自主水下航行器导航技术

ＶｏＩ．２９，Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００４火力与指挥控制ＦｉｒｅＣｏｎｔｒ０１＆ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒ０１第２９卷第６期２００４年１２月文章编号：１００２一０６４０（２００４）０６一００１１一０５自主水下航行器导航技术严卫生，徐德民，李俊，张福斌（西北工业大学航海工程学院，陕西西安７１００７２）摘要：水下导航技术是自主水下航行器发展的关键技术，因而得到了广泛的关注。

简要介绍了自主水下航行器的重要性及国外的发展概况，对国外水下航行器所采用的导航技术进行了综述，并就我国应采取的对策与措施提出建议。

关键词：自主水下航行器；导航；综述中图分类号：Ｖ２４９．３文献标识码：ＡＳｕｒＶｅｒｏｆＮａＶｉｇａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｕｔｏｎｍｏｕｓＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅＹＡＮＷｅｉ—ｓｈｅｎｇ，ＸＵＤｅ—ｍｉｎ，ＬＩＪｕｎ，ＺＨＡＮＧＦｕ＿ｂｉｎ（ＣＤＺＺＰｇ℃ｐ厂＾妃一行８Ｅ理ｇｉ挖已Ｐ一挖ｇ，ⅣＤ心＾仞Ｐｓｔ已ｒ恕Ｐｏ砂ｆｇｆ，ｌ咒ｉｆ“【，咒ｉ可口坶ｆｉ砂，Ｘｉ’以咒７１００７２，（Ｍｉ理口）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄｂｅｃａｕｓｅｉｔｉｓｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｌｏｇｙｆｏｒａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＡＶＵ）．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ，ａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｕｒｖｅｙｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡＵＶｉｓｇｉｖｅｎａｎｄｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｏｕｒｔｈｅｗａｙｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ，ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｓｕｒｖｅｙ引言海洋是人类生存和可持续发展的重要领域，海洋的开发和利用已成为决定国家兴衰的基本因素之一。

从１９９４年“联合国海洋法公约”生效以来，产生了海洋国土新概念。

而管辖海区的国土化，大大强化了海洋对国家命运的重大影响，也大大提高了海洋的战略地位，使海洋权益、海洋开发和海洋环境成为世界各国普遍关注的焦点。

同时，争夺海洋国土、海洋资源和海洋通道的斗争日趋激烈。

因此，海洋的开发将是２１世纪重要的研究发展领域，也是世界各国争夺的另一主要战场。

远程自主式水下航行器是一种智能化、自主航收稿日期：２００３一０６一０２作者简介：严卫生（１９６８一），男，江苏南通人，博士、教授，主要研究领域为水下航行器的制导、控制与仿真、水下目标跟踪、变结构控制与智能控制；徐德民（１９３７一），男，陕西三原人，教授、博士生导师。

行、可根据任务使命要求进行模块优化组合、实现多种功能的集成系统，它在军事和民用方面均有广泛的应用需求。

军事方面，未来高技术条件下局部战争的特点是信息战、电子战、远距离精确打击，利用该自航器，可以完成：（１）水下探测——目标模拟器（作为靶雷），战区侦察，战区资料快速获取，探测水雷、潜艇，扫除水雷等；（２）水下巡航武器——海上预警，封锁航线、港口，攻击破坏敌舰船和潜艇、石油设施及通讯网络等；（３）水下中继通讯——由多个水下航行器组成水下通讯网络。

民用方面，可用于：（１）海洋资源勘察与开发、海洋环境时空变化的监测、海底地形地貌调查与勘测以及深海技术等；（２）水下设施检查，如水下建筑、水坝、水下管道、水下电缆等；（３）海洋救险和打捞。

因此发展远程水下自航器具有重大的军事价值及产业化、商业化前景。

目前，美国、加拿大、英国、德国、丹麦、瑞典、挪威、意大利、法国、葡萄牙、俄罗斯、乌克兰、日本、韩、澳大利亚等国已有较多的机构和人力投入到水下航行器的研究和开发，其产品的研·１２·（总第２９～５７２）火力与指挥控制２００４年第６期制已达到了系列化、产业化、商业化。

