海洋無人小型平臺慣性/水聲組合導航技術

韓若曦，李海兵，郭子偉，羅 騁

（1.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，青島 266237；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

0 引言

隨著水下小型無人平臺的快速發(fā)展，海洋開發(fā)領域呈現(xiàn)出廣闊的前景。縱觀全球，海洋科技的較量也是綜合國力的較量，而導航定位技術作為水下小型無人平臺的關鍵技術，一方面影響著我國海洋經(jīng)濟的發(fā)展，一方面也與水下攻防、領海安全息息相關，成為現(xiàn)階段發(fā)展水下小型無人平臺的研究熱點。

世界各國對水下無人小型平臺的導航定位規(guī)劃重視程度逐漸增加，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DAR?PA）于2017年投資研發(fā) “深海定位導航系統(tǒng)”［1］，以確保水下平臺的安全性和定位的快速準確性。此外，根據(jù)美國曾發(fā)布的多版 《無人水下航行器總體規(guī)劃》及 《無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》可以看出，以慣性導航和聲學導航為主、航位推算和地球物理導航等方式為輔的組合導航技術仍是未來水下無人小型平臺所采用的主要導航方式［2］。隨著我國“海洋強國”戰(zhàn)略的實施，海洋工程和水下建設需求的增加與水下導航定位技術的發(fā)展相輔相成、雙輪驅(qū)動。但應意識到，目前我國水下無人小型平臺的導航定位技術與手段仍與世界先進水平存在顯著差距，難以勝任某些海洋開發(fā)及探測任務，而引進國外技術與產(chǎn)品則要面臨價格高昂、時效性差、技術封鎖以及維護困難等多重問題，因此大力發(fā)展完全自主知識產(chǎn)權的高性能水下無人小型平臺導航定位技術具有深遠意義。

1 海洋無人小型平臺導航系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 概述

水下環(huán)境十分復雜，海洋無人小型平臺對導航系統(tǒng)的隱蔽性、實時性等需求逐步提升，這些因素導致單一的導航系統(tǒng)早已無法勝任作業(yè)要求。慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）會隨時間產(chǎn)生累積誤差，因此需依據(jù)輔助導航信息來抑制INS的漂移，提高導航定位精度。隨著微處理器計算能力與陀螺儀技術的進步，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）因體積小、質(zhì)量小、成本低、維護方便，正成為當今水下導航設備的應用主流。目前，海洋無人小型平臺主要采取INS與水聲定位系統(tǒng)、多普勒計程儀（Doppler Velocity Log，DVL）結合的組合導航方式，圖1給出了水下慣性/聲學組合導航系統(tǒng)示意圖。

圖1 水下慣性/聲學組合導航系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of inertial/underwater acoustic integrated navigation system

DVL測速信息及水聲定位單元提供的實時聲速信息、聲學數(shù)據(jù)與SINS提供的導航解算信息進行融合處理，輸出導航定位信息并實時更新來對系統(tǒng)進行校正。在慣性導航系統(tǒng)中引入水下可用信號，充分發(fā)揮各測量儀器的優(yōu)勢，以實現(xiàn)高效、自主、隱蔽的高性能水下導航定位。

1.2 水下無人小型平臺組合導航技術國外現(xiàn)狀

水下無人小型平臺具有降低平臺全壽命費用和減少人員傷亡等多方面優(yōu)勢，可以完成復雜的水下任務，水下導航與定位技術作為保證其精準完成任務的關鍵環(huán)節(jié)，在歐美等國家中較早展開研究。隨著傳感器精度的提升及聲學定位技術的發(fā)展，INS/水聲組合導航技術也在迅速發(fā)展。水下聲學定位包括超短基線定位（Ultra?short Baseline，USBL）、 短基線定位（Short Baseline，SBL）與長基線定位（Long Baseline，LBL）三種方式，借助水聲為INS提供校準信息；利用多普勒測速儀（Doppler Velocity Log，DVL），可測量無人平臺相對海底的速度，可與磁羅盤、傾角儀等設備配合以提高精度。國際上，水下無人小型平臺常用 SINS/DVL、 SINS/LBL、 SBL、USBL幾種導航方式，表1、表2分別給出了典型國外水下無人小型平臺應用的導航系統(tǒng)或代表產(chǎn)品。

