無人潛航器的導航技術

韓世杰

無人潛航器不能利用衛星進行導航，同時，海水對電磁信號是不透明的，在很短的一段距離內會迅速衰減。因此，作為一種多用途的水下重點裝備，無人潛航器的精確和持久導航技術的發展顯得尤為重要。

無人潛航器（UUV）具有多用途，從水雷探測到淺水中的測量、深水海洋學研究、海生物研究、管路監控到其他對人有危險的深水作業，都需要無人潛航器。為安全和方便地執行這些任務，其精確和持久的導航顯得非常重要。

無人機導航一般依靠全球導航衛星系統（GNSS）進行連續和精確定位。然而，無人潛航器不能利用衛星導航，這是因為海水對電磁信號是不透明的，在很短的一段距離內會迅速衰減。

可是，有若干系統可幫助確定無人潛航器在水下地圖中的位置，從一點導航到另一點，同時避開障礙物，并對洋流引起的偏差進行補償。這些技術隨無人潛航器用戶提出的要求（如尺寸、重量與功率要小，以及能跨平臺輔助）在不斷發展。

航位推測技術

傳統的慣性導航系統（INS）采用安裝在萬向架上的加速度計、陀螺，有時還有磁強計組成慣性測量裝置（IMU）以及計算機，來確定無人潛航器的位置、速度和方位。

無人潛航器用的現代慣性導航系統產品與此有兩點不同。第一.由于維修具有萬向架的慣性測量裝置既復雜又價格不菲，無人潛航器正日益采用具有微機電系統（MEMS）加速度計與陀螺的捷聯慣性測量裝置塊，以縮小尺寸，降低成本，同時又能實現差不多的姿態精度。第二，姿態與航向基準系統（AHRS）正在日益取代慣性導航系統。通過采用綜合的處理單元，而不是單獨的計算機，它們常常能改進導航數據的精度和可靠性。

這些變化已體現在VectorNav公司新生產的一系列戰術慣性導航系統中。適合水下應用的VN-110型慣性測量裝置/姿態與航向基準系統的尺寸為56mm×56mm×23mm，重160g。它具有4GB存儲器，及小于1°/h的零偏穩定性，消耗功率不到2.5W。

每一種VN-110在全工作溫度范圍內（ - 40～+80℃）可對傳感器單獨校準，使傳感器的零偏、不對準和刻度因數誤差得到補償，這是普通慣性導航系統在水下長時期應用最重要的問題。VN-110采用微機電系統三軸加速度計和陀螺，其數據率達1kHz，實時姿態解在360度運動范圍內是連續的。VN-110具有綜合外部傳感器（諸如外部磁強計和光纖陀螺等）測量的能力。

Nortek公司新的多普勒速度測程儀（DVL）是一種無人潛航器用于探測水雷、水下洞穴和失事船只的關鍵部件。這種]兆赫圓筒型DVL的尺寸大致是135mm×148mm，在水中重900g，平均耗用功率為1 .3W。此模塊還具有16GB或64GB的存儲器，可在4℃的水中工作。

跟蹤確切的位置要求有比多普勒速度測程儀更精確的深度測量。Valeport公司的ultraP壓力傳感器探測深度的精度達0.01%，而且根據用戶的要求可在不同的深度/壓力范圍（從10～600ba）內工作。這種器件安裝在90mm長、300g的鈦耐壓容器內。各種深度的型別可通過RS485接口和連接器的選擇容易更換，容許用戶預安裝于艙壁。ultraP基于該公司流行的智能壓力傳感器（ miniIPS），已盡量縮小尺寸，具有固定的電壓輸入和RS485數據輸出。這種壓力傳感器是一種溫度補償的壓阻式傳感器，與Valeport公司的控制電路組合可提供只有共振式石英壓力傳感器才能達到的精度，但它的成本低，更小，也更結實。

VN-110和ultraP這類產品是為專用設計的，而其他一些產品，lirulmpactSubsea公司的ISA500則要實現多種用途。ISA500組合了高度計和姿態與航向基準系統，能提供高度、航向、俯仰、橫滾等讀數，高度計發射5kHz的脈沖到水中，一接觸海床，被部分反射回來。被反射的脈沖由ISA500所探測，它返回所經過的時間被記錄下來，以確定海床精確到1mm的高度，而其最大測量范圍是120m。其姿態與航向基準系統提供±90°范圍內精度為±1°的航向，及±180°范圍內精度為0.2°的俯仰與橫滾。ISA500有多回波輸出能力，即聲脈沖可向下和向上發射，意味著它還適合測量浪的高度，以及在極區測量冰的厚度。聲定位技術

