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水下航行器导航技术研究(2)

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INS具有完全自主式、隐蔽性能极佳的优点，在短时间内可以实时输出高精度的姿态速度位置信息，适用于全自主水下航行，也能满足远距离打击的需求。因此，INS是AUV能否准确抵达指定海域，圆满完成任务，并顺利返回的关键。

INS最主要的问题在于导航误差。受水下复杂的洋流影响，AUV的运动轨迹会发生漂移，这样势必产生一定的误差，而误差增长速率与洋流速度、航行器速度、传感器精度都有关，如果采用单一的INS，其定位误差便会随时间发散，因此不适用于水下长时间航行[2]。

解决INS的误差发散问题有很多方法，民用领域大多采用GPS修正。结合GPS定位，导航精度无疑会极大提高。但由于海水对电磁波的阻绝作用，迫使AUV必须上浮至海面才能接受信号，其安全性将受到极大威胁，所以对于执行军事任务的AUV这种方法显然不可取。再者深海作业时，周期性的上浮会面临额外的能源和时间问题。如果是在极地执行科考任务的AUV，面对成片结冰的海面而选择上浮也不现实。惯性传感器的精度是限制导航精度的最大技术瓶颈，但是随着光纤、激光等新型陀螺精度的不断提高，未来的水下航行器上将大量采用这种新型INS[3]。

4 地球物理导航技术

地球物理导航技术包括地形匹配导航技术，地球磁场导航技术，地球重力场导航技术。本文只介绍地形匹配导航技术。

地形匹配导航技术是一种自主导航技术，它将导航信息于载体预存的地形数据通过相应的匹算法，估算出载体的位置信息，充分利用了地球地形特征的时空不变性和局部唯一性。地形匹配导航不依赖于导航器件，不受传感器精度的限制，不需要安装人工信标，便可获得不亚于GPS的导航精度。如若将其作为一种辅助手段，与惯性导航技术相结合，来对惯性导航系统进行校正，能克服惯性导航的发散特性，保证AUV在水下长时间航行后也能准确到达指定水域，顺利完成任务。

但实现该技术的前提是需要对任务海域的水下地形进行勘测，并依据测绘标准构建出地形图数据库，然后才能将测量数据和先验数据进行匹配，进而得到载体的位置。这种技术存在一个最主要的问题，那就是获取先验地形图的难度太大。由于海底地形与军队武器的使用和军事作战密切相关，事关一个国家的战略安全，相关技术信息都是严格保密的，所以在未知海域使用此种导航方式是不现实的[4]。

5 总结与展望

纵览当下国际形势，推进海洋强国建设，加快海洋事业的迅猛发展势在必行，水下航行器导航技术的发展将是其中重要的一个环节。本文从定义、原理、优势、劣势四个方面概要地介绍了GPS导航技术、声学导航技术、惯性导航技术、地球物理导航技术，最后针对当前导航技术的现状，总结出一些对未来水下导航技术的发展展望。

（1）采用无辅助的单一水下导航方式时，惯性导航具有很强的隐蔽性及完全自主式的特点，但短期内很难达到水下长时间高精度导航的水平。长期来看，惯性导航会向着加强惯导平台的系统精度，提高惯性系统的整体可靠性发展。

（2）当前水下航行器的导航方式以组合导航为主，其中惯性导航与水声技术的结合最为典型。从技术现状来看，该技术的瓶颈在于关键传感器的精度难以有较大提高。未来，相关部门应重点扶植和发展一体化和模块化的国产水下惯性组合导航技术产品，为自主水下航行器的研究提供必要的技术配套和保证，占领和巩固国内市场。

（3）从未来战略性角度来看，AUV将由单个系统朝向集群化趋势发展，与其他无人系统组网协同，通过网络化无人平台的分布式态势感知和信息共享，提高作战和应用效能。执行多任务、大范围活动、信息共享的协同导航技术将是未来AUV研究领域的热点和难点[2]。

导航技术由于其各自的导航方式不同，应用领域也存在差异。总的来说，目前水下航行器导航技术仍将以惯性导航为主，多种导航技术为辅，向着自主化、智能化、高精度化等方向发展，声学导航、INS/地形匹配、INS/地磁匹配和INS/重力匹配等导航方式未来都将广泛应用于水下无人潜航器，也都将在民用和军用领域发挥巨大的作用。

[1] 黄玉龙,张勇刚,赵玉新.自主水下航行器导航方法综述[J].水下无人系统学报,2019,27(3):232-253.

[2] 张世童,张宏伟,王延辉,等.自主水下航行器导航技术发展现状与分析[J].导航定位学报,2020,8(2):1-7.

[3] 王建国,姜春萌,吴方良,等.水下航行体导航技术综述[C].第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上),2011.

文章来源：《中国海洋药物》网址: http://www.zghyywzzs.cn/qikandaodu/2021/0310/579.html