天海一體化水下重力輔助導航研究進展

鄭 偉，李釗偉，吳 凡

(1. 中國空間技術(shù)研究院 錢學森空間技術(shù)實驗室， 北京 100094；2. 遼寧工程技術(shù)大學 測繪與地理科學學院， 遼寧 阜新 123000；3. 河南理工大學 測繪與國土信息工程學院， 河南 焦作 454150)

全球海洋面積(3.61億km2)約占地球總表面積(5.1億km2)的70.8%，主要自然資源包括：礦產(chǎn)資源、石油資源、天然氣資源、生物資源、化學資源、動力資源等。因此，隨著人類社會的高速發(fā)展和進步，廣闊而又神奇的海洋必將成為人們探究和開發(fā)的主要對象之一。水下航行器作為人類開發(fā)海洋的重要工具也必將得到廣泛應(yīng)用。尤其是在軍事領(lǐng)域，因其隱蔽性好，作戰(zhàn)半徑大，對制空權(quán)和制海權(quán)依賴性低，突擊力強，在戰(zhàn)略性打擊中起著決定性作用，因而是世界軍事強國海上攻防的中堅力量。同時，海水也為水下航行器提供了天然屏障，使其可在水下大范圍和長時間地偵察、探測和跟蹤敵方航行器[1]。由傳統(tǒng)導航只能通過樹木、山峰、巖石等作為參照物，漸漸發(fā)展到通過太陽、月亮、星星等來判斷位置，而指南針的發(fā)明更是導航領(lǐng)域的較大進步。隨后，無線電導航的出現(xiàn)，則具有劃時代的意義。隨著人類活動的發(fā)展，對導航的要求也越來越高。

天海一體化水下導航(融合天基、海基等多源信息及技術(shù)手段)是水下航行器導航系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。目前，水下航行器的精確導航主要依靠慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)，可滿足自主、精確、長時間的要求，不僅可提供精確位置和速度等導航信息，使水下航行器到達預定地方，還可為水下航行器潛射武器系統(tǒng)提供精確的位置、速度、姿態(tài)等信息，使武器系統(tǒng)可以精準擊中目標物。但是由于慣性元件-陀螺儀的固有漂移，使INS具有誤差隨時間積累的缺點，時間越長，誤差累積越大。因此，為減小INS的誤差累積，確保其安全航行和武器的精準打擊，目前主要有兩個途徑：第一，盡可能提高INS中陀螺儀和加速度計的測量精度；第二，采用輔助導航技術(shù)，利用外界信息手段對其進行周期性重調(diào)與校正。如今，各種各樣的導航技術(shù)隨著歷史的進步而出現(xiàn)，它們已被廣泛應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟、社會等方面[2-4]。

1 慣性器件發(fā)展概況

第一代：1687年，英國物理學家牛頓提出了著名的三大運動定律，為慣性導航系統(tǒng)的研究奠定了理論基礎(chǔ)；1852年，法國物理學家Leon Foucault提出了陀螺的指向理論、方法和應(yīng)用，并搭建了陀螺羅經(jīng)的雛形；20世紀初，德國發(fā)明家Hermann Anschütz-Kaempfe研制出能用于艦船導航的陀螺羅經(jīng)。

第二代：20世紀40年代初期，德國人制造了V-Ⅱ火箭的慣性制導系統(tǒng)；20世紀50年代中后期，單自由度液浮陀螺平臺慣性導航系統(tǒng)成功應(yīng)用于B29飛機；1968年，G6B4型動壓陀螺(穩(wěn)定度0.005 (°)/h)和加速度計(精度10-4g～10-6g)研制成功。1960年，環(huán)形激光陀螺(Ring Laser Gyroscope, RLG)和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)(Strap-down Inertial Navigation Systems, SINS)開始研發(fā)。

第三代：20世紀70年代，為進一步提高慣性導航性能，新型陀螺儀(精度0.001 (°)/h)和加速度計(精度10-6g～10-7g)開始推廣和應(yīng)用。新型陀螺儀主要包括：靜電陀螺、動力調(diào)諧陀螺、超導體陀螺、粒子陀螺、音叉振動陀螺、流體轉(zhuǎn)子陀螺、固態(tài)陀螺等。20世紀80年代，采用微機械結(jié)構(gòu)和控制電路工藝制造的微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)開始發(fā)展。

第四代：20世紀80年代，隨著環(huán)形激光陀螺、干涉式光纖陀螺等新型固態(tài)陀螺儀(精度10-6(°)/h)的逐漸發(fā)展，捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)逐步取代平臺式慣性導航系統(tǒng)。

