張世童，張宏偉，王延輝，張玉鵬，謝陽光

自主水下航行器導航技術發(fā)展現(xiàn)狀與分析

張世童1，張宏偉1，王延輝1，張玉鵬1，謝陽光2

（1. 天津大學 機械工程學院，天津 300072；2.中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

自主水下航行器（AUV）是海洋觀測與探測的重要技術裝備。當前AUV水下導航技術面臨實時性差、信息源少、干擾多等瓶頸問題，成為世界發(fā)達國家海洋科學技術的前沿研究領域。對AUV前沿導航技術發(fā)展現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)總結(jié)，重點分析了水下導航的研究熱點并提出主流導航系統(tǒng)及關鍵技術。在此基礎上，從無輔助的單一慣性導航、組合導航及協(xié)同導航3個維度總結(jié)各自導航方式的技術特點，并分析了AUV導航技術的發(fā)展趨勢。

自主水下航行器；導航技術；輔助水下導航；組合導航；協(xié)同導航

0 引言

近年來，隨著微電子、人工智能和新興量子導航等技術的快速發(fā)展，極大地推動了海洋技術前沿領域相關技術的進步，無人水下航行器技術已經(jīng)成為各海洋強國爭先發(fā)展的重點領域。

2017年，美國國防高級探究計劃局稱計劃開發(fā)深海定位導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠為各種載有該移動工作端的水下目標提供實時、連續(xù)、穩(wěn)點以及精確的導航信息。自主水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV）具有活動范圍大、機動性強、智能化程度高等優(yōu)點，在海洋調(diào)查、海洋資源勘探、水下搜救、潛水支援、軍事偵探等領域有重大利用價值。當前，導航問題是AUV所面臨的關鍵挑戰(zhàn)之一，由于受到海水介質(zhì)物理特性的限制和海洋環(huán)境條件的影響，水下導航技術面臨可用信息源少、水下干擾多、慣性傳感器精度難以提升技術難題一直沒有被很好地解決。近些年，隨著激光陀螺儀、光纖陀螺儀和小型化及數(shù)字化多普勒測速儀（acoustic Doppler velocity log，DVL）的出現(xiàn)，大幅度提高了運動速度和航向的測量精度，為AUV組合導航系統(tǒng)的構建提供了關鍵配套技術和器件。當前，我國慣性導航技術和國外有很大差距，主要體現(xiàn)在慣性系統(tǒng)總體精度和功能特性，慣性傳感器精度，組合濾波算法等方面，在協(xié)同導航領域還處于跟跑狀態(tài)。

陀螺儀的精度對慣性導航的精度起著決定性的作用，近幾年新興起來的基于超冷原子的量子導航技術可使陀螺儀的精度提高3個數(shù)量級以上，這將有望使全空域、全時域的無縫導航成為可能。本文以近十年的研究成果為主，綜述典型水下導航技術的應用現(xiàn)狀及技術瓶頸，并提出解決技術問題的關鍵思路。在此基礎上，從3個維度對未來水下導航技術進行了展望。

1 慣性導航技術

慣性導航系統(tǒng)（inertia navigation system, INS）具有完全自主式、隱蔽性好等優(yōu)點，可以實時輸出高精度的位置、姿態(tài)、速度信息，適用于全自主水下長時間導航需求，此外還可以方便地與其他導航技術相結(jié)合，比如DVL、重力儀等，建立組合導航系統(tǒng)，因而成為當前AUV的首選導航方式，尤其對于隱蔽性要求很高的軍事用途的AUV。

隨著INS不斷發(fā)展，一些新型的慣性定位系統(tǒng)也不斷涌現(xiàn)，如光子慣性導航系統(tǒng)（photon inertial navigation system, PHINS）。法國IXSEA公司開發(fā)了1種目前世界上最輕便的水下慣性導航系統(tǒng)PHINS，定位精度高達1111.2 m/h[1]。綜合來看，我國慣性導航技術和國外還有很大差距，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)總體精度和功能特性不足，慣性傳感器精度較低。圖1、圖2分別為PHINS和國產(chǎn)高精度SGC25-7A 3軸光纖陀螺慣導設備外觀圖。

