王 鵬，潘 笑，溫 雯，李 婧，王佳奇，姚 斌

(中國艦船研究院，北京100101)

0 引 言

1 水下通信定位導航技術(shù)分析

隨著深海戰(zhàn)略目標的提出，走向深海、走向大洋是發(fā)展海洋事業(yè)、建設(shè)海洋強國的必經(jīng)之路。無論是海洋軍事方面還是深?？茖W考察等民用方面，都離不開先進的裝備和技術(shù)的發(fā)展。在深海開發(fā)中，無法避免地要用到各種水下航行器，而在各種水下航行器工作過程中，都需要水下通信定位導航功能的支持。水下通信定位導航技術(shù)經(jīng)過長年的發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟，但是仍然存在各種缺陷和不足。本文針對水下通信定位導航技術(shù)進行分析，并對水下通信定位導航一體化關(guān)鍵技術(shù)進行展望。

1.1 水下通信技術(shù)分析

水下聲學通信已經(jīng)進行了至少半個世紀的研究。最早的水下通信設(shè)備之一是二戰(zhàn)后為美國海軍開發(fā)的水下電話[1]。

近些年，由于在科學、軍事和商業(yè)等方面的各種應用，這種水下通信形式受到越來越多的關(guān)注。從軍事到海洋生物研究等方面出現(xiàn)了大量的應用，包括潛航器水下通信、污染監(jiān)控、石油開采和水產(chǎn)養(yǎng)殖等。

電磁波，光波和聲波都已經(jīng)在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（UWSN）中得到應用[2–3]。然而，無線電頻率會在水中受到衰減的影響（特別是在較高頻率下）[2]，因此需要更高的功率和更大的天線[4]。光波可用于實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)速率通信，但會在水中光波會被快速散射和吸收，因此僅在短距離通信中比較可靠[2]。

相反，聲波由于具有相對較低的吸收率，因此可以通過遠程鏈路進行通信。所以，水聲通信是UWSN的首選技術(shù)[3]。文獻[5]討論了水下聲波通道的特性和水下通信的困難：水聲信號隨頻率增加會加劇衰減、隨時間變化會發(fā)生多徑傳播以及水聲傳播的速度較低（1500 m/s）。水聲通信與無線電通信之間的差異為UWSN開辟了一個新的研究領(lǐng)域。

盡管與無線電頻率相比，水聲通信會更加復雜，但自有水下電話以來，研究人員不斷鉆研，水聲通信技術(shù)取得了巨大進步。目前，水下調(diào)制解調(diào)器的通信距離可以達到幾千米[7]。

綜合上述分析，總結(jié)出以下結(jié)論：

1）水下電磁波通信

海水的導電性能很強，因此，電磁波的射頻信號在海水中的傳播會隨著信號的頻率升高而產(chǎn)生嚴重的衰減效應，同時也導致了信號傳播深度不斷降低，所以在實際應用中，如進行遠距離的水下通信，就需要不斷提高電磁波的發(fā)射功率，也就意味著發(fā)射機的前期投入十分昂貴，不能很好滿足實際需要。

2）水下可見光通信

由于海水中存在著很多雜質(zhì)，比如浮游生物等各類活性有機物以及種類繁多的無機鹽等溶質(zhì)，所以海水是不均勻的，而光信號在不均勻的介質(zhì)中傳播則會發(fā)生衰減，也就是說光信號海水中傳播會由于吸收效應及散射效應影響到傳播距離和質(zhì)量。此外，水下可見光通信對光學發(fā)射機與接收器的安裝方向性要求很高，在復雜多變海洋環(huán)境里面，很難保證可見光通信信道的可靠性。

3）水聲通信

水下聲波通信雖然也存在水下聲速分布不均勻、傳播速率低以及時延較大等不足，但是由于聲波信號的頻率較低，相比電磁波脈沖信號以及可見光信號，聲波信號在海水中的衰減非常小，20 kHz的聲波在水中的衰減率大概是衰減率最小的可見光（藍綠光）的1/16，因此聲波可以進行較遠距離的信號傳輸。在生產(chǎn)實際中，涉及到遠距離的水下無線通信，一般應用到的唯一手段就是水聲通信。

1.2 水下定位導航技術(shù)分析

現(xiàn)有水下定位技術(shù)主要針對的是長期在水下進行作業(yè)的遙控無人潛水器（ROV）、自主式水下潛器（AUV）、潛艇、潛水員以及水下其他載體。本文主要針對AUV在水下的定位導航技術(shù)進行分析。

