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21世紀(jì)以來，隨著人類在利用海洋和開發(fā)海洋上的投入不斷增大，自主式水下航行器(AUV)引起了越來越多的關(guān)注，無論在戰(zhàn)場監(jiān)視、隱蔽打擊等軍用領(lǐng)域還是在海水檢測、海洋地質(zhì)勘探等民用領(lǐng)域都得到快速發(fā)展。導(dǎo)航是指移動(dòng)機(jī)器人借助傳感器獲知本體狀態(tài)，完成從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置的自主運(yùn)動(dòng)過程。導(dǎo)航技術(shù)作為AUV的核心技術(shù)，也是最難以解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

美俄等西方發(fā)達(dá)國家在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，2016年，俄羅斯圣彼得堡海洋儀器康采恩研制出了新型水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由深海浮標(biāo)、俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)和AUV組成，可實(shí)現(xiàn)北極冰層下米級(jí)高精度導(dǎo)航定位。同年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局授予英國軍工巨頭BAE系統(tǒng)公司一份研發(fā)“深海定位導(dǎo)航系統(tǒng)”的合同，通過在海底布放少量聲源信標(biāo)來代替全球定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)現(xiàn)無人航行器長時(shí)間高精度導(dǎo)航定位，2017年該項(xiàng)目已進(jìn)入第一階段研發(fā)工作，預(yù)計(jì)2018年對(duì)原型樣機(jī)進(jìn)行海試。

國內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚，但也取得一定的突破，“十五”期間我國首套“水下GPS高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)”研制成功，在千島湖的湖試試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在水深45m左右海域定位精度可達(dá)5cm，測深精度為30cm。

1、水下導(dǎo)航方法

上述導(dǎo)航系統(tǒng)均采用組合導(dǎo)航方法，是由2種及以上導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合形成的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航結(jié)合不同導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和持久性，是當(dāng)前使用最廣泛的導(dǎo)航方法，也是未來AUV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向。

（1）航位推算導(dǎo)航

航位推算導(dǎo)航最早于16世紀(jì)提出，但當(dāng)時(shí)很少用于水下。航位推算的定義可理解為在已知當(dāng)前時(shí)刻位置的條件下，通過測量載體移動(dòng)的距離和方位，推算下一時(shí)刻位置的方法]。AUV只要配備速度傳感器、航向傳感器及深度傳感器等，通過獲取的數(shù)據(jù)將AUV的速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分來獲得水下航行器位置。

（2）慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是依據(jù)牛頓慣性原理發(fā)展起來的自主式導(dǎo)航方法。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、控制顯示器、處理計(jì)算機(jī)等組成，其中慣性測量裝置最為關(guān)鍵，是慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)，主要由加速度計(jì)和陀螺儀組成。因此，慣性導(dǎo)航是通過將AUV的加速度對(duì)時(shí)間2次積分來獲得潛航器位置的。1958年，裝備了1套N6-A慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和1套MK-19平臺(tái)羅經(jīng)的美國鸚鵡螺號(hào)核潛艇從珍珠港出發(fā)，歷時(shí)21h穿越了北極冰蓋，誤差僅有37km。這次航行充分體現(xiàn)出了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自主性、隱蔽性和全天候的獨(dú)特優(yōu)勢。

（3）聲學(xué)導(dǎo)航

聲學(xué)導(dǎo)航是建立在水聲傳播技術(shù)基礎(chǔ)上的一種通過測定聲波信號(hào)傳播時(shí)間和相位差進(jìn)行AUV和水上艦船導(dǎo)航定位的技術(shù)。在進(jìn)行導(dǎo)航定位前，需事先在海底、艦船底部或AUV上布置聲基線陣。常用的聲學(xué)導(dǎo)航主要有長基線(LBL)、短基線(SBL)和超短基線(USBL)3種，其中LBL可分為浮標(biāo)式LBL和潛標(biāo)式LBL。圖1所示為4種聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理圖，換能器或由換能器組成的基陣會(huì)向海底聲標(biāo)或海面浮標(biāo)發(fā)射水聲信號(hào)并接受返回的信號(hào)，通過測定時(shí)延差或者方位角對(duì)AUV進(jìn)行定位。

（4）地球物理導(dǎo)航

地球物理導(dǎo)航依照所需地球物理參數(shù)的不同分為3大類：地形匹配導(dǎo)航、海洋地磁導(dǎo)航和重力導(dǎo)航。地球物理導(dǎo)航的原理是將傳感器測得的數(shù)據(jù)同預(yù)先獲得的地球物理數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配確定載體所在位置。

（5）視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航是指攝像機(jī)或視覺傳感器對(duì)捕獲的圖像等信息進(jìn)行濾波和計(jì)算，完成對(duì)障礙物和標(biāo)志物的探測和識(shí)別。水下視覺導(dǎo)航分為光視覺和聲視覺2種。光視覺是通過攝像頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤控制，而聲視覺采用的是圖像聲吶。由于海水中光照不足，導(dǎo)致水下光視覺導(dǎo)航只適合AUV在小范圍區(qū)域的導(dǎo)航定位。聲視覺因?yàn)椴捎玫氖穷愃坡晠鹊脑?，通過處理不同物體返回的聲波，并將其輪廓顯示出來。聲波比光在水中傳播距離更遠(yuǎn)，因此，聲視覺比光視覺探測范圍更廣。

