謝樂(lè)濤

摘要：近年來(lái)消防救援隊(duì)伍參與的水域救援任務(wù)逐年增多，而水下定位是水域救援領(lǐng)域的重要安全技術(shù)保障措施，基于此，分析了消防救援隊(duì)伍水下定位裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合常用水下定位技術(shù)的種類及優(yōu)缺點(diǎn)，分析了雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位技術(shù)的原理與優(yōu)缺點(diǎn)，展望了相關(guān)水下定位技術(shù)在消防救援領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：消防救援；水域救援；水下定位；雙軸轉(zhuǎn)位；慣性導(dǎo)航定位

隨著全球極端天氣的頻發(fā)，洪水、城市內(nèi)澇等災(zāi)害增多。僅2022年，我國(guó)共發(fā)生38次區(qū)域性暴雨過(guò)程，全國(guó)28個(gè)省份626條河流發(fā)生超警戒以上洪水，全年洪澇災(zāi)害共造成3385.3萬(wàn)人次受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡失蹤171人，直接經(jīng)濟(jì)損失1289億元[1]。水域救援工作任務(wù)緊迫、技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)較大，需開(kāi)展專業(yè)化訓(xùn)練，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)裝備能提升救援能力與效率，減少救援人員傷亡事故的發(fā)生。

1 消防救援隊(duì)伍水下定位裝備現(xiàn)狀

按照救援形式分類，水域救援可分為岸際救援、水面救援和入水救援。其中，入水救援難度更大、更危險(xiǎn)，需要面對(duì)水下更為復(fù)雜的救援環(huán)境，如暗流、低能見(jiàn)度、水下障礙物、高水壓等各種不利因素，且開(kāi)展入水救援時(shí)時(shí)間緊、任務(wù)重，而利用水下定位技術(shù)或裝備讓岸上消防指揮人員獲取水下救援人員和被救援目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置，不僅能更好地保障消防救援人員的自身安全，還能提高水下搜救效率。

目前，消防救援隊(duì)伍水域救援裝備的配備主要依據(jù)消防救援局《關(guān)于推進(jìn)抗洪搶險(xiǎn)專業(yè)隊(duì)伍建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》中“抗洪搶險(xiǎn)專業(yè)編隊(duì)常規(guī)裝備配備標(biāo)準(zhǔn)（試行）”。具備水下定位或目標(biāo)搜尋的相關(guān)裝備主要有手持式聲納探測(cè)儀、聲納式水下地形探測(cè)儀、水下聲納生命探測(cè)儀、水下搜救機(jī)器人、定位浮標(biāo)、安全繩等。其中聲吶類裝備需要救援人員在獲取的聲吶圖像中自行識(shí)別被救援人員、車(chē)船等救援目標(biāo)，易受水下復(fù)雜環(huán)境干擾，救援目標(biāo)與環(huán)境不易區(qū)分，對(duì)使用人員的操作和經(jīng)驗(yàn)要求較高，且部分聲吶類裝備由各單位根據(jù)實(shí)際需要選配，一般僅配備在消防特勤支隊(duì)或大隊(duì)；部分水下搜救機(jī)器人通過(guò)光學(xué)、聲吶方式識(shí)別水下被救援對(duì)象后，只能提供當(dāng)前水深信息，無(wú)法提供機(jī)器人的水下三維實(shí)時(shí)位置，需結(jié)合定位浮標(biāo)來(lái)進(jìn)一步標(biāo)識(shí)水下救援位置；消防潛水人員目前未廣泛配備可提供救援人員水下實(shí)時(shí)位置的定位裝置，一般連接安全繩入水，通過(guò)安全繩的長(zhǎng)度和繩語(yǔ)向岸上安全員標(biāo)識(shí)入水距離和進(jìn)行簡(jiǎn)單溝通，但該方式只能粗略提供潛水員的相對(duì)距離，而且在復(fù)雜環(huán)境中開(kāi)展水域救援時(shí)，一旦安全繩纏住潛水員或水下障礙物，如無(wú)法及時(shí)脫離，可能導(dǎo)致安全事故[2]。

