韓若曦，李海兵，郭子偉，羅 騁

（1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室，青島 266237；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

0 引言

隨著水下小型無人平臺的快速發(fā)展，海洋開發(fā)領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的前景。縱觀全球，海洋科技的較量也是綜合國力的較量，而導(dǎo)航定位技術(shù)作為水下小型無人平臺的關(guān)鍵技術(shù)，一方面影響著我國海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面也與水下攻防、領(lǐng)海安全息息相關(guān)，成為現(xiàn)階段發(fā)展水下小型無人平臺的研究熱點。

世界各國對水下無人小型平臺的導(dǎo)航定位規(guī)劃重視程度逐漸增加，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DAR?PA）于2017年投資研發(fā) “深海定位導(dǎo)航系統(tǒng)”［1］，以確保水下平臺的安全性和定位的快速準(zhǔn)確性。此外，根據(jù)美國曾發(fā)布的多版 《無人水下航行器總體規(guī)劃》及 《無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》可以看出，以慣性導(dǎo)航和聲學(xué)導(dǎo)航為主、航位推算和地球物理導(dǎo)航等方式為輔的組合導(dǎo)航技術(shù)仍是未來水下無人小型平臺所采用的主要導(dǎo)航方式［2］。隨著我國“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實施，海洋工程和水下建設(shè)需求的增加與水下導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展相輔相成、雙輪驅(qū)動。但應(yīng)意識到，目前我國水下無人小型平臺的導(dǎo)航定位技術(shù)與手段仍與世界先進(jìn)水平存在顯著差距，難以勝任某些海洋開發(fā)及探測任務(wù)，而引進(jìn)國外技術(shù)與產(chǎn)品則要面臨價格高昂、時效性差、技術(shù)封鎖以及維護(hù)困難等多重問題，因此大力發(fā)展完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能水下無人小型平臺導(dǎo)航定位技術(shù)具有深遠(yuǎn)意義。

1 海洋無人小型平臺導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 概述

水下環(huán)境十分復(fù)雜，海洋無人小型平臺對導(dǎo)航系統(tǒng)的隱蔽性、實時性等需求逐步提升，這些因素導(dǎo)致單一的導(dǎo)航系統(tǒng)早已無法勝任作業(yè)要求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）會隨時間產(chǎn)生累積誤差，因此需依據(jù)輔助導(dǎo)航信息來抑制INS的漂移，提高導(dǎo)航定位精度。隨著微處理器計算能力與陀螺儀技術(shù)的進(jìn)步，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）因體積小、質(zhì)量小、成本低、維護(hù)方便，正成為當(dāng)今水下導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用主流。目前，海洋無人小型平臺主要采取INS與水聲定位系統(tǒng)、多普勒計程儀（Doppler Velocity Log，DVL）結(jié)合的組合導(dǎo)航方式，圖1給出了水下慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖。

圖1 水下慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of inertial/underwater acoustic integrated navigation system

DVL測速信息及水聲定位單元提供的實時聲速信息、聲學(xué)數(shù)據(jù)與SINS提供的導(dǎo)航解算信息進(jìn)行融合處理，輸出導(dǎo)航定位信息并實時更新來對系統(tǒng)進(jìn)行校正。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中引入水下可用信號，充分發(fā)揮各測量儀器的優(yōu)勢，以實現(xiàn)高效、自主、隱蔽的高性能水下導(dǎo)航定位。

1.2 水下無人小型平臺組合導(dǎo)航技術(shù)國外現(xiàn)狀

水下無人小型平臺具有降低平臺全壽命費(fèi)用和減少人員傷亡等多方面優(yōu)勢，可以完成復(fù)雜的水下任務(wù)，水下導(dǎo)航與定位技術(shù)作為保證其精準(zhǔn)完成任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在歐美等國家中較早展開研究。隨著傳感器精度的提升及聲學(xué)定位技術(shù)的發(fā)展，INS/水聲組合導(dǎo)航技術(shù)也在迅速發(fā)展。水下聲學(xué)定位包括超短基線定位（Ultra?short Baseline，USBL）、 短基線定位（Short Baseline，SBL）與長基線定位（Long Baseline，LBL）三種方式，借助水聲為INS提供校準(zhǔn)信息；利用多普勒測速儀（Doppler Velocity Log，DVL），可測量無人平臺相對海底的速度，可與磁羅盤、傾角儀等設(shè)備配合以提高精度。國際上，水下無人小型平臺常用 SINS/DVL、 SINS/LBL、 SBL、USBL幾種導(dǎo)航方式，表1、表2分別給出了典型國外水下無人小型平臺應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)或代表產(chǎn)品。

