水下導航定位技術的探究

張文秀

摘 要：隨著水下導航器技術的不斷發展，導航系統成為水下航行器研究的主要技術核心，實現水下精確定位成為目前水下航行器定位導航系統研究的一個重要分支。本文對幾種常用自主導航方式的優缺點進行了對比，提出采用組合導航方式可以提高導航的可靠性和準確度。

關鍵詞：水下航行器 組合導航 精確定位

迄今為止，應用于水下航行器的導航方式一類是憑借于外部信號的非自主導航，另外一類則是憑借傳感器得到信號的自主導航方式。前者的導航基礎是運載體可以接受到來自于外部信號的條件下才能完成導航，如羅蘭、歐米加及其GPS等，三者中GPS憑借其廣泛的信號面積導航能力更佳且更為準確。然而，該導航方式存在著自身的不足，由于其信號來自于外部，主要的方式是無線電導航，信號衰減非常嚴重，非自主導航局限于水上之上的定位，在水下航行器中的應用十分有限。對于后者，導航主要依靠自身配備裝置的傳感。基于不同的傳感裝置，將自主導航方式分為很多類，如攜帶慣性測量裝置的慣性導航系統、配備水聲換能器的聲學導航、裝有地形匹配或者地磁傳感器的地球物理導航等導航系統。

1.水下航行器常用導航方法

1.1航位推算和慣性導航系統

航位推算法主要是對航行器的速度進行時間的積分求積分來確定其所在的位置，應用比較早且范圍較廣。為了得到航行器的航行速度，需要確定航行器的速度和航向，因此需要流速傳感器或者是航向傳感器來確定航行器的速度和航向。采用流速傳感器測量航行速度的過程中，海流會影響航行器的速度，且對流速的影響是流速傳感器不能測到的，海流對流速的影響進而會產生導航誤差，速度較慢航行較長的情況下，誤差會很大。

慣性導航系統利用測量得到的航行器的加速度，經過一次積分運算計算出速度，兩次積分運算得到航行器的位置，具有自主性、無需外界信息源以及隱蔽性的優點。可以將其分為平臺式和捷聯式兩種形式。空間大小、功率以及價格的限制，普通的航行器均采用捷聯式，該方式的導航系統（SINS）容易實現導航與控制的一體化。

但INs在水下航行器上應用存在以下的缺點：

（1）該導航系統（INS）位置信號漂移嚴重，對于長時間工作的航行器，導航信號失真嚴重，不足以應用于航行器的精確定位。

（2）成本較高。

1.2聲學導航

與無線電信號相比，聲信號在受水介質的影響較小，水下傳播的距離比較遠，故可以利用聲發射機來指引航行器的航行方向。迄今應用于運載體的聲學導航系統包括有長基線（LBL）導航、短基線（SBL）導航和超短基線（USBL）導航三種形式。

1.3地球物理導航

若航行器所處位置環境的測繪圖是已知的，根據對包括深度、重力、磁場等這些地球物理參數的測量，將所得參數與已知的測繪圖進行配對，可以確定航行器所處的位置。該方法的科學基礎是測量的地球物理參數隨環境空間分布的變化而變化，將其與環境測繪圖配對，可到航行器所處的準確位置。

2.組合導航系統

組合導航方式是將多種導航方法互配，不僅提高了導航可靠性及準確度，且單一導航方式的準確度可以適度下降，進而降低整體導航的技術難度及整體耗資。

為了避免長距離的導航定位存在覆蓋面積小、電波受干擾大、可靠性及精確度低等不足，多個國家投入人力物力致力于衛星定位導航系統（具有覆蓋范圍大、可靠性好、可以實時全球范圍精確定位等優點）的研究。

