【海洋技术】AUV导航技术发展现状与展望 - 声学多普勒流速仪dvl

那些果儿 · 发表于声学多普勒流速仪ADCP 2024-5-22 11:25:17

一、导航技术概述

目前，针对AUV的导航技术大体可分为传统导航和非传统导航技术2类。传统导航技术主要包括航位推算导航、惯性导航和声学导航等。与非传统导航相比技术更为成熟，使用范围更加广泛。非传统导航技术主要包括地球物理导航、视觉导航等，是发达国家大力研发的新兴导航技术，通常用来辅助惯性导航。

⒈航位推算导航

航位推算导航最早于16世纪提出，但当时很少用于水下。航位推算的定义可理解为在已知当前时刻位置的条件下，通过测量载体移动的距离和方位，推算下一时刻位置的方法]。AUV只要配备速度传感器、航向传感器及深度传感器等，通过获取的数据将AUV的速度对时间进行积分来获得水下航行器位置。

航位推算给定的初始坐标通常为卫星定位信号。航向传感器现多采用光纤陀螺，与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有体积小、结构简单、使用寿命长、质量轻及价格低等优点。速度传感器大多采用多普勒测速仪(DVL)，国外已研制出精度较高的DVL，例如美国EDO公司的3040型多普勒测速声呐工作频率288kHz，测速精度为速度的0.2%。

航位推算方法简单，所需设备价格相对低廉。航位推算法的当前位置是在前一时刻位置的基础上推算出来的，随着迭代次数的增加误差也会跟着累积，再加上设备安装、测量等过程中的固有误差，这些因素都会大大降低其定位精度。因此，航位推算适合精度要求不高的导航任务，需要其他导航进行辅助校正推算误差。

⒉惯性导航

惯性导航是依据牛顿惯性原理发展起来的自主式导航方法。惯性导航系统通常由惯性测量装置、控制显示器、处理计算机等组成，其中惯性测量装置最为关键，是惯性导航的基础，主要由加速度计和陀螺仪组成。因此，惯性导航是通过将AUV的加速度对时间2次积分来获得潜航器位置的。1958年，装备了1套N6-A惯性导航系统和1套MK-19平台罗经的美国鹦鹉螺号核潜艇从珍珠港出发，历时21h穿越了北极冰盖，误差仅有37km。这次航行充分体现出了惯性导航系统自主性、隐蔽性和全天候的独特优势。

惯性导航本质上可归类为航位推算导航的一种。惯性导航系统主要分捷联式和平台式2种。由于捷联式舍弃了平台，结构简单、体积小、维护方便，而被大多数惯性导航系统所采用。近年来，激光陀螺和光纤陀螺捷联惯导系统开始普遍应用于军民领域，例如美国Sperry公司的MK39/49舰船用激光捷联惯导系统、法国IXSea公司先后研制的PHINS和MARINS船用光纤陀螺捷联惯导系统等。因此，采用光纤和激光陀螺捷联式惯导系统，推动惯性导航系统向高精度、小型化、低成本、高可靠性及数字化发展是惯性导航系统未来的发展方向。

3.声学导航

声学导航是建立在水声传播技术基础上的一种通过测定声波信号传播时间和相位差进行AUV和水上舰船导航定位的技术。在进行导航定位前，需事先在海底、舰船底部或AUV上布置声基线阵。常用的声学导航主要有长基线(LBL)、短基线(SBL)和超短基线(USBL)3种，其中LBL可分为浮标式LBL和潜标式LBL。图1所示为4种声学导航定位系统原理图，换能器或由换能器组成的基阵会向海底声标或海面浮标发射水声信号并接受返回的信号，通过测定时延差或者方位角对AUV进行定位。

（4种声学导航定位系统示意图）

下表表明，LBL最长但定位精度最高，英国Sonardyne公司代表性LBL产品有Compatt6系列和Fusion6G系列(图2a、b)，其中Compatt6系列应答器根据不同体积分为6种类型，标准型Compatt6工作水深为3650m，定位精度小于15mm；Fusion6G系列为深水定位设备，最大工作水深达7000m，定位精度小于15mm且与深度无关。