美国依仗其雄厚的经济实力和科技优势，有２６家单位正在从事水下航行器的研究与开发，其中有代表性的大型水下航行器有：国际潜艇工程公司的“Ｔｈｅｓｅｕｓ”航行器、ＤＡＲＰＡ实验室的“ＤＡＲＰＡ”航行器、海军水下作战中心的“ＬＤＵＵＶ”和“２１ＵＵＶ”航行器，这些航行器都安装有高精度的导航传感器和高密度的能源，一次可以工作很长的时间，如“Ｔｈｅｓｅｕｓ”航行器，其航程可达到３００ｋｍ以上。

有代表性的小型水下航行器有：ＷｏｏｄｓＨｏｌｅ海洋地理研究所研制的“ＡＢＥ”和“Ｒｅｍｕｓ”航行器、ＭＩＴ研制的“ＯｄｙｓｓｅｙⅡ”航行器、佛罗里达大西洋大学的“海洋探索者”，这些航行器由于体积、成本和能源等方面的限制，一般都没有安装惯性导航系统（ＩｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，简称ＩＮＳ），主要依靠声学导航，用于科学研究工作。

因此，从国外的未来发展趋势来看，水下航行器将进入一个快速发展的阶段。

要使水下航行器完成预定的使命，都离不开水下导航技术，它是决定水下航行器技术发展与应用的瓶颈问题。

由于水下导航与空中导航相比，具有工作时间长，环境复杂，信息源少，隐蔽性要求高等特点，因此水下导航具有更大的难度。

目前，水下航行器导航技术主要分为四大类，分别是：①航位推算与惯性导航系统；②声学导航；③地球物理导航；④组合导航。

为了对国外的水下导航技术有一个比较全面的了解，以便我们有针对性地采取相应的对策，迎头赶上，本文对国外的水下导航技术进行总结。

１航位推算和惯性导航系统（ＩＮＳ）最常用而且应用最早的导航方法是航位推算法［１］，即将水下航行器的速度对时间进行积分来获得航行器的位置。

因此，这种方法需要一个水速传感器来测量航行器的速度，再用一个罗径来测量航行器的方向。

但是，这种方法的主要问题是海流的存在而给水下航行器产生一个速度的分量，这个分量水速传感器又无法测量，从而给低速航行的水下航行器在长时间航行时会产生很大的定位误差。

对于靠近海底航行的水下航行器，可以采用多普勒速度声纳（ＤＶＳ）来测量航行器相对于大地的速度，从而可以消除海流对航行器定位的影响。

目前国外水下航行器上常用的ＤＶＳ，主要有：美国ＥＤＯ公司的３０４０型和３０５０型多普勒速度声纳，其精度可达到ｏ．２％；美国ＲＤＩｎｓｔｒｕｃｍｅｎｔｓ公司的ＷｏｒｋｈｏｓｅＮａｖｉｇａｔｏｒ和ＳｏｎＴｅｋ公司的ＡＤＰ声学多普勒剖面ＣＯＶＥＬＩＡ，其最大绝对误差不大于０．００５节。

对于ＤＶＳ，其作用距离越大，其体积就越大。

因此，选择ＤＶＳ时，应根据航行器及航行器的使用环境来确定选择ＤＶＳ的类型。

在ＩＮＳ中，加速度对时间进行两次积分就可获得航行器的位置［２］。

这种导航方法的优点是自主性和隐蔽性好。

目前ＩＮＳ主要有两种形式：平台式和捷联式。

由于受体积、能源、成本等多方面的影响，水下航行器一般都采用捷联式，而且捷联惯性导航系统容易实现导航与控制一体化。

但是ＩＮＳ在水下航行器上应用的缺点是：①商业级的惯性导航系统位置漂移速度一般是几公里／小时的数量级，这对于象水下航行器这样需要长时间在水下工作的对象，这样的导航精度难于满足实际工作的需要；②初始对准比较困难，特别是由动态载体携带发射的水下航行器就尤为困难；③成本高。