第五代：原子陀螺儀包括自旋式和干涉式自旋。其在高精度慣性測量及航天/航海領(lǐng)域具有巨大潛力。

1)自旋式原子陀螺儀：主要包括無自旋交換弛豫陀螺儀、核磁共振陀螺儀、金剛石結(jié)構(gòu)NV色心陀螺儀等。核磁共振陀螺儀通過原子核自旋磁矩在靜磁場中的Larmor頻率進動來測量物體轉(zhuǎn)動角速率，目前美國諾格公司已研制出工程樣機(表頭體積5 cm3和零偏穩(wěn)定性0.01 (°)/h(1σ))。無自旋交換弛豫(Spin Exchange Relaxation Free， SERF)陀螺儀利用堿金屬原子的電子自旋感知物體轉(zhuǎn)動角度，仍處于原理樣機階段。金剛石結(jié)構(gòu)NV色心陀螺儀利用14 N空穴自旋來感知物體轉(zhuǎn)動信息，理論上可實現(xiàn)角速率三軸同步測量。

2)干涉式自旋原子陀螺儀：從歷史發(fā)展來看，在很早以前就已經(jīng)提出了物質(zhì)波干涉儀的概念，隨后成功研制出了電子干涉儀和中子干涉儀，但兩者分別受限于低計算率和低質(zhì)量而沒有在慣性測量中得到廣泛應(yīng)用。而原子干涉儀概念的提出也很早，但由于原子波不易發(fā)生干涉而使該研究一度停滯不前。

自20世紀90年代開始，隨著激光冷卻原子技術(shù)的快速進步，原子干涉技術(shù)和以之為基礎(chǔ)的原子慣性技術(shù)研究取得了突破性進展。2003年，在美國國防部高級研究計劃局啟動的“精確慣性導航系統(tǒng)(Precision Inertial Navigation System， PINS)”等計劃支持下，美國斯坦福大學Kasevich研究團隊與AOsense公司聯(lián)合研制了體積小于1 m3，角隨機游走小于10-4(°)/Hz1/2的干涉型原子陀螺儀[5]。此外，美國還制訂了“高動態(tài)范圍原子傳感器”計劃，旨在提高冷原子慣性測量單元的動態(tài)捕獲范圍，并應(yīng)用于軍事裝備平臺。

2003年，歐洲空間局啟動了“空間中的高精度原子干涉測量技術(shù)”研究計劃，支持利用冷原子干涉陀螺儀進行結(jié)構(gòu)拖拽效應(yīng)和精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量，以驗證愛因斯坦的廣義相對論，同時也通過量子陀螺儀進行空間飛行器導航。在“空間中的高精度原子干涉測量技術(shù)”計劃先期研究中，法國巴黎天文臺得到靈敏度為2.4×10-7(rad/s)·Hz1/2原子干涉陀螺儀[6]，已達到實驗室樣機階段。德國漢諾威大學得到靈敏度為6.1×10-7(rad/s)·Hz1/2原子干涉陀螺儀[7]。

我國一直在原子光學基礎(chǔ)研究方面緊跟國際步伐，對量子慣性器件等量子光學系統(tǒng)的研制具備相應(yīng)的技術(shù)能力和儲備。近年來，直接在量子器件的研制上投入了一定的研究力量，且各單位均已獨立開展了量子慣性技術(shù)研究。清華大學提出自主冷原子束方案，并在國際上率先實現(xiàn)了基于連續(xù)冷原子束的干涉信號；上海光機所實現(xiàn)了芯片上冷原子捕獲；華中科技大學引力實驗中心研制了高精度冷原子干涉重力精密測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了100 s內(nèi)0.5 μGal的重力測量分辨率；中科院武漢數(shù)學物理所實現(xiàn)了可搬運高精度銣-85冷原子絕對重力儀，由國際計量局確認的最終報告顯示其重力測量絕對值偏差約為3 μGal， 靈敏度可達30 μGal/Hz1/2；浙江大學已在原子干涉儀方面取得了重要突破，重力加速度g測量精度為10-8m/s2，其在“十二五”期間針對原子干涉重力梯度儀也取得了突破，掌握和擁有了多項原子干涉的自主關(guān)鍵技術(shù)，為開展重力梯度儀的實驗室樣機研究奠定了基礎(chǔ)，已具備開展冷原子重力梯度儀的實驗室樣機研究條件。另外，華東師范大學、吉林大學、山西大學等在冷原子量子調(diào)控基礎(chǔ)研究方面也取得了諸多成果。