2.1GPS導航

GPS導航系統（Global Position system）通過導航衛星測量距離和時間，進而對航行器進行全球定位，稱為全球定位導航系統。該系統由GPS衛星星座，地面監控部分以及GPS信號接收機三部分組成。前者是空間部分亦是核心部分，后者是系統的控制部分。21顆軌道高度為20200Km的工作衛星外加3顆在軌備用衛星組成了GPS衛星星座。工作衛星等間隔的分布在55°軌道傾角為的近圓軌道上，運行的周期是11小時58分鐘，且每4個工作衛星占據一條軌道，相鄰的軌道面上的相鄰衛星相位差為300。衛星的空間排布遵循了多星、測距、高軌、側時的規律，空間分布覆蓋面廣，導航系統的準確度得到提升。其定位原理如下：定位衛星的運動較快，以某一時刻的導航衛星的空間位置參數設為起始數據，利用數學計算方法（空間距離后方交會）通過運算得到運載體的實際所在位置圖1為GPS的定位原理圖，以地面的運載體為研究對象，GPS接收器上測得在某一時刻從衛星發射地面信號到接收系統接收到GPS信號所經歷的時間間隔為△t，GPS系統的信號接收系統接收到的其他導航衛星的信號數據，有以下四式成立：

將4顆衛星的數據帶入到的方程式（1）中，得到四個不同的關于x， y， z和Vt0的方程組，其中，di是導航衛星與地面接收機間的距離。c△ti（i=1，2，3，4）。等于信號傳播速度與測得的兩信號間的時間間隔的乘積，信號的傳播速度等于光的傳播速度。方程式（1）中各物理量的實際意義如下：

x，y，z為導航定位點的三維坐標系；xi，yi，zi，（i=1，2，3，4）為在t時刻4個衛星得三維坐標值，可由衛星導航電文求得。

Vti（i=1，2，3，4）為4顆衛星發射導航信號的鐘差，由衛星星歷提供；Vt0為接收機的鐘差；計算求解方程組得出未知數坐標x，y，z和Vt0；

2.2GLONASS導航系統

GLONASS是全球導航衛星系統，是繼美國全球導航衛星發射成功后前蘇聯設計的同類衛星導航定位系統，構成與GPS構成相同均由三部分組成。與GPS衛星系統不同的是，該衛星星座由24顆衛星組成，每顆衛星的各個軌道面上分布著8顆衛星，軌道高度19100公里，軌道傾角64.80，運行周期11小時15分。GLONASS與GPS的工作原理都是利用測量距離實現定位：根據測量點到數個已知點的距離，根據數學運算即可推算得到準確的位置坐標。

2.3DR導航系統的工作原理

G P S或者GLONASS定位導航系統的工作原理依賴導航衛星，利用地球衛星信號接收裝置接收由導航衛星發射的定位信號完成導航。與前兩種被動定位導航系統相比，航位推算導航（DR）系統實現了完全自主導航，進行水陸導航，該方法常與其他的導航系統裝置匹配使用，重要性相對不顯著，然而，將其用于水下導航時，因水下可以利用的導航源有限，DR導航系統扮演者重要的角色。

2.4GPS/GLONASS和DR組合導航

2.4.1定位系統特點

GLONASS以及GPS兩種導航方法的定位原理相同，都是基于對地球衛星發射無線信號。GPS/GLONASS組合導航相對于單個的GPS導航系統，具有很多的優點，具體為：

（1）更多的定位導航：（2）定位精度提到，可靠性變好。

2.4.2 GPS/GLONASS/DR導航系統原理

迄今為止，基于全球定位導航技術開發新的導航系統來提高導航精度已成為一個熱點課題，然而，對于全球定位導航系統來說，目前，仍存在兩個大的技術難題：其中之一為全球定位導航信號的L波段受水介質的影響較大；還有一個難題為GPS全球定位導航進行定位時，定位的參考信息需要作為輔助，但在海底，聲波無法實現參考信息的傳輸。要解決上述的問題，要著重考慮兩個關鍵性技術：將電磁波用聲波取代；處理參考信息的傳輸問題，然而，目前還未得到解決。基于航位推算導航系統的自主性較好，無需外界提供信息，與衛星導航組合系統聯用可以克服目前已有導航系統的難題。

3.小結

實現航行器精確定位已經成為目前水下導航系統開發的一門新興技術，是一個十分值得研究的課題。基于其具有極高的實用價值，對海洋導航系統的開發已經引起了國內外研究者的廣泛關注。本文綜述了目前已經開發成熟的幾種不同的導航系統，對比了各定位方法的優點以及不足。結合各導航系統的優點，著重對GPS/ GLONASS/DR組合導航系統的工作原理進行了分析。

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