全球定位系統(tǒng)（GPS）可以在世界的任何地方提供精確定位，但是受水介質(zhì)對無線電波的強烈吸收效應的影響，在深海環(huán)境中GPS信號不能很好地進行傳播，所以傳統(tǒng)的GPS定位導航系統(tǒng)無法應用在AUV上面。

AUV導航的主要難點是在長期任務過程中確保AUV位置的準確性。通過AUV不斷變化的運動，最初的準確位置很快就會變得不準確。雖然可以通過精確的加速度、航向和速度傳感器來減弱這種影響，但是在長時間執(zhí)行任務時，這些誤差會變得越來越明顯。影響AUV運動但無法精確建模的洋流以及其他水下現(xiàn)象會導致更大的誤差。

現(xiàn)有的用于AUV的導航方法主要分為3類[7]。

1）慣性導航

慣性導航使用陀螺儀傳感器檢測AUV的加速度，通常與可以測量相對速度的多普勒計程儀（DVL）結(jié)合使用。

2）聲學導航

聲學導航使用聲學應答器信標供AUV參考確定其自身定位。最常見方法是使用長基線（LBL）和超短基線（USBL）。

3）地球物理導航

地球物理導航利用AUV工作環(huán)境的物理特征來估算AUV的位置。

1.2.1 慣性導航

由于慣性導航系統(tǒng)（INS）的加速度傳感器會產(chǎn)生誤差，尤其是在AUV遵循線性路線的情況下，僅使用INS的導航系統(tǒng)會隨著時間的推移逐漸降低定位精度。為了提高AUV長時間任務的定位精度，可以使用DVL聲吶測量與海底的相對速度來減少誤差。同樣的，聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）聲吶可以測量局部海流的相對速度。DVL聲吶的范圍有限，只能在AUV靠近海底時使用。但是，當同時使用INS和DVL時，定位誤差仍會隨時間而積累。如果使用這種系統(tǒng)執(zhí)行長時間任務，則必須通過確定參考點的相對位置來消除定位誤差?？梢酝ㄟ^上浮到海面通過GPS或北斗接收機來完成，但這在深海勘測中是無法完成的。

近年來，國內(nèi)外學者針對導航系統(tǒng)的不足之處展開研究，利用不同方法提高其定位導航的精確度。文獻[8]為了提高導航的魯棒性并避免因DVL數(shù)據(jù)失效產(chǎn)生的影響，提出了一種智能速度模型，該模型通過使用優(yōu)化剪枝極限學習機來輔助慣性導航。而文獻[9]則采用將導航區(qū)域進行柵格化，將位置的估計轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N概率的估計，在地磁的輔助下通過貝葉斯估計對慣性導航系統(tǒng)進行優(yōu)化。文獻[10]利用卡爾曼濾波開發(fā)了一種多普勒輔助慣性導航系統(tǒng)，用于計算水下航行器的航向和位置。這種導航系統(tǒng)通過周期性地旋轉(zhuǎn)慣性測量單元，改進卡爾曼濾波狀態(tài)的可觀測性，從而優(yōu)化了濾波性能。

1.2.2 聲學導航

水下聲學定位導航指的是利用海域中提前布置好的聲音信標的定位導航方法。最主要的2種水聲定位導航方法是長基線（LBL）和超短基線（USBL），如圖1所示。LBL系統(tǒng)通常在海水中至少安裝2個信標，這些信標會立即返回AUV發(fā)送給它們的水聲信號。利用信標位置，本地聲速和信號傳播時間等信息，AUV可以從每個信標的相對位置推算出自身位置。USBL系統(tǒng)使用單個信標，通常連接到水面艦艇上。當前的USBL系統(tǒng)為信標配備了INS/GPS系統(tǒng)，以減少水面船只的定位誤差[11]。2種方法都受水聲換能器范圍的限制，在深水中，單個LBL的范圍約為10 km，USBL網(wǎng)絡(luò)的范圍約為4 km。在淺水中，USBL系統(tǒng)的作用范圍會降至500m以下。2種水聲定位導航系統(tǒng)性能對比如表1所示。水聲信標網(wǎng)絡(luò)的范圍在理論上沒有限制，但是安裝和維護的成本使這種方法在很多水域無法實現(xiàn)。

表1 水聲定位系統(tǒng)性能對比Tab.1 Performance comparison of underwateracoustic positioning systems

1.2.3 地球物理導航

地球物理導航系統(tǒng)使用可觀察的物理特征的相對位置來獲取AUV自身的定位?？梢酝ㄟ^向AUV提供水域的現(xiàn)有地圖，也可以通過在AUV行駛過程中構(gòu)建地圖來完成。

