李 璇，解 禹

（1.中國科學院聲學研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100190；3.中國北方工業(yè)有限公司，北京 101416）

1 引 言

1966年，星際迷航第一部（Star Trek: The Original Series）上映。這個系列電影作為科幻電影史上的巨作，影響了幾代人，也促成了許多重要發(fā)明?？梢哉f，作者亞瑟·C·克拉克在里面提到的有關衛(wèi)星的內容促進了導航通信系統(tǒng)的發(fā)展?！岸ㄎ灰幌挛业奈恢?，斯科特”，電影里，進取號運輸器能夠在幾千英里之外精確定位每位機組成員。解決“我在哪里”是“我從哪里來”“我到哪里去”的基礎，這不僅僅是個技術問題，也是個哲學問題。而今，科幻已經成為現(xiàn)實。GPS（Global Positioning System）、GLONASS、伽利略和北斗系統(tǒng)正是解決這一問題的有效手段。以GPS 為代表的定位導航系統(tǒng)使得各類涉及到定位的應用成為現(xiàn)實，包括無人駕駛、精密制導、自主供給鏈管理等。

在GPS 導航技術發(fā)明前，TRANSIT 導航就已經在為全美戰(zhàn)艦提供導航服務。1958年，DARPA 啟動了GPS 的前身——TRANSIT 衛(wèi)星項目[1]。根據(jù)多普勒效應，TRANSIT 利用衛(wèi)星進行導航，于1959～1960年首次組建了一個試驗性雙星導航系統(tǒng)。從1967～1990年，TRANSIT 導航衛(wèi)星為數(shù)以千計的戰(zhàn)艦提供了導航服務。直到1996年，TRANSIT 導航衛(wèi)星才被GPS 所取代，徹底終止服務。

1973年，美國國防部開始了GPS 計劃，1995年徹底走向實用。起初，GPS 具有濃厚的軍事應用背景，各類導彈的精確制導是其最重要的用途。20世紀80年代，GPS 開始進入民用領域，從各種戰(zhàn)機、軍艦、戰(zhàn)車到民用汽車、手機。今天，我們拿起手機就可以定位自己，可以滴滴叫車，可以定外賣；大疆已經沖上云霄；特斯拉的無人車召喚、自動駕駛和泊車系統(tǒng)的應用已經擴展到卡車上；Amazon和Google正在計劃差遣無人機來派送快遞。

然而在水下，定位導航長期以來一直是一個盲區(qū)。直到近10年，各國才嘗試系統(tǒng)性地去解決水下導航定位問題。本文將梳理水下導航定位的發(fā)展，并分析其存在的技術挑戰(zhàn)。

2 GPS 及其他導航定位系統(tǒng)

GPS 可以看作是獲取定位、導航、授時信息（PNT）的一個手段。回顧GPS 的基本概念，整個GPS 系統(tǒng)包括衛(wèi)星、地面站、用戶信號接收機3 部分。在距地表20～200 km 的上空，24 顆（后擴展至32 顆）GPS 衛(wèi)星均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆），以約12 h 的周期環(huán)繞地球運行，使得在全球任何地方、任意時刻都可以同時觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，通過解算4 個方程組獲得4 個未知數(shù)：三維坐標和接收機鐘差信息。GPS 衛(wèi)星示意圖如圖1所示。