2 水下輔助導航技術(shù)研究進展

目前使用的慣導系統(tǒng)大多數(shù)屬于第二代和第三代產(chǎn)品。在100余年的發(fā)展歷程中，從機械陀螺、光學陀螺到MEMS陀螺，雖然較大程度地提高了測量性能，但仍無法滿足慣性導航的高精度需求。然而，原子陀螺儀為慣性器件的發(fā)展指明了方向。冷原子干涉陀螺儀使得單一小型系統(tǒng)實現(xiàn)三軸線加速度、角速度以及重力場補償成為可能，是單機實現(xiàn)超高精度六軸慣性系統(tǒng)的有效手段。原子慣性器件一旦研制成功，未來將無須依賴任何外部測量設(shè)備，僅依靠原子慣性器件即可實現(xiàn)水下高達米量級的定位精度，完全滿足水下航行器導航設(shè)備的高精度、隱蔽性、自主性等需求。但是，據(jù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可看出，目前冷原子干擾陀螺儀的技術(shù)發(fā)展水平距離工程化實際應(yīng)用還需要若干年的研制時間。因此，目前解決慣性導航積累誤差問題的最優(yōu)技術(shù)路徑是采用輔助導航手段進行校正。

1)重力輔助導航。載體在航行過程中經(jīng)過特征較明顯的區(qū)域時，利用重力儀實時采集周圍重力場信息，通過和預先測量得到的基準重力數(shù)據(jù)庫匹配，構(gòu)建水下重力輔助導航系統(tǒng)，實現(xiàn)慣性導航系統(tǒng)重調(diào)。水下重力輔助導航系統(tǒng)主要包括：重力/重力梯度儀、重力/重力梯度基準圖和重力/重力梯度匹配定位算法。重力儀的測量精度現(xiàn)在已經(jīng)可以達到亞毫伽量級，全球重力基準圖的分辨率可以達到2′×2′，導航匹配算法的研究也取得了一定突破。重力輔助導航系統(tǒng)的突出特點是，獲取重力信息時重力測量儀器對外無須發(fā)射或接收外部信號，可以隱蔽地為水下航行器提供精確的全球位置信息，是名副其實的無源導航系統(tǒng)[8]。

2)地形輔助導航。通過深度傳感器(測深/測潛儀)獲得所在區(qū)域的水深信息，將實測的水深信息和海底地形圖上提取的水深信息歸算到同一計算面上，然后按照一定的算法進行高精度匹配，從而獲得載體的最佳位置信息。它是一種隱蔽、全天候、自主、導航定位精度與航程無關(guān)的導航技術(shù)，具有精度高、隱蔽性強等特點。但是，水下地形導航需要預先測量海底地形數(shù)據(jù)，獲取全球海底地形數(shù)據(jù)目前存在一定的困難，同時，聲吶波束在深海海域?qū)崟r測量海底地形時，誤差較大，因而地形輔助導航技術(shù)只適用于淺海[9]。

3)地磁輔助導航。在20世紀60年代中期，美國E-systems公司提出了地磁異常場等值線匹配系統(tǒng)，并于70年代進行了離線實驗。20世紀80年代初，瑞典Lund學院開展了船只地磁導航的實驗驗證，確定了船只的位置和速度。2009年，美國已研制出地面和空中定位精度高于30 m和水下定位精度高于500 m的地磁導航系統(tǒng)[10]。地磁輔助導航具有不向外發(fā)射信號，隱蔽性強，操作簡單，全天候、全時間、全地域地連續(xù)工作等優(yōu)點，同時，存在磁力儀干擾源較多、精度較低、易受外部環(huán)境和磁場影響等諸多缺點。

4)水聲導航。聲學信號在海水中的傳播衰減較小，借助聲波可在水下遠距離傳輸?shù)莫毺貎?yōu)點，聲學系統(tǒng)已成為水下常用的導航信息源。傳統(tǒng)聲學定位導航有長基線定位、短基線定位和超短基線定位三種方式。這三種方式可在水下獲得良好的定位精度，定位需要1個或多個事先在水下布放且位置精確已知的固定陣元信標，故只能在某些特定海域內(nèi)使用。缺點是：戰(zhàn)時易被敵方破壞和利用，易受人為或自然干擾[11]。

①長基線定位系統(tǒng)(Long Base-Line, LBL)：能在寬闊區(qū)域內(nèi)提供精確位置，需要在定位載體上安裝一個換能器，同時在基線長度為幾千米的已知位置的海底布設(shè)3個應(yīng)答器。各應(yīng)答器接收到被定位載體的詢問信號后，以不同頻率發(fā)射應(yīng)答信號。通過測量海底各應(yīng)答器與換能器之間的斜距，從而通過測量中的前方或后方交會對目標精確定位。LBL的優(yōu)點是：可進行大面積、深海定位工作，受水深影響小、精度高、可靠性好、換能器非常小、易于安裝。缺點是：數(shù)量巨大的應(yīng)答器基陣造價昂貴，系統(tǒng)較復雜，基陣布放及回收煩瑣，海底基陣校準技術(shù)要求高、風險大等。

