鄒煒孫玉臣

（1.海裝西安局某代表室西安710000）（2.海軍工程大學(xué)武漢430033）

水下地形匹配輔助導(dǎo)航技術(shù)研究

鄒煒1孫玉臣2

（1.海裝西安局某代表室西安710000）（2.海軍工程大學(xué)武漢430033）

在簡(jiǎn)要介紹水下地形匹配輔助導(dǎo)航基本概念基礎(chǔ)上，從地形匹配輔助導(dǎo)航算法、水下數(shù)字地圖技術(shù)、水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成及試驗(yàn)等不同方面，詳細(xì)介紹了水下地形匹配輔助導(dǎo)航所涉及的主要問(wèn)題及研究進(jìn)展，可為相關(guān)研究領(lǐng)域提供參考。

地形匹配；自主導(dǎo)航；數(shù)字地圖；水下導(dǎo)航；輔助導(dǎo)航

Class NumberU674.941

1 水下地形匹配輔助導(dǎo)航的基本情況

1.1 水下自主導(dǎo)航的主要現(xiàn)狀

水面艦船、潛艇、自主攻擊性UUV等航行器遠(yuǎn)程精確自主導(dǎo)航定位是海軍裝備建設(shè)發(fā)展急需解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有較好的自主性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，是水下潛器自主導(dǎo)航系統(tǒng)的必要設(shè)備，但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差隨時(shí)間而累積，必須定期用外部信息對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。目前多采用天文導(dǎo)航信息、無(wú)線電導(dǎo)航信息和衛(wèi)星導(dǎo)航信息來(lái)校準(zhǔn)慣導(dǎo)，無(wú)線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航在戰(zhàn)時(shí)極易受電磁干擾而失去作用，使用上存在隱患。接收外部信息對(duì)于水面航行艦船來(lái)說(shuō)較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于水下航行的潛艇及水下UUV來(lái)說(shuō)，接收外部校準(zhǔn)信息，需浮出或接近水面，這勢(shì)必影響其隱蔽性，且浪費(fèi)航程［1］。因此在各類平臺(tái)及水中兵器等潛器的軍事應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)完全自主遠(yuǎn)程精確導(dǎo)航定位是至關(guān)重要的，也是各國(guó)海軍努力的方向。

地球磁場(chǎng)、重力場(chǎng)和地形場(chǎng)是良好的輔助導(dǎo)航信息源，其中陸地地形匹配輔助導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已趨于成熟并成功運(yùn)用于飛行器導(dǎo)航中［2］。目前，國(guó)外正大力將地形匹配技術(shù)推廣應(yīng)用于艦船、潛艇和其它水下航行器，早在1997年出爐的“2000-2035美國(guó)海軍技術(shù)”發(fā)展戰(zhàn)略研究中，就提出了“要在2005年將水下航行器的導(dǎo)航精度比2000年提高10倍”的目標(biāo)，并明確指出要完成這一任務(wù)主要依靠采用地形匹配技術(shù)，由此可以看出這一技術(shù)的重要性。

1.2 水下地形匹配導(dǎo)航的基本概念

水下地形匹配導(dǎo)航是一種具有自主性和隱蔽性的水下無(wú)源輔助導(dǎo)航定位方法。其原理框圖見(jiàn)圖1。

該方法首先對(duì)潛器任務(wù)海域的水下地形進(jìn)行勘測(cè)，并依據(jù)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建該海域的水下三維基準(zhǔn)數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)。在潛器執(zhí)行任務(wù)時(shí)，利用傳感器獲得潛器所在位置的海底地形信息，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的基準(zhǔn)數(shù)字地形圖進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)過(guò)連續(xù)測(cè)量和合適的算法匹配，最終確定潛器的準(zhǔn)確位置信息。將該匹配位置信息與慣導(dǎo)信息進(jìn)行融合處理，可以較好修正由于陀螺等傳感器漂移及數(shù)據(jù)外推產(chǎn)生的定位誤差，輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)完成水下自主遠(yuǎn)程精確導(dǎo)航定位［3］。因此地形匹配導(dǎo)航一般不作為獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng)使用，而是作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)使用。水下地形匹配導(dǎo)航方法可有效減少潛器的導(dǎo)航定位誤差，提高潛器的生存能力，理論上講，該方法與水下潛器的航行時(shí)間和航行距離沒(méi)有關(guān)系，可以保證潛器在長(zhǎng)時(shí)間水下隱蔽航行之后，仍準(zhǔn)確地到達(dá)任務(wù)部署水域，順利完成作戰(zhàn)任務(wù)的要求。

