水下导航定位技术的探究

张文秀

摘 要：随着水下导航器技术的不断发展，导航系统成为水下航行器研究的主要技术核心，实现水下精确定位成为目前水下航行器定位导航系统研究的一个重要分支。本文对几种常用自主导航方式的优缺点进行了对比，提出采用组合导航方式可以提高导航的可靠性和准确度。

关键词：水下航行器 组合导航 精确定位

迄今为止，应用于水下航行器的导航方式一类是凭借于外部信号的非自主导航，另外一类则是凭借传感器得到信号的自主导航方式。前者的导航基础是运载体可以接受到来自于外部信号的条件下才能完成导航，如罗兰、欧米加及其GPS等，三者中GPS凭借其广泛的信号面积导航能力更佳且更为准确。然而，该导航方式存在着自身的不足，由于其信号来自于外部，主要的方式是无线电导航，信号衰减非常严重，非自主导航局限于水上之上的定位，在水下航行器中的应用十分有限。对于后者，导航主要依靠自身配备装置的传感。基于不同的传感装置，将自主导航方式分为很多类，如携带惯性测量装置的惯性导航系统、配备水声换能器的声学导航、装有地形匹配或者地磁传感器的地球物理导航等导航系统。

1.水下航行器常用导航方法

1.1航位推算和惯性导航系统

航位推算法主要是对航行器的速度进行时间的积分求积分来确定其所在的位置，应用比较早且范围较广。为了得到航行器的航行速度，需要确定航行器的速度和航向，因此需要流速传感器或者是航向传感器来确定航行器的速度和航向。采用流速传感器测量航行速度的过程中，海流会影响航行器的速度，且对流速的影响是流速传感器不能测到的，海流对流速的影响进而会产生导航误差，速度较慢航行较长的情况下，误差会很大。

惯性导航系统利用测量得到的航行器的加速度，经过一次积分运算计算出速度，两次积分运算得到航行器的位置，具有自主性、无需外界信息源以及隐蔽性的优点。可以将其分为平台式和捷联式两种形式。空间大小、功率以及价格的限制，普通的航行器均采用捷联式，该方式的导航系统（SINS）容易实现导航与控制的一体化。

但INs在水下航行器上应用存在以下的缺点：

（1）该导航系统（INS）位置信号漂移严重，对于长时间工作的航行器，导航信号失真严重，不足以应用于航行器的精确定位。

（2）成本较高。

1.2声学导航

与无线电信号相比，声信号在受水介质的影响较小，水下传播的距离比较远，故可以利用声发射机来指引航行器的航行方向。迄今应用于运载体的声学导航系统包括有长基线（LBL）导航、短基线（SBL）导航和超短基线（USBL）导航三种形式。

1.3地球物理导航

若航行器所处位置环境的测绘图是已知的，根据对包括深度、重力、磁场等这些地球物理参数的测量，将所得参数与已知的测绘图进行配对，可以确定航行器所处的位置。该方法的科学基础是测量的地球物理参数随环境空间分布的变化而变化，将其与环境测绘图配对，可到航行器所处的准确位置。

2.组合导航系统

组合导航方式是将多种导航方法互配，不仅提高了导航可靠性及准确度，且单一导航方式的准确度可以适度下降，进而降低整体导航的技术难度及整体耗资。

为了避免长距离的导航定位存在覆盖面积小、电波受干扰大、可靠性及精确度低等不足，多个国家投入人力物力致力于卫星定位导航系统（具有覆盖范围大、可靠性好、可以实时全球范围精确定位等优点）的研究。

2.1GPS导航

GPS导航系统（Global Position system）通过导航卫星测量距离和时间，进而对航行器进行全球定位，称为全球定位导航系统。该系统由GPS卫星星座，地面监控部分以及GPS信号接收机三部分组成。前者是空间部分亦是核心部分，后者是系统的控制部分。21颗轨道高度为20200Km的工作卫星外加3颗在轨备用卫星组成了GPS卫星星座。工作卫星等间隔的分布在55°轨道倾角为的近圆轨道上，运行的周期是11小时58分钟，且每4个工作卫星占据一条轨道，相邻的轨道面上的相邻卫星相位差为300。卫星的空间排布遵循了多星、测距、高轨、侧时的规律，空间分布覆盖面广，导航系统的准确度得到提升。其定位原理如下：定位卫星的运动较快，以某一时刻的导航卫星的空间位置参数设为起始数据，利用数学计算方法（空间距离后方交会）通过运算得到运载体的实际所在位置图1为GPS的定位原理图，以地面的运载体为研究对象，GPS接收器上测得在某一时刻从卫星发射地面信号到接收系统接收到GPS信号所经历的时间间隔为△t，GPS系统的信号接收系统接收到的其他导航卫星的信号数据，有以下四式成立：

