海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

陳剛, 饒鑫, 朱永濤, 杜逸清, 趙小明

(天津航海儀器研究所, 天津 300131)

海上平臺慣性導(dǎo)航(以下簡稱慣導(dǎo))系統(tǒng)主要負責(zé)對平臺的運動信息測量及推算定位定向,通過與平臺控制系統(tǒng)、航行系統(tǒng)、勘測任務(wù)等系統(tǒng)深度交聯(lián),可實現(xiàn)自動導(dǎo)航、自動停泊、高精度勘探等能力,能夠有效地提高任務(wù)系統(tǒng)精度和可靠性。海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代軍用、民用艦艇、無人航行器等導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分,是衡量海上平臺性能的重要技術(shù)指標之一。

海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的動力主要源于海洋資源開發(fā)、海工裝備發(fā)展等外部需求更新,源于工業(yè)技術(shù)發(fā)展帶來的慣性元件原材料革新與新機理元件出現(xiàn)等核心技術(shù)升級,并向高精度、高可靠性、低成本與適裝性等性能指標不斷發(fā)展。隨著導(dǎo)航及相關(guān)行業(yè)的技術(shù)革新、海上軍民用平臺能力要求變化以及應(yīng)對未來可能存在的海上安全威脅等情況,我國亟需發(fā)展獨立自主的海上平臺慣導(dǎo)技術(shù)。

1 海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的需求與挑戰(zhàn)

隨著日趨復(fù)雜的海上任務(wù)需求、廣度與深度更高要求的海上作業(yè)情況,對海上平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)提出了新的技術(shù)要求:1)高精度、長周期、慣性組合導(dǎo)航一體化,綜合應(yīng)用不同的自然導(dǎo)航信息源與人工導(dǎo)航信息源,滿足長周期導(dǎo)航需求;2)適用于多種有人/無人平臺、復(fù)雜海況,連續(xù)自動推算顯示平臺更多、更為精確的運動參數(shù)信息;3)全天候自主工作,適應(yīng)高強度遠洋、深海作業(yè)需求。對標需求與結(jié)合現(xiàn)狀,海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展正面臨著如下挑戰(zhàn)。

1)海上平臺自主導(dǎo)航能力仍需加強。

慣導(dǎo)系統(tǒng)推算的定位誤差隨時間積累,還需結(jié)合其他導(dǎo)航技術(shù)進行定期修正,以保持原有的參數(shù)精度。目前主流的海上平臺導(dǎo)航系統(tǒng)以慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航為主。雖然我國已投入使用北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),具備自主衛(wèi)星導(dǎo)航能力,但隨著干擾技術(shù)的不斷發(fā)展,如區(qū)域多點壓制干擾、基于軌跡誘導(dǎo)的智能欺騙式干擾等[1],導(dǎo)航系統(tǒng)在實際應(yīng)用中將不可避免地面臨衛(wèi)星信息丟失、錯誤等組合導(dǎo)航失效的情況。另外在水下作業(yè)無法應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,如深海資源勘探、水下海洋工程等,因此海上平臺自主導(dǎo)航能力仍需不斷增強,大力發(fā)展慣性導(dǎo)航技術(shù)以及海洋環(huán)境特有的組合導(dǎo)航技術(shù),提升精度和環(huán)境適應(yīng)性等能力以滿足海上平臺導(dǎo)航需求。

2)高動態(tài)下的運動信息精確測量。

導(dǎo)航過程中,慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠測量并輸出平臺的狀態(tài)信息如姿態(tài)角、速度、角速度、加速度、位置和升沉等(如圖1所示),以實現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)及設(shè)備的深度交聯(lián),滿足海上平臺任務(wù)需求,如無人平臺收放、船舶軌跡跟蹤與動力定位等。在海上平臺航行與作業(yè)過程中,往往要面臨復(fù)雜海況或海上平臺需要進行大機動動作的情況,此時慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差積累效應(yīng)會更加明顯,進而影響平臺的導(dǎo)航與控制性能及其他設(shè)備的使用可靠性,如何在高動態(tài)下精確測量平臺運動信息成為當前不可逾越的技術(shù)難題與新的挑戰(zhàn)。

圖1 慣導(dǎo)系統(tǒng)測量船舶運動狀態(tài)信息示意Fig.1 Schematic diagram of inertial navigation system measurement of ship motion imformation

3)無人平臺編隊任務(wù)提出協(xié)同導(dǎo)航需求。

無人平臺編隊即無人集群具有對抗交換成本低、復(fù)雜環(huán)境自適應(yīng)、抗毀性強等優(yōu)勢,在軍用領(lǐng)域具有顛覆未來戰(zhàn)爭樣式的潛力,被美軍列為實現(xiàn)第3次抵消戰(zhàn)略的顛覆性技術(shù)之一,在民用領(lǐng)域可用于海洋礦產(chǎn)資源勘察、海洋環(huán)境信息監(jiān)測、海底地形地貌測繪勘測、海洋無人救險、深海船只打撈等。

無人集群是以特定的構(gòu)型來保證任務(wù)執(zhí)行的高效性,因此隊形的保持或快速重構(gòu)是無人集群需要解決的一個關(guān)鍵問題。無人集群相比單平臺,安全、快速地航行至任務(wù)地點將面臨更多的問題,基于海域環(huán)境、無人平臺動力學(xué)特點等邊界條件合理規(guī)劃無人集群航行路徑,并精確控制無人平臺行駛至任務(wù)點,也是無人集群需要解決的一個基礎(chǔ)問題。能高效解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)為無人集群協(xié)同導(dǎo)航技術(shù),要求具有精確的協(xié)同定位能力,依賴的技術(shù)就是以慣導(dǎo)為核心的自主導(dǎo)航技術(shù),需要解決基于無人集群通信測距測向信息的慣性組合導(dǎo)航、弱通信條件觀測信息補償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。

