非衛星水下導航定位技術綜述*

尹偉偉 郭士犖

(1.中國人民解放軍海軍902廠 上海 200083)(2.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033)

非衛星水下導航定位技術綜述*

尹偉偉1郭士犖2

(1.中國人民解放軍海軍902廠 上海 200083)(2.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033)

水下信息傳輸的局限性以及水下任務的隱蔽性制約了衛星導航定位技術在水下航行器工程中的應用。系統地介紹了非衛星水下導航定位常用技術,主要包括慣性導航,地形、地磁匹配導航,重力場匹配導航,航位推算導航,聲學導航,組合導航等多種技術,通過國內外工程實例概述導航技術研究現狀,介紹優、缺點,探討發展趨勢。

導航、制導與控制; 水下導航定位; 慣性導航; 匹配導航; 聲學導航; 組合導航

1 引言

水下航行器在人類利用和開發海洋的過程中發揮了至關重要的作用,無論是在軍事上還是在國民經濟領域都有著廣泛的應用。尤其在軍事領域,它可以執行戰場監視、隱蔽打擊、戰略威懾等多種任務,具有重要的戰略意義。導航定位技術是水下航行器工程實際應用中的一項關鍵技術,在遠洋水下軍事任務中,對保障作戰效能和航行安全至關重要。由于水下信息傳輸的局限性及部分水下任務的隱蔽性,很多情況下高精度的GPS信號無法直接使用。因此非衛星水下導航定位技術成為多年來的研究熱點,目前常用的方法有：慣性導航、地形匹配、航位推算、地球物理導航、聲學導航及組合導航等多種方式。

2 慣性導航

慣性導航技術是一種自主式的導航系統,可以在不與外界通信的條件下,在全天候、全球范圍內和任何介質環境里自主地、隱蔽地進行連續的三維定位和定向。1958年美國“鸚鵡螺”號核潛艇裝備N6A型慣性導航系統,水下連續航行21天成功穿越北極,航程8146海里,定位誤差僅為20海里,充分體現了慣性導航系統在水下航行器導航應用中的巨大優勢：自主性、隱蔽性、信息的完備性。

二十世紀九十年代后期,隨著光學陀螺和微型計算機技術的發展,捷聯慣導系統的應用越來越普遍。目前,光學陀螺及MEMS陀螺捷聯系統已經大量進入軍民應用領域,典型產品如美國Sperry公司的MK39/49艦船用激光捷聯慣導系統,法國IXSea公司先后研制PHINS和MARINS船用光纖陀螺捷聯慣導系統(定位精度分別為0.6nmile/h和1nmile/24h)等。

慣導系統的缺點是存在隨時間積累的位置誤差,長時間航行需要參考信息的校正,而由于水下特殊環境限制了電磁波及光波的傳播,如果使用水面上層空間的無線電導航、衛星導航、天文導航等技術就不得不浮出水面,造成動力損失,對隱蔽性作業也有影響。

目前水下慣性導航系統發展趨勢是發展三維全監控慣性平臺系統和靜電陀螺監控系統[1];發展中、低精度慣性系統,擴大導航級慣性系統的應用范圍;發展新型慣性器件,研究高精度誤差仿真模型及誤差補償技術補償器件誤差,提高器件輸出精度;發展包括系統數字化、集成化、通電快速熱穩定及動態快速對準等慣性系統關鍵技術,研究水下慣性測試與試驗技術;開展水下輔助慣性導航技術研究[2]。

3 地形匹配

地形匹配導航的原理是利用測深儀、聲吶等水下地形探測設備,提取水下航行器下方地形特征值,把該特征值與事先存儲在計算機里已知的高分辨率的地形圖進行匹配,從而確定位置信息。與慣性導航系統一樣,具有自主性強、隱蔽性好的優點,基于已知水下地形信息,可以獲得不亞于GPS的導航精度[3]。

國外20世紀90年代才開始研究海底地形匹配技術,日本東京大學研制的開架式AUV“TUNA-SAND”, 2008年在鹿兒島海域進行地形導航海上試驗,在400m×400m的區域內,3m格網精度的情況下,定位精度高于慣導系統[4]。2010年,挪威國防研究組織(FFI)研制的HUGIN系列智能水下機器人(AUV)在奧斯陸海灣進行了一次全程水下試驗,利用水下地形高度匹配(TEM)導航方式,航行5小時浮出水面時與GPS信號間的誤差約為5m[5～6]。

