海上平台惯性导航技术发展现状与趋势

陈刚, 饶鑫, 朱永涛, 杜逸清, 赵小明

(天津航海仪器研究所, 天津 300131)

海上平台惯性导航(以下简称惯导)系统主要负责对平台的运动信息测量及推算定位定向,通过与平台控制系统、航行系统、勘测任务等系统深度交联,可实现自动导航、自动停泊、高精度勘探等能力,能够有效地提高任务系统精度和可靠性。海上平台惯性导航技术已经成为现代军用、民用舰艇、无人航行器等导航系统的重要组成部分,是衡量海上平台性能的重要技术指标之一。

海上平台惯性导航技术发展的动力主要源于海洋资源开发、海工装备发展等外部需求更新,源于工业技术发展带来的惯性元件原材料革新与新机理元件出现等核心技术升级,并向高精度、高可靠性、低成本与适装性等性能指标不断发展。随着导航及相关行业的技术革新、海上军民用平台能力要求变化以及应对未来可能存在的海上安全威胁等情况,我国亟需发展独立自主的海上平台惯导技术。

1 海上平台惯性导航技术发展的需求与挑战

随着日趋复杂的海上任务需求、广度与深度更高要求的海上作业情况,对海上平台惯导系统提出了新的技术要求:1)高精度、长周期、惯性组合导航一体化,综合应用不同的自然导航信息源与人工导航信息源,满足长周期导航需求;2)适用于多种有人/无人平台、复杂海况,连续自动推算显示平台更多、更为精确的运动参数信息;3)全天候自主工作,适应高强度远洋、深海作业需求。对标需求与结合现状,海上平台惯性导航技术发展正面临着如下挑战。

1)海上平台自主导航能力仍需加强。

惯导系统推算的定位误差随时间积累,还需结合其他导航技术进行定期修正,以保持原有的参数精度。目前主流的海上平台导航系统以惯性/卫星组合导航为主。虽然我国已投入使用北斗三号卫星导航系统,具备自主卫星导航能力,但随着干扰技术的不断发展,如区域多点压制干扰、基于轨迹诱导的智能欺骗式干扰等[1],导航系统在实际应用中将不可避免地面临卫星信息丢失、错误等组合导航失效的情况。另外在水下作业无法应用卫星导航信息,如深海资源勘探、水下海洋工程等,因此海上平台自主导航能力仍需不断增强,大力发展惯性导航技术以及海洋环境特有的组合导航技术,提升精度和环境适应性等能力以满足海上平台导航需求。

2)高动态下的运动信息精确测量。

导航过程中,惯导系统能够测量并输出平台的状态信息如姿态角、速度、角速度、加速度、位置和升沉等(如图1所示),以实现惯导系统与其他系统及设备的深度交联,满足海上平台任务需求,如无人平台收放、船舶轨迹跟踪与动力定位等。在海上平台航行与作业过程中,往往要面临复杂海况或海上平台需要进行大机动动作的情况,此时惯导系统误差积累效应会更加明显,进而影响平台的导航与控制性能及其他设备的使用可靠性,如何在高动态下精确测量平台运动信息成为当前不可逾越的技术难题与新的挑战。

图1 惯导系统测量船舶运动状态信息示意Fig.1 Schematic diagram of inertial navigation system measurement of ship motion imformation

3)无人平台编队任务提出协同导航需求。

无人平台编队即无人集群具有对抗交换成本低、复杂环境自适应、抗毁性强等优势,在军用领域具有颠覆未来战争样式的潜力,被美军列为实现第3次抵消战略的颠覆性技术之一,在民用领域可用于海洋矿产资源勘察、海洋环境信息监测、海底地形地貌测绘勘测、海洋无人救险、深海船只打捞等。

无人集群是以特定的构型来保证任务执行的高效性,因此队形的保持或快速重构是无人集群需要解决的一个关键问题。无人集群相比单平台,安全、快速地航行至任务地点将面临更多的问题,基于海域环境、无人平台动力学特点等边界条件合理规划无人集群航行路径,并精确控制无人平台行驶至任务点,也是无人集群需要解决的一个基础问题。能高效解决上述问题的关键技术为无人集群协同导航技术,要求具有精确的协同定位能力,依赖的技术就是以惯导为核心的自主导航技术,需要解决基于无人集群通信测距测向信息的惯性组合导航、弱通信条件观测信息补偿等关键技术。