圖1 GPS 衛(wèi)星示意圖Fig.1 GPS satellite

然而，GPS 有其局限性。GPS 信號可能會遭到敵人的干擾；在極端天氣、太陽黑子的情況下，GPS 信號會明顯變弱，甚至完全不能使用；在地下和水中，也都無法接收到GPS 信號。在GPS受限或者拒止的情況下，如何進行PNT 也是各國的研究重點。低軌衛(wèi)星拓展了GPS 在近太空的應用。SpaceX 的StarLink 的初衷是利用大量的低軌衛(wèi)星在全球范圍內提供天基網絡服務，目前已發(fā)射了1785 顆星鏈衛(wèi)星[2]（截至2021年10月）。除了通信服務，低軌衛(wèi)星還可以用于定位導航，一方面可進一步反哺地面定位提升精度，另一方面可為GPS 信號較弱的地區(qū)（例如高緯度等地區(qū)）提供定位導航。DARPA 目前也開展了多項PNT 相關項目。從具體單項技術的層面上，有微技術 PNT 系統(tǒng)、量子輔助傳感和讀出系統(tǒng)（QuASAR）、精確慣性導航系統(tǒng)（PINS）、超高速激光科學和工程應用系統(tǒng)、高穩(wěn)原子鐘（ACES）等；從整個系統(tǒng)或者針對某種特殊環(huán)境下的層面上，有自適應導航系統(tǒng)、全源定位和導航（ASPN）系統(tǒng)、對抗環(huán)境下的空間、時間和定位信息（STOIC）、深海導航系統(tǒng)POSYDON等。其中，POSYDON 是DARPA 于2016年4月啟動的針對水下開展的深海導航定位系統(tǒng)項目。針對潛艇以及其他一些軍事用途的水下無人航行器（UUV），隱蔽導航一直是亟待解決的問題。POSYDON 旨在研究一種革新型水下PNT 系統(tǒng)，提高美國海軍在整個大洋中的精確定位導航授時能力。潛艇等水下平臺將利用多個水下聲源節(jié)點實現(xiàn)精確導航，而無須再定期浮出水面獲取GPS信號，降低了自身平臺暴露風險。同時，可減少一些受干擾的風險。美海軍計劃在 Bluefin-21 UUV 上配備該系統(tǒng)。POSYDON 系統(tǒng)開發(fā)團隊包括英國軍工巨頭BAE Systems 公司、雷神BBN公司、華盛頓大學、麻省理工學院、德克薩斯大學奧斯汀分校。據(jù)悉，目前該項目開發(fā)的技術已移交海軍海上監(jiān)視系統(tǒng)項目辦公室。

POSYDON 需要解決的是全套方案，包括衛(wèi)星、基站、接收解調器等。BAE 稱：“POSYDON綜合運用水下聲波信號、水面浮標、水下信標或節(jié)點、GPS 信號，能夠快速地確定水下執(zhí)行任務的無人系統(tǒng)的位置坐標，并將數(shù)據(jù)傳輸回水面艦艇或潛艇的指揮控制系統(tǒng)?！比鐖D2所示，POSYDON 的浮標部分出水面，可獲得GPS 信息。同時，通過聲波或其他手段發(fā)送信號至潛標等，這相當于衛(wèi)星；潛標網絡相當于地面接收站，接收到浮標的PNT 信息，并結合自身位置信息解算，發(fā)送信號至水下航行器；水下航行器攜帶接收模塊，相當于車載或者手機上的接收機，進一步解算得到自身的PNT 信息。DARPA 戰(zhàn)略技術辦公室項目經理Lin Haas 表示，考慮到水下聲速是變化的，傳播并非直線，因此相應開發(fā)了適用于水下聲學的模型。第一階段是傳播信道研究，第二階段是波形設計，第三階段建立完整的原型定位系統(tǒng)。計劃采用極低頻的波形，利用三角法，GPS 信號從衛(wèi)星傳至水面節(jié)點，然后利用聲波連接和定位水下節(jié)點（例如UUV 或者潛艇）。

圖2 POSYDON 示意圖[3]Fig.2 POSYDON diagram[3]

繼POSYDON 之后，DARPA 在2019年發(fā)布了即時海上交戰(zhàn)信息項目（TIMEly）的需求，將以POSYDON 為基礎，集成跨域作戰(zhàn)的水下要素，提供自適應、異構化、可調整的通信，包括水下通信，以及載人和無人潛艇、水面艦艇、飛機和衛(wèi)星之間的通信。該項目在 2022年將開展TIMEly 節(jié)點原型樣機的研制。此外，如表1所示，DARPA 近年來還有以下幾個與水下導航相關的項目。