慣性導航系統技術不能有效地確定無人潛航器在地圖中的位置，而聲通信能很好地適應海洋環境，一旦獲得聲應答機和聲收發機的位置，它們相互間的相對位置或是它們的GNSS坐標，便可跟蹤自主無人潛航器和遙控無人潛航器的位置。

安裝于船上的超短基線（USBL）聲系統在不斷革新。2016年初，英國應用聲學公司推出了Nexus2超短基線系統。系統具有15kg工廠校準的多元件EasyTrak收發機，從船頭或船尾浸入到深30m的水中，還具有帶嵌入圖形導航界面的EasyTrak Nexus2控制臺，幫助與收發機進行數字通信。來自AAE技術集團公司的Sigma2聲編碼技術，一套專有的雙向擴頻聲協議，與互補的換能器設計一起工作，使位置精度改進到斜距的0.2%。此外，系統可同時跟蹤2500m（也可選995m）范圍內的多達16具無人潛航器，工作頻率在18kHz與34kHz之間。

除提高精度外，第二代改進型還要增大跟蹤距離，并保證計算目標位置的可重復性。對用于跟蹤的換能器進行了重新設計。2686個電子電路進行了重新設計制造，以增加動態范圍和采樣能力。Sigma2還提高了靈敏度，且不受噪聲影響。因此，Nexus2的誤差至少減小到原系統的五分之一。

此定位系統可與AAE公司老式的1000系列信標和1200A與1300A微型信標一起使用，以及更新和更精確的1100系列產品一起使用。這些產品可與Nexus2系統一起下水，采用可再充電的NiMH（鎳氫）電池，每秒發一個脈沖能工作55h。而且可與其他生產水下導航產品的主要公司，例如iX Blue、Kongsberg、Sonardyne公司的超短基線系統兼容。

英國Sonardyne公司的超短基線系統產品包括獲得成功的Ranger2系統，它將跟蹤距離延長到6000m以外，而且如升級到可選用慣性輔助和LUSBL的Ranger2 Pro型，則可跟蹤達99個目標。LUSBL是超短基線和長基線（LBL）的組合，在部署應答機的情況下，它通過“從頂到下”的校準技術，可節省校準長基線陣的時間。這些系統可與USBL船載收發機，如較新的寬帶的Sub-Mini6 Plus進行組合。Sub-Mini6 Plus提供完全的雙向寬帶支持（詢問和回答信號），以及支持來自Sonardyne公司一些老式系統，如Wideband V2、WBV1和HPR400的信號。

此外，Sonardyne公司的Fusion6G LBL系統仍繼續廣泛用于較大區域的任務。用戶首先圍繞目標區域安裝Compatt6應答機陣，并測量它們之間的距離。這種第六代Fusion系統在將遙測信號和信息傳回到操作員之前，可使Compatt6應答機相互之間同時測距。以前需要90min校準的8個Compatt6組成的陣，現在不到15min就可完成校準。

然后，從水面艦艇部署Dunker6長基線收發機，進行定位和數據獲取。自主無人潛航器和遙控無人潛航器都可裝備成在這個長基線場中進行跟蹤。遙控潛水器裝的是RovNav6遙控長基線收發機，由遙控潛水器的臍帶進行觸發。Av-Trak6是用于自主無人潛航器的長基線收發機，它還具有超短基線應答機/響應機模式，可用于發射小數據包和任務更新信息。上述三種收發機的測距精度為15mm或更高，測量深度至少為3000m和5000m，按需要還可提供7000m的額定深度。

Bluefin-12自主無人潛航器的導航系統

實際上，無人潛航器將組合慣性、聲和地球物理導航，使通用性和工作精度最大化，并消除每種導航的薄弱環節，例如慣性導航系統的零偏誤差或聲定位的帶寬限制。藍鰭機器人公司的Bluefin-12自主無人潛航器帶有一套Sonardyne公司的導航系統，最近還綜合了后者的Solstice側向掃描聲吶。

新的Solstice聲吶比前幾代增大了覆蓋范圍（±200m），其機上處理為自動目標識別和任務后分析提供地理編碼的側向掃描圖像。一種“背投”波束成形技術將來自每側的65個波束聚焦在整個掃描寬度上1×1像素格網的每一點。為了在較長距離時減小變形，微鑲嵌算法將“顯示塊”縫合在一起，以高分辨率和高對比度顯示目標，具有很小的幾何不對稱性。

