水下地形匹配辅助导航技术研究

邹炜孙玉臣

（1.海装西安局某代表室西安710000）（2.海军工程大学武汉430033）

水下地形匹配辅助导航技术研究

邹炜1孙玉臣2

（1.海装西安局某代表室西安710000）（2.海军工程大学武汉430033）

在简要介绍水下地形匹配辅助导航基本概念基础上，从地形匹配辅助导航算法、水下数字地图技术、水下地形匹配导航系统构成及试验等不同方面，详细介绍了水下地形匹配辅助导航所涉及的主要问题及研究进展，可为相关研究领域提供参考。

地形匹配；自主导航；数字地图；水下导航；辅助导航

Class NumberU674.941

1 水下地形匹配辅助导航的基本情况

1.1 水下自主导航的主要现状

水面舰船、潜艇、自主攻击性UUV等航行器远程精确自主导航定位是海军装备建设发展急需解决的重点和难点问题之一。惯性导航系统具有较好的自主性、实时性和准确性，是水下潜器自主导航系统的必要设备，但惯性导航系统的导航误差随时间而累积，必须定期用外部信息对其进行校准。目前多采用天文导航信息、无线电导航信息和卫星导航信息来校准惯导，无线电导航和卫星导航在战时极易受电磁干扰而失去作用，使用上存在隐患。接收外部信息对于水面航行舰船来说较容易实现，但对于水下航行的潜艇及水下UUV来说，接收外部校准信息，需浮出或接近水面，这势必影响其隐蔽性，且浪费航程［1］。因此在各类平台及水中兵器等潜器的军事应用中，实现完全自主远程精确导航定位是至关重要的，也是各国海军努力的方向。

地球磁场、重力场和地形场是良好的辅助导航信息源，其中陆地地形匹配辅助导航技术经过30多年的发展，已趋于成熟并成功运用于飞行器导航中［2］。目前，国外正大力将地形匹配技术推广应用于舰船、潜艇和其它水下航行器，早在1997年出炉的“2000-2035美国海军技术”发展战略研究中，就提出了“要在2005年将水下航行器的导航精度比2000年提高10倍”的目标，并明确指出要完成这一任务主要依靠采用地形匹配技术，由此可以看出这一技术的重要性。

1.2 水下地形匹配导航的基本概念

水下地形匹配导航是一种具有自主性和隐蔽性的水下无源辅助导航定位方法。其原理框图见图1。

该方法首先对潜器任务海域的水下地形进行勘测，并依据测绘标准构建该海域的水下三维基准数字地形图数据库。在潜器执行任务时，利用传感器获得潜器所在位置的海底地形信息，并与数据库中的基准数字地形图进行比对，经过连续测量和合适的算法匹配，最终确定潜器的准确位置信息。将该匹配位置信息与惯导信息进行融合处理，可以较好修正由于陀螺等传感器漂移及数据外推产生的定位误差，辅助惯性导航系统完成水下自主远程精确导航定位［3］。因此地形匹配导航一般不作为独立的导航系统使用，而是作为惯性导航系统的辅助系统使用。水下地形匹配导航方法可有效减少潜器的导航定位误差，提高潜器的生存能力，理论上讲，该方法与水下潜器的航行时间和航行距离没有关系，可以保证潜器在长时间水下隐蔽航行之后，仍准确地到达任务部署水域，顺利完成作战任务的要求。

1.3 水下地形匹配导航主要涉及领域及研究方向

水下地形匹配辅助导航是一项复杂的系统工程，涉及诸多技术领域的发展和配合，其关键技术涉及了海洋测绘、导航控制、计算机视觉与图像图形处理等领域。由于水下环境较陆地环境更加复杂，水下地形匹配相关设备的研制和试验进行也相对困难，因此其应用所涉及的主要问题与陆上地形匹配辅助导航有所差别。