表1 DARPA 近年的水下導航相關項目Table 1 Programs about underwater navigation of DARPA

除美國之外， 俄羅斯正在建造水下“GLONASS”系統(tǒng)。2016年，圣彼得堡海洋設備公司開始研制水下導航與定位系統(tǒng)，預期能夠在北極冰蓋下工作，綜合運用超短波通信和水聲通信等方式，可與空中、水面和地面的控制中心實時交換信息，并借助深海浮標，為UUV 提供米級以下的高精度導航定位服務。

3 水下定位導航技術的現(xiàn)狀

以POSYDON 為代表的水下定位導航系統(tǒng)需要綜合集成水聲物理信道、水下通信、水下定位、水下導航等多項技術。目前，國內外類似的整套系統(tǒng)都還處于攻關階段。而具體到其中部分單項技術則已經有一些成熟方法和貨架產品。

水下通信是實現(xiàn)水下定位導航的基礎，而對于長距離水下通信，聲波是不二選擇。近30年來，水聲通信技術得到快速發(fā)展。目前，國外主要的水聲通信機提供商有美國的Woods Hole 研究所、Teledyne 公司、德國的Develogic 公司以及法國的iXBlue 公司等。通信距離通常在5～10 km，通信速率從幾百bps 至幾千bps 不等。國內進行水聲通信的主要研究機構有中國科學院聲學研究所、中船重工715 所等。同時，廈門大學、西北工業(yè)大學、哈爾濱工程大學、浙江大學等高校也廣泛開展了水聲通信的研究。最具代表性的水聲通信設備就是“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮斗者”號載人潛水器上的水聲通信機。

水下定位方法包括被動和主動兩種形式。被動以匹配場[4]方法為代表，利用聲速剖面等水文參數(shù)，通過水下聲場建模計算得到接收基陣的聲場幅度和相位，形成拷貝場向量，并與基陣接收數(shù)據(jù)進行“匹配”，從而實現(xiàn)水下目標的被動定位和海洋環(huán)境參數(shù)的精確估計。近年來，有部分研究人員提出采用深度學習方法[5]，將時域信號映射到目標位置，在低信噪比情況下性能優(yōu)于匹配場方法。

主動水下定位方法通常通過測量目標與多個信標間聲波的傳播時間和相位變化得到傳播距離，進而估算出目標的三維坐標。信標（即基元）之間的連線稱為基線，根據(jù)基線長度分為：長基線定位（LBL，100～6000 m）、短基線定位（SBL，1～50 m）和超短基線定位（USBL，＜1 m）。長基線需要在海底預先布放若干基元，測量目標與基元的間距來確定目標的坐標。英國Sonardyne 公司的Fusion2 長基線定位系統(tǒng)是國際上性能最為先進的產品。短基線和超短基線一般安裝于水面平臺，通過目標與各基元之間的時延差來估計應答器方位，結合聲速剖面進一步修正距離估算應答器坐標。目前，長基線、短基線和超短基線定位系統(tǒng)已經廣泛應用于UUV 等平臺中。長基線精度與工作深度無關，但成本較高且布放較為復雜；短基線和超短基線使用靈活，但精度受限于基元間距和工作深度。各國研究者采取多種方法提升基線系統(tǒng)的定位精度，包括采用寬帶信號，例如擴頻技術、FSK 和chirp 聯(lián)合調制技術，或者結合姿態(tài)傳感器、羅經等組合導航[6]。此外，采用多種基線系統(tǒng)相結合的方法可以綜合多種基線的優(yōu)勢，得到更高的定位性能。例如，Sonardyne的Marksman LUSBL 集成了USBL 和LBL，為ROV（遙控式無人潛水器）等提供更精確的定位精度。

