慣性導航系統水下校準新方法

汪湛清，房建成

（1. 北京理工大學 自動化學院，北京 100081；2. 北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

水下運載體運行作業過程中，需要精確導航定位信息，這不僅為保證航行安全，尤其在執行某些特定任務，如海底地形、海洋學參數和物理場參數測繪時，導航定位數據是測量參數的基準信息，因此必須保證一定精度。運載體慣導系統長時間水下工作，位置誤差隨時間積累，解決慣導系統水下校準是一項關鍵技術。本文討論了水下運載體慣性導航系統的誤差積累問題，分析了水聲定位系統的幾種標準類型及其與慣導系統組合的可行性。在分析比較這些水聲定位系統不同特點的基礎上，根據有效組合、方便可用、易于實現的原則，提出用超短基線（SSBL）水聲定位系統與慣性導航系統形成組合方案，解決慣導系統水下校準問題，并給出了INS/SSBL組合系統的裝備方案和相關原理算法。

1 水下運載體慣導系統典型工作方式

通常，水下運載體裝備由 DVL 輔助 INS，形成INS/DVL組合慣性導航工作方式。

表1 INS 慣性導航系統精度級別Tab.1 INS Classes

根據不同使用環境和要求組合方式會有所不同，但不論采用何種工作方式，均有隨時間和/或隨航程積累的定位誤差。表1給出的是用于水下運載體定位導航的一組有代表性的DVL 和INS 精度數據。

表2 RDI Workhorse的DVL精度和作用距離規范典型數值Tab.2 RDI workhorse navigator DVL accuracy and range specifications ( o.s. – of speed)

DVL 輔助 INS 導航方式誤差源為運載體固聯速度誤差和航向誤差，在直線航路時這種誤差隨時間積累，沒有外部位置信息不可觀測。但是水下運載體在執行MCM、REA和精細海底測繪任務時，往往需要按“割草機”式（lawn mower pattern）航路運行。在運載體固聯速度誤差和航向誤差較穩定的情況下，“割草機”式的往復航路和航向正反轉變，對上述誤差會有抵消作用。航向改變產生的另一個重要效應，速度誤差在 DVL 輔助 INS 導航系統中成為可觀測量。

由表3可見，不論采用何種組合方式或運行航路，DVL 輔助 INS 均存在隨時間和/或隨航程積累的定位誤差。為了消除積累的定位誤差，須借助外部準確的位置信息對慣性導航系統進行校準或組合。但是，由于水下不透明空間限制了電磁波和光波在水中傳播，水面上層空間中可用的無線電導航、衛星導航、天文導航等技術在水下無法應用。許多運載體通常在較深的水下運行作業，為了獲取準確的外部位置信息，水下運載體不得不浮出水面。頻繁浮出水面一方面要消耗它們有限的動力，而且對于一些隱蔽性作業也不允許。這就提出一個必須解決的關鍵性技術問題：如何在水下消除慣性導航系統積累的位置誤差從而對其進行校準。

表3 DVL輔助INS航路“割草機方式”定位誤差減少效應(比對航路直線方式，DVL 1200 kHz，INS 1 n mile/h，緯度45°)Tab.3 Typical reduction in position error drift for DVL aided INS(When comparing a straight-line trajectory with a lawn mower pattern, the numbers apply for a 1200 kHz DVL,1 n mile/h IMU at 45° latitude.)

當前存在著一些水下校準的理論方法，即所謂地球物理場參數匹配，如重力場參數匹配和地磁場參數匹配等原理方法。但是，采用這些方法不僅需研制價格昂貴的測量設備和相應的算法軟件，還必須采集、積累海量基準數據，用以形成具有相當密度和分辨率的地球物理場參數地圖，這是采用物理場參數匹配的必要條件，這項任務的工作量，以及與其相關物理場參數匹配技術的現實可行性不言而喻。因此，尋求能有效消除慣性導航系統積累誤差的現實可行的技術手段，是解決慣性導航系統水下校準的關鍵技術，也是本文提出并期冀解決的問題。

