AUV 導航技術概述

梁益豐，許江寧，吳 苗，陳奎函

(海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

占全球71%面積的海洋是生物資源、能源、水資源和金屬資源的戰略性開發基地，對于人類的發展和社會的進步起至關重要的作用。由于具備全面的水中作業能力，水下航行器已成為應用范圍最廣的海洋探測設備之一。例如，美國和英國海軍裝備的REMUS100小型航行器主要用于近海掃雷；美國海軍正在研制的BPAUV將被應用于水下導航；澳大利亞國防科學與技術組織研制的“瓦亞巴”型航行器可以實現精度為10～15 m的水中定位；中科院沈陽自動化研究所與俄羅斯科學家合作研制的CR-01型航行器功能多樣并且成功完成了太平洋海域的深海探測任務，同時標志著我國對深海探測器的技術研究已趨成熟[1]。

常用水下航行器按照操控方式分為有纜遙控水下機器人ROV和自主水下機器人AUV。其中ROV受線纜限制，自主性和活動范圍難以滿足日益復雜化的水下工作需要。AUV是新一代水下機器人，自治能力強且具備良好的水下作業能力，已被應用于深海探測、水中通信、地形地貌勘探等場景，發展前景十分廣闊。在不斷深入的探索當中，科研人員將AUV的關鍵技術大致歸納為動力、智能控制、導航與通信、推進、能源和觀測六大部分，其中導航定位是載體順利達到目的地的技術保障。AUV是否能夠自主地完成任務、能否順利回收，都取決于導航系統的可靠性和精確度，所以國內外均將導航技術作為AUV最關鍵的技術之一[2]。水介質的特性決定了AUV導航信息源少、隱蔽性要求高，與空中導航大不相同，因此有必要對現有技術進行較為全面的闡述，為相關研究提供參考。

1 AUV對導航功能的需求

AUV的工作環境水體據止，直接導致當前最常用的全球導航衛星系統GNSS難以應用，也決定了AUV對導航自主性和可靠性的需求最為迫切。考慮到AUV的水下導航裝置有多種，且成熟的AUV產品都有穩定、可靠的導航能力，其配置具有較強的參考價值，列舉幾種典型AUV的導航配置如表1所示。

表1 典型AUV型號及其導航配置Tab. 1 Typical AUV model and navigation configuration

參照不同配置對應的技術手段特點，從中提取出以下主要信息：

1）具有高自主性和強隱蔽性的慣性導航系統INS和多普勒測速儀DVL與AUV的工作需求最為契合，是必不可少的水下導航方法；

2）衛星信號能夠在水面表層提供穩定的導航信息，聲學信號在海水中傳播衰減很小，對應的GPS接收機和水聲定位系統可以作為AUV在特定區域的備份手段；

3）地形輔助等地球物理場導航技術已經可以投入實用，但一般不作為獨立配置。

AUV產品都擁有多種功能各異的導航配置，其根

本原因是單一手段無法在兼顧可用性與可靠性的同時保證高精度：慣性導航存在誤差隨時間積累的原理性缺陷、需要定期校正；DVL只能提供單一的速度信息，精度受水流速影響；衛星信號因電磁波的快速衰減無法傳播至AUV工作深度；聲音傳播特性決定了水聲定位技術范圍有限等?？梢夾UV難以憑借單一的導航方式完成任務，詳細分析不同方式的應用場景、實現適配技術之間的優勢互補，才可能完成高質量的導航定位。

2 水下導航技術

水下導航技術和導航信息參數的種類繁多，在此主要考慮水介質傳輸能力、水下工作環境2個主要因素，以現有方法的自主性和持續性作為重點指標，依次對慣性導航、聲學導航、無源輔助導航等技術展開論述。

2.1 慣性導航

慣性導航系統利用加速計測量載體的加速度信息，對加速度進行一次積分獲得載體的速度信息，對加速度進行二次積分獲得載體的位置信息，從而實現導航定位[3]。它不依賴任何外界信息，也不向外界輻射能量，具有短時精度高、實時性好以及輸出參數全面等特點。早期的慣導系統復雜體積大不適合潛水器使用，隨著光纖陀螺、激光陀螺、原子陀螺等新陀螺技術的發展，兼具小體積和高精度的新型慣導系統逐漸投入使用，捷聯慣性導航SINS作為其中的代表逐漸成為主流發展方向。基于牛頓第二定律進行積分推算的慣性導航系統，由于初始姿態誤差及IMU器件誤差的存在，解算時不可避免存在振蕩型、常值型誤差，且定位誤差隨時間不斷積累，因此系統的長期導航定位精度難以保證。