2 海上平台惯性导航技术发展现状

随着海上作业环境的日趋复杂,军备对抗的不断升级,惯导技术由于其全天候、抗干扰能力强、自主性好等优势,一直是海上平台导航技术中的研究热点,在舰艇导航领域已广泛应用,并不断向军民融合领域扩展。

目前海上平台惯性导航技术中,可依据使用的陀螺类型分为静电、光学、谐振、原子等类别,且各国已经研制了许多相对成熟的产品并投入使用。同时为了解决惯导/卫星组合导航中卫星失效的问题,国内外研究者们还结合海洋环境提出了许多新的组合导航方案,通过融合如水声、地球物理场等外部信息以提高惯导系统精度,并取得了研究成果[2]。

2.1 海上平台惯性导航技术

惯性导航系统(inertial navigation system,INS)是一种不依赖于外部信息自主推算舰位的导航系统。惯性导航系统能建立导航坐标系,获得载体坐标系相对导航坐标系姿态信息,通过测量载体在导航坐标系的加速度,经积分解算得到速度信息,再积分得到载体位置信息,从而建立全量定位导航信息。

惯性导航系统的核心部件是惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU),用于测量载体的三轴姿态角以及加速度,通常由陀螺仪、加速度计组成,部分还包含磁力计。陀螺仪主要用于测量载体三轴的角度/角速度,加速度计用于测量三轴的加速度,磁力计可提供磁场信息辅助测量。

由于高精度陀螺仪制造困难,价格高昂,且由陀螺仪引起的惯导系统定位误差相较于加速度计更加显著,因此陀螺仪发展能代表惯性技术发展情况,其性能主要体现在陀螺零偏与标度稳定性2个方面,目前主要陀螺技术性能如图2所示[3]。静电陀螺是目前最高精度的陀螺技术,能满足战略级应用需求,原子陀螺还处于研究阶段,具备更高精度的潜力;激光、光纤陀螺是目前覆盖海上及各领域平台范围最广的陀螺技术,能满足导航级、战术级应用需求,谐振陀螺正展现出与光学陀螺相当的技术能力。

图2 陀螺仪技术性能Fig.2 Technical specifications of gyroscope

2.1.1 静电陀螺惯导技术

静电陀螺惯导系统将机械式陀螺惯导系统性能发展到顶峰,静电陀螺转子利用静电支承在超高真空球腔旋转,漂移干扰力矩小,陀螺极限精度可达到10-6(°)/h的量级。美国在20世纪70年代研制静电陀螺导航系统,首先研制了静电陀螺监控器,用于监控舰艇惯导系统,提高潜艇导航精度。在静电陀螺应用技术成熟后,于1990年研制了能独立完成导航的静电陀螺导航系统,惯性元件采用实心铍球转子静电陀螺和电磁加速度计,系统采用四环框架结构,具备极区导航能力,其导航性能比攻击型核潜艇重调周期长11倍,具备支持核潜艇长周期水下隐蔽航行,并为潜射导弹提供高精度位置、速度、航向等信息。

俄罗斯中央电气科学研究所研制φ50 mm的空心铍球转子静电陀螺,具有壳体旋转功能抵消与壳体固连的有规律漂移,转子的悬浮由3对互相正交的电极来支撑,陀螺精度优于0.000 1(°)/h,应用于静电陀螺监控器,装备于台风级导弹核潜艇。法国萨基姆公司应用φ6 mm的实心铍球转子静电陀螺,也采用了陀螺壳体正反转技术,调制后的随机漂移优于0.000 1(°)/h,由其构成的静电陀螺监控器装备在凯旋级导弹核潜艇。

静电陀螺惯导系统复杂,所以维护成本高,随着新发展光学惯导系统性能能满足大部分舰艇导航需求,静电陀螺惯导系统应用范围存在局限性。但由于静电陀螺惯导系统仍是世界上精度最高的惯导系统,其依然以其高精度性能应用于核潜艇,并在超高精度场合继续应用,如2004年引力探测器用于检验广义相对论正确性,其搭载的陀螺仪测量精度可达0.000 5″以上,陀螺内部结构如图3所示。

