場等先驗地圖, 但是結(jié)合計算機(jī)技術(shù), 形成了多個交叉領(lǐng)域內(nèi)的新型導(dǎo)航技術(shù), 如即時定位與構(gòu)圖（Simultaneous Localization and Mapping, SLAM） 導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和仿生導(dǎo)航。 其中, SLAM 導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航都是基于構(gòu)建地圖技術(shù)的導(dǎo)航方法, 而仿生導(dǎo)航則研究生物如何利用地球物理場信息進(jìn)行導(dǎo)航,該導(dǎo)航技術(shù)仍處于理論研究、試驗階段。

2.2 SLAM 導(dǎo)航

SLAM 導(dǎo)航實際是在未知環(huán)境中載體在運(yùn)動過程中根據(jù)位置和地圖進(jìn)行自身定位, 同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖, 從而實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航。 當(dāng)前, 在無人機(jī)導(dǎo)航、汽車自動駕駛方面研究較多, 比如基于激光的SLAM 導(dǎo)航系統(tǒng),但是水下SLAM 的導(dǎo)航研究相對較少。 不論SLAM應(yīng)用于哪種環(huán)境, 其性能主要取決于SLAM 算法的有效性。 目前, 應(yīng)用于AUV 上的SLAM 方法大致可分為基于貝葉斯法則和馬爾可夫假設(shè)的概率SLAM（包括基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的SLAM 和基于粒子濾波器的SLAM）和基于提取圖形特征信息的SLAM 方法（如視覺SLAM）。

國外的研究機(jī)構(gòu)主要集中在美國、英國、澳大利亞、西班牙等國家。 2021 年, 美國科研人員Willners 等［27］提出了一種基于自主重定位的水下SLAM 框架, 該框架在運(yùn)行過程中保持單一的一致性地圖, 并在SLAM 失去特征跟蹤時更新當(dāng)前的計劃。 通過AUV 水下試驗, 表明該方法具有一定的優(yōu)越性。

國內(nèi)的研究單位較少, 主要分布在哈爾濱工程大學(xué)、中科院沈陽自動化研究所、天津大學(xué)等。2019 年, 天津大學(xué)采用人工磁信標(biāo)作為路標(biāo), 為SLAM 導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)更新提供觀測信息, 通過試驗驗證表明了磁信標(biāo)輔助方式在水下SLAM 研究中的有效性［28］。

目前, SLAM 仍在面對的主要問題是: 由于水下環(huán)境復(fù)雜, 需要進(jìn)行大量的特征提取, 如何快速準(zhǔn)確地將特征數(shù)據(jù)與已知圖形進(jìn)行正確關(guān)聯(lián),將直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性、實時性及精確性。

2.3 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航是指通過攝像機(jī)或其他視覺傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行圖像采集, 并對圖像進(jìn)行濾波和計算, 完成自身位置確定和路徑識別, 并做出導(dǎo)航?jīng)Q策的一種導(dǎo)航技術(shù)。 隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的快速更迭, 視覺導(dǎo)航具有以下優(yōu)勢: 1）自主性強(qiáng),隱蔽性好; 2）能夠提供豐富的環(huán)境在線信息; 3）抗干擾能力強(qiáng), 適合感知動態(tài)環(huán)境; 4）成本低、敏感度高, 隨目標(biāo)距離越近, 精度越高。 因此, 視覺導(dǎo)航特別適合戰(zhàn)場偵察和環(huán)境監(jiān)測、AUV 回收引導(dǎo)以及空間交會對接。

純視覺導(dǎo)航可分為視覺里程計和可視即時定位與構(gòu)圖（VSLAM）。 視覺里程計固連于載體上, 當(dāng)載體運(yùn)動時, 相對于載體的靜態(tài)物體在視覺傳感器中呈現(xiàn)的相對位置是連續(xù)變化的, 以此圖像信息可以獲得視覺傳感器在此運(yùn)動過程中的位置和姿態(tài)變化, 然后對位置和姿態(tài)變化量進(jìn)行積分即可得到視覺傳感器的運(yùn)行軌跡。

