非卫星水下导航定位技术综述*

尹伟伟 郭士荦

(1.中国人民解放军海军902厂 上海 200083)(2.海军工程大学导航工程系 武汉 430033)

非卫星水下导航定位技术综述*

尹伟伟1郭士荦2

(1.中国人民解放军海军902厂 上海 200083)(2.海军工程大学导航工程系 武汉 430033)

水下信息传输的局限性以及水下任务的隐蔽性制约了卫星导航定位技术在水下航行器工程中的应用。系统地介绍了非卫星水下导航定位常用技术,主要包括惯性导航,地形、地磁匹配导航,重力场匹配导航,航位推算导航,声学导航,组合导航等多种技术,通过国内外工程实例概述导航技术研究现状,介绍优、缺点,探讨发展趋势。

导航、制导与控制; 水下导航定位; 惯性导航; 匹配导航; 声学导航; 组合导航

1 引言

水下航行器在人类利用和开发海洋的过程中发挥了至关重要的作用,无论是在军事上还是在国民经济领域都有着广泛的应用。尤其在军事领域,它可以执行战场监视、隐蔽打击、战略威慑等多种任务,具有重要的战略意义。导航定位技术是水下航行器工程实际应用中的一项关键技术,在远洋水下军事任务中,对保障作战效能和航行安全至关重要。由于水下信息传输的局限性及部分水下任务的隐蔽性,很多情况下高精度的GPS信号无法直接使用。因此非卫星水下导航定位技术成为多年来的研究热点,目前常用的方法有：惯性导航、地形匹配、航位推算、地球物理导航、声学导航及组合导航等多种方式。

2 惯性导航

惯性导航技术是一种自主式的导航系统,可以在不与外界通信的条件下,在全天候、全球范围内和任何介质环境里自主地、隐蔽地进行连续的三维定位和定向。1958年美国“鹦鹉螺”号核潜艇装备N6A型惯性导航系统,水下连续航行21天成功穿越北极,航程8146海里,定位误差仅为20海里,充分体现了惯性导航系统在水下航行器导航应用中的巨大优势：自主性、隐蔽性、信息的完备性。

二十世纪九十年代后期,随着光学陀螺和微型计算机技术的发展,捷联惯导系统的应用越来越普遍。目前,光学陀螺及MEMS陀螺捷联系统已经大量进入军民应用领域,典型产品如美国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PHINS和MARINS船用光纤陀螺捷联惯导系统(定位精度分别为0.6nmile/h和1nmile/24h)等。

惯导系统的缺点是存在随时间积累的位置误差,长时间航行需要参考信息的校正,而由于水下特殊环境限制了电磁波及光波的传播,如果使用水面上层空间的无线电导航、卫星导航、天文导航等技术就不得不浮出水面,造成动力损失,对隐蔽性作业也有影响。

目前水下惯性导航系统发展趋势是发展三维全监控惯性平台系统和静电陀螺监控系统[1];发展中、低精度惯性系统,扩大导航级惯性系统的应用范围;发展新型惯性器件,研究高精度误差仿真模型及误差补偿技术补偿器件误差,提高器件输出精度;发展包括系统数字化、集成化、通电快速热稳定及动态快速对准等惯性系统关键技术,研究水下惯性测试与试验技术;开展水下辅助惯性导航技术研究[2]。

3 地形匹配

地形匹配导航的原理是利用测深仪、声呐等水下地形探测设备,提取水下航行器下方地形特征值,把该特征值与事先存储在计算机里已知的高分辨率的地形图进行匹配,从而确定位置信息。与惯性导航系统一样,具有自主性强、隐蔽性好的优点,基于已知水下地形信息,可以获得不亚于GPS的导航精度[3]。

国外20世纪90年代才开始研究海底地形匹配技术,日本东京大学研制的开架式AUV“TUNA-SAND”, 2008年在鹿儿岛海域进行地形导航海上试验,在400m×400m的区域内,3m格网精度的情况下,定位精度高于惯导系统[4]。2010年,挪威国防研究组织(FFI)研制的HUGIN系列智能水下机器人(AUV)在奥斯陆海湾进行了一次全程水下试验,利用水下地形高度匹配(TEM)导航方式,航行5小时浮出水面时与GPS信号间的误差约为5m[5～6]。