2 海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著海上作業(yè)環(huán)境的日趨復(fù)雜,軍備對抗的不斷升級,慣導(dǎo)技術(shù)由于其全天候、抗干擾能力強、自主性好等優(yōu)勢,一直是海上平臺導(dǎo)航技術(shù)中的研究熱點,在艦艇導(dǎo)航領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用,并不斷向軍民融合領(lǐng)域擴展。

目前海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)中,可依據(jù)使用的陀螺類型分為靜電、光學(xué)、諧振、原子等類別,且各國已經(jīng)研制了許多相對成熟的產(chǎn)品并投入使用。同時為了解決慣導(dǎo)/衛(wèi)星組合導(dǎo)航中衛(wèi)星失效的問題,國內(nèi)外研究者們還結(jié)合海洋環(huán)境提出了許多新的組合導(dǎo)航方案,通過融合如水聲、地球物理場等外部信息以提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度,并取得了研究成果[2]。

2.1 海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)是一種不依賴于外部信息自主推算艦位的導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能建立導(dǎo)航坐標系,獲得載體坐標系相對導(dǎo)航坐標系姿態(tài)信息,通過測量載體在導(dǎo)航坐標系的加速度,經(jīng)積分解算得到速度信息,再積分得到載體位置信息,從而建立全量定位導(dǎo)航信息。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件是慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU),用于測量載體的三軸姿態(tài)角以及加速度,通常由陀螺儀、加速度計組成,部分還包含磁力計。陀螺儀主要用于測量載體三軸的角度/角速度,加速度計用于測量三軸的加速度,磁力計可提供磁場信息輔助測量。

由于高精度陀螺儀制造困難,價格高昂,且由陀螺儀引起的慣導(dǎo)系統(tǒng)定位誤差相較于加速度計更加顯著,因此陀螺儀發(fā)展能代表慣性技術(shù)發(fā)展情況,其性能主要體現(xiàn)在陀螺零偏與標度穩(wěn)定性2個方面,目前主要陀螺技術(shù)性能如圖2所示[3]。靜電陀螺是目前最高精度的陀螺技術(shù),能滿足戰(zhàn)略級應(yīng)用需求,原子陀螺還處于研究階段,具備更高精度的潛力;激光、光纖陀螺是目前覆蓋海上及各領(lǐng)域平臺范圍最廣的陀螺技術(shù),能滿足導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用需求,諧振陀螺正展現(xiàn)出與光學(xué)陀螺相當?shù)募夹g(shù)能力。

圖2 陀螺儀技術(shù)性能Fig.2 Technical specifications of gyroscope

2.1.1 靜電陀螺慣導(dǎo)技術(shù)

靜電陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)將機械式陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)性能發(fā)展到頂峰,靜電陀螺轉(zhuǎn)子利用靜電支承在超高真空球腔旋轉(zhuǎn),漂移干擾力矩小,陀螺極限精度可達到10-6(°)/h的量級。美國在20世紀70年代研制靜電陀螺導(dǎo)航系統(tǒng),首先研制了靜電陀螺監(jiān)控器,用于監(jiān)控艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng),提高潛艇導(dǎo)航精度。在靜電陀螺應(yīng)用技術(shù)成熟后,于1990年研制了能獨立完成導(dǎo)航的靜電陀螺導(dǎo)航系統(tǒng),慣性元件采用實心鈹球轉(zhuǎn)子靜電陀螺和電磁加速度計,系統(tǒng)采用四環(huán)框架結(jié)構(gòu),具備極區(qū)導(dǎo)航能力,其導(dǎo)航性能比攻擊型核潛艇重調(diào)周期長11倍,具備支持核潛艇長周期水下隱蔽航行,并為潛射導(dǎo)彈提供高精度位置、速度、航向等信息。

俄羅斯中央電氣科學(xué)研究所研制φ50 mm的空心鈹球轉(zhuǎn)子靜電陀螺,具有殼體旋轉(zhuǎn)功能抵消與殼體固連的有規(guī)律漂移,轉(zhuǎn)子的懸浮由3對互相正交的電極來支撐,陀螺精度優(yōu)于0.000 1(°)/h,應(yīng)用于靜電陀螺監(jiān)控器,裝備于臺風(fēng)級導(dǎo)彈核潛艇。法國薩基姆公司應(yīng)用φ6 mm的實心鈹球轉(zhuǎn)子靜電陀螺,也采用了陀螺殼體正反轉(zhuǎn)技術(shù),調(diào)制后的隨機漂移優(yōu)于0.000 1(°)/h,由其構(gòu)成的靜電陀螺監(jiān)控器裝備在凱旋級導(dǎo)彈核潛艇。

靜電陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)雜,所以維護成本高,隨著新發(fā)展光學(xué)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能能滿足大部分艦艇導(dǎo)航需求,靜電陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用范圍存在局限性。但由于靜電陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)仍是世界上精度最高的慣導(dǎo)系統(tǒng),其依然以其高精度性能應(yīng)用于核潛艇,并在超高精度場合繼續(xù)應(yīng)用,如2004年引力探測器用于檢驗廣義相對論正確性,其搭載的陀螺儀測量精度可達0.000 5″以上,陀螺內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 靜電懸浮陀螺儀Fig.3 Gyroscope of electrostatic suspended