1.3 水下地形匹配導(dǎo)航主要涉及領(lǐng)域及研究方向

水下地形匹配輔助導(dǎo)航是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及諸多技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和配合，其關(guān)鍵技術(shù)涉及了海洋測(cè)繪、導(dǎo)航控制、計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像圖形處理等領(lǐng)域。由于水下環(huán)境較陸地環(huán)境更加復(fù)雜，水下地形匹配相關(guān)設(shè)備的研制和試驗(yàn)進(jìn)行也相對(duì)困難，因此其應(yīng)用所涉及的主要問(wèn)題與陸上地形匹配輔助導(dǎo)航有所差別。

從目前的研究情況看，水下地形匹配導(dǎo)航的主要研究方向包括：水下地形測(cè)量和基準(zhǔn)水下數(shù)字地形圖的制作；水下地形匹配方法、匹配準(zhǔn)則和匹配算法的研究；水下地形特征分析和數(shù)字地圖分辨率的定性、定量分析；水下地形匹配導(dǎo)航航路規(guī)劃技術(shù)；水下潛器慣導(dǎo)解算算法、初始對(duì)準(zhǔn)和誤差補(bǔ)償方法等多方面內(nèi)容。其中，基準(zhǔn)水下數(shù)字地圖的制作和水下地形匹配算法的分析是該應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，而水下地形分析、航路規(guī)劃和潛器慣導(dǎo)解算及誤差補(bǔ)償是成功實(shí)現(xiàn)高精度水下地形匹配導(dǎo)航的保證。

2 地形匹配輔助導(dǎo)航算法

水下地形輔助導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一就是地形匹配算法。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地形匹配算法方面的研究較廣泛，發(fā)表的文章也較多。綜合來(lái)看，根據(jù)水下地形數(shù)據(jù)使用方式的不同，地形匹配算法可分為地形高度匹配（Terrain Elevation Matching，TEM）技術(shù)和區(qū)域景象相關(guān)匹配（Scene Matching Area Correla?tor，SMAC）技術(shù)兩大類。SMAC技術(shù)具有較高的定位精度，但它對(duì)設(shè)備和地形數(shù)據(jù)要求高，所以主要用于高精度制導(dǎo)武器的末端制導(dǎo)。而TEM技術(shù)的定位精度雖然不如SMAC，但它對(duì)設(shè)備和數(shù)據(jù)的要求相對(duì)較低，且不易受外界環(huán)境變化的影響，應(yīng)用較廣。由于水下地形圖像信息的實(shí)時(shí)獲取困難，因此多使用TEM技術(shù)。

在TEM技術(shù)中，依據(jù)估計(jì)準(zhǔn)則的不同，又可以將現(xiàn)有的地形匹配算法分為三種：地形相關(guān)匹配算法，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的匹配算法和基于直接概率準(zhǔn)則的匹配算法［4］。

2.1 地形相關(guān)匹配算法

地形相關(guān)匹配算法是地形輪廓匹配（Terrain Contour Matching，TERCOM）系統(tǒng)的核心算法，其基本原理是：當(dāng)潛器經(jīng)過(guò)設(shè)定航線上某些特定地形區(qū)域時(shí)，通過(guò)測(cè)深聲納、壓力傳感器等測(cè)量設(shè)備，獲得沿航線的海底地形高程數(shù)據(jù)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)設(shè)備中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算，依據(jù)最佳匹配算法確定潛器的地理位置。由于地形相關(guān)匹配方法是基于最小二乘估計(jì)理論，在估計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮被估參數(shù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，因此不是最優(yōu)估計(jì)方法。

