韓若曦，李海兵，郭子偉，羅 騁

（1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(tái)的快速發(fā)展，海洋開發(fā)領(lǐng)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(guó)力的較量，而導(dǎo)航定位技術(shù)作為水下小型無人平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，一方面影響著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面也與水下攻防、領(lǐng)海安全息息相關(guān)，成為現(xiàn)階段發(fā)展水下小型無人平臺(tái)的研究熱點(diǎn)。

世界各國(guó)對(duì)水下無人小型平臺(tái)的導(dǎo)航定位規(guī)劃重視程度逐漸增加，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DAR?PA）于2017年投資研發(fā) “深海定位導(dǎo)航系統(tǒng)”［1］，以確保水下平臺(tái)的安全性和定位的快速準(zhǔn)確性。此外，根據(jù)美國(guó)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(dǎo)航和聲學(xué)導(dǎo)航為主、航位推算和地球物理導(dǎo)航等方式為輔的組合導(dǎo)航技術(shù)仍是未來水下無人小型平臺(tái)所采用的主要導(dǎo)航方式［2］。隨著我國(guó)“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋工程和水下建設(shè)需求的增加與水下導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展相輔相成、雙輪驅(qū)動(dòng)。但應(yīng)意識(shí)到，目前我國(guó)水下無人小型平臺(tái)的導(dǎo)航定位技術(shù)與手段仍與世界先進(jìn)水平存在顯著差距，難以勝任某些海洋開發(fā)及探測(cè)任務(wù)，而引進(jìn)國(guó)外技術(shù)與產(chǎn)品則要面臨價(jià)格高昂、時(shí)效性差、技術(shù)封鎖以及維護(hù)困難等多重問題，因此大力發(fā)展完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能水下無人小型平臺(tái)導(dǎo)航定位技術(shù)具有深遠(yuǎn)意義。

1 海洋無人小型平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 概述

水下環(huán)境十分復(fù)雜，海洋無人小型平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的隱蔽性、實(shí)時(shí)性等需求逐步提升，這些因素導(dǎo)致單一的導(dǎo)航系統(tǒng)早已無法勝任作業(yè)要求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生累積誤差，因此需依據(jù)輔助導(dǎo)航信息來抑制INS的漂移，提高導(dǎo)航定位精度。隨著微處理器計(jì)算能力與陀螺儀技術(shù)的進(jìn)步，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）因體積小、質(zhì)量小、成本低、維護(hù)方便，正成為當(dāng)今水下導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用主流。目前，海洋無人小型平臺(tái)主要采取INS與水聲定位系統(tǒng)、多普勒計(jì)程儀（Doppler Velocity Log，DVL）結(jié)合的組合導(dǎo)航方式，圖1給出了水下慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖。

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

DVL測(cè)速信息及水聲定位單元提供的實(shí)時(shí)聲速信息、聲學(xué)數(shù)據(jù)與SINS提供的導(dǎo)航解算信息進(jìn)行融合處理，輸出導(dǎo)航定位信息并實(shí)時(shí)更新來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中引入水下可用信號(hào)，充分發(fā)揮各測(cè)量?jī)x器的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)高效、自主、隱蔽的高性能水下導(dǎo)航定位。

1.2 水下無人小型平臺(tái)組合導(dǎo)航技術(shù)國(guó)外現(xiàn)狀

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

表1 國(guó)外SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品Table 1 Products of SINS/DVL navigation system abroad