水下地形匹配导航的缺点在于必须事先勘测活动海域水下地形并记录下来,定位精度受限于先验地形图的精度;测量海底轮廓需要使用主动声呐,不利于隐蔽性要求。因此水下地形匹配导航多用于辅助其他导航方式[7]。美国斯坦福大学研制了一种适用于大航程AUV的地形导航方法。使用高度计、多普勒计程仪(DVL)作为测量设备,与低精度INS进行组合,2008年4月进行“MBARIDorado”AUV测试试验,定位精度达到4m～10m[8]。

地磁匹配导航与地形匹配导航类似,也需要先验水下地磁场信息图,由于地球磁场与地理坐标系之间存在客观、规律的联系,因此利用地磁传感器感测地磁方向与强度可以得到方位、姿态等信息[9]。2003年8月,美国国防部文件宣称其研制的纯地磁导航系统导航精度为：地面和空中定位精度优于30m(CEP),水下导航精度优于500m(CEP)。国内相关研究单位主要有海军装备研究院、北京大学、航天三院等,目前还处于原理探索和仿真研究阶段。地磁匹配缺点是易受磁场环境影响,水下磁场环境较为复杂,获取较高精度的先验水下地磁场信息图难度较大。

4 重力场导航

重力场导航是一种新型无源导航技术,其前提是有相当精度的重力分布图,其原理与地磁导航原理一样,都是利用实测数据对比先验基准数据的导航方法。重力导航系统有三个要素：导航用重力仪、导航用重力图和重力匹配定位算法。现有海洋重力异常场分辨率已经达到2′×2′以内,这给高精度重力匹配导航提供了可能性。重力测量技术在国内外受到了广泛关注和研究,国外研究起步较早,代表性的有美国的LaCoste & Romberg重力仪系统和俄罗斯的Check-AM重力仪系统,测量精度可以达到1mGal[10]。2012年,国防科技大学研制的捷联式航空重力仪SGA-WZ在与Check-AM系统进行的对比试验中,测量精度优于1.83mGal/7km,与Check-AM系统精度相当[11];海军工程大学与中科院测量与地球物理研究所合作研制的国家重大仪器专项“海洋/航空重力仪”取得突破性进展,目前已进入海上测试阶段。

重力场导航技术在水下航行器中经常用于辅助惯性导航或其他导航手段,包括实时估算垂线偏差,用以减少惯性导航系统误差;匹配重力图位置坐标,为惯导系统提供位置修正等。1998年至1999年间,美国洛克希德·马丁公司开发研制了通用重力模块,在静电陀螺惯性导航系统水下航行器上进行演示试验,取得了较好的效果,目前已经成为美国海军下一代精确导航的一个研究方向。近几年来,国内一些单位如哈尔滨工程大学、中船重工707所、东南大学等也已经开展重力场导航方面的工作。

5 航位推算导航

航位推算是水下航行器常用的一种导航方法,利用多普勒计程仪或相关速度计加上罗经,给定初始位置坐标后根据航行时间以及航向,推算下一时刻坐标位置,原理与惯性导航系统类似,但相比惯导系统体积小、成本低。航位推算系统的缺点是存在随时间累积的误差,没有GPS修正的情况下导航精度较差;容易受环境噪声影响,多普勒计程仪需要向外发射声波信号,隐蔽性较差。

航位推算导航算法简单、经济,目前仍然是水下导航的重要手段。光纤陀螺体积小、精度高,一般用作航位推算系统的姿态传感器,速度计目前主要采用多普勒测速仪(DVL),国外已经研制出了精度较高的DVL,例如美国EDO公司研制的3010型和3050型DVL,速度可达0.2%[12]。因此在有其他辅助导航方法进行修正的情况下,航位推算导航方法具有优越的实用性和有效性。

