白 龍 張淏酥 吳 爽 邢安安

（1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003）（2.中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院 廣州 510275）（3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海） 珠海 519000）

1 引言

海洋蘊(yùn)含了豐富的石油、礦產(chǎn)等資源，是各國維護(hù)自身權(quán)益的戰(zhàn)略必爭之地。自“聯(lián)合國海洋法公約”生效以來，海洋國土的概念顯得越來越重要。管轄海區(qū)的國土化，大大強(qiáng)化了海洋對國家命運(yùn)的重大影響。然而，海洋的開發(fā)離不開各類海洋平臺(tái)或裝備。

水下自主航行器（AUV）、遠(yuǎn)程遙控水下航行器（ROV）、潛標(biāo)、水下滑翔機(jī)、水中兵器等各類水下平臺(tái)有的是自航式的，有的是系泊型的水下載荷，它們都具有自動(dòng)化、智能化、無人化、長壽命、高可靠性的特點(diǎn)，可根據(jù)使命任務(wù)進(jìn)行模塊化組合，實(shí)現(xiàn)多種功能的集成，在軍事和民用方面均有廣泛的需求。無論什么樣的平臺(tái)，都離不開GNSS（衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)）、航跡推算、純慣性導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、重力場匹配導(dǎo)航、SINS（捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）/DVL（多普勒計(jì)程儀）組合導(dǎo)航等各種水面和水下導(dǎo)航定位技術(shù)［1～4］。很多作業(yè)任務(wù)對導(dǎo)航定位的精度有著較高的要求。目前AUV水下導(dǎo)航主要使用由慣性導(dǎo)航設(shè)備、多普勒計(jì)程儀和衛(wèi)星定位裝置組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)［5～7］。航行器在水下時(shí)進(jìn)行SINS/DVL組合導(dǎo)航，浮到水面時(shí)利用GNSS進(jìn)行校準(zhǔn)。SINS和DVL每當(dāng)首次（或拆裝后）組裝時(shí)，都要進(jìn)行安裝誤差的標(biāo)定［8～10］。標(biāo)定參數(shù)可以選擇標(biāo)度因子+航向安裝偏差角或標(biāo)度因子+三個(gè)安裝偏差角（航向、橫滾和俯仰）。然而，目前大多數(shù)標(biāo)定研究中，都沒有考慮GNSS定位信息的波動(dòng)、SINS的初始對準(zhǔn)的失準(zhǔn)角誤差以及標(biāo)定航行中的橫向洋流等對標(biāo)定結(jié)果的影響。

2 AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)

本文中所用的AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)中的核心是SINS，SINS完成初始對準(zhǔn)后，轉(zhuǎn)入導(dǎo)航狀態(tài)，為AUV的綜控、探測系統(tǒng)等提供連續(xù)實(shí)時(shí)的載體位置、速度、姿態(tài)角等信息。在無任何外界信息時(shí)可以在水面或水下進(jìn)行純慣性導(dǎo)航，但該模式下誤差增加較快。在水下大多使用SINS/DVL組合導(dǎo)航，此時(shí)定位誤差隨航程的增加而增長。長時(shí)間水下作業(yè)后，AUV通過浮出水面或拋出GNSS浮球來接收GNSS信息進(jìn)行位置校準(zhǔn)，來消除所累積的位置誤差。同時(shí)，可以將GNSS信息作為觀測量給入卡爾曼濾波器，來估計(jì)和消除所累積的速度和姿態(tài)角誤差。校準(zhǔn)完成后AUV再次入水，以SINS/DVL組合導(dǎo)航狀態(tài)［3］繼續(xù)開展水下作業(yè)。

圖1 AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)

4）當(dāng)無外部量測信息時(shí)，進(jìn)行純慣性導(dǎo)航解算，Klman濾波器僅進(jìn)行時(shí)間更新。

AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)的Klman濾波過程如圖2所示［11］。

圖2 Kalman濾波流程圖

3 幾種常見的標(biāo)定誤差分析

下面就幾種常見誤差及標(biāo)定方法進(jìn)行分析。

3.1 SINS與DVL間的誤差標(biāo)定

標(biāo)定過程中航跡示意圖如圖3所示，A點(diǎn)到B點(diǎn)的直線航跡表示真實(shí)航跡（可將高精度GNSS位置信息給出的航跡作為真實(shí)航路），A點(diǎn)到C點(diǎn)的直線航跡表示SINS/DVL組合導(dǎo)航解算出的航跡。需要說明的是，SINS與DVL首次安裝后，因俯仰和橫滾的安裝誤差角對組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度影響較小，工程中一般僅對航向安裝誤差角ε和DVL刻度系數(shù)k進(jìn)行標(biāo)定。假設(shè)起點(diǎn)的GNSS位置為A(LA，λA），終點(diǎn)的GNSS位置 為 B（LB，λB），終點(diǎn)的DVL航位推算位置為C（LC，λC）。則ε和k可由以下兩種方法計(jì)算得到。