表1 國外SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品Table 1 Products of SINS/DVL navigation system abroad

表2 國外用于SINS/聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備及平臺Table 2 Equipments and platforms for SINS/acoustic navigation system abroad

續(xù)表

由表1、表2可知，水下無人平臺大多用到INS、DVL與LBL、USBL等幾種導(dǎo)航方式的組合，其在長航時工況下會出現(xiàn)累積誤差，有時需要上浮校準(zhǔn)，因此隱蔽性難以滿足。諸多國家為此不斷深入對水下組合導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)一步研究，除表中產(chǎn)品外，美國亞特蘭大大學(xué)研發(fā)了水下機(jī)器人，其導(dǎo)航方式包括INS、DVL和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）輔助導(dǎo)航。加拿大國防部研發(fā)的自主無人潛航器（Autono?mous Underwater Vehicle，AUV）將 INS、 聲學(xué)自動搜尋裝置、DVL及壓力傳感器進(jìn)行組合，可提高導(dǎo)航定位精度。對于淺海作業(yè)的AUV，其作業(yè)深度為幾百米，且航行時間要求較短，一般為10h左右，因此可以在INS基礎(chǔ)上結(jié)合聲學(xué)導(dǎo)航并輔以GNSS來修正誤差；對于深海作業(yè)的AUV，需要數(shù)十小時在水下幾千米的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，對導(dǎo)航系統(tǒng)體積限制較小，而對其精度和隱蔽性要求較高，往往以INS為主輔以DVL或羅經(jīng)等來修正誤差；對于極端環(huán)境下的潛航器如俄羅斯的“GLONASS”，則在特定海域進(jìn)行有纜校準(zhǔn)。

1.3 水下無人小型平臺組合導(dǎo)航技術(shù)國內(nèi)現(xiàn)狀

我國海洋水下無人小型平臺的導(dǎo)航定位技術(shù)在過去20多年里取得了一定的進(jìn)展，表3給出了我國主要水下無人小型平臺導(dǎo)航系統(tǒng)介紹。

由表3可知，國內(nèi)組合導(dǎo)航平臺以聲學(xué)導(dǎo)航、慣性組合導(dǎo)航最為常見，在常規(guī)應(yīng)用方面的技術(shù)也趨近成熟，但大部分水下無人平臺仍采用國外導(dǎo)航系統(tǒng)，僅少數(shù)為國內(nèi)產(chǎn)品。其中，西北工業(yè)大學(xué)與天和海防等單位共同研制的 “中國無影”小型潛航器可實現(xiàn)高精度的自主導(dǎo)航，并在無人潛航器的定深控制技術(shù)、應(yīng)急避險控制、組合導(dǎo)航等方面實現(xiàn)了一定的技術(shù)突破。另外，在 “十五”期間，我國自行研制出了一系列長程USBL定位系統(tǒng)，定位深度接近4000m［3］。在INS/水聲組合導(dǎo)航方面，西安自動控制研究所自主研發(fā)了SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其精度在一般工況下的偏差可達(dá)到航程的0.3%［4］；中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海站先后設(shè)計了水下拖體航跡測量方法及一系列水聲定位改進(jìn)算法［5］；哈爾濱工程大學(xué)的劉伯勝等在 《水聲學(xué)原理》中的研究為聲納的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)，哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點實驗室在深海AUV的長航時高精度導(dǎo)航方面也積累了豐富經(jīng)驗；自2010年以來，廈門大學(xué)致力于水聲傳感網(wǎng)絡(luò)定位及水聲定位中時延估計等［6］問題的研究，提高了水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和水聲定位信號的處理效果［7］；中國船舶重工集團(tuán)公司第七一2研究所和第七一五研究所分別對水下定位浮標(biāo)系統(tǒng)和信標(biāo)裝置［8］、水聲定位校準(zhǔn)及波束形成算法［9］、 基于 GNSS 的水下立體定位系統(tǒng)［10］等展開了一系列研究，顯著提高了波束形成的分辨率和水下定位效率；海洋水下小型無人平臺導(dǎo)航定位技術(shù)的集成也在逐步進(jìn)展中，中國艦船研究設(shè)計中心的謝偉等對水下攻防的感知與協(xié)同導(dǎo)航進(jìn)行了一系列研究，為我國未來水下導(dǎo)航裝備建設(shè)提供理論參考［11］。結(jié)合楊元喜院士團(tuán)隊對水下導(dǎo)航定位技術(shù)的一系列研究［3］可知，我國現(xiàn)行的水下導(dǎo)航定位技術(shù)可以滿足海洋水下小型無人平臺的基礎(chǔ)作業(yè)定位精度要求，但對更多的海洋數(shù)據(jù)采集和更多的導(dǎo)航任務(wù)則需進(jìn)一步提高水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能。