圖1 PHINS外觀圖

圖2 國產(chǎn)GC25-7A 3軸光纖陀螺慣導設備外觀圖

AUV在水下航行時在不可預知洋流作用下會發(fā)生運動軌跡漂移，尤其是基于積分方式的慣性導航系統(tǒng)中，誤差會隨著時間的積累而趨向發(fā)散，且嚴重依賴于傳感器的精度。為此，科研機構和高校在INS系統(tǒng)精度的提升方面進行系統(tǒng)地研究工作。INS的關鍵技術是高精度慣性器件制造、慣性系統(tǒng)建模與校標、姿態(tài)更新和初始誤差的修正。文獻[2]從提高INS器件精度方面，引入外部觀測數(shù)據(jù)2種方案減小誤差。文獻[3]從提高初始對準捷聯(lián)慣導系統(tǒng)（strap-down inertial navigation system，SINS）精度并指出而無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter，UKF）和容積卡爾曼濾波（cubature Kalman filter，CKF）在處理非線性濾波可讓誤差收斂。

2 量子導航定位技術

單一的慣性導航技術在隱蔽性、自主性方面有強大的優(yōu)勢，但嚴重依賴傳感器的精度。目前發(fā)展的2種量子導航定位系統(tǒng)（quantum navigation positioning system, QPS）有星基導航系統(tǒng)（satellite based navigational system）和量子慣性導航系統(tǒng)（quantum inertial navigation system），QPS在定位精度和安全性方面有絕對的優(yōu)勢。在量子力學理論所能允許的情況下，每個量子脈沖中所包含光子數(shù)目的多少對其精度起決定性作用。脈沖時延的測量精度可比全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）的定位精度高出2~4個數(shù)量級。此外，在安全性方面，基于量子特征的衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以通過設置量子加密大大提高安全性，對軍方應用方面有著很大的優(yōu)勢。

基于冷原子干涉的原子慣性傳感技術被美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）視為下一代主導慣性技術，提出“精確慣性導航系統(tǒng)（precise inertial navigation system, PINS）”研究計劃。在該計劃的支持下，美國斯坦福大學和耶魯大學成功研制第1套實驗室原子干涉陀螺，隨后麻省理工學院研制的原子激光陀螺比當前最先進的陀螺精度高3個數(shù)量級以上[4]，冷原子敏感器為慣性技術提供了美好的前景和途徑，可不用其他外部輔助技術就可以達到超高精度導航水平，可有效解決INS隨時間漂移問題。

3 組合導航技術

組合導航系統(tǒng)主要由慣性導航設備、衛(wèi)星導航設備和多普勒計程儀組成，其中慣性導航設備是核心，融合衛(wèi)星導航和多普勒計程儀的信息，將組合導航信息提供給潛器中央控制器和探測設備等用戶，主要信息流程如圖3所示。

圖3 組合導航系統(tǒng)信息流程圖

水聲技術和INS組合導航系統(tǒng)在限制INS隨時間漂移方面起著關鍵作用，這其中以多普勒測速儀和INS組合最為典型。如LinKQuest公司研發(fā)的NavQuest系列產(chǎn)品、TRDI公司的Workhorse Navigator、Explorer、Custom Engineered Solution等，丹麥和美國Kearfortt公司聯(lián)合開發(fā)的DVL/SINS組合導航系統(tǒng)，定位實驗精度達到航程的0.03 %[5]。Hugin 1000 AUV采用的DVL/INS組合導航試驗中，在水下連續(xù)3 h航行的測試中最大航行誤差小于4 m。加拿大ISE公司、水道研究所和國防部聯(lián)合研發(fā)的ARCS型號AUV組合導航系統(tǒng)，導航精度達到航程的0.05 %。國內(nèi)天津大學水下機器人團隊研發(fā)的AUV在2014年進行了初步海試，采用SINS/DVL、超短基線定位系統(tǒng)（ultra-short baseline positioning system，USBL）、深度計、GPS組合導航系統(tǒng)，實驗航行誤差為航距的0.3 %~0.6 %。表1概括了典型AUV組合導航系統(tǒng)。表1中：DR（dead reckoning）表示航位推算；DGPS(differential GPS）表示差分GPS；SBL（short baseline system）表示短基線系統(tǒng)；LBL（long baseline system）表示長基線系統(tǒng)。