圖6 VSLAM 原理圖Fig.6 Schematic diagram of VSLAM

基于慣性/視覺的組合導(dǎo)航可以達(dá)到一定的互補(bǔ)效果, 視覺導(dǎo)航可以修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累計誤差, 慣性導(dǎo)航可以彌補(bǔ)視覺導(dǎo)航實時性不足的問題。 目前, 視覺/慣性導(dǎo)航在沉船勘察、水下航行器對接等領(lǐng)域應(yīng)用效果明顯。

但是水下環(huán)境復(fù)雜多變, 如何在清晰度復(fù)雜變化、圖像色彩不均的情況下利用視覺傳感器從低質(zhì)圖像中實時獲取有效信息, 則是亟待解決的問題。 因此, 基于濾波、深度學(xué)習(xí)等算法技術(shù)的研究備受關(guān)注。 2011 年, Shkurti 等［29］針對水下運(yùn)載體在姿態(tài)估計中引入了擴(kuò)展卡爾曼濾波, 重點對特征檢測、描述和匹配以及從結(jié)構(gòu)到運(yùn)動的視覺定位算法進(jìn)行了研究。 Chen 等［30］則提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的卡爾曼濾波算法DynaNet, 說明了使用深度學(xué)習(xí)重構(gòu)傳統(tǒng)卡爾曼濾波模型能有效提升深度學(xué)習(xí)框架求解位姿問題的能力。 Zhan 等［31］提出了一種基于幾何方法和深度學(xué)習(xí)的單目視覺里程計算法, 該算法成功地將深度學(xué)習(xí)與對極幾何和PnP 結(jié)合在一起, 且不會受到尺度漂移問題的影響。 仉新等［32］采用了一種融合深度學(xué)習(xí)的VSLAM 方法, 該方法提升了移動機(jī)器人定位和建圖的準(zhǔn)確性和魯棒性。 在基于稀疏視覺SLAM 的ORB-SLAM2 系統(tǒng)基礎(chǔ)上, Vargas 等［33］利用聲學(xué)里程計將DVL、陀螺儀和高度計或深度傳感器融合,得到六自由度機(jī)器人位姿的漂移估計, 兩艘AUV的實驗結(jié)果表明: 進(jìn)行多傳感器融合后的VSLAM系統(tǒng)在受控、非受控和現(xiàn)場環(huán)境中的魯棒性都得到了加強(qiáng)。

2.4 仿生導(dǎo)航

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 動物可通過感知周圍環(huán)境的變化, 利用偏振光、地磁場、距離以及經(jīng)驗知識等信息進(jìn)行導(dǎo)航。 仿生導(dǎo)航傳感器就是參照動物的這種導(dǎo)航機(jī)制, 從自然環(huán)境中獲取相關(guān)特征信息進(jìn)行導(dǎo)航定位。 仿生導(dǎo)航是一種涉及仿生學(xué)、計算機(jī)與視覺技術(shù)、信息融合學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的自主性新型導(dǎo)航技術(shù), 已然成為導(dǎo)航領(lǐng)域研究的前沿和熱點。

2018 年4 月, 美國與澳大利亞的學(xué)者仿照螳螂蝦的眼睛研制了一種可采集偏振光信息的仿生相機(jī), 并首次實現(xiàn)水下環(huán)境中基于偏振光的導(dǎo)航功能, 經(jīng)試驗驗證其每1km 的定位誤差為6m, 為長距離水下導(dǎo)航開辟了新的可能性［34-35］。