2.2 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的匹配算法

基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）的匹配算法是構(gòu)建桑迪亞慣性地形輔助導(dǎo)航（Sandia Inertial Terrain Aided Navigation，SITAN）系統(tǒng)的主要理論依據(jù)。其原理是：當(dāng)潛器在設(shè)定航路上航行時(shí)，首先由慣導(dǎo)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)位置信息，通過(guò)存儲(chǔ)器內(nèi)基準(zhǔn)數(shù)字地圖指示的地形特征，獲得測(cè)量的預(yù)測(cè)值。然后將實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值的差值和數(shù)字地圖上對(duì)應(yīng)區(qū)域的斜率值通過(guò)卡爾曼濾波器進(jìn)行處理，得到慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)誤差的估計(jì)值。最后使用估計(jì)值對(duì)慣導(dǎo)參數(shù)進(jìn)行修正，得到更準(zhǔn)確的潛器導(dǎo)航信息。該算法通過(guò)卡爾曼濾波原理把慣導(dǎo)數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行連續(xù)的迭代處理，達(dá)到對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)修正的目的。但該算法存在地形線性化處理的問(wèn)題，所以會(huì)不可避免的引入誤差。

2.3 基于直接概率準(zhǔn)則的匹配算法

基于直接概率準(zhǔn)則的匹配算法首先是由New?ton Johnson和Wang Tang在1990年提出，其后Enns R、Morrell D和Niclas B也分別對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)和完善［5-6］。其中基于粒子濾波（Particle fil?ter，PF）的匹配算法就是一種改進(jìn)算法。該算法以貝葉斯估計(jì)、馬爾科夫過(guò)程和蒙特卡洛理論為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)狀態(tài)濾波估計(jì)轉(zhuǎn)化為計(jì)算基于可得信息當(dāng)前狀態(tài)的條件概率密度分布，并將后驗(yàn)概率密度分布用許多包含系統(tǒng)狀態(tài)和權(quán)值的粒子表示，用粒子群的分布變化近似概率的遞推過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的連續(xù)估計(jì)。基于直接概率準(zhǔn)則的匹配算法不但可以解決非線性問(wèn)題，還能解決非高斯條件下的問(wèn)題，是一種全局最優(yōu)濾波算法。雖然目前還沒(méi)有該算法實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道，但許多仿真結(jié)果證明了這種算法優(yōu)于前兩者。

2.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)匹配算法的研究比較傾向于基于擴(kuò)展卡爾曼濾波和基于直接概率準(zhǔn)則的匹配方法。包括Lucido L和Opderbecke J等在1996年國(guó)際圖像處理年會(huì)上提出的多尺度組合算法［7］、Karlsson R和Gustafsson F在2003年IEEE國(guó)際統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理會(huì)議上提出的粒子濾波改進(jìn)算法［8］、Nygren I和Jansson M在2004年海洋工程年會(huì)上提出的地形互相關(guān)算法［9］等。瑞典皇家科學(xué)院信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室的Yingrong Xie在其2005年的碩士論文中詳細(xì)地討論了幾種水下地形匹配算法，并通過(guò)真實(shí)海底地圖進(jìn)行了仿真，得到了各種算法的特性。

國(guó)內(nèi)在地形匹配算法研究方面，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和海軍工程大學(xué)為主對(duì)常用的TERCOM、SITAN和基于直接概率準(zhǔn)則的匹配方法進(jìn)行了水下地形匹配模型的仿真，并分析了幾種主要算法的特點(diǎn)，提出了具體的改進(jìn)方法［2～3，8］。邊少鋒、鄭彤等將常用于地磁匹配的ICCP匹配算法運(yùn)用到海底地形匹配輔助導(dǎo)航中，也取得了理想的匹配效果［6］。徐遵義用Hausdorff距離作為水深實(shí)時(shí)測(cè)量曲線與海底地形圖水深曲線之間的度量函數(shù)，提高了匹配的精度［7］。目前在該方向的研究國(guó)內(nèi)外仍在火熱進(jìn)行中，新算法和各類改進(jìn)仍在不斷出現(xiàn)［10］。