表1 AUV組合導航系統(tǒng)應用情況概貌

目前，組合導航成品以Sublocus DVL、PHINS 6000最具常見，PHINS 6000僅有1種型號，產(chǎn)品還沒有形成系列化，價格昂貴難以滿足不同背景需求的科研需求。國內(nèi)中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所自主研發(fā)的SINS/DVL組合導航精度在一般工況下誤差為航程的0.3 %，惡劣工況下為航程的0.5 %。

慣性傳感器部件精度是限制組合導航精度提高的最大的技術障礙，通過引入捷聯(lián)慣導、多普勒計程儀、聲學定位、地形匹配定位等構建慣性基組合導航系統(tǒng)，著力解決組合導航中的初始位置確定、移動單信標測距、DVL安裝誤差及測速盲區(qū)、有限地形匹配定位等問題將是今后的主要技術方向。針對USBL和INS松組合至少需要3個以上信標才能確定AUV位置信息的問題[6]，文獻[7]研究了USBL和INS的緊組合問題。文獻[8]指出DVL在大滾動和俯仰的情況下會發(fā)生故障，DVL還對聲學環(huán)境的好壞較為敏感，在地形復雜區(qū)域易出現(xiàn)信號短期中斷。

4 水下地形匹配導航技術

地形匹配（terrain reference navigation, TRN）技術是利用地形特征的時空不變性和局部唯一性為AUV提供位置參考，通過已知的海底地形進而獲得AUV的絕對位置。由于不依賴于導航器件，不受其傳感器精度限制等優(yōu)勢，成為最適用的方法之一。但只能在預先儲存基準水下數(shù)字地圖區(qū)域進行導航，因此常作為1種輔助水下導航方式。由于海底地形和地形輔助導航系統(tǒng)與武器裝備和作戰(zhàn)使用緊密相關，國外對此技術細節(jié)是保密的。北約組織六家單位曾用HUGIN水下航行器進行多次海試，該潛器裝有FFI研制的地形輔助導航設備。美國斯坦福大學與蒙特利灣水下研究所在Benthic Imaging AUV進行了基于多波束聲吶的水下地形匹配實驗，在海試中獲得了4~10 m的定位精度；在返回出發(fā)點的過程中，結(jié)合地形匹配的導航最終引導誤差為35 m，遠低于依靠基礎導航系統(tǒng)引導的140 m[9-10]。日本東京大學和日本海洋工程研究院在鹿兒島海域進行TRN實驗，實驗結(jié)果精度達到了預期目標[11-12]。圖4所示的Benthic Imaging AUV地形匹配實驗結(jié)果。

圖4 Benthic Imaging AUV地形匹配實驗結(jié)果

水下地形匹配方法可以總結(jié)歸納3類：①水下地形批處理匹配導航技術；②基于擴展卡爾曼濾波的水下地形匹配導航技術；③基于直接概率準則的水下地形導航技術。當前，國外對匹配算法的研究比較傾向于擴展卡爾曼濾波和直接概率準則。文獻[13]對水下數(shù)字地圖做了分析，并通過湖驗初步證明水下地形匹配方案的可行性。文獻[14]指出基于直接概率準則的水下地形匹配導航技術因為不需要對地形進行線性化處理而有明顯優(yōu)勢，是近年來的研究熱點。

5 地圖構建導航技術

將AUV自身攜帶的掃描成像聲吶、DVL，配合平臺傳感器（慣導、羅盤等）在航行過程中自主地探索、識別周圍環(huán)境同時在線地實現(xiàn)自身的定位等問題進行研究，這就是機器人領域研究熱點即同時定位與地圖構建（simultaneous localization and mapping，SLAM），自主水下航行器是SLAM的1個主要研究領域，美國國家航空航天局（The National Aeronautics and Space Administration, NASA）資助開發(fā)的DepthX項目用于水下洞穴的考察，能實現(xiàn)完全自主定位。

