自主水下航行器导航方法综述

海洋中蕴含着大量的矿产资源、海水化学资源、海洋生物资源、海洋能和海洋空间资源。随着陆地能源紧张与人口激增这一矛盾的日益突出, 海洋探索与开发成为国际各领域炙手可热的研究方向, 也是未来发展的必然趋势[1]。我国也将海洋开发和海洋安全提升到了前所未有的高度, 并提出了海洋强国等战略。对海洋的探索和开发离不开先进海洋科学技术的支撑。水下机器人是探索和开发海洋的重要运载平台之一, 亦是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展的国之重器。相比于有缆控制的水下机器人, 自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)不需要母船支持, 具有更广阔的应用前景。AUV综合了水声通信、智能控制、能量存储、多传感器测量与信息融合等先进技术, 以其自主性好、灵活性强、体积小、质量轻、活动范围广及隐蔽性好等优点, 在海洋探索与开发中发挥着重要作用。
水下导航技术为AUV提供准确的位置、速度和姿态信息, 是决定AUV能否准确抵达预定地点, 顺利完成任务并安全返回的关键。与陆地或空中运载体的导航系统不同, 受水介质对无线电波的强烈吸收效应的影响, 以卫星导航为代表的无线电导航系统无法在水下使用。因此, 合理配备水下导航设备及灵活应用各类水下导航技术是实现AUV自主导航的关键。常见的水下导航技术主要包括捷联惯性导航技术、水下声学定位与导航技术、地球物理导航技术及水下协同导航技术4大类。捷联惯性导航系统(strap-down iner- tial navigation system, SINS)以其自主性、连续性、隐蔽性等特点, 常作为AUV的主导航系统, 但其误差随时间累积。水下声学测速与定位技术又可分为多普勒速度计程仪(Doppler velocity log, DVL)与水声定位系统2类。DVL是基于声呐多普勒效应的测速设备, 测得载体相对于海底或海水层的速度, 能提供较高精度的载体速度信息, 且其误差不随时间积累, 但容易出现对地失锁现象。水声定位系统按照水声基阵的基线长度分类可分为长基线(long base line, LBL)、短基线(short base line, SBL)和超短基线(ultra-Short base line, USBL)3种, 可为AUV提供位置信息。这3种基线系统的布放及回收复杂度、体积尺寸、定位精度等各不相同, 比如LBL水声基阵布放、回收工作繁琐, SBL和USBL的作用范围和精度均有限。地球物理导航系统是利用地球本身物理特征进行导航的技术, 以地形匹配、地磁匹配和重力匹配3类为主, 具有自主性强、隐蔽性好、不受地域和时间限制等特点, 但需要提前采集、建立相应的导航数据库。协同导航通过获得辅助信标的相对距离或方位信息, 然后根据AUV自身位置信息与相对距离或方位信息进行协同导航, 可获得更高的导航定位精度。合理配备上述导航技术, 并对不同导航系统提供的信息进行有效融合, 进而获得比单一导航系统精度更高、可靠性更强的导航方案是AUV水下导航的核心问题。
文中回顾了现有主流的AUV水下导航关键技术, 包括DVL测速技术、LBL/SBL/USBL水声定位导航技术、地形辅助导航技术、地磁辅助导航技术、重力辅助导航技术及协同导航技术, 介绍了相关导航技术的基本原理及发展状况, 分析并归纳了各技术在水下自主导航中存在的关键问题和技术难点, 最后对AUV水下导航技术的未来发展方向进行了展望。

1基于SINS/声学的AUV自主导航
1.1 基于SINS/DVL的AUV自主导航技术 
DVL是基于声呐多普勒效应的测速设备, 能提供较高精度的载体速度信息, 且其误差不随时间积累, 抗干扰能力强。因此在AUV自主导航中, DVL可作为抑制SINS积累误差的重要辅助手段。DVL测速的配置分为3种: 单波束配置、双波束Janus配置和四波束Janus配置, 其配置的测速原理。
1.2 基于SINS/水声定位的AUV自主导航技术
相对于电磁波而言, 声波在海水中传播的衰减效应要小的多。因此, 水声定位技术在AUV自主导航中扮演着重要的角色。水声定位系统按基线长度分类可分为LBL、SBL和USBL 3种。LBL的基线长度可与海深相比拟, 基阵由多个分布于海床上的应答器组成, 定位精度高, 适合在大面积作业区域内使用; 但其数据更新率较低, 应答器的布放、校准以及回收、维护都异常繁琐, 作业成本高[36]。SBL的基线长度一般为几米到几十米之间, 各基元分布在船底或船舷上。受基线长度限制, SBL的精度介于LBL和USBL之间, 且其跟踪范围较小, 更适合于在母船附近的AUV导航定位。USBL的基阵可以集成于一个紧凑的整体单元内, 基线长度为分米级或小于等于半波长, 其体积尺寸最小, 可方便地安置于流噪声和结构噪声均较弱的某个有利位置, 且布放、回收极为便捷, 因此, USBL受到了越来越广泛的关注和应用。但USBL的精度低于LBL和SBL, 且定位精度非常依赖于深度传感器、姿态传感器等外围设备, 如何提高USBL的定位精度成为该领域研究的热点问题。