2.1.2 光學(xué)陀螺慣導(dǎo)技術(shù)

光學(xué)慣導(dǎo)技術(shù)的相關(guān)研究起步較早,在20世紀70年代后期就進入了實用領(lǐng)域,目前市面上已經(jīng)具備許多成熟的產(chǎn)品,是導(dǎo)航級慣性導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的首選,預(yù)計未來5～10年,高端慣性技術(shù)市場仍將以光學(xué)慣導(dǎo)技術(shù)為主導(dǎo)。目前光學(xué)慣導(dǎo)技術(shù)可依據(jù)使用陀螺類型分為激光和光纖兩大類。

1)激光陀螺慣導(dǎo)技術(shù)。

激光陀螺在同等高性能陀螺中具有零偏重復(fù)性好,工作壽命長的特點。與光纖陀螺相比,其標度因數(shù)非常穩(wěn)定,可以控制在10-6,且標度因數(shù)對稱性、非線性特性穩(wěn)定,特別適用于對標度因數(shù)要求高的高動態(tài)運載體。

目前國外激光陀螺主要采用增大激光諧振腔尺寸及參數(shù)優(yōu)化、速率偏頻等技術(shù)[4,6]來提高其測量精度,技術(shù)已趨于成熟,其中美國Honeywell公司研制了最典型的激光陀螺產(chǎn)品GG1320AN如圖4所示。

圖4 GG1320AN激光陀螺儀Fig.4 GG1320AN ring laser gyroscope

由于激光陀螺核心是以熔融石英玻璃為材料的環(huán)形氦氖激光器,陀螺基本性能與敏感光路面積成正比,高精度激光慣導(dǎo)系統(tǒng)需要更大尺寸的激光器,導(dǎo)致系統(tǒng)體積質(zhì)量難以維系理想狀態(tài)。因此國內(nèi)外研究機構(gòu)還提出了基于一體化集成思想的“空間三軸激光陀螺”等技術(shù)方案[7]來滿足高精度激光慣導(dǎo)發(fā)展需求。

美國斯佩里公司基于二頻機抖激光陀螺GG1320、GG1342研制的MK39 Mod3C單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光慣導(dǎo)系統(tǒng)和MK49雙軸慣導(dǎo)系統(tǒng)是最為典型的激光慣導(dǎo)產(chǎn)品,MK39 Mod3C內(nèi)部如圖5所示,包括激光陀螺慣組、單軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、緩沖裝置,應(yīng)用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)大幅抑制陀螺漂移,系統(tǒng)定位精度保持能力為1 n mile/24 h,MK49的重調(diào)周期超過10 d。兩型激光慣導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于美國及北約國家海軍水面艦艇于潛艇,是其艦艇導(dǎo)航主慣導(dǎo)設(shè)備。

圖5 MK39 Mod3C單軸激光慣導(dǎo)系統(tǒng)Fig.5 MK39 Mod3C RLG INS with single axis

法國Thales公司也是較早開展激光陀螺研究的機構(gòu),其生產(chǎn)的專為海洋環(huán)境設(shè)計的TopAxyz慣性導(dǎo)航系統(tǒng),精度可達1 n mile/72 h,能夠長期提供準確、可靠的導(dǎo)航信息,不受海況和載體位置的影響,可廣泛適應(yīng)海上各類平臺的應(yīng)用需求。

總體來說,國外激光慣導(dǎo)技術(shù)主要朝著高性能小型化與大腔長超高精度2個方面發(fā)展,并已趨于成熟。

2)光纖陀螺慣導(dǎo)技術(shù)。

光纖慣導(dǎo)技術(shù)的核心為光纖陀螺,它由光纖環(huán)圈、光源及電子器件組成,無機械旋轉(zhuǎn)部件,是純固體陀螺,通過檢測光纖環(huán)圈中相向運行的兩束光的相位差來確定外部載體角速度。具有分辨率高、耐真空、抗輻照等特點,并隨光纖環(huán)圈的纖長不同,可覆蓋不同的精度范圍[8]。

目前光纖陀螺按照工作方式的不同,主要有干涉式光纖陀螺(I-FOG)和諧振式光纖陀螺(R-FOG)2類。其中諧振式光纖陀螺在小型化、低成本方面更具優(yōu)勢,且由于采用高斯相干光源,其頻率穩(wěn)定性要比干涉式光纖陀螺高得多,逐漸成為小型化、低成本光纖陀螺研究的重要趨勢之一。國外主要采用增大環(huán)圈、三軸一體化來提升光纖陀螺綜合性能,使其朝著高精度、小型化、低成本及抗惡劣環(huán)境等方向發(fā)展[9,12]。美國Northrop Grumman公司制造的μFORS系列光纖陀螺如圖6所示。

圖6 μFORS系列光纖陀螺儀Fig.6 μFORS fiber optic gyroscope

光纖陀螺技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已形成成熟慣導(dǎo)產(chǎn)品,國外主要的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)研制單位有美國Northrop Grumman公司、法國iXblue公司等,旗下產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航海領(lǐng)域。Northrop Grumman公司SeaFIND是為中、小型作戰(zhàn)艦艇和輔助艦艇研發(fā)的一款艦艇光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng),其尺寸大小僅為250 mm×250 mm×127 mm,質(zhì)量為4.9 kg,產(chǎn)品形態(tài)如圖7所示,性能指標優(yōu)于1 n mile/24 h,已通過美國海岸警衛(wèi)隊型式認可。