表1 國外SINS/DVL導航系統(tǒng)產(chǎn)品Table 1 Products of SINS/DVL navigation system abroad

表2 國外用于SINS/聲學導航系統(tǒng)的設備及平臺Table 2 Equipments and platforms for SINS/acoustic navigation system abroad

續(xù)表

由表1、表2可知，水下無人平臺大多用到INS、DVL與LBL、USBL等幾種導航方式的組合，其在長航時工況下會出現(xiàn)累積誤差，有時需要上浮校準，因此隱蔽性難以滿足。諸多國家為此不斷深入對水下組合導航技術的進一步研究，除表中產(chǎn)品外，美國亞特蘭大大學研發(fā)了水下機器人，其導航方式包括INS、DVL和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）輔助導航。加拿大國防部研發(fā)的自主無人潛航器（Autono?mous Underwater Vehicle，AUV）將 INS、 聲學自動搜尋裝置、DVL及壓力傳感器進行組合，可提高導航定位精度。對于淺海作業(yè)的AUV，其作業(yè)深度為幾百米，且航行時間要求較短，一般為10h左右，因此可以在INS基礎上結合聲學導航并輔以GNSS來修正誤差；對于深海作業(yè)的AUV，需要數(shù)十小時在水下幾千米的區(qū)域進行作業(yè)，對導航系統(tǒng)體積限制較小，而對其精度和隱蔽性要求較高，往往以INS為主輔以DVL或羅經(jīng)等來修正誤差；對于極端環(huán)境下的潛航器如俄羅斯的“GLONASS”，則在特定海域進行有纜校準。

1.3 水下無人小型平臺組合導航技術國內(nèi)現(xiàn)狀

我國海洋水下無人小型平臺的導航定位技術在過去20多年里取得了一定的進展，表3給出了我國主要水下無人小型平臺導航系統(tǒng)介紹。

由表3可知，國內(nèi)組合導航平臺以聲學導航、慣性組合導航最為常見，在常規(guī)應用方面的技術也趨近成熟，但大部分水下無人平臺仍采用國外導航系統(tǒng)，僅少數(shù)為國內(nèi)產(chǎn)品。其中，西北工業(yè)大學與天和海防等單位共同研制的 “中國無影”小型潛航器可實現(xiàn)高精度的自主導航，并在無人潛航器的定深控制技術、應急避險控制、組合導航等方面實現(xiàn)了一定的技術突破。另外，在 “十五”期間，我國自行研制出了一系列長程USBL定位系統(tǒng)，定位深度接近4000m［3］。在INS/水聲組合導航方面，西安自動控制研究所自主研發(fā)了SINS/DVL組合導航系統(tǒng)，其精度在一般工況下的偏差可達到航程的0.3%［4］；中國科學院聲學研究所東海站先后設計了水下拖體航跡測量方法及一系列水聲定位改進算法［5］；哈爾濱工程大學的劉伯勝等在 《水聲學原理》中的研究為聲納的進一步發(fā)展打下基礎，哈爾濱工程大學水下機器人技術重點實驗室在深海AUV的長航時高精度導航方面也積累了豐富經(jīng)驗；自2010年以來，廈門大學致力于水聲傳感網(wǎng)絡定位及水聲定位中時延估計等［6］問題的研究，提高了水聲傳感網(wǎng)絡的傳輸性能和水聲定位信號的處理效果［7］；中國船舶重工集團公司第七一2研究所和第七一五研究所分別對水下定位浮標系統(tǒng)和信標裝置［8］、水聲定位校準及波束形成算法［9］、 基于 GNSS 的水下立體定位系統(tǒng)［10］等展開了一系列研究，顯著提高了波束形成的分辨率和水下定位效率；海洋水下小型無人平臺導航定位技術的集成也在逐步進展中，中國艦船研究設計中心的謝偉等對水下攻防的感知與協(xié)同導航進行了一系列研究，為我國未來水下導航裝備建設提供理論參考［11］。結合楊元喜院士團隊對水下導航定位技術的一系列研究［3］可知，我國現(xiàn)行的水下導航定位技術可以滿足海洋水下小型無人平臺的基礎作業(yè)定位精度要求，但對更多的海洋數(shù)據(jù)采集和更多的導航任務則需進一步提高水下導航定位系統(tǒng)的性能。