在實際應用中，SLAM在自然海域?qū)Ш蕉ㄎ粫S著特征數(shù)量的增加造成計算復雜度大幅提高、觀測特征和地圖中已有的特征之間正確的數(shù)據(jù)關聯(lián)度等問題被認為是SLAM的關鍵技術。當前，SLAM技術主要集中在美國、澳大利亞、英國等國家。美國密歇根大學和伍茲霍爾海洋研究院對百慕大群島海底地形進行了3維重建，澳大利亞悉尼大學菲爾德機器人研究中心利用結(jié)構環(huán)境對SLAM進行理論研并實驗繪制了橫貫大西洋測地線上的熱液口區(qū)域地圖。文獻[15]在人造結(jié)構性環(huán)境中使用聲納傳感器進行了導航定位研究。文獻[16]從擴展卡爾曼濾波算法在線性化建模過程中會產(chǎn)生誤差方面進行研究，提出1種虛擬噪聲補償技術，使得SLAM精度顯著提高。文獻[17]提出1種NAPS（negative and positive scoring）算法，該算法每隔1段時間的周期對前面所產(chǎn)生的節(jié)點進行邊緣化處理，從而降低不斷使用SLAM時增加的圖形帶來的計算復雜度。

6 地磁、重力導航技術

地磁場是地球固有的保守力場，地磁導航（geomagnetic navigation）技術因具有強大的隱蔽性、無累計誤差、抗干擾強等特點在多個領域得到了研究和應用。該技術利用地球表面周圍的地磁場的不同，通過匹配算法，構建AUV的無源導航系統(tǒng)[18-19]，是1種備受關注的輔助導航系統(tǒng)。地磁匹配算法、地磁場延拓、地磁圖適配性、外干擾補償?shù)葐栴}是地磁導航的關鍵技術難點。2009年，日本使用AUV在駿河灣進行了地磁數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)進行了仿真實驗[20]。國防科技大學在2011年進行了慣性/地磁匹配水下導航實驗，驗證了慣性/地磁匹配組合導航技術的可行性。

重力導航（gravity navigation）是1種高隱蔽性、無源、完全自主的導航方式。重力儀作為重力導航關鍵支撐設備，能利用重力敏感器僅敏感當?shù)卮咕€方向的慣性力信息，經(jīng)過重力信號解析后得到當?shù)刂亓Ξ惓Ｐ畔?，水平方向則由系統(tǒng)穩(wěn)定平臺提供。地磁、重力導航通常作為輔助INS組合導航使用。圖5所示的是高精度海洋儀。

圖5 高精度海洋重力儀的主要部件

2016年，中船重工707所在國家973計劃支持下，完成了永興島附近海域2個典型重力場區(qū)域慣性/重力匹配組合導航技術實船原理性驗證試驗，并結(jié)合隨船試驗的1套美國L&R SII海洋重力儀對自研重力儀測量精度進行了評估。其動態(tài)精度為1×10-5m/s2；月漂移≤3×10-5m/s2；分辨率≤1×10-6m/s2；測量量程：±0.1 m/s2，精度已達到美國L&R SII海洋重力儀測量精度。文獻[21]對重力導航和地磁導航進行了對比實驗，并指出在一些重力或者磁力變化不足的地區(qū)將這2種方法結(jié)合起來具有更好的導航性能。文獻[22]提出1種存在地磁異常的新策略，讓AUV在沒有地磁圖的情況下到達目的地，仿真結(jié)果證明能有效地克服地磁異常的干擾。隨著地磁矢量傳感器技術和地磁適量探測技術的發(fā)展，建立起高精度的地磁矢量數(shù)據(jù)庫將是今后1個重要的技術發(fā)展方向。

7 協(xié)同導航技術

協(xié)同導航（cooperative navigation, CN）技術是當前西方發(fā)達國家AUV技術研究前沿領域，但大部分成果仍處于理論探索和原理驗證階段。AUV協(xié)同導航技術是基于網(wǎng)絡的導航方式，利用水聲通訊技術，共享傳感器的測量信息對AUV間的相對位置關系進行融合提高導航與定位精度，已有研究表明協(xié)同導航能有效抑制航位推算的自主導航誤差對協(xié)同定位精度影響，使得導航的整體定位誤差有界。

