无人潜航器的导航技术

韩世杰

无人潜航器不能利用卫星进行导航，同时，海水对电磁信号是不透明的，在很短的一段距离内会迅速衰减。因此，作为一种多用途的水下重点装备，无人潜航器的精确和持久导航技术的发展显得尤为重要。

無人潜航器（UUV）具有多用途，从水雷探测到浅水中的测量、深水海洋学研究、海生物研究、管路监控到其他对人有危险的深水作业，都需要无人潜航器。为安全和方便地执行这些任务，其精确和持久的导航显得非常重要。

无人机导航一般依靠全球导航卫星系统（GNSS）进行连续和精确定位。然而，无人潜航器不能利用卫星导航，这是因为海水对电磁信号是不透明的，在很短的一段距离内会迅速衰减。

可是，有若干系统可帮助确定无人潜航器在水下地图中的位置，从一点导航到另一点，同时避开障碍物，并对洋流引起的偏差进行补偿。这些技术随无人潜航器用户提出的要求（如尺寸、重量与功率要小，以及能跨平台辅助）在不断发展。

航位推测技术

传统的惯性导航系统（INS）采用安装在万向架上的加速度计、陀螺，有时还有磁强计组成惯性测量装置（IMU）以及计算机，来确定无人潜航器的位置、速度和方位。

无人潜航器用的现代惯性导航系统产品与此有两点不同。第一.由于维修具有万向架的惯性测量装置既复杂又价格不菲，无人潜航器正日益采用具有微机电系统（MEMS）加速度计与陀螺的捷联惯性测量装置块，以缩小尺寸，降低成本，同时又能实现差不多的姿态精度。第二，姿态与航向基准系统（AHRS）正在日益取代惯性导航系统。通过采用综合的处理单元，而不是单独的计算机，它们常常能改进导航数据的精度和可靠性。

这些变化已体现在VectorNav公司新生产的一系列战术惯性导航系统中。适合水下应用的VN-110型惯性测量装置/姿态与航向基准系统的尺寸为56mm×56mm×23mm，重160g。它具有4GB存储器，及小于1°/h的零偏稳定性，消耗功率不到2.5W。

每一种VN-110在全工作温度范围内（ - 40～+80℃）可对传感器单独校准，使传感器的零偏、不对准和刻度因数误差得到补偿，这是普通惯性导航系统在水下长时期应用最重要的问题。VN-110采用微机电系统三轴加速度计和陀螺，其数据率达1kHz，实时姿态解在360度运动范围内是连续的。VN-110具有综合外部传感器（诸如外部磁强计和光纤陀螺等）测量的能力。

Nortek公司新的多普勒速度测程仪（DVL）是一种无人潜航器用于探测水雷、水下洞穴和失事船只的关键部件。这种]兆赫圆筒型DVL的尺寸大致是135mm×148mm，在水中重900g，平均耗用功率为1 .3W。此模块还具有16GB或64GB的存储器，可在4℃的水中工作。

跟踪确切的位置要求有比多普勒速度测程仪更精确的深度测量。Valeport公司的ultraP压力传感器探测深度的精度达0.01%，而且根据用户的要求可在不同的深度/压力范围（从10～600ba）内工作。这种器件安装在90mm长、300g的钛耐压容器内。各种深度的型别可通过RS485接口和连接器的选择容易更换，容许用户预安装于舱壁。ultraP基于该公司流行的智能压力传感器（ miniIPS），已尽量缩小尺寸，具有固定的电压输入和RS485数据输出。这种压力传感器是一种温度补偿的压阻式传感器，与Valeport公司的控制电路组合可提供只有共振式石英压力传感器才能达到的精度，但它的成本低，更小，也更结实。

VN-110和ultraP这类产品是为专用设计的，而其他一些产品，lirulmpactSubsea公司的ISA500则要实现多种用途。ISA500组合了高度计和姿态与航向基准系统，能提供高度、航向、俯仰、横滚等读数，高度计发射5kHz的脉冲到水中，一接触海床，被部分反射回来。被反射的脉冲由ISA500所探测，它返回所经过的时间被记录下来，以确定海床精确到1mm的高度，而其最大测量范围是120m。其姿态与航向基准系统提供±90°范围内精度为±1°的航向，及±180°范围内精度为0.2°的俯仰与横滚。ISA500有多回波输出能力，即声脉冲可向下和向上发射，意味着它还适合测量浪的高度，以及在极区测量冰的厚度。声定位技术