表2 國(guó)外用于SINS/聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備及平臺(tái)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(tái)大多用到INS、DVL與LBL、USBL等幾種導(dǎo)航方式的組合，其在長(zhǎng)航時(shí)工況下會(huì)出現(xiàn)累積誤差，有時(shí)需要上浮校準(zhǔn)，因此隱蔽性難以滿足。諸多國(guó)家為此不斷深入對(duì)水下組合導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)一步研究，除表中產(chǎn)品外，美國(guó)亞特蘭大大學(xué)研發(fā)了水下機(jī)器人，其導(dǎo)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(dǎo)航。加拿大國(guó)防部研發(fā)的自主無人潛航器（Autono?mous Underwater Vehicle，AUV）將 INS、 聲學(xué)自動(dòng)搜尋裝置、DVL及壓力傳感器進(jìn)行組合，可提高導(dǎo)航定位精度。對(duì)于淺海作業(yè)的AUV，其作業(yè)深度為幾百米，且航行時(shí)間要求較短，一般為10h左右，因此可以在INS基礎(chǔ)上結(jié)合聲學(xué)導(dǎo)航并輔以GNSS來修正誤差；對(duì)于深海作業(yè)的AUV，需要數(shù)十小時(shí)在水下幾千米的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)體積限制較小，而對(duì)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(duì)于極端環(huán)境下的潛航器如俄羅斯的“GLONASS”，則在特定海域進(jìn)行有纜校準(zhǔn)。

1.3 水下無人小型平臺(tái)組合導(dǎo)航技術(shù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)海洋水下無人小型平臺(tái)的導(dǎo)航定位技術(shù)在過去20多年里取得了一定的進(jìn)展，表3給出了我國(guó)主要水下無人小型平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)介紹。

由表3可知，國(guó)內(nèi)組合導(dǎo)航平臺(tái)以聲學(xué)導(dǎo)航、慣性組合導(dǎo)航最為常見，在常規(guī)應(yīng)用方面的技術(shù)也趨近成熟，但大部分水下無人平臺(tái)仍采用國(guó)外導(dǎo)航系統(tǒng)，僅少數(shù)為國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。其中，西北工業(yè)大學(xué)與天和海防等單位共同研制的 “中國(guó)無影”小型潛航器可實(shí)現(xiàn)高精度的自主導(dǎo)航，并在無人潛航器的定深控制技術(shù)、應(yīng)急避險(xiǎn)控制、組合導(dǎo)航等方面實(shí)現(xiàn)了一定的技術(shù)突破。另外，在 “十五”期間，我國(guó)自行研制出了一系列長(zhǎng)程USBL定位系統(tǒng)，定位深度接近4000m［3］。在INS/水聲組合導(dǎo)航方面，西安自動(dòng)控制研究所自主研發(fā)了SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其精度在一般工況下的偏差可達(dá)到航程的0.3%［4］；中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海站先后設(shè)計(jì)了水下拖體航跡測(cè)量方法及一系列水聲定位改進(jìn)算法［5］；哈爾濱工程大學(xué)的劉伯勝等在 《水聲學(xué)原理》中的研究為聲納的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)，哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在深海AUV的長(zhǎng)航時(shí)高精度導(dǎo)航方面也積累了豐富經(jīng)驗(yàn)；自2010年以來，廈門大學(xué)致力于水聲傳感網(wǎng)絡(luò)定位及水聲定位中時(shí)延估計(jì)等［6］問題的研究，提高了水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和水聲定位信號(hào)的處理效果［7］；中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一2研究所和第七一五研究所分別對(duì)水下定位浮標(biāo)系統(tǒng)和信標(biāo)裝置［8］、水聲定位校準(zhǔn)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(tái)導(dǎo)航定位技術(shù)的集成也在逐步進(jìn)展中，中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心的謝偉等對(duì)水下攻防的感知與協(xié)同導(dǎo)航進(jìn)行了一系列研究，為我國(guó)未來水下導(dǎo)航裝備建設(shè)提供理論參考［11］。結(jié)合楊元喜院士團(tuán)隊(duì)對(duì)水下導(dǎo)航定位技術(shù)的一系列研究［3］可知，我國(guó)現(xiàn)行的水下導(dǎo)航定位技術(shù)可以滿足海洋水下小型無人平臺(tái)的基礎(chǔ)作業(yè)定位精度要求，但對(duì)更多的海洋數(shù)據(jù)采集和更多的導(dǎo)航任務(wù)則需進(jìn)一步提高水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能。