圖7 SeaFIND光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)Fig.7 SeaFIND FOG INS

法國iXblue公司近年來依次推出覆蓋海洋資源勘探、船舶導(dǎo)航控制等任務(wù)需求的慣導(dǎo)、姿態(tài)基準與羅經(jīng)全系列產(chǎn)品,主要包括Phins慣導(dǎo)、Octans與Quadrans姿態(tài)基準及羅經(jīng)等產(chǎn)品,近年來開發(fā)出精度更高的Marins光纖慣導(dǎo)產(chǎn)品,產(chǎn)品覆蓋全球主要船舶應(yīng)用領(lǐng)域,裝備全球超30個國家的海軍,充分滿足高低端領(lǐng)域不同需求。其Marins系列慣導(dǎo)系統(tǒng)采用純捷聯(lián)技術(shù)方案,通過增加光纖環(huán)圈直徑途徑提高系統(tǒng)精度性能,且具備低功耗、高可靠性的優(yōu)勢,目前2019年最新推出的Marins M11性能達到了1 n mile/15 d,其全系產(chǎn)品如表1所示。

表1 法國iXblue公司光纖陀螺慣導(dǎo)產(chǎn)品及其技術(shù)指標Table 1 Drawing and technical specifications of iXblue FOG INS products

2.1.3 諧振陀螺慣導(dǎo)技術(shù)

半球諧振陀螺屬于哥氏振動陀螺,是高精度新型的純固態(tài)振動陀螺,由于組成部件少具有極佳的可靠性,且在同一尺寸下實現(xiàn)不同等級的陀螺精度,是最有潛力實現(xiàn)高精度、小型化、低成本的陀螺儀,目前已成為國外慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。

目前,諧振慣導(dǎo)技術(shù)的技術(shù)難點主要集中在半球諧振子的加工制造和大動態(tài)角速度測量2個方面。加工制造層面的研究重點主要聚焦于高Q值石英材料的研發(fā),諧振子調(diào)平、低應(yīng)力加工等關(guān)鍵點。針對大動態(tài)下的角速度精確測量的問題,全角模式控制技術(shù)成為拓展半球諧振系統(tǒng)應(yīng)用的必然之選,國內(nèi)外針對全角模式下的高精度信號檢測技術(shù)、自標定補償技術(shù)開展了大量相關(guān)研究[13]。

目前市場上法國Safran公司諧振慣導(dǎo)技術(shù)居世界前列,研制的諧振陀螺零偏穩(wěn)定性可優(yōu)于0.001(°)/h,標度因數(shù)穩(wěn)定性可優(yōu)于10-6,其產(chǎn)品如圖8所示。Safran的各個慣導(dǎo)產(chǎn)品已實現(xiàn)在海陸空天各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,產(chǎn)品如表2所示,其生產(chǎn)的BLUENAUTE PLATNIUM系列的姿態(tài)方位參考設(shè)備,精度高,可靠性MTBF指標達到20×104h,能夠適應(yīng)海洋船舶、各類型艦艇應(yīng)用需求。慣導(dǎo)產(chǎn)品有ARGONYX、BLACK-ONYX等系列,主要為艦艇安全航行、艦載武器提供基準信息,全面替代基于激光陀螺的上一代SIGMA40系列產(chǎn)品。

表2 法國Safran公司諧振陀螺慣導(dǎo)產(chǎn)品及其技術(shù)指標Table 2 Drawing and technical specifications of Safran HRG INS products

圖8 HRG諧振陀螺儀Fig.8 Hemispherical resonator gyroscope

2.1.4 原子陀螺慣導(dǎo)技術(shù)

原子陀螺慣導(dǎo)技術(shù)根據(jù)陀螺原理主要有冷原子干涉[14-15]和原子自旋[16,18]兩大主流方向。

基于冷原子干涉技術(shù)的原子陀螺,原子波和光波類似,都可以發(fā)生干涉,原子具有德布羅意波長短、自由演化時間長和響應(yīng)頻率窄等優(yōu)點,在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域,理論上原子陀螺儀的靈敏度比光學(xué)陀螺儀至少高2個數(shù)量級。隨著磁光阱技術(shù)發(fā)展,原子冷卻與陷俘的技術(shù)手段實現(xiàn)重大突破,以冷原子干涉為基礎(chǔ)的精密測量逐漸成熟。采用左右對拋雙環(huán)路形式的冷原子干涉陀螺儀如圖9所示,它利用差分測量的方式消除環(huán)境噪聲所引入的相位誤差,具有實現(xiàn)更高精度等級角速度和加速度測量的潛力。

圖9 基于自由拋射的冷原子干涉陀螺Fig.9 Cold-atom interferometry gyroscope with free ejection

基于原子自旋陀螺方面,美國普林斯頓大學(xué)開展了SERF陀螺技術(shù)研究工作,在高壓、高濃度工作物質(zhì)原子及弱磁條件下,通過檢測原子自旋磁矩隨載體運動的變化,實現(xiàn)角速度測量,測量精度達到2×10-6(°)/(s/Hz1/2)。美國諾格公司開展了核磁共振陀螺技術(shù)研究,已實現(xiàn)陀螺芯片化,在模擬應(yīng)用條件下,陀螺精度達到0.02(°)/h,為實現(xiàn)慣性測量系統(tǒng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在推進原子慣導(dǎo)應(yīng)用方面,美國專門從事冷原子量子技術(shù)的ColdQuanta公司獲得政府支持,應(yīng)用Quantum Core技術(shù),將原子冷卻至接近絕對零溫度,并使用激光以極高的精度操縱和控制原子,實現(xiàn)慣性測量,該公司將原子鐘、陀螺儀、加速度計等慣性導(dǎo)航設(shè)備相結(jié)合,組成第一個量子定位系統(tǒng)。