除了利用聲信號以外，水下導航定位還會使用偏振光[7]、地形匹配[8]、地磁、重力匹配[9-10]、慣性導航等手段。地形匹配通過UUV 實時形成的地圖與已知海底地形圖解算出位置信息。地形匹配通常與SLAM（及時地圖構建）技術相結合。在這方面，美國斯坦福大學、蒙特利灣水下研究所以及挪威國防研究中心（FFI）等研究機構已經開展了多年的研究。FFI 開發(fā)了一套地形匹配導航設備，并基于HUGIN UUV 開展了多次海試[11]。斯坦福和蒙特利灣水下研究所基于 BenthicImaging UUV 進行了水下地形匹配實驗，海試中穿過了地圖上設定的若干信標，定位誤差小于20 m[12]。利用重力異常的先驗信息作為基準地圖中的特征點，得到了更小的定位誤差[13]。地形匹配和重力匹配方法不依賴于導航器件，但只有預先具備精細海圖信息或者重力信息才能發(fā)揮作用，一般作為輔助手段配合其他導航定位方法。

慣性導航基于陀螺和加速度計，通過積分來解算運動平臺的位置信息，適用于空中、地面、水下等各種場景。陀螺是慣導的核心器件，常見的有光學陀螺及MEMS 陀螺等。最新的光學陀螺是第三代光纖陀螺——受激布里淵散射光纖陀螺。法國iXblue 公司在EURONAVAL 2020 展會上展示了一款新型光纖陀螺慣導系統(tǒng)——MARINS M11[14]，這是當前最先進的水下慣導裝備，可為潛艇提供隱形的自主導航，提供非常精確的方向、滾動、俯仰、速度和位置，導航精度達到1 海里/360小時。慣導無須外部信息輸入，并且也不向外部輸出信息，但誤差隨時間累積。因此，如果應用于長距離的水下航行中，一般需要潛水器定期上浮或者配合其他導航手段。如表2所示，iXBlue公司分析了幾種導航技術的特點[15]。

表2 幾種導航技術的特點Table 2 Properties of navigation technique

目前，水下定位導航技術的發(fā)展熱點主要有以下兩個方面。

（1）由單種導航模式向多種組合導航模式發(fā)展。通過融合多種導航的優(yōu)勢，獲取更優(yōu)越的定位導航性能。IXBlue 的GAPS-USBL 集成了超短基線、慣導和GPS，作用距離4000 m，定位精度達0.06%*距離。GAPS-USBL 通過USBL 與船載平臺連接，得到精確的位置信息，然后集成慣導進行推算，無須上浮進行校正。iXBlue 公司還有另一款RAMSES[16]，集成了慣導和合成基線技術（USBL 和LBL，由1～10 個浮標構成稀疏陣），并基于SLAM 進行自校正。RAMSES 是目前國際上定位精度最佳的設備，測距誤差小于0.01 m，最大作用距離4000 m，深度6000 m。我國蛟龍?zhí)栞d人潛水器中長基線定位裝置使用的正是RAMSES 6000。

（2）協(xié)同定位導航是促進水下定位導航邁向實用化的有效手段，可提升水下定位導航的精度，增大作用距離，并有效控制成本。歐盟的CO3AUVs（多水下航行器協(xié)同認知控制）項目[17]中包括了協(xié)同導航、協(xié)同態(tài)勢感知的內容。多個UUV 的協(xié)同導航形式有多種，包括主從式、分布式、分層式等。最常見的形式就是主從式，選擇一個UUV 或者USV（無人艇）作為領航者，裝備高精度慣導等導航設備，其他UUV 裝備低成本低精度的導航裝備，結合通信技術實現(xiàn)UUV集群的高精度導航。西北工業(yè)大學張立川等[18]針對主從式UUV，提出無須同步時鐘的合作導航算法。新加坡TAN 等[19]提出利用領航UUV 的測距信息，來降低其他任務型UUV 的導航定位誤差。伍茲霍爾研究所于2018年8月在Charles 河上進行的多UUV 協(xié)同導航試驗[20]，通過主從式集群導航系統(tǒng)實現(xiàn)了較高精度的集群導航。

4 水下導航定位發(fā)展的挑戰(zhàn)