图3 静电悬浮陀螺仪Fig.3 Gyroscope of electrostatic suspended

2.1.2 光学陀螺惯导技术

光学惯导技术的相关研究起步较早,在20世纪70年代后期就进入了实用领域,目前市面上已经具备许多成熟的产品,是导航级惯性导航应用领域的首选,预计未来5～10年,高端惯性技术市场仍将以光学惯导技术为主导。目前光学惯导技术可依据使用陀螺类型分为激光和光纤两大类。

1)激光陀螺惯导技术。

激光陀螺在同等高性能陀螺中具有零偏重复性好,工作寿命长的特点。与光纤陀螺相比,其标度因数非常稳定,可以控制在10-6,且标度因数对称性、非线性特性稳定,特别适用于对标度因数要求高的高动态运载体。

目前国外激光陀螺主要采用增大激光谐振腔尺寸及参数优化、速率偏频等技术[4,6]来提高其测量精度,技术已趋于成熟,其中美国Honeywell公司研制了最典型的激光陀螺产品GG1320AN如图4所示。

图4 GG1320AN激光陀螺仪Fig.4 GG1320AN ring laser gyroscope

由于激光陀螺核心是以熔融石英玻璃为材料的环形氦氖激光器,陀螺基本性能与敏感光路面积成正比,高精度激光惯导系统需要更大尺寸的激光器,导致系统体积质量难以维系理想状态。因此国内外研究机构还提出了基于一体化集成思想的“空间三轴激光陀螺”等技术方案[7]来满足高精度激光惯导发展需求。

美国斯佩里公司基于二频机抖激光陀螺GG1320、GG1342研制的MK39 Mod3C单轴旋转调制激光惯导系统和MK49双轴惯导系统是最为典型的激光惯导产品,MK39 Mod3C内部如图5所示,包括激光陀螺惯组、单轴旋转机构、缓冲装置,应用旋转调制技术大幅抑制陀螺漂移,系统定位精度保持能力为1 n mile/24 h,MK49的重调周期超过10 d。两型激光惯导系统已广泛应用于美国及北约国家海军水面舰艇于潜艇,是其舰艇导航主惯导设备。

图5 MK39 Mod3C单轴激光惯导系统Fig.5 MK39 Mod3C RLG INS with single axis

法国Thales公司也是较早开展激光陀螺研究的机构,其生产的专为海洋环境设计的TopAxyz惯性导航系统,精度可达1 n mile/72 h,能够长期提供准确、可靠的导航信息,不受海况和载体位置的影响,可广泛适应海上各类平台的应用需求。

总体来说,国外激光惯导技术主要朝着高性能小型化与大腔长超高精度2个方面发展,并已趋于成熟。

2)光纤陀螺惯导技术。

光纤惯导技术的核心为光纤陀螺,它由光纤环圈、光源及电子器件组成,无机械旋转部件,是纯固体陀螺,通过检测光纤环圈中相向运行的两束光的相位差来确定外部载体角速度。具有分辨率高、耐真空、抗辐照等特点,并随光纤环圈的纤长不同,可覆盖不同的精度范围[8]。

目前光纤陀螺按照工作方式的不同,主要有干涉式光纤陀螺(I-FOG)和谐振式光纤陀螺(R-FOG)2类。其中谐振式光纤陀螺在小型化、低成本方面更具优势,且由于采用高斯相干光源,其频率稳定性要比干涉式光纤陀螺高得多,逐渐成为小型化、低成本光纤陀螺研究的重要趋势之一。国外主要采用增大环圈、三轴一体化来提升光纤陀螺综合性能,使其朝着高精度、小型化、低成本及抗恶劣环境等方向发展[9,12]。美国Northrop Grumman公司制造的μFORS系列光纤陀螺如图6所示。