2 水下無人小型平臺慣性/水聲導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

從INS與水聲定位技術(shù)現(xiàn)狀和水下無人小型平臺的應(yīng)用需求來看，水下導(dǎo)航與定位技術(shù)仍將以慣性導(dǎo)航和水聲導(dǎo)航為主、其他導(dǎo)航方式為輔。因此，大力發(fā)展以慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)為主的方式，對提升自主研發(fā)能力仍具有重要的意義。慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括初始對準(zhǔn)、聲線修正、守時與授時及信息融合技術(shù)等幾個方面。

2.1 水下慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)技術(shù)

導(dǎo)航計算機(jī)通過初始對準(zhǔn)來獲得正確的初始條件，包括初始速度及位置。水下工況的復(fù)雜性要求系統(tǒng)具備足夠的快速性、魯棒性，能夠持續(xù)高效地為后續(xù)姿態(tài)更新提供條件。傳統(tǒng)的兩階段對準(zhǔn)為：先進(jìn)行粗對準(zhǔn)，后進(jìn)行精對準(zhǔn)。對于粗對準(zhǔn)，目前可采用四元數(shù)法和凝固法，二者精度相似且已接近理論水平，因此其主要提升空間在于精對準(zhǔn)過程。

進(jìn)行地面（靜基座）對準(zhǔn)時，INS為線性定常系統(tǒng)，可觀測性更容易分析，可實現(xiàn)快速對準(zhǔn)。但對于多數(shù)采用SINS的水下無人小型平臺，因其行進(jìn)速度和角速度處于不斷變化中，故需進(jìn)行非線性初始對準(zhǔn)。現(xiàn)行的處理方法有基于確定性策略的Sigma點非線性濾波方法，典型方法有無跡Kal?man濾波算法，其難點在處理非線性函數(shù)的高斯積分。此外，還有基于逼近隨機(jī)變量的概率分布方法來處理非線性濾波，用于SINS初始對準(zhǔn)過程，目前已有大量文獻(xiàn)驗證。非線性濾波對準(zhǔn)需要面對的另一大問題是模型可觀測性分析，針對SINS的非線性對準(zhǔn)模型，可運(yùn)用解析方法，根據(jù)有限長度區(qū)間的量測信息求解狀態(tài)初值［12］。對于小型艦船類無人平臺，基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）的 SINS 組合導(dǎo)航技術(shù)的需求逐漸增加，而傳統(tǒng)動基座初始對準(zhǔn)技術(shù)使用在MEMS系統(tǒng)上會造成較大誤差，現(xiàn)有方法可結(jié)合運(yùn)動學(xué)原理進(jìn)行誤差建模，進(jìn)而實現(xiàn)兩步對準(zhǔn)；當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)精度較高時，可利用轉(zhuǎn)位信息設(shè)計對準(zhǔn)方案［13］。當(dāng)前，基于MEMS的SINS技術(shù)正逐漸進(jìn)入小型化、規(guī)?；能娒駪?yīng)用市場，其初始對準(zhǔn)也將是水下導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展重心之一。

2.2 聲線修正技術(shù)

對于水下聲學(xué)定位系統(tǒng)來說，海水中聲速的時空特性導(dǎo)致聲波在傳播過程中出現(xiàn)彎折，使得海水的傳播路徑呈現(xiàn)為極為復(fù)雜的多段折線，此時若直接利用整個海域的平均聲速進(jìn)行定位計算會產(chǎn)生很大偏差，因此需要聲線修正來補(bǔ)償定位誤差。當(dāng)前聲線修正方法主要有查表法、代入公式計算法以及建立聲線修正模型法。

20世紀(jì)60年代起，Vaas和Anderson等先后提出了基于Taylor級數(shù)的展開法和基于海水溫度鹽度壓力的經(jīng)驗公式法對聲速進(jìn)行修正。之后，海洋科學(xué)家們相繼提出了各種經(jīng)驗公式，分別適用于特定的條件和范圍，具體如表4所示［14］。

