無人水面艇導航技術研究

王涵宇

(哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著智能化、一體化、自主化的無人作戰系統技術日益成熟，全球各國海陸空軍事裝備也向著自主無人裝備方向發展，大型無人機、無人車、無人艇及無人潛航器等無人作戰系統正大規模參與并較大程度影響著戰爭走向。傳統有人裝備成本相對較高且在沖突演變為戰爭的過程中人員安全性相對較低，而無人水面艇具有機動性高、隱蔽性好、續航時間相對較長等特點，可在戰場環境實施低成本戰場環境探測、對敵前出部署裝備襲擾、低成本對沖敵高價值裝備等戰術戰法，與高價值有人裝備形成戰術技術互補。因此，無人水面艇將成為未來海上分布式作戰的主流裝備之一[1 – 2]。

無人水面艇是能夠自主航行的無人水上航行器，通過搭載多種傳感器和控制系統，可實現導航、避障、控制等功能。在沒有人為干預的情況下完成高風險任務目標，其任務成功關鍵在于導航控制系統的精準程度[3]。在海洋環境中，無人水面艇需要面對復雜的水流、水深、潮汐、風浪等環境，同時還需應對其他船只、障礙物等因素，這對導航系統精度提出了更高要求[4]。例如，在海洋救援任務中，利用高精度導航技術無人水面艇可以快速準確前往救援地區，將受困人員轉移至安全區域，同時也可以用于災害現場的應急調查和救援等[5]。

當前，比較成熟的無人水面艇導航系統包括衛星導航系統、慣性導航系統以及組合導航系統。隨著無人水面艇制造技術的提高，其所使用導航技術也將不斷突破和創新，為實現更多的應用場景提供技術保障。本文介紹衛星導航。慣性導航系統和組合導航系統的工作原理和特點，闡述這3 種導航系統的優缺點，同時展望無人水面艇未來導航技術發展方向。

1 基于衛星導航系統的導航技術

1.1 衛星導航系統的工作原理和特點

衛星導航系統可提供全球范圍內的高精度定位服務，是無人艇定位和導航的主要依據。目前常用的衛星導航系統包括GPS，GLONASS，Galileo 和BeiDou等[7–8]。通過在無人水面艇上搭載接收器，可實現實時獲取衛星信號，并定位艦艇當前位置，從而實現在無人操控情況下導航。

1.2 衛星導航系統的優缺點

衛星導航系統的優點主要包括高精度、覆蓋范圍廣、實時性好。高精度主要是因為衛星導航系統可提供毫米級別的精度，對于無人水面艇而言，衛星導航可保證其在水域中的定位和導航準確性；覆蓋范圍廣則是因為衛星導航系統覆蓋全球，對于海洋、水域中的無人水面艇而言，衛星導航系統具有重要的應用前景。同時，衛星導航實時性好, 并且定位誤差不隨時間積累，能夠及時反饋當前的定位和導航信息。以GPS 導航系統為例，該系統的定位在全球統一的WGS-84 坐標系統中計算，因此全球不同地點的測量成果相互關聯，不同指揮控制中心通過簡單變換便可得到準確坐標信息。

但是其缺點是容易受到天氣、山谷等因素的干擾，也可能在相對密閉水上空間存在信號遮擋的情況，從而導致信號不穩定或定位精度下降。衛星導航系統實時導航需使用電池供電，耗能較高，因此會對無人水面艇的電力消耗和資源管理造成影響[9]。考慮到無人水面艇主要執行簡單高危任務，而衛星導航系統定位完整設備成本較高，這會增加無人水面艇的制造和維護成本[10]。

2 基于慣性導航的導航技術

2.1 慣性導航技術工作原理和特點

基于慣性導航的無人水面艇導航技術是一種利用慣性導航系統（inertial navigation system, INS）實現無人艇在水面上的定位、導航和控制的技術。其原理是基于加速度計和陀螺儀等慣性傳感器以INS 單元測量無人艇的加速度和角速度，對其進行積分得到無人艇的位置和姿態信息，從而實現無人艇的自主導航和控制[11]。相對于衛星導航系統等導航技術，慣性導航技術具有無需外部信號、不受信號干擾、高更新率、精度高等優點，其可通過不斷積分測量加速度和角速度來自主計算出航向、位置和速度等信息[12]。

2.2 基于慣性導航技術的優缺點

慣性導航技術不依賴于外部信號源，可在沒有GPS 信號或其他導航設備的情況下獨立工作，作為衛星導航信號不穩定或丟失時的備用導航系統，提高無人水面艇的導航魯棒性和可靠性。同時，在水域復雜環境下，考慮到水流和波浪等影響因素，慣性導航還可以作為無人水面艇的主要導航系統。通過提供高精度的位置、速度和姿態信息，實現定位和導航的高精度和高可靠性。通過實時地提供位置、速度和姿態信息，使得無人水面艇快速響應環境變化和控制指令，為無人水面艇在不同任務場景下提供可靠導航支持。例如，在海洋勘測任務中，無人水面艇通過慣性導航系統可在海洋中進行水質、海底地形等勘測任務，并記錄勘測過程中的位置、角度和速度等信息，以便進行后續數據分析和處理。目前，研發的無人艇可利用高精度慣性導航系統以及電子羅盤等傳感器設備，實現自動巡航和任務控制功能，已廣泛應用于海洋勘測、海洋環境監測等領域。

