海洋導航者
——記哈爾濱工程大學自動化學院副教授、碩士生導師徐博

本刊記者　劉昊林

海洋導航者
——記哈爾濱工程大學自動化學院副教授、碩士生導師徐博

本刊記者劉昊林

徐博

2016年1月12日早上8點，西南印度洋上陽光明媚，在止蕩繩的牽引下，“潛龍二號”緩緩沒入水中，它好似一條黃色的“胖魚”迅速向下游去，很快便消失在視野范圍之內。

它要游向何方？導航系統自會告訴它答案。導航就好似運載體的眼，可以帶它們到達任何未知的地方。

徐博的工作就是使這雙眼變得更加炯炯有神。涉足海洋運載器導航領域以來，他積極開展了慣性導航、組合導航、初始對準、信息融合研究，將理論建模、仿真分析與實船驗證相結合，為此徐博投入了大量的精力與心血。

描繪汪洋中的無形坐標

在海洋運載器導航設備領域，常常會聽到AUV這個英文縮寫，它全稱為“自主式水下機器人”，相對應的是有纜水下機器人。由于無纜水下機器人具有活動范圍不受電纜限制，隱蔽性好等優點，從20世紀60年代中期起，工業界和軍方開始對無纜水下機器人產生興趣。經過發展，它們應用廣泛，在民用領域可用于鋪設管線、海底考察、數據收集、鉆井支援、海底施工，水下設備維護與維修等；在軍用領域則可用于偵察、布雷、掃雷、援潛和救生等。

直至21世紀，我國力爭在“開發利用深度資源、加強深海探測與科學研究、提高海洋綜合防衛能力”這3個重要戰略上取得突破性進展，亟待開展深遠海空間站等軍民用深海裝備的關鍵技術研究和裝備研制，提升深海探測開發和海洋綜合防衛能力，為打開我國深海經濟領域和國防建設的新局面提供強有力的技術支撐。

國家發展大背景下，傳統單一的AUV已不能完成或不能高效完成復雜任務，于是水下多AUV編隊協同作業模式應運而生。受高成本和水下環境限制，多AUV編隊可以通過高低精度搭配、導航信息網絡共享從而實現整個編隊的高性能定位與導航，這叫做“多AUV協同導航”。“水下多AUV編隊協同作業也是今后國家的重點關注領域，而水下環境的復雜性也對多AUV協同導航提出了更高的要求，目前國內的研究還停留在理論推導與仿真階段，因此確立了將水面/水下運載器的編隊協同導航性能優化為今后的研究方向”，徐博說道。

“十二五”期間，我國海上能源戰略將更為主動，徐博參與了大量的相關裝備的預先研究工作。他以項目負責人身份承擔了相關的水面無人艇協同導航技術研究。徐博坦言，在多運動平臺編隊導航領域，我國與國外發達國家的差距非常明顯。經過數年的工作，2015年該項目終于順利通過了水上實驗驗證預驗收。“項目雖然順利完成，但是為進一步提高導航性能與精度，仍然有很多問題值得深入地思考和研究”，喜悅的同時徐博保持著冷靜。

“多AUV的協同導航在運動方式、工作環境、設備配置、工作時間與負載等方面都有其特殊性”，AUV在水中的運動為六自由度的空間運動，包括下潛、上浮、定深直航、變深潛浮、轉向機動等，而且其在水中同時受到重力、浮力與水的阻力等同時作用，因此推進動力參數、外測速度參數、姿態參數的變化規律和地面上的運動機器人等平臺的運動有著本質的區別。諸多技術難點擺在面前，實現精準多AUV協同導航絕非易事，任重而道遠。

助力海洋導航大發展

出生在20世紀80年代，求學在21世紀的徐博，行走在我國海洋導航領域發展的黃金時代。20世紀初期，無線電測向成為航海和航空的一種導航手段。雖然其后有陀螺羅經、衛星導航、慣導陸續應用，但因其定位時間短，精度高，誤差不受時間、天氣限制等優點至今仍廣泛應用于近海領域的船舶導航。可是，我國在此領域長期空白。郝燕玲教授便迎難而上，帶領團隊打出了一片新天地。她是我國海洋運載器組合導航系統開創者之一，后來徐博也成為她門下的學生。