近年來，水下定位導航發(fā)展迅速，但仍然面臨重重挑戰(zhàn)，甚至可以說其困難遠勝于 GPS。GAPS-USBL 等慣導裝備需要母船配合并且相互通信，以保證定位精度，各方面成本較高。而POSYDON 項目直到今天也還沒有發(fā)展到可成熟化應用的階段。這主要是由水下信號載體、傳播介質和傳播環(huán)境這幾個本質問題導致的。

4.1 信號載體

GPS 信號只有極淺的近水面的地方才能接收到。電磁波、紅外線、激光、普通光線等在水下都會迅速衰減。電磁波的衰減率是4500dB/km（每米能量衰減90%）。而聲波的衰減率是1dB/km（10 kHz 頻率，聲波的衰減與頻率的平方成正比），利用海洋中的波導效應，聲波可以傳播得更遠。低頻聲波在水下甚至可以從太平洋一側傳到另一側。因此，毫無疑問，聲波是水下導航信號的主要載體。然而與電磁波相比，水下聲速僅1500 m/s 左右，僅為電磁波速度的二十萬分之一。水下聲波在應用于通信、導航、探測、測繪不同場景時，需要設定在不同的頻帶，但最大帶寬也不超過100 kHz，遠不及電磁波的上MHz 乃至上GHz 的帶寬，所承載的信息量也就隨之小很多。此外，多普勒、混響、多徑等因素造成聲信道的畸變，帶來匹配和同步誤差。因此，聲波傳輸慢、帶寬窄、覆蓋范圍小、聲信號畸變嚴重等成為水下通信定位導航共同面臨的難題。

4.2 海洋地圖的獲取

有人/無人駕駛的導航乃至導彈的末端制導都需要地圖作為基礎。精準的地圖對導航的意義至關重要?！睹绹鴩液Ｑ罂萍及l(fā)展：未來十年愿景》[21]中指出美國國家海洋科技未來研究機遇需要通過改進海底測繪，更好地為海上運輸作業(yè)提供信息。英國《預見未來海洋》[22]中建議開展海洋測繪，以便在全球海洋發(fā)展機遇中獲益。無論是水下導航定位還是海上油氣、礦產的開采作業(yè)等都迫切需要海底地形的測繪信息。然而目前全球海洋測繪還遠不能滿足需求。2018年，《僅18%的海底被繪制，XPRIZE 無人機可以改變這種狀況》[23]一文指出：世界上只有9%的海底通過現(xiàn)代聲納技術詳細繪制過，只有18%的海底被調查過，而且分辨率很不盡如人意。受時間和經費的限制，如果進行高分辨率的調查船測繪，可能需要幾個世紀才能繪制出世界海洋的圖表。2018年，日本財團（The Nippon Foundation）宣布開展日本世界大洋深度圖（GEBCO）2030 海底項目，目標是在2030年前繪制整個海底地圖。如圖3所示，GEBCO 2030 項目已經可以提供部分區(qū)域高質量、高分辨率的海底地圖。

圖3 GEBCO2030 提供的臺灣以東太平洋海域的海底地形圖[24]Fig.3 Seabed map east of TAIWAN (provided by GEBCO2030) [24]

4.3 海洋水文信息的快速感知

與行駛于地面上的車輛相比，UUV、潛艇的航行不僅僅需要海底地圖，還需要海洋三維水文環(huán)境信息，特別是聲速剖面、洋流、內波等信息。海洋水文環(huán)境信息之于潛水器相當于氣象信息之于飛機。

在海洋環(huán)境中，密度、溫度、鹽度變化導致聲速發(fā)生變化，聲傳播路徑不再是直線。由圖4可見，聲波在傳播過程中彎曲明顯。圖4僅考慮了垂直的聲速變化，在三維立體空間中，聲速還會受到洋流、內波等中尺度海洋現(xiàn)象的影響。因此，聲信號的傳播時間與發(fā)射端（信標）和接收端距離并非直接對應的關系。由于聲線彎曲的效應，傳播距離和直線距離存在差距。當缺乏三維聲速剖面先驗信息時，無法根據(jù)傳播時間直接計算得到信標和接收端的距離，繼而無法給出精確的位置參數(shù)。傳播時間和距離兩者之間的復雜函數(shù)關系需要結合聲場模型來解算。