图6 μFORS系列光纤陀螺仪Fig.6 μFORS fiber optic gyroscope

光纤陀螺技术经过多年发展已形成成熟惯导产品,国外主要的光纤陀螺惯导系统研制单位有美国Northrop Grumman公司、法国iXblue公司等,旗下产品广泛应用于航海领域。Northrop Grumman公司SeaFIND是为中、小型作战舰艇和辅助舰艇研发的一款舰艇光纤惯性导航系统,其尺寸大小仅为250 mm×250 mm×127 mm,质量为4.9 kg,产品形态如图7所示,性能指标优于1 n mile/24 h,已通过美国海岸警卫队型式认可。

图7 SeaFIND光纤惯导系统Fig.7 SeaFIND FOG INS

法国iXblue公司近年来依次推出覆盖海洋资源勘探、船舶导航控制等任务需求的惯导、姿态基准与罗经全系列产品,主要包括Phins惯导、Octans与Quadrans姿态基准及罗经等产品,近年来开发出精度更高的Marins光纤惯导产品,产品覆盖全球主要船舶应用领域,装备全球超30个国家的海军,充分满足高低端领域不同需求。其Marins系列惯导系统采用纯捷联技术方案,通过增加光纤环圈直径途径提高系统精度性能,且具备低功耗、高可靠性的优势,目前2019年最新推出的Marins M11性能达到了1 n mile/15 d,其全系产品如表1所示。

表1 法国iXblue公司光纤陀螺惯导产品及其技术指标Table 1 Drawing and technical specifications of iXblue FOG INS products

2.1.3 谐振陀螺惯导技术

半球谐振陀螺属于哥氏振动陀螺,是高精度新型的纯固态振动陀螺,由于组成部件少具有极佳的可靠性,且在同一尺寸下实现不同等级的陀螺精度,是最有潜力实现高精度、小型化、低成本的陀螺仪,目前已成为国外惯性技术领域的研究热点之一。

目前,谐振惯导技术的技术难点主要集中在半球谐振子的加工制造和大动态角速度测量2个方面。加工制造层面的研究重点主要聚焦于高Q值石英材料的研发,谐振子调平、低应力加工等关键点。针对大动态下的角速度精确测量的问题,全角模式控制技术成为拓展半球谐振系统应用的必然之选,国内外针对全角模式下的高精度信号检测技术、自标定补偿技术开展了大量相关研究[13]。

目前市场上法国Safran公司谐振惯导技术居世界前列,研制的谐振陀螺零偏稳定性可优于0.001(°)/h,标度因数稳定性可优于10-6,其产品如图8所示。Safran的各个惯导产品已实现在海陆空天各领域的广泛应用,产品如表2所示,其生产的BLUENAUTE PLATNIUM系列的姿态方位参考设备,精度高,可靠性MTBF指标达到20×104h,能够适应海洋船舶、各类型舰艇应用需求。惯导产品有ARGONYX、BLACK-ONYX等系列,主要为舰艇安全航行、舰载武器提供基准信息,全面替代基于激光陀螺的上一代SIGMA40系列产品。

表2 法国Safran公司谐振陀螺惯导产品及其技术指标Table 2 Drawing and technical specifications of Safran HRG INS products

图8 HRG谐振陀螺仪Fig.8 Hemispherical resonator gyroscope

2.1.4 原子陀螺惯导技术

原子陀螺惯导技术根据陀螺原理主要有冷原子干涉[14-15]和原子自旋[16,18]两大主流方向。

基于冷原子干涉技术的原子陀螺,原子波和光波类似,都可以发生干涉,原子具有德布罗意波长短、自由演化时间长和响应频率窄等优点,在惯性导航领域,理论上原子陀螺仪的灵敏度比光学陀螺仪至少高2个数量级。随着磁光阱技术发展,原子冷却与陷俘的技术手段实现重大突破,以冷原子干涉为基础的精密测量逐渐成熟。采用左右对抛双环路形式的冷原子干涉陀螺仪如图9所示,它利用差分测量的方式消除环境噪声所引入的相位误差,具有实现更高精度等级角速度和加速度测量的潜力。