水下地形匹配導航的缺點在于必須事先勘測活動海域水下地形并記錄下來,定位精度受限于先驗地形圖的精度;測量海底輪廓需要使用主動聲吶,不利于隱蔽性要求。因此水下地形匹配導航多用于輔助其他導航方式[7]。美國斯坦福大學研制了一種適用于大航程AUV的地形導航方法。使用高度計、多普勒計程儀(DVL)作為測量設備,與低精度INS進行組合,2008年4月進行“MBARIDorado”AUV測試試驗,定位精度達到4m～10m[8]。

地磁匹配導航與地形匹配導航類似,也需要先驗水下地磁場信息圖,由于地球磁場與地理坐標系之間存在客觀、規律的聯系,因此利用地磁傳感器感測地磁方向與強度可以得到方位、姿態等信息[9]。2003年8月,美國國防部文件宣稱其研制的純地磁導航系統導航精度為：地面和空中定位精度優于30m(CEP),水下導航精度優于500m(CEP)。國內相關研究單位主要有海軍裝備研究院、北京大學、航天三院等,目前還處于原理探索和仿真研究階段。地磁匹配缺點是易受磁場環境影響,水下磁場環境較為復雜,獲取較高精度的先驗水下地磁場信息圖難度較大。

4 重力場導航

重力場導航是一種新型無源導航技術,其前提是有相當精度的重力分布圖,其原理與地磁導航原理一樣,都是利用實測數據對比先驗基準數據的導航方法。重力導航系統有三個要素：導航用重力儀、導航用重力圖和重力匹配定位算法。現有海洋重力異常場分辨率已經達到2′×2′以內,這給高精度重力匹配導航提供了可能性。重力測量技術在國內外受到了廣泛關注和研究,國外研究起步較早,代表性的有美國的LaCoste & Romberg重力儀系統和俄羅斯的Check-AM重力儀系統,測量精度可以達到1mGal[10]。2012年,國防科技大學研制的捷聯式航空重力儀SGA-WZ在與Check-AM系統進行的對比試驗中,測量精度優于1.83mGal/7km,與Check-AM系統精度相當[11];海軍工程大學與中科院測量與地球物理研究所合作研制的國家重大儀器專項“海洋/航空重力儀”取得突破性進展,目前已進入海上測試階段。

重力場導航技術在水下航行器中經常用于輔助慣性導航或其他導航手段,包括實時估算垂線偏差,用以減少慣性導航系統誤差;匹配重力圖位置坐標,為慣導系統提供位置修正等。1998年至1999年間,美國洛克希德·馬丁公司開發研制了通用重力模塊,在靜電陀螺慣性導航系統水下航行器上進行演示試驗,取得了較好的效果,目前已經成為美國海軍下一代精確導航的一個研究方向。近幾年來,國內一些單位如哈爾濱工程大學、中船重工707所、東南大學等也已經開展重力場導航方面的工作。

5 航位推算導航

航位推算是水下航行器常用的一種導航方法,利用多普勒計程儀或相關速度計加上羅經,給定初始位置坐標后根據航行時間以及航向,推算下一時刻坐標位置,原理與慣性導航系統類似,但相比慣導系統體積小、成本低。航位推算系統的缺點是存在隨時間累積的誤差,沒有GPS修正的情況下導航精度較差;容易受環境噪聲影響,多普勒計程儀需要向外發射聲波信號,隱蔽性較差。

航位推算導航算法簡單、經濟,目前仍然是水下導航的重要手段。光纖陀螺體積小、精度高,一般用作航位推算系統的姿態傳感器,速度計目前主要采用多普勒測速儀(DVL),國外已經研制出了精度較高的DVL,例如美國EDO公司研制的3010型和3050型DVL,速度可達0.2%[12]。因此在有其他輔助導航方法進行修正的情況下,航位推算導航方法具有優越的實用性和有效性。

6 聲學導航

在水下,聲波信號相比電磁信號能夠傳播更遠的距離,因此聲學導航也是水下導航的重要手段。利用聲學導航首先要在水下布設應答器基陣,根據航行體與應答器之間聲信號傳播確定航行器相對應答器的位置。主要有長基線導航(LBL)、短基線導航(SBL)和超短基線導航(USBL)三種形式。

LBL定位精度較高,在邊長100m的三角形定位區域內定位精度可以達到1cm; SBL定位精度次之,澳大利亞Nautronix公司生產的NASDnllRS925短基線定位系統,可以在水深3500m工作,定位精度優于2.5m; USBL定位精度較前兩種方法稍差,以法國Oceano Technology公司生產的posidonia6000為例,其定位精度大約為作用距離的0.5%～1.0%[13]。