从目前的研究情况看，水下地形匹配导航的主要研究方向包括：水下地形测量和基准水下数字地形图的制作；水下地形匹配方法、匹配准则和匹配算法的研究；水下地形特征分析和数字地图分辨率的定性、定量分析；水下地形匹配导航航路规划技术；水下潜器惯导解算算法、初始对准和误差补偿方法等多方面内容。其中，基准水下数字地图的制作和水下地形匹配算法的分析是该应用研究的基础，而水下地形分析、航路规划和潜器惯导解算及误差补偿是成功实现高精度水下地形匹配导航的保证。

2 地形匹配辅助导航算法

水下地形辅助导航的关键技术之一就是地形匹配算法。目前，国内对地形匹配算法方面的研究较广泛，发表的文章也较多。综合来看，根据水下地形数据使用方式的不同，地形匹配算法可分为地形高度匹配（Terrain Elevation Matching，TEM）技术和区域景象相关匹配（Scene Matching Area Correla⁃tor，SMAC）技术两大类。SMAC技术具有较高的定位精度，但它对设备和地形数据要求高，所以主要用于高精度制导武器的末端制导。而TEM技术的定位精度虽然不如SMAC，但它对设备和数据的要求相对较低，且不易受外界环境变化的影响，应用较广。由于水下地形图像信息的实时获取困难，因此多使用TEM技术。

在TEM技术中，依据估计准则的不同，又可以将现有的地形匹配算法分为三种：地形相关匹配算法，基于扩展卡尔曼滤波的匹配算法和基于直接概率准则的匹配算法［4］。

2.1 地形相关匹配算法

地形相关匹配算法是地形轮廓匹配（Terrain Contour Matching，TERCOM）系统的核心算法，其基本原理是：当潜器经过设定航线上某些特定地形区域时，通过测深声纳、压力传感器等测量设备，获得沿航线的海底地形高程数据，将实测数据与存储设备中的基准数据进行相关度计算，依据最佳匹配算法确定潜器的地理位置。由于地形相关匹配方法是基于最小二乘估计理论，在估计过程中没有考虑被估参数和观测数据的统计特性，因此不是最优估计方法。

2.2 基于扩展卡尔曼滤波的匹配算法

基于扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）的匹配算法是构建桑迪亚惯性地形辅助导航（Sandia Inertial Terrain Aided Navigation，SITAN）系统的主要理论依据。其原理是：当潜器在设定航路上航行时，首先由惯导系统提供基准位置信息，通过存储器内基准数字地图指示的地形特征，获得测量的预测值。然后将实际测量值与预测值的差值和数字地图上对应区域的斜率值通过卡尔曼滤波器进行处理，得到惯导系统状态误差的估计值。最后使用估计值对惯导参数进行修正，得到更准确的潜器导航信息。该算法通过卡尔曼滤波原理把惯导数据与测量数据结合起来进行连续的迭代处理，达到对惯导系统实时修正的目的。但该算法存在地形线性化处理的问题，所以会不可避免的引入误差。

2.3 基于直接概率准则的匹配算法

基于直接概率准则的匹配算法首先是由New⁃ton Johnson和Wang Tang在1990年提出，其后Enns R、Morrell D和Niclas B也分别对该算法进行了改进和完善［5-6］。其中基于粒子滤波（Particle fil⁃ter，PF）的匹配算法就是一种改进算法。该算法以贝叶斯估计、马尔科夫过程和蒙特卡洛理论为基础，将系统状态滤波估计转化为计算基于可得信息当前状态的条件概率密度分布，并将后验概率密度分布用许多包含系统状态和权值的粒子表示，用粒子群的分布变化近似概率的递推过程，从而实现对系统状态的连续估计。基于直接概率准则的匹配算法不但可以解决非线性问题，还能解决非高斯条件下的问题，是一种全局最优滤波算法。虽然目前还没有该算法实际应用的报道，但许多仿真结果证明了这种算法优于前两者。