雖然冷原子陀螺具備的高精度、高分辨率的特點在高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域有先天的優(yōu)勢,然而目前該技術(shù)還處于實驗室研究階段,尚未形成工業(yè)化產(chǎn)品[19],預(yù)計還需要較長時間的探索研究過程。而核磁共振陀螺有望在芯片化過程中,在解決自身啟動特性條件下,實現(xiàn)陀螺及慣性系統(tǒng)應(yīng)用。

2.2 海上平臺慣性組合導(dǎo)航技術(shù)

2.2.1 慣性/水聲組合導(dǎo)航技術(shù)

純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差會隨時間積累發(fā)散,難以滿足海上平臺長時間任務(wù)需求,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然能全天候提供高精度定位信息,但其電磁波信號易受干擾,且存在暴露的風(fēng)險。因此需要發(fā)展其他組合導(dǎo)航技術(shù),目前較為常見的是結(jié)合水聲導(dǎo)航技術(shù)與地球物理場匹配技術(shù)提高慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航精度[20]。

水聲組合導(dǎo)航技術(shù)可分為慣性/多普勒測速儀(doppler velocity log,DVL)組合導(dǎo)航技術(shù)和慣性/水聲定位組合導(dǎo)航技術(shù),分別融合了DVL提供的速度信息和水聲定位提供的位置信息。

1)慣性/DVL組合導(dǎo)航技術(shù)。

DVL基于多普勒頻移原理,根據(jù)與水底的相對距離采用底跟蹤/水跟蹤模式,測量載體對底/對流速度,具有測速精度高等優(yōu)點。

在DVL產(chǎn)品研發(fā)方面,國外主流設(shè)備具備多種工作頻率,對底量程為8～150 m,對水量程為30～300 m,測速精度優(yōu)于0.05 m/s。高精度的對底測速能力為DVL與慣導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)創(chuàng)造了條件,圖10為法國iXblue公司應(yīng)用DVL形成的Rovins 9 DVL一體化組合導(dǎo)航產(chǎn)品,具有尺寸小、質(zhì)量輕、傳輸快、測速準和作用范圍廣等優(yōu)點。

圖10 Rovins 9慣性/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.10 Rovins 9 IMU/DVL integrated navigation system

目前慣導(dǎo)/DVL組合導(dǎo)航技術(shù)[21]研究重點主要涵蓋對準、標定、數(shù)據(jù)融合和故障檢測等方面[22-26]。慣導(dǎo)系統(tǒng)在使用前必須進行初始對準,其初始對準結(jié)果將極大影響最終組合精度,而面對復(fù)雜的海面情況和任務(wù)需求,初始對準往往需要在運動過程中或無GPS信號的情況下進行,因此一些學(xué)者提出了基于DVL輔助的動基座對準方案以提升對準精度。另外DVL的刻度因子誤差和DVL與慣導(dǎo)系統(tǒng)間的安裝誤差也是影響組合導(dǎo)航精度的主要因素,因此需要研究如何對上述誤差進行標定。在組合導(dǎo)航過程中,DVL能提供準確的速度信息應(yīng)用卡爾曼濾波(Kalman filter,KF)算法以實現(xiàn)對慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航誤差的抑制,組合模型可分為松組合與緊組合2類:松組合利用DVL量測出的速度信息與慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的速度信息相組合,模型簡單;緊組合直接利用DVL輸出原始波束信息與慣導(dǎo)系統(tǒng)估計出等效波束速度進行濾波,定位精度高且能降低接收波束的數(shù)量約束,但計算量要高于松組合。國內(nèi)外研究者針對松/緊組合模式提出了許多具備更高精度和抗干擾能力的濾波算法等,組合模式示意圖如圖11所示。為了防止DVL數(shù)據(jù)的失效狀態(tài)影響導(dǎo)航精度,研究者們還引入故障檢測算法,提高導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯性。

圖11 慣性/DVL組合模型Fig.11 IMU/DVL integrated navigation model

2)慣性/水聲定位組合導(dǎo)航技術(shù)。

水聲定位技術(shù)是利用水聲傳播的時延和相位差,從聲波信號中獲取應(yīng)答器和載體間的距離和方位角信息,利用相對幾何關(guān)系確定載體絕對位置,根據(jù)基線長度可以分為長基線(long baseline,LBL)、短基線(short baseline,SBL)和超短基線(ultra short baseline,USBL)。

在水聲定位產(chǎn)品研發(fā)方面,英國的Sonardyne公司、挪威的Kongsberg等公司居世界領(lǐng)先地位。Sonardyne的超短基線產(chǎn)品Ranger2適配性和功能性最強,作用范圍可達11 000 m,斜距精度0.04%D(D代表斜距),圖12為Sonardyne生產(chǎn)的集成Ranger2的一體化組合導(dǎo)航產(chǎn)品。

圖12 慣性/水聲定位組合導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.12 IMU/USBL integrated navigation system