2 水聲定位系統類型及組合校準可行性分析

20世紀70年代，在海洋工程、海洋經濟、科學研究等需求牽引下，出現了水聲定位設備，根據不同環境下不同對象的使用要求，出現了一些不同類型的系統。它們通常給出的是所謂“視在位置”，即兩目標間的相對距離和相對方位；所以，它們不是真正意義上的導航設備，通常只限于根據特定環境下的特定需求，裝備在活動于有限海域的特定載體上。

水聲定位是一個特定的專業技術領域，在理論和實用設備方面都有充分的研究。因此，本文不準備研究水聲定位系統自身的技術問題，而是根據慣性導航系統水下校準需求，對技術成熟并已商品化的水聲定位系統類型進行分析、比較，提出一種現實可行的，INS/SSBL（慣性/超短基線）組合技術方案，解決慣性導航系統水下校準這一技術關鍵。

2.1 超短基線水聲定位系統（Super Short Baseline System）

聲基線長度 ＜10 cm (λ2)

2.1.1 超短基線水聲定位系統的結構安裝

如圖1所示，超短基線的所有聲單元（單元個數至少為 3）集中安裝在一個收發器中，組成聲基陣。聲單元之間的相互位置精確測定，組成聲基陣坐標系。聲基陣應安裝在艦船載體上，為便于討論，可認為聲基陣坐標系與載體坐標系匹配一致。

圖1 超短基線定位示意圖Fig.1 Diagram of super-short baseline acoustic system

2.1.2 超短基線水聲定位系統的定位原理

系統通過測定聲單元接收聲波的相位差確定換能器到應答器的方向；換能器與應答器的距離通過測定聲波傳播的時間，確定距離進行定位，即角度/距離(angle/range)定位方式。

超短基線水聲定位系統的測量基陣一般由排成等腰直角三角形的三個水聽器組成，其定位原理如圖 2所示。設目標位于S處，坐標為[x,y,z]。目標徑矢為，S′為S在xoy平面上的投影, 它與x軸的夾角θ為目標在xoy平面的方位角。α為徑矢與x軸夾角，β為徑矢與y軸夾角。記1號水聽器和2號水聽器所接收聲波的相位差為φ12，3號水聽器和2號水聽器所接收聲波的相位差為φ32，當目標位置滿足遠場條件，在平面波模型下，有下列空間幾何關系：

圖2 超短基線定位幾何原理Fig.2 Principle of super-short baseline acoustic system

式中，d為基線長度，R為目標斜距，C為水中聲速，Δt為從發送信號到接收信號的時間差。實際的測量值為φ12、φ32、Δt，采用應答測距法根據Δt估計的R精度很高，所以x、y的精度主要取決于φ12、φ32的測量精度。通常陣元間相位差用自適應相位計來測量，這種方法有較高的精度。一種典型SSBL系統產品性能數據為:

定位精度 ------ 0.2% X 斜距；

角度精度 ------ 0.12o。

上述分析可以看出SSBL系統直接給出的“定位”數據是安裝發射基陣載體與應答器兩者在發射基陣坐標系, 即載體坐標系中的“相對”方向和距離，即所謂“視在位置”。

SSBL系統有如下特點：

第一，為獲得目標在地理坐標系中的位置，需要根據安裝發射基陣的載體艏向、姿態、地理坐標等數據，把“視在位置”變換為地理坐標系的“地理位置”，這樣，SSBL系統必須與慣性導航系統組合，才能實現真正意義的定位導航。

第二，SSBL系統給出的是兩目標的“相對”方向和距離，即“相對位置”。如果安裝發射基陣的運載體位置已知，則安裝應答器的水中目標可借此定位；反之，如果應答器的位置已知，則安裝發射基陣的水下運載體可借此定位。這樣，安裝發射基陣的運載體不僅能對安裝應答器的目標跟蹤定位，同時在應答器位置已知情況下，還可對自身定位。這種“雙向定位功能”不僅是解決慣性導航系統水下校準的現實可行的有效關鍵技術，同時還可借以實現水下多運載體協同導航。