2.4 国内外研究现状

国外对匹配算法的研究比较倾向于基于扩展卡尔曼滤波和基于直接概率准则的匹配方法。包括Lucido L和Opderbecke J等在1996年国际图像处理年会上提出的多尺度组合算法［7］、Karlsson R和Gustafsson F在2003年IEEE国际统计信号处理会议上提出的粒子滤波改进算法［8］、Nygren I和Jansson M在2004年海洋工程年会上提出的地形互相关算法［9］等。瑞典皇家科学院信号处理实验室的Yingrong Xie在其2005年的硕士论文中详细地讨论了几种水下地形匹配算法，并通过真实海底地图进行了仿真，得到了各种算法的特性。

国内在地形匹配算法研究方面，以哈尔滨工业大学、西北工业大学和海军工程大学为主对常用的TERCOM、SITAN和基于直接概率准则的匹配方法进行了水下地形匹配模型的仿真，并分析了几种主要算法的特点，提出了具体的改进方法［2～3，8］。边少锋、郑彤等将常用于地磁匹配的ICCP匹配算法运用到海底地形匹配辅助导航中，也取得了理想的匹配效果［6］。徐遵义用Hausdorff距离作为水深实时测量曲线与海底地形图水深曲线之间的度量函数，提高了匹配的精度［7］。目前在该方向的研究国内外仍在火热进行中，新算法和各类改进仍在不断出现［10］。

3 水下数字地图技术

正如飞机、导弹等空中平台的地形匹配导航系统需配备基准陆地数字地图一样，要进行水下地形匹配导航的水下平台也需要相应的水下基准数字地图。从水下地形匹配导航应用角度看，水下数字地图关键技术主要包括地图数据格式与表征、水下地形图的测绘、地形数据分析、基准地形图的制作与可视化等。由于地理信息系统方面的研究比较成熟，大地测量技术也比较发达，这里仅简要说明水下数字地图所涉及的难点问题。

3.1 水下地形图关键技术

从描述水下环境的地图数据格式上来说，数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）具有便于存储、更新、传播和计算机自动处理以及多比例尺特性，特别适合各种定量分析与三维建模的显著特点，广泛应用于地学、测绘、遥感、工程计算、环境规划等许多领域，在军事上，特别是空中平台的导航上也有重要的应用。因此从目前的研究结果看，采用数字高程模型作为表征水下地形的基本模型用于水下地形匹配导航是合适的尝试。

由于水下环境与空中环境差异巨大，水下地形测量面临着许多难题。如受测深声纳波束宽度、工作频率、信息率等海洋测量手段和海洋环境的限制，海底地形测量的精度和准确度难以达到较高水平。数字地图的分辨率是表征数字地图表达地形精细程度的重要参数，也是直接影响地形匹配精度的重要因素。经仿真研究表明［11］，分辨率很小时，信噪比小，计算量大，耗时长；分辨率很大时，匹配误差均值下限随之线性增加，因此地图分辨率太小或者太大都不会得到较高的匹配精度。如何确定基准地形图的分辨率本身就是值得研究的重要问题。特别是误差篮子、匹配网格数等参数都与分辨率和匹配精度相关，要明确的选定分辨率等参数，除了综合考虑上述各方面因素之外，还要根据任务的要求，再加上试验与计算反复分析确定。即使对于同一幅数字地图，水下平台在不同的测量采样间隔和航行速度下，数据的匹配性能也会不同。

在地图分析技术已有效解决匹配区选择的条件下，匹配区面积大小和相邻匹配区间距的确定也是应用中的难点之一。图幅的大小可以从绝对大小和相对大小两种角度来理解。绝对大小是指地图实际代表的地理区域的面积大小，一幅用于水下地形匹配辅助导航的数字地图的绝对大小，要保证水下潜器在惯导系统存在误差的情况下，从潜器开始匹配到结束的全过程都能够使潜器处于地图覆盖的区域之中。而相对大小是指含有数量上足够多、范围足够广的网格，以保证完全覆盖匹配算法所需要搜索的全部网格区域。由于匹配区的地图不可能无限大，因此这里所说的保证覆盖应理解为以一个较高的概率覆盖，这一覆盖概率还有待进一步研究。同时，相邻匹配区域的间隔大小应保证潜器在惯导系统的作用下能够可靠进入匹配区。而该分析与航路规划又是密切联系的。