②短基線定位系統(tǒng)(Short Base-Line, SBL)：由1個海底應(yīng)答器和3個以上安裝于水面艦船或水下航行器上的換能器組成聲基陣。各換能器與海底安裝的應(yīng)答器互相問答，通過距離交會或相位差解算出目標位置實現(xiàn)定位。SBL定位不需要布放多個海底應(yīng)答器，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便等優(yōu)點。

③超短基線定位系統(tǒng)(Ultra-Short Base-Line， USBL)：基線極短(小到幾厘米)，所有聲單元(3個以上)集成于換能器中，組成聲基陣。通過測定聲單元的相位差確定換能器與目標的方位(水平和垂直角度)，通過測定聲波傳播時間確定換能器到目標的距離。優(yōu)點是：尺寸較小、相對定位精度較高、安裝較方便，但系統(tǒng)安裝后需要較高的校準精度。

④移動長基線導航系統(tǒng)，近幾年出現(xiàn)的一種新型導航方式，其定位原理、精度與傳統(tǒng)聲學定位相同，區(qū)別在于：其陣元信標并非固定在某處，而是將1個或多個已精確定位的移動載體(水面艦船、水下潛器等)作為陣元信標，且不受陣元信標載體運動的影響，可在隨之前進的同時實現(xiàn)聲學定位。因此，移動長基線導航極大地擴大了聲學定位系統(tǒng)在水下導航的可用范圍。

5)無線電導航。無線電導航的優(yōu)點：精度高、全天候、作用距離遠、不受時間和天氣限制、定位時間短等。但是，無線電波在海水高導電介質(zhì)中傳播衰減較快，需要水下航行器上浮接收信號，不利于水下航行器的隱蔽。

6)衛(wèi)星導航。采用衛(wèi)星導航系統(tǒng)(美國GPS、歐洲Galileo、俄羅斯GLONASS、中國北斗系統(tǒng)、印度IRNSS系統(tǒng)等)對陸、海、空、天的用戶進行精確導航定位。但是，衛(wèi)星信號易受干擾和哄騙，戰(zhàn)時導航信息不可靠。而且需上浮或接近水面獲得導航信息，自主性和隱蔽性均較差[12]。

7)天文導航。1837年，美國船長Sumner T.H.發(fā)現(xiàn)了天文船位線可在海上同時測量經(jīng)緯度，為近代天文定位奠定了基礎(chǔ)[13]，目前也是洲際導彈和火箭制導的重要方式之一[14]。天文導航具有保密性強、隱蔽性好、定位精度高等優(yōu)點。它主要用于水面導航，若用于水下導航，則需要水下航行器定時浮出水面觀測，降低了載體的隱蔽性，不適合長時間水下隱蔽航行導航。

8)地文導航。利用投影幾何學原理，運用圖像跟蹤技術(shù)及三角解算技術(shù)來獲取空間位置。基本思路是：通過載體上圖像傳感器獲取環(huán)境圖像，提取圖像上的特征量后與已知參考位置的特征量進行匹配，來確定載體空間的相對位置，或者根據(jù)圖像上地物目標的相關(guān)位置信息，利用幾何關(guān)系，推算載體的空間位置[15]。

9)推算船位法。將位置已知的船位作為推算起點，依靠羅經(jīng)、計程儀、測量海風的風向、風速以及流向、流速的儀器等推算實時船位的海上定位法。因為儀器測量精度較低，海風和海流影響不易精確修正，隨航行時間增加而誤差積累等缺點，所以測定船位法僅為輔助方法。