在國內(nèi), 仿生導(dǎo)航的研究還處于實驗室階段。張晨等［36］提出了一種基于最小磁角的抗干擾仿生導(dǎo)航算法, 通過磁角的大小來評價導(dǎo)航路徑的優(yōu)劣, 從而避免了潛航器陷入地磁異常區(qū)域。 李紅［37］研究了不依賴先驗數(shù)據(jù)庫的地磁仿生導(dǎo)航方法, 針對地磁參量異常、洋流干擾等造成搜索空間錯位下的局部環(huán)路搜索問題, 提出了基于模糊決策的趨向性地磁參量搜索導(dǎo)航算法, 通過實驗驗證了算法的可行性和有效性。 田連標(biāo)［38］研究了波浪水下偏振光的分布模式, 建立了偏振傳輸理論模型, 并驗證了正確性, 從而為水下仿生偏振光導(dǎo)航的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

雖然仿生導(dǎo)航已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展, 但是距離水下應(yīng)用還需要解決3 個方面的技術(shù)問題:

1）水下生物的導(dǎo)航機(jī)制尚未被研究清楚, 例如超過1000m 深海中的光線是極其微弱的, 那么處于深海中的生物依靠何種信息、將信息進(jìn)行何種處理來實現(xiàn)導(dǎo)航需要進(jìn)行深入研究;

2）仿生導(dǎo)航傳感器無論在體積上還是性能上與動物器官差距較大, 需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計, 提高傳感器制造工藝水平;

3）水下仿生導(dǎo)航信息的提取及處理算法還處于起步階段, 設(shè)計自適應(yīng)能力強(qiáng)、健壯性好的算法是一個首先要面對的現(xiàn)實問題。

2.5 協(xié)同導(dǎo)航

水下協(xié)同導(dǎo)航主要是通過水聲通信技術(shù)共享導(dǎo)航傳感器的信息, 一方面可以抑制誤差、提高導(dǎo)航定位精度, 另一方面可以開展更復(fù)雜的分布式任務(wù)。 協(xié)同導(dǎo)航可以分為主從式導(dǎo)航方式和并行式導(dǎo)航方式, 如圖7、圖8 所示。

圖7 主從式協(xié)同導(dǎo)航Fig.7 Diagram of master-slave cooperative navigation

圖8 并行式協(xié)同導(dǎo)航Fig.8 Diagram of parallel cooperative navigation

國外大多采用主從式多UUV 協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng),如美國麻省理工學(xué)院海洋機(jī)器人實驗室研究的“自主協(xié)同的分散偵察與探測系統(tǒng)”。 2014 年, 歐盟第七框架計劃資助了名為“自主認(rèn)知潛水合作行動” （Cognitive Autonomous Diving Buddy, CADDY）的項目［39］, 該項目開發(fā)了一種高效的水下航行器引領(lǐng)-跟蹤系統(tǒng)（Leader Tracking System, LTS）,如圖9 所示, 主要是使用AUV 取代潛水員, 并增加一種自主水面航行器（Autonomous Surface Vehicle, ASV）以提高監(jiān)測、協(xié)助和潛水員任務(wù)的安全性。 該項目在試驗過程中收集并驗證潛水員的跟蹤、監(jiān)測、引導(dǎo)和通信等人機(jī)交互活動［40］。

圖9 引領(lǐng)-跟蹤系統(tǒng)Fig.9 Diagram of leader tracking system

同樣獲得歐盟第七框架計劃資助的“自組織、邏輯連接物理節(jié)點海洋機(jī)器人系統(tǒng)” （Marine Robotic System of Self-organizing, Logically Linked Physical Nodes, MORPH）項目提出了水下AUV 傳感器載體的新概念, 該載體由若干個攜帶有獨立傳感器的水下機(jī)器人組成, 它們位于不同的海底地形環(huán)境中。 目前, 該項目已被應(yīng)用于在較淺水域中密集編隊的AUV 艦隊導(dǎo)航［41］。

國內(nèi)的沈陽自動化所海洋信息技術(shù)裝備中心在2017 年12 月進(jìn)行了兩次UUV 水下自主對接技術(shù)驗證試驗, 在該項技術(shù)研究方面取得了實質(zhì)性突破。 并在此基礎(chǔ)上于2018 年12 月開展了動動對接技術(shù)驗證, 完成了UUV 與水下動基座的自主對接技術(shù)驗證試驗, 成功實現(xiàn)了水下動態(tài)條件下的UUV 自主對接［42］, 對接過程如圖10 所示。

