水下航行器導航技術研究

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連 116018）

在民用領域，從地形測定、管道鋪設到海底搜救、水下打撈，這些在與生活緊密相關的海洋開發工作中都有AUV的一席之地。在軍事領域，AUV憑借體積小、機動性好、隱蔽性強、活動范圍廣、智能化程度高等優點，受到世界各軍事大國的關注，并作為海軍武器裝備發展的重要方向。AUV可以利用艦艇無法與之比擬的隱蔽優勢進行情報收集、戰略支援、精確打擊，有時甚至能左右戰爭局勢。為了對水下導航技術有一個全面的了解，本文對GPS導航、聲學導航、慣性導航、地球物理導航進行了綜合性的介紹。

1 GPS 導航技術

全球定位系統（Global Position System,英文簡寫GPS）是以人造地球衛星為基礎的無線電導航定位系統，以其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活等優點備受青睞。當下，GPS是全球應用最廣泛的導航技術，也是AUV發展最為迅速的導航技術之一。它的定位原理是利用定位衛星通過電磁廣播發射自身坐標和當前時間，接收機將接收到的信號進行解碼，算出時間差。由于接收機的三維位置坐標包含三個未知數，故至少需要3顆衛星進行定位。但比起衛星原子鐘，接收機的時間是不精確的，會產生偽距，所以至少需要4顆衛星才能獲取接收機的位置。

GPS具有極高的定位精度，能夠為全球任意位置的用戶提供全天候的定位服務，并且可以使用在一些便宜、低功耗的設備上，在幾毫秒的時間內就可以得到位置信息。GPS導航技術雖有不可比擬的優勢，但也并不是完美無缺的。由于水的阻絕作用，電磁波在水中傳播時衰減很快，傳播距離達不到要求，因而GPS在水下航行導航的應用中就受到了一定限制。再者，對于軍用AUV來說，執行秘密軍事任務時使用GPS導航，無疑是在暴露自身的位置。假設中美之間一旦爆發大規模沖突，美國軍方更是會關閉我國的GPS信號，這一點從美國關閉敘利亞GPS信號的事件中就可以預見，所以依賴GPS的導航技術始終不是長久之計。

2 聲學導航

水聲定位導航技術是一種通過測定聲波信號傳播時間或相位差進行海上定位的技術。相對電磁波而言，聲波在海水中的傳播衰減要小得多，這種天然優勢使得水聲定位技術在AUV自主導航中扮演著重要的角色。水聲定位系統具有多個基元，基元一般為應答器或接收器。其定位原理是通過應答器發出脈沖信號，安裝在母船上的聲學傳感器將接收到的信號經過相應的處理，就可以得到聲源的位置。基元間的連線稱為基線，按基線的長短可分為長基線（LBL）、短基線(SBL)、超短基線(USBL)。

LBL的基線長度可與海深相比擬，若干個分布于海底的應答器構成基陣，適用于大面積區域作業，定位精度高，但數據更新率較低，且應答器的布放、校準、回收、維護都極其繁瑣，成本相當之高。SBL的基線長度一般不超過幾十米，各基元位于船體上。由于基線長度相對于LBL要短，所以精度低于LBL，且跟蹤范圍較小，適合在母船附近的AUV導航定位。USBL的基陣可以集成于一個緊湊的單元內，其基線長度為分米級，在三種定位方式中體積尺寸最小，便于安裝在水下噪聲較弱的有利位置，減少部分噪聲的干擾。同時USBL的布放、回收異常便捷，因此受到了越來越廣泛的關注與應用,但受基線長度的限制，USBL的定位精度低于LBL和SBL，且定位精度嚴重依賴于深度傳感器等設備，所以如何提高USBL的定位精度是當下該領域的熱點[1]。

水聲定位系統制作成本高，維護難度大。無論是LBL、SBL還是USBL，實現導航定位的前提是預先在水下布放好應答器基陣，布放成功之后才能進行水聲定位。對于突發的水下任務，相應人員是無法在短時間內完成布放任務的。再者，應答器基陣在水中是通過聲信號傳播通信的。對執行秘密軍事任務AUV而言，此種做法反而增加了暴露的機率，大大降低了AUV的隱蔽性，所以水聲定位導航技術多用于民用科考領域。

3 慣性導航技術

慣性導航系統（Inertial Navigation System,英文簡寫INS），是一種不依賴于外部信息，不向外輻射能量的導航系統。其基本工作原理是以牛頓運動定律為基礎，通過測量載體的加速度，將加速度對時間一次積分得到速度，再次積分得到相對地球的位置。INS主要有兩種形式，分別是捷聯式慣導系統和平臺式慣導系統。出于對成本、體積等多方面因素的考慮，AUV通常采用捷聯式慣導系統。在軍事領域，隨著局部戰爭逐漸趨向信息化、高技術化，AUV將作為一種無人水下武器執行一些秘密的作戰任務，而在提供導航的同時，還要兼顧隱蔽性，INS就成了當前許多軍用AUV的首選導航方式。