USBL通常为多个水听器组成的基阵，作为一个整体安装在舰船底部或AUV上，基线最短，定位精度最低。典型的USBL系统有法国iXblue公司的PosidoniaIIUSBL和GapsUSBL(图2c、d)，其中PosidoniaII最大作用范围超过10000m以上，定位精度为斜距的0.2%；Gaps作用范围较小，最大作用距离为4000m，定位精度为斜距的0.06%。

（典型长基线和超短基线产品）

SBL的定位精度和基线长度都介于两者间。针对SBL设计的产品很少，美国DesertStar公司的Pilot是使用最多的SBL定位系统，其配置简单，可几分钟内在任何船只上设置安装完成，在多径效应严重的浅海区域定位精度可达分米级。

近年来，针对浮标式LBL的研究和使用较潜标式LBL更为火热，这是由于浮标布置简单，而潜标在海底布置困难所造成的。有关文献设计了一种利用浮标式LBL导航定位辅助惯性导航的水下定位系统，并利用频域加权对水声信号进行处理，将定位误差控制在2m以内。另有文献提出一种基于多无人水面船(USV)/AUV的LBL导航定位方法，通过建立定位评价函数评估多USV与AUV间的角度距离关系，建立最优队形结构，并通过仿真试验证明该方法可以有效提高AUV定位精度。这种用USV代替浮标的方法，相当于赋予了浮标可移动属性，本质上属于浮标式LBL。

⒋地球物理导航

地球物理导航依照所需地球物理参数的不同分为3大类：地形匹配导航、海洋地磁导航和重力导航。地球物理导航的原理是将传感器测得的数据同预先获得的地球物理数据库进行匹配确定载体所在位置。因3种地球物理导航原理类似，文中重点以地形匹配导航原理为例介绍。

地形匹配导航是指通过比较地形参考数据库以及地形高度测量值来确定载体位置的特征匹配导航技术。海底地形辅助导航(STAN)技术主要用于水下导航定位，将利用水下地形传感器测得水下地形数据，同水下地形数字海图数据库相匹配，通过计算机处理数据得出潜航器所在位置，通常用于辅助惯性导航系统，其导航原理如图所示。

（海底地形辅助导航原理图）

水下地形传感器多采用测深测潜仪，通过测得的水下地形特征，结合惯导系统估算出位置信息进行数据预处理和补偿，即可获得传感器测得的实时地形位置，利用匹配算法同数据库中预先存储的水下地形数字海图进行匹配，信息融合后可得最佳匹配位置，并进一步对惯导系统进行修正。STAN技术的难点主要有以下2个方面。

⑴高精度测深测潜仪的研制。目前测深测潜仪主要有3种：多波束测深系统、亨特克深拖系统和激光探测系统。前2种系统属于声探测技术范畴，由于水声信号的传播容易被干扰和截获，因此该类技术多用于非军事领域。2008年，日本东京大学研制的TUNA-SAND型AUV利用自身携带的多波束传感器在鹿儿岛海域进行了基于地形匹配的水下导航试验，取得较好的效果。同年4月，美国斯坦福大学研究的MBARIDorado型AUV使用多波束测深测潜仪、多普勒计程仪和高度仪在蒙特利海湾进行了地形匹配导航的海试试验，其定位精度可达4m。激光探测系统隐蔽性好、探测精度高，但价格昂贵，多用于军用领域。1971年，美国海军研制出脉冲激光测深系统(PLADS)型激光探测系统，并进行了海底地形地貌的实测。可加强对激光探测系统关键技术，如激光偏振光水下成像技术、水下目标回波信号技术等的研究，提高激光探测系统精度并设法降低成本，从而普及其在非军事领域的使用。