圖3 標(biāo)定過程的航跡示意圖

其中，ε、k分別為航向安裝誤差角和DVL的刻度系數(shù)，Re為地球半徑。λA、LA分別為A點(diǎn)的經(jīng)度、緯度，λB、LB分別為B點(diǎn)的經(jīng)度、緯度，λC、LC分別為C點(diǎn)的經(jīng)度、緯度，dN_dvl、dE_dvl分別為DVL推算的起點(diǎn)A與終點(diǎn)C之間的北向距離和東向距離。dN_GNSS、dE_GNSS分別為GNSS航跡的起點(diǎn)A與終點(diǎn)B之間的北向距離和東向距離。

2）曲線標(biāo)定航路法

李萬里［12］提出地標(biāo)輔助下基于曲線航路的SINS/DVL安裝誤差標(biāo)定方法。本文在AUV標(biāo)定航路為直線這一特殊情形下，對其標(biāo)定計(jì)算公式進(jìn)行簡化后：

式（3）和式（4）中各個(gè)變量含義與式（1）和式（2）中的相同。當(dāng)ε和k都是小量時(shí)，以上兩種方法得到的結(jié)果近似相等。本文選擇了式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算。

3.2 GNSS測量值波動(dòng)引起的誤差

目前，AUV所攜帶的BD（或GNSS），定位精度尚處于十米級（或米級）。同時(shí)，能夠開展標(biāo)定的直線航程有限。在標(biāo)定起始點(diǎn)和終點(diǎn)處，GNSS的跳動(dòng)會(huì)對標(biāo)定結(jié)果引入較大的誤差。例如，以標(biāo)定航程5km、GNSS定位誤差5m來計(jì)算，則因GNSS測量的定位信息跳動(dòng)引起的組合導(dǎo)航精度損失即可高達(dá)0.2%D（D為航程）。相對于0.5%D，甚至0.3%D的水下導(dǎo)航精度指標(biāo)，該誤差已不容忽視。

差分GNSS等高精度定位測量手段可以達(dá)到分米級定位精度，將極大降低GNSS抖動(dòng)造成的影響。但尚未在AUV標(biāo)定中普遍應(yīng)用。本文將從標(biāo)定方法層面，引入新的定位信息處理方法來抑制GNSS信息波動(dòng)對標(biāo)定結(jié)果造成的不利影響。

標(biāo)定時(shí)選擇某個(gè)交寬廣的水域，設(shè)定AUV航線為A點(diǎn)到B點(diǎn)，全程設(shè)定為定速直航。首先在標(biāo)定起點(diǎn)處，連續(xù)記錄多幀GNSS點(diǎn)Ai（i=1，2，…）。當(dāng)AUV航行至標(biāo)定終點(diǎn)后，繼續(xù)保持定速直航，同時(shí)連續(xù)記錄多幀同時(shí)刻下的GNSS點(diǎn)Bi（i=1，2，…）和DVL航位推算點(diǎn)Ci（i=1，2，…）。之后，分別使用每一組（Ai、Bi、Ci）（i=1，2，…）根據(jù)上述兩點(diǎn)法計(jì)算得到對應(yīng)的εi和ki，剔除最大最小值后求平均，進(jìn)而分別得到方位安裝誤差角ε和刻度系數(shù)k的標(biāo)定結(jié)果。

3.3 慣導(dǎo)對準(zhǔn)方位失準(zhǔn)角的影響

慣導(dǎo)每次上電啟動(dòng)，都需要一定時(shí)間進(jìn)行對準(zhǔn)。每次斷電重啟，對準(zhǔn)的方位失準(zhǔn)角都會(huì)變化，在一定范圍內(nèi)具有隨機(jī)性，這很大程度上取決于器件的精度。而DVL標(biāo)定出的安裝誤差角ε則是以當(dāng)前慣導(dǎo)的方位角為基準(zhǔn)，包含了此次對準(zhǔn)產(chǎn)生的方位失準(zhǔn)角。當(dāng)慣導(dǎo)斷電重啟后，當(dāng)前航次對準(zhǔn)的方位失準(zhǔn)角與標(biāo)定航次對準(zhǔn)的方位失準(zhǔn)角間的差值，記為?φrad，則AUV水下組合導(dǎo)航的定位精度的損失為?φ·D（D為航程）。例如，對準(zhǔn)方位失準(zhǔn)角為0.1°，則對AUV水下組合導(dǎo)航造成約0.17%·D的精度損失。