将4颗卫星的数据带入到的方程式（1）中，得到四个不同的关于x， y， z和Vt0的方程组，其中，di是导航卫星与地面接收机间的距离。c△ti（i=1，2，3，4）。等于信号传播速度与测得的两信号间的时间间隔的乘积，信号的传播速度等于光的传播速度。方程式（1）中各物理量的实际意义如下：

x，y，z为导航定位点的三维坐标系；xi，yi，zi，（i=1，2，3，4）為在t时刻4个卫星得三维坐标值，可由卫星导航电文求得。

Vti（i=1，2，3，4）为4颗卫星发射导航信号的钟差，由卫星星历提供；Vt0为接收机的钟差；计算求解方程组得出未知数坐标x，y，z和Vt0；

2.2GLONASS导航系统

GLONASS是全球导航卫星系统，是继美国全球导航卫星发射成功后前苏联设计的同类卫星导航定位系统，构成与GPS构成相同均由三部分组成。与GPS卫星系统不同的是，该卫星星座由24颗卫星组成，每颗卫星的各个轨道面上分布着8颗卫星，轨道高度19100公里，轨道倾角64.80，运行周期11小时15分。GLONASS与GPS的工作原理都是利用测量距离实现定位：根据测量点到数个已知点的距离，根据数学运算即可推算得到准确的位置坐标。

2.3DR导航系统的工作原理

G P S或者GLONASS定位导航系统的工作原理依赖导航卫星，利用地球卫星信号接收装置接收由导航卫星发射的定位信号完成导航。与前两种被动定位导航系统相比，航位推算导航（DR）系统实现了完全自主导航，进行水陆导航，该方法常与其他的导航系统装置匹配使用，重要性相对不显著，然而，将其用于水下导航时，因水下可以利用的导航源有限，DR导航系统扮演者重要的角色。

2.4GPS/GLONASS和DR组合导航

2.4.1定位系统特点

GLONASS以及GPS两种导航方法的定位原理相同，都是基于对地球卫星发射无线信号。GPS/GLONASS组合导航相对于单个的GPS导航系统，具有很多的优点，具体为：

（1）更多的定位导航：（2）定位精度提到，可靠性变好。

2.4.2 GPS/GLONASS/DR导航系统原理

迄今为止，基于全球定位导航技术开发新的导航系统来提高导航精度已成为一个热点课题，然而，对于全球定位导航系统来说，目前，仍存在两个大的技术难题：其中之一为全球定位导航信号的L波段受水介质的影响较大；还有一个难题为GPS全球定位导航进行定位时，定位的参考信息需要作为辅助，但在海底，声波无法实现参考信息的传输。要解决上述的问题，要着重考虑两个关键性技术：将电磁波用声波取代；处理参考信息的传输问题，然而，目前还未得到解决。基于航位推算导航系统的自主性较好，无需外界提供信息，与卫星导航组合系统联用可以克服目前已有导航系统的难题。

3.小结

实现航行器精确定位已经成为目前水下导航系统开发的一门新兴技术，是一个十分值得研究的课题。基于其具有极高的实用价值，对海洋导航系统的开发已经引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了目前已经开发成熟的几种不同的导航系统，对比了各定位方法的优点以及不足。结合各导航系统的优点，着重对GPS/ GLONASS/DR组合导航系统的工作原理进行了分析。

参考文献：

[1]田坦.水下定位與导航技术.国防工业出版社，2007.

[2]丁永忠，王建平，徐枫.地磁导航在水下航行体导航中的应用.鱼雷技术，2009，3，17-20.

[3]刘强，许江宁，周红进.水下航行器多普勒导航系统误差辨识与修正.舰船电子工程，2008， 28（11），70-72.