此外，由于受到洋流等因素影响，水下平台的运动和姿态的稳定性远不如空中平台，如何消弭因为姿态的不稳定而造成的测量误差，保证测量精度和实际导航应用均值得深入探讨。将潮汐周期随经纬度变化等各种海洋水文信息与海洋地形信息整合到一起，形成有特色的海洋地理信息系统，为各类潜器提供军事海洋环境信息保障，本身就是一个大的研究方向和工程领域。

从水下地形匹配导航应用来说，进行航路规划过程需要水下数字地图的可视化。虽然地形匹配只是一个数据处理的过程，对于计算机而言完全可以在后台进行，但是不论从实验研究还是最终应用的角度来说，能够将水下地形匹配导航的全过程以一种可视化的方式呈现出来，都是非常必要的。目前国内正在研究以现有的电子海图为基础，将地形匹配与之对接，使其能在电子海图上显示匹配导航的全过程。

3.2 国内外研究情况

海底地形数据库是进行海底地形匹配导航所需的基本数据源。海底地形图为海底地形导航提供了基本条件，但要使之适合海底地形匹配导航的需求，还需对其基本数据进行组合优化和数据结构的重新设计。美军为此已经建立了包含海底地形结构的三维电子海图的标准。

美国的NIMA（National Imagery and Mapping Agency）机构已建立了一个名叫DBDB0.5的海底地形数据库，其分辨率达到0.5角分。为配合海军弹道导弹计划（Fleet Ballistic Missile，简称FBM计划），美国的NAVOCEANO（NAval OCEAN-graphic Office）也开发出类似DBDB0.5的海底地形数据库，只是其分辨率更高，并在近期已广泛应用于弹道导弹水下潜艇（ballistic missile submarines，SSBN）舰队［12］。

国内在水下地形匹配导航应用的水下数字地图制作方面研究情况未见详细报道，但有部分单位对水下数字地图及其测量技术进行了初步研究，结合匹配算法和测量仪器特性，对地形图的分辨率要求及地形精度对导航精度的影响等具体关键问题进行了研究。在数字地图制作方面，分别提出了“基于Delaunay三角形的三维数字地图生成算法”、“基于电子海图的海底地形生成方法”、“基于多波束和ArcGIS的海底地形数据库建立”等方法。海军工程大学还对因特网上公开的部分海域水下地形数据进行了整理，并自主购置仪器设备，塔建了简易水下地形测量系统，对木兰湖湖底地形进行了较完整的测量，制作了可以进行原理演示试验和仿真应用的木兰湖湖底数字地形图。

4 水下地形匹配辅助导航的系统构成与试验

4.1 系统构成和试验平台

水下地形匹配辅助导航系统的基本构成包括惯性导航系统、深度传感器与测深设备、速度传感器与速度估计、基准水下数字地形图和地形匹配模块（见图1）。在水下地形辅助导航系统中，参考导航系统一般采用惯性导航系统以提供主要的导航信息；水下潜器距海平面的深度由自身携带的深度传感器测量，潜器到海底的深度可以采用声纳测深装置；匹配模块主要是采用计算机系统来完成，它内部存储了预定区域的基准水下数字地形图，该基准数字地形图需要事先利用水面舰船或潜器进行测绘并分析得到。