在AUV所配套的陀螺和加表的器件精度給定的前提下，為降低標(biāo)定航次的對準(zhǔn)方位失準(zhǔn)角對DVL標(biāo)定結(jié)果的影響，可以使用3.1節(jié)所述標(biāo)定方法進(jìn)行多次標(biāo)定試驗(yàn)，獲得多個(gè)標(biāo)定航次的DVL安裝方位誤差角εi（i=1，2，…），剔除最大最小值后求平均，從而得到較準(zhǔn)確的ε。

3.4 標(biāo)定航次中側(cè)向流的影響

當(dāng)AUV標(biāo)定航行過程中，若所處水域存在側(cè)向流，則AUV自動(dòng)駕駛系統(tǒng)會(huì)不斷調(diào)整AUV艏向，直至AUV產(chǎn)生足以抵消側(cè)向流影響的側(cè)滑角β，以保證AUV沿著既定航線前進(jìn)，如圖4所示。此時(shí)，DVL航位推算所使用的AUV艏向基準(zhǔn)（由于慣導(dǎo)安裝時(shí)與載體系的安裝偏差角一般可以忽略不記，可以認(rèn)為AUV艏向與SINS前向一致），與GNSS實(shí)際航跡存在夾角β。當(dāng)DVL安裝誤差角ε一定時(shí)，DVL航位推算的航跡將由理想航跡AC，相應(yīng)偏轉(zhuǎn)β形成新的航跡AC1。因而，通過單航次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定出的DVL安裝誤差角中，勢必包含有因側(cè)向流引起的AUV的側(cè)滑角。這里，可通過沿同一航線往返標(biāo)定的方式（即開展AB和BA兩個(gè)航次），往返兩段航次中，β對ε的影響正好是一正一負(fù)。通過往返航次對ε求和平均，來抵消掉DVL方位安裝角ε中所含的側(cè)向流影響。

圖4 側(cè)向流引起的DVL方位安裝角誤差

3.5 慣導(dǎo)的安裝偏差

AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)受DVL與SINS間的安裝誤差角的影響，AUV載體與SINS間的安裝誤差不會(huì)對AUV水下組合導(dǎo)航精度造成影響。有學(xué)者提出［10］，SINS安裝誤差前可以先利用光學(xué)方法在安裝時(shí)保證航向偏差角為一個(gè)非常小的量，這樣很利于標(biāo)定。但是，本文認(rèn)為對于該安裝偏差，是可以在標(biāo)定試驗(yàn)中一并計(jì)算獲得的，安裝時(shí)可以省去光學(xué)測量方法那一個(gè)步驟，只要保證初始航向偏差角小于5°，都可以保證標(biāo)定的效果和精度。

對于慣導(dǎo)在AUV載體上的安裝偏差，可以選擇風(fēng)平浪靜的開闊水域，開展水面往返標(biāo)定試驗(yàn)。慣導(dǎo)使用GNSS/SINS組合導(dǎo)航模式輸出GNSS觀測下的方位角信息。同時(shí)開展DVL航位推算用于DVL參數(shù)標(biāo)定。AUV在航線AB和BA上定速直航，分段實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)慣導(dǎo)的航向角信息（Σψ和個(gè)數(shù)n）和速度方位角信息（記速度矢量在地理坐標(biāo)系下的方位角為ψ'，即 Σψ'和個(gè)數(shù)n），則SINS在AUV上的方位安裝偏差角εINS可由下式獲得：

式中，εINS為SINS在AUV上的方位安裝偏角，ψAB、ψ'AB分別為AUV在航線AB上定速直航過程中慣導(dǎo)艏向角和速度矢量在地理坐標(biāo)系下的方位角，nAB為航線AB上ψAB、ψ'AB的累加個(gè)數(shù)。ψBA、ψ'BA分別為AUV在航線BA上定速定向航行過程中慣導(dǎo)艏向角和速度矢量在地理坐標(biāo)系下的方位角，nBA為航線BA上ψBA、ψ'BA的累加個(gè)數(shù)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

如圖5所示，標(biāo)定時(shí)預(yù)設(shè)航線為航行起點(diǎn)→A→B→C→D→E→F（結(jié)束點(diǎn)），整個(gè)標(biāo)定過程中AUV在每個(gè)直線航段內(nèi)均為定速直航。圖中A→B、C→D、E→F三段表示水下航路，因水下航行可以避免水面風(fēng)浪的影響，保證DVL的測速精度及穩(wěn)定性，從而可以獲得更好的標(biāo)定精度。圖中A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)和F點(diǎn)都表示水面的GNSS校準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)際航行中，如果B點(diǎn)（D點(diǎn)）和C點(diǎn)（E點(diǎn)）距離較近可以認(rèn)為是重合的兩個(gè)點(diǎn)，標(biāo)定一次即可。第三段是驗(yàn)證段，用于驗(yàn)證前兩段航程標(biāo)定結(jié)果的好壞。跑完三段直線后，如果驗(yàn)證段合格則標(biāo)定成功［13］；否則標(biāo)定失敗，則需要分析問題查找原因，解決問題后重新開始標(biāo)定流程，直至標(biāo)定驗(yàn)證段達(dá)標(biāo)。