聲學導航系統精度高,不存在累計誤差,其缺點是需提前布設應答基陣,不適合遠洋航行、突發水下任務等應用場合,設備成本較高,維護困難。已知信標通過聲信號傳播通信,不利于隱蔽性要求,因此聲學導航多用于商用及民用任務。為滿足高精度水下導航需求,聲學定位系統聯合定位、聲學定位與其他導航定位方式組合定位等已經成為聲學定位技術的主要發展趨勢。

7 組合導航

上述各種水下導航系統各有優缺點,針對不同的任務需求可以選擇不同的導航方式。但是不論何種水下導航任務,都要求其導航定位設備盡量達到較高的精度。而目前各種單一的導航方法,在精度、可靠性或者其他方面都或多或少存在不足,無法滿足水下航行體發展的需要。因此低成本、高性能的組合導航系統成為水下航行未來導航技術發展的方向[14]。

國內外研究較多的水下組合導航系統集中在以慣導系統為主,輔以聲學導航、重力匹配、地形、地磁匹配系統等。目前國外比較成熟的水下組合導航技術主要是捷聯慣導系統(SINS)和多普勒速度聲吶系統(DVS)的組合導航系統,如丹麥與美國聯合研制的MARPOS多普勒/慣性水下定位系統,在距離海水深度不超過200m的條件下,定位精度可以達到航程的0.03%;美國海軍研究生學院提出的低成本捷聯慣導系統加DVS、GPS組合導航系統,其中慣性/DVS組合導航精度可以達到航程的0.01%[15]。

哈爾濱工程大學水下智能機器人技術重點實驗室研究了由多普勒測速儀、光纖羅經、深度計等組成的水下航位推算系統,并通過水下試驗驗證了可行性,但仍然需要GPS作為水面位置校正信號[16]。

8 其他導航方式

除上述內容,目前研究較多的還有以下幾種水下導航方式：

1) 天文導航：利用天體觀測設備、天文導航計算機組成天文導航系統。其優點在于利用天體輻射能,不易受電磁波干擾,且測量誤差不隨時間積累;缺點在于易受環境、氣候的影響,上浮觀測天體不利于隱蔽性的要求。

2) 無線電導航：包括羅蘭C、OMEGA、導航雷達等。其優點在于定位精度較高、作用距離遠,缺點在于需要上浮接收信號,不利于隱蔽性要求。

3) 多AUV協通導航：分為并行式與主從式兩種方式。并行式成本較高,并不實用,主從式則不同,主AUV配備高精度水下導航系統,定位精度較高。從AUV通過水聲測距獲取相對主AUV的方位、距離信息,對自身定位結果進行修正[17]。目前協通導航已經成為水下導航研究的一個新方向,美、英等國家已經進入應用階段,而國內仍停留在理論分析與仿真實驗階段,代表性的研究機構有西北工業大學和哈爾濱工程大學[18]。

9 結語

本文研究了水下導航定位技術發展現狀及趨勢。總的來看,單一水下導航技術各有優缺點,應根據不同任務需求合理選擇導航方式。以中、低精度慣導系統與地形、地磁或者重力匹配等其他無源導航方式進行組合,形成低成本、高精度組合水下無源導航系統,已經成為水下導航技術發展的一大趨勢。

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Survey on Non-satellite Underwater Navigation and Positioning Technology

YIN Weiwei1GUO Shiluo2

(1. Naval 902 Factory of Chinese People’s Liberation Army, Shanghai 200083)(2. Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The application of satellite navigation and positioning technology in underwater vehicle engineering is restricted by the limitation of underwater information transmission and the concealment of underwater task. Common technology for underwater navigation and positioning of non satellite, including inertial navigation,terrain matching and geomagnetic matching navigation, gravity matching navigation, dead reckoning navigation,acoustic navigation,integrated navigation and other technology are systematically introduced. Research status of navigaion technology is summarized by example of the domestic and foreign, the advantages, disadvantages and the development trend are explored.

navigation, guidance and control, underwater navigation and positioning, inertial navigation, matching navigation, acoustic navigation, integrated navigation

U666.11

2016年9月1日,

2016年10月23日

尹偉偉,男,碩士,高級工程師,研究方向:艦船裝備技術保障。郭士犖,男,博士研究生,研究方向:慣性技術及應用技術研究。

U666.11

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.003