水下光視覺導(dǎo)航受限于水中光照不足，而正在研究的水下激光成像技術(shù)可比水下照明提高4倍探測范圍。早在1966年，美國就對(duì)水下激光成像技術(shù)進(jìn)行了研究，較典型的有美國Sperry海洋有限公司研制的距離選通水下激光成像系統(tǒng)，在衰減系數(shù)為0.1/m的水中，觀測距離可達(dá)160m，與理論值相近，即使在近岸的渾濁水體中觀察距離也可達(dá)30m。另外，美國Sparta公司研制的水下激光成像系統(tǒng)在港口水域的成像距離可達(dá)到500W燈泡照射系統(tǒng)的5倍。而我國在該領(lǐng)域的研究大多處在實(shí)驗(yàn)室階段，近幾年，西安光機(jī)所、長春光機(jī)所、上海光機(jī)所、天津電視技術(shù)研究所、北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)及東南大學(xué)等單位均對(duì)水下成像系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距。

2、組合導(dǎo)航技術(shù)研究熱點(diǎn)

     單一的導(dǎo)航技術(shù)并不能勝任日益復(fù)雜的導(dǎo)航任務(wù)，因此AUV導(dǎo)航技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中于組合導(dǎo)航技術(shù)。AUV水下組合導(dǎo)航技術(shù)通常是指以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)為主，借助聲學(xué)導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、海洋地磁導(dǎo)航及視覺導(dǎo)航等其中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行輔助的組合導(dǎo)航技術(shù)，旨在采用高精度的導(dǎo)航技術(shù)對(duì)INS隨時(shí)間累積的誤差進(jìn)行校正，同時(shí)保證AUV的自主性和隱蔽性。常用的組合導(dǎo)航包括：INS/聲學(xué)組合導(dǎo)航、INS/地球物理組合導(dǎo)航、INS/視覺組合導(dǎo)航及INS/天文組合導(dǎo)航等。其中針對(duì)前2種的研究最為廣泛。
（1）INS/地磁匹配組合導(dǎo)航
INS/地磁匹配組合導(dǎo)航是INS/地球物理組合導(dǎo)航的一種，由INS系統(tǒng)、地磁傳感器、地磁圖和解算計(jì)算機(jī)等組成。其本質(zhì)是利用地磁傳感器測得的地磁數(shù)據(jù)與地磁圖匹配，將匹配結(jié)果作為卡爾曼濾波的觀測量對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行濾波，從而對(duì)INS系統(tǒng)的誤差進(jìn)行抑制修正，實(shí)現(xiàn)高精度定位。INS/地磁匹配組合導(dǎo)航具有無源、無輻射、全天候、全天時(shí)、高精度、隱蔽性好及自主性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用范圍廣，除極點(diǎn)外的任何地點(diǎn)都可以使用。2種導(dǎo)航技術(shù)相互結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)，一方面，地磁匹配導(dǎo)航的定位誤差不隨時(shí)間累積，可以抑制INS誤差的發(fā)散，重調(diào)其定位精度；另一方面，在地磁場較弱的地方，傳感器無法獲取精確測量數(shù)據(jù)，INS系統(tǒng)可以為地磁匹配提供位置參考，提高匹配精度和效率。INS/地磁匹配組合導(dǎo)航的強(qiáng)大優(yōu)勢，使其在軍用AUV領(lǐng)域得到高度重視，并迅速發(fā)展。
（2）INS/重力匹配組合導(dǎo)航
作為INS/地球物理組合導(dǎo)航的一種，INS/重力匹配組合導(dǎo)航也擁有類似INS/地磁匹配組合導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)。INS/重力匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)由INS系統(tǒng)、重力儀或重力梯度儀、海洋重力場背景圖和解算計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)在獲取重力信息時(shí)對(duì)外無能量輻射，也不接受電磁信號(hào)，具有良好的隱蔽性，不受地域和時(shí)域限制，是名副其實(shí)的自主無源高精度導(dǎo)航系統(tǒng)。
（3）INS/LBL組合導(dǎo)航
INS和LBL都是傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)，與前面介紹的2種熱門導(dǎo)航技術(shù)相比，INS/LBL組合導(dǎo)航技術(shù)顯得太過老舊，但這并不影響國內(nèi)外學(xué)者對(duì)它的研究熱度。
（4）INS/地形匹配組合導(dǎo)航
INS/地形匹配組合導(dǎo)航較其他2種地球物理組合導(dǎo)航研究更早，使用更廣泛。在很長一段時(shí)間內(nèi)，海底地形輔助導(dǎo)航的潛力并沒有被充分挖掘，這是由于無法構(gòu)建高精度的海底地形圖。直到多波束測深系統(tǒng)和激光探測系統(tǒng)等的出現(xiàn)，海底的詳細(xì)地形信息才得以獲取并制成海圖。2002年6月，北大西洋公約組織(NATO)對(duì)搭載了由挪威國防研究所研制的地形匹配輔助INS導(dǎo)航系統(tǒng)的HUGINAUV進(jìn)行了多次BP02海試試驗(yàn)。澳大利亞悉尼大學(xué)研發(fā)的OberonAUV采用的也是INS/地形匹配組合導(dǎo)航，并在澳大利亞的近海進(jìn)行了圖標(biāo)定位和導(dǎo)航試驗(yàn)。

