水下导航技术
一、导航技术概述
21世纪以来，随着人类在利用海洋和开发海洋上的投入不断增大，自主式水下航行器(AUV)引起了越来越多的关注，无论在战场监视、隐蔽打击等军用领域还是在海水检测、海洋地质勘探等民用领域都得到快速发展。导航是指移动机器人借助传感器获知本体状态，完成从初始位置到达目标位置的自主运动过程。导航技术作为AUV的核心技术，也是最难以解决的关键技术之一。
美俄等西方发达国家在这一领域一直处于领先地位，2016年，俄罗斯圣彼得堡海洋仪器康采恩研制出了新型水下导航定位系统，该系统由深海浮标、俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS)和AUV组成，可实现北极冰层下米级高精度导航定位。同年，美国国防部高级研究计划局授予英国军工巨头BAE系统公司一份研发“深海定位导航系统”的合同，通过在海底布放少量声源信标来代替全球定位系统(GPS)实现无人航行器长时间高精度导航定位，2017年该项目已进入第一阶段研发工作，预计2018年对原型样机进行海试。
国内在该领域起步较晚，但也取得一定的突破，“十五”期间我国首套“水下GPS高精度定位导航系统”研制成功，在千岛湖的湖试试验表明，该系统在水深45m左右海域定位精度可达5cm，测深精度为30cm。
上述导航系统均采用组合导航方法，是由2种及以上导航技术结合形成的综合导航系统。组合导航结合不同导航技术的优点，能够增强导航系统的稳定性、精确性和持久性，是当前使用最广泛的导航方法，也是未来AUV导航技术的发展方向。
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。
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。
⒊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。
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。
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。
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。
惯性导航系统/地球物理组合导航原理图
INS/声学组合导航原理图
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。
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。
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。
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。
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。
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。