經(jīng)驗公式局限于特定的環(huán)境要求，在應(yīng)用中限制較多，學(xué)者們提出了預(yù)先根據(jù)特定海域參數(shù)建立聲速表［15］的方法，但對于環(huán)境變化較大的海域有待進(jìn)一步完善。20世紀(jì)以來，有效聲速（Ef?fective Sound Velocity，ESV）概念被提出，之后衍生出ESV估計的一系列方法。針對前述海洋環(huán)境未知干擾問題，考慮更多的環(huán)境變量進(jìn)行ESV估計可提升聲線修正效果，但計算量較大。在淺海海域，利用靜態(tài)觀測值可基于最小二乘方法進(jìn)行定位估計。近年來，智能算法發(fā)展迅速，將其用于ESV估計可提高計算效率?；谶z傳算法進(jìn)行優(yōu)化，可有效提高ESV表的精度；基于粒子群方法來解算長基線定位系統(tǒng)的優(yōu)化函數(shù)，其結(jié)果較傳統(tǒng)算法更優(yōu)，但以上方法目前仍停留在仿真階段。國內(nèi)專注于聲線修正研究的有海軍潛艇學(xué)院的朱海團(tuán)隊，其提出了基于水聲傳播時延補(bǔ)償來修正INS/多信標(biāo)水聲測距定位誤差［16］，針對信標(biāo)信號延遲或缺失等問題，基于異步量測序貫處理方法構(gòu)建SINS/LBL組合導(dǎo)航計算模型，實時更新應(yīng)答信號，補(bǔ)償聲速誤差［17］。笪良龍團(tuán)隊通過研究潛航器所處的海洋環(huán)境，對特定海域聲場環(huán)境［18］以及聲學(xué)導(dǎo)航中存在的噪聲如艦船噪聲［19?20］等的特性進(jìn)行討論，分析其對導(dǎo)航定位的影響，設(shè)計方法以提升淺海聲速剖面反演性能，改善了聲速修正效果。孫芹東等通過研究淺海聲場及海洋環(huán)境特征［21］，設(shè)計方法改善了海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)平臺的探測性能。

2.3 守時與授時技術(shù)

守時與授時技術(shù)是發(fā)展國防和國民經(jīng)濟(jì)的重要因素，是時間同步的關(guān)鍵應(yīng)用，對于水下小型無人平臺導(dǎo)航定位而言十分重要。

（1）原子鐘守時系統(tǒng)

由原子鐘組構(gòu)成的守時系統(tǒng)是制定工作標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，實際應(yīng)用中對守時系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性都要求極高［22］。協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC）是世界民用時的基礎(chǔ)，國際計量局（The International Bureau of Wei?ghts and Measures，BIPM）為提供全球統(tǒng)一的實際參考基準(zhǔn)收集了全世界70多個實驗室約350臺高精度原子鐘的對比數(shù)據(jù)，建立并維持國際原子時（International Atomic Time，TAI），基于此，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)觀測以及閏秒設(shè)置得到協(xié)調(diào)世界時UTC。我國的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（NTSC）由中國科學(xué)院國家授時中心（National Time Service Center，NTSC）產(chǎn)生和維護(hù)。UTC（NTSC）系統(tǒng)作為長、短波授時系統(tǒng)的核心部分，自1970年成立至今持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，其守時綜合性能目前也已躋身世界前列，成為國際原子時歸算的最大權(quán)重單元之一。

北斗衛(wèi)星的發(fā)展使得我國北斗系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）時間國際標(biāo)準(zhǔn)溯源關(guān)系得以建立，如圖2所示，通過建立國內(nèi)/國際對比鏈路可進(jìn)行UTC、UTC（NTSC）和BDT之間的數(shù)據(jù)傳遞。

未來，TAI技術(shù)的進(jìn)步也會極大改進(jìn)UTC的性能［23］。

對于守時技術(shù)在導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用，多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容操作是需要深入的方向，將多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，消除其相互干擾，可提升接收端的使用體驗，且相比于總體成本并無明顯提升。我國北斗與俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作將是未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)兼容應(yīng)用的重點環(huán)節(jié)之一。

在水下導(dǎo)航方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，芯片級原子鐘（Chip Scale Atomic Clock，CSAC）因具有體積小、能耗低、適合微型化等優(yōu)點，現(xiàn)已多用于水下環(huán)境中。作為超低功率的時頻基準(zhǔn)，CSAC能顯著改善導(dǎo)航定位系統(tǒng)的機(jī)動性和魯棒性，在無衛(wèi)星信號但又需要精確時間同步和計時的環(huán)境中完成時間保持、通信和導(dǎo)航定位等任務(wù)。

（2）衛(wèi)星授時技術(shù)

衛(wèi)星授時技術(shù)是保障導(dǎo)航定位系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵支撐。使用衛(wèi)星進(jìn)行授時屬于廣域高精度的授時方式，包括基于通信衛(wèi)星的授時技術(shù)和基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時技術(shù)兩類。