惯性导航系统技术不能有效地确定无人潜航器在地图中的位置，而声通信能很好地适应海洋环境，一旦获得声应答机和声收发机的位置，它们相互间的相对位置或是它们的GNSS坐标，便可跟踪自主无人潜航器和遥控无人潜航器的位置。

安装于船上的超短基线（USBL）声系统在不断革新。2016年初，英国应用声学公司推出了Nexus2超短基线系统。系统具有15kg工厂校准的多元件EasyTrak收发机，从船头或船尾浸入到深30m的水中，还具有带嵌入图形导航界面的EasyTrak Nexus2控制台，帮助与收发机进行数字通信。来自AAE技术集团公司的Sigma2声编码技术，一套专有的双向扩频声协议，与互补的换能器设计一起工作，使位置精度改进到斜距的0.2%。此外，系统可同时跟踪2500m（也可选995m）范围内的多达16具无人潜航器，工作频率在18kHz与34kHz之间。

除提高精度外，第二代改进型还要增大跟踪距离，并保证计算目标位置的可重复性。对用于跟踪的换能器进行了重新设计。2686个电子电路进行了重新设计制造，以增加动态范围和采样能力。Sigma2还提高了灵敏度，且不受噪声影响。因此，Nexus2的误差至少减小到原系统的五分之一。

此定位系统可与AAE公司老式的1000系列信标和1200A与1300A微型信标一起使用，以及更新和更精确的1100系列产品一起使用。这些产品可与Nexus2系统一起下水，采用可再充电的NiMH（镍氢）电池，每秒发一个脉冲能工作55h。而且可与其他生产水下导航产品的主要公司，例如iX Blue、Kongsberg、Sonardyne公司的超短基线系统兼容。

英国Sonardyne公司的超短基线系统产品包括获得成功的Ranger2系统，它将跟踪距离延长到6000m以外，而且如升级到可选用惯性辅助和LUSBL的Ranger2 Pro型，则可跟踪达99个目标。LUSBL是超短基线和长基线（LBL）的组合，在部署应答机的情况下，它通过“从顶到下”的校准技术，可节省校准长基线阵的时间。这些系统可与USBL船载收发机，如较新的宽带的Sub-Mini6 Plus进行组合。Sub-Mini6 Plus提供完全的双向宽带支持（询问和回答信号），以及支持来自Sonardyne公司一些老式系统，如Wideband V2、WBV1和HPR400的信号。

此外，Sonardyne公司的Fusion6G LBL系统仍继续广泛用于较大区域的任务。用户首先围绕目标区域安装Compatt6应答机阵，并测量它们之间的距离。这种第六代Fusion系统在将遥测信号和信息传回到操作员之前，可使Compatt6应答机相互之间同时测距。以前需要90min校准的8个Compatt6组成的阵，现在不到15min就可完成校准。

然后，从水面舰艇部署Dunker6长基线收发机，进行定位和数据获取。自主无人潜航器和遥控无人潜航器都可装备成在这个长基线场中进行跟踪。遥控潜水器装的是RovNav6遥控长基线收发机，由遥控潜水器的脐带进行触发。Av-Trak6是用于自主无人潜航器的长基线收发机，它还具有超短基线应答机/响应机模式，可用于发射小数据包和任务更新信息。上述三种收发机的测距精度为15mm或更高，测量深度至少为3000m和5000m，按需要还可提供7000m的额定深度。

Bluefin-12自主无人潜航器的导航系统

实际上，无人潜航器将组合惯性、声和地球物理导航，使通用性和工作精度最大化，并消除每种导航的薄弱环节，例如惯性导航系统的零偏误差或声定位的带宽限制。蓝鳍机器人公司的Bluefin-12自主无人潜航器带有一套Sonardyne公司的导航系统，最近还综合了后者的Solstice侧向扫描声呐。

新的Solstice声呐比前几代增大了覆盖范围（±200m），其机上处理为自动目标识别和任务后分析提供地理编码的侧向扫描图像。一种“背投”波束成形技术将来自每侧的65个波束聚焦在整个扫描宽度上1×1像素格网的每一点。为了在较长距离时减小变形，微镶嵌算法将“显示块”缝合在一起，以高分辨率和高对比度显示目标，具有很小的几何不对称性。