3 水下數(shù)字地圖技術(shù)

正如飛機(jī)、導(dǎo)彈等空中平臺(tái)的地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)需配備基準(zhǔn)陸地?cái)?shù)字地圖一樣，要進(jìn)行水下地形匹配導(dǎo)航的水下平臺(tái)也需要相應(yīng)的水下基準(zhǔn)數(shù)字地圖。從水下地形匹配導(dǎo)航應(yīng)用角度看，水下數(shù)字地圖關(guān)鍵技術(shù)主要包括地圖數(shù)據(jù)格式與表征、水下地形圖的測(cè)繪、地形數(shù)據(jù)分析、基準(zhǔn)地形圖的制作與可視化等。由于地理信息系統(tǒng)方面的研究比較成熟，大地測(cè)量技術(shù)也比較發(fā)達(dá)，這里僅簡(jiǎn)要說(shuō)明水下數(shù)字地圖所涉及的難點(diǎn)問(wèn)題。

3.1 水下地形圖關(guān)鍵技術(shù)

從描述水下環(huán)境的地圖數(shù)據(jù)格式上來(lái)說(shuō)，數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）具有便于存儲(chǔ)、更新、傳播和計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理以及多比例尺特性，特別適合各種定量分析與三維建模的顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地學(xué)、測(cè)繪、遙感、工程計(jì)算、環(huán)境規(guī)劃等許多領(lǐng)域，在軍事上，特別是空中平臺(tái)的導(dǎo)航上也有重要的應(yīng)用。因此從目前的研究結(jié)果看，采用數(shù)字高程模型作為表征水下地形的基本模型用于水下地形匹配導(dǎo)航是合適的嘗試。

由于水下環(huán)境與空中環(huán)境差異巨大，水下地形測(cè)量面臨著許多難題。如受測(cè)深聲納波束寬度、工作頻率、信息率等海洋測(cè)量手段和海洋環(huán)境的限制，海底地形測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度難以達(dá)到較高水平。數(shù)字地圖的分辨率是表征數(shù)字地圖表達(dá)地形精細(xì)程度的重要參數(shù)，也是直接影響地形匹配精度的重要因素。經(jīng)仿真研究表明［11］，分辨率很小時(shí)，信噪比小，計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)；分辨率很大時(shí)，匹配誤差均值下限隨之線性增加，因此地圖分辨率太小或者太大都不會(huì)得到較高的匹配精度。如何確定基準(zhǔn)地形圖的分辨率本身就是值得研究的重要問(wèn)題。特別是誤差籃子、匹配網(wǎng)格數(shù)等參數(shù)都與分辨率和匹配精度相關(guān)，要明確的選定分辨率等參數(shù)，除了綜合考慮上述各方面因素之外，還要根據(jù)任務(wù)的要求，再加上試驗(yàn)與計(jì)算反復(fù)分析確定。即使對(duì)于同一幅數(shù)字地圖，水下平臺(tái)在不同的測(cè)量采樣間隔和航行速度下，數(shù)據(jù)的匹配性能也會(huì)不同。