10)電磁導航。電磁導航的優(yōu)點是：引線隱蔽，簡單實用。缺點是：成本高，對復雜路徑局限性大，且不適用于長距離導航。

如表1所示，通過前面各種導航技術(shù)的綜合分析，將地球物理場與INS系統(tǒng)聯(lián)合構(gòu)成的無源輔助導航系統(tǒng)始終是有效抑制INS系統(tǒng)誤差積累問題的國際研究熱點。目前，可用于水下長時間隱蔽導航的技術(shù)有地磁輔助、地形輔助、重力輔助等。地磁場本身存在長期和短期變化，使地磁圖精度達不到較高的要求，且測磁手段存在磁干擾等局限性[16]。重力場和海底地形都是輔助導航的主要技術(shù)手段，地形場的研究開展相對較早。水下地形輔助導航起步較晚，《2000—2035年美國海軍技術(shù)》發(fā)展戰(zhàn)略研究中提出了主要采用地形輔助提高水下航行器導航精度的目標[17-18]，但由于需要向外發(fā)射聲波，而且聲吶測量在海況復雜條件下無法精確探測到深海地形，因此水下地形匹配導航僅適用于淺海[19]。然而，水下重力輔助導航是根據(jù)地球不同位置的重力差異來實現(xiàn)導航定位的，重力場數(shù)據(jù)主要包括海洋重力基準圖和重力測量傳感器實時測得的數(shù)據(jù)。海洋重力基準圖通過衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)、航空測量數(shù)據(jù)、海洋測量數(shù)據(jù)等聯(lián)合構(gòu)建，具有高精度、強可靠性等優(yōu)點；利用水下重力儀獲取實測數(shù)據(jù)時，水下航行器測量不需向外輻射能量，也不需浮出水面，且地球重力場在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，因此有望實現(xiàn)水下潛器精確、自主和連續(xù)長航時的定位。

表1 水下導航系統(tǒng)優(yōu)、缺點對比

天海一體化水下慣性/重力組合導航系統(tǒng)，可基于重力/測高衛(wèi)星和海洋觀測多源數(shù)據(jù)，并根據(jù)實時精確測量的重力信息進行高精度輔助導航，使水下航行器的水下自主導航能力大幅提高，延長其上浮校正周期，如圖1所示。該技術(shù)的優(yōu)點為導航精度較高、計算速度較快、應(yīng)用前景良好等。目前，國際水下導航精度約為百米級，我國水下導航精度與國際相比，存在較大差距。開展此項研究，有利于保障國家/國防安全和領(lǐng)海主權(quán)完整。

圖1 天海一體化水下重力輔助導航原理圖Fig.1 Schematic diagram of the underwater gravity matching navigation based on the information of aerospace-marine integration

3 重力輔助導航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

基于目前公開文獻可知，20世紀中期，美國海軍開始研究重力輔助導航系統(tǒng)，目的是提高三叉戟彈道導彈潛艇導航性能[20]。美國研制成功了3種新型重力梯度儀：Bell Aerospace Textron的旋轉(zhuǎn)加速度計重力梯度儀，Charles Stark Draper Laboratory的球形懸浮重力梯度儀和Hughes Aircraft Company的旋轉(zhuǎn)重力梯度儀，用于消除重力模型不準確引入的慣性導航系統(tǒng)誤差。20世紀70年代，Kalman濾波技術(shù)結(jié)合重力擾動統(tǒng)計模型法開始研究，例如：Heller提出的重力梯度儀輔助導航(Gradiometer as An External navigation Aid， GAEA)方案[21]和Wells等提出的參考橢球輔助導航(Reference Ellipsoid Formula as An External navigation Aid， REFAEA)方案[22]。GAEA的核心思想：將載體速度與擾動梯度輸入根據(jù)重力擾動統(tǒng)計模型搭建的Kalman濾波系統(tǒng)，估計由垂線偏差導致的慣性導航位置和速度誤差，此研究主要以理論分析和仿真實驗為主。REFAEA方案則是將重力梯度儀信號積分后得到重力向量，然后引入慣性導航系統(tǒng)。基于結(jié)構(gòu)簡易性和系統(tǒng)容錯性，GAEA雖略優(yōu)于REFAEA，但二者均可有效消除重力引入的導航誤差。

上述重力偏差補償法可消除由參考重力場模型不準確導致的INS誤差，但無法消除由INS器件(如陀螺漂移等)固有缺陷引起的水下導航誤差，補償后的慣性導航系統(tǒng)誤差仍隨時間累積。20世紀90年代初，隨著Bell Aerospace Textron研制的重力傳感器系統(tǒng)成功在運動載體上進行了重力梯度測量，并裝配于三叉戟-Ⅱ型潛艇上，實時估計了重力異常和垂線偏差。此外，GEOSAT測高衛(wèi)星的發(fā)射和船載、機載重力儀/重力梯度儀的發(fā)展改進，獲得了大量的海洋重力數(shù)據(jù)，重力輔助導航系統(tǒng)逐漸由無圖向有圖匹配導航發(fā)展，兩種新的導航方案被提出重力梯度導航系統(tǒng) (Gravity Gadiometer Navigations System， GGNS)和重力輔助慣性導航系統(tǒng)(Gravity Aided Inertial Navigation System， GAINS)。

