水下航行器导航技术研究

（海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018）

在民用领域，从地形测定、管道铺设到海底搜救、水下打捞，这些在与生活紧密相关的海洋开发工作中都有AUV的一席之地。在军事领域，AUV凭借体积小、机动性好、隐蔽性强、活动范围广、智能化程度高等优点，受到世界各军事大国的关注，并作为海军武器装备发展的重要方向。AUV可以利用舰艇无法与之比拟的隐蔽优势进行情报收集、战略支援、精确打击，有时甚至能左右战争局势。为了对水下导航技术有一个全面的了解，本文对GPS导航、声学导航、惯性导航、地球物理导航进行了综合性的介绍。

1 GPS 导航技术

全球定位系统（Global Position System,英文简写GPS）是以人造地球卫星为基础的无线电导航定位系统，以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活等优点备受青睐。当下，GPS是全球应用最广泛的导航技术，也是AUV发展最为迅速的导航技术之一。它的定位原理是利用定位卫星通过电磁广播发射自身坐标和当前时间，接收机将接收到的信号进行解码，算出时间差。由于接收机的三维位置坐标包含三个未知数，故至少需要3颗卫星进行定位。但比起卫星原子钟，接收机的时间是不精确的，会产生伪距，所以至少需要4颗卫星才能获取接收机的位置。

GPS具有极高的定位精度，能够为全球任意位置的用户提供全天候的定位服务，并且可以使用在一些便宜、低功耗的设备上，在几毫秒的时间内就可以得到位置信息。GPS导航技术虽有不可比拟的优势，但也并不是完美无缺的。由于水的阻绝作用，电磁波在水中传播时衰减很快，传播距离达不到要求，因而GPS在水下航行导航的应用中就受到了一定限制。再者，对于军用AUV来说，执行秘密军事任务时使用GPS导航，无疑是在暴露自身的位置。假设中美之间一旦爆发大规模冲突，美国军方更是会关闭我国的GPS信号，这一点从美国关闭叙利亚GPS信号的事件中就可以预见，所以依赖GPS的导航技术始终不是长久之计。

2 声学导航

水声定位导航技术是一种通过测定声波信号传播时间或相位差进行海上定位的技术。相对电磁波而言，声波在海水中的传播衰减要小得多，这种天然优势使得水声定位技术在AUV自主导航中扮演着重要的角色。水声定位系统具有多个基元，基元一般为应答器或接收器。其定位原理是通过应答器发出脉冲信号，安装在母船上的声学传感器将接收到的信号经过相应的处理，就可以得到声源的位置。基元间的连线称为基线，按基线的长短可分为长基线（LBL）、短基线(SBL)、超短基线(USBL)。

LBL的基线长度可与海深相比拟，若干个分布于海底的应答器构成基阵，适用于大面积区域作业，定位精度高，但数据更新率较低，且应答器的布放、校准、回收、维护都极其繁琐，成本相当之高。SBL的基线长度一般不超过几十米，各基元位于船体上。由于基线长度相对于LBL要短，所以精度低于LBL，且跟踪范围较小，适合在母船附近的AUV导航定位。USBL的基阵可以集成于一个紧凑的单元内，其基线长度为分米级，在三种定位方式中体积尺寸最小，便于安装在水下噪声较弱的有利位置，减少部分噪声的干扰。同时USBL的布放、回收异常便捷，因此受到了越来越广泛的关注与应用,但受基线长度的限制，USBL的定位精度低于LBL和SBL，且定位精度严重依赖于深度传感器等设备，所以如何提高USBL的定位精度是当下该领域的热点[1]。

水声定位系统制作成本高，维护难度大。无论是LBL、SBL还是USBL，实现导航定位的前提是预先在水下布放好应答器基阵，布放成功之后才能进行水声定位。对于突发的水下任务，相应人员是无法在短时间内完成布放任务的。再者，应答器基阵在水中是通过声信号传播通信的。对执行秘密军事任务AUV而言，此种做法反而增加了暴露的机率，大大降低了AUV的隐蔽性，所以水声定位导航技术多用于民用科考领域。

3 惯性导航技术

惯性导航系统（Inertial Navigation System,英文简写INS），是一种不依赖于外部信息，不向外辐射能量的导航系统。其基本工作原理是以牛顿运动定律为基础，通过测量载体的加速度，将加速度对时间一次积分得到速度，再次积分得到相对地球的位置。INS主要有两种形式，分别是捷联式惯导系统和平台式惯导系统。出于对成本、体积等多方面因素的考虑，AUV通常采用捷联式惯导系统。在军事领域，随着局部战争逐渐趋向信息化、高技术化，AUV将作为一种无人水下武器执行一些秘密的作战任务，而在提供导航的同时，还要兼顾隐蔽性，INS就成了当前许多军用AUV的首选导航方式。

