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上海瑾瑜科學儀器有限公司
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閱讀：63發布時間：2022-11-15
海洋中蘊含著大量的礦產資源、海水化學資源、海洋生物資源、海洋能和海洋空間資源。隨著陸地能源緊張與人口激增這一矛盾的日益突出, 海洋探索與開發成為國際各領域炙手可熱的研究方向, 也是未來發展的必然趨勢[1]。我國也將海洋開發和海洋安全提升到了的高度, 并提出了海洋強國等戰略。對海洋的探索和開發離不開*海洋科學技術的支撐。水下機器人是探索和開發海洋的重要運載平臺之一, 亦是建設海洋強國、捍衛國家安全和實現可持續發展的國之重器。相比于有纜控制的水下機器人, 自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)不需要母船支持, 具有更廣闊的應用前景。AUV綜合了水聲通信、智能控制、能量存儲、多傳感器測量與信息融合等*技術, 以其自主性好、靈活性強、體積小、質量輕、活動范圍廣及隱蔽性好等優點, 在海洋探索與開發中發揮著重要作用。
水下導航技術為AUV提供準確的位置、速度和姿態信息, 是決定AUV能否準確抵達預定地點, 順利完成任務并安全返回的關鍵。與陸地或空中運載體的導航系統不同, 受水介質對無線電波的強烈吸收效應的影響, 以衛星導航為代表的無線電導航系統無法在水下使用。因此, 合理配備水下導航設備及靈活應用各類水下導航技術是實現AUV自主導航的關鍵。常見的水下導航技術主要包括捷聯慣性導航技術、水下聲學定位與導航技術、地球物理導航技術及水下協同導航技術4大類。捷聯慣性導航系統(strap-down iner- tial navigation system, SINS)以其自主性、連續性、隱蔽性等特點, 常作為AUV的主導航系統, 但其誤差隨時間累積。水下聲學測速與定位技術又可分為多普勒速度計程儀(Doppler velocity log, DVL)與水聲定位系統2類。DVL是基于聲吶多普勒效應的測速設備, 測得載體相對于海底或海水層的速度, 能提供較高精度的載體速度信息, 且其誤差不隨時間積累, 但容易出現對地失鎖現象。水聲定位系統按照水聲基陣的基線長度分類可分為長基線(long base line, LBL)、短基線(short base line, SBL)和超短基線(ultra-Short base line, USBL)3種, 可為AUV提供位置信息。這3種基線系統的布放及回收復雜度、體積尺寸、定位精度等各不相同, 比如LBL水聲基陣布放、回收工作繁瑣, SBL和USBL的作用范圍和精度均有限。地球物理導航系統是利用地球本身物理特征進行導航的技術, 以地形匹配、地磁匹配和重力匹配3類為主, 具有自主性強、隱蔽性好、不受地域和時間限制等特點, 但需要提前采集、建立相應的導航數據庫。協同導航通過獲得輔助信標的相對距離或方位信息, 然后根據AUV自身位置信息與相對距離或方位信息進行協同導航, 可獲得更高的導航定位精度。合理配備上述導航技術, 并對不同導航系統提供的信息進行有效融合, 進而獲得比單一導航系統精度更高、可靠性更強的導航方案是AUV水下導航的核心問題。
文中回顧了現有主流的AUV水下導航關鍵技術, 包括DVL測速技術、LBL/SBL/USBL水聲定位導航技術、地形輔助導航技術、地磁輔助導航技術、重力輔助導航技術及協同導航技術, 介紹了相關導航技術的基本原理及發展狀況, 分析并歸納了各技術在水下自主導航中存在的關鍵問題和技術難點, 最后對AUV水下導航技術的未來發展方向進行了展望。
1基于SINS/聲學的AUV自主導航
1.1 基于SINS/DVL的AUV自主導航技術
DVL是基于聲吶多普勒效應的測速設備, 能提供較高精度的載體速度信息, 且其誤差不隨時間積累, 抗力強。因此在AUV自主導航中, DVL可作為抑制SINS積累誤差的重要輔助手段。DVL測速的配置分為3種: 單波束配置、雙波束Janus配置和四波束Janus配置, 其配置的測速原理。
1.2 基于SINS/水聲定位的AUV自主導航技術
相對于電磁波而言, 聲波在海水中傳播的衰減效應要小的多。因此, 水聲定位技術在AUV自主導航中扮演著重要的角色。水聲定位系統按基線長度分類可分為LBL、SBL和USBL 3種。LBL的基線長度可與海深相比擬, 基陣由多個分布于海床上的應答器組成, 定位精度高, 適合在大面積作業區域內使用; 但其數據更新率較低, 應答器的布放、校準以及回收、維護都異常繁瑣, 作業成本高[36]。SBL的基線長度一般為幾米到幾十米之間, 各基元分布在船底或船舷上。受基線長度限制, SBL的精度介于LBL和USBL之間, 且其跟蹤范圍較小, 更適合于在母船附近的AUV導航定位。USBL的基陣可以集成于一個緊湊的整體單元內, 基線長度為分米級或小于等于半波長, 其體積尺寸最小, 可方便地安置于流噪聲和結構噪聲均較弱的某個有利位置, 且布放、回收極為便捷, 因此, USBL受到了越來越廣泛的關注和應用。但USBL的精度低于LBL和SBL, 且定位精度非常依賴于深度傳感器、姿態傳感器等外圍設備, 如何提高USBL的定位精度成為該領域研究的熱點問題。