轉(zhuǎn)發(fā)式和數(shù)字衛(wèi)星授時是通信衛(wèi)星授時的兩種方式，轉(zhuǎn)發(fā)式授時技術(shù)研究進(jìn)展如表5［24?27］所示。

表5 轉(zhuǎn)發(fā)式授時技術(shù)進(jìn)展情況Table 5 Progress of repeater timing technology

轉(zhuǎn)發(fā)式授時具有通信授時一體化、時頻基準(zhǔn)設(shè)備便于維護(hù)和導(dǎo)航信號靈活性更強(qiáng)的優(yōu)勢，可實現(xiàn)的遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)發(fā)式授時精度為2ns～3ns［28］。由衛(wèi)星電視信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時間發(fā)播來進(jìn)行授時的技術(shù)為衛(wèi)星電視授時技術(shù)，其上進(jìn)行的試驗結(jié)果表明，該技術(shù)的單向授時精度優(yōu)于100ns，附加廣域差分技術(shù)后授時精度可達(dá)20ns。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時技術(shù)包括GNSS標(biāo)準(zhǔn)授時、GNSS 精密單點定位（Point to Point Protocol，PPP）授時和基于共視原理的衛(wèi)星授時。我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已具備標(biāo)準(zhǔn)的定位和授時功能，且在地球靜止/傾斜同步軌道、中地球軌道及星載原子鐘等方面［29?31］具有一定技術(shù)進(jìn)展。 GNSS PPP 技術(shù)使用載波相位和偽距觀測數(shù)據(jù)及高精度軌道和星鐘差來進(jìn)行PPP定位和授時［32］。隨著北斗三號全面建成并展開服務(wù)，利用BDS開展的PPP授時與應(yīng)用也在快速發(fā)展，NTSC研究人員先后提出利用共視原理和基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時方案，前者可將衛(wèi)星單向授時精度由20ns提高到3ns～5ns；后者基于BDS實現(xiàn)精密授時（Precise Time Service，PTS），再利用PPP時間傳遞方式給到用戶，靜態(tài)授時精度可達(dá)亞納秒量級［33］。

守時與授時技術(shù)的發(fā)展提高了水下平臺的導(dǎo)航定位性能，但也要意識到當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的不足，表現(xiàn)在：軍用授時能力有限、單一系統(tǒng)授時能力不足、微型時鐘技術(shù)發(fā)展緩慢及水下授時能力存在缺陷。對于水下導(dǎo)航來說，1ms的時間誤差將導(dǎo)致約1500m/s×0.001s＝1.5m的定位誤差，且水聲通信的主要特點是傳播速度低，延遲且具有時變性，信號衰減嚴(yán)重，存在多徑效應(yīng)。對于水下無人小型平臺來說，這都是需要解決的難點問題。

2.4 水下慣性組合導(dǎo)航信息融合技術(shù)

水下無人小型平臺在執(zhí)行任務(wù)的不同階段時往往要在不同類型的組合導(dǎo)航方式之間進(jìn)行切換，以多種導(dǎo)航方式實時傳遞的導(dǎo)航信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化融合，實現(xiàn)高精度定位。其中，統(tǒng)計推斷、估計理論和信息預(yù)處理是進(jìn)行信息融合的重要手段，隨著各種新型方法的出現(xiàn)與更新，水下INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息處理策略也在不斷迭代。

（1）信息預(yù)處理技術(shù)

由于不同海域具有不同的特性，水下環(huán)境屬于極其復(fù)雜的場景，海洋湍流和可能存在的空泡噪聲，即各種水下生物的噪聲、混響等都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合前的預(yù)處理，常采用加權(quán)平均、最小二乘、小波變換等方法。

賈朗特等［34］對水下聲波傳播過程中的多徑干擾效應(yīng)展開了一系列研究，并提出了一種改進(jìn)的有限脈沖響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波方法，實驗結(jié)果表明該方法優(yōu)于遞歸濾波和小波濾波。為排除隨機(jī)干擾，周佳加等［35］采用正交小波變換的快速算法對DVL量測數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波，實驗結(jié)果表明該算法可提高組合導(dǎo)航的精度。中國船舶重工集團(tuán)公司第七一2所曾對水下無人小型平臺的降噪方法進(jìn)行研究［36］，提出了一種改進(jìn)的Surfacelet變換方法。中國海洋大學(xué)張洪進(jìn)團(tuán)隊［37］對聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使用稀疏化擴(kuò)展信息濾波（Sparse Extended In?formation Filter，SEIF）進(jìn)行實驗，利用經(jīng)過預(yù)處理的聲吶數(shù)據(jù)，將SEIF與EKF的運(yùn)算結(jié)果分別與GNSS對比，SEIF方法的定位誤差較EKF減小了50%，可有效提高定位精度。