陀螺儀技術一直是制約SINS精度的主要原因之一，專業人員為此開展了大量工作。近年來精度很高的光學陀螺與半球諧振陀螺儀技術取得進展，慣性導航系統的精度有望得到一定提升。利用半球諧振子唇緣駐波進動效應感測基座旋轉的半球諧振陀螺儀，主要由敏感器件和緩沖電路、控制電路等部分組成，其總體構成框圖如圖1所示。采用熔石英玻璃加工的半球諧振子品質因數可以達到107量級，所以半球諧振陀螺敏感器件具有超強的穩定性，目前SAGEM等公司生產的半球諧振陀螺儀隨機漂移約為。尚處于開發中的原子陀螺理論精度高達，它將主要為大型潛艇服務；MEMS陀螺體積小、成本低，可應用于持續工作時間短的小型AUV。此外，廣大學者致力于研究慣導啟動初始對準、工作過程誤差抑制，改進了以濾波技術為主的相關算法，對SINS性能提升有一定幫助?？梢灶A見的是，由于在水下環境優點明顯，SINS在很長一段時間內仍將是AUV導航的核心手段。

圖1 半球諧振陀螺總體構成框圖Fig. 1 Overall block diagram of hemispheric resonant gyroscope

2.2 聲學導航

聲學信號在海水中傳播衰減很小，是水下最有效的信息傳播載體，因此可用于水下通信及導航定位。水聲定位系統有多個基元，互相之間的連線稱為基線。水下有界誤差導航定位通常借助外部傳感器系統來實現，如水聲定位系統一般可按照基線的長度分為長基LBL、短基線SBL和超短基線USBL定位系統3種，采用在海底安裝能發射聲信號標志的信標、應答器、相應器或者是多個應答器陣列，將其作為水下參考點來確定水面船體及水下航行器的相對位置，工作原理與衛星導航相似[4]。表2列出了LBL，USBL與GPS定位性能參數[5]。

表2 地理導航定位傳感器Tab. 2 The geographic navigation and positioning sensor

可見聲學導航的定位精度較高，它主要存在的是數據更新率低、基線需要浮標配合等缺陷，即開始工作前要在海底布設基陣，任務完成中需要校準及回收，所以該技術通常適用于長期在某一個區域工作的AUV，而難以滿足對隱蔽性要求較高或工作區域靈活的AUV。目前水下單信標ASB對基陣的依賴性較小，作為水下距離輔助導航定位的最小實現單元，它通過對來自單個地理參考信標的距離測量來提供絕對位置參考，制造成本低、布設靈活方便、局部海域定位精度較高，因此基于ASB的水下距離輔助導航定位逐漸受到業界重點關注[6–8]。

2.3 無源輔助導航

無源輔助導航一般指利用地球物理場作為導航輔助手段的一種方法，當前真正投入應用的主要是地磁輔助導航和重力場輔助導航2種。這種技術實現的基礎在于精確的基準圖，由于具有不向外輻射能量、隱蔽性好等優點，且可以全天候、不受環境限制地供給潛艇導航信息而備受關注。目前AUV對導航精度要求逐漸提高，地磁輔助的穩定性和水下導航環境中的抗干擾能力有待加強。重力輔助方面，國外衛星、船載、機載重力梯度儀的測量精度已經基本能夠達到水下工作的技術要求，為重力梯度輔助導航系統的應用奠定了技術基礎。目前我國有些單位已經能夠獨立或合作生產重力儀工程樣機，但尚未成功研制重力梯度儀。接下來應當在深入研究重力異常輔助導航系統和研制高精度重力梯度儀的基礎上，著力推進重力梯度輔助導航的研究工作，最后研究多種無源方式信息融合的關鍵技術。

圖2 海洋/航空重力儀陀螺穩定平臺Fig. 2 Ocean/Airborne gravimeter gyro stabilization platform

3 AUV導航系統類型

AUV導航方式的選取根據任務需求確定，以多種方法輔助慣性導航形成的組合導航系統能夠彌補單一手段缺陷，通過編隊模式運行的協同導航模式可以實現重要信息共享，是研究的重點內容。