郝燕玲教授所在的海洋運載器導航設備研究所，是國內唯一全面系統地從事海洋運載器導航理論及工程技術研究的高校科研機構，在艦船綜合導航系統技術領域代表了國家最高水平。加入這個大團隊無疑是站在巨人的肩膀上，這讓徐博看得更高更遠，腳下的步伐也越發堅定。

2007年，徐博參與了國家自然基金項目“水下自主潛器綜合導航系統不定度規空間濾波方法研究”，項目的創新之處是從另外一種角度，也就是不定度規空間的視角對水下運載器導航系統進行描述，并提出濾波方法框架。項目榮獲2011年黑龍江省科學技術獎二等獎。接著，他作為主要完成人完成的“某平臺制導技術研究”項目獲得中國人民解放軍軍隊科技進步獎二等獎。這次徐博把基于光纖陀螺的慣性導航技術運用至水面作戰平臺上，并先后在無錫太湖試驗多次，證明其可極大提高平臺定位導航性能。

在前期研究的基礎上，徐博申請了國家自然基金項目“基于分散式增廣信息濾波的無人艇協同導航算法研究系統”。為什么是分散式？協同導航方式分為集中式和分散式兩類，集中式可靠性較低，“所有的信息都集中在一起處理，一旦出現故障，整個編隊的性能都會受到影響”；而分散式的可靠性就相對高，運算量和通信量都會大大降低。“涉及多傳感器信息融合時，如何才能在盡可能保證信息實時性和濾波精度的前提下，把濾波與信息融合最優地分配到各個運載體上分別計算，是我們意在解決的問題”，換言之，項目的目的是在實際運用中解決系統導航性能和運算通訊負載之間的平衡問題。

隨著“十三五”到來，徐博的研究從水面的無人艇轉向水下AUV潛器。“這5年我們計劃進入水下，因為水下發展區域更廣，需求更高，但是水下的環境比水面惡劣很多。”

水下惡劣復雜的工作條件決定了AUV必須具備體積小、重量輕、低功耗的要求，同時還要考慮到水下環境的特殊性，如未知的洋流、復雜的水文、地形環境等。和其他多平臺協同導航相比，水下環境決定了AUV只能以慣性導航設備、DVL和水聲通信與測距裝置為核心傳感器，使用基于相對位置測量的濾波模型，“目前慣性導航短航程條件下定位精度高，但誤差會隨時間不斷累積，使導航精度降低；聲學測距精度較高，但需在載體上安裝相應水聽器，并且和無線通信相比，必然存在通信時間延遲、傳輸距離受限等問題。”

難題當道，徐博依舊奮勇直前。近年來，圍繞水面/水下慣性導航與協同導航方法展開研究，徐博共申報專利10余項。其中慣性導航相關專利技術應用于我國水面艦船首套光學慣性導航設備研制中，在海軍組織的招標比武中取得優異成績，并且將該算法改寫為DSP程序，嵌入到海軍裝備的光纖航姿設備系統中，發揮了巨大作用。專利的相關算法適用于水下慣性導航系統的誤差的快速收斂，還可以為其余的任何需要長時間收斂的阻尼系統提供技術借鑒。

作為青年教師，徐博主講了本科生課程2門、研究生課3門，其中省級精品課1門、校級精品課1門。最令他欣慰的是，在指導的碩士研究生中先后有3人獲得國家獎學金。徐博也榮獲了學校教學建設工作三等獎、優秀碩士生指導教師等稱號。

困難和收獲并存，不能因為收獲而一勞永逸，也不能因為困難而止步于前。未來，徐博希望在多AUV協同定位可觀測性分析與迭代EKF算法、改進的非線性CKF濾波信息融合算法、基于延遲濾波器的通信時滯處理、自適應魯棒濾波協同導航算法等方面取得一些突破性進展。浩瀚的海洋上，因為有了像徐博一樣的海洋人，海洋在漸漸揭開她神秘的面紗……