除Solstice聲吶外，Bluefin-12還采用了Sonardyne公司的其他產品。與Ranger2聯系進行超短基線跟蹤的寬帶微型應答機裝在后部，而Av-Trak6則是為長基線系統提供的。Sprint輔助的慣性導航系統具有100Hz以上輸出速率，并與姿態與航向基準系統綜合，可同超短基線或長基線定位進行組合，以提供更高的保真度，而且還可采用Janus INS后處理軟件，以精化收集的數據，并可能消除系統配置誤差或傳感器數據喪失等實時問題。

除增加安全外，安裝于Bluefin-12前部的導航和障礙物回避聲吶NOAS探測和分類可能的障礙物，采用2D和3D導航安全航行。2D模式提供關鍵的遠距導航數據，以保證安全的航路;而3D聲吶掃描海床和自主無人潛航器前的水柱，以便更靠近地探測和分類障礙物。在關鍵時刻，通過uComm聲調制解調器和BlueComm光通信技術，進行人工控制是可能的。BlueComm光通信技術可使2Mb/s的實時視頻數據無線傳輸到用戶。

“海黃蜂”遙控無人潛航器的導航系統

Sonardyne公司的聲定位技術在2016年問世的世界上最大的“海黃蜂”遙控無人潛航器上也能見到。

薩伯海眼公司制造的“海黃蜂”利用了其現有民用遙控無人潛航器系列的技術，并增加以前為軍用系統發展的能力。該公司與美國水下危險物響應團體一起工作，將“海黃蜂”應用于爆炸物處理。

“海黃蜂”打算用作效費比高和水力學上穩定的水雷對抗工具，無需危及人的生命。這種“水中反簡易爆炸裝置安全平臺”依靠精確導航系統，通過光纖系纜將獲得的精確實時數據傳輸給位于支持船上，或岸上控制車上的控制臺。光纖系纜還用于傳輸電力。

“海黃蜂”遙控潛水器的傳感器和導航系統設計成主要用來確定目標位置，這些目標可位于船的殼體上，海港壁上或海床上。“海黃蜂”然后采用一系列工具和技術來識別威脅的性質及最優的處理方法。

“海黃蜂”采用臺萊達因RDI公司的Explorer DVL確定其在海床上面的速度，高度可達66m（或者如采用相控陣換能器，可達81m）。其慣性測量裝置采用了每小時只有幾度漂移的光纖陀螺，精確到采用薩伯公司的算法可以找到真北。

這種新的遙控潛航器還載有多波束前視聲吶和兩個彩色攝像機，其中一個攝像機裝在臂部。盡管起初考慮不與導航綜合，但薩伯公司正在研究用它們來補充多普勒速度測程儀的圖像處理和聲吶處理技術。

自主式無人潛航器蜂群的導航技術

采用小型自主式無人潛航器組成的蜂群進行寬域監控是一個較新的概念。盡管受到要導引多具潛水器的限制，蜂群有朝一日可成為同時測量多個位置的一種選擇，提供稠密和暫時一致的數據云。這將使跟蹤和測繪水處理的流出污染物，以及在挖泥作業期間監控粒子污染等應用變得相當容易。

瑞士Hydromea公司設計和生產的重量為7kg的Vertex微型自主式無人潛航器能執行這些任務，而且采用多具Vertex作為一個蜂群進行合作和通信的技術。

除尺寸和價格限制外，Hydromea公司面臨的關鍵挑戰在于大多數水下導航和通信設備假定在其一時刻只有一艘或幾艘潛水器在遙測距離之內。低效地采用可用的聲帶寬使這種方法擴大到較大的蜂群時會遇到麻煩，尤其是在初期依靠現有的通信和測距技術時。

該公司的辛勤工作已造成一個新奇的工作環境。通過交換導航數據，每個潛水器通過獲取其他潛水器的位置估計值，可改進其位置估計值。若處于水面的一具潛水器獲得GPS定位，則可顯著提高附近許多自主式無人潛航器的導航精度。自主式無人潛航器一般采用的光纖陀螺和多普勒速度測程儀對于Vertex來太大，也太貴，故該公司在其上采用基于微機電系統技術的姿態與航向基準系統和定制的通信與測距系統組合，而且操作所有這些系統的軟件從一開始就按使用多具自主式無人潛航器和所有系統緊密綜合進行設計。

Vertex兩個附加的應用是得到海底的光鑲嵌顯示，及找到未爆彈藥。這兩種應用大大促進了蜂群技術的應用，因為一具潛水器在給定時間只能覆蓋很小的區域。