北斗卫星导航系统在水下无人航行器中的应用方案研究

尹洪亮，罗 勇，郝 强，吴佐成

(中国舰船研究院，北京 100192)

0 引 言

北斗全球卫星导航系统(BDS)是由我国独立自主研发、设计、建设和运行的全球卫星导航系统。该导航系统可以在覆盖范围内为各类用户提供精确、可靠性强的全球定位、授时和在线导航服务，还具备独特的双向短报文通信服务能力。经过多年的研究探索和不断发展，北斗卫星导航系统的全球定位和卫星导航技术也得到了不断完善，更加有力地推动了北斗卫星导航系统在我国气象、电力和推进城市智能化等行业的应用。在海洋科考及军事方面，无人航行器技术正在快速发展，北斗卫星导航系统可以提高航行器的定位、授时、导航与控制等功能，本文主要阐述北斗在水下无人航行器的应用情况。

自主式水下无人航行器( UUV )是一种能够自主航行和执行任务的半智能化系统，在自主决策方面大多采用人在回路的混合智能，系统组成模块化，航行器在实际执行任务时，针对不同任务需求，可对功能模块进行相适应的优化和组合。国内外公开的UUV设计各不相同，主要包括有回转体形、立扁型、扁平型、多体形及鱼雷型等类型，其中以鱼雷结构外形的居多。水下无人航行器技术随着能源、水声、控制和导航等技术的进步而不断发展，由此更进一步推动了其在海洋科考、资源开发等领域的应用，在军事领域也备受各国军方重视。

具备运动行为的设备或装备，首先要考虑的就是导航定位如何实现，水下无人航行器是多项技术的集成，导航定位技术仍然是关键技术之一。水下无人航行器主要的通信方式和手段是水声通信，其多数的时间都是在水下，无法与水面船只等进行无线电通信，一旦航行器漂浮到水面，就可通过卫星进行无线电通信。北斗能够提供定位、通信和授时等服务[1]。一方面，无人航行器可以利用北斗进行导航定位，获取更加准确的导航信息；另一方面，利用北斗的短报文通信功能，拓展远程控制航行器的距离，同时大大降低系统的设计和运行维护费用，使得系统更加安全稳定可靠。

1 北斗导航定位功能UUV应用方案

根据北斗卫星导航系统的特点，其在水下无人航行器的应用主要分为两大类:提供导航定位、通信遥控与数据传输。导航定位功能主要的应用有:航行器组合导航、基于北斗的水下导航系统、UUV拖曳式北斗导航浮标、UUV应急抛载示位装置等。通信功能(含定位功能)主要应用有:基于北斗的无人航行器遥控、基于北斗水下无人航行器处理器参数调整等。

1.1 基于北斗的UUV组合导航

惯性导航系统由于具有自主性，一般被作为水下无人航行器的主导航设备。但是惯性导航系统仅可以在有限的时间内为水下航行器提供相对精确的导航数据，对于长时间在水下的任务，纯惯性导航系统无法始终维持高精度的导航[2]。因此，水下无人航行器的导航系统一般还需要另外增加配备具有各种频率及精度的辅助导航设备如卫星导航系统、多普勒导航系统等，进行组合导航。

北斗卫星导航能够较精准获取航行器的位置、速度等信息，有效校准惯导系统长时运行的导航定位误差。航行器在水面(或浅水)工作状态时接收北斗导航卫星信号，利用Kalman滤波等融合算法辅助航行器惯导系统。

1.2 基于北斗的水下导航系统

在水下定位技术方面，实际应用中有长基线、短基线、超短基线等技术，可以跟踪定位水下目标，但这些系统部署、校准和维护难度较大，且系统灵活机动性差、定位精度不理想，还未达到水下高精度定位的应用需求。

基于北斗的水下导航系统主要是一种能够集水声通信、北斗卫星通信、水声定位技术于一身的新型产品。与传统水下定位系统相比，它不仅具有布设便捷、定位迅速且精度高、隐蔽性强等特点，并且能够同时为多目标提供水下定位服务。基于北斗的水下定位导航系统的主要功能是以北斗系统为基础，水面浮标通过北斗精确定位，系统经由浮标实现对水下目标的实时远程定位、跟踪、监测和动态精确定位。该水下导航系统主要技术包括北斗卫星定位技术、浮标水声导航定位技术、高精度时钟技术等。通过拖拽的操作模式，也可以实现对机动目标如水下无人航行器的导航定位。