（2）估計理論及方法

20世紀(jì)，Wiener和Kalman先后提出Wiener濾波理論和Kalman濾波理論，開啟了對狀態(tài)估計理論的研究。狀態(tài)估計方法現(xiàn)已成功運(yùn)用到慣性組合導(dǎo)航的信息融合處理中，隨著INS組合導(dǎo)航對狀態(tài)估計方法需求的增加，后續(xù)開展了一系列研究。20世紀(jì)70年代末，Moore等基于Kalman濾波（Kalman Filter，KF）設(shè)計了擴(kuò)展 Kalman 濾波（Ex?tended Kalman Filter，EKF）算法用于非線性系統(tǒng)，EKF運(yùn)算速度快，易實現(xiàn)，但對強(qiáng)非線性特征可能濾波發(fā)散。在狀態(tài)和測量噪聲為高斯分布假設(shè)下，可采用由KF衍生的容積Kalman濾波（Cuba?ture Kalman Filter，CKF）、 無跡 Kalman 濾波（Un?scented Kalman Filter，UKF）以及 Gauss?Hermite 求積分 Kalman 濾波（Gauss?Hermite Quadrature Kalman filter，QKF）方法去近似非線性函數(shù)的后驗分布；在狀態(tài)和測量噪聲為非高斯分布假設(shè)下，傳統(tǒng)方法有高斯和濾波（Gaussian Sum Filter，GSF）算法以及基于隨機(jī)抽樣的粒子濾波算法（Particle Filter，PF），但由于計算步驟復(fù)雜、實時性較差，因此沒有被廣泛應(yīng)用［38］。對于由DVL、USBL和航向姿態(tài)參考系統(tǒng)組成的水下無人平臺組合導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)有研究中，采用UKF方法進(jìn)行處理可提高導(dǎo)航定位過程的抗干擾性，利用UKF方法可提高SINS/GPS/DVL組合導(dǎo)航校正估計精度，基于自適應(yīng)濾波和強(qiáng)跟蹤濾波的混合校正濾波方法可減少未知量測噪聲對系統(tǒng)的影響。

（3）聯(lián)邦濾波器

集中式和分散化濾波是利用Kalman方法對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的兩種途徑，前者利用一個濾波器來處理各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，理論上可給出系統(tǒng)誤差估計最優(yōu)解，但由于維數(shù)較高的系統(tǒng)實時性差，且當(dāng)某個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會污染系統(tǒng)整體，因此容錯性較差；后者在解決這些問題的基礎(chǔ)上發(fā)展，典型分散化濾波方法為聯(lián)邦濾波器，能夠簡化處理過程，更易得出全局最優(yōu)或次優(yōu)解。

慣性/聲學(xué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)易在水下環(huán)境中遇到問題，朱兵等［39］針對 SINS/DVL/AST（水聲單應(yīng)答器）系統(tǒng)中DVL測速信息和水聲單應(yīng)答器位置信息受高斯噪聲污染的問題，提出了基于馬氏距離的聯(lián)邦魯棒Kalman濾波算法，對信息分配系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高了導(dǎo)航精度以及對AST輸出信息的容錯性。在處理水下機(jī)器人INS/GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在行進(jìn)過程中受到未知隨機(jī)擾動的問題時，陳帥等［40］提出了基于置信檢驗自適應(yīng)聯(lián)邦Kalman濾波框架，并經(jīng)實驗驗證了其良好效果。王磊等［41］將多模型估計引入到聯(lián)邦濾波器中，結(jié)合多源導(dǎo)航傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，建立了以INS為參考的導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型，提高了水下無人平臺INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實時性、靈活性及容錯能力。針對組合導(dǎo)航中的非線性問題，賴際舟等［42］改進(jìn)了SINS/GPS/高度計組合導(dǎo)航信息處理方法，在Kal?man濾波中融入粒子濾波獲取多維高斯分布的過程，以提高算法自適應(yīng)能力。

3 水下無人小型平臺慣性/水聲組合導(dǎo)航應(yīng)用需求分析

水下無人小型平臺具有操作靈活、能耗較低、避免人員傷亡的優(yōu)點，且能實現(xiàn)多平臺協(xié)同工作，因此廣泛應(yīng)用于海洋資源探測、海洋搜救、水雷排布、海底管線排布、設(shè)備檢修等工作中。目前，我國水下導(dǎo)航定位技術(shù)已可以滿足以上常規(guī)應(yīng)用，而對于水下偵察、目標(biāo)跟蹤、作戰(zhàn)打擊等方面的更高需求，現(xiàn)行技術(shù)無法充分滿足。對于水下無人平臺的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，我國在研發(fā)、制造、服務(wù)等多個維度仍需依賴歐美等發(fā)達(dá)國家，水聲定位技術(shù)與國際先進(jìn)水平仍存在差距。慣性/聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的提升，有賴于近代數(shù)學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、微電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的共同發(fā)展。