在地圖分析技術(shù)已有效解決匹配區(qū)選擇的條件下，匹配區(qū)面積大小和相鄰匹配區(qū)間距的確定也是應(yīng)用中的難點(diǎn)之一。圖幅的大小可以從絕對(duì)大小和相對(duì)大小兩種角度來(lái)理解。絕對(duì)大小是指地圖實(shí)際代表的地理區(qū)域的面積大小，一幅用于水下地形匹配輔助導(dǎo)航的數(shù)字地圖的絕對(duì)大小，要保證水下潛器在慣導(dǎo)系統(tǒng)存在誤差的情況下，從潛器開(kāi)始匹配到結(jié)束的全過(guò)程都能夠使?jié)撈魈幱诘貓D覆蓋的區(qū)域之中。而相對(duì)大小是指含有數(shù)量上足夠多、范圍足夠廣的網(wǎng)格，以保證完全覆蓋匹配算法所需要搜索的全部網(wǎng)格區(qū)域。由于匹配區(qū)的地圖不可能無(wú)限大，因此這里所說(shuō)的保證覆蓋應(yīng)理解為以一個(gè)較高的概率覆蓋，這一覆蓋概率還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，相鄰匹配區(qū)域的間隔大小應(yīng)保證潛器在慣導(dǎo)系統(tǒng)的作用下能夠可靠進(jìn)入匹配區(qū)。而該分析與航路規(guī)劃又是密切聯(lián)系的。

此外，由于受到洋流等因素影響，水下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如空中平臺(tái)，如何消弭因?yàn)樽藨B(tài)的不穩(wěn)定而造成的測(cè)量誤差，保證測(cè)量精度和實(shí)際導(dǎo)航應(yīng)用均值得深入探討。將潮汐周期隨經(jīng)緯度變化等各種海洋水文信息與海洋地形信息整合到一起，形成有特色的海洋地理信息系統(tǒng)，為各類潛器提供軍事海洋環(huán)境信息保障，本身就是一個(gè)大的研究方向和工程領(lǐng)域。

從水下地形匹配導(dǎo)航應(yīng)用來(lái)說(shuō)，進(jìn)行航路規(guī)劃過(guò)程需要水下數(shù)字地圖的可視化。雖然地形匹配只是一個(gè)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，對(duì)于計(jì)算機(jī)而言完全可以在后臺(tái)進(jìn)行，但是不論從實(shí)驗(yàn)研究還是最終應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，能夠?qū)⑺碌匦纹ヅ鋵?dǎo)航的全過(guò)程以一種可視化的方式呈現(xiàn)出來(lái)，都是非常必要的。目前國(guó)內(nèi)正在研究以現(xiàn)有的電子海圖為基礎(chǔ)，將地形匹配與之對(duì)接，使其能在電子海圖上顯示匹配導(dǎo)航的全過(guò)程。

3.2 國(guó)內(nèi)外研究情況

海底地形數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行海底地形匹配導(dǎo)航所需的基本數(shù)據(jù)源。海底地形圖為海底地形導(dǎo)航提供了基本條件，但要使之適合海底地形匹配導(dǎo)航的需求，還需對(duì)其基本數(shù)據(jù)進(jìn)行組合優(yōu)化和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)。美軍為此已經(jīng)建立了包含海底地形結(jié)構(gòu)的三維電子海圖的標(biāo)準(zhǔn)。

美國(guó)的NIMA（National Imagery and Mapping Agency）機(jī)構(gòu)已建立了一個(gè)名叫DBDB0.5的海底地形數(shù)據(jù)庫(kù)，其分辨率達(dá)到0.5角分。為配合海軍彈道導(dǎo)彈計(jì)劃（Fleet Ballistic Missile，簡(jiǎn)稱FBM計(jì)劃），美國(guó)的NAVOCEANO（NAval OCEAN-graphic Office）也開(kāi)發(fā)出類似DBDB0.5的海底地形數(shù)據(jù)庫(kù)，只是其分辨率更高，并在近期已廣泛應(yīng)用于彈道導(dǎo)彈水下潛艇（ballistic missile submarines，SSBN）艦隊(duì)［12］。