除Solstice声呐外，Bluefin-12还采用了Sonardyne公司的其他产品。与Ranger2联系進行超短基线跟踪的宽带微型应答机装在后部，而Av-Trak6则是为长基线系统提供的。Sprint辅助的惯性导航系统具有100Hz以上输出速率，并与姿态与航向基准系统综合，可同超短基线或长基线定位进行组合，以提供更高的保真度，而且还可采用Janus INS后处理软件，以精化收集的数据，并可能消除系统配置误差或传感器数据丧失等实时问题。

除增加安全外，安装于Bluefin-12前部的导航和障碍物回避声呐NOAS探测和分类可能的障碍物，采用2D和3D导航安全航行。2D模式提供关键的远距导航数据，以保证安全的航路;而3D声呐扫描海床和自主无人潜航器前的水柱，以便更靠近地探测和分类障碍物。在关键时刻，通过uComm声调制解调器和BlueComm光通信技术，进行人工控制是可能的。BlueComm光通信技术可使2Mb/s的实时视频数据无线传输到用户。

“海黄蜂”遥控无人潜航器的导航系统

Sonardyne公司的声定位技术在2016年问世的世界上最大的“海黄蜂”遥控无人潜航器上也能见到。

萨伯海眼公司制造的“海黄蜂”利用了其现有民用遥控无人潜航器系列的技术，并增加以前为军用系统发展的能力。该公司与美国水下危险物响应团体一起工作，将“海黄蜂”应用于爆炸物处理。

“海黄蜂”打算用作效费比高和水力学上稳定的水雷对抗工具，无需危及人的生命。这种“水中反简易爆炸装置安全平台”依靠精确导航系统，通过光纤系缆将获得的精确实时数据传输给位于支持船上，或岸上控制车上的控制台。光纤系缆还用于传输电力。

“海黄蜂”遥控潜水器的传感器和导航系统设计成主要用来确定目标位置，这些目标可位于船的壳体上，海港壁上或海床上。“海黄蜂”然后采用一系列工具和技术来识别威胁的性质及最优的处理方法。

“海黄蜂”采用台莱达因RDI公司的Explorer DVL确定其在海床上面的速度，高度可达66m（或者如采用相控阵换能器，可达81m）。其惯性测量装置采用了每小时只有几度漂移的光纤陀螺，精确到采用萨伯公司的算法可以找到真北。

这种新的遥控潜航器还载有多波束前视声呐和两个彩色摄像机，其中一个摄像机装在臂部。尽管起初考虑不与导航综合，但萨伯公司正在研究用它们来补充多普勒速度测程仪的图像处理和声呐处理技术。

自主式无人潜航器蜂群的导航技术

采用小型自主式无人潜航器组成的蜂群进行宽域监控是一个较新的概念。尽管受到要导引多具潜水器的限制，蜂群有朝一日可成为同时测量多个位置的一种选择，提供稠密和暂时一致的数据云。这将使跟踪和测绘水处理的流出污染物，以及在挖泥作业期间监控粒子污染等应用变得相当容易。

瑞士Hydromea公司设计和生产的重量为7kg的Vertex微型自主式无人潜航器能执行这些任务，而且采用多具Vertex作为一个蜂群进行合作和通信的技术。

除尺寸和价格限制外，Hydromea公司面临的关键挑战在于大多数水下导航和通信设备假定在其一时刻只有一艘或几艘潜水器在遥测距离之内。低效地采用可用的声带宽使这种方法扩大到较大的蜂群时会遇到麻烦，尤其是在初期依靠现有的通信和测距技术时。

该公司的辛勤工作已造成一个新奇的工作环境。通过交换导航数据，每个潜水器通过获取其他潜水器的位置估计值，可改进其位置估计值。若处于水面的一具潜水器获得GPS定位，则可显著提高附近许多自主式无人潜航器的导航精度。自主式无人潜航器一般采用的光纤陀螺和多普勒速度测程仪对于Vertex来太大，也太贵，故该公司在其上采用基于微机电系统技术的姿态与航向基准系统和定制的通信与测距系统组合，而且操作所有这些系统的软件从一开始就按使用多具自主式无人潜航器和所有系统紧密综合进行设计。

Vertex两个附加的应用是得到海底的光镶嵌显示，及找到未爆弹药。这两种应用大大促进了蜂群技术的应用，因为一具潜水器在给定时间只能覆盖很小的区域。