⑵完备的水下地形数字海图数据库也是地形匹配导航的基本数据源。美国国家图像与测绘局(NIMA)已经建立了分辨率可达0.5′的DBDB0.5海底地形数据库。美国海军海洋中心(AVOCEANO)也研制出了1套类似DBDB0.5，但分辨率更高的海底地形数据库，并将其应用于弹道导弹水下潜艇舰队。

与地形匹配导航类似，海洋地磁导航也采用预先获取高精度地磁数据库的方法，目前有地磁测量和建立地磁场模型2种获取方式。由于地磁场是不断变化的，所以单单依靠地磁测量数据进行导航是不现实的，构建高精度的地磁场模型才能提高导航的可靠性。目前的地磁模型有国际地磁模型(IGRF)、中国地磁模型(CGRF)和局域地磁模型(LGRF)。由于前2种模型精度较低，在100～200nT之间，所以并不适合高精度的地磁匹配导航。LGRF需要实测局域地磁特征量以构建地磁模型，精度高于前2种。地磁导航中的匹配算法和信息融合算法通常采用卡尔曼滤波或扩展卡尔曼滤波算法，不断优化算法也是提高导航精度的重要手段。

重力导航是基于重力场图的导航方法，其前提条件是要有相当精度的重力图。重力图主要依靠重力仪实现实测测量，而重力测量获得的重力图不能直接用于导航，这是因为重力场的特性和重力仪测量精度不能保证重力异常值与位置的严格单值对应关系，而且测量点间隔也很大。因此，根据导航重力仪和导航精度要求的具体情况，寻求能够保证导航定位精度的重力图构建和优化方法是实现重力导航的关键。另外，采用合适的重力匹配算法，也是重力导航的重点研究内容。目前，常用的有基于刚性变换的最近等值线点迭代算法和基于扩展卡尔曼滤波的算法。

⒌视觉导航

视觉导航是指摄像机或视觉传感器对捕获的图像等信息进行滤波和计算，完成对障碍物和标志物的探测和识别。水下视觉导航分为光视觉和声视觉2种。光视觉是通过摄像头对目标进行跟踪控制，而声视觉采用的是图像声呐。由于海水中光照不足，导致水下光视觉导航只适合AUV在小范围区域的导航定位。声视觉因为采用的是类似声呐的原理，通过处理不同物体返回的声波，并将其轮廓显示出来。声波比光在水中传播距离更远，因此，声视觉比光视觉探测范围更广。

目前，采用视觉导航的AUV多为光视觉导航系统。澳洲国立大学和悉尼大学联合研发的Kambara是一种基于光视觉导航控制的AUV。Kambara上共配有3个摄像头，其中2个侧向摄像头为其提供立体视觉，第3个摄像头用于实现自身控制和目标追踪。日本东京大学研发一种可用于水质监测和水下浮游生物分布测量的光视觉系统AUV——Tantan，通过其配备的高分辨率显微摄像头和内嵌的图像识别处理模块，可以清晰地识别出不同水域中的浮游生物。由于目前还没有相对完善的图像声呐识别目标的理论框架，所以基于图像声呐的声视觉导航多用来辅助光视觉导航。例如美国早期的一款水下搜索系统AUV，装备了前视声呐、静物照相机、电荷耦合器件(CCD)摄像机以及水下照明设备，在6100m的深海中，可通过声呐发现目标并不断接近，配合水下照明设备使用CCD摄像机拍照，最后将图片压缩回传到母舰或陆上控制中心。

水下光视觉导航受限于水中光照不足，而正在研究的水下激光成像技术可比水下照明提高4倍探测范围。早在1966年，美国就对水下激光成像技术进行了研究，较典型的有美国Sperry海洋有限公司研制的距离选通水下激光成像系统，在衰减系数为0.1/m的水中，观测距离可达160m，与理论值相近，即使在近岸的浑浊水体中观察距离也可达30m。另外，美国Sparta公司研制的水下激光成像系统在港口水域的成像距离可达到500W灯泡照射系统的5倍。而我国在该领域的研究大多处在实验室阶段，近几年，西安光机所、长春光机所、上海光机所、天津电视技术研究所、北京理工大学、华中理工大学及东南大学等单位均对水下成像系统进行了系统研究，但与发达国家相比还存在较大差距。