1990年，Jircitano等提出了GGNS系統(tǒng)[23-24]，該導航系統(tǒng)充分利用了地形輔助導航(Sandia Inertial Terrain-Aided Navigation， SITAN)算法的原理，隨著動基座重力梯度儀的不斷完善，它是基于慣性導航、重力梯度儀、重力梯度基準圖的匹配定位系統(tǒng)，是實質(zhì)意義的無源導航方式。該系統(tǒng)以重力梯度基準圖上慣性導航指示位置處的梯度數(shù)據(jù)與重力梯度儀輸出數(shù)據(jù)之差作為濾波器的觀測量，對慣性導航誤差進行最優(yōu)估計。

1991年，Jircitano等提出了GAINS系統(tǒng)[25]，并于1994年獲得美國專利授權(quán)(專利號：5339684)，該系統(tǒng)由INS、重力儀/重力梯度儀、重力場基準圖、深度傳感器和最優(yōu)濾波器組成。將重力梯度儀實時測得的梯度誤差、重力基準圖中提取的重力信息、深度傳感器與慣導給定的深度之差等數(shù)據(jù)作為最優(yōu)濾波器的輸入量，最終得到所需的導航參數(shù)信息[26-28]。

20世紀90年代后期，美國對水下導航系統(tǒng)進行了模塊化改進，從而降低了成本、方便維護。Lockheed Martin公司在GAINS基礎(chǔ)上研制出了更為經(jīng)濟的通用重力模塊(Universal Gravity Module， UGM)[29]，并于2000年獲得了UGM的專利授權(quán)(專利號：6014103)。該模塊包括1個重力儀和3個重力梯度儀，用于測量實際重力與正常重力偏離的大小以及重力在三維空間的變化速率，經(jīng)美國海軍1998—1999年在水面“先鋒號”艦和核潛艇上的測試結(jié)果可知，UGM可使導航系統(tǒng)經(jīng)緯度誤差約降至標稱誤差的10%[30]。

1997年，Lowrey Ⅲ和Shellenbarger提出了重力異常匹配法，利用潛艇導航系統(tǒng)裝備的電磁加速度計作為重力儀，配合慣性導航和深度計，將重力異常與重力異常基準圖進行對比，通過圖匹配技術(shù)在無源導航濾波器中計算導航校正[31]。

1999年，Behzad等提出了適用于水下重力異常匹配導航的等值線迭代最近點(Iterative Contour Closed Point， ICCP)算法[32]。該算法將重力儀數(shù)據(jù)與重力異常數(shù)據(jù)庫等值線進行匹配，尋找測量航跡與已有重力圖之間的最優(yōu)匹配變換，進而實現(xiàn)對測量航跡的校正。

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國外的重力輔助導航系統(tǒng)已較為成熟，而國內(nèi)的仍處于理論研究與仿真模擬階段，雖在信息處理算法上有一定的發(fā)展創(chuàng)新，但在工程應(yīng)用上仍存在較大差距。現(xiàn)階段，我國應(yīng)深入開展重力輔助導航技術(shù)研究，為將來水下航行器精確導航提供支撐。