图9 基于自由抛射的冷原子干涉陀螺Fig.9 Cold-atom interferometry gyroscope with free ejection

基于原子自旋陀螺方面,美国普林斯顿大学开展了SERF陀螺技术研究工作,在高压、高浓度工作物质原子及弱磁条件下,通过检测原子自旋磁矩随载体运动的变化,实现角速度测量,测量精度达到2×10-6(°)/(s/Hz1/2)。美国诺格公司开展了核磁共振陀螺技术研究,已实现陀螺芯片化,在模拟应用条件下,陀螺精度达到0.02(°)/h,为实现惯性测量系统应用奠定了基础。

在推进原子惯导应用方面,美国专门从事冷原子量子技术的ColdQuanta公司获得政府支持,应用Quantum Core技术,将原子冷却至接近绝对零温度,并使用激光以极高的精度操纵和控制原子,实现惯性测量,该公司将原子钟、陀螺仪、加速度计等惯性导航设备相结合,组成第一个量子定位系统。

虽然冷原子陀螺具备的高精度、高分辨率的特点在高精度惯性导航领域有先天的优势,然而目前该技术还处于实验室研究阶段,尚未形成工业化产品[19],预计还需要较长时间的探索研究过程。而核磁共振陀螺有望在芯片化过程中,在解决自身启动特性条件下,实现陀螺及惯性系统应用。

2.2 海上平台惯性组合导航技术

2.2.1 惯性/水声组合导航技术

纯惯性导航系统误差会随时间积累发散,难以满足海上平台长时间任务需求,卫星导航系统虽然能全天候提供高精度定位信息,但其电磁波信号易受干扰,且存在暴露的风险。因此需要发展其他组合导航技术,目前较为常见的是结合水声导航技术与地球物理场匹配技术提高惯导系统导航精度[20]。

水声组合导航技术可分为惯性/多普勒测速仪(doppler velocity log,DVL)组合导航技术和惯性/水声定位组合导航技术,分别融合了DVL提供的速度信息和水声定位提供的位置信息。

1)惯性/DVL组合导航技术。

DVL基于多普勒频移原理,根据与水底的相对距离采用底跟踪/水跟踪模式,测量载体对底/对流速度,具有测速精度高等优点。

在DVL产品研发方面,国外主流设备具备多种工作频率,对底量程为8～150 m,对水量程为30～300 m,测速精度优于0.05 m/s。高精度的对底测速能力为DVL与惯导系统实现组合导航系统创造了条件,图10为法国iXblue公司应用DVL形成的Rovins 9 DVL一体化组合导航产品,具有尺寸小、质量轻、传输快、测速准和作用范围广等优点。

图10 Rovins 9惯性/DVL组合导航系统Fig.10 Rovins 9 IMU/DVL integrated navigation system

目前惯导/DVL组合导航技术[21]研究重点主要涵盖对准、标定、数据融合和故障检测等方面[22-26]。惯导系统在使用前必须进行初始对准,其初始对准结果将极大影响最终组合精度,而面对复杂的海面情况和任务需求,初始对准往往需要在运动过程中或无GPS信号的情况下进行,因此一些学者提出了基于DVL辅助的动基座对准方案以提升对准精度。另外DVL的刻度因子误差和DVL与惯导系统间的安装误差也是影响组合导航精度的主要因素,因此需要研究如何对上述误差进行标定。在组合导航过程中,DVL能提供准确的速度信息应用卡尔曼滤波(Kalman filter,KF)算法以实现对惯导系统导航误差的抑制,组合模型可分为松组合与紧组合2类:松组合利用DVL量测出的速度信息与惯导系统输出的速度信息相组合,模型简单;紧组合直接利用DVL输出原始波束信息与惯导系统估计出等效波束速度进行滤波,定位精度高且能降低接收波束的数量约束,但计算量要高于松组合。国内外研究者针对松/紧组合模式提出了许多具备更高精度和抗干扰能力的滤波算法等,组合模式示意图如图11所示。为了防止DVL数据的失效状态影响导航精度,研究者们还引入故障检测算法,提高导航系统的容错性。

图11 惯性/DVL组合模型Fig.11 IMU/DVL integrated navigation model

2)惯性/水声定位组合导航技术。

水声定位技术是利用水声传播的时延和相位差,从声波信号中获取应答器和载体间的距离和方位角信息,利用相对几何关系确定载体绝对位置,根据基线长度可以分为长基线(long baseline,LBL)、短基线(short baseline,SBL)和超短基线(ultra short baseline,USBL)。