6 声学导航

在水下,声波信号相比电磁信号能够传播更远的距离,因此声学导航也是水下导航的重要手段。利用声学导航首先要在水下布设应答器基阵,根据航行体与应答器之间声信号传播确定航行器相对应答器的位置。主要有长基线导航(LBL)、短基线导航(SBL)和超短基线导航(USBL)三种形式。

LBL定位精度较高,在边长100m的三角形定位区域内定位精度可以达到1cm; SBL定位精度次之,澳大利亚Nautronix公司生产的NASDnllRS925短基线定位系统,可以在水深3500m工作,定位精度优于2.5m; USBL定位精度较前两种方法稍差,以法国Oceano Technology公司生产的posidonia6000为例,其定位精度大约为作用距离的0.5%～1.0%[13]。

声学导航系统精度高,不存在累计误差,其缺点是需提前布设应答基阵,不适合远洋航行、突发水下任务等应用场合,设备成本较高,维护困难。已知信标通过声信号传播通信,不利于隐蔽性要求,因此声学导航多用于商用及民用任务。为满足高精度水下导航需求,声学定位系统联合定位、声学定位与其他导航定位方式组合定位等已经成为声学定位技术的主要发展趋势。

7 组合导航

上述各种水下导航系统各有优缺点,针对不同的任务需求可以选择不同的导航方式。但是不论何种水下导航任务,都要求其导航定位设备尽量达到较高的精度。而目前各种单一的导航方法,在精度、可靠性或者其他方面都或多或少存在不足,无法满足水下航行体发展的需要。因此低成本、高性能的组合导航系统成为水下航行未来导航技术发展的方向[14]。

国内外研究较多的水下组合导航系统集中在以惯导系统为主,辅以声学导航、重力匹配、地形、地磁匹配系统等。目前国外比较成熟的水下组合导航技术主要是捷联惯导系统(SINS)和多普勒速度声呐系统(DVS)的组合导航系统,如丹麦与美国联合研制的MARPOS多普勒/惯性水下定位系统,在距离海水深度不超过200m的条件下,定位精度可以达到航程的0.03%;美国海军研究生学院提出的低成本捷联惯导系统加DVS、GPS组合导航系统,其中惯性/DVS组合导航精度可以达到航程的0.01%[15]。

哈尔滨工程大学水下智能机器人技术重点实验室研究了由多普勒测速仪、光纤罗经、深度计等组成的水下航位推算系统,并通过水下试验验证了可行性,但仍然需要GPS作为水面位置校正信号[16]。

8 其他导航方式

除上述内容,目前研究较多的还有以下几种水下导航方式：

1) 天文导航：利用天体观测设备、天文导航计算机组成天文导航系统。其优点在于利用天体辐射能,不易受电磁波干扰,且测量误差不随时间积累;缺点在于易受环境、气候的影响,上浮观测天体不利于隐蔽性的要求。

2) 无线电导航：包括罗兰C、OMEGA、导航雷达等。其优点在于定位精度较高、作用距离远,缺点在于需要上浮接收信号,不利于隐蔽性要求。

3) 多AUV协通导航：分为并行式与主从式两种方式。并行式成本较高,并不实用,主从式则不同,主AUV配备高精度水下导航系统,定位精度较高。从AUV通过水声测距获取相对主AUV的方位、距离信息,对自身定位结果进行修正[17]。目前协通导航已经成为水下导航研究的一个新方向,美、英等国家已经进入应用阶段,而国内仍停留在理论分析与仿真实验阶段,代表性的研究机构有西北工业大学和哈尔滨工程大学[18]。

9 结语

本文研究了水下导航定位技术发展现状及趋势。总的来看,单一水下导航技术各有优缺点,应根据不同任务需求合理选择导航方式。以中、低精度惯导系统与地形、地磁或者重力匹配等其他无源导航方式进行组合,形成低成本、高精度组合水下无源导航系统,已经成为水下导航技术发展的一大趋势。

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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

尹伟伟,男,硕士,高级工程师,研究方向:舰船装备技术保障。郭士荦,男,博士研究生,研究方向:惯性技术及应用技术研究。

U666.11

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.003