2 水下無人小型平臺慣性/水聲導航關鍵技術

從INS與水聲定位技術現(xiàn)狀和水下無人小型平臺的應用需求來看，水下導航與定位技術仍將以慣性導航和水聲導航為主、其他導航方式為輔。因此，大力發(fā)展以慣性/聲學組合導航系統(tǒng)為主的方式，對提升自主研發(fā)能力仍具有重要的意義。慣性/聲學組合導航中的關鍵技術主要包括初始對準、聲線修正、守時與授時及信息融合技術等幾個方面。

2.1 水下慣性導航初始對準技術

導航計算機通過初始對準來獲得正確的初始條件，包括初始速度及位置。水下工況的復雜性要求系統(tǒng)具備足夠的快速性、魯棒性，能夠持續(xù)高效地為后續(xù)姿態(tài)更新提供條件。傳統(tǒng)的兩階段對準為：先進行粗對準，后進行精對準。對于粗對準，目前可采用四元數(shù)法和凝固法，二者精度相似且已接近理論水平，因此其主要提升空間在于精對準過程。

進行地面（靜基座）對準時，INS為線性定常系統(tǒng)，可觀測性更容易分析，可實現(xiàn)快速對準。但對于多數(shù)采用SINS的水下無人小型平臺，因其行進速度和角速度處于不斷變化中，故需進行非線性初始對準。現(xiàn)行的處理方法有基于確定性策略的Sigma點非線性濾波方法，典型方法有無跡Kal?man濾波算法，其難點在處理非線性函數(shù)的高斯積分。此外，還有基于逼近隨機變量的概率分布方法來處理非線性濾波，用于SINS初始對準過程，目前已有大量文獻驗證。非線性濾波對準需要面對的另一大問題是模型可觀測性分析，針對SINS的非線性對準模型，可運用解析方法，根據(jù)有限長度區(qū)間的量測信息求解狀態(tài)初值［12］。對于小型艦船類無人平臺，基于微電子機械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）的 SINS 組合導航技術的需求逐漸增加，而傳統(tǒng)動基座初始對準技術使用在MEMS系統(tǒng)上會造成較大誤差，現(xiàn)有方法可結合運動學原理進行誤差建模，進而實現(xiàn)兩步對準；當系統(tǒng)轉(zhuǎn)位機構精度較高時，可利用轉(zhuǎn)位信息設計對準方案［13］。當前，基于MEMS的SINS技術正逐漸進入小型化、規(guī)模化的軍民應用市場，其初始對準也將是水下導航定位技術的發(fā)展重心之一。

2.2 聲線修正技術

對于水下聲學定位系統(tǒng)來說，海水中聲速的時空特性導致聲波在傳播過程中出現(xiàn)彎折，使得海水的傳播路徑呈現(xiàn)為極為復雜的多段折線，此時若直接利用整個海域的平均聲速進行定位計算會產(chǎn)生很大偏差，因此需要聲線修正來補償定位誤差。當前聲線修正方法主要有查表法、代入公式計算法以及建立聲線修正模型法。

20世紀60年代起，Vaas和Anderson等先后提出了基于Taylor級數(shù)的展開法和基于海水溫度鹽度壓力的經(jīng)驗公式法對聲速進行修正。之后，海洋科學家們相繼提出了各種經(jīng)驗公式，分別適用于特定的條件和范圍，具體如表4所示［14］。