圖5 實(shí)航標(biāo)定流程圖

為了有效評價(jià)AUV水下組合導(dǎo)航精度，本文以AUV潛航5km以遠(yuǎn)的所有采樣點(diǎn)的終點(diǎn)誤差里程比的CEP50指標(biāo)來進(jìn)行量化，以下均簡稱CEP50指標(biāo)。

4.2 實(shí)航標(biāo)定

為驗(yàn)證本文提出的標(biāo)定方法的有效性，于湖北荊門的某大型水庫，開展了DVL標(biāo)定和水下組合導(dǎo)航精度驗(yàn)證的跑船試驗(yàn)。所使用的器件（或設(shè)備）精度為：0.01°/h的光纖陀螺，10μg的石英加表，0.5%·D的DVL和3m定位精度的GNSS。為了同時(shí)驗(yàn)證本文提出的標(biāo)定方法對于較大的安裝偏角仍然有效，將DVL前軸與船體艏向以約26°的夾角進(jìn)行安裝固定。標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。

實(shí)航標(biāo)定的結(jié)果見表1。

表1 跑船標(biāo)定結(jié)果

4.3 SINS/DVL組合導(dǎo)航精度驗(yàn)證

經(jīng)過上述方法完成DVL安裝誤差的標(biāo)定后，為驗(yàn)證本文提出的標(biāo)定方法的有效性，分別進(jìn)行了兩組SINS/DVL組合導(dǎo)航精度的跑船驗(yàn)證：1）漂浮條件下慣導(dǎo)重新上電對準(zhǔn)，對準(zhǔn)完成后連續(xù)開展三段5km的SINS/DVL組合導(dǎo)航精度驗(yàn)證；2）分別以GNSS+DVL對準(zhǔn)、僅GNSS對準(zhǔn)、僅DVL對準(zhǔn)等三種不同對準(zhǔn)方式，開展單段5km的SINS/DVL組合導(dǎo)航精度驗(yàn)證。

每個(gè)驗(yàn)證航次中，慣導(dǎo)上電經(jīng)過15min初始對準(zhǔn)后，全程處于SINS/DVL組合導(dǎo)航模式，僅在到達(dá)驗(yàn)證直線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)分別進(jìn)行一次GNSS校準(zhǔn)，GNSS校準(zhǔn)須在1min內(nèi)完成。

第一組（連續(xù)三段5km）試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

第一組（連續(xù)三段5km）試驗(yàn)結(jié)果見表2。

第二組（單段5km）試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 實(shí)航驗(yàn)證結(jié)果2

第二組（單段5km）試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 實(shí)航驗(yàn)證結(jié)果2

從兩組驗(yàn)證結(jié)果可以看出：1）試驗(yàn)結(jié)果比較理想，定位誤差優(yōu)于0.3%·D（D為航程），達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)；2）從第二組的3次慣導(dǎo)重啟驗(yàn)證航次的航跡圖可以發(fā)現(xiàn)，SINS/DVL組合導(dǎo)航的航跡分別落于GNSS航跡的左側(cè)和右側(cè)，且主要誤差來源于航跡的橫向。這一現(xiàn)象表明，本文所研究的標(biāo)定方法能夠準(zhǔn)確標(biāo)定出DVL安裝偏角和刻度系數(shù)，重啟對準(zhǔn)所引入的方位失準(zhǔn)角，已成為水下組合導(dǎo)航誤差的主要來源。

5 結(jié)語

本文首先介紹了AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，對于影響AUV水下組合導(dǎo)航精度的若干誤差進(jìn)行了比較全面的分析，同時(shí)提出了DVL的安裝誤差和刻度系數(shù)的標(biāo)定方法，以及對于如何消除或降低因GNSS跳動(dòng)、側(cè)向流影響、慣導(dǎo)對準(zhǔn)失準(zhǔn)角等對標(biāo)定參數(shù)造成的影響，以及給出了具體標(biāo)定試驗(yàn)方法。最后，通過搭建AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)對本文提出的標(biāo)定方法進(jìn)行了跑船驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法操作便捷、工程實(shí)用性強(qiáng)、標(biāo)定效果明顯。經(jīng)標(biāo)定后，組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以獲得較理想的水下組合導(dǎo)航精度。