國(guó)內(nèi)在水下地形匹配導(dǎo)航應(yīng)用的水下數(shù)字地圖制作方面研究情況未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道，但有部分單位對(duì)水下數(shù)字地圖及其測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了初步研究，結(jié)合匹配算法和測(cè)量?jī)x器特性，對(duì)地形圖的分辨率要求及地形精度對(duì)導(dǎo)航精度的影響等具體關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。在數(shù)字地圖制作方面，分別提出了“基于Delaunay三角形的三維數(shù)字地圖生成算法”、“基于電子海圖的海底地形生成方法”、“基于多波束和ArcGIS的海底地形數(shù)據(jù)庫(kù)建立”等方法。海軍工程大學(xué)還對(duì)因特網(wǎng)上公開(kāi)的部分海域水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，并自主購(gòu)置儀器設(shè)備，塔建了簡(jiǎn)易水下地形測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)木蘭湖湖底地形進(jìn)行了較完整的測(cè)量，制作了可以進(jìn)行原理演示試驗(yàn)和仿真應(yīng)用的木蘭湖湖底數(shù)字地形圖。

4 水下地形匹配輔助導(dǎo)航的系統(tǒng)構(gòu)成與試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成和試驗(yàn)平臺(tái)

水下地形匹配輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、深度傳感器與測(cè)深設(shè)備、速度傳感器與速度估計(jì)、基準(zhǔn)水下數(shù)字地形圖和地形匹配模塊（見(jiàn)圖1）。在水下地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中，參考導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以提供主要的導(dǎo)航信息；水下潛器距海平面的深度由自身攜帶的深度傳感器測(cè)量，潛器到海底的深度可以采用聲納測(cè)深裝置；匹配模塊主要是采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成，它內(nèi)部存儲(chǔ)了預(yù)定區(qū)域的基準(zhǔn)水下數(shù)字地形圖，該基準(zhǔn)數(shù)字地形圖需要事先利用水面艦船或潛器進(jìn)行測(cè)繪并分析得到。

由于直接進(jìn)行水下潛器的水下地形匹配輔助導(dǎo)航試驗(yàn)非常困難，因此，在研究初期大多是利用水面艦船進(jìn)行水下地形匹配導(dǎo)航試驗(yàn)，即建立一個(gè)由水面艦船搭載的試驗(yàn)平臺(tái)，完成水下地形的探測(cè)及數(shù)字地圖形成和水下地形匹配導(dǎo)航的原理演示及驗(yàn)證兩項(xiàng)工作。該試驗(yàn)平臺(tái)包含的主要設(shè)備有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、測(cè)深聲吶、航速測(cè)量裝置、導(dǎo)航處理計(jì)算機(jī)及相關(guān)水下地形匹配輔助導(dǎo)航系統(tǒng)軟件，此外還需配備GPS等定位設(shè)備，用于指示標(biāo)準(zhǔn)航路和準(zhǔn)確位置信息。

在試驗(yàn)平臺(tái)搭建方面，所能查找到的資料中，并沒(méi)有詳實(shí)的實(shí)物搭建實(shí)例和具體的軟件程序介紹。多數(shù)資料都只是對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)流程框圖和試驗(yàn)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹和討論。

對(duì)于地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)的核心慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以是平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)或者捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，水下兵器使用的多位捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)包括慣性導(dǎo)航解算算法、誤差補(bǔ)償方法及初始對(duì)準(zhǔn)等。

在導(dǎo)航解算算法方面涉及到的問(wèn)題眾多，其中平臺(tái)導(dǎo)航算法比較成熟，而在捷聯(lián)系統(tǒng)中，加速度計(jì)是沿載體坐標(biāo)系安裝的，它只能測(cè)量沿載體系方向的比力分量，傳統(tǒng)捷聯(lián)解算算法要進(jìn)行導(dǎo)航解算，需要將載體系中的比力量轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航系下，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的矩陣就是姿態(tài)矩陣，根據(jù)姿態(tài)矩陣的元素可以單值的確定載體的姿態(tài)角。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)捷聯(lián)算法中的姿態(tài)矩陣起到了平臺(tái)的作用，因此又稱為“數(shù)學(xué)平臺(tái)”。顯然，姿態(tài)矩陣解算的實(shí)時(shí)性和精度，在很大程度上決定了捷聯(lián)系統(tǒng)的解算速度和精度，因此在整個(gè)捷聯(lián)系統(tǒng)解算中姿態(tài)矩陣的實(shí)時(shí)解算是關(guān)鍵算法。