2 水下無人小型平臺(tái)慣性/水聲導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

從INS與水聲定位技術(shù)現(xiàn)狀和水下無人小型平臺(tái)的應(yīng)用需求來看，水下導(dǎo)航與定位技術(shù)仍將以慣性導(dǎo)航和水聲導(dǎo)航為主、其他導(dǎo)航方式為輔。因此，大力發(fā)展以慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)為主的方式，對(duì)提升自主研發(fā)能力仍具有重要的意義。慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括初始對(duì)準(zhǔn)、聲線修正、守時(shí)與授時(shí)及信息融合技術(shù)等幾個(gè)方面。

2.1 水下慣性導(dǎo)航初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過初始對(duì)準(zhǔn)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(fù)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(duì)準(zhǔn)為：先進(jìn)行粗對(duì)準(zhǔn)，后進(jìn)行精對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于粗對(duì)準(zhǔn)，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(duì)準(zhǔn)過程。

進(jìn)行地面（靜基座）對(duì)準(zhǔn)時(shí)，INS為線性定常系統(tǒng)，可觀測(cè)性更容易分析，可實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)。但對(duì)于多數(shù)采用SINS的水下無人小型平臺(tái)，因其行進(jìn)速度和角速度處于不斷變化中，故需進(jìn)行非線性初始對(duì)準(zhǔn)?，F(xiàn)行的處理方法有基于確定性策略的Sigma點(diǎn)非線性濾波方法，典型方法有無跡Kal?man濾波算法，其難點(diǎn)在處理非線性函數(shù)的高斯積分。此外，還有基于逼近隨機(jī)變量的概率分布方法來處理非線性濾波，用于SINS初始對(duì)準(zhǔn)過程，目前已有大量文獻(xiàn)驗(yàn)證。非線性濾波對(duì)準(zhǔn)需要面對(duì)的另一大問題是模型可觀測(cè)性分析，針對(duì)SINS的非線性對(duì)準(zhǔn)模型，可運(yùn)用解析方法，根據(jù)有限長(zhǎng)度區(qū)間的量測(cè)信息求解狀態(tài)初值［12］。對(duì)于小型艦船類無人平臺(tái)，基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）的 SINS 組合導(dǎo)航技術(shù)的需求逐漸增加，而傳統(tǒng)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)使用在MEMS系統(tǒng)上會(huì)造成較大誤差，現(xiàn)有方法可結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行誤差建模，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩步對(duì)準(zhǔn)；當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)精度較高時(shí)，可利用轉(zhuǎn)位信息設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)方案［13］。當(dāng)前，基于MEMS的SINS技術(shù)正逐漸進(jìn)入小型化、規(guī)模化的軍民應(yīng)用市場(chǎng)，其初始對(duì)準(zhǔn)也將是水下導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展重心之一。

2.2 聲線修正技術(shù)

對(duì)于水下聲學(xué)定位系統(tǒng)來說，海水中聲速的時(shí)空特性導(dǎo)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(fù)雜的多段折線，此時(shí)若直接利用整個(gè)海域的平均聲速進(jìn)行定位計(jì)算會(huì)產(chǎn)生很大偏差，因此需要聲線修正來補(bǔ)償定位誤差。當(dāng)前聲線修正方法主要有查表法、代入公式計(jì)算法以及建立聲線修正模型法。