3.1 組合導航系統

組合導航是以計算機為中心把不同的導航信息進行綜合優化后輸出有效數據的一種方法。其重點在于將不同的導航設備與方法進行綜合，實用性得到較大提升，因而被廣泛應用。組合導航的方式多種多樣，以SINS為核心的組合方式由于自主性和持續性好，通常能取得良好的效果。例如，李萬里[9]提出DVL輔助SINS非線性對準觀測模型，并利用UKF進行DVL輔助SINS動基座精對準。基于圖像匹配理論的迭代最近等值點ICCP方法成功應用于磁力/重力匹配輔助SINS導航[10]，均取得了良好效果。

3.1.1 SINS/DVL組合系統

DVL可以穩定提供速度信息，將其與SINS系統耦合起來，利用卡爾曼濾波等技術對位置、速度等導航參數進行綜合處理，并通過輸出的參數誤差估計值直接校正系統輸出的導航參數，可以達到提高慣性導航精度的目的。這種系統具有高精度、高可靠性、高自主性等優點，可分為松耦合和緊耦合2種方式[11]。松耦合通過DVL提供的載體速度測量信息與SINS給出的位置、速度等導航參數做融合處理，緊耦合方式則是將DVL原始數據與SINS的參數做融合處理[12]。多數商用DVL都只提供載體速度信息，并不給出原始數據，因此AUV的SINS/DVL組合導航系統通常屬于松耦合。這種組合方式操作比較簡便，隱蔽性和精度也能滿足短時間需求。但是單一的SINS/DVL系統誤差方程中的位置參數不可觀，會導致系統的定位精度緩慢發散，同時初始對準存在一定困難。

圖3 典型SINS/DVL組合導航原理框圖Fig. 3 Typical SINS/DVL integrated navigation schematic block diagram

3.1.2 SINS/ASB組合系統

聲學導航目前對于AUV的工作區域有一定要求，需要沿海地區持續推進基線鋪設工作。目前對基線依賴性相對較小的SINS/ASB組合系統，通過單信標信息對慣導系統的工作誤差進行修正，從而提高導航精度，具有多目標、雙向定位的技術特點，圖4為該方案的工作原理和流程示意。在實施過程中，只需要水下航行器裝備一個水聲測距設備，就能利用事先投放且位置已知的單個或多個ASB，獲取所需的距離位置信息，然后通過信息融合算法實現高精度導航。這種方法充分發揮了慣性導航、水聲導航的優勢，數據可靠性高、隱蔽性良好，已被美國等多個國家和科研機構重點研究開發[13]。

圖4 SINS/ASB組合導航原理示意圖Fig. 4 The schematic diagram of SINS/ASB integrated navigation

圖中還表明了SINS/ASB組合系統的作用范圍限制，即ASB作用半徑范圍外，AUV只能依靠SINS進行導航。為了抑制SINS位置誤差的持續發散可設計以下組合導航方案：當AUV進入ASB的作用區域時，采用SINS/DVL/ASB組合導航模式，此時SINS的導航定位誤差保持穩定；當離開ASB的作用區域時，采用SINS/DVL組合導航模式，此時AUV在DVL速度輔助的條件下導航定位誤差緩慢發散，在即將達到誤差上限時，使得AUV能夠再次進入ASB作用區域。這種方法需要對以卡爾曼濾波為主的濾波技術有深入理解，可以為多信息源組合方式提供借鑒。

3.1.3 SINS/重力梯度匹配組合系統

以重力信息輔助慣性導航形成的組合導航系統，通過重力測量傳感器獲取重力梯度、重力異常和垂線偏差等實測數據時，不需要接近水面且不向外輻射能量，是一種真正意義上的無源導航方式。重力梯度與重力異常相比，在獨立分量的數目上具有明顯優勢，能為導航系統提供更加全面可靠的基準數據；對于地表地形來說，重力梯度比重力異常更加敏感，因此重力梯度輔助導航系統能夠達到更高精度的定位水平。這種組合方式要求事先制作好重力基準圖并存儲于導航系統中，通過水下航行器自身的重力測量系統測量當地重力數據，并將實測數據與基準圖進行比較，然后由濾波技術實時估計載體的定位信息來輔助慣性導航，從而提高慣性導航精度，具有定位精度高、自主性強、隱蔽性好、全天候等優點[14–16]。相似的技術有地磁、地震波、地形輔助等，互相之間存在信息融合的可能性，例如慣性/重力/地磁水下自主匹配定位導航系統的理論研究已經展開，但是它們都需要完善的數據庫支撐，短期內難以實現全海域導航[17]。