經(jīng)驗公式局限于特定的環(huán)境要求，在應用中限制較多，學者們提出了預先根據(jù)特定海域參數(shù)建立聲速表［15］的方法，但對于環(huán)境變化較大的海域有待進一步完善。20世紀以來，有效聲速（Ef?fective Sound Velocity，ESV）概念被提出，之后衍生出ESV估計的一系列方法。針對前述海洋環(huán)境未知干擾問題，考慮更多的環(huán)境變量進行ESV估計可提升聲線修正效果，但計算量較大。在淺海海域，利用靜態(tài)觀測值可基于最小二乘方法進行定位估計。近年來，智能算法發(fā)展迅速，將其用于ESV估計可提高計算效率。基于遺傳算法進行優(yōu)化，可有效提高ESV表的精度；基于粒子群方法來解算長基線定位系統(tǒng)的優(yōu)化函數(shù)，其結果較傳統(tǒng)算法更優(yōu)，但以上方法目前仍停留在仿真階段。國內(nèi)專注于聲線修正研究的有海軍潛艇學院的朱海團隊，其提出了基于水聲傳播時延補償來修正INS/多信標水聲測距定位誤差［16］，針對信標信號延遲或缺失等問題，基于異步量測序貫處理方法構建SINS/LBL組合導航計算模型，實時更新應答信號，補償聲速誤差［17］。笪良龍團隊通過研究潛航器所處的海洋環(huán)境，對特定海域聲場環(huán)境［18］以及聲學導航中存在的噪聲如艦船噪聲［19?20］等的特性進行討論，分析其對導航定位的影響，設計方法以提升淺海聲速剖面反演性能，改善了聲速修正效果。孫芹東等通過研究淺海聲場及海洋環(huán)境特征［21］，設計方法改善了海洋環(huán)境觀測浮標平臺的探測性能。

2.3 守時與授時技術

守時與授時技術是發(fā)展國防和國民經(jīng)濟的重要因素，是時間同步的關鍵應用，對于水下小型無人平臺導航定位而言十分重要。

（1）原子鐘守時系統(tǒng)

由原子鐘組構成的守時系統(tǒng)是制定工作標準的依據(jù)，實際應用中對守時系統(tǒng)的準確性、連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性都要求極高［22］。協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC）是世界民用時的基礎，國際計量局（The International Bureau of Wei?ghts and Measures，BIPM）為提供全球統(tǒng)一的實際參考基準收集了全世界70多個實驗室約350臺高精度原子鐘的對比數(shù)據(jù)，建立并維持國際原子時（International Atomic Time，TAI），基于此，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)觀測以及閏秒設置得到協(xié)調(diào)世界時UTC。我國的標準時間UTC（NTSC）由中國科學院國家授時中心（National Time Service Center，NTSC）產(chǎn)生和維護。UTC（NTSC）系統(tǒng)作為長、短波授時系統(tǒng)的核心部分，自1970年成立至今持續(xù)穩(wěn)定運行，其守時綜合性能目前也已躋身世界前列，成為國際原子時歸算的最大權重單元之一。

北斗衛(wèi)星的發(fā)展使得我國北斗系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）時間國際標準溯源關系得以建立，如圖2所示，通過建立國內(nèi)/國際對比鏈路可進行UTC、UTC（NTSC）和BDT之間的數(shù)據(jù)傳遞。

未來，TAI技術的進步也會極大改進UTC的性能［23］。

對于守時技術在導航定位方面的應用，多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容操作是需要深入的方向，將多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)結合，消除其相互干擾，可提升接收端的使用體驗，且相比于總體成本并無明顯提升。我國北斗與俄羅斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)的互操作將是未來全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)兼容應用的重點環(huán)節(jié)之一。

在水下導航方面，隨著微電子技術的發(fā)展，芯片級原子鐘（Chip Scale Atomic Clock，CSAC）因具有體積小、能耗低、適合微型化等優(yōu)點，現(xiàn)已多用于水下環(huán)境中。作為超低功率的時頻基準，CSAC能顯著改善導航定位系統(tǒng)的機動性和魯棒性，在無衛(wèi)星信號但又需要精確時間同步和計時的環(huán)境中完成時間保持、通信和導航定位等任務。

（2）衛(wèi)星授時技術

衛(wèi)星授時技術是保障導航定位系統(tǒng)正常工作的關鍵支撐。使用衛(wèi)星進行授時屬于廣域高精度的授時方式，包括基于通信衛(wèi)星的授時技術和基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時技術兩類。

轉(zhuǎn)發(fā)式和數(shù)字衛(wèi)星授時是通信衛(wèi)星授時的兩種方式，轉(zhuǎn)發(fā)式授時技術研究進展如表5［24?27］所示。