雖然已經(jīng)提出了使用局部磁或引力變化的技術(shù)及其操作方法[12~14]，但并沒有公布系統(tǒng)的性能。盡管有大量證據(jù)表明哺乳動物使用了類似的系統(tǒng)[7]，但是由于現(xiàn)在并沒有合適的傳感器，所以限制了該領(lǐng)域的研究?，F(xiàn)階段利用多個傳感器和合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，已經(jīng)實現(xiàn)了對海底火山口等地質(zhì)特征的可靠識別，但是在一般的海域這些特征很少被觀察到[15]。當前的研究更多集中在物理特征的利用方面，這些物理特征可以通過安裝在AUV上的聲吶傳感器和光學傳感器被感知到。

圖1 水聲定位系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater acoustic positioning systems

針對各種不同的傳感器在地球物理導航中的使用，文獻[16]結(jié)合自動圖像配準技術(shù)對光學傳感器進行了研究。配準技術(shù)在水下環(huán)境中特別受關(guān)注，因為它們不需要像SLAM技術(shù)一樣對各個特征進行顯式分類。文獻[17]介紹了一種使用利用水下攝像機的SLAM系統(tǒng)，通過使用增強的卡爾曼濾波器（ASKF）來自動識別AUV航行過的海域。這個系統(tǒng)構(gòu)建了水下攝像機數(shù)據(jù)的鑲嵌圖，用于識別AUV何時經(jīng)過其任務路徑。確定交點后，將ASKF用作估計位置的平滑濾波器。這樣，ASKF可以在AUV到達航行過的海域時糾正整個估算的任務路徑。文獻[18]對使用現(xiàn)有地圖進行導航的粒子過濾器進行了研究。從理論上講，粒子過濾器可以從地球物理傳感器提供對航行器的位置、航向和速度的估算，但是如果使用AUV的現(xiàn)有傳感器來提供航向和速度，則可以簡化過濾器。

1.2.4 小結(jié)

慣性導航系統(tǒng)和水下聲學導航技術(shù)發(fā)展得比較成熟，但是兩者的性能受到成本、范圍以及AUV任務校正周期的限制。盡管可以使用昂貴的慣性和聲學系統(tǒng)來減少AUV任務過程中導航精度的降低，但它們的使用限制了AUV的任務范圍。而通過使用AUV任務海域的現(xiàn)有地圖，地球物理導航系統(tǒng)可以提供較為廉價并更為準確的定位導航方法。但是，現(xiàn)有地圖的需求和特征識別的困難限制了這些方法的使用。

水下定位導航的挑戰(zhàn)是使用成本較低的部署，同時滿足與水下任務不能存在較大偏差的方法來減少現(xiàn)有導航系統(tǒng)在AUV長時間任務中的導航精度的降低?，F(xiàn)有的水下聲學信標系統(tǒng)作用范圍的不斷擴大為以上問題提供了解決方案，不斷發(fā)展水下聲學定位導航技術(shù)將會成為下一步研究的重要方向。

2 水下通信定位導航一體化關(guān)鍵技術(shù)展望

水下通信技術(shù)以及水下定位導航技術(shù)大多都是進行單一技術(shù)的深入研究，而隨著信息化通信技術(shù)和海洋水下科學技術(shù)的不斷發(fā)展，不管是民用的UUV、AUV進行探測等水下作業(yè)還是潛艇等水下武器的軍事應用，都在從單系統(tǒng)向多平臺網(wǎng)絡(luò)化集群形式轉(zhuǎn)變，而當多個不同的系統(tǒng)協(xié)同工作時，很容易出現(xiàn)相互矛盾等各種兼容性問題。

因此，為了實現(xiàn)水下不同系統(tǒng)、不同平臺間的信息傳輸、數(shù)據(jù)共享、指揮控制等相互協(xié)同作業(yè)模式，需要針對水下的通信系統(tǒng)和定位導航系統(tǒng)進行一體化組網(wǎng)設(shè)計，從而形成水下通信定位導航多系統(tǒng)、多平臺一體化網(wǎng)絡(luò)，為不斷發(fā)展的水下作業(yè)新形勢提供思路。

無論是水下通信還是水下定位導航，應用得最為廣泛的技術(shù)就是水下聲學技術(shù)。同時，為了能夠形成一體化組網(wǎng)，采用同一種技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。因此本文在進行水下通信定位導航一體化關(guān)鍵技術(shù)展望的時候，主要針對的是水聲通信技術(shù)和水聲定位導航技術(shù)的一體化融合。而形成水聲通信定位導航一體化組網(wǎng)、進一步提高水聲通信的距離與可靠性以及提升水聲定位導航的精確度，需要突破的幾項關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。這些技術(shù)的突破將為建立水下通信定位導航一體化技術(shù)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