2006年，美國自主海洋采樣網(wǎng)絡（autonomous ocean sampling network，AOSN）項目在蒙特利海灣附近海域進行多AUV之間的水聲通訊及協(xié)同定位問題。2009年，歐盟（coordination and control of cooperating unmanned systems, GREX）項目[23]完成多AUV協(xié)作下的海洋環(huán)境測繪任務。圖7、圖8分別表示并行式協(xié)同導航系統(tǒng)示意圖和美國麻省理工學院的CADRE主從式協(xié)同導航系統(tǒng)（cooperative autonomy for distributed reconnaissance and exploration system）。

圖6 并行式協(xié)同導航系統(tǒng)示意圖

圖7 CADRE主從式協(xié)同導航系統(tǒng)示意圖

并行式（parallel mode）協(xié)同導航方式中每個AUV有同等的地位與配置，通常要求與多個鄰居通信，受水聲通信頻帶的限制大,移動長基線協(xié)同導航系統(tǒng)（moving long base line system，MLBL）是多移動領航者協(xié)同導航方法的1個典型代表。美國Virginia Tech利用AUV組建協(xié)同導航系統(tǒng)，利用內(nèi)置同步時鐘確定聲波信號的傳播時間差，并利用先進的WHIO Micro-Modems在AUV之間進行水聲通訊，水下通信率為32 B/(10 s)，是當時最先進的水聲通訊速度。

當洋流作用在AUV編隊時，會導致AUV軌跡的漂移，造成主AUV自身的定位誤差和主、從AUV之間的測距誤差，成為制約水下航行器協(xié)同導航定位的技術發(fā)展瓶頸[24-26]。此外，由于海洋水下環(huán)境的復雜性和不確定性，尤其在熱液區(qū)和地形復雜區(qū)聲信號極易被遮擋，AUV之間通信受到極大地挑戰(zhàn)。值得關注的是2016年中科院聲學所聯(lián)合北京航天控制儀器研究所成功研發(fā)了高速數(shù)字水聲通訊傳輸技術，并首次實現(xiàn)了深海潛標觀測數(shù)據(jù)實時化傳輸，破解了該領域的世界難題。

主從式（leader-follower mode）協(xié)同導航中僅領航者和跟隨者之間通信，主AUV裝備有高精度INS、DVL、DGPS和深度計。就目前而言主從式AUV協(xié)同導航的研究尚處于起步階段，在定位誤差收斂性、定位誤差上界估計、系統(tǒng)整體誤差和相對位置測量的傳遞關系等方面尚未有較明確的結(jié)論和論證。美國麻省理工學院開發(fā)的CADRE系統(tǒng)[27]、University of porto研究小組研究的移動基線系統(tǒng)均采用主從式協(xié)同導航技術。Idaho大學采用2個相距1 m的雙水聽器通過水聲信號接受的相位差得到AUV間的相對方差。

6 結(jié)束語

本文對于AUV水下導航技術現(xiàn)狀做了系統(tǒng)總結(jié)，并結(jié)合近幾年國內(nèi)水下導航技術的成果進行了部分技術對比介紹和分析。正如美國發(fā)布《下一代無人水下系統(tǒng)》報告中描述的那樣：“加快水下無人系統(tǒng)實戰(zhàn)化，不斷推進水下無人航行器的研發(fā)和作戰(zhàn)實踐，推動AUV集群協(xié)同發(fā)展”。未來水下導航技術對自主無人航行器發(fā)展起著支撐作用，針對當前導航技術的現(xiàn)狀，總結(jié)出了一些對未來導航技術的發(fā)展展望：

1）從無輔助的單一水下導航方面來看，慣性導航具有很強的隱蔽性及完全自主式特點，但在短期內(nèi)難以達到水下長時間高精度導航的水平。從長遠來看，一方面加強慣導平臺的系統(tǒng)精度，提高慣性系統(tǒng)的整體可靠性，縮小與國外先進技術的差距。另一方面加大扶持基于冷原子干涉的量子慣性導航技術力度，特別是目前該技術處于起步階段，與國外研究差距并不大，量子慣性導航系統(tǒng)的應用，未來必將對水下導航技術產(chǎn)生顛覆性突破。