2 水下定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

水下定位是提供水下目標(biāo)的姿態(tài)、速度、位置等信息的技術(shù)，目前水下定位主要采用慣性導(dǎo)航技術(shù)、多普勒計(jì)程技術(shù)、水聲學(xué)技術(shù)、地球物理等技術(shù)，通過(guò)相關(guān)算法解算目標(biāo)在水下的位置信息[3]。

2.1? 慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

在水下環(huán)境中，由于GPS信號(hào)無(wú)法穿透水面，傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在水下無(wú)法提供定位服務(wù)，慣性導(dǎo)航水下定位技術(shù)的應(yīng)用成為一種重要的解決方案。該技術(shù)使用加速度計(jì)測(cè)量物體的線性加速度，陀螺儀則測(cè)量物體的角速度。通過(guò)對(duì)這些測(cè)量值進(jìn)行積分運(yùn)算，可以得到物體的位置、速度和姿態(tài)信息[4]。在水下環(huán)境中，慣性導(dǎo)航不依賴于外部信號(hào)源，能夠獨(dú)立進(jìn)行定位和導(dǎo)航。但是由于慣性傳感器測(cè)量誤差的積累，隨著時(shí)間的推移，定位誤差會(huì)逐漸增大。

2.2? 航位推算定位技術(shù)

航位推算是一種基于航行參數(shù)推算的水下定位方法，它利用航行器的起始位置、速度和姿態(tài)信息來(lái)估計(jì)當(dāng)前位置。起始位置被認(rèn)為是已知的初始點(diǎn)，然后通過(guò)測(cè)量航行器的速度和航向信息，通過(guò)積分運(yùn)算來(lái)計(jì)算出航行器在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)的距離和方向。目前，航位推算技術(shù)廣泛采用多普勒計(jì)程儀作為測(cè)速傳感器[5]。多普勒計(jì)程儀基于速度變化測(cè)量多普勒頻移，如果速度變化不穩(wěn)定或存在較大的噪聲，將導(dǎo)致定位誤差的積累；對(duì)于低速移動(dòng)的情況，其靈敏度較低；并且只能測(cè)量速度變化的方向，無(wú)法提供絕對(duì)的方向信息。多普勒計(jì)程儀能夠提供較高精度的載體速度信息，因此其主要用于實(shí)時(shí)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的速度測(cè)量誤差，并與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合使用。

2.3? 地球物理導(dǎo)航定位技術(shù)

海洋地球物理導(dǎo)航定位是一種利用海洋的地球物理屬性進(jìn)行定位和導(dǎo)航的方法[6]。通過(guò)測(cè)量和分析海洋中的磁力場(chǎng)、重力場(chǎng)和海底地形等特征，可以獲取海洋環(huán)境的空間位置信息。在航行過(guò)程中，載體搭載地球物理屬性傳感器，實(shí)時(shí)采集海洋的物理屬性數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與預(yù)先建立的地球物理導(dǎo)航參考圖進(jìn)行比對(duì)和匹配，從而確定當(dāng)前位置。海洋地球物理導(dǎo)航定位方法具有獨(dú)立性和抗干擾性，不受衛(wèi)星信號(hào)覆蓋限制，能夠在各種海洋環(huán)境下實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和導(dǎo)航。

2.4? 水聲定位技術(shù)

水聲定位技術(shù)是一種利用聲波在水中傳播的特性進(jìn)行定位和測(cè)距的方法。通過(guò)測(cè)量聲波信號(hào)從發(fā)射源到接收器的傳播時(shí)間延遲，可以計(jì)算出目標(biāo)物體與聲源之間的距離[7]。同時(shí)，通過(guò)分析接收到的聲波信號(hào)的強(qiáng)度和相位等參數(shù)，可以進(jìn)一步確定目標(biāo)物體的方向和位置。水聲定位在水下環(huán)境中具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，并且不受天氣條件和遮擋的影響。然而，水聲信號(hào)在水中的傳播受到水質(zhì)、水溫、海流和海底地形等因素的影響，可能導(dǎo)致信號(hào)的衰減、散射和多徑效應(yīng)。水聲定位還需要事先布置單個(gè)或多個(gè)換能器單位，只能在其水聲基陣的范圍內(nèi)正常工作。聲吶發(fā)射和基陣裝置的體積較大，不方便潛水員個(gè)人攜帶，工作環(huán)境受限。