水下慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用方向圍繞水下無人平臺的不同應(yīng)用場景，體現(xiàn)出不同的需求特點：

1）用于海洋資源開發(fā)與地球環(huán)境保護(hù)的水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)要求。占地球大部分面積的海洋仍有絕大部分待開發(fā)資源，這些資源也是人類未來生存的期望依托，經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展難免帶來環(huán)境的惡化，而豐富的海洋資源一方面能帶來更多的能源，另一方面還能改善和遏制資源枯竭與社會生產(chǎn)的矛盾，規(guī)避潛在風(fēng)險。因此，對于水下導(dǎo)航定位技術(shù)要求就體現(xiàn)在長時間處于水下環(huán)境下的持續(xù)導(dǎo)航，以聲學(xué)導(dǎo)航為主，一方面要求定位系統(tǒng)的布放回收便捷，減小運(yùn)行成本和對海洋環(huán)境的污染；另一方面需要適應(yīng)不同海域的復(fù)雜海況，可抵抗水下溫度、深度、鹽度的不同程度的干擾，具有較強(qiáng)的魯棒性。此外，對于深海作業(yè)的平臺，無法頻繁上浮水面，因此輔助導(dǎo)航較多為以INS為主、聲學(xué)及地磁或重力匹配為輔的組合導(dǎo)航方式，因而對于聲線修正及聲場相關(guān)算法的精度、匹配數(shù)據(jù)庫分辨率具有較高要求。

2）用于深海搜救及海底設(shè)施檢修的水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)要求。隨著現(xiàn)代海洋工業(yè)和航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，利用水下無人小型平臺進(jìn)行搜救以及對水下管道等基礎(chǔ)設(shè)施的檢修成為應(yīng)用熱點，如馬航MH370碎片的查找、墜海人員的搜尋、油井管道的維護(hù)都是需要水下小型平臺的場景，對其精準(zhǔn)定位能力及體積具有相對嚴(yán)格的要求：一方面要求導(dǎo)航定位系統(tǒng)能實時高效快速地進(jìn)行定位和航向規(guī)劃，處于障礙物較多的環(huán)境中也能抵抗定位干擾信息；另一方面此類水下無人平臺帶負(fù)載能力有限，因此要求組合導(dǎo)航系統(tǒng)高度集成，體積小、質(zhì)量小，以保證平臺本身功耗低，從而維持長時間的水下作業(yè)。

3）用于水下攻防與未來作戰(zhàn)的水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)要求。對于海洋攻防，隨著水下互通互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展與成熟，海洋無人小型平臺的協(xié)同作戰(zhàn)將成為技術(shù)研究的熱點與難點。為保證復(fù)雜水下協(xié)同/集群系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對平臺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的信息融合能力與通信技術(shù)、校準(zhǔn)手段都加以較高的要求。用于無人作戰(zhàn)或作為無人武器系統(tǒng)，水下平臺需要具備高度的隱蔽性，此時平臺將主要依靠INS與地球物理組合導(dǎo)航手段，武器系統(tǒng)一般以水面艦船或潛艇為基地，對導(dǎo)航系統(tǒng)的隱蔽性和平臺的自治性都需要較高要求。

4 水下無人小型平臺慣性/水聲組合導(dǎo)航發(fā)展趨勢

當(dāng)前，水下無人小型平臺導(dǎo)航與定位技術(shù)仍將以INS為主、多種導(dǎo)航技術(shù)為輔，立足需求與技術(shù)現(xiàn)狀的不足，對其未來發(fā)展趨勢與熱點進(jìn)行分析：

1）傳統(tǒng)導(dǎo)航方式進(jìn)一步完善?，F(xiàn)存熱點和難點問題仍有很多，以INS和聲學(xué)導(dǎo)航為代表的傳統(tǒng)導(dǎo)航方式面對水下復(fù)雜或極端環(huán)境以及應(yīng)對更高的應(yīng)用場景，還需要進(jìn)一步完善。對于SINS/DVL，需要進(jìn)一步提升其在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性；對于聲學(xué)導(dǎo)航，依據(jù)不同的作業(yè)范圍和場景，需考慮安裝布放是否便捷、回收成本和校準(zhǔn)工作量，還需在相關(guān)組合方案和融合、標(biāo)定算法上進(jìn)行改善。