表5 轉(zhuǎn)發(fā)式授時技術進展情況Table 5 Progress of repeater timing technology

轉(zhuǎn)發(fā)式授時具有通信授時一體化、時頻基準設備便于維護和導航信號靈活性更強的優(yōu)勢，可實現(xiàn)的遠距離轉(zhuǎn)發(fā)式授時精度為2ns～3ns［28］。由衛(wèi)星電視信號進行標準時間發(fā)播來進行授時的技術為衛(wèi)星電視授時技術，其上進行的試驗結果表明，該技術的單向授時精度優(yōu)于100ns，附加廣域差分技術后授時精度可達20ns。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)授時技術包括GNSS標準授時、GNSS 精密單點定位（Point to Point Protocol，PPP）授時和基于共視原理的衛(wèi)星授時。我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)目前已具備標準的定位和授時功能，且在地球靜止/傾斜同步軌道、中地球軌道及星載原子鐘等方面［29?31］具有一定技術進展。 GNSS PPP 技術使用載波相位和偽距觀測數(shù)據(jù)及高精度軌道和星鐘差來進行PPP定位和授時［32］。隨著北斗三號全面建成并展開服務，利用BDS開展的PPP授時與應用也在快速發(fā)展，NTSC研究人員先后提出利用共視原理和基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時方案，前者可將衛(wèi)星單向授時精度由20ns提高到3ns～5ns；后者基于BDS實現(xiàn)精密授時（Precise Time Service，PTS），再利用PPP時間傳遞方式給到用戶，靜態(tài)授時精度可達亞納秒量級［33］。

守時與授時技術的發(fā)展提高了水下平臺的導航定位性能，但也要意識到當前國內(nèi)相關技術的不足，表現(xiàn)在：軍用授時能力有限、單一系統(tǒng)授時能力不足、微型時鐘技術發(fā)展緩慢及水下授時能力存在缺陷。對于水下導航來說，1ms的時間誤差將導致約1500m/s×0.001s＝1.5m的定位誤差，且水聲通信的主要特點是傳播速度低，延遲且具有時變性，信號衰減嚴重，存在多徑效應。對于水下無人小型平臺來說，這都是需要解決的難點問題。

2.4 水下慣性組合導航信息融合技術

水下無人小型平臺在執(zhí)行任務的不同階段時往往要在不同類型的組合導航方式之間進行切換，以多種導航方式實時傳遞的導航信息為基礎，進行優(yōu)化融合，實現(xiàn)高精度定位。其中，統(tǒng)計推斷、估計理論和信息預處理是進行信息融合的重要手段，隨著各種新型方法的出現(xiàn)與更新，水下INS組合導航系統(tǒng)的信息處理策略也在不斷迭代。

（1）信息預處理技術

由于不同海域具有不同的特性，水下環(huán)境屬于極其復雜的場景，海洋湍流和可能存在的空泡噪聲，即各種水下生物的噪聲、混響等都可能導致數(shù)據(jù)異常，因此需要進行數(shù)據(jù)融合前的預處理，常采用加權平均、最小二乘、小波變換等方法。

賈朗特等［34］對水下聲波傳播過程中的多徑干擾效應展開了一系列研究，并提出了一種改進的有限脈沖響應（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波方法，實驗結果表明該方法優(yōu)于遞歸濾波和小波濾波。為排除隨機干擾，周佳加等［35］采用正交小波變換的快速算法對DVL量測數(shù)據(jù)進行了濾波，實驗結果表明該算法可提高組合導航的精度。中國船舶重工集團公司第七一2所曾對水下無人小型平臺的降噪方法進行研究［36］，提出了一種改進的Surfacelet變換方法。中國海洋大學張洪進團隊［37］對聲吶數(shù)據(jù)進行預處理，使用稀疏化擴展信息濾波（Sparse Extended In?formation Filter，SEIF）進行實驗，利用經(jīng)過預處理的聲吶數(shù)據(jù)，將SEIF與EKF的運算結果分別與GNSS對比，SEIF方法的定位誤差較EKF減小了50%，可有效提高定位精度。