因此，对于小型水下航行器，由于空间、能源及成本等问题，ＩＮＳ就受到很大的限制。

但是，随着光纤、激光等新型陀螺精度的不断提高，其成本、体积、精度、可靠性、能耗指标得到了很大的提高，因此在未来的水下航行器上将大量采用这些新型ＩＮＳ。

目前，国外水下航行器常用的ＩＮＳ主要有：美国霍尼韦尔公司ＲＬ３４环形激光陀螺惯性导航系统、美国Ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司的微机械陀螺惯性导航系统等。

航位推算法和惯性导航方法的最主要问题是随着航行器航行时间的增大，其误差也不断增大，而且其增长速率是海流、航行器的速度、测量传感器的精度的函数。

如果将水下航行器周期性地浮出水面，并采用ＧＰＳ、ＧＲＯＮＡＳＳ、无线电导航系统（如罗兰——Ｃ）对其位置修正，则航行器的导航精度将会得到很大的提高。

这时航行器在相邻两次浮出水面之间的时间间隔取决于航位推算法与ＩＮＳ的精度。

采用这样方法进行修正的主要缺陷，一是水下航行器周期性地浮出水面，对水下航行器及水面舰船的安全性带来巨大的威胁；二是对于深海作业的水下航行器，当周期性地浮出水面时，存在着需要额外的时间和能源的问题；三是当海面结冰时，这种方法显然是无法实现的。

２声学导航相对于电磁信号来说，声信号可以在水下传播较远的距离，因此声发射机可以在水下航行器元需浮出水面的情况下作为信标来导引水下航行器的航行。

目前，水下航行器采用的声学导航主要有两种形高晓光，等：空空导弹后射火控技术（总第２９—５７９）·１９·输指令信号，因此载机发射导弹后可以自由机动以迅速离开战区。

后射中导弹的弹道轨迹比较平滑，因为导弹在飞行过程中，导弹一直是指向目标的，因此无需作较大的机动就可以命中目标。

在越肩发射中，导弹为发射后截获，导弹在截获目标之前，必须由载机传输指令信号，在此期间载机的机动要受到导弹的影响，因为载机要跟随导弹运动一段时间，此时载机很容易受到目标的攻击。

此外由于在越肩发射中，导弹发射后导弹导引头一开始是背离目标的，导引头为了载获目标，导弹有一个转弯的过程，因此导弹需要作较大的机动。

从图４中可以看出，后射最大速度为５００ｍ／ｓ，而越肩发射可以达到７００ｍ／ｓ。

这是因为在后射中有一“速度过零”过程，导弹速度减小到零的时间大概为１．１ｓ，在这段时间内，导弹速度比较小，气动力无法提供所需的过载，需要通过推力矢量控制技术提供所需的法向过载。

４结束语本文对后射火控技术进行了分析，重点讨论了后射中的导弹控制问题，由于后射过程中气动力无法提供足够的法向控制力，本文提出了气动力与推力矢量相结合的复合控制方案，并进行了建模仿真。

仿真结果表明，通过后射火控系统，载机可以有效地攻击尾后目标。

相对于越肩发射，后射节约了导弹的飞行时间，可以实现发射后不管，减轻了载机发射导弹后的机动负担，增强了载机的生存能力。

后射只能攻击载机尾后一定范围内的目标，越肩发射可以攻击目标前方及侧后方的目标，实现全向攻击【６］，但是对尾后目标的攻击能力有限，因此后射是越肩发射的补充和完善，后射与越肩发射相结合，可以实现真正意义上的全向攻击。