在水声定位产品研发方面,英国的Sonardyne公司、挪威的Kongsberg等公司居世界领先地位。Sonardyne的超短基线产品Ranger2适配性和功能性最强,作用范围可达11 000 m,斜距精度0.04%D(D代表斜距),图12为Sonardyne生产的集成Ranger2的一体化组合导航产品。

图12 惯性/水声定位组合导航系统Fig.12 IMU/USBL integrated navigation system

目前惯性/水声组合导航技术[27]研究重点主要集中于误差标定技术、松/紧组合模型和滤波算法等方面[28-30]。

水声定位系统需要惯导系统提供姿态信息,因此需要提前标定二者的安装误差角。传统的标定方法可归纳为最小二乘法和矩阵分解两大类。近年来,基于卡尔曼滤波的安装误差标定方法被广泛研究,由于水声定位系统的测量方程存在方位信息,具有很强的非线性,因此提出了许多基于扩展卡尔曼滤波、容积卡尔曼滤波等适用于非线性模型的系统标定算法。

在组合导航过程中,水声定位系统能提供位置信息以实现对惯导系统导航误差的抑制,根据观测信息与组合系统误差状态方程的耦合程度不同,分为松组合与紧组合2种类型。松组合以位置差作为观测量的方式进行组合,即以惯导系统输出经、纬度和高度与水声定位系统输出位置信息的差值作为位置观测量,通过卡尔曼滤波来实时估计惯导系统模型误差量。紧组合以水声定位系统直接输出的时延、方位角等相对量测信息进行匹配组合。组合模式示意图如图13所示。国内外学者基于松/紧组合提出了许多改进的组合建模方法,提高了组合精度。

图13 惯性/水声定位组合模型Fig.13 IMU/USBL integrated navigation model

2.2.2 惯性/地球物理场匹配技术

地球物理场匹配导航是利用重磁传感器、多波束地形探测仪等探测模块实时测量海洋局部的重力场、磁场、海底地形,与该区域先验基准图数据库进行特征匹配,实现载体位置自主匹配。先验基准图来源于对航行海域已有的物理测绘,将采集到的数据融合成基准图,并形成基准图数据库,在航行过程中通过地球物理场测量传感器实时测量载体周边的各种物理场参数,并与基准图进行特征匹配,从而获取匹配定位信息,并进一步校准惯导系统,整体工作流程如图14所示,其中重力场匹配是较典型的匹配导航技术。

图14 地球物理场匹配辅助惯导示意Fig.14 Schematic diagram of geophysical field matching navigation

重力场导航系统由惯导系统、重力基准数据库、重力仪和匹配信息处理系统4部分组成,载体通过重力仪连续测量载体经过位置的重力特征信息,将重力测量值信息与该区域的重力数据库地图进行匹配,通过匹配求得载体最相近的位置坐标。重力场导航系统只有在重力变化相对丰富的区域才能进行有效匹配,且等效匹配信号信噪比高,因此重力基准图构建、适配区选择和匹配算法是重力匹配辅助惯性导航的关键技术[31]。

传统海洋重力场通过海面船舶或海底拖曳的方式测量得到,随着近年来重力仪、高精度定位、卫星测高等技术的快速发展,能在较大范围海域快速构建不同比例尺海洋重力场数据库,并可通过拉普拉斯方程推算获得全球海洋重力场数据库。国外主要重力测量设备型号包括加拿大GT-2M、美国SEA III、俄罗斯圣彼得堡科学研究中心电气仪表所Chekan-AM,其性能参数如表3所示[32]。

表3 海洋重力仪设备性能参数Table 3 Specifications of marine gravimeter products

在重力匹配过程中,为实现高精度匹配定位,还需要适配区重力基准图具有高分辨率比例尺,且匹配区域范围也要满足匹配算法要求的航线长度,还可通过插值法在测量点间建立更高分辨率和精度的数据。