（2）估計理論及方法

20世紀，Wiener和Kalman先后提出Wiener濾波理論和Kalman濾波理論，開啟了對狀態(tài)估計理論的研究。狀態(tài)估計方法現(xiàn)已成功運用到慣性組合導航的信息融合處理中，隨著INS組合導航對狀態(tài)估計方法需求的增加，后續(xù)開展了一系列研究。20世紀70年代末，Moore等基于Kalman濾波（Kalman Filter，KF）設計了擴展 Kalman 濾波（Ex?tended Kalman Filter，EKF）算法用于非線性系統(tǒng)，EKF運算速度快，易實現(xiàn)，但對強非線性特征可能濾波發(fā)散。在狀態(tài)和測量噪聲為高斯分布假設下，可采用由KF衍生的容積Kalman濾波（Cuba?ture Kalman Filter，CKF）、 無跡 Kalman 濾波（Un?scented Kalman Filter，UKF）以及 Gauss?Hermite 求積分 Kalman 濾波（Gauss?Hermite Quadrature Kalman filter，QKF）方法去近似非線性函數(shù)的后驗分布；在狀態(tài)和測量噪聲為非高斯分布假設下，傳統(tǒng)方法有高斯和濾波（Gaussian Sum Filter，GSF）算法以及基于隨機抽樣的粒子濾波算法（Particle Filter，PF），但由于計算步驟復雜、實時性較差，因此沒有被廣泛應用［38］。對于由DVL、USBL和航向姿態(tài)參考系統(tǒng)組成的水下無人平臺組合導航系統(tǒng)，現(xiàn)有研究中，采用UKF方法進行處理可提高導航定位過程的抗干擾性，利用UKF方法可提高SINS/GPS/DVL組合導航校正估計精度，基于自適應濾波和強跟蹤濾波的混合校正濾波方法可減少未知量測噪聲對系統(tǒng)的影響。

（3）聯(lián)邦濾波器

集中式和分散化濾波是利用Kalman方法對傳感器數(shù)據(jù)進行融合的兩種途徑，前者利用一個濾波器來處理各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，理論上可給出系統(tǒng)誤差估計最優(yōu)解，但由于維數(shù)較高的系統(tǒng)實時性差，且當某個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會污染系統(tǒng)整體，因此容錯性較差；后者在解決這些問題的基礎上發(fā)展，典型分散化濾波方法為聯(lián)邦濾波器，能夠簡化處理過程，更易得出全局最優(yōu)或次優(yōu)解。

慣性/聲學組合導航系統(tǒng)易在水下環(huán)境中遇到問題，朱兵等［39］針對 SINS/DVL/AST（水聲單應答器）系統(tǒng)中DVL測速信息和水聲單應答器位置信息受高斯噪聲污染的問題，提出了基于馬氏距離的聯(lián)邦魯棒Kalman濾波算法，對信息分配系數(shù)進行自適應調(diào)整，從而提高了導航精度以及對AST輸出信息的容錯性。在處理水下機器人INS/GPS導航系統(tǒng)在行進過程中受到未知隨機擾動的問題時，陳帥等［40］提出了基于置信檢驗自適應聯(lián)邦Kalman濾波框架，并經(jīng)實驗驗證了其良好效果。王磊等［41］將多模型估計引入到聯(lián)邦濾波器中，結合多源導航傳感器組合導航系統(tǒng)，建立了以INS為參考的導航系統(tǒng)誤差模型，提高了水下無人平臺INS組合導航系統(tǒng)的實時性、靈活性及容錯能力。針對組合導航中的非線性問題，賴際舟等［42］改進了SINS/GPS/高度計組合導航信息處理方法，在Kal?man濾波中融入粒子濾波獲取多維高斯分布的過程，以提高算法自適應能力。