2.5? 水下組合定位技術(shù)

由于單一的水下定位技術(shù)都存在一定的局限性，僅依賴單一技術(shù)無(wú)法滿足現(xiàn)代水下定位的全面需求。因此，組合導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)的核心是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，它結(jié)合了多普勒計(jì)程儀、地形匹配導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、海洋地磁導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航等輔助技術(shù)，旨在利用高精度導(dǎo)航技術(shù)修正隨時(shí)間累積的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差，提供更準(zhǔn)確、可靠的水下定位解決方案[8]。現(xiàn)代控制理論中的卡爾曼濾波技術(shù)以及數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展為組合導(dǎo)航提供了理論分析基礎(chǔ)和硬件實(shí)現(xiàn)條件，推動(dòng)了組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。通過(guò)多源定位信息的融合，組合導(dǎo)航技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、穩(wěn)定連續(xù)和高精度的水下定位功能。水下組合定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在水下環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間、高精度、高可靠性和小型化等多方面需求。

3 基于雙軸轉(zhuǎn)位的慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)由于慣性傳感器的漂移，特別是陀螺儀的漂移，嚴(yán)重降低了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，采用“轉(zhuǎn)位”技術(shù)，在慣性積分過(guò)程中，對(duì)垂直于轉(zhuǎn)位軸的慣性傳感器的恒定偏置和緩慢變化的漂移進(jìn)行平均，可改善獨(dú)立慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能[9]。

3.1? 簡(jiǎn)單的雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)

雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要由機(jī)械外殼、電源、內(nèi)轉(zhuǎn)位框架、外轉(zhuǎn)位框架、慣性測(cè)量單元組件組成。

轉(zhuǎn)位式慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本原理是周期性地旋轉(zhuǎn)整個(gè)慣性測(cè)量單元，并在慣性計(jì)算的積分過(guò)程中平均化慣性傳感器的漂移。在單軸轉(zhuǎn)位系統(tǒng)中，如果方位軸被配置為轉(zhuǎn)位軸，只有兩個(gè)陀螺儀（圖1中的X陀螺儀和Y陀螺儀）和加速度計(jì)（圖1中的X加速度計(jì)和Y加速度計(jì)）的漂移可以被平均化，但Z向陀螺和加速度計(jì)的漂移仍不能被消除[10]。該系統(tǒng)通過(guò)配置一個(gè)橫滾轉(zhuǎn)軸平均掉了X、Y向陀螺和加速度計(jì)的誤差，降低了對(duì)傳感器的精度要求，提高了系統(tǒng)的性能，但代價(jià)是因?yàn)榧尤朕D(zhuǎn)軸增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

在雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，慣性測(cè)量單元沿兩個(gè)垂直方向交替旋轉(zhuǎn)，就可同時(shí)平均X、Y、Z方向陀螺和加速度計(jì)的誤差，具體方案如下：假定慣性測(cè)量單元的初始角度位置在A處，旋轉(zhuǎn)速率為，沿轉(zhuǎn)軸按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)定義為正向轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)簡(jiǎn)單的雙軸轉(zhuǎn)位序列可以描述如下：（1）沿著U軸正方向旋轉(zhuǎn)180°，到達(dá)B位置，并在B位置停留Ts秒；（2）沿E軸正方向旋轉(zhuǎn)180°，到達(dá)C位置，并在C位置停留Ts秒；（3）沿U軸負(fù)方向旋轉(zhuǎn)180°，到達(dá)D位置，并在D位置停留Ts秒；（4）沿E軸負(fù)方向旋轉(zhuǎn)180°，到達(dá)A位，并在A位置保持Ts秒。轉(zhuǎn)位序列（5）～（8）與（1）～（4）相同，但旋轉(zhuǎn)方向相反。上述轉(zhuǎn)位過(guò)程見(jiàn)圖2所示。

a? 轉(zhuǎn)位序列（1）～（4）? ?b? 轉(zhuǎn)位序列（5）～（8）

以陀螺儀的誤差為例，上述轉(zhuǎn)位方案的誤差調(diào)制效應(yīng)效果可分析如下：在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，由陀螺儀漂移引入的姿態(tài)誤差可表示為：