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徐德民， 李俊， 张福斌作者单位：西北工业大学航海工程学院,陕西,西安,710072刊名：火力与指挥控制英文刊名：FIRE CONTROL & COMMAND CONTROL年，卷(期)：2004，29(6)被引用次数：9次1.Heckman D B.Abbott R C An Acoustic Navigation Technique 18731.期刊论文严卫生.徐德民.李俊.张福斌远程自主水下航行器建模研究-西北工业大学学报2004,22(4)通过对远程自主水下航行器进行动力学和运动学分析,基于经典的动量和动量矩定理,在地心惯性坐标系下建立了一种适合远程应用的自主水下航行器模型.该模型不仅考虑了地球的曲率,也考虑地球的自转运动,可应用于水下航行器导航与控制系统的一体化仿真及系统精度分析.2.期刊论文赵涛.刘明雍.周良荣自主水下航行器的研究现状与挑战-火力与指挥控制2010,35(6)自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)无论在民用还是军事方面都有广泛的应用,具有潜在的教育、科学和军事价值.简要的介绍了自主水下航行器的国内外的发展概况,讨论了自主水下航行未来发展所存在的技术问题,并探讨了自主水下航行器的未来发展趋势.最后,就我国应采取的对策与措施提出了建议.3.期刊论文王彦恺.康凤举.段世梅.王娇艳.卫玮.WANG Yan-kai.KANG Feng-ju.DUAN Shi-mei.WANG Jiao-yan.WEI Wei基于GPS卫星模拟器的AUV辅助导航半实物仿真系统开发-鱼雷技术2008,16(3)全球卫星定位系统(GPS)应用于远程自主水下航行器导航系统中,可利用其精密导航和定位能力对航位推算导航系统如惯导和多普勒导航的累积误差进行精密校正.本文设计一种采用GPS卫星定位导航模拟器、GPS接收机和仿真计算机构成的卫星导航仿真系统,旨在用于自主水下航行器AUV辅助导航系统的试验验证.文中对该系统的硬件接口设计和软件开发进行了论述,并进行了部分系统测试评估.测试结果表明,该卫星导航仿真平台工作可靠,最终的设计方案可用于AUV导航与控制半实物仿真系统中.4.期刊论文高剑.严卫生.杨立.张福斌.徐德民.Gao Jian.Yan Weisheng.Yang Li.Zhang Fubin.Xu Demin一种用于AUV导航控制软件开发与系统测试的半实物仿真系统-西北工业大学学报2007,25(1)设计并完成了用于自主水下航行器(AUV)导航控制软件的开发与系统测试的半实物仿真系统.该半实物仿真系统由实时仿真计算机和真实的导航控制计算机构成,实时仿真计算机完成AUV空间运动的实时积分解算,并利用多功能数据采集卡和串行通讯端口模拟AUV导航控制系统中的传感器和操舵机构的工作,为导航控制计算机提供全真的软硬件工作环境,使开发人员在此基础上能够完成导航控制软件全部功能的开发,并进行全面、有效的系统级软件测试,具有非常高的工程实用价值.尤其在实航试验中,可以立即在现场对修改后的导航控制软件进行测试,极大地刎降低了由软件修改带来的试验风险.5.期刊论文范欣.张福斌.李晓晖一种水下航行器轨迹发生器的设计与仿真-鱼雷技术2010,18(3)为了减少水下航行器(AUV)导航系统算法开发过程中跑车试验及半实物仿真等所耗费的资金和时间,提出一种水下航行器轨迹发生器的设计方法.利用所给出的轨迹微分方程,反推得出生成轨迹参数公式和惯性信息公式,同时给出水下航行器在直航、转弯和爬潜等常见的运动状态下轨迹发生器的具体输入,并将生成的惯性量测值(加速度和陀螺值)输入捷联式惯性导航算法.验证结果表明,利用所设计的轨迹发生器可以为研究导航算法提供模拟的数据,具有工程实际意义.6.期刊论文严卫生.高剑.宋保维.潘光水下航行器导航与控制实时仿真系统-西北工业大学学报2003,21(4)针对某远程自主水下航行器,设计并实现了该航行器的实时仿真系统,阐述了该系统的方案构思、硬件组成及工作原理,介绍了实时仿真软件,最后给出在该系统上的实验结果.