20世紀(jì)60年代起，Vaas和Anderson等先后提出了基于Taylor級(jí)數(shù)的展開法和基于海水溫度鹽度壓力的經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)聲速進(jìn)行修正。之后，海洋科學(xué)家們相繼提出了各種經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式局限于特定的環(huán)境要求，在應(yīng)用中限制較多，學(xué)者們提出了預(yù)先根據(jù)特定海域參數(shù)建立聲速表［15］的方法，但對(duì)于環(huán)境變化較大的海域有待進(jìn)一步完善。20世紀(jì)以來，有效聲速（Ef?fective Sound Velocity，ESV）概念被提出，之后衍生出ESV估計(jì)的一系列方法。針對(duì)前述海洋環(huán)境未知干擾問題，考慮更多的環(huán)境變量進(jìn)行ESV估計(jì)可提升聲線修正效果，但計(jì)算量較大。在淺海海域，利用靜態(tài)觀測(cè)值可基于最小二乘方法進(jìn)行定位估計(jì)。近年來，智能算法發(fā)展迅速，將其用于ESV估計(jì)可提高計(jì)算效率。基于遺傳算法進(jìn)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(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的優(yōu)化函數(shù)，其結(jié)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(guó)內(nèi)專注于聲線修正研究的有海軍潛艇學(xué)院的朱海團(tuán)隊(duì)，其提出了基于水聲傳播時(shí)延補(bǔ)償來修正INS/多信標(biāo)水聲測(cè)距定位誤差［16］，針對(duì)信標(biāo)信號(hào)延遲或缺失等問題，基于異步量測(cè)序貫處理方法構(gòu)建SINS/LBL組合導(dǎo)航計(jì)算模型，實(shí)時(shí)更新應(yīng)答信號(hào)，補(bǔ)償聲速誤差［17］。笪良龍團(tuán)隊(duì)通過研究潛航器所處的海洋環(huán)境，對(duì)特定海域聲場(chǎng)環(huán)境［18］以及聲學(xué)導(dǎo)航中存在的噪聲如艦船噪聲［19?20］等的特性進(jìn)行討論，分析其對(duì)導(dǎo)航定位的影響，設(shè)計(jì)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(chǎng)及海洋環(huán)境特征［21］，設(shè)計(jì)方法改善了海洋環(huán)境觀測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)的探測(cè)性能。

2.3 守時(shí)與授時(shí)技術(shù)

守時(shí)與授時(shí)技術(shù)是發(fā)展國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要因素，是時(shí)間同步的關(guān)鍵應(yīng)用，對(duì)于水下小型無人平臺(tái)導(dǎo)航定位而言十分重要。

（1）原子鐘守時(shí)系統(tǒng)

由原子鐘組構(gòu)成的守時(shí)系統(tǒng)是制定工作標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)守時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)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(shí)（Universal Time Coordinated，UTC）是世界民用時(shí)的基礎(chǔ)，國(guó)際計(jì)量局（The International Bureau of Wei?ghts and Measures，BIPM）為提供全球統(tǒng)一的實(shí)際參考基準(zhǔn)收集了全世界70多個(gè)實(shí)驗(yàn)室約350臺(tái)高精度原子鐘的對(duì)比數(shù)據(jù)，建立并維持國(guó)際原子時(shí)（International Atomic Time，TAI），基于此，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)觀測(cè)以及閏秒設(shè)置得到協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC）由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（National Time Service Center，NTSC）產(chǎn)生和維護(hù)。UTC（NTSC）系統(tǒng)作為長(zhǎng)、短波授時(shí)系統(tǒng)的核心部分，自1970年成立至今持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，其守時(shí)綜合性能目前也已躋身世界前列，成為國(guó)際原子時(shí)歸算的最大權(quán)重單元之一。

北斗衛(wèi)星的發(fā)展使得我國(guó)北斗系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）時(shí)間國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)溯源關(guān)系得以建立，如圖2所示，通過建立國(guó)內(nèi)/國(guó)際對(duì)比鏈路可進(jìn)行UTC、UTC（NTSC）和BDT之間的數(shù)據(jù)傳遞。

未來，TAI技術(shù)的進(jìn)步也會(huì)極大改進(jìn)UTC的性能［23］。

對(duì)于守時(shí)技術(shù)在導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用，多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容操作是需要深入的方向，將多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，消除其相互干擾，可提升接收端的使用體驗(yàn)，且相比于總體成本并無明顯提升。我國(guó)北斗與俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作將是未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)兼容應(yīng)用的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。

在水下導(dǎo)航方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，芯片級(jí)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(diǎn)，現(xiàn)已多用于水下環(huán)境中。作為超低功率的時(shí)頻基準(zhǔn)，CSAC能顯著改善導(dǎo)航定位系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性和魯棒性，在無衛(wèi)星信號(hào)但又需要精確時(shí)間同步和計(jì)時(shí)的環(huán)境中完成時(shí)間保持、通信和導(dǎo)航定位等任務(wù)。