協(xié)同導(dǎo)航主要依靠各AUV 之間的水聲通信進(jìn)行彼此定位, 而水聲信號的傳播能力受水下復(fù)雜地形和水中噪聲、溫度、鹽度或流速等多種環(huán)境因素影響, 因此針對水下通信的抗干擾能力值得深入研究。 另外, 由于協(xié)同導(dǎo)航任務(wù)中有時需要與水面指揮機(jī)構(gòu)進(jìn)行通信協(xié)作, 那么又面臨著如何穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)實時跨介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

2.6 全源導(dǎo)航

全源導(dǎo)航就是利用所有可利用的導(dǎo)航設(shè)備和輔助傳感器, 集各家之所長, 在各類型的任務(wù)和環(huán)境中為用戶提供衛(wèi)星信號拒止時的高精度導(dǎo)航功能, 能夠隨環(huán)境變化快速實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)并進(jìn)行在線配置的新型組合導(dǎo)航系統(tǒng)。 全源導(dǎo)航具有導(dǎo)航傳感器多樣化、兼容范圍大等特點, 具有容錯性強(qiáng)、可快速迭代、能夠面向各種應(yīng)用環(huán)境等優(yōu)勢。

2016 年, 美國國防部高級研究計劃局（DARPA）啟動了“深海導(dǎo)航定位系統(tǒng)” （Positioning System for Deep Ocean Navigation, POSYDON）項目［43］。該項目旨在變革水下導(dǎo)航方式, 通過在深海海底布放少量聲源, 綜合運(yùn)用水下聲波信號、水面浮標(biāo)、水下信標(biāo)或節(jié)點、GPS 信號, 能夠快速地確定水下執(zhí)行任務(wù)的潛艇和無人潛航器等水下平臺獲得連續(xù)高精度的水下導(dǎo)航信息, 不需要定期上浮,充分保證了自身的安全性和執(zhí)行任務(wù)的高效性。

與此同時, 俄羅斯也正在開展新型水下導(dǎo)航系統(tǒng)的研制工作。 該新型水下導(dǎo)航系統(tǒng)由“格洛納斯” 導(dǎo)航系統(tǒng)、聲吶浮標(biāo)、無人潛航器組成,將布設(shè)在俄羅斯北冰洋大陸架上, 綜合運(yùn)用超短波通信和水聲通信等方式, 可與空中、水面和陸地的控制中心實時交換信息, 并借助深海浮標(biāo)為AUV 提供米級以下的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

此外在“十五” 期間, 由國家“863” 計劃資助的我國首套水下GPS 高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)完成研制［44］, 該系統(tǒng)主要由GPS、差分GPS 基準(zhǔn)站（可選）、四個以上GPS 浮標(biāo)、安裝在水下目標(biāo)或載體上的水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)、陸基或船基數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控中心（簡稱數(shù)據(jù)控制中心）、水上無線電通信鏈路和水下水聲通信鏈路組成。 該系統(tǒng)在千島湖的試驗表明: 對于水深45m 左右的水域, 系統(tǒng)的水下定位精度為5cm, 測深精度為30cm, 水下授時精度為0.2ms, 且測量誤差不隨時間累積。 但該系統(tǒng)海面的浮標(biāo)個數(shù)有限, 多余觀測量不足, 定位精度尤其是高程精度還需要進(jìn)一步提高, 同時系統(tǒng)在整體性能、工程化和實用化方面還有待加強(qiáng)［45］。

3 AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

結(jié)合前文論述, 目前AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)仍是以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主、其他導(dǎo)航方式為輔的架構(gòu)。 然而, AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)因為受慣性導(dǎo)航系統(tǒng)累積誤差的影響, 無法在脫離有源輔助導(dǎo)航定位情況下執(zhí)行航時數(shù)十天甚至數(shù)月的任務(wù), 需要進(jìn)行不定期的上浮, 借助GPS 進(jìn)行校準(zhǔn)。 因此, 慣性導(dǎo)航精度決定了AUV 任務(wù)的有效執(zhí)行時間。