由于直接进行水下潜器的水下地形匹配辅助导航试验非常困难，因此，在研究初期大多是利用水面舰船进行水下地形匹配导航试验，即建立一个由水面舰船搭载的试验平台，完成水下地形的探测及数字地图形成和水下地形匹配导航的原理演示及验证两项工作。该试验平台包含的主要设备有惯性导航系统、测深声呐、航速测量装置、导航处理计算机及相关水下地形匹配辅助导航系统软件，此外还需配备GPS等定位设备，用于指示标准航路和准确位置信息。

在试验平台搭建方面，所能查找到的资料中，并没有详实的实物搭建实例和具体的软件程序介绍。多数资料都只是对相关的系统流程框图和试验方法进行了简要介绍和讨论。

对于地形匹配导航系统的核心惯性导航系统，可以是平台惯导系统或者捷联惯导系统，水下兵器使用的多位捷联惯导系统，其关键技术包括惯性导航解算算法、误差补偿方法及初始对准等。

在导航解算算法方面涉及到的问题众多，其中平台导航算法比较成熟，而在捷联系统中，加速度计是沿载体坐标系安装的，它只能测量沿载体系方向的比力分量，传统捷联解算算法要进行导航解算，需要将载体系中的比力量转换到导航系下，实现这种转换的矩阵就是姿态矩阵，根据姿态矩阵的元素可以单值的确定载体的姿态角。由此可见，传统捷联算法中的姿态矩阵起到了平台的作用，因此又称为“数学平台”。显然，姿态矩阵解算的实时性和精度，在很大程度上决定了捷联系统的解算速度和精度，因此在整个捷联系统解算中姿态矩阵的实时解算是关键算法。

传统的姿态解算算法有欧拉角法、方向余弦法和四元数法等，其中四元数毕卡算法简单、计算量小，因而在工程实际中常采用。后续研究人员针对四元数法存在的诸多问题进行了不断的改进［13］。

在误差补偿方面，对于平台惯导系统和捷联系统，线运动对惯性元件的影响基本相同，因此与载体的线运动有关的静态误差模型的形式也基本相同，而平台系统中对静态误差的研究已经比较成熟了。对于捷联系统，由于惯性元件直接固连在载体上，将直接承受载体角运动干扰的影响，因此，与载体角运动有关的那部分动态误差影响严重，对其模型研究十分重要，但对这部分误差模型的研究目前还不成熟。此外，在捷联系统中与线运动及角运动有关的随机干扰均作用于惯性元件上，相比平台系统而言，捷联系统的随机误差也比较严重。因此，解决捷联惯导系统下的匹配导航问题面临更大的挑战。

4.2 国外海上试验与在水下潜器上的应用研究

由于海底地形和地形辅助导航系统与武器装备和作战使用密切相关，各国对这方面的技术细节是保密的，所以国外武器是否装有水下地形匹配系统还不得而知，但从各种会议期刊和报道中能够得知各国都很注重这方面技术的研究和试验，有些国家已经完成了该项技术在AUV上的测试试验［14］。以下仅简要列出国内外在该领域的研究和发展情况：

1）瑞典皇家科学院电器工程分院的Ingemar N在读博期间完成了海底地形匹配试验平台的搭建，通过两次海上试验结果证明了自己提出的地形相关匹配算法的可行性。

2）美国专利技术局的官方网站上也提供了一种由Sabatino和Anthony E等设计的地形匹配辅助导航系统方案图，并提供了系统的硬件组成图。

3）瑞典Linköpings大学电子工程系的Tobias K在其2005年的硕士论文中详细地讨论了用于水下地形辅助导航的匹配算法和试验平台的搭建方法，通过湖上试验，得到了湖底的区域水下地形图，并利用模型仿真验证了基于粒子滤波的水下地形匹配算法在辅助导航上应用的可行性。

4）2002年5月到6月，北约组织六家单位进行多次海试，其中挪威KONGSBERG研制的HUGIN潜器就装备有FFI研制的地形辅助导航设备。该机构网站给出了对该潜器性能的介绍以及在网站上对HUGIN导航系统的结构框图介绍。