圖4 水下聲場的變化Fig.4 Change of the underwater sound field

海洋三維環(huán)境不僅僅對聲波的傳播有巨大影響，還會影響水下航行器的性能和航行安全。缺乏水文信息會給水下航行器的航行安全帶來巨大威脅。在同一深度，洋流、渦、內孤立波等中尺度現(xiàn)象會導致海水溫度鹽度發(fā)生較大變化，密度的躍變相當于形成了滔天巨浪。1964年，美國長尾鯊號核潛艇極有可能正是遭遇了內波形成的“海中斷崖”，導致潛艇快速下沉，最終超出耐壓深度而被壓碎。我國372 艇遭遇內波也發(fā)生了掉深，險些造成艇毀人亡的事故。內波可能由海面風激發(fā)后向深海傳播，或者由潮流越過水下海山激發(fā)形成[25]。

因此，對海洋的多尺度現(xiàn)象的預報是必要的。根據(jù)某片海域的歷史水文數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星等空中觀測手段以及DART 浮標、ARGO 浮標及OoT項目的浮標（DARPA 于2018年開始的海上物聯(lián)網項目，目前進展到第二期，可搜集海溫、海況、GPS 定位、船只和飛機活動信息）等獲取的實時觀測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)海洋動力的快速同化，為海洋水文動力的感知和預報提供支撐。美國海軍為了從海洋環(huán)境中充分獲取信息優(yōu)勢，發(fā)展了一系列地球預測模型系統(tǒng)ESPC[26]，包括流預測的混合坐標海洋模式（HYCOM），區(qū)域海軍近海海洋模式(RNCOM)，海岸海軍近海海洋模式（CNCOM），用于波浪預測的海軍標準化海浪模式（NSSM），用于潮汐預報的潮汐評估模型（PCTides），用于冰預測的海冰模型（CICE），用于大氣預報的海軍業(yè)務化全球大氣預測系統(tǒng)（NOGAPS）等。其中，HYCOM[27]是國際公開開發(fā)的模式，美海軍的全球海洋預報系統(tǒng)正是采用該模式，可提供一天內每3 個小時的海流預報，精度達1/12。

4.4 水下能源補給

能源問題是水下導航系統(tǒng)的一大瓶頸。浮標可以考慮太陽能、風能，將浮式風機與浮標結合起來。但潛標及水下航行器的能源補給是一大挑戰(zhàn)。一方面，需要利用海洋自身特性革新新型能源手段，例如潮汐能、波浪能、溫差能、生物質能等。一方面，需要建設水下空間站，實現(xiàn)與UUV的對接，可以進行充電、數(shù)據(jù)交互等。2015年，美國海軍研究局啟動了“前沿部署能源和通信哨所（FDECO Forward-Deployed Energy and Communications Outpost）”項目[28]，計劃建設固定式的水下塢站，用于給UUV 充電和數(shù)據(jù)交互。水下塢站拓展了UUV 的作用范圍，可有效解決能源補給問題。同時，水下塢站的發(fā)展離不開水下導航定位技術。為實現(xiàn)UUV 與塢站的可靠對接，必須以高精度水下導航定位為支撐。

5 結束語

定位導航技術對遠洋、深海的作業(yè)效能和航行安全的保障至關重要。在深海建立區(qū)域高精度的定位導航基準，是人類依賴眾多水下航行器進入海洋、探測海洋和開發(fā)海洋的關鍵問題之一，也是規(guī)劃建設“21 世紀海上絲綢之路”的重要基礎。然而，目前水下“GPS”從信號載體、平臺到環(huán)境等多方面仍面臨著重重制約。隨著水下機動平臺遠程高速通信、海洋環(huán)境快速預報、海洋精細地圖構建、水下充電等技術的突破，水下導航定位將在未來二十年內獲得廣泛的應用。