目前慣性/水聲組合導(dǎo)航技術(shù)[27]研究重點主要集中于誤差標定技術(shù)、松/緊組合模型和濾波算法等方面[28-30]。

水聲定位系統(tǒng)需要慣導(dǎo)系統(tǒng)提供姿態(tài)信息,因此需要提前標定二者的安裝誤差角。傳統(tǒng)的標定方法可歸納為最小二乘法和矩陣分解兩大類。近年來,基于卡爾曼濾波的安裝誤差標定方法被廣泛研究,由于水聲定位系統(tǒng)的測量方程存在方位信息,具有很強的非線性,因此提出了許多基于擴展卡爾曼濾波、容積卡爾曼濾波等適用于非線性模型的系統(tǒng)標定算法。

在組合導(dǎo)航過程中,水聲定位系統(tǒng)能提供位置信息以實現(xiàn)對慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航誤差的抑制,根據(jù)觀測信息與組合系統(tǒng)誤差狀態(tài)方程的耦合程度不同,分為松組合與緊組合2種類型。松組合以位置差作為觀測量的方式進行組合,即以慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出經(jīng)、緯度和高度與水聲定位系統(tǒng)輸出位置信息的差值作為位置觀測量,通過卡爾曼濾波來實時估計慣導(dǎo)系統(tǒng)模型誤差量。緊組合以水聲定位系統(tǒng)直接輸出的時延、方位角等相對量測信息進行匹配組合。組合模式示意圖如圖13所示。國內(nèi)外學(xué)者基于松/緊組合提出了許多改進的組合建模方法,提高了組合精度。

圖13 慣性/水聲定位組合模型Fig.13 IMU/USBL integrated navigation model

2.2.2 慣性/地球物理場匹配技術(shù)

地球物理場匹配導(dǎo)航是利用重磁傳感器、多波束地形探測儀等探測模塊實時測量海洋局部的重力場、磁場、海底地形,與該區(qū)域先驗基準圖數(shù)據(jù)庫進行特征匹配,實現(xiàn)載體位置自主匹配。先驗基準圖來源于對航行海域已有的物理測繪,將采集到的數(shù)據(jù)融合成基準圖,并形成基準圖數(shù)據(jù)庫,在航行過程中通過地球物理場測量傳感器實時測量載體周邊的各種物理場參數(shù),并與基準圖進行特征匹配,從而獲取匹配定位信息,并進一步校準慣導(dǎo)系統(tǒng),整體工作流程如圖14所示,其中重力場匹配是較典型的匹配導(dǎo)航技術(shù)。

圖14 地球物理場匹配輔助慣導(dǎo)示意Fig.14 Schematic diagram of geophysical field matching navigation

重力場導(dǎo)航系統(tǒng)由慣導(dǎo)系統(tǒng)、重力基準數(shù)據(jù)庫、重力儀和匹配信息處理系統(tǒng)4部分組成,載體通過重力儀連續(xù)測量載體經(jīng)過位置的重力特征信息,將重力測量值信息與該區(qū)域的重力數(shù)據(jù)庫地圖進行匹配,通過匹配求得載體最相近的位置坐標。重力場導(dǎo)航系統(tǒng)只有在重力變化相對豐富的區(qū)域才能進行有效匹配,且等效匹配信號信噪比高,因此重力基準圖構(gòu)建、適配區(qū)選擇和匹配算法是重力匹配輔助慣性導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)[31]。

傳統(tǒng)海洋重力場通過海面船舶或海底拖曳的方式測量得到,隨著近年來重力儀、高精度定位、衛(wèi)星測高等技術(shù)的快速發(fā)展,能在較大范圍海域快速構(gòu)建不同比例尺海洋重力場數(shù)據(jù)庫,并可通過拉普拉斯方程推算獲得全球海洋重力場數(shù)據(jù)庫。國外主要重力測量設(shè)備型號包括加拿大GT-2M、美國SEA III、俄羅斯圣彼得堡科學(xué)研究中心電氣儀表所Chekan-AM,其性能參數(shù)如表3所示[32]。

表3 海洋重力儀設(shè)備性能參數(shù)Table 3 Specifications of marine gravimeter products

在重力匹配過程中,為實現(xiàn)高精度匹配定位,還需要適配區(qū)重力基準圖具有高分辨率比例尺,且匹配區(qū)域范圍也要滿足匹配算法要求的航線長度,還可通過插值法在測量點間建立更高分辨率和精度的數(shù)據(jù)。

重力匹配算法可分為序列匹配和單點匹配兩大類[33-34]。其中序列匹配因其具備精度高、魯棒性強等優(yōu)點成為主流方案,它通過在匹配航線上將慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)序列與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比較,基于方差最小化原則,求得接近真實航線的載體位置。匹配的快速實現(xiàn)還與慣導(dǎo)系統(tǒng)當前時刻的定位誤差大小相關(guān),慣導(dǎo)誤差與匹配初始誤差成正相關(guān)性,定位誤差較大時,需要較長的匹配時間才完成數(shù)據(jù)收斂。

2.2.3 以慣性為核心的全源信息導(dǎo)航技術(shù)

