DARPA開發類GPS水下導航/定位系統

目前，“全球定位系統”（GPS）已經在世界范圍內廣泛應用，但是水下領域始終是GPS無法企及的禁區，為此，美國國防部預研局（DARPA）和BAE系統等公司正在合作研制名為“深海導航定位系統”（POSYDON）的新一代水下無人導航定位技術，可以快速定位平臺并將位置信息傳送到主平臺指揮與控制系統。

技術優勢

作為深海導航定位系統，POSYDON將綜合應用水下聲波、水面浮標、水下信標或節點以及水面GPS信號，快速確定執行水下巡邏等任務的無人潛航器位置坐標。

DARPA聲稱，POSYDON能夠在大洋中任何地方提供實時、連續和穩定的定位信息。集成POSYDON后，無人潛航器在水下航行時只需通過測量出與預先布放的數個遠程聲源的距離，就能精確地確定水下平臺自身的位置，不再需要定期上浮接收GPS信號就可獲得連續、高精度的導航信息。

雖然一些水下平臺發射的超低頻無線電也可以用于水下信號傳輸，但是平臺仍然需要浮出水面才能接收用于現場數據傳輸和通信的射頻（RF）或GPS信號。此外，大部分信號不能很好地在水下傳播，例如，光信號不能遠距離傳播；射頻信號也不能很好地實現水下傳播；GPS信號只能用于潛水深度較淺的水下平臺，不能被處于水下較深處的平臺所接收。利用低頻聲波信號的POSYDON可以解決這一問題，為無人潛航器提供類似GPS的能力。在這種水下“GPS拒止”環境中， POSYDON是一種比較好的導航與定位解決方案。

技術挑戰

不過，在實際使用中，實現水下POSYDON與水面GPS通信導航的無縫連接仍然面臨著巨大的技術挑戰。

一方面，GPS信號的使用是經過算法實現的，系統通過光速和光的傳播時間計算出相對目標的距離，再加上光信號的傳播速度，可以很快地識別出這個目標。例如，系統接收到一個雷達系統發射的電磁信號或者武器激光測距儀發射的激光后，根據已知的光速和傳播時間再借助于GPS就能快速地確定物體的方位、形狀或者速度。在水下使用聲頻信號來確定距離卻要復雜得多，因為對于GPS而言，光速是恒定的，但聲速在水下的傳播速度卻并不是常速，不僅隨著距離加大聲信號強度會減弱，而且聲信號傳播還要受很多其他因素制約，其中兩個主要因素是水下溫度和海水鹽度。DARPA研制的水下聲學傳播模型也證明，水下信號并不僅僅是以直線傳播的。因此，聲頻信號從發射器到接收器的傳播過程并不是線性的。實際上，聲頻信號有多種傳播路徑， 而且信號在不同的溫度和壓強區域間會發生折射，為此，研制人員已經在發展新的算法用以改善現有模型，同時研制新模型，以便最終能實現通過發射聲波將無人潛航器收集的實時信息傳送回潛艇等指揮主平臺。POSYDON的重要意義也在于能確保無人潛航器能夠真正專注于任務，而不用周期性地浮出水面以接受GPS信號。

另一方面，GPS信號傳輸會從水面反射但不能穿透海水，所以POSYDON使用了一種“三角測量”技術，即衛星發出的GPS信號先傳送到一個水面節點（如船只），然后這個水面節點利用聲波與集成了POSYDON的無人潛航器進行連接和定位。目前，開發一種能夠作為節點的水面平臺也是一個潛在挑戰。

DARPA計劃將POSYDON的研制分為三個階段，目前正處于第一階段，涉及模擬信號傳播通道，研究人員通過數據分析評價POSYDON的價值，并打算設計一個“點對點”的系統，即從一個聲源傳播到一個或兩個接收器；第二階段旨在尋找第一階段涉及的波形；第三階段的目的是建立一個完整的原型定位系統。

應用前景

POSYDON系統雖然可能在數年內仍無法投入實際使用，但它的出現完美符合美國海軍期望將無人潛航器用于對抗新興的高科技水面和水下威脅的策略。未來，集成POSYDON的無人潛航器能夠快速精確地定位敵方艦艇、水雷和其他重要目標的位置，并將這些信息傳送回主平臺。