3 水下無人小型平臺慣性/水聲組合導航應用需求分析

水下無人小型平臺具有操作靈活、能耗較低、避免人員傷亡的優(yōu)點，且能實現(xiàn)多平臺協(xié)同工作，因此廣泛應用于海洋資源探測、海洋搜救、水雷排布、海底管線排布、設備檢修等工作中。目前，我國水下導航定位技術已可以滿足以上常規(guī)應用，而對于水下偵察、目標跟蹤、作戰(zhàn)打擊等方面的更高需求，現(xiàn)行技術無法充分滿足。對于水下無人平臺的導航定位系統(tǒng)，我國在研發(fā)、制造、服務等多個維度仍需依賴歐美等發(fā)達國家，水聲定位技術與國際先進水平仍存在差距。慣性/聲學導航技術的提升，有賴于近代數(shù)學、物理學、力學、光學、材料學、微電子技術及計算機技術的共同發(fā)展。

水下慣性組合導航系統(tǒng)的應用方向圍繞水下無人平臺的不同應用場景，體現(xiàn)出不同的需求特點：

1）用于海洋資源開發(fā)與地球環(huán)境保護的水下導航定位系統(tǒng)要求。占地球大部分面積的海洋仍有絕大部分待開發(fā)資源，這些資源也是人類未來生存的期望依托，經(jīng)濟社會的發(fā)展難免帶來環(huán)境的惡化，而豐富的海洋資源一方面能帶來更多的能源，另一方面還能改善和遏制資源枯竭與社會生產(chǎn)的矛盾，規(guī)避潛在風險。因此，對于水下導航定位技術要求就體現(xiàn)在長時間處于水下環(huán)境下的持續(xù)導航，以聲學導航為主，一方面要求定位系統(tǒng)的布放回收便捷，減小運行成本和對海洋環(huán)境的污染；另一方面需要適應不同海域的復雜海況，可抵抗水下溫度、深度、鹽度的不同程度的干擾，具有較強的魯棒性。此外，對于深海作業(yè)的平臺，無法頻繁上浮水面，因此輔助導航較多為以INS為主、聲學及地磁或重力匹配為輔的組合導航方式，因而對于聲線修正及聲場相關算法的精度、匹配數(shù)據(jù)庫分辨率具有較高要求。

2）用于深海搜救及海底設施檢修的水下導航定位系統(tǒng)要求。隨著現(xiàn)代海洋工業(yè)和航運產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，利用水下無人小型平臺進行搜救以及對水下管道等基礎設施的檢修成為應用熱點，如馬航MH370碎片的查找、墜海人員的搜尋、油井管道的維護都是需要水下小型平臺的場景，對其精準定位能力及體積具有相對嚴格的要求：一方面要求導航定位系統(tǒng)能實時高效快速地進行定位和航向規(guī)劃，處于障礙物較多的環(huán)境中也能抵抗定位干擾信息；另一方面此類水下無人平臺帶負載能力有限，因此要求組合導航系統(tǒng)高度集成，體積小、質(zhì)量小，以保證平臺本身功耗低，從而維持長時間的水下作業(yè)。

3）用于水下攻防與未來作戰(zhàn)的水下導航定位系統(tǒng)要求。對于海洋攻防，隨著水下互通互聯(lián)技術的發(fā)展與成熟，海洋無人小型平臺的協(xié)同作戰(zhàn)將成為技術研究的熱點與難點。為保證復雜水下協(xié)同/集群系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，對平臺導航定位系統(tǒng)的信息融合能力與通信技術、校準手段都加以較高的要求。用于無人作戰(zhàn)或作為無人武器系統(tǒng)，水下平臺需要具備高度的隱蔽性，此時平臺將主要依靠INS與地球物理組合導航手段，武器系統(tǒng)一般以水面艦船或潛艇為基地，對導航系統(tǒng)的隱蔽性和平臺的自治性都需要較高要求。

4 水下無人小型平臺慣性/水聲組合導航發(fā)展趨勢

當前，水下無人小型平臺導航與定位技術仍將以INS為主、多種導航技術為輔，立足需求與技術現(xiàn)狀的不足，對其未來發(fā)展趨勢與熱點進行分析：

1）傳統(tǒng)導航方式進一步完善。現(xiàn)存熱點和難點問題仍有很多，以INS和聲學導航為代表的傳統(tǒng)導航方式面對水下復雜或極端環(huán)境以及應對更高的應用場景，還需要進一步完善。對于SINS/DVL，需要進一步提升其在復雜環(huán)境下的可靠性；對于聲學導航，依據(jù)不同的作業(yè)范圍和場景，需考慮安裝布放是否便捷、回收成本和校準工作量，還需在相關組合方案和融合、標定算法上進行改善。