劉光軍等采用在匹配算法中融合多模型自適應(yīng)估計技術(shù)，通過并行Kalman濾波器搜索最佳匹配位置[33]。閆利等將TERCOM(terrain contour matching)算法用于水下重力匹配仿真計算，并用實驗驗證了地形粗糙度和坡度方差與TERCOM算法的定位精度具有強相關(guān)性，可將二者作為匹配區(qū)選取指標[34]。張紅梅等對ICCP算法進行了預平移簡化，消除了誤匹配問題，有效提高了匹配精度和可靠性[35]。魏二虎等提出了帶有旋轉(zhuǎn)和尺度變換功能的改進TERCOM算法，進一步提高了定位精度[36]。童余德等針對ICCP算法實時性不強等缺點，采用固定初始序列長度的方式對算法采樣結(jié)構(gòu)進行改善并推導出單點迭代公式，同時采用滑動窗搜索方式縮小搜索范圍，進而提高算法速度，并設(shè)計了一種實時ICCP算法[37]。蔣東方等提出了在具有統(tǒng)一解析式連續(xù)背景場基礎(chǔ)上實現(xiàn)迭代最近等值線的匹配算法，建立了局部連續(xù)背景場的最近點搜索模型，較大程度地提高了匹配精度[38]。劉洪等改進了質(zhì)點濾波算法，避免了離散模型出現(xiàn)概率密度函數(shù)發(fā)生除零現(xiàn)象，進而提高了質(zhì)點濾波算法的適應(yīng)性[39]。程力等通過在重力場區(qū)域中移動局部計算窗口方法，提出了重力匹配區(qū)經(jīng)驗選擇準則[40]。夏冰等提出了基于SPSS回歸分析的重力匹配區(qū)域選擇法，通過在重力數(shù)據(jù)和重力場特征參數(shù)之間建立定量關(guān)系，作為重力匹配判斷準則，進而對重力匹配區(qū)域進行選擇[41]。蔡體菁等采用層次分析法，通過反演重力圖的多項統(tǒng)計特征及匹配仿真結(jié)果，提出新型重力匹配區(qū)域選擇準則[42]。許大欣采用增益系數(shù)和信息更新序列的新方法對某區(qū)域進行Kalman濾波的模擬計算，較大程度地提高了匹配精度[43]。孫嵐將采樣Kalman濾波算法應(yīng)用于重力圖形匹配，濾波通過設(shè)計少量的σ點，從而獲得濾波值基于非線性狀態(tài)方程的更新[44]。王虎彪等采用多模型自適應(yīng)Kalman濾波并行算法對重力異常和重力梯度聯(lián)合輔助導航，通過加權(quán)處理得到潛艇位置的最優(yōu)實時估計[45]。王偉等圍繞Kalam濾波可能存在濾波發(fā)散問題，提出了漸消記憶自適應(yīng)濾波方法，通過在濾波過程中設(shè)置發(fā)散原則，對Kalman濾波進行干預，從而達到實時、快速、高效的匹配效果[46]。龐永杰等改進了貝葉斯估計算法，通過引入費希爾判據(jù)，減少了算法偽點數(shù)，從而提高了算法的穩(wěn)定性[47]。劉繁明等將差分進化引入到粒子濾波的重采樣過程，從而提高了組合導航的定位精度[48]。熊凌等提出將粒子濾波算法引入重力梯度匹配定位中，這樣不僅可加快粒子濾波的收斂速度，同時有利于提高粒子濾波算法的精度[49]。劉念等采用地形輪廓匹配算法在匹配區(qū)內(nèi)進行匹配定位，采用無跡Kalman濾波算法在非匹配區(qū)內(nèi)進行跟蹤定位，提高了重力梯度匹配的導航精度[50]。

4 研究進展

高精度重力輔助導航技術(shù)實現(xiàn)的核心問題是解決全球高精度和高空間分辨率海洋重力場基準圖、高精度重力輔助導航算法、高精度重力儀等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)。但是，目前全球海洋重力基準圖的空間分辨率僅為2′×2′[51]，無法滿足高精度水下重力輔助導航的迫切需求，主要原因如下：第一，目前獲取全球海洋重力場基準圖的主要手段是通過星載高度計海面測高；第二，目前基于衛(wèi)星海面測高數(shù)據(jù)的全球海洋重力場反演方法無法有效地抑制重力場空間分辨率的損失。因此，滿足高精度水下重力輔助導航要求的百米級空間分辨率的全球海洋重力場基準圖在國際上仍為空白。基于以上原因，本研究團隊主要圍繞全球高精度和高分辨率海洋重力基準圖反演和重力輔助導航算法優(yōu)化開展研究。預期提出和突破基于新一代GNSS-R衛(wèi)星海面測高原理反演全球高精度和高空間分辨率的海洋重力場的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)，以及構(gòu)建高精度水下重力輔助導航優(yōu)化算法，進而為實現(xiàn)自主、隱蔽、長航時和高精度的全球水下導航提供理論基礎(chǔ)和方法支撐。

4.1 階段性研究成果

錢學森空間技術(shù)實驗室天空海一體化導航與探測團隊在“十三五”期間承擔了多項水下導航、探測和隱身等項目，取得了階段性研究成果。

1)在水下重力輔助導航方面，開展了慣性導航、重力輔助等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)研究，綜合統(tǒng)計分析重力異常標準差、坡度標準差、粗糙度、重力異常差異熵、分形維數(shù)等重力場主要特征參數(shù)，聯(lián)合主成分分析準則和加權(quán)平均原理，提出主成分加權(quán)平均歸一化法，并得出重力異常基準圖各區(qū)域的總體特征參數(shù)指標，在優(yōu)選適配性良好的區(qū)域進行重力輔助導航[52]。聯(lián)合分層鄰域的快速搜索算法和最優(yōu)化閾值選取思路，在保證精度的前提下，提出了新型分層鄰域閾值搜索法，通過提高初始匹配點的選取標準，提高了算法的匹配效率[53]。