其中， 代表姿態(tài)誤差，代表從本體坐標(biāo)系（b系）到本體水平地理坐標(biāo)系（n系，也叫導(dǎo)航系）的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣， 是投射在本體坐標(biāo)系上的陀螺儀漂移。

由公式（1）可以得出，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣在周期性的發(fā)生變化，其等效結(jié)果是陀螺漂移被周期性的調(diào)制正負(fù)號(hào)，其結(jié)果是在一個(gè)完整的調(diào)制周期中陀螺儀的誤差積分結(jié)果為零，因而不會(huì)帶來(lái)累計(jì)的姿態(tài)誤差。

上述分析結(jié)果可以得出，該簡(jiǎn)單雙軸轉(zhuǎn)位方案可以將所有慣性傳感器的漂移誤差平均化，不會(huì)激勵(lì)慣性傳感器的比例因子誤差；但該方案將激勵(lì)慣性傳感器的安裝誤差和慣性傳感器比例因子的不對(duì)稱誤差。

3.2? 16位雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)

進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)位序列，可在消除慣性傳感器漂移誤差的同時(shí)，進(jìn)一步消除慣性傳感器的安裝誤差和比例因子不對(duì)稱誤差，該方案共有16個(gè)轉(zhuǎn)位序列，因此稱為16位雙軸轉(zhuǎn)位方案，轉(zhuǎn)位序列見(jiàn)圖3所示。

在這個(gè)16位轉(zhuǎn)位方案中，感知滾動(dòng)轉(zhuǎn)位的水平陀螺和感知方位角轉(zhuǎn)位的垂直陀螺分別在前8個(gè)轉(zhuǎn)位序列和后8個(gè)轉(zhuǎn)位序列中感知相反的角速率，因此在一個(gè)完整的轉(zhuǎn)位周期中，比例因子不對(duì)稱誤差可以自然抵消。

利用3.1節(jié)中的分析方法，對(duì)圖3所示的16位雙軸轉(zhuǎn)位方案進(jìn)行分析，可以得出，由陀螺儀漂移、陀螺儀比例因子誤差和陀螺儀安裝誤差引入的姿態(tài)誤差在一個(gè)完整的轉(zhuǎn)位周期中都是零。因此，該16個(gè)轉(zhuǎn)位序列的雙軸轉(zhuǎn)位方案可以將所有的陀螺儀漂移平均化，同時(shí)不會(huì)激勵(lì)陀螺儀比例系數(shù)誤差、比例因子的不對(duì)稱誤差和陀螺儀的安裝誤差，是一種精度較高的慣性導(dǎo)航定位方案。

由于慣性傳感器的漂移、比例系數(shù)和安裝誤差可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，因此慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)需要定期對(duì)慣性測(cè)量單元進(jìn)行重新標(biāo)定，以保持系統(tǒng)的定位精度。傳統(tǒng)的捷聯(lián)式慣性測(cè)量單元重新標(biāo)定較為復(fù)雜的，需在工廠或?qū)嶒?yàn)室中使用多軸速率表等工具來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。但雙軸轉(zhuǎn)位系統(tǒng)由于包含兩個(gè)方向垂直的旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，可在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自標(biāo)定。雙軸轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的自標(biāo)定可以通過(guò)使用卡爾曼濾波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但標(biāo)定過(guò)程中應(yīng)該進(jìn)行多位置和旋轉(zhuǎn)測(cè)試，以激活和分離加速度計(jì)與陀螺儀的不同誤差源。

目前，16位雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位技術(shù)仍存在以下不足和需要改進(jìn)的地方：

①雙軸實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)位方案只能隔離兩個(gè)方向的角運(yùn)動(dòng)，為了完全隔離所有方向上的角運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該在系統(tǒng)中采用精度更高的三軸旋轉(zhuǎn)方案。然而，隨著旋轉(zhuǎn)軸數(shù)的進(jìn)一步增加，轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的復(fù)雜程度、體積、重量和成本也會(huì)顯著增加，但綜合性能和定位精度提升有限。因此，受限于目前微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)水平，根據(jù)小型化、輕量化的消防水下救援定位應(yīng)用需求，采用雙軸轉(zhuǎn)位的慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)是較為合理的技術(shù)方案。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)水平的發(fā)展，后期如能在現(xiàn)有尺寸中進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)軸數(shù)并提升慣性傳感器的傳感精度，轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位技術(shù)的定位精度還能進(jìn)一步提升。