（2）衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)

衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)是保障導(dǎo)航定位系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵支撐。使用衛(wèi)星進(jìn)行授時(shí)屬于廣域高精度的授時(shí)方式，包括基于通信衛(wèi)星的授時(shí)技術(shù)和基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)技術(shù)兩類。

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

表5 轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)技術(shù)進(jìn)展情況Table 5 Progress of repeater timing technology

轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)具有通信授時(shí)一體化、時(shí)頻基準(zhǔn)設(shè)備便于維護(hù)和導(dǎo)航信號(hào)靈活性更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)發(fā)式授時(shí)精度為2ns～3ns［28］。由衛(wèi)星電視信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間發(fā)播來進(jìn)行授時(shí)的技術(shù)為衛(wèi)星電視授時(shí)技術(shù)，其上進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)的單向授時(shí)精度優(yōu)于100ns，附加廣域差分技術(shù)后授時(shí)精度可達(dá)20ns。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)技術(shù)包括GNSS標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)、GNSS 精密單點(diǎn)定位（Point to Point Protocol，PPP）授時(shí)和基于共視原理的衛(wèi)星授時(shí)。我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已具備標(biāo)準(zhǔn)的定位和授時(shí)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(shù)進(jìn)展。 GNSS PPP 技術(shù)使用載波相位和偽距觀測(cè)數(shù)據(jù)及高精度軌道和星鐘差來進(jìn)行PPP定位和授時(shí)［32］。隨著北斗三號(hào)全面建成并展開服務(wù)，利用BDS開展的PPP授時(shí)與應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)方案，前者可將衛(wèi)星單向授時(shí)精度由20ns提高到3ns～5ns；后者基于BDS實(shí)現(xiàn)精密授時(shí)（Precise Time Service，PTS），再利用PPP時(shí)間傳遞方式給到用戶，靜態(tài)授時(shí)精度可達(dá)亞納秒量級(jí)［33］。

守時(shí)與授時(shí)技術(shù)的發(fā)展提高了水下平臺(tái)的導(dǎo)航定位性能，但也要意識(shí)到當(dāng)前國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的不足，表現(xiàn)在：軍用授時(shí)能力有限、單一系統(tǒng)授時(shí)能力不足、微型時(shí)鐘技術(shù)發(fā)展緩慢及水下授時(shí)能力存在缺陷。對(duì)于水下導(dǎo)航來說，1ms的時(shí)間誤差將導(dǎo)致約1500m/s×0.001s＝1.5m的定位誤差，且水聲通信的主要特點(diǎn)是傳播速度低，延遲且具有時(shí)變性，信號(hào)衰減嚴(yán)重，存在多徑效應(yīng)。對(duì)于水下無人小型平臺(tái)來說，這都是需要解決的難點(diǎn)問題。

2.4 水下慣性組合導(dǎo)航信息融合技術(shù)

水下無人小型平臺(tái)在執(zhí)行任務(wù)的不同階段時(shí)往往要在不同類型的組合導(dǎo)航方式之間進(jìn)行切換，以多種導(dǎo)航方式實(shí)時(shí)傳遞的導(dǎo)航信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化融合，實(shí)現(xiàn)高精度定位。其中，統(tǒng)計(jì)推斷、估計(jì)理論和信息預(yù)處理是進(jìn)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(dǎo)航系統(tǒng)的信息處理策略也在不斷迭代。

（1）信息預(yù)處理技術(shù)

由于不同海域具有不同的特性，水下環(huán)境屬于極其復(fù)雜的場(chǎng)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(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合前的預(yù)處理，常采用加權(quán)平均、最小二乘、小波變換等方法。