重力匹配算法可分为序列匹配和单点匹配两大类[33-34]。其中序列匹配因其具备精度高、鲁棒性强等优点成为主流方案,它通过在匹配航线上将惯导系统输出数据序列与数据库数据比较,基于方差最小化原则,求得接近真实航线的载体位置。匹配的快速实现还与惯导系统当前时刻的定位误差大小相关,惯导误差与匹配初始误差成正相关性,定位误差较大时,需要较长的匹配时间才完成数据收敛。

2.2.3 以惯性为核心的全源信息导航技术

全源信息导航[35]这个概念来源于美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于2010年11月发布的报告《All source positioning and navigation,APSN》,该报告提出发展可配备多种导航传感器的即插即用式的全源导航方法,为用户提供卫星拒止情况下的高精度定位、导航与授时服务,满足不断变化的任务需求与环境变化的要求。DARPA于2019年发布了项目报告《DARPA Positioning, Navigation, and Timing(PNT) Technology and their Impacts on GPS users》,在这份报告中描述了未来的PNT技术发展趋势和不依赖GPS的PNT技术架构如图15所示,提出未来PNT技术是以高精度惯性技术为核心,包括超可靠时钟技术、图像技术、抗干扰的甚低频技术、机会信号技术和天文技术等,通过这些技术实现全源、鲁棒的导航和授时。

图15 DARPA PNT技术架构设想Fig.15 DARPA PNT technical architecture assumption

适合海上平台应用的全源信息导航技术是将惯性、卫星导航、水声导航、地球物理场匹配技术等各种导航信息灵活配置、快速集成的导航技术,能够适应复杂海洋环境下高性能导航需求,主要技术特点:1)以惯导为核心,适合实时全要素导航信息保障应用,支持通过多源信息融合提高导航信息精度、稳定性、长周期应用保障性能;2)采用信息即插即用技术和开放式系统体系架构,综合应用惯性/卫星组合导航、惯性/水声组合导航、惯性/地球物理场匹配技术,能够智能识别海洋环境变化并及时做出信息应用调整,自主选取适当的卫星、水声、地球物理场匹配等测量信息和相应的模型库进行自适应处理,实现对多源导航资源的优化配置。

2.2.4 协同导航定位技术

随着水中航行器技术发展,单一潜艇已难以满足日趋复杂的水下任务需求,因此多无人平台联合工作逐渐进入应用阶段,协同导航与定位技术随之产生。协同导航定位是指各无人平台间通过各种通信手段实现协同,进而实现导航资源的有效整合。在海洋应用中,水面主要应用数据链通信,水下应用水声通信实现空间立体的多平台协同导航定位。美国麻省理工学院海洋实验室联合多家研究机构开展了自主海洋采样网络项目研究,其主要任务基于无人集群的协同导航定位实现海底地图精确测绘,测绘效果直接受协同定位、惯性自主定位影响。

目前水中无人集群主要采用主从式无人集群的模式,包括1～2个主艇及周边多个从艇,主艇搭载高精度惯导系统,并可通过获取卫导位置信息修正惯导误差,实现高精度导航定位。从艇搭载的惯导系统精度相对较低,通过数据链或水声通信设备测量主从惯导系统的相对位置信息并接收来自主艇的观测信息,从而获得更精确的外部位置信息实现对自身惯导位置误差的校正。并行式架构下航行器导航传感器精度则基本相同,主要通过相互间的信息融合技术实现整体导航性能的提升,如图16所示。

图16 无人集群协同导航技术Fig.16 Unmanned cluster collaborative navigation technology

无人集群协同定位精度主要受到惯导自主定位误差、数据链或水声通信测距精度、编队构型、协同定位算法、通信质量等影响。由于水下的弱通信条件和水介质的特殊性,集群间信息存在时间不同步、连续性与稳定性低等问题,可以将钟差作为一个状态量,列入组合导航系统状态方程,通过滤波器优化实现对钟差的实施估计与补偿。

3 海上平台惯性导航技术未来发展趋势

3.1 高精度惯性导航导航及其深海平台应用

持续提升光学惯性技术性能,研制新型高可靠半球谐振陀螺惯导系统,突破高精度惯性仪表制造、系统误差自监控等关键技术,实现较长周期自主定位误差保持在1 n mile以内导航级惯导系统的产品开发。