结果表明,该系统能为自动驾驶仪创造一个很好的仿真环境,通过它设计者在实验室中就可以较全面地对导航与控制系统进行调试,极大地节约实验成本和调试时间.7.期刊论文张立川.徐德民.刘明雍.严卫生.ZHANG Lichuan.XU Demin.LIU Mingyong.YAN Weisheng基于移动长基线的多AUV协同导航-机器人2009,31(6)基于扩展卡尔曼滤波(EKF)理论研究了多AUV协同导航定位的移动长基线算法.移动长基线多AUV协同导航结构中,主AUV内部装备高精度导航设备,从AUV内部装备低精度导航设备,外部均装备水声装置测量相对位置关系,利用移动长基线算法融合内部和外部传感器信息,实时获取从AUV的位置信息.建立了协同导航系统数学模型,设计了EKF协同导航算法,在各种测试情况下通过仿真验证了所推导的分析结果,对EKF和几何解方程算法的导航效果进行了比较.研究结果表明,以主AUV作为移动的长基线节点时,通过EKF算法可以显著提高群体的导航定位精度.8.期刊论文卢淑娟.姚尧.李慧平水下航行器组合导航仿真系统设计与实现-鱼雷技术2007,15(5)建立了自主水下航行器SINS/DVL组合导航的实时仿真系统,给出了以PC104计算机为核心的AUV导航仿真系统设计方案,包括导航系统的基本硬件(CPU模块和扩展模块)和软件组成(惯性传感器模块、DVL和深度计、采样模块以及导航解算模块),介绍了AUV模型解算系统、组合导航解算系统、模块间通信等的设计原理.通过建立AUV数学模型的方法模拟出AUV运动参数来设计实际导航系统,避免了半实物仿真的时间、经费等耗费.仿真试验表明,模型和导航算法正确,所设计的导航仿真系统能够模拟传感器输出,并完成各种数据的采集、运算及组合导航工作方式和工作状态的转换,计算精度满足要求,方案可行.该系统可用于AUV系统的试验及性能分析,为AUV的导航定位提供保证.9.期刊论文吴太旗.欧阳永忠.边少锋.WU Tai-qi.OUYANG Yong-zhong.BIAN Shao-feng重力场辅助水下导航仿真及分析平台的构建-舰船科学技术2009,31(2)基于Simulink工具对重力场辅助水下导航仿真及分析平台进行了详细设计,并对平台各模块的原理、建立过程和细节进行了详细介绍,形成了从基础重力格网数据库构建、匹配算法设计到最终性能评估的完整的重力场辅助水下导航仿真体系.该平台集成了现阶段比较优秀的重力场网格插值模型和匹配算法模型,只需要简单地对相应的算法Matlab函数进行修改就能方便地进行对比研究,是进行重力场匹配导航实验研究、演示验证的有力工具.10.期刊论文李俊.沈安文.宋保维.徐德民基于多普勒速度声纳的水下航行器导航方法-华中科技大学学报(自然科学版)2004,32(1)提出由多普勒速度声纳、姿态测量组件和陀螺罗经组成导航系统,研究了速度解算和误差分析方法,给出了导航卡尔曼滤波算法.实船航行试验结果证明了导航方法的有效性.1.胡春生.秦石乔.王省书.黄宗升用于深海作业的激光陀螺高精度定位定向系统的仿真与实验[期刊论文]-热带海洋学报 2009(4)2.赵辉.李扬基于军用小型水下运载器的组合导航定位系统研究[期刊论文]-海洋技术 2009(1)3.刘强.许江宁.周红进水下航行器多普勒导航系统误差辨识与修正[期刊论文]-舰船电子工程 2008(11)4.李瑶.徐晓苏.吴炳祥AUV组合导航系统信息匹配的可观测度[期刊论文]-中国惯性技术学报 2008(5)5.马伟锋.胡震AUV的研究现状与发展趋势[期刊论文]-火力与指挥控制 2008(6)6.王彦恺.康凤举.段世梅.王娇艳.卫玮基于GPS卫星模拟器的AUV辅助导航半实物仿真系统开发[期刊论文]-鱼雷技术 2008(3)7.张建会SINS/DVL/GPS组合导航在远程AUV上的应用研究[学位论文]硕士 20068.王涛桑迪亚惯性地形辅助导航算法及应用研究[学位论文]硕士 20069.远豪杰便携式水下导航定位系统的研究[学位论文]硕士 2006本文链接：/Periodical_hlyzhkz200406003.aspx授权使用：都晓东(wfqinghua)，授权号：810aa62f-5611-4263-9b5c-9df0014bcfda下载时间：2010年9月13日。