2）當前水下航行器的導航方式以組合導航為主，SINS/DVL作為1種重要、典型的組合導航系統(tǒng)，一直以來受到很高的重視，從技術現(xiàn)狀來看，SINS/DVL技術的瓶頸在于關鍵傳感器的精度難以有較大提高。未來，相關部門應重點扶植和發(fā)展一體化和模塊化的國產(chǎn)水下慣性組合導航技術產(chǎn)品，如地形匹配輔助導航、地磁和重力這些無源及高隱蔽性輔助導航方式，為自主水下航行器研究提供必要的技術配套和保證，占領和鞏固國內(nèi)市場。

3）從未來戰(zhàn)略性角度來看，AUV將由單個系統(tǒng)朝向集群化趨勢發(fā)展，與其他無人系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)同，通過網(wǎng)絡化無人平臺的分布式態(tài)勢感知和信息共享，提高作戰(zhàn)和應用效能。能執(zhí)行多任務、大范圍活動、信息共享的協(xié)同導航技術將是未來AUV研究領域的熱點和難點。

[1] XBLUE Inc. FOG-based high-performance inertial navigation system[EB/OL].[2019-08-28]. https://www.ixblue. com/sites/default/files/2019-06/Phins_2019.pdf.

[2] MELOA J, MATOS A.Survey on advances on terrain based navigation for autonomous underwater vehicles[EB/OL].[2019-08-28].https://paginas.fe.up.pt/~dee10008/papers/201705_article_oceaneng_jmelo.pdf.

[3] WANG C, ZHU H, LI G, et al. The mixed level damping of the single-axial rotation of INS[EB/OL].[2019-08-28].https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/8350/83500J/The-mixed-level-damping-of-the-single-axial-rotation-of/10.1117/12.920453.short.

[4] 朱如意.量子測量:未來導航領域的顛覆性技術[N].中國航天報,2017-07-12(3).

[5] TRONI G, WHITCOMB L L.Advances in ln Situ alignment calibration of Doppler and high/low-end attitude sensors for underwater vehicle navigation: theory and experimental evaluation[J].Journal of Field Robotics, 2015, 32(5): 655-674.

[6] 陳強. 水下無人航行器[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2014: 227-230.

[7] 張濤,石宏飛,徐曉蘇.基于SINS/LBL緊組合的AUV水下導航定位技術[J].中國慣性技術學報, 2015, 23(4): 500-504.

[8] MORGADO M,OLIVEIRA P,SILVESTRE C.Tightly coupled ultrashort baseline and inertial navigation system for underwater vehicles: an experimental validation[J].Journal of Field Robotics, 2013, 30(1): 142-170.

[9] MEDUNA D K, ROCK S M, MCEWEN R S.Closed-loop terrain relative navigation for AUVs with non-inertial grade navigation sensors[EB/OL].[2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/5779659.

[10] MEDUNA D K, ROCK S M, MCEWEN R S.Low-cost terrain relative navigation for long-range AUVs[EB/OL].[2019-08-28]. https://ieeexplore.ieee.org/document/5152043.

[11] NAKATANI T, URA T, ITO Y, et al.AUV "TUNA-SAND" and its exploration of hydrothermal vents at Kagoshima bay[EB/OL].[2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/4531099.

[12] NAKATANI T, URA T, SAKAMAKI T,et al.Terrain based localization for pinpoint observation of deep seafloors[EB/OL].[2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/5278194.

[13] 鄒煒, 孫玉臣.水下地形匹配輔助導航技術研究[J].船舶電子工程, 2017, 37(8): 5-10.

[14] NYGREN I.Terrain navigation for underwater vehicles[EB/OL]. [2019-08-28].https://www.diva-portal.org/smash/ get/diva2:14353/FULLTEXT01.pdf.

[15] SALVI J, PETILLOT Y, BATLLE E.Visual SLAM for 3D lager-scale seabed acquisition employing underwater vehicles[EB/OL]. [2019-08-28]. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.657.3397&rep=rep1& type=pdf.