二、组合导航技术研究热点

单一的导航技术并不能胜任日益复杂的导航任务，因此AUV导航技术的研究热点主要集中于组合导航技术。AUV水下组合导航技术通常是指以惯性导航系统(INS)为主，借助声学导航、地形匹配导航、重力导航、海洋地磁导航及视觉导航等其中的一个或多个进行辅助的组合导航技术，旨在采用高精度的导航技术对INS随时间累积的误差进行校正，同时保证AUV的自主性和隐蔽性。常用的组合导航包括：INS/声学组合导航、INS/地球物理组合导航、INS/视觉组合导航及INS/天文组合导航等。其中针对前2种的研究最为广泛，其导航原理分别如下图所示。

（惯性导航系统/地球物理组合导航原理图）

⒈INS/地磁匹配组合导航

INS/地磁匹配组合导航是INS/地球物理组合导航的一种，由INS系统、地磁传感器、地磁图和解算计算机等组成。其本质是利用地磁传感器测得的地磁数据与地磁图匹配，将匹配结果作为卡尔曼滤波的观测量对组合导航系统进行滤波，从而对INS系统的误差进行抑制修正，实现高精度定位。INS/地磁匹配组合导航具有无源、无辐射、全天候、全天时、高精度、隐蔽性好及自主性强等优点，适用范围广，除极点外的任何地点都可以使用。2种导航技术相互结合、优势互补，一方面，地磁匹配导航的定位误差不随时间累积，可以抑制INS误差的发散，重调其定位精度；另一方面，在地磁场较弱的地方，传感器无法获取精确测量数据，INS系统可以为地磁匹配提供位置参考，提高匹配精度和效率。INS/地磁匹配组合导航的强大优势，使其在军用AUV领域得到高度重视，并迅速发展。

美、俄、英等军事强国早在20世纪70年代就按照全陆域100～200km和全海域400～500km的测线间隔进行了全球磁力测量，并绘制了可用于全球定位、AUV辅助导航及武器制导等的全球磁力矢量分布图。20世纪90年代，美国研制出了一种适合AUV的磁定位系统，并发明了一项水下运载体磁标定位系统专利，对AUV进行定位和重调。2003年8月，美国国防部对外宣称已研制成功定位精度在地面和空中优于30m圆概率误差(CEP)，在水下优于500mCEP的纯地磁导航系统。2010年，美国等西方发达国家开始倡导在军队中发展不依赖GPS的导航技术。为此，美国海军于2015年1月制定计划明确任何需要主动向外发送信号的方案一律不予通过，以防暴露潜艇的位置，并建议采用磁场、天文或光学作为导航源。我国针对INS/地磁匹配组合导航的研究大多处在仿真阶段。哈尔滨工程大学在对水下地磁测量、水下磁定位技术、INS/地磁组合导航以及地磁匹配算法等领域都做了大量的仿真和试验，并取得不错的效果。

⒉INS/重力匹配组合导航

作为INS/地球物理组合导航的一种，INS/重力匹配组合导航也拥有类似INS/地磁匹配组合导航的结构和优点。INS/重力匹配组合导航系统由INS系统、重力仪或重力梯度仪、海洋重力场背景图和解算计算机组成。系统在获取重力信息时对外无能量辐射，也不接受电磁信号，具有良好的隐蔽性，不受地域和时域限制，是名副其实的自主无源高精度导航系统。