3.2 協同導航模式

隨著探究海洋的任務日漸多樣化，單體AUV難以支持大范圍海洋環境調查、海底地質勘探、水下目標搜索等任務，因此多AUV協同工作模式應運而生。協同導航主要分為并行和主從2種方式，能夠有效擴大AUV的工作區域、減少導航過程對基陣的依賴，有助于高效率地完成一些復雜的任務。

3.2.1 并行式協同導航

并行式由多個配置相同的AUV組成，是一種雙向通信方式[18]，每個AUV通過自身配備的導航系統進行自身的導航定位，利用Kalman濾波器等設備與其他AUV進行信號傳輸和共享，有助于信息交流。但是，只有為每個AUV都配備高精度導航系統才能提高系統精度，將大幅增加制作成本，且多臺設備協同工作時，除保持單體的高精度外，還需要探測其他AUV的位置信息以及互相之間的相對位置。此外，利用水聲通信進行彼此之間的交流時，帶寬的限制將對系統性能有明顯影響，因此并行式只適用于AUV數量較少的情況，并不能作為一種通用的工作方式[19]。

圖5 并行式圖示Fig. 5 Parallel schematic diagram

3.2.2 主從式協同導航

主從式協同模式分工明確，如圖6所示。只需要在部分主水下航行器安裝高精度導航設備，對從水下航行器中配備低精度元器件即可，成本能夠得到控制[20]。主從式工作原理是配備高精度導航設備的主水下航行器作為領航者為從水下航行器提供精確位置信息，從水下航行器通過主水下航行器提供的位置信息，修正自身位置信息，從而實現自身的導航定位。根據領航者數目的不同，多水下航行器協同導航定位可分為單領航者協同導航定位和多領航者協同導航定位[19]。由于協同模式是一種相對觀測的信息融合算法，編隊形式影響系統可觀測性進而直接決定系統精度，所以AUV的編隊規模、間距是其中的關鍵因素，楊峻巍[3]設計的一種領航艇Z字型機動方式可以有效改進單領航者協同導航系統的可觀測性，從而房新鵬提高系統定位精度；對多領航者協同導航模式進行深入研究，得出了2個領航AUV與從AUV保持90°分離角相對運動的最優隊形。目前關于協同導航編隊的研究仍然是熱點方向之一。

圖6 主從式圖示Fig. 6 Master-slave diagram

主從式協同方法不僅大大提高了導航定位的精度，還節省了設備成本，因此成為多水下航行器導航定位重點的研究方向。但是由于在導航定位過程中，水下航行器需通過水聲裝置進行位置信息的傳輸以及相對距離、方位信息的測定，對水聲通信要求高，所以水聲裝置的性能優劣將在一定程度上決定協同導航的定位精度。如何彌補水聲通信的缺陷，是提高導航精度過程中需要重點解決的問題[18]。

4 結 語

導航技術影響著水下載體作業的范圍和質量，是AUV技術的重點和難點，深入分析和研究其發展現狀具有重要的理論意義和實際工程意義。本文介紹水下重點導航技術的應用場景，結合水下環境的特殊性，對AUV應用的典型組合導航方案、協同工作模式進行了詳細論述，為AUV導航的下一步研究給出以下建議：

1）發展硬件、改善算法，提升SINS功能。依托半球諧振陀螺等器件的優異性能提高SINS的精度，深入研究初始對準和誤差抑制技術，提高濾波估計的魯棒性；

2）完善數據庫，發展水下信息融合技術。豐富重力梯度、地形匹配、地磁匹配等手段所需的信息數據庫，為組合導航系統提供更多信息源；

3）重視多AUV協同模式，優化編隊方案。以遠程導航能力、信息交互水平為主要指標，在確保水聲通信可靠性的前提下，根據AUV的具體工作任務設計最優編隊方案，并總結相似工作環境下的通用解。