但慣性導航也有其缺點，隨著時間的推移，誤差會逐漸增大，導致位置、速度和姿態信息的精度下降。由于慣性導航技術需使用高精度的慣性導航單元和數據處理器，成本較高，增加了無人水面艇的制造成本。此外，慣性導航技術復雜的數據處理和算法設計，需要專業的技術人員進行開發和維護。同時，慣性導航設備容易受到外部環境干擾，如震動、溫度變化等，影響其精度和穩定性。

3 基于組合導航的導航技術

3.1 組合導航技術工作原理和特點

組合導航技術是指將多種導航系統集成在一起，通過互補性來提高導航的精度和可靠性。其中， 衛星導航系統和慣性導航系統是常用的組合導航系統。衛星導航系統可提供全球性的位置信息，但存在信號遮擋、干擾等問題。而慣性導航系統可提供精確的加速度、角速度等信息，但存在漂移問題。具體來說，基于組合導航的無人水面艇導航技術是指通過將多個傳感器數據進行融合，從而實現精確且可靠的無人水面艇導航。相比單一傳感器的導航技術，組合導航技術能夠更好地解決單一傳感器系統容易出現的精度不足或者失效等問題。基于組合導航的無人水面艇導航技術原理是將所使用的傳感器數據進行濾波、處理、融合和校正，從而得出準確的位置和姿態信息。常用的傳感器包括慣性導航單元（IMU）、聲吶、激光雷達、電子羅盤等。其中，衛星導航系統主要用于提供位置信息，但在一些特定環境下，如海洋及山區等，衛星信號可能會受到干擾，從而導致位置誤差增大。IMU 主要用于提供船體的姿態信息，但是在長時間的運動中，IMU 也容易出現漂移現象。常用的組合導航算法包括擴展卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）等。

3.2 基于組合導航的優缺點

組合導航技術通過將多個傳感器的數據進行融合，能夠克服單一傳感器存在的局限性，提高導航精度和可靠性。同時，利用衛星導航系統和慣導系統進行組合導航時，可成功執行定位、航跡設計、航跡跟蹤、自主避障等任務，如圖1 所示。通過利用慣導系統、GPS 衛星通信系統、相關硬件設備及信息處理單元實現無人水面艇控制。

圖1 無人水面艇控制終端Fig. 1 Unmanned surface craft control terminal

目前無人水面艇組合導航技術還處于發展階段，存在一些技術問題。如定位精度不夠高、對外界因素（如風浪、漂流等）的容錯性較差等。同時，組合導航需配備較為復雜的設備，成本較高。在遇到復雜環境和突發事件時，無人水面艇組合導航技術的適應性和處理能力尚待提高。

4 無人水面艇導航技術的發展趨勢與挑戰

無人水面艇主要采用衛星定位、慣性導航和組合導航等導航技術。但目前無人水面艇導航技術仍然存在一些問題[13]。例如，衛星導航系統在某些情況下無法獲得穩定的信號，導致定位不準確；使用傳統的慣性導航系統會受到噪聲干擾和漂移等問題的影響，使得無人艦艇在長時間內的導航不夠精確和穩定。如圖2所示，在導航系統設計中，主要包括視覺感知增強模塊、障礙物的自主識別模塊以及自主避障模塊，這些模塊受傳感器精度影響較大，因此會對導航精度產生很大影響。

圖2 導航系統設計Fig. 2 Navigation system design

此外，組合導航技術需要攝像頭、傳感器等設備進行輔助，但這些設備在海上環境中易受到光線、水汽和波浪等因素的影響，導致精度降低。為保證無人水面艇執行任務高效性[14]，結合目前技術發展路線，無人水面艇導航技術發展趨勢可概括為：

1）融合多種導航技術

為解決目前存在的問題，未來無人水面艇導航技術將更加注重融合多種導航技術。結合衛星導航、慣性導航、視覺導航等多種導航技術，可以有效提高無人水面艇的導航精度和可靠性。

2）人工智能技術應用

隨著人工智能技術的不斷發展，在無人水面艇導航技術中也會得到廣泛應用。

對于無人水面艇的自主航行和控制，人工智能可以通過深度學習和規劃算法等方法實現。例如，使用深度學習技術對海洋環境進行分析，進而預測海洋的狀態和未來趨勢，為無人艦艇提供更加準確和及時的導航信息。如圖3 和圖4 所示，通過利用人工智能等相關算法，實現在單目標及多目標障礙物下的自動避障及路徑最優化設計。

圖3 單目標避障示意圖Fig. 3 Schematic diagram of single target obstacle avoidance

圖4 多目標避障示意圖Fig. 4 Schematic diagram of multi-objective obstacle avoidance

3）地面控制系統

無人水面艇的地面控制系統是其運行與控制的中樞，也是無人水面艇導航技術發展的關鍵。在未來，地面控制系統將更加注重實現多船協同控制和遠程遙控等功能。同時，使用傳感技術、云計算等手段，可以實現對無人水面艇的狀態監控和數據處理等操作。

5 結 語

無人水面艇作為新一代可大規模部署進行海上智能化作業的工具，在軍事偵察和民用監測等方面扮演重要角色。本文主要是針對無人水面艇導航系統展開研究，分別對基于衛星導航、慣性導航和組合導航等進行分析和總結。隨著科學技術的快速發展以及國防裝備的博弈競爭，對無人水面艇導航技術的精度需求越來越高，無人水面艇導航系統也正在向低成本和高精度的方向不斷發展。同時，重要性難題的攻關與關鍵性技術的突破，也推動了無人水面艇導航系統的發展。