2地球物理场导航技术

2.1 地形辅助导航
地形辅助导航是一种自主性强、隐蔽性好的水下导航方法, 其基本原理。该方法的实现首先需要对任务海域的水下地形进行勘测, 并依据测绘标准构建出该海域的水下三维基准数字地形图数据库[57]。在执行任务时, 将AUV获得的当前海域实时地形信息与数据库中的基准数字地形图进行匹配运算, 从而确定出AUV的当前位置, 并利用获得的位置信息对SINS的误差进行修正和补偿。从理论上讲, 该方法与AUV的航行时间和航行距离没有关系, 可以保证AUV在水下长时间航行之后, 能够准确地到达任务部署水域, 并顺利完成任务。 
2.2 地磁辅助导航
与上述地形辅助导航类似, 水下地磁导航首先需要获取任务海域的地磁场数据并提取出磁场特征值, 绘制成参考图存储在导航计算机中。当AUV经过任务海域时, 根据SINS实时输出的位置信息, 对预先存储在导航计算机中的参考地磁图进行索引, 得到当前位置处的地磁参考值, 并通过地磁辅助导航算法将该地磁参考值与实际地磁场数值进行匹配得到准确位置信息, 进而对SINS误差进行实时修正。地磁辅助导航原理示意。

2.3 重力辅助导航
重力辅助导航是利用地球重力特征信息匹配出载体位置, 并对SINS的导航误差进行修正, 从而实现自主导航的技术。它具有自主性强、隐蔽性好、不受地域和时间限制、定位精度高等特点。重力辅助导航目前已被广泛应用于水下航行器导航, 但是重力仪及重力梯度仪的质量和体积都比较大, 无法满足AUV的安装要求。随着重力测量设备仪器小型化的发展, 未来可以考虑在AUV上应用重力匹配导航。 
3协同导航技术 
3.1 基本原理及研究背景
AUV通过相互通信共享信息进行协同导航, 可以提高AUV的水下导航精度[2, 108]。然而, AUV的水下协同导航仍然受通信带宽、传输延迟、洋流、水下干扰及扩展受限等问题的挑战, 是当前海洋工程领域的研究热点[2, 6]。AUV协同导航的工作示意
3.2 协同导航关键技术
3.2.1 协同导航编队构型设计方法
3.2.2 协同导航滤波算法
3.2.3 协同导航误差建模与补偿方法

4总结和展望 
水下环境复杂多变, AUV在不同的工作环境下需要不同的组合导航方法。在浅海域中, SINS/DVL组合导航系统和SINS/USBL组合导航系统可以实现高精度导航任务。在数据库(地磁、地形、重力)范围之内, 利用地球物理特性作为辅助导航的组合导航系统可以通过测量数据与数据库快速匹配来在全部海域实现导航定位。多AUV通过共享方位和位置等信息进行协同导航, 有效抑制了水下导航误差发散的问题。
同样, 面对复杂多变的水下环境, AUV在选择不同的组合导航方法时也面临了各种问题, 给科研工作带来了巨大挑战。基于声呐的导航定位方法难免会受到水声多径效应、声速时变等因素的影响。此外, 水下洋流、潮汐等效应会对AUV的稳定性造成扰动, 这都会导致水下噪声的时变和不确定性, 以及建模误差较大和量测野值等现象。因此, 如何综合利用多种海洋信息, 抵消或者降低海洋特殊水下环境所导致的影响, 将是进一步提高AUV自主导航定位精度的重要研究方向。
综上可知, 未来研究方向主要有: 1) 辅助导航信息融合时, 改善匹配算法的快速性和准确性; 2) 利用地球物理特性作为辅助导航时, 数据库的构建方法; 3) 在保持导航精度的前提下, 降低导航成本; 4) 在军事领域中, 提高AUV的隐蔽性。 
随着处理器制造技术和制作工艺的发展, 计算能力与日俱增, 这使得AUV以惯性导航为主, 以DVL、水声定位系统、地形辅助导航、地磁辅助导航以及重力辅助导航等多种导航手段为辅助的组合导航系统的实现成为可能。多种组合导航技术和多AUV协同导航对比
5结束语 
纵观当今的国际形势, 加快海洋强国建设, 推进海洋事业的迅猛发展势在必行, 而AUV导航定位技术的发展作为其中一环至关重要。文中从实际需求出发, 讨论了目前主流的AUV水下导航定位技术, 包以DVL、LSL/SBL/USBL为代表的水声测速与定位系统; 以地形匹配、地磁匹配以及重力匹配为代表的地球物理模型导航系统, 协同导航等多种水下导航定位方式。结合近年来国内外最新的研究进展, 总结了各种导航技术的关键问题和目前存在的技术难点, 并针对性的给出相应的解决思路。总体来说, 未来AUV水下导航与定位技术仍将以惯导为主、多种导航技术为辅, 向着智能化、全源化、高精度、强鲁棒性及实时性等方向发展, 在军事和民用领域都将发挥更强大的作用。