[16] CAO M L, LI Z, LI F F.On improved simultaneous localization and mapping algorithm for underwater navigation[EB/OL]. [2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/7554177.

[17] FALLON M F, FOLKESSON J, MCCLELLAND H, et al.Relocating underwater featurres autonomously using sonar-based SLAM[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2013,38(3): 500-513.

[18] LIU Y, WU M P, HU X P, et al.Research on geomagnetic matching methods[EB/OL]. [2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/4318904.

[19] HUANG Y, SUN F, HAO Y L.Vehicle attitude detection in underwater magnetic anomaly localization experiment[EB/OL]. [2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/5633068.

[20] KATO N, SHIGETOMI T. Underwater navigation for long-rang autonomous underwater vehicles using geomagnetic and bathymetric information[J]. Advanced Robotics, 2009, 23(7/8): 787-803.

[21] ZHENG Hui,WANG H B,WU Lin, et al.Simulation research on gravity-geomagnetic combined aided underwater navigation[J],The Journal of Navigation, 2013, 66（1）: 83-98.

[22] LI H, LIU M Y, ZHANG F H.Geomagnetic navigation of autonomous underwater vehicle based on multi-objective evolutionary algorithm[J]. Frontiers in Neurorobotics, 2017, 11(34): 1-8.

[23] KALWA J.The GREX-Project: coordination and control of cooperating heterogeneous unmanned systems in uncertain environments[EB/OL]. [2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/5278179.

[24] CHANDRASEKHAR V, SEAH W K G, CHOO Y S, et al.Localization in underwater sensor networks-survey and challenges[EB/OL].[2019-08-28]. http://vijaychan.github.io/Publications/2006%20-%20Localization%20in% 20Underwater%20Sensor%20Networks-%20Survey%20and%20challenges.pdf.

[25] STUTTERS L, LIU H H,TILTMAN C, et al.Navigation technologies for autonomous underwater vehicles[J]. IEEE Transaction on Systems Man and Cybernetics, 2008, 38(4): 581-589.

[26] BACCOU P, JOUVENCEL B.Simulation results,post-processing experimentation and comparison results for navigation,homing and multiple vehicle operations with a new positioning method using a transponder[EB/OL]. [2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/1250729.

[27] MACIEL B. De SOUSA J B.Sensor-based problems and techniques for autonomous underwanter vehicles[EB/OL]. [2019-08-28].https://ieeexplore.ieee.org/document/5278232.

Development status and analysis of navigation technology for autonomous underwater vehicles

ZHANG Shitong1, ZHANG Hongwei1, WANG Yanhui1, ZHANG Yupeng1, XIE Yangguang2

（1. Tianjin University School of Mechanical Engineering, Tianjin 300072, China; 2. Avic Xi’an Flight Automatic Control Research Institute, Xi’an 710065, China）

Autonomous underwater vehicle (AUV) is an important technical equipment for ocean exploration and surveying. Faced with poor real-time performance, less information sources and high complexity, its navigation has become a frontier research field of marine science and technology in developed countries. The paper systematically summarized the development status of AUV frontier navigation technique, emphasized the research hotspots of underwater navigation , proposed the key technologies of mainstream navigation. Finally, according to the analysis, the technical characteristics of the respective navigation methods were summarized from the three dimensions of no-aided inertial navigation, integrated navigation and cooperative navigation, and then the development trend of AUV navigation technology was analyzed.

autonomous underwater vehicle；navigation technology；aided underwater navigation；integration navigation；cooperative navigation

P228

A

2095-4999(2020)02-0001-07

張世童，張宏偉，王延輝，等. 自主水下航行器導航技術發(fā)展現(xiàn)狀與分析[J]. 導航定位學報, 2020, 8(2): 1-7.（ZHANG Shitong, ZHANG Hongwei, WANG Yanhui, et al. Development status and analysis of navigation technology for autonomous underwater vehicles[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 1-7.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200201.

2019-10-30

國家自然科學基金項目（51575376）。

張世童（1992—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為AUV導航和海底管道自主跟蹤技術。

張宏偉（1976—），男，河北唐山人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為海洋裝備動力學分析、水下導航等領域。