5）瑞典Saab水下航行器系统公司生产的AUV62系列鱼雷型水下潜器也具有水下地形匹配辅助导航功能。2003年，瑞典海军通过潜艇发射该型潜器，并对AUV62的系统进行了测试。为了长时间航行，采用了锂电池代替铅酸电池，驱动泵喷推进系统，航速在3节到11节之间。为了达到导航试验的目的，该AUV配备了齐全的导航设备，其惯性导航测量装置包括激光陀螺Kearfott T16-B、加速度计、多普勒测速仪，还装备了GPS接收机和水下相机，并将多波束测深声纳EM7200安装于潜器前段。该声纳主要用于进行探矿和地形辅助导航，各传感器间通过局域网总线结构实现信息的互通。测深仪和惯导系统的数据通过总线传送到PC-104计算机中进行相关运算。其地形匹配算法采用一种非线性地形相关度匹配算法，它的性能优于通常使用的线性匹配算法。尽管该算法不能显式地给出估计误差于克拉美罗界的差距，但通过实验证明，这种方法在大多数情况下都能相当逼近克拉美罗界。

4.3 国内研究进展

海军工程大学近年来较系统研究水下地形匹配导航的实现方法、总体方案和关键技术，进行了基于惯性导航平台及地形匹配辅助导航的导航定位算法设计，研究了平台运动补偿等提高导航定位精度的具体方法和技术，实现了完整的水下地形匹配辅助导航软件系统设计和仿真。

在上述工作基础上，设计了水下地形匹配辅助导航系统总体方案，购置了部分必需设备，搭建了简易的船载水下地形匹配辅助导航原理试验系统，在木兰湖进行了湖底地形测量，进行了数字地图的制作，并随后在湖上进行了初步的水下地形匹配导航定位原理验证试验，取得了阶段性的结果，初步证明了方案的可行性。

5 结语

本文从地形匹配辅助导航算法、水下数字地图技术、水下地形匹配导航系统构成及试验等不同方面，介绍了水下地形匹配辅助导航所涉及的主要问题及研究进展，结果表明，目前国外在水下地形匹配技术上投入了很大人力物力进行研究，西方一些国家已经设计出了具备水下地形匹配功能的试验系统并进行了多次水上试验，安装有该系统的小型水下潜器也获得了技术上的突破。因此，利用地形匹配技术作为辅助导航手段来提高水下运动体导航精度完全可行，它有望成为新一代水下远程高精度自主导航定位的有效手段。

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［2］刘承香.水下潜器的地形匹配辅助定位技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.

［3］辛廷慧.水下地形辅助导航方法研究［D］.西安：西北工业大学，2004.

［4］冯庆堂.地形匹配新方法及其环境适应性研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2004.

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［6］郑彤，边少锋，王志刚.基于ICCP匹配算法的海底地形匹配辅助导航［J］.海洋测绘，2008，28（2）：21-23.

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［9］罗轩.水下地形匹配辅助导航数字地图技术研究［D］.武汉：海军工程大学，2009.

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［14］Bar-Itzhack I Y，Harman R R．In-space Calibration of a Gyro Quadruplet［R］.AIAA-2009-4152，2009.

Summary of Underwater Terrain Matching Aided Navigation Technology

ZOU Wei1SUN Yuchen2
（1.Xi'an Military Representative of Navy Equipment Department，Xi'an710000）（2.Naval University of Engineering，Wuhan430033）

Based on the fundamental concept of underwater terrain matching aided navigation，the main problems and re⁃search progress on underwater terrain matching aided navigation are introduced in detail，including the aspects of terrain matching aided navigation algorithm，underwater digital map technology，test of underwater terrain matching navigation system，and so on. The results can provide reference for related research field.

terrain matching，autonomous navigation，digital map，underwater navigation，aided navigation

U674.941

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.002

2017年2月4日，

2017年3月18日

邹炜，男，工程师，研究方向：水中兵器装备技术与管理。孙玉臣，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：水声换能器技术。