3、展望

導(dǎo)航技術(shù)由于其各自的導(dǎo)航方式不同，應(yīng)用領(lǐng)域也存在差異。航位推算導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航通常作為一種基礎(chǔ)的導(dǎo)航方式與其他導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合，在軍民領(lǐng)域都廣泛使用；聲學(xué)導(dǎo)航也廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域，但隨著各國在軍事上的投入不斷加大，技術(shù)的不斷加強(qiáng)，借助衛(wèi)星信號(hào)定位的聲學(xué)導(dǎo)航信號(hào)被截獲、被干擾的可能性增大；地球物理導(dǎo)航中，INS/地形匹配組合導(dǎo)航相對(duì)INS/地磁匹配和INS/重力匹配組合方式更為成熟，這是由于地形數(shù)據(jù)庫相較于地磁和重力數(shù)據(jù)庫更易獲取、更加穩(wěn)定，所以后2種導(dǎo)航方式目前只在軍用領(lǐng)域有所使用。
（1）軍用AUV導(dǎo)航技術(shù)
在軍事領(lǐng)域，AUV對(duì)提高海軍作戰(zhàn)能力有著舉足輕重的作用。在未來的水下戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)中，通過提高AUV導(dǎo)航能力來增強(qiáng)其在水下作戰(zhàn)中的自主性、隱蔽性及精確性等性能迫在眉睫。聲學(xué)導(dǎo)航由于其浮標(biāo)或海底聲信標(biāo)布置的困難性，GPS信號(hào)和水聲信號(hào)易被截獲和不穩(wěn)定性，在水下作戰(zhàn)中顯得尤為被動(dòng)，并有被INS/地磁匹配組合導(dǎo)航、INS/重力匹配組合導(dǎo)航等地球物理輔助導(dǎo)航方式取代的趨勢。
（2）民用AUV導(dǎo)航技術(shù)
在民用領(lǐng)域，例如海洋環(huán)境監(jiān)測、海水養(yǎng)殖等，并不要求信息具有隱蔽性。因此在未來的導(dǎo)航方式中，可選擇性也會(huì)比較多。在獲得完備的地磁數(shù)據(jù)庫、重力數(shù)據(jù)庫的情況下，利用地磁或者重力輔助INS的組合導(dǎo)航顯然是不錯(cuò)的選擇。
INS/LBL組合導(dǎo)航方式在未來的發(fā)展方向可劃分為以下幾點(diǎn)：
1）逐漸用浮標(biāo)代替海底信標(biāo)。浮標(biāo)相比于海底信標(biāo)布置簡單、回收方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而且能保持LBL的高精度定位；
2）我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已經(jīng)覆蓋了亞太地區(qū)，浮標(biāo)接收的GPS信號(hào)逐步用BDS信號(hào)來代替是我國浮標(biāo)輔助導(dǎo)航定位的發(fā)展趨勢；
3）研究高精度水聲傳感器。為了提高AUV同浮標(biāo)間的通信能力，面對(duì)復(fù)雜的水聲信道，研制抗干擾能力更強(qiáng)、穩(wěn)定性更好的水聲傳感器勢在必行；
4）優(yōu)化定位算法。LBL定位大多采用三角定位和數(shù)據(jù)融合算法，設(shè)置更合適的權(quán)值以及在AUV上安裝深度傳感器將定位場景從3維轉(zhuǎn)換到2維等，都能提高定位精度。
對(duì)我國而言，逐步完成BDS導(dǎo)航系統(tǒng)，以代替美國的GPS導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的自主性，并逐步擴(kuò)大BDS導(dǎo)航范圍，才能實(shí)現(xiàn)我國INS/LBL組合導(dǎo)航質(zhì)的發(fā)展。

4、結(jié)束語

針對(duì)組合導(dǎo)航技術(shù)在AUV發(fā)展與應(yīng)用中的重要地位，文中詳細(xì)介紹了各種AUV導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展概況，并著重對(duì)各種組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了分析研究?？梢钥闯觯磥鞟UV的導(dǎo)航技術(shù)仍將是以INS為主的組合導(dǎo)航。INS/地磁匹配組合導(dǎo)航、INS/重力匹配組合導(dǎo)航等地球物理組合導(dǎo)航將在軍事領(lǐng)域發(fā)揮更加強(qiáng)大的作用；INS/LBL組合導(dǎo)航技術(shù)則將更加廣泛地應(yīng)用于民用領(lǐng)域。