随着国际战略环境的不断变化以及深海资源开发需求,深海将具备极其重要的战略地位和经济价值。美国非常重视深海无人潜航器的发展和应用,REMUS系列、“金枪鱼”系列无人潜航器配备高性能的光纤陀螺惯性导航系统。法国iXblue公司针对深海应用需求,在Octans、Phins惯导产品基础上专门开发了Subsea系列光纤惯导、罗经产品,具有耐不同水深压力、高可靠、免维护特性,开始在水下航行平台应用,如表4所示。

表4 法国iXblue公司Subsea系列产品技术指标Table 4 Drawing and technical specifications of iXblue Subsea products

3.2 惯性组合导航系统全源信息自适应

目前海上平台可应用的导航手段日趋丰富,除了应用水声、地球物理场信息与惯导信息融合外,随着仿生技术发展,仿生导航也展现了在海洋应用的潜力,惯性与仿生导航方法的组合将进一步丰富全源信息导航技术,目前仿生导航方法主要包含地磁、偏振光等手段,可提供测向信息,能有效抑制惯性导航航向误差发散,具有隐蔽性强的优点。国外已研制偏振光传感器,完成了偏振光定向试验验证,适用于水面及水下一定深度的海洋范围。

全源信息导航技术未来重点发展:1)增强惯性组合导航系统应用全源信息的适应性,根据海上平台航行环境和任务需求的不同,灵活配置不同导航传感器和模型库的智能信息融合能力,实现全源信息自适应;2)将进一步发展长周期、全自主、抗干扰等方面具有综合信息优势的新型惯性多源组合导航技术;3)利用地球物理场自然信息源或水下声基阵人工信息源,系统架构具备快速实现多源信息集成的能力。

3.3 面向多类型无人平台的小型化惯性导航技术

未来,水面、水下、勘测、抢险等多类型无人平台将全面应用,随着惯性仪表及系统精度潜力进一步开发,新型高可靠性、低功耗、小型化的光学与半球谐振陀螺惯导系统将会在无人平台应用领域得到更多发展空间。小型化惯导系统将完善误差模型及其标定补偿技术,建立激励条件下的系统误差可观测性模型,确定适合工程应用的辨识算法,在导航过程进行误差辨识与补偿,提升系统使用精度与免维护性能。

通过惯导健康管理建立,实现产品全寿命周期导航数据挖掘,形成惯导系统智能化的自身误差估计与补偿能力。结合外部观测信息如卫星、水声等信息采用智能化信息融合方案,实现惯导系统智能化自监测、自诊断、自学习能力,更好适应不同的海上平台环境与需求,为长周期可靠海上应用创造新的技术实现途径。

3.4 协同导航定位智能化

随着无人集群逐渐形成规模,其执行任务将日趋复杂,集群导航传感器需加强水下声信号处理与补偿精度,考虑声线弯曲和声速变化误差并予以补偿,从而提高观测信息精度,提高无人集群协同定位观测量的精度与可靠性。与此同时改进无人集群协同定位的模型与解算方法,融合智能技术发展,将深度学习、卷积神经网络递推算法等应用于集群协同定位,提高观测历史数据应用效能、建立数字孪生分系统,在导航过程实时修正误差模型,通过有效评估观测数据,克服中心节点故障影响,实现无人集群导航传感器智能自重组与数据优化。

4 结束语

综合分析上述海上平台惯性导航技术需求与发展现状,我国在取得光学陀螺惯导关键技术突破的基础上,近期应将研究重点投入到提升导航系统的纯惯性导航性能、提高平台运动参数测量能力,尽快为海上无人平台、海洋特种装备提供经济、可靠耐用的惯导产品;投入到惯性/水声组合导航关键技术突破。

从惯性技术发展和海洋装备发展需求来看,海上平台惯性导航技术未来发展趋势是针对深海应用需求,研究高精度自主惯性导航技术;充分发挥海洋环境特征,以惯性为核心的全源信息导航技术将主导未来复杂海上高精度导航应用;以光学与半球谐振陀螺惯导系统高可靠、低功耗、小型化为特征的高中低精度惯导系统能覆盖未来海洋应用无人平台大部分导航信息需求;在无人集群任务需求与智能技术牵引下,集群协同导航定位技术将走向智能化、去中心化。