②由于地球自身的旋轉(zhuǎn)，雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中會(huì)不可避免地受地球的旋轉(zhuǎn)速率影響，因此測(cè)量過(guò)程中慣性傳感器的比例系數(shù)和安裝誤差會(huì)與地球速率耦合，導(dǎo)致引入一定的導(dǎo)航誤差并逐漸累積。雖然該系統(tǒng)采用了16位轉(zhuǎn)位方案，具有一定的自校準(zhǔn)能力，但為了獲得持續(xù)的高定位精度，該系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間使用后還應(yīng)重新進(jìn)一步進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保慣性傳感器誤差參數(shù)的準(zhǔn)確性。

③單一的水下定位技術(shù)較難長(zhǎng)時(shí)間保障定位系統(tǒng)的精度，目前水下定位技術(shù)一般采用組合水下定位技術(shù)，在不顯著增加體積和重量的前提下，雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)如果能結(jié)合其他水下定位技術(shù)，能進(jìn)一步彌補(bǔ)單一水下定位技術(shù)的缺點(diǎn)，提升系統(tǒng)的整體性能。

最后，通過(guò)在游泳池中模擬消防救援人員的水下搜救過(guò)程，實(shí)驗(yàn)人員分別佩戴傳統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)和16位雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，16位雙軸轉(zhuǎn)位慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位誤差主要是以緩慢發(fā)散的方式進(jìn)行振蕩。定位誤差的緩慢振蕩反映出系統(tǒng)因采用16位雙軸轉(zhuǎn)位技術(shù)平均了慣性傳感器的大部分常值誤差，而緩慢的發(fā)散來(lái)自慣性測(cè)量單元的隨機(jī)誤差，即陀螺儀的角度隨機(jī)游走和加速度計(jì)的速度隨機(jī)游走。但對(duì)比捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)，位置誤差峰值減小了81.3%，位置誤差均方根值減小了95.3%，速度誤差峰值減小了65.2%，速度誤差均方根值減小了91.8%，雖然轉(zhuǎn)位式慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)的體積有所增大，但系統(tǒng)的水下定位精度有了顯著提升。

4 結(jié)語(yǔ)

改制轉(zhuǎn)隸后，國(guó)家綜合性消防救援隊(duì)伍面對(duì)“全災(zāi)種、大應(yīng)急”的職能任務(wù)需要，需不斷提升救援技戰(zhàn)術(shù)與救援裝備的技術(shù)水平。水下定位技術(shù)是消防救援隊(duì)伍水域救援領(lǐng)域中的重要技術(shù)措施之一，亟須小型化、輕量化、操作簡(jiǎn)便的水下人員或目標(biāo)定位裝置，目前可完全滿足上述需求并在消防救援領(lǐng)域配備和應(yīng)用的水下定位裝備較少。基于16位雙軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的慣性導(dǎo)航定位技術(shù)可進(jìn)一步消除傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位誤差，自主定位精度更高，如進(jìn)一步結(jié)合其他水下定位技術(shù)，可繼續(xù)改進(jìn)、完善出適用于消防水域救援的小型化、輕量化水下定位裝備，為消防救援人員的水下打撈、水下搜救和水下作業(yè)提供技術(shù)保障。

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A biaxial indexing inertial navigation and positioning technology that can be used for underwater positioning of firefighters

Xie Letao

（Sichuan Fire Research Institute， Ministry of Emergency Management， Sichuan Chengdu 610036）

Abstract： In recent years， the number of water rescue missions participated by fire and rescue teams has increased year by year， and underwater positioning is an important technical safety guarantee measure in the field of water rescue. Based on this， the application status of underwater positioning equipment for fire and rescue teams is analyzed. Combined with the types， advantages and disadvantages of commonly used underwater positioning technologies， the principle， advantages and disadvantages of biaxial indexing inertial navigation and positioning technology are analyzed. The application prospects of related underwater positioning technologies in the field of fire and rescue are prospected.

Keywords： fire and rescue; water rescue; underwater positioning; biaxial indexing; inertial navigation and positioning