2）導(dǎo)航傳感器技術(shù)與工藝的發(fā)展。以INS為例，在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，影響最終定位效果的除了系統(tǒng)解算過程的原理誤差、計算誤差、外界干擾誤差、初始條件等誤差外，還體現(xiàn)在慣性元器件誤差及安裝誤差等方面。傳感器測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響著數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，與導(dǎo)航解算過程共同決定著后續(xù)濾波處理與狀態(tài)向量的估計效果，慣性傳感器元件誤差模型的精度以及傳感器噪聲對系統(tǒng)的干擾都是INS中存在的難點問題。傳感器工藝的提升有賴于機(jī)械工業(yè)、電子、計算機(jī)及自動化等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新材料的開發(fā)和傳感器的集成與智能化、體積的微小型化等都將對水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能提升具有巨大意義。

3）水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)一體化。我國“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的提出，使得 “走入水下，走向深?！背蔀樗聼o人小型平臺的未來發(fā)展方向。水下兵力和武器裝備作為維護(hù)我國海域安全的重要條件，除對導(dǎo)航定位具有更高的需求外，還依賴于高性能水下通信技術(shù)的保障。水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)一體化主要用于無人潛航器、水下滑翔機(jī)、潛標(biāo)等小型平臺上，保證平臺在水下獲取準(zhǔn)確的位置與航向信息的同時，能與岸基、天基、空基信號收發(fā)站之間進(jìn)行高效持續(xù)的信息交換。當(dāng)前一體化過程中較大的問題存在于水下通信方面，可用于水下的有線、水聲、激光及無線通信技術(shù)都存在一定的不足，如遠(yuǎn)距離的通信與隱蔽性、設(shè)備覆蓋范圍之間無法平衡、深水作業(yè)平臺接收信息匱乏、遠(yuǎn)程傳輸速率低、信息量少且難以實現(xiàn)高質(zhì)量雙向通信等都是阻礙水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)一體化發(fā)展的難點。

無論是面對水下攻防的軍用領(lǐng)域還是海洋開發(fā)的民用需求，水下通信的發(fā)展及其與導(dǎo)航定位技術(shù)一體化都起到重要的助推作用。未來，隨著所提水下通信技術(shù)中存在的問題逐步解決，水下導(dǎo)航定位與通信技術(shù)一體化也將得到逐步完善，這將為水下作業(yè)形式提供新思路，提升水下無人小型平臺的綜合性能。

4）組合導(dǎo)航系統(tǒng)智能化，兼具高可靠性、高集成度和綜合補(bǔ)償及自動校正。易知水下環(huán)境中單一的導(dǎo)航定位方式無法保證水下無人平臺的高性能工作，因此需要采用多種導(dǎo)航方式的結(jié)合，除了本文所述慣性和聲學(xué)導(dǎo)航，還有適用于水下的新型導(dǎo)航方式如地形輪廓跟隨、重力場匹配等技術(shù)，要點和難點在于需要構(gòu)建高精度、高分辨率的數(shù)據(jù)庫，這也是有待完善的方向。建立多種方式相結(jié)合的具有綜合補(bǔ)償自動校正的智能系統(tǒng)將具有極大的應(yīng)用前景。

水下小型無人平臺的出現(xiàn)及發(fā)展大大提升了我國水下征程的建設(shè)速度，慣性/水聲導(dǎo)航定位作為其關(guān)鍵技術(shù)之一，在不斷發(fā)展的同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)，需要承擔(dān)更加艱巨的任務(wù)。我國慣性/水聲導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展目前仍與國外有較大差距，需要進(jìn)一步探索。立足需求和現(xiàn)狀，水下無人小型平臺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的低功耗、小型化、高精度和一體化仍是主流發(fā)展方向。

5 結(jié)論

小型無人平臺的組合導(dǎo)航技術(shù)已成為人類進(jìn)行水下多方位活動的重要支撐，是推動我國海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、海防建設(shè)的重要基礎(chǔ)。深入發(fā)展精確、可靠、高性能的慣性/水聲組合導(dǎo)航技術(shù)是滿足更多海洋工程、水下建設(shè)的關(guān)鍵途徑，也是縮短與國外技術(shù)差距的迫切任務(wù)。對此，既要立足當(dāng)下需求，不斷完善和改進(jìn)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，又要著眼未來趨勢，重視慣性/水聲組合導(dǎo)航定位方法的創(chuàng)新發(fā)展。