20世纪90年代初，研究者们提出了利用重力图形匹配技术来改善INS系统性能的新概念。美国贝尔实验室研发的重力辅助INS系统(GAINS)和重力梯度仪导航系统(GGNS)都取得了预期效果。美国海军于1998和1999年分别在舰船和潜艇上对洛克希德·马丁公司研制的通用重力模块(UGM)进行了演示验证。试验证实采用重力图形匹配技术可将导航系统的经纬度误差降低至标称误差的10%。目前，美国新一代的潜艇导航系统基本都包含重力传感器模块。国内针对INS/重力匹配组合导航的研究始于21世纪初，主要对匹配算法进行研究，尤其是迭代最近等值线点(ICCP)算法。武汉大学、海军工程大学、解放军信息工程大学及哈尔滨工程大学等对ICCP算法、桑迪亚惯性地形辅助导航(SITAN)算法、基于相关分析的地形轮廓匹配(TERCOM)算法做了大量研究和改进，并取得一定进展。整体来看，我国同国外发达国家在INS/重力匹配组合导航领域还存在较大差距。

⒊INS/LBL组合导航

INS和LBL都是传统的导航技术，与前面介绍的2种热门导航技术相比，INS/LBL组合导航技术显得太过老旧，但这并不影响国内外学者对它的研究热度。INS/LBL组合导航系统定位精度与水深无关，可以在较大的范围内获得较高的定位精度，无需进行复杂的地磁模型和重力模型的创建，而且新兴的浮标式LBL辅助INS系统可以克服潜标式LBL在海底信标布置困难的缺陷。这也是INS/LBL组合导航技术仍旧为当下热点研究的原因之一。

2010年，美国海军和Hydronalix公司合作，研发一种基于INS的AUV浮标定位和控制系统，目的是使操作人员能够对AUV进行跟踪、监控、下达命令并与其通信，项目被分为3个阶段进行，目前该项目仍处在研发过程中。美国的罗德岛大学近年来也正在进行1个AUV浮标定位通信的研究项目，通过在每个浮标上安装4个水听器和1个发射换能器，采用三角定位和水声通信原理实现AUV的定位和同浮标的信息交互。2013年，我国的“蛟龙号”载人潜水器在南海进行4天10次的下潜试验，“蛟龙号”配备有LBL和SBL两套定位系统来辅助INS，其中长基线定位系统精度更高，可以保证“蛟龙号”在静止状态下定位方差小于2cm。这10次下潜不仅发现了冷泉和新的海洋物种，还带来了海水样品，是我国海洋地质勘探领域的一次重大突破。我国虽然在LBL辅助INS导航的应用领域取得了一定的进展，但高精度的LBL定位系统仍需从国外引进，例如“蛟龙号”和“潜龙号”采用的LBL系统都是法国IXBLUE公司的深水LBL系统。

⒋INS/地形匹配组合导航

INS/地形匹配组合导航较其他2种地球物理组合导航研究更早，使用更广泛。在很长一段时间内，海底地形辅助导航的潜力并没有被充分挖掘，这是由于无法构建高精度的海底地形图。直到多波束测深系统和激光探测系统等的出现，海底的详细地形信息才得以获取并制成海图。2002年6月，北大西洋公约组织(NATO)对搭载了由挪威国防研究所研制的地形匹配辅助INS导航系统的HUGINAUV进行了多次BP02海试试验。澳大利亚悉尼大学研发的OberonAUV采用的也是INS/地形匹配组合导航，并在澳大利亚的近海进行了图标定位和导航试验。

三、展望

导航技术由于其各自的导航方式不同，应用领域也存在差异。航位推算导航和惯性导航通常作为一种基础的导航方式与其他导航技术结合，在军民领域都广泛使用；声学导航也广泛应用于军民领域，但随着各国在军事上的投入不断加大，技术的不断加强，借助卫星信号定位的声学导航信号被截获、被干扰的可能性增大；地球物理导航中，INS/地形匹配组合导航相对INS/地磁匹配和INS/重力匹配组合方式更为成熟，这是由于地形数据库相较于地磁和重力数据库更易获取、更加稳定，所以后2种导航方式目前只在军用领域有所使用。