2）導航傳感器技術與工藝的發(fā)展。以INS為例，在組合導航系統(tǒng)中，影響最終定位效果的除了系統(tǒng)解算過程的原理誤差、計算誤差、外界干擾誤差、初始條件等誤差外，還體現(xiàn)在慣性元器件誤差及安裝誤差等方面。傳感器測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響著數(shù)據(jù)預處理過程，與導航解算過程共同決定著后續(xù)濾波處理與狀態(tài)向量的估計效果，慣性傳感器元件誤差模型的精度以及傳感器噪聲對系統(tǒng)的干擾都是INS中存在的難點問題。傳感器工藝的提升有賴于機械工業(yè)、電子、計算機及自動化等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新材料的開發(fā)和傳感器的集成與智能化、體積的微小型化等都將對水下導航定位系統(tǒng)的性能提升具有巨大意義。

3）水下導航定位與通信技術一體化。我國“海洋強國”戰(zhàn)略的提出，使得 “走入水下，走向深海”成為水下無人小型平臺的未來發(fā)展方向。水下兵力和武器裝備作為維護我國海域安全的重要條件，除對導航定位具有更高的需求外，還依賴于高性能水下通信技術的保障。水下導航定位與通信技術一體化主要用于無人潛航器、水下滑翔機、潛標等小型平臺上，保證平臺在水下獲取準確的位置與航向信息的同時，能與岸基、天基、空基信號收發(fā)站之間進行高效持續(xù)的信息交換。當前一體化過程中較大的問題存在于水下通信方面，可用于水下的有線、水聲、激光及無線通信技術都存在一定的不足，如遠距離的通信與隱蔽性、設備覆蓋范圍之間無法平衡、深水作業(yè)平臺接收信息匱乏、遠程傳輸速率低、信息量少且難以實現(xiàn)高質(zhì)量雙向通信等都是阻礙水下導航定位與通信技術一體化發(fā)展的難點。

無論是面對水下攻防的軍用領域還是海洋開發(fā)的民用需求，水下通信的發(fā)展及其與導航定位技術一體化都起到重要的助推作用。未來，隨著所提水下通信技術中存在的問題逐步解決，水下導航定位與通信技術一體化也將得到逐步完善，這將為水下作業(yè)形式提供新思路，提升水下無人小型平臺的綜合性能。

4）組合導航系統(tǒng)智能化，兼具高可靠性、高集成度和綜合補償及自動校正。易知水下環(huán)境中單一的導航定位方式無法保證水下無人平臺的高性能工作，因此需要采用多種導航方式的結合，除了本文所述慣性和聲學導航，還有適用于水下的新型導航方式如地形輪廓跟隨、重力場匹配等技術，要點和難點在于需要構建高精度、高分辨率的數(shù)據(jù)庫，這也是有待完善的方向。建立多種方式相結合的具有綜合補償自動校正的智能系統(tǒng)將具有極大的應用前景。

水下小型無人平臺的出現(xiàn)及發(fā)展大大提升了我國水下征程的建設速度，慣性/水聲導航定位作為其關鍵技術之一，在不斷發(fā)展的同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)，需要承擔更加艱巨的任務。我國慣性/水聲導航技術的發(fā)展目前仍與國外有較大差距，需要進一步探索。立足需求和現(xiàn)狀，水下無人小型平臺導航定位系統(tǒng)的低功耗、小型化、高精度和一體化仍是主流發(fā)展方向。

5 結論

小型無人平臺的組合導航技術已成為人類進行水下多方位活動的重要支撐，是推動我國海洋經(jīng)濟開發(fā)、海防建設的重要基礎。深入發(fā)展精確、可靠、高性能的慣性/水聲組合導航技術是滿足更多海洋工程、水下建設的關鍵途徑，也是縮短與國外技術差距的迫切任務。對此，既要立足當下需求，不斷完善和改進導航定位系統(tǒng)的關鍵技術，又要著眼未來趨勢，重視慣性/水聲組合導航定位方法的創(chuàng)新發(fā)展。