2地球物理場導航技術
2.1 地形輔助導航
地形輔助導航是一種自主性強、隱蔽性好的水下導航方法, 其基本原理。該方法的實現首先需要對任務海域的水下地形進行勘測, 并依據測繪標準構建出該海域的水下三維基準數字地形圖數據庫[57]。在執行任務時, 將AUV獲得的當前海域實時地形信息與數據庫中的基準數字地形圖進行匹配運算, 從而確定出AUV的當前位置, 并利用獲得的位置信息對SINS的誤差進行修正和補償。從理論上講, 該方法與AUV的航行時間和航行距離沒有關系, 可以保證AUV在水下長時間航行之后, 能夠準確地到達任務部署水域, 并順利完成任務。
2.2 地磁輔助導航
與上述地形輔助導航類似, 水下地磁導航首先需要獲取任務海域的地磁場數據并提取出磁場特征值, 繪制成參考圖存儲在導航計算機中。當AUV經過任務海域時, 根據SINS實時輸出的位置信息, 對預先存儲在導航計算機中的參考地磁圖進行索引, 得到當前位置處的地磁參考值, 并通過地磁輔助導航算法將該地磁參考值與實際地磁場數值進行匹配得到準確位置信息, 進而對SINS誤差進行實時修正。地磁輔助導航原理示意。
2.3 重力輔助導航
重力輔助導航是利用地球重力特征信息匹配出載體位置, 并對SINS的導航誤差進行修正, 從而實現自主導航的技術。它具有自主性強、隱蔽性好、不受地域和時間限制、定位精度高等特點。重力輔助導航目前已被廣泛應用于水下航行器導航, 但是重力儀及重力梯度儀的質量和體積都比較大, 無法滿足AUV的安裝要求。隨著重力測量設備儀器小型化的發展, 未來可以考慮在AUV上應用重力匹配導航。
3協同導航技術
3.1 基本原理及研究背景
AUV通過相互通信共享信息進行協同導航, 可以提高AUV的水下導航精度[2, 108]。然而, AUV的水下協同導航仍然受通信帶寬、傳輸延遲、洋流、水下干擾及擴展受限等問題的挑戰, 是當前海洋工程領域的研究熱點[2, 6]。AUV協同導航的工作示意
3.2 協同導航關鍵技術
3.2.1 協同導航編隊構型設計方法
3.2.2 協同導航濾波算法
3.2.3 協同導航誤差建模與補償方法
4總結和展望
水下環境復雜多變, AUV在不同的工作環境下需要不同的組合導航方法。在淺海域中, SINS/DVL組合導航系統和SINS/USBL組合導航系統可以實現高精度導航任務。在數據庫(地磁、地形、重力)范圍之內, 利用地球物理特性作為輔助導航的組合導航系統可以通過測量數據與數據庫快速匹配來在全部海域實現導航定位。多AUV通過共享方位和位置等信息進行協同導航, 有效抑制了水下導航誤差發散的問題。
同樣, 面對復雜多變的水下環境, AUV在選擇不同的組合導航方法時也面臨了各種問題, 給科研工作帶來了巨大挑戰。基于聲吶的導航定位方法難免會受到水聲多徑效應、聲速時變等因素的影響。此外, 水下洋流、潮汐等效應會對AUV的穩定性造成擾動, 這都會導致水下噪聲的時變和不確定性, 以及建模誤差較大和量測野值等現象。因此, 如何綜合利用多種海洋信息, 抵消或者降低海洋特殊水下環境所導致的影響, 將是進一步提高AUV自主導航定位精度的重要研究方向。
綜上可知, 未來研究方向主要有: 1) 輔助導航信息融合時, 改善匹配算法的快速性和準確性; 2) 利用地球物理特性作為輔助導航時, 數據庫的構建方法; 3) 在保持導航精度的前提下, 降低導航成本; 4) 在軍事領域中, 提高AUV的隱蔽性。
隨著處理器制造技術和制作工藝的發展, 計算能力與日俱增, 這使得AUV以慣性導航為主, 以DVL、水聲定位系統、地形輔助導航、地磁輔助導航以及重力輔助導航等多種導航手段為輔助的組合導航系統的實現成為可能。多種組合導航技術和多AUV協同導航對比
5結束語
縱觀當今的國際形勢, 加快海洋強國建設, 推進海洋事業的迅猛發展勢在必行, 而AUV導航定位技術的發展作為其中一環至關重要。文中從實際需求出發, 討論了目前主流的AUV水下導航定位技術, 包以DVL、LSL/SBL/USBL為代表的水聲測速與定位系統; 以地形匹配、地磁匹配以及重力匹配為代表的地球物理模型導航系統, 協同導航等多種水下導航定位方式。結合近年來國內外的研究進展, 總結了各種導航技術的關鍵問題和目前存在的技術難點, 并針對性的給出相應的解決思路。總體來說, 未來AUV水下導航與定位技術仍將以慣導為主、多種導航技術為輔, 向著智能化、全源化、高精度、強魯棒性及實時性等方向發展, 在軍事和民用領域都將發揮更強大的作用。
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