全源信息導(dǎo)航[35]這個概念來源于美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于2010年11月發(fā)布的報告《All source positioning and navigation,APSN》,該報告提出發(fā)展可配備多種導(dǎo)航傳感器的即插即用式的全源導(dǎo)航方法,為用戶提供衛(wèi)星拒止情況下的高精度定位、導(dǎo)航與授時服務(wù),滿足不斷變化的任務(wù)需求與環(huán)境變化的要求。DARPA于2019年發(fā)布了項目報告《DARPA Positioning, Navigation, and Timing(PNT) Technology and their Impacts on GPS users》,在這份報告中描述了未來的PNT技術(shù)發(fā)展趨勢和不依賴GPS的PNT技術(shù)架構(gòu)如圖15所示,提出未來PNT技術(shù)是以高精度慣性技術(shù)為核心,包括超可靠時鐘技術(shù)、圖像技術(shù)、抗干擾的甚低頻技術(shù)、機會信號技術(shù)和天文技術(shù)等,通過這些技術(shù)實現(xiàn)全源、魯棒的導(dǎo)航和授時。

圖15 DARPA PNT技術(shù)架構(gòu)設(shè)想Fig.15 DARPA PNT technical architecture assumption

適合海上平臺應(yīng)用的全源信息導(dǎo)航技術(shù)是將慣性、衛(wèi)星導(dǎo)航、水聲導(dǎo)航、地球物理場匹配技術(shù)等各種導(dǎo)航信息靈活配置、快速集成的導(dǎo)航技術(shù),能夠適應(yīng)復(fù)雜海洋環(huán)境下高性能導(dǎo)航需求,主要技術(shù)特點:1)以慣導(dǎo)為核心,適合實時全要素導(dǎo)航信息保障應(yīng)用,支持通過多源信息融合提高導(dǎo)航信息精度、穩(wěn)定性、長周期應(yīng)用保障性能;2)采用信息即插即用技術(shù)和開放式系統(tǒng)體系架構(gòu),綜合應(yīng)用慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航、慣性/水聲組合導(dǎo)航、慣性/地球物理場匹配技術(shù),能夠智能識別海洋環(huán)境變化并及時做出信息應(yīng)用調(diào)整,自主選取適當?shù)男l(wèi)星、水聲、地球物理場匹配等測量信息和相應(yīng)的模型庫進行自適應(yīng)處理,實現(xiàn)對多源導(dǎo)航資源的優(yōu)化配置。

2.2.4 協(xié)同導(dǎo)航定位技術(shù)

隨著水中航行器技術(shù)發(fā)展,單一潛艇已難以滿足日趨復(fù)雜的水下任務(wù)需求,因此多無人平臺聯(lián)合工作逐漸進入應(yīng)用階段,協(xié)同導(dǎo)航與定位技術(shù)隨之產(chǎn)生。協(xié)同導(dǎo)航定位是指各無人平臺間通過各種通信手段實現(xiàn)協(xié)同,進而實現(xiàn)導(dǎo)航資源的有效整合。在海洋應(yīng)用中,水面主要應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈通信,水下應(yīng)用水聲通信實現(xiàn)空間立體的多平臺協(xié)同導(dǎo)航定位。美國麻省理工學(xué)院海洋實驗室聯(lián)合多家研究機構(gòu)開展了自主海洋采樣網(wǎng)絡(luò)項目研究,其主要任務(wù)基于無人集群的協(xié)同導(dǎo)航定位實現(xiàn)海底地圖精確測繪,測繪效果直接受協(xié)同定位、慣性自主定位影響。

目前水中無人集群主要采用主從式無人集群的模式,包括1～2個主艇及周邊多個從艇,主艇搭載高精度慣導(dǎo)系統(tǒng),并可通過獲取衛(wèi)導(dǎo)位置信息修正慣導(dǎo)誤差,實現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位。從艇搭載的慣導(dǎo)系統(tǒng)精度相對較低,通過數(shù)據(jù)鏈或水聲通信設(shè)備測量主從慣導(dǎo)系統(tǒng)的相對位置信息并接收來自主艇的觀測信息,從而獲得更精確的外部位置信息實現(xiàn)對自身慣導(dǎo)位置誤差的校正。并行式架構(gòu)下航行器導(dǎo)航傳感器精度則基本相同,主要通過相互間的信息融合技術(shù)實現(xiàn)整體導(dǎo)航性能的提升,如圖16所示。

圖16 無人集群協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)Fig.16 Unmanned cluster collaborative navigation technology

無人集群協(xié)同定位精度主要受到慣導(dǎo)自主定位誤差、數(shù)據(jù)鏈或水聲通信測距精度、編隊構(gòu)型、協(xié)同定位算法、通信質(zhì)量等影響。由于水下的弱通信條件和水介質(zhì)的特殊性,集群間信息存在時間不同步、連續(xù)性與穩(wěn)定性低等問題,可以將鐘差作為一個狀態(tài)量,列入組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程,通過濾波器優(yōu)化實現(xiàn)對鐘差的實施估計與補償。

3 海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)未來發(fā)展趨勢

3.1 高精度慣性導(dǎo)航導(dǎo)航及其深海平臺應(yīng)用

持續(xù)提升光學(xué)慣性技術(shù)性能,研制新型高可靠半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng),突破高精度慣性儀表制造、系統(tǒng)誤差自監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)較長周期自主定位誤差保持在1 n mile以內(nèi)導(dǎo)航級慣導(dǎo)系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)。

隨著國際戰(zhàn)略環(huán)境的不斷變化以及深海資源開發(fā)需求,深海將具備極其重要的戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟價值。美國非常重視深海無人潛航器的發(fā)展和應(yīng)用,REMUS系列、“金槍魚”系列無人潛航器配備高性能的光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。法國iXblue公司針對深海應(yīng)用需求,在Octans、Phins慣導(dǎo)產(chǎn)品基礎(chǔ)上專門開發(fā)了Subsea系列光纖慣導(dǎo)、羅經(jīng)產(chǎn)品,具有耐不同水深壓力、高可靠、免維護特性,開始在水下航行平臺應(yīng)用,如表4所示。