INS具有完全自主式、隱蔽性能極佳的優點，在短時間內可以實時輸出高精度的姿態速度位置信息，適用于全自主水下航行，也能滿足遠距離打擊的需求。因此，INS是AUV能否準確抵達指定海域，圓滿完成任務，并順利返回的關鍵。

INS最主要的問題在于導航誤差。受水下復雜的洋流影響，AUV的運動軌跡會發生漂移，這樣勢必產生一定的誤差，而誤差增長速率與洋流速度、航行器速度、傳感器精度都有關，如果采用單一的INS，其定位誤差便會隨時間發散，因此不適用于水下長時間航行[2]。

解決INS的誤差發散問題有很多方法，民用領域大多采用GPS修正。結合GPS定位，導航精度無疑會極大提高。但由于海水對電磁波的阻絕作用，迫使AUV必須上浮至海面才能接受信號，其安全性將受到極大威脅，所以對于執行軍事任務的AUV這種方法顯然不可取。再者深海作業時，周期性的上浮會面臨額外的能源和時間問題。如果是在極地執行科考任務的AUV，面對成片結冰的海面而選擇上浮也不現實。慣性傳感器的精度是限制導航精度的最大技術瓶頸，但是隨著光纖、激光等新型陀螺精度的不斷提高，未來的水下航行器上將大量采用這種新型INS[3]。

4 地球物理導航技術

地球物理導航技術包括地形匹配導航技術，地球磁場導航技術，地球重力場導航技術。本文只介紹地形匹配導航技術。

地形匹配導航技術是一種自主導航技術，它將導航信息于載體預存的地形數據通過相應的匹算法，估算出載體的位置信息，充分利用了地球地形特征的時空不變性和局部唯一性。地形匹配導航不依賴于導航器件，不受傳感器精度的限制，不需要安裝人工信標，便可獲得不亞于GPS的導航精度。如若將其作為一種輔助手段，與慣性導航技術相結合，來對慣性導航系統進行校正，能克服慣性導航的發散特性，保證AUV在水下長時間航行后也能準確到達指定水域，順利完成任務。

但實現該技術的前提是需要對任務海域的水下地形進行勘測，并依據測繪標準構建出地形圖數據庫，然后才能將測量數據和先驗數據進行匹配，進而得到載體的位置。這種技術存在一個最主要的問題，那就是獲取先驗地形圖的難度太大。由于海底地形與軍隊武器的使用和軍事作戰密切相關，事關一個國家的戰略安全，相關技術信息都是嚴格保密的，所以在未知海域使用此種導航方式是不現實的[4]。

5 總結與展望

縱覽當下國際形勢，推進海洋強國建設，加快海洋事業的迅猛發展勢在必行，水下航行器導航技術的發展將是其中重要的一個環節。本文從定義、原理、優勢、劣勢四個方面概要地介紹了GPS導航技術、聲學導航技術、慣性導航技術、地球物理導航技術，最后針對當前導航技術的現狀，總結出一些對未來水下導航技術的發展展望。

（1）采用無輔助的單一水下導航方式時，慣性導航具有很強的隱蔽性及完全自主式的特點，但短期內很難達到水下長時間高精度導航的水平。長期來看，慣性導航會向著加強慣導平臺的系統精度，提高慣性系統的整體可靠性發展。

（2）當前水下航行器的導航方式以組合導航為主，其中慣性導航與水聲技術的結合最為典型。從技術現狀來看，該技術的瓶頸在于關鍵傳感器的精度難以有較大提高。未來，相關部門應重點扶植和發展一體化和模塊化的國產水下慣性組合導航技術產品，為自主水下航行器的研究提供必要的技術配套和保證，占領和鞏固國內市場。

（3）從未來戰略性角度來看，AUV將由單個系統朝向集群化趨勢發展，與其他無人系統組網協同，通過網絡化無人平臺的分布式態勢感知和信息共享，提高作戰和應用效能。執行多任務、大范圍活動、信息共享的協同導航技術將是未來AUV研究領域的熱點和難點[2]。

導航技術由于其各自的導航方式不同，應用領域也存在差異。總的來說，目前水下航行器導航技術仍將以慣性導航為主，多種導航技術為輔，向著自主化、智能化、高精度化等方向發展，聲學導航、INS/地形匹配、INS/地磁匹配和INS/重力匹配等導航方式未來都將廣泛應用于水下無人潛航器，也都將在民用和軍用領域發揮巨大的作用。