DARPA認為，POSYDON對海軍潛艇，如“維吉尼亞”（Virginia）級攻擊潛艇和“哥倫比亞”（Columbia）級彈道導彈潛艇也有很大幫助，潛艇可以發射集成POSYDON的無人潛航器，這些平臺可以快速并高效地獲取相關信息，建立導航參數、進行目標識別，精確定位正常探測范圍外的威脅源。未來，裝備不同聲吶和傳感器的無人潛航器可以自主識別敵方潛艇和水面艦艇，搜索地雷，收集海洋數據并進行偵察任務等，而所有這些任務都只需海軍艦艇上的一名指揮官發出指令進行指揮和控制。

事實上，美國海軍已經對能夠由潛艇導彈管發射和回收、集成模擬POSYDON技術的無人潛航器進行了試驗，在給定的作戰區域中精確地定位了該無人潛航器的位置，試驗表明這種作戰方式非常有價值，不僅提高了任務效率，也加快了無人潛航器發射和回收速度。

鑒于POSYDON大部分技術依賴于快速算法的發展，所以發展人工智能（AI）是實現這一技術的關鍵。人工智能的應用使得無人潛航器自主性更強，可以更好地收集、組織和整合大量不同的信息和傳感器數據。

DARPA指出，POSYDON一旦可以實際使用，首先會用在當前“滑翔類”水面與水下艦艇上，收集目標和威脅單位數據，以及海洋和水文信息。據統計，10年前在全球海域中巡邏或水下潛伏的“滑翔類”艦艇的總數還不到30艘，而如今至少已經接近400艘，這一類平臺大多被用于深海監測等任務。

“波浪滑翔機”

“滑翔類”水面、水下艦艇中一個較為常見的平臺是由美國液體機器人公司研制的“波浪滑翔機”（Wave Gliders）無人水面艇。這種平臺可以在水面長時間航行，航程極大，甚至可以橫渡太平洋，主要用于收集鹽量、水溫、波浪、天氣狀況和溶解氧等有關的海洋數據，并發送給谷歌地球公司。

“波浪滑翔機”上部是一個翼型的浮筒，在浮筒下固定一個鰭狀漂浮平臺，航行時翼型浮筒被水淹沒，滑翔機上裝有太陽能電池和將波浪能轉變成電力的波力發電機，無需補充燃料就可以依靠太陽能和海浪發電在海上漂浮3個月以上，機上還裝有自主識別裝置，可以自主避開障礙物，翼型浮筒裝有GPS接收裝置，可以隨時查閱收集數據，研究人員也可對收集的信息進行研究。因為“波浪滑翔機”的主體是在海面以下，所以即使遭遇強臺風，也仍然可以對風速、氣溫、氣壓、浪高的數據進行測定，并通過無線方式將信號發回地面。

“海洋滑翔機”

另一個典型平臺是由美國機器人公司研制的“海洋滑翔機”（Seaglider）無人潛航器。平臺外觀很像一個小型無人機，由機身和機翼組成，只是在機身內部有一個類似“魚鰾”的氣囊，氣囊內有一個水泵，通過氣泵向囊內灌水，灌水完畢后將排水孔堵上，此時“魚鰾”的重力大于浮力，“海洋滑翔機”就會向下滑行，當滑行到一定深度時，壓力傳感器的電壓信號會達到某一設定值，控制電路驅動水泵向外排水，氣囊內的水被排盡后，“海洋滑翔機”又開始上浮，如果系統對機翼姿態進行控制就可以實現沿縱剖面的前向運動，所以不需要傳統的電動螺旋槳，僅依靠改變自身浮力就可以像海洋生物一樣四處游動，長時間地收集海洋不同水域的數據，如溫度或鹽度，并發送回主控制平臺， 整個航行過程能源消耗極小。雖然平臺航行速度較慢，但效率高、續航力大，制造成本和維護費用也較低。

特別要提的一點是，“海洋滑翔機”裝備有先進的聲音追蹤設備——水聽器，利用復雜的算法能找到水下發聲目標，甚至能找到在深海棲身的突吻鯨。

除了民用領域，“海洋滑翔機”在軍事上也很有應用前景。因為沒有發動機和螺旋槳，“海洋滑翔機”的整個航行過程都非常安靜，很難被探測到，利用潛艇運送至海下發射后能在水下潛伏很長一段時間，從海下或海面經過的艦艇都會被探測與定位，而這些艦艇卻不會察覺。一艘經過改良的“深海滑翔機”（Deepglider）最大下潛深度已經到達6000m。由此可以預見，一旦將POSYDON集成于這些水下滑翔機上，必將會發揮出無與倫比的作用。

目前，這些滑翔類平臺都還處于單獨使用狀態，美國海軍希望最終能將這些平臺組成一個網絡，通過一種相互協作的方式作業，最大化POSYDON功能。

（責任編輯：王瀟一）