表4 法國iXblue公司Subsea系列產(chǎn)品技術(shù)指標Table 4 Drawing and technical specifications of iXblue Subsea products

3.2 慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)全源信息自適應(yīng)

目前海上平臺可應(yīng)用的導(dǎo)航手段日趨豐富,除了應(yīng)用水聲、地球物理場信息與慣導(dǎo)信息融合外,隨著仿生技術(shù)發(fā)展,仿生導(dǎo)航也展現(xiàn)了在海洋應(yīng)用的潛力,慣性與仿生導(dǎo)航方法的組合將進一步豐富全源信息導(dǎo)航技術(shù),目前仿生導(dǎo)航方法主要包含地磁、偏振光等手段,可提供測向信息,能有效抑制慣性導(dǎo)航航向誤差發(fā)散,具有隱蔽性強的優(yōu)點。國外已研制偏振光傳感器,完成了偏振光定向試驗驗證,適用于水面及水下一定深度的海洋范圍。

全源信息導(dǎo)航技術(shù)未來重點發(fā)展:1)增強慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用全源信息的適應(yīng)性,根據(jù)海上平臺航行環(huán)境和任務(wù)需求的不同,靈活配置不同導(dǎo)航傳感器和模型庫的智能信息融合能力,實現(xiàn)全源信息自適應(yīng);2)將進一步發(fā)展長周期、全自主、抗干擾等方面具有綜合信息優(yōu)勢的新型慣性多源組合導(dǎo)航技術(shù);3)利用地球物理場自然信息源或水下聲基陣人工信息源,系統(tǒng)架構(gòu)具備快速實現(xiàn)多源信息集成的能力。

3.3 面向多類型無人平臺的小型化慣性導(dǎo)航技術(shù)

未來,水面、水下、勘測、搶險等多類型無人平臺將全面應(yīng)用,隨著慣性儀表及系統(tǒng)精度潛力進一步開發(fā),新型高可靠性、低功耗、小型化的光學(xué)與半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)將會在無人平臺應(yīng)用領(lǐng)域得到更多發(fā)展空間。小型化慣導(dǎo)系統(tǒng)將完善誤差模型及其標定補償技術(shù),建立激勵條件下的系統(tǒng)誤差可觀測性模型,確定適合工程應(yīng)用的辨識算法,在導(dǎo)航過程進行誤差辨識與補償,提升系統(tǒng)使用精度與免維護性能。

通過慣導(dǎo)健康管理建立,實現(xiàn)產(chǎn)品全壽命周期導(dǎo)航數(shù)據(jù)挖掘,形成慣導(dǎo)系統(tǒng)智能化的自身誤差估計與補償能力。結(jié)合外部觀測信息如衛(wèi)星、水聲等信息采用智能化信息融合方案,實現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)智能化自監(jiān)測、自診斷、自學(xué)習(xí)能力,更好適應(yīng)不同的海上平臺環(huán)境與需求,為長周期可靠海上應(yīng)用創(chuàng)造新的技術(shù)實現(xiàn)途徑。

3.4 協(xié)同導(dǎo)航定位智能化

隨著無人集群逐漸形成規(guī)模,其執(zhí)行任務(wù)將日趨復(fù)雜,集群導(dǎo)航傳感器需加強水下聲信號處理與補償精度,考慮聲線彎曲和聲速變化誤差并予以補償,從而提高觀測信息精度,提高無人集群協(xié)同定位觀測量的精度與可靠性。與此同時改進無人集群協(xié)同定位的模型與解算方法,融合智能技術(shù)發(fā)展,將深度學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遞推算法等應(yīng)用于集群協(xié)同定位,提高觀測歷史數(shù)據(jù)應(yīng)用效能、建立數(shù)字孿生分系統(tǒng),在導(dǎo)航過程實時修正誤差模型,通過有效評估觀測數(shù)據(jù),克服中心節(jié)點故障影響,實現(xiàn)無人集群導(dǎo)航傳感器智能自重組與數(shù)據(jù)優(yōu)化。

4 結(jié)束語

綜合分析上述海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)需求與發(fā)展現(xiàn)狀,我國在取得光學(xué)陀螺慣導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上,近期應(yīng)將研究重點投入到提升導(dǎo)航系統(tǒng)的純慣性導(dǎo)航性能、提高平臺運動參數(shù)測量能力,盡快為海上無人平臺、海洋特種裝備提供經(jīng)濟、可靠耐用的慣導(dǎo)產(chǎn)品;投入到慣性/水聲組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)突破。

從慣性技術(shù)發(fā)展和海洋裝備發(fā)展需求來看,海上平臺慣性導(dǎo)航技術(shù)未來發(fā)展趨勢是針對深海應(yīng)用需求,研究高精度自主慣性導(dǎo)航技術(shù);充分發(fā)揮海洋環(huán)境特征,以慣性為核心的全源信息導(dǎo)航技術(shù)將主導(dǎo)未來復(fù)雜海上高精度導(dǎo)航應(yīng)用;以光學(xué)與半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)高可靠、低功耗、小型化為特征的高中低精度慣導(dǎo)系統(tǒng)能覆蓋未來海洋應(yīng)用無人平臺大部分導(dǎo)航信息需求;在無人集群任務(wù)需求與智能技術(shù)牽引下,集群協(xié)同導(dǎo)航定位技術(shù)將走向智能化、去中心化。