傳統(tǒng)的姿態(tài)解算算法有歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法等，其中四元數(shù)畢卡算法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，因而在工程實(shí)際中常采用。后續(xù)研究人員針對(duì)四元數(shù)法存在的諸多問(wèn)題進(jìn)行了不斷的改進(jìn)［13］。

在誤差補(bǔ)償方面，對(duì)于平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)系統(tǒng)，線運(yùn)動(dòng)對(duì)慣性元件的影響基本相同，因此與載體的線運(yùn)動(dòng)有關(guān)的靜態(tài)誤差模型的形式也基本相同，而平臺(tái)系統(tǒng)中對(duì)靜態(tài)誤差的研究已經(jīng)比較成熟了。對(duì)于捷聯(lián)系統(tǒng)，由于慣性元件直接固連在載體上，將直接承受載體角運(yùn)動(dòng)干擾的影響，因此，與載體角運(yùn)動(dòng)有關(guān)的那部分動(dòng)態(tài)誤差影響嚴(yán)重，對(duì)其模型研究十分重要，但對(duì)這部分誤差模型的研究目前還不成熟。此外，在捷聯(lián)系統(tǒng)中與線運(yùn)動(dòng)及角運(yùn)動(dòng)有關(guān)的隨機(jī)干擾均作用于慣性元件上，相比平臺(tái)系統(tǒng)而言，捷聯(lián)系統(tǒng)的隨機(jī)誤差也比較嚴(yán)重。因此，解決捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)下的匹配導(dǎo)航問(wèn)題面臨更大的挑戰(zhàn)。

4.2 國(guó)外海上試驗(yàn)與在水下潛器上的應(yīng)用研究

由于海底地形和地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)與武器裝備和作戰(zhàn)使用密切相關(guān)，各國(guó)對(duì)這方面的技術(shù)細(xì)節(jié)是保密的，所以國(guó)外武器是否裝有水下地形匹配系統(tǒng)還不得而知，但從各種會(huì)議期刊和報(bào)道中能夠得知各國(guó)都很注重這方面技術(shù)的研究和試驗(yàn)，有些國(guó)家已經(jīng)完成了該項(xiàng)技術(shù)在AUV上的測(cè)試試驗(yàn)［14］。以下僅簡(jiǎn)要列出國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究和發(fā)展情況：

1）瑞典皇家科學(xué)院電器工程分院的Ingemar N在讀博期間完成了海底地形匹配試驗(yàn)平臺(tái)的搭建，通過(guò)兩次海上試驗(yàn)結(jié)果證明了自己提出的地形相關(guān)匹配算法的可行性。

2）美國(guó)專利技術(shù)局的官方網(wǎng)站上也提供了一種由Sabatino和Anthony E等設(shè)計(jì)的地形匹配輔助導(dǎo)航系統(tǒng)方案圖，并提供了系統(tǒng)的硬件組成圖。

3）瑞典Link?pings大學(xué)電子工程系的Tobias K在其2005年的碩士論文中詳細(xì)地討論了用于水下地形輔助導(dǎo)航的匹配算法和試驗(yàn)平臺(tái)的搭建方法，通過(guò)湖上試驗(yàn)，得到了湖底的區(qū)域水下地形圖，并利用模型仿真驗(yàn)證了基于粒子濾波的水下地形匹配算法在輔助導(dǎo)航上應(yīng)用的可行性。

4）2002年5月到6月，北約組織六家單位進(jìn)行多次海試，其中挪威KONGSBERG研制的HUGIN潛器就裝備有FFI研制的地形輔助導(dǎo)航設(shè)備。該機(jī)構(gòu)網(wǎng)站給出了對(duì)該潛器性能的介紹以及在網(wǎng)站上對(duì)HUGIN導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖介紹。