賈朗特等［34］對(duì)水下聲波傳播過程中的多徑干擾效應(yīng)展開了一系列研究，并提出了一種改進(jìn)的有限脈沖響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法優(yōu)于遞歸濾波和小波濾波。為排除隨機(jī)干擾，周佳加等［35］采用正交小波變換的快速算法對(duì)DVL量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法可提高組合導(dǎo)航的精度。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一2所曾對(duì)水下無人小型平臺(tái)的降噪方法進(jìn)行研究［36］，提出了一種改進(jìn)的Surfacelet變換方法。中國(guó)海洋大學(xué)張洪進(jìn)團(tuán)隊(duì)［37］對(duì)聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使用稀疏化擴(kuò)展信息濾波（Sparse Extended In?formation Filter，SEIF）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用經(jīng)過預(yù)處理的聲吶數(shù)據(jù)，將SEIF與EKF的運(yùn)算結(jié)果分別與GNSS對(duì)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(jì)理論及方法

20世紀(jì)，Wiener和Kalman先后提出Wiener濾波理論和Kalman濾波理論，開啟了對(duì)狀態(tài)估計(jì)理論的研究。狀態(tài)估計(jì)方法現(xiàn)已成功運(yùn)用到慣性組合導(dǎo)航的信息融合處理中，隨著INS組合導(dǎo)航對(duì)狀態(tài)估計(jì)方法需求的增加，后續(xù)開展了一系列研究。20世紀(jì)70年代末，Moore等基于Kalman濾波（Kalman Filter，KF）設(shè)計(jì)了擴(kuò)展 Kalman 濾波（Ex?tended Kalman Filter，EKF）算法用于非線性系統(tǒng)，EKF運(yùn)算速度快，易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)強(qiáng)非線性特征可能濾波發(fā)散。在狀態(tài)和測(cè)量噪聲為高斯分布假設(shè)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(yàn)分布；在狀態(tài)和測(cè)量噪聲為非高斯分布假設(shè)下，傳統(tǒng)方法有高斯和濾波（Gaussian Sum Filter，GSF）算法以及基于隨機(jī)抽樣的粒子濾波算法（Particle Filter，PF），但由于計(jì)算步驟復(fù)雜、實(shí)時(shí)性較差，因此沒有被廣泛應(yīng)用［38］。對(duì)于由DVL、USBL和航向姿態(tài)參考系統(tǒng)組成的水下無人平臺(tái)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)有研究中，采用UKF方法進(jìn)行處理可提高導(dǎo)航定位過程的抗干擾性，利用UKF方法可提高SINS/GPS/DVL組合導(dǎo)航校正估計(jì)精度，基于自適應(yīng)濾波和強(qiáng)跟蹤濾波的混合校正濾波方法可減少未知量測(cè)噪聲對(duì)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(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的兩種途徑，前者利用一個(gè)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(jì)最優(yōu)解，但由于維數(shù)較高的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，且當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)污染系統(tǒng)整體，因此容錯(cuò)性較差；后者在解決這些問題的基礎(chǔ)上發(fā)展，典型分散化濾波方法為聯(lián)邦濾波器，能夠簡(jiǎn)化處理過程，更易得出全局最優(yōu)或次優(yōu)解。

慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)易在水下環(huán)境中遇到問題，朱兵等［39］針對(duì) SINS/DVL/AST（水聲單應(yīng)答器）系統(tǒng)中DVL測(cè)速信息和水聲單應(yīng)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(duì)信息分配系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高了導(dǎo)航精度以及對(duì)AST輸出信息的容錯(cuò)性。在處理水下機(jī)器人INS/GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在行進(jìn)過程中受到未知隨機(jī)擾動(dòng)的問題時(shí)，陳帥等［40］提出了基于置信檢驗(yàn)自適應(yīng)聯(lián)邦Kalman濾波框架，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其良好效果。王磊等［41］將多模型估計(jì)引入到聯(lián)邦濾波器中，結(jié)合多源導(dǎo)航傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，建立了以INS為參考的導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型，提高了水下無人平臺(tái)INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性及容錯(cuò)能力。針對(duì)組合導(dǎo)航中的非線性問題，賴際舟等［42］改進(jìn)了SINS/GPS/高度計(jì)組合導(dǎo)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(yīng)能力。