基于北斗的水下定位导航系统主要结构组成如图1所示，主要包括：北斗卫星星座、北斗差分卫星基准站(为北斗浮标提供实时位置信息)、北斗浮标、水声导航接收器（水下目标端）、数据采集控制中心(在其他载体的平台或岸基)。

图1 基于北斗的水下导航系统结构Fig. 1 Structure of underwater navigation system based on BDS

北斗浮标作为水下导航系统的核心组成部分，由浮体、北斗定位信号接收器、数字传输电台、水声定位信号发射器、浮标姿态稳定系统和电源模块等组成。北斗定位接收机搜星定位，数传电台获取来自北斗差分基准站的北斗双频差分定位信号，由此便可以对浮标位置进行精确的标定[3]。多个浮标共同构成一个类似于卫星导航系统的海面动态大地测量定位基准。水声信号发射机向航行器发射水声信号，如超短基、短基线等，实现对UUV的精确定位[4]。浮标在水面漂浮时，姿态会受到风浪等因素影响产生偏移，姿态稳定系统实时测量浮标的姿态变化，对浮标的坐标进行自动实时校正。

水下无人航行器通过水声导航接收机接收水声信号，该水声信号是北斗浮标的水声定位信号发射器在伪随机码上将导航电文调制后再与载波调制，最后经由发射器发射。UUV接收并解调来自多个北斗浮标的水声信号获取导航电文，测算出自身位置与各北斗浮标所在位置之间的距离（类比卫星导航定位工作原理，根据测距定位理论，需要接收4个以上的测距信息），从而实现水下无人航行器的定位导航和测速。

1.3 UUV拖曳式北斗导航浮标辅助导航

在远航工作条件下，对水下无人航行器导航系统的导航精度提出更大的要求，水下无人航行器主导航一般为惯性导航系统，其在长时间运行后导航误差会累积增加，为此可以采用北斗卫星导航进行辅助导航，提高导航精度。

水下无人航行器采用拖曳式北斗导航浮标，主要是为了利用北斗卫星导航信号辅助航行器导航系统。系统工作原理如图2所示，主要工作流程为：水下无人航行器配备一个北斗导航浮标，在航行一定时间后需要对导航系统进行校准时，释放出北斗导航浮标，浮标上浮至水面后自动开启搜星定位获得精确的导航信息并向航行器传输，航行器控制处理模块结合北斗浮标导航信息、缆索姿态解算数据可以间接获取航行器自身的精确位置信息。该种方式的优势之处在于它极大地减少了水下无人航行器上浮至水面进行导航校准的次数，便于隐蔽。

图2 UUV拖曳式北斗导航浮标系统Fig. 2 UUV towed Beidou navigation buoy system

1.4 水下无人航空器应急抛载示位装置

水下无人航行器技术迅猛发展，航行器应用快速增长，保障航行器安全的相关措施和技术逐渐被关注重视。航行器在出现应急情况会进行应急抛载，若不能进行快速定位，不利于航行器的搜寻与回收[5]。

UUV的应急抛载示位设备，一般是给航行器另外加装设备或装置（需提前预留空间及软硬件接口），包括浮体、配重、抛载夹持机构（螺栓或箍筋等）。浮体安装了北斗定位模块、动力机构、电池模块、水深压力传感器和控制器，控制器能够根据水深压力传感器的数值判断是否执行抛载动作，浮体浮至水面自动开启北斗卫星导航功能，并向外部提供位置信息。

应急抛载示位具体工作流程为：1) 在航行器下水前，设置控制器启动抛载程序的水深压力阈值；2) 水深压力传感器实时测量水深压力值并将数据传输给控制器进行比对，当一定时间内水深压力传感器数值均大于设定的阈值，控制器启动抛载程序（一般为爆炸螺栓爆炸分离或箍筋解绑）；3) 浮体上浮，根据水深压力传感器的数值比对，判断浮体已浮至水面；4) 启动北斗定位模块，向外部提供浮体位置信息，方便用户搜寻，提高搜索的成功率。