2)在GNSS-R衛(wèi)星海面測高方面，基于GNSS-R反射參考面的修正，開展了提高鏡面反射點定位精度研究[54]。第一，提出了重力場反射參考面修正法，將反射參考面由橢球面修正到大地水準面，減小了與實際海面的高程差異引起的鏡面反射點定位誤差，將定位精度提高了25.15 m；第二，提出了法向投影反射參考面修正法，將重力場反射參考面修正法確定的鏡面反射點由徑向反射參考面修正至法向，并且在解算反射路徑的空間幾何關(guān)系過程中，通過直接解算法向投影，減小了近似代換誤差，定位精度向法向進一步提高了13.05 m；第三，基于重力場-法向投影反射參考面組合修正法，鏡面反射點定位精度最終提高了28.66 m。同時，為了進行鏡面反射點定位和海面測高精度的實測驗證，本研究團隊已于2018年6月在東海和南海的不同區(qū)域和天氣條件下基于船載GNSS-R設(shè)備進行了海面測高實驗，獲取了1個月的實驗數(shù)據(jù)。

3)在水下探測和隱身方面，牽頭并聯(lián)合相關(guān)單位，提出深遠海水下航行器智能隱身和隱蔽環(huán)境人工干預的機理與方法，通過提升水下航行器自身隱身和偽裝能力，使敵方無法探測到我方平臺的聲、光、電、磁等目標特性信號，通過研究深遠海物理、化學、生物等海洋環(huán)境人工干預方法，構(gòu)建人工隱蔽海洋環(huán)境，從而提高我方平臺的隱蔽性和作戰(zhàn)能力。

4.2 預期研究工作

錢學森空間技術(shù)實驗室天空海一體化導航與探測團隊在“十四五”期間預期開展的研究如下：

1)在水下重力輔助導航方面，預期聯(lián)合航跡約束模型進行多次先驗遞推匹配和迭代最小二乘的思路，基于統(tǒng)計和擬合原理提出新型航跡約束遞推誤匹配修正法，通過迭代擬合由遞推所得到的一系列先驗匹配點之間的函數(shù)關(guān)系，剔除先驗誤匹配點，構(gòu)建誤匹配點判別修正模型，旨在同時提高水下重力輔助導航精度和可靠性；預期聯(lián)合幾何學中的球面最短距離法則和航天/航海學中的姿態(tài)控制原理，提出球面最短弧航向控制法，旨在提高航向控制精度。

2)在GNSS-R衛(wèi)星海面測高方面，預期提出實際海態(tài)鏡面反射點精確定位法，減小反射參考面與實際海面的差異引起的定位誤差，提高GNSS-R鏡面反射點的定位精度。第一，提出大地水準面修正定位法，將反射參考面由橢球面修正至大地水準面，減小反射參考面的靜態(tài)高程誤差和垂線偏差，提高定位精度；第二，在大地水準面修正定位的基礎(chǔ)上，提出海洋潮汐修正定位法，將反射參考面由靜態(tài)的大地水準面修正到時變的海洋潮汐面上，減小反射參考面的時變高程誤差，進一步提高定位精度；第三，構(gòu)建實際海態(tài)鏡面反射點精確定位法，并逐步開展船載、空基和天基GNSS-R測高實驗，基于實驗數(shù)據(jù)驗證精度和反饋優(yōu)化。基于上述方法的組合應(yīng)用，預期有效提高GNSS-R鏡面反射點定位精度，進而提高GNSS-R測高精度，為高精度和高空間分辨率海面測高和海洋重力基準圖構(gòu)建提供理論和方法支持[55-59]，進而支撐高精度水下重力輔助導航系統(tǒng)。

3)在水下地形輔助導航方面，預期以地形相似性為指標，根據(jù)地形自適應(yīng)確定格網(wǎng)閾值的數(shù)字水深模型原理，提出相似性指標閾值自適應(yīng)確定法，旨在提高海底地形基準圖精度；結(jié)合理論模型可推廣性強和統(tǒng)計分析模型準確率高的特點，構(gòu)建新型自適應(yīng)概率加權(quán)多準則決策法優(yōu)選適配性強的地形區(qū)域等。

5 結(jié)論

本文圍繞天海一體化水下重力輔助導航的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢開展了研究。基于21世紀水下航行器“隱蔽性、自主性、高精度、無源性和長時間”的導航需求，水下信息傳輸?shù)木窒扌约安糠炙氯蝿?wù)的隱蔽性，導致水下航行器導航作戰(zhàn)能力相對較差。在進行科考、打撈、救援等水下工作時，常常無法自身精確定位，且無法獲得與救援目標之間的相對準確位置。因而，以慣性導航為主要手段，結(jié)合重力輔助手段，同時可聯(lián)合地形輔助、地磁輔助、水聲輔助等多種手段實施組合導航已成為天海一體化水下導航技術(shù)發(fā)展的趨勢，可以更好地確保水下航行器的安全性。