除此之外, 新型導(dǎo)航技術(shù)存在許多客觀問題和技術(shù)瓶頸, 如地球物理場導(dǎo)航技術(shù)存在地磁場易受干擾、重力變化緩慢等物理場信息辨識困難的問題, 雖然SLAM 和VSLAM 導(dǎo)航技術(shù)不依據(jù)先驗地圖, 但是在水下環(huán)境中如何實現(xiàn)快速有效的特征提取、如何提高系統(tǒng)魯棒性等方面需要不斷摸索和創(chuàng)新。 協(xié)同導(dǎo)航原理較為簡單, 短期內(nèi)是一種切實可行的方式, 但是其短板在于水中通信及水下與水面的跨介質(zhì)通信能力不足。 仿生導(dǎo)航作為一種前沿領(lǐng)域技術(shù), 目前仍處于基礎(chǔ)研究階段, 短時間內(nèi)不會工程化, 但是其研究成果或可能改變未來的導(dǎo)航方式。 全源導(dǎo)航優(yōu)勢和意義均較為突出, 但是建立全源導(dǎo)航成本較高, 且對應(yīng)用背景辨識能力、檢錯容錯能力、系統(tǒng)智能化重構(gòu)能力提出了較高要求。

隨著海洋探索和軍事任務(wù)的深遠(yuǎn)海、長航時發(fā)展需求不斷加強(qiáng)［46］, AUV 將在多樣化、智能化等方面迎來跨越式發(fā)展。 因此, 為了滿足AUV 的應(yīng)用需求, AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)需要在慣性導(dǎo)航精度和導(dǎo)航系統(tǒng)集成化、小型化、智能化等方面不斷進(jìn)步, 與其他導(dǎo)航、通信系統(tǒng)形成高精度導(dǎo)航體系。

3.1 慣性導(dǎo)航精度不斷提升

受限于新型導(dǎo)航技術(shù)的不成熟或應(yīng)用環(huán)境,在GPS 拒止條件下, 需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有更高的精度, 以適應(yīng)AUV 的深遠(yuǎn)海、長航時發(fā)展需求。

法國iXblue 公司研制的水下導(dǎo)航系統(tǒng)Phins Compact C7 采用了高精度的光纖陀螺, 其航向精度最高可達(dá)0.01°, 姿態(tài)精度可達(dá)0.01°, 無DVL輔助的情況下其位置精度為0.5%D, 當(dāng)有DVL 輔助時其位置精度最高可達(dá)0.01%D。 2018 年, 法國賽峰公司報道其半球諧振陀螺在2000h 內(nèi)的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.0001（°） /h（1σ）, 標(biāo)度因數(shù)非線性低至1 ×10-7, 相比于其他陀螺具有明顯的優(yōu)勢［47］。

除此之外, 隨著量子光學(xué)技術(shù)的不斷突破,基于原子陀螺的量子導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生, 其中的原子干涉陀螺理論精度可達(dá)到10-13（°） /h 量級, 可大幅消除累計誤差帶來的影響, 為目前最具潛力的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 美國已于2006 年開始了“精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)” （Precise Inertial Navigation System,PINS）研究計劃, 在該項目支持下, 美國斯坦福大學(xué)的Kasevich 團(tuán)隊于2008 年研制出了世界上第1套原子干涉陀螺, 其測量精度為2.3 ×10-3（°） /h。同在該項目支持下, 美國AOSense 公司研制的原子干涉陀螺精度達(dá)到了5 ×10-6（°） /h。 博世公司宣布在原子陀螺儀上取得突破性進(jìn)展, 未來有望量產(chǎn)出一款精度為0.02（°） /h 的原子陀螺儀。 國內(nèi)的研制單位主要集中在清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、航天十三所、航天三十三所、中科院上海光機(jī)所, 目前的研制進(jìn)展與國外相比仍有一段距離。 因此, 隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷進(jìn)步和迭代, 量子導(dǎo)航的發(fā)展未來可期, 它將很大程度上解決長期困擾人們的慣性器件累計誤差問題。