3 水下無人小型平臺(tái)慣性/水聲組合導(dǎo)航應(yīng)用需求分析

水下無人小型平臺(tái)具有操作靈活、能耗較低、避免人員傷亡的優(yōu)點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)協(xié)同工作，因此廣泛應(yīng)用于海洋資源探測(cè)、海洋搜救、水雷排布、海底管線排布、設(shè)備檢修等工作中。目前，我國(guó)水下導(dǎo)航定位技術(shù)已可以滿足以上常規(guī)應(yīng)用，而對(duì)于水下偵察、目標(biāo)跟蹤、作戰(zhàn)打擊等方面的更高需求，現(xiàn)行技術(shù)無法充分滿足。對(duì)于水下無人平臺(tái)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，我國(guó)在研發(fā)、制造、服務(wù)等多個(gè)維度仍需依賴歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，水聲定位技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在差距。慣性/聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的提升，有賴于近代數(shù)學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的共同發(fā)展。

水下慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用方向圍繞水下無人平臺(tái)的不同應(yīng)用場(chǎng)景，體現(xiàn)出不同的需求特點(diǎn)：

1）用于海洋資源開發(fā)與地球環(huán)境保護(hù)的水下導(dǎo)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(jì)社會(huì)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(huì)生產(chǎn)的矛盾，規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于水下導(dǎo)航定位技術(shù)要求就體現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間處于水下環(huán)境下的持續(xù)導(dǎo)航，以聲學(xué)導(dǎo)航為主，一方面要求定位系統(tǒng)的布放回收便捷，減小運(yùn)行成本和對(duì)海洋環(huán)境的污染；另一方面需要適應(yīng)不同海域的復(fù)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(qiáng)的魯棒性。此外，對(duì)于深海作業(yè)的平臺(tái)，無法頻繁上浮水面，因此輔助導(dǎo)航較多為以INS為主、聲學(xué)及地磁或重力匹配為輔的組合導(dǎo)航方式，因而對(duì)于聲線修正及聲場(chǎng)相關(guān)算法的精度、匹配數(shù)據(jù)庫(kù)分辨率具有較高要求。

2）用于深海搜救及海底設(shè)施檢修的水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)要求。隨著現(xiàn)代海洋工業(yè)和航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，利用水下無人小型平臺(tái)進(jìn)行搜救以及對(duì)水下管道等基礎(chǔ)設(shè)施的檢修成為應(yīng)用熱點(diǎn)，如馬航MH370碎片的查找、墜海人員的搜尋、油井管道的維護(hù)都是需要水下小型平臺(tái)的場(chǎng)景，對(duì)其精準(zhǔn)定位能力及體積具有相對(duì)嚴(yán)格的要求：一方面要求導(dǎo)航定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)高效快速地進(jìn)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(tái)帶負(fù)載能力有限，因此要求組合導(dǎo)航系統(tǒng)高度集成，體積小、質(zhì)量小，以保證平臺(tái)本身功耗低，從而維持長(zhǎng)時(shí)間的水下作業(yè)。

3）用于水下攻防與未來作戰(zhàn)的水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)要求。對(duì)于海洋攻防，隨著水下互通互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展與成熟，海洋無人小型平臺(tái)的協(xié)同作戰(zhàn)將成為技術(shù)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。為保證復(fù)雜水下協(xié)同/集群系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)平臺(tái)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的信息融合能力與通信技術(shù)、校準(zhǔn)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(tái)需要具備高度的隱蔽性，此時(shí)平臺(tái)將主要依靠INS與地球物理組合導(dǎo)航手段，武器系統(tǒng)一般以水面艦船或潛艇為基地，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的隱蔽性和平臺(tái)的自治性都需要較高要求。

4 水下無人小型平臺(tái)慣性/水聲組合導(dǎo)航發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，水下無人小型平臺(tái)導(dǎo)航與定位技術(shù)仍將以INS為主、多種導(dǎo)航技術(shù)為輔，立足需求與技術(shù)現(xiàn)狀的不足，對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)與熱點(diǎn)進(jìn)行分析：