5）瑞典Saab水下航行器系統(tǒng)公司生產(chǎn)的AUV62系列魚(yú)雷型水下潛器也具有水下地形匹配輔助導(dǎo)航功能。2003年，瑞典海軍通過(guò)潛艇發(fā)射該型潛器，并對(duì)AUV62的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。為了長(zhǎng)時(shí)間航行，采用了鋰電池代替鉛酸電池，驅(qū)動(dòng)泵噴推進(jìn)系統(tǒng)，航速在3節(jié)到11節(jié)之間。為了達(dá)到導(dǎo)航試驗(yàn)的目的，該AUV配備了齊全的導(dǎo)航設(shè)備，其慣性導(dǎo)航測(cè)量裝置包括激光陀螺Kearfott T16-B、加速度計(jì)、多普勒測(cè)速儀，還裝備了GPS接收機(jī)和水下相機(jī)，并將多波束測(cè)深聲納EM7200安裝于潛器前段。該聲納主要用于進(jìn)行探礦和地形輔助導(dǎo)航，各傳感器間通過(guò)局域網(wǎng)總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息的互通。測(cè)深儀和慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳送到PC-104計(jì)算機(jī)中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。其地形匹配算法采用一種非線性地形相關(guān)度匹配算法，它的性能優(yōu)于通常使用的線性匹配算法。盡管該算法不能顯式地給出估計(jì)誤差于克拉美羅界的差距，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，這種方法在大多數(shù)情況下都能相當(dāng)逼近克拉美羅界。

4.3 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

海軍工程大學(xué)近年來(lái)較系統(tǒng)研究水下地形匹配導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)方法、總體方案和關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了基于慣性導(dǎo)航平臺(tái)及地形匹配輔助導(dǎo)航的導(dǎo)航定位算法設(shè)計(jì)，研究了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)忍岣邔?dǎo)航定位精度的具體方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了完整的水下地形匹配輔助導(dǎo)航軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真。

在上述工作基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了水下地形匹配輔助導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案，購(gòu)置了部分必需設(shè)備，搭建了簡(jiǎn)易的船載水下地形匹配輔助導(dǎo)航原理試驗(yàn)系統(tǒng)，在木蘭湖進(jìn)行了湖底地形測(cè)量，進(jìn)行了數(shù)字地圖的制作，并隨后在湖上進(jìn)行了初步的水下地形匹配導(dǎo)航定位原理驗(yàn)證試驗(yàn)，取得了階段性的結(jié)果，初步證明了方案的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從地形匹配輔助導(dǎo)航算法、水下數(shù)字地圖技術(shù)、水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成及試驗(yàn)等不同方面，介紹了水下地形匹配輔助導(dǎo)航所涉及的主要問(wèn)題及研究進(jìn)展，結(jié)果表明，目前國(guó)外在水下地形匹配技術(shù)上投入了很大人力物力進(jìn)行研究，西方一些國(guó)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出了具備水下地形匹配功能的試驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了多次水上試驗(yàn)，安裝有該系統(tǒng)的小型水下潛器也獲得了技術(shù)上的突破。因此，利用地形匹配技術(shù)作為輔助導(dǎo)航手段來(lái)提高水下運(yùn)動(dòng)體導(dǎo)航精度完全可行，它有望成為新一代水下遠(yuǎn)程高精度自主導(dǎo)航定位的有效手段。

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Summary of Underwater Terrain Matching Aided Navigation Technology

ZOU Wei1SUN Yuchen2
（1.Xi'an Military Representative of Navy Equipment Department，Xi'an710000）（2.Naval University of Engineering，Wuhan430033）

Based on the fundamental concept of underwater terrain matching aided navigation，the main problems and re?search progress on underwater terrain matching aided navigation are introduced in detail，including the aspects of terrain matching aided navigation algorithm，underwater digital map technology，test of underwater terrain matching navigation system，and so on. The results can provide reference for related research field.

terrain matching，autonomous navigation，digital map，underwater navigation，aided navigation

U674.941

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.002

2017年2月4日，

2017年3月18日

鄒煒，男，工程師，研究方向：水中兵器裝備技術(shù)與管理。孫玉臣，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：水聲換能器技術(shù)。