3.2 導(dǎo)航系統(tǒng)集成化、小型化

面對AUV 的多樣化發(fā)展趨勢, 其共同點是能夠裝載更多的載荷、執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù), 這就要求水下導(dǎo)航系統(tǒng)在體積更小的同時還能夠集成更多的導(dǎo)航傳感器。 SPRINT-Nav 導(dǎo)航系統(tǒng)是Sonardyne 公司研制的高精度一體式混合海底導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)包括了Sonardyne 公司研制的SPRINT 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、Syrinx 600kHz DVL 和高精度智能壓力傳感器。 其中, SPRINT-Nav 700 配備了性能最高的慣性器件, 包括霍尼韋爾的環(huán)形激光陀螺儀和加速度計, 保守引用精度為0.04%2dRMS。 此外,隨著水下滑翔機(jī)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大, 其受能源、體積等因素限制, 由MEMS 慣性器件構(gòu)成的低功耗、小體積慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將備受青睞。

3.3 導(dǎo)航系統(tǒng)智能化

隨著新型水下導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展成熟, 多種水下導(dǎo)航系統(tǒng)輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的局面將更加明顯和牢固。 多源信息融合技術(shù)將會獲得突破性的發(fā)展, 使得導(dǎo)航算法更靈活, 能夠很大程度上克服上述各導(dǎo)航系統(tǒng)帶來的問題, 實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),可以快速根據(jù)環(huán)境變化對導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行配置、重構(gòu), 使其具有更強(qiáng)的魯棒性和容錯性, 同時可以執(zhí)行更復(fù)雜的作業(yè)任務(wù), 如多個AUV 進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航、建立水下環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)、提高水下環(huán)境監(jiān)測能力和范圍。

3.4 導(dǎo)航系統(tǒng)體系化

2016 年9 月初, 美國海軍發(fā)布的新版《水下戰(zhàn)科技目標(biāo)》 中明確提出了兩個重點關(guān)注領(lǐng)域,即水下機(jī)動作戰(zhàn)和水下精確定位導(dǎo)航授時。 該文件指出, 對于執(zhí)行水下任務(wù)的設(shè)備, 能夠精確定位自身是至關(guān)重要的, 未來水下裝備需要新的定位導(dǎo)航授時方法, 在敵方拒止區(qū)域?qū)⒍ㄎ粚?dǎo)航授時誤差降到最低。 因此, 美軍也正在加緊構(gòu)建海陸空天GPS 拒止區(qū)域的高精度導(dǎo)航定位授時體系,如圖11 所示［48］。

圖11 海陸空天PNT 體系構(gòu)想Fig.11 Conception of PNT system for land, sea, air and space

未來, 水下導(dǎo)航系統(tǒng)將綜合利用自主導(dǎo)航系統(tǒng)和非自主導(dǎo)航系統(tǒng), 借助水聲通信與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行交互, 通過高精度原子鐘的守時/授時技術(shù)形成水下PNT 體系, 為水下運(yùn)載體提供高精度、高可靠性的實時PNT 信息服務(wù)。

雖然我國已初步形成天基、陸基和空基的PNT系統(tǒng), 但是水下PNT 體系建設(shè)還是一片空白, 因此我國水下導(dǎo)航的體系化建設(shè)仍任重而道遠(yuǎn)。

4 結(jié)論

隨著原子陀螺等慣性儀表精度的不斷提升,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在未來水下導(dǎo)航中仍將發(fā)揮不可替代的作用。 而隨著地球物理場導(dǎo)航以及仿生導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等新興導(dǎo)航技術(shù)的不斷進(jìn)步, 高精度、小型化、智能化、體系化將是水下導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主方向, 這將成為未來AUV 邁向深遠(yuǎn)海以及向長航時、多樣化、智能化發(fā)展過程中極為關(guān)鍵的保障條件。