2 北斗通信功能（含导航定位功能）在UUV中的应用方案

2.1 基于北斗卫星导航系统的UUV遥控系统

基于北斗系统的UUV遥控系统是一个新的应用趋势。由于北斗卫星导航系统除导航定位功能外，还具有通信功能，基于北斗卫星导航系统的UUV遥控系统能够进行控制指令和感知信息实时传递与协同。岸基或其他平台随时可迅速准确地获取航行器所在位置坐标，又可以通过北斗卫星通信远程实时传输控制指令，接收航行器探测器得到的感知信息以及状态信息，扩展了UUV的工作半径，同时也增强了控制端对UUV的遥控能力。

当航行器在水面航行状态时，通过北斗卫星导航通信接收指挥控制中心发送的指令数据，航行器的遥控指令信息处理模块按照指定协议要求对接收到的指令数据进行处理，提取并输出到航行控制模块，航行控制模块按照该指令执行对应动作从而实现航行器的远程运动控制。遥控系统信息传递不只是从指挥控制中心到航行器执行机构，还需要从航行器端将状态信息等数据反馈回指挥控制中心，主要流程为：航行控制模块将UUV的状态、探测外界信息等数据发送至状态报告模块，对这些数据按规定进行加密等处理后经由北斗传输回指挥控制中心，指挥控制中心对航行器反馈回的数据进行处理，获取航行器状态信息，航行器的控制决策模块根据这些航行器信息来分析航行器状态，制定出下一步控制指令。基于北斗系统的UUV遥控系统的控制过程如图3所示。

2.2 基于北斗水下无人航行器处理器参数调整

水下无人航行器处理器的参数一般设置预为设值，在航行过程中会根据实际情况进行调整。但是，目前为止的调整方法是，在回收无人航行器后，连接航行器处理器进行参数变更。由于参数的调整无法通过一次试验就能确定，需要多次反复试验，所以该参数调整方法需要频繁进行布放和回收操作。这个方法效率低下，而且尤为重要的是，难以避免因布放回收次数的增多而增加事故发生率。

水下无人航行器安装有多种通信设备，各通信设备的作用距离和作用介质不一样，一般无线通信装置和北斗卫星通信装置航行器在水面或极浅水中状态才会被启用，水声通信设备一般在水中使用，这几种设备与UUV的处理器通过总线连接，地面控制终端同样连接几种设备的地面终端。航行器参数调整的流程为：1) 水下无人航行器的信息传输到控制端设备；2)技术人员获取航行器信息并经过分析，确定参数调整内容，形成指令，通过上述几种通信装置（系统有信息冗余处理机制）将信号发送给UUV；3) 航行器接收到信号自动进行解调及解密，确认获取的参数调整符合规定的协议后，反馈数据接收完成的信息；4) 航行器根据收到的参数调整内容修改相关参数。

基于北斗卫星通信的UUV处理器参数调整，增加了卫星通信的方法，与无线通信和水声通信形成功能互补，拓展了航行器水面航行时在视距范围和超远距离的参数动态设置措施，明显提高参数设置成功率。

3 结 语

水下无人航行器作为新兴技术，在海洋资源探测、科考等方面发挥重要作用，在无人军事装备领域更是有着方便、隐蔽等特点，能够替代有人艇进行侦察、攻击等任务。这些重要应用使得水下无人航行器导航定位功能和安全保障措施均应当采用我国的北斗卫星导航系统相关服务：一方面，北斗有区别于现有其他三大全球卫星导航系统的独特短报文通信功能，能够增加控制航行器的手段；另一方面，GPS卫星导航系统相关导航定位服务受美国控制，有必要使用国产卫星导航系统进行替代，提高自主可控性。

本文梳理了北斗卫星导航系统在UUV的几种重要应用，如主要应用北斗导航定位功能的组合导航、基于北斗的水下导航、拖曳式北斗导航浮标等，以及同时应用北斗导航定位和通信功能的UUV遥控系统、基于北斗的无人航行器处理器参数调整等，为水下无人航行器的相关技术进行“北斗化”提供了发展思路。