INS具有完全自主式、隐蔽性能极佳的优点，在短时间内可以实时输出高精度的姿态速度位置信息，适用于全自主水下航行，也能满足远距离打击的需求。因此，INS是AUV能否准确抵达指定海域，圆满完成任务，并顺利返回的关键。

INS最主要的问题在于导航误差。受水下复杂的洋流影响，AUV的运动轨迹会发生漂移，这样势必产生一定的误差，而误差增长速率与洋流速度、航行器速度、传感器精度都有关，如果采用单一的INS，其定位误差便会随时间发散，因此不适用于水下长时间航行[2]。

解决INS的误差发散问题有很多方法，民用领域大多采用GPS修正。结合GPS定位，导航精度无疑会极大提高。但由于海水对电磁波的阻绝作用，迫使AUV必须上浮至海面才能接受信号，其安全性将受到极大威胁，所以对于执行军事任务的AUV这种方法显然不可取。再者深海作业时，周期性的上浮会面临额外的能源和时间问题。如果是在极地执行科考任务的AUV，面对成片结冰的海面而选择上浮也不现实。惯性传感器的精度是限制导航精度的最大技术瓶颈，但是随着光纤、激光等新型陀螺精度的不断提高，未来的水下航行器上将大量采用这种新型INS[3]。

4 地球物理导航技术

地球物理导航技术包括地形匹配导航技术，地球磁场导航技术，地球重力场导航技术。本文只介绍地形匹配导航技术。

地形匹配导航技术是一种自主导航技术，它将导航信息于载体预存的地形数据通过相应的匹算法，估算出载体的位置信息，充分利用了地球地形特征的时空不变性和局部唯一性。地形匹配导航不依赖于导航器件，不受传感器精度的限制，不需要安装人工信标，便可获得不亚于GPS的导航精度。如若将其作为一种辅助手段，与惯性导航技术相结合，来对惯性导航系统进行校正，能克服惯性导航的发散特性，保证AUV在水下长时间航行后也能准确到达指定水域，顺利完成任务。

但实现该技术的前提是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地形图数据库，然后才能将测量数据和先验数据进行匹配，进而得到载体的位置。这种技术存在一个最主要的问题，那就是获取先验地形图的难度太大。由于海底地形与军队武器的使用和军事作战密切相关，事关一个国家的战略安全，相关技术信息都是严格保密的，所以在未知海域使用此种导航方式是不现实的[4]。

5 总结与展望

纵览当下国际形势，推进海洋强国建设，加快海洋事业的迅猛发展势在必行，水下航行器导航技术的发展将是其中重要的一个环节。本文从定义、原理、优势、劣势四个方面概要地介绍了GPS导航技术、声学导航技术、惯性导航技术、地球物理导航技术，最后针对当前导航技术的现状，总结出一些对未来水下导航技术的发展展望。

（1）采用无辅助的单一水下导航方式时，惯性导航具有很强的隐蔽性及完全自主式的特点，但短期内很难达到水下长时间高精度导航的水平。长期来看，惯性导航会向着加强惯导平台的系统精度，提高惯性系统的整体可靠性发展。

（2）当前水下航行器的导航方式以组合导航为主，其中惯性导航与水声技术的结合最为典型。从技术现状来看，该技术的瓶颈在于关键传感器的精度难以有较大提高。未来，相关部门应重点扶植和发展一体化和模块化的国产水下惯性组合导航技术产品，为自主水下航行器的研究提供必要的技术配套和保证，占领和巩固国内市场。

（3）从未来战略性角度来看，AUV将由单个系统朝向集群化趋势发展，与其他无人系统组网协同，通过网络化无人平台的分布式态势感知和信息共享，提高作战和应用效能。执行多任务、大范围活动、信息共享的协同导航技术将是未来AUV研究领域的热点和难点[2]。

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。总的来说，目前水下航行器导航技术仍将以惯性导航为主，多种导航技术为辅，向着自主化、智能化、高精度化等方向发展，声学导航、INS/地形匹配、INS/地磁匹配和INS/重力匹配等导航方式未来都将广泛应用于水下无人潜航器，也都将在民用和军用领域发挥巨大的作用。