1）傳統(tǒng)導(dǎo)航方式進(jìn)一步完善?，F(xiàn)存熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題仍有很多，以INS和聲學(xué)導(dǎo)航為代表的傳統(tǒng)導(dǎo)航方式面對(duì)水下復(fù)雜或極端環(huán)境以及應(yīng)對(duì)更高的應(yīng)用場(chǎng)景，還需要進(jìn)一步完善。對(duì)于SINS/DVL，需要進(jìn)一步提升其在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性；對(duì)于聲學(xué)導(dǎo)航，依據(jù)不同的作業(yè)范圍和場(chǎng)景，需考慮安裝布放是否便捷、回收成本和校準(zhǔn)工作量，還需在相關(guān)組合方案和融合、標(biāo)定算法上進(jìn)行改善。

2）導(dǎo)航傳感器技術(shù)與工藝的發(fā)展。以INS為例，在組合導(dǎo)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(jì)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(cè)得的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響著數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，與導(dǎo)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(jì)效果，慣性傳感器元件誤差模型的精度以及傳感器噪聲對(duì)系統(tǒng)的干擾都是INS中存在的難點(diǎn)問題。傳感器工藝的提升有賴于機(jī)械工業(yè)、電子、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)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(duì)水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能提升具有巨大意義。

3）水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)一體化。我國(guó)“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的提出，使得 “走入水下，走向深?！背蔀樗聼o人小型平臺(tái)的未來發(fā)展方向。水下兵力和武器裝備作為維護(hù)我國(guó)海域安全的重要條件，除對(duì)導(dǎo)航定位具有更高的需求外，還依賴于高性能水下通信技術(shù)的保障。水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)一體化主要用于無人潛航器、水下滑翔機(jī)、潛標(biāo)等小型平臺(tái)上，保證平臺(tái)在水下獲取準(zhǔn)確的位置與航向信息的同時(shí)，能與岸基、天基、空基信號(hào)收發(fā)站之間進(jìn)行高效持續(xù)的信息交換。當(dāng)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(shù)都存在一定的不足，如遠(yuǎn)距離的通信與隱蔽性、設(shè)備覆蓋范圍之間無法平衡、深水作業(yè)平臺(tái)接收信息匱乏、遠(yuǎn)程傳輸速率低、信息量少且難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量雙向通信等都是阻礙水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)一體化發(fā)展的難點(diǎn)。

無論是面對(duì)水下攻防的軍用領(lǐng)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(dǎo)航定位技術(shù)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(shù)中存在的問題逐步解決，水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)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(tái)的綜合性能。

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

水下小型無人平臺(tái)的出現(xiàn)及發(fā)展大大提升了我國(guó)水下征程的建設(shè)速度，慣性/水聲導(dǎo)航定位作為其關(guān)鍵技術(shù)之一，在不斷發(fā)展的同時(shí)也面臨著更大的挑戰(zhàn)，需要承擔(dān)更加艱巨的任務(wù)。我國(guó)慣性/水聲導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展目前仍與國(guó)外有較大差距，需要進(jìn)一步探索。立足需求和現(xiàn)狀，水下無人小型平臺(tái)導(dǎo)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(jié)論

小型無人平臺(tái)的組合導(dǎo)航技術(shù)已成為人類進(jìn)行水下多方位活動(dòng)的重要支撐，是推動(dòng)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、海防建設(shè)的重要基礎(chǔ)。深入發(fā)展精確、可靠、高性能的慣性/水聲組合導(dǎo)航技術(shù)是滿足更多海洋工程、水下建設(shè)的關(guān)鍵途徑，也是縮短與國(guó)外技術(shù)差距的迫切任務(wù)。對(duì)此，既要立足當(dāng)下需求，不斷完善和改進(jìn)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，又要著眼未來趨勢(shì)，重視慣性/水聲組合導(dǎo)航定位方法的創(chuàng)新發(fā)展。