第三，SSBL系統只有一個結構緊湊、體積不太大的換能器基陣，便于在目標載體上安裝使用，不受海域限制。

2.2 短基線定位系統（Short Baseline System）

如圖3所示，短基線定位系統由安裝在目標載體的多于三個的換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成聲基陣。換能器之間的距離一般超過10 m，換能器之間的幾何關系精確測定，組成聲基陣坐標系，聲基陣坐標系與載體坐標系的相互關系精確測定。短基線系統的測量方式是由一個換能器發射，所有換能器接收，得到多個不同的斜距觀測值。系統根據聲基陣相對載體坐標系的固定關系，借助外部設備提供的船位、姿態和艏向值，計算得到目標的大地坐標。系統的工作方式是距離／距離(range/range)定位方式。

圖3 短基線定位示意圖Fig.3 Diagram of short baseline acoustic system

短基線定位的主要缺點是: 深水測量要達到高的精度,基線長度一般需要大于40 m；多個換能器安裝標校難度大，也不易避開噪聲部位。

2.3 長基線定位系統（Long Baseline System )

長基線系統包含兩部分，一部分是安裝在載體上的詢問器（interrogator）， 另一部分是一系列已知位置的固定在海底的應答器，至少三個以上。應答器之間的距離構成基線，長度在上百米到幾千米之間，相對超短基線、短基線，稱為長基線系統。

長基線系統是通過測量詢問器和應答器之間的距離，采用測量的交會對目標定位，系統的工作方式是距離／距離(range/range)。如果應答器的地理坐標已知，則安裝詢問器的載體可測得其地理位置。長基線定位系統的限制在于，多個應答器固定安裝在海底，并須準確測定其地理位置，工程艱巨，造價昂貴，安裝標校困難，而且作用范圍只限于應答器覆蓋的海域。

圖4 長基線定位示意圖Fig.4 Diagram of long baseline acoustic system

3 INS/SSBL優選組合方案及原理算法

從上述討論明顯可見，三種水聲定位系統中，SSBL系統只有一個結構緊湊、體積不大的換能器基陣，在運載體上安裝并與慣性導航系統組合，方便易行，實用有效，而且不受海域限制，特別是，SSBL系統“雙向定位功能”及其可與多個應答器匹配的能力，不僅可在水下有效消除慣性導航系統積累的定位誤差，同時還可解決多個運載體目標水下協同導航問題。所以，INS/SSBL組合系統是解決慣性導航系統水下校準的優選方案。

3.1 INS/SSBL優選組合方案

1）在裝有慣性導航系統的運載體上安裝SSBL系統換能器聲基陣，用以對與其相關的應答器跟蹤定位。

2）在與運載體協同運行的“協同目標”上，加裝與運載體換能器聲基陣相關的應答器，接受運載體的跟蹤定位。

3）運載體與協同目標在確定范圍海域運行活動時，運行活動開始即可借助INS/SSBL組合系統在海底適當位置，布放一個位置確定的應答器，向運載體慣性導航系統提供準確的定位信息，必要時用以對其校準；其它需被跟蹤定位的協同目標，安裝與運載體換能器聲基陣對應的應答器，用以對其跟蹤定位。

4）運載體與協同目標在不確定范圍海域運行活動時，運載體可攜帶配備如圖5的浮標。

圖5表示浮標配備器件，其中包括GPS衛星導航接收機，用以控制浮標運行的浮標控制器，控制器中包含接收信息解碼器和發送信息形成器；此外，還包括聲學應答器，用以對水下INS/SSBL組合系統發送和接收聲學信息；聲學換能器用以對應答器進行“電-聲”和“聲-電”能量轉換。當運載體慣性導航系統需在水下校準時投放浮標，使天線伸出水面，借助水聲通訊傳送回浮標位置信息，用以對運載體慣性導航系統進行水下校準。

圖5 浮標配備器件Fig.5 Float buoy equipped with various devices

3.2 INS/SSBL組合原理算法

考慮到慣性導航和水聲定位各自作為特定的專業技術領域，理論和工程應用已相當成熟，他們自身的原理算法不是本節討論的內容。此處僅對 INS/SSBL組合情況下的原理算法做概要描述。

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