圖2 水下通信定位導航一體化關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 The key technologies in the integrated design of underwater communication, positioning and navigation

2.1 基于分時非對稱水聲收發(fā)的主被動兼容定位技術(shù)

主被動兼容定位系統(tǒng)是兼容了主動定位與被動定位于一體的定位導航系統(tǒng)，用來對水下的各種運動目標或者靜止的定位導航。其中被動定位導航指的是憑借接收提前布置好的多個潛標發(fā)射的水聲信號從而進行自身定位。而主動定位導航系統(tǒng)則需要在需要定位的水下目標上安裝水聲信號發(fā)射器，布置在水下的多個潛標通過接收水下目標所發(fā)射的水聲信號進行目標的定位導航。

用于定位的水聲信號主要分為低頻（5～10 kHz）、中頻（10～20 kHz）和高頻（20～40 kHz）3個頻段。在低、中、高三頻上同時收發(fā)水聲信號存在體積巨大、性價比低、實現(xiàn)難度大等問題。需要一種基于分時非對稱水聲收發(fā)的主被動兼容定位技術(shù)，采用低頻發(fā)送水聲信號，低、中、高三頻接收水聲信號的非對稱水聲信號收發(fā)設(shè)計，通過分時方式進行主動定位和被動定位輪換，在單一定位導航系統(tǒng)中同時兼容主被動定位模式，并支持低、中、高三頻水聲目標主動定位。

2.2 共用水聲換能器的通導一體化技術(shù)

水聲換能器是水聲通信、導航的核心部件，承擔著信號產(chǎn)生與接收的使命，對水聲通信、導航功能的實現(xiàn)、性能的提升具有舉足輕重的作用。目前發(fā)射頻率已經(jīng)從幾赫茲拓展至幾兆赫茲，工作原理主要有電動式、磁致伸縮式、壓電式等。

傳統(tǒng)潛標只具備單一的水下定位或通信功能：水下定位潛標通過水聲應答器實現(xiàn)水下目標主動定位；而水下通信潛標不具備水下定位功能。需要一種共用水聲換能器的水下通信導航一體化技術(shù)，通過單一水聲換能器收發(fā)兼容通信和定位協(xié)議的水聲信號，在信號處理模塊中進行統(tǒng)一識別解碼，使水聲通信兼具定位能力，并通過多潛標組網(wǎng)方式實現(xiàn)水聲通信導航一體化。水聲通信定位一體化潛標硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水聲通信定位一體化潛標硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of the subsurface buoy of underwater acoustic communication, positioning and navigation

2.3 水聲擴頻寬帶通信的精確時延估計技術(shù)

水聲定位系統(tǒng)采用水聲信標或詢問應答方式對目標進行定位，通過測量出目標到達各潛標的時間延遲計算出距離，進而解算出目標的位置。因此高效率高精度地計算出水聲時延是水聲定位系統(tǒng)中最重要的研究方向之一。需要研究采用水聲擴頻通信寬帶信號及被動時反處理技術(shù)，將擴頻通信與時延差編碼水聲通信相結(jié)合，提高擴頻通信速率與時延估計精度。

2.4 基于實時聲場參數(shù)的聲線彎曲在線補償修正技術(shù)

海洋中的環(huán)境對水聲傳播具有非常大的影響。海水中聲速度是比較復雜的，是由海水中溫度、靜壓力、鹽度及空氣泡含量等共同決定的，如下式：

其中：T為攝氏溫度；D為海水深度為，m；S為海水的鹽度，1‰[19]?？傮w來看，海洋中的聲速分布是時變、空變的，如圖4所示。

圖 4某海域水聲聲速隨深度變化圖Fig.4 Variation of underwater acoustic velocity versus depth in a sea area

因此水聲傳播在海水中會存在明顯的聲線彎曲。聲線彎曲使水聲定位解算時不能選用一個恒定聲速，應該是與各點對應的等效聲速，在定位解算中用等效聲速代替恒定聲速就能夠?qū)⒙暰€彎曲進行修正，提升水下定位精度。

3 結(jié)語

本文對現(xiàn)有技術(shù)進行分析，并對水下通信定位導航一體化設(shè)計所需的關(guān)鍵技術(shù)進行了展望。隨著水下潛航器技術(shù)的不斷發(fā)展，水下通信定位導航技術(shù)也隨之不斷提高，水下通信方面如何提高通信距離，水下定位導航方面如何提高定位的精確度，多個系統(tǒng)如何順暢地協(xié)同工作等都是下一步研究的重點。