⒈军用AUV导航技术

在军事领域，AUV对提高海军作战能力有着举足轻重的作用。在未来的水下战略战术中，通过提高AUV导航能力来增强其在水下作战中的自主性、隐蔽性及精确性等性能迫在眉睫。声学导航由于其浮标或海底声信标布置的困难性，GPS信号和水声信号易被截获和不稳定性，在水下作战中显得尤为被动，并有被INS/地磁匹配组合导航、INS/重力匹配组合导航等地球物理辅助导航方式取代的趋势。

INS/地磁匹配组合导航和INS/重力匹配组合导航的发展方向主要有以下几个方面。

⑴高精度的磁传感器和重力传感器的研制。高灵敏度、低功耗、稳定性好及抗干扰能力强将是未来2种传感器研究的重点。

⑵完整的重力场模型和地磁模型的建立。这2种模型的创建都是极为复杂的工作，而且由于重力场和地磁场都是不断变化的，每隔几年都需要进行更新。因此，定期对重力场模型和地磁模型进行更新和完善将是一项持久的工作。

⑶匹配算法的优化。对ICCP算法、SITAN算法、TERCOM算法等相关匹配算法进行进一步的研究分析，或者相互结合，减小匹配误差。

⑷结合其他导航技术。在现有组合导航方式的基础上，继续发展同卫星导航、视觉导航等的相互结合或者地磁导航同重力导航相结合辅助INS的多种导航技术，优势互补，也是未来组合导航的发展方向之一。

其中完整的重力场模型和地磁模型的建立是其最大难点。如何在重力和地磁数据匮乏，地球物理模型建立困难的情况下完成AUV的导航定位才是当务之急。

⒉民用AUV导航技术

在民用领域，例如海洋环境监测、海水养殖等，并不要求信息具有隐蔽性。因此在未来的导航方式中，可选择性也会比较多。在获得完备的地磁数据库、重力数据库的情况下，利用地磁或者重力辅助INS的组合导航显然是不错的选择。

但在条件限制而无法获得完备数据库的情况下，利用基于LBL的浮标导航定位辅助INS的组合导航方式更加方便、经济，也必将成为未来民用AUV导航技术的主要发展趋势。

INS/LBL组合导航方式在未来的发展方向可划分为以下几点：

⑴逐渐用浮标代替海底信标。浮标相比于海底信标布置简单、回收方便、经济实用，而且能保持LBL的高精度定位；

⑵我国北斗卫星导航系统(BDS)已经覆盖了亚太地区，浮标接收的GPS信号逐步用BDS信号来代替是我国浮标辅助导航定位的发展趋势；

⑶研究高精度水声传感器。为了提高AUV同浮标间的通信能力，面对复杂的水声信道，研制抗干扰能力更强、稳定性更好的水声传感器势在必行；

⑷优化定位算法。LBL定位大多采用三角定位和数据融合算法，设置更合适的权值以及在AUV上安装深度传感器将定位场景从3维转换到2维等，都能提高定位精度。

对我国而言，逐步完成BDS导航系统，以代替美国的GPS导航，实现卫星导航领域的自主性，并逐步扩大BDS导航范围，才能实现我国INS/LBL组合导航质的发展。

四、结束语

针对组合导航技术在AUV发展与应用中的重要地位，文中详细介绍了各种AUV导航技术发展概况，并着重对各种组合导航技术的发展情况进行了分析研究。可以看出，未来AUV的导航技术仍将是以INS为主的组合导航。INS/地磁匹配组合导航、INS/重力匹配组合导航等地球物理组合导航将在军事领域发挥更加强大的作用；INS/LBL组合导航技术则将更加广泛地应用于民用领域。

【作者简介】文/魏博文吕文红范晓静朱友康郭银景，分别来自山东科技大学电子信息工程学院和山东科技大学交通学院。第一作者魏博文，1991年出生，男，在读硕士，主要研究方向为无线通信技术；通信作者吕文红，1968年出生，女，博士，教授，主要研究方向为导航与通信系统、运筹学与最优化方法等。本文为基金项目，山东省重点研发计划(公益类专项)项目(2018GHY115022)。本文来自《水下无人系统学报》（2019年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。

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