半个多世纪以来，随着人类对海洋的利用和开发投入的不断增大，水下航行器在很多方面都得到了广泛的应用与关注，如水下大范围调查，海底绘图，深海探测，科学采样，水下管道的铺设、跟踪和维护，以及在军事方面的战场监视、隐蔽打击、搜寻和救援工作等。导航是一个研究领域，由于水下环境的复杂性以及信息传输方式和传输距离的受限性，水下导航比起空中导航具有更大的难度。作为水下航行器的核心与关键技术之一，导航技术同时也是科研人员最难解决的一个重要技术。美国等西方发达国家在这一领域一直处于领先地位，我国在该领域起步较晚，但也取得了一定的成绩。本文提出针对近海和深远海条件下的水下长航时导航方案，并对涉及的关键技术进行探究，这些为未来水下航行器的导航提供了新的研究方向与解决思路。
一、针对近海条件下的水下长航时导航方案
微机电系统（即MEMS）惯性导航系统是微集成水下导航设备的核心器件，其满足低功耗和低成本的精度要求，但由于MEMS惯性器件精度较低，在水下航行器长时间航行过程中，需要辅以电子磁罗盘、DVL、深度计、GPS等传感器和导航设备。针对近海某固定海域，水下GPS水声定位设备能够得到较好的实现与应用，与惯导系统协同导航。水下GPS系统主要由海底基站、船载位置标校设备和水中用户终端3部分组成，其利用声波可在水下远距离传播的特性，实现水下高精度定位，水下GPS系统组成框图及相互关系如图1所示。
图1 水下GPS系统组成示意图
海底基站是海底部分的主要组成部分，它集成声信标和声通信机，可发射和接收声信号，通过与水中用户间的声学应答及声学通信等方式来实现水下用户的定位导航和信息交互。在核心作业区域，海底基站通过固定支架固定于海底，通过水面系统进行位置标校后，作为海底位置参考基准给水中用户提供定位导航服务。船载位置标校设备通常安装在水面船上，主要作用是为海底基站提供准确定位。在海底基站布设完成后，利用标校设备对其进行标定，即定位，以确定海底各基准站的绝对位置，并定期对其进行位置校准，以获取其变化信息。标校系统利用船载标定系统与海底定位基站声学基阵单元之间的距离，基于距离交会原理，通过高精度数据处理方法，获得船载收发器与海底基阵元之间的相对坐标，结合船载GNSS设备和IMU设备提供的船体瞬时绝对位置，推算出海底定位基站的绝对坐标，以实现海底定位基站的绝对校准。绝对标校是实现陆地-海面基准向海底基准传递的一个重要环节。
水中用户终端安装在水下目标上，搭载声通信机，接收和发送水声信号，与海底基站间进行声学通信。同时，水下目标平台装载惯性导航设备（INS）、多普勒测速仪（DVL）、测距仪，水中用户将各个设备信息融合处理实现高精度的定位和信息交互。在大型高精度水面或水下平台附近应用，可采用传递对准、协同导航等技术提升微小型水下平台的导航精度。建立长期的水下GPS系统是未来水下机动平台实现全航程隐蔽航行的必要前提，具有重要战略意义。
二、针对深远海条件下的水下长航时复合导航方案
在深远海作业条件下，水下航行器采用任何单一导航方式都无法达到中高精度导航要求，所以开展多传感器信息融合、根据环境因素采取适当导航方式，实现水下潜航器长航时、高精度、高可靠性工作就显得尤为重要。
针对深远海的水下导航需求，主要采用以下3种方式实现水下导航：
⑴惯性/声学组合导航
在水下依赖多普勒测速仪DVL和超短基线定位系统USBL等方式，对惯性系统误差进行实时修正。
⑵惯性/重力、磁无源导航
该方式比较适用于水下环境的物理场变化较为显著的区域，当航行体行驶至该目标区域时，可以使用外部相关信息来及时修正导航误差。
⑶跨介质平台协同导航
在深远海航行条件下，如果部分区域可由我方船只利用声学装置，向水下平台提供GNSS信息，辅助系统修正导航误差。
3种方式中，方式1作为核心的辅助导航手段，全程辅助修正惯性系统误差；方式2可通过规划水下载体的航行路线实现，使载体在行驶途中通过重磁信息变化较大区域；方式3受外部环境限制，仅在具备条件时使用。
⒈惯性/声学一体化组合导航终端
惯性/声学一体化组合导航设备主要以水下组合导航的高精度惯性导航设备为核心，以其他传感器辅助校正，包括INS/USBL一体化系统和INS/DVL一体化系统等。
通过对USBL及DVL等声学系统的误差建模与分析，建立SINS/USBL，SINS/DVL组合导航系统误差模型，结合信息融合技术，实现组合系统导航定位要求。基于子导航定位系统相互修正的方式，实现对水下多功能导航系统误差重调及精确定位。深远海中高精度水下导航技术途径如图2所示。
图2 深远海中高精度水下导航技术途径
⒉惯性/重力、磁场无源导航终端
重力、地磁、地形匹配导航无需外部信息，属于自主、全要素、静默导航，在定位的同时实现定姿。高精度水下机动平台在特殊环境中完成作战任务，必须发展地球物理导航技术。
重力无源辅助导航是利用地球重力场特征信息来确定水下航行器自身位置信息的一种自主导航技术，其基本工作原理如图3所示。
图3 无源重力辅助导航原理示意图
⒊跨介质多平台协同导航
水下航行器在长时间航行中存在较大误差，为了修正误差，通常的做法是每间隔一段时间，航行器上浮至水面接收GPS定位信息进行导航误差修正。但这种做法时间长、消耗成本高，灵活性也差。针对这一问题，开展基于水面移动平台（）、固定平台（浮标）的跨介质无线通信与控制技术研究，建立有效、可靠、实时的空中/水面/水下跨介质无线通信链路，满足海陆空天一体化通信网络数据实时传输的要求，实现多导航平台通信组网、水下导航系统参数定期标校等。
其基本思路是：潜航器等水声通信机与水面上的浮标通信，将信息传到浮标中继，也可以从浮标处获取来自陆地的指令，水面浮标作为中继，向下通过水声通信机与水下终端通信，向上通过无线模式与卫星、陆上基站进行通信，卫星及陆上基站通过无线电可为水面浮标发送控制指令和定位信息等。
重点需要对跨介质无线通信信道建模与编码技术、实时跨介质数据传输技术、复杂海洋环境水声通信技术等关键技术开展研究。
⑴开展跨介质无线通信信道建模与编码技术研究
建立多径-多普勒时变频移特性的信道简化模型及跨介质无线通信信道传播模型，重点研究时变信道的OFDM系统实现，提出对跨介质OFDM系统多普勒估计与补偿的改进方案，并采用纠错编码方式，用时域均衡的方法消除信道的影响，提高跨介质无线通信的稳定性。
⑵开展实时跨介质数据传输技术研究
由于跨介质通信链路中水声通信速率受限，为保证通信实时性，考虑从减少数据量和降低中继延时两方面出发开展研究。
⑶开展复杂海洋环境水声通信技术研究
水声信号受海洋内波、背景噪声、信号多径传播等因素影响，变化比较剧烈，表现为高度时空多变性，从而导致节点间通信信号不稳定，链路中断现象经常发生且不可预测。针对水声通信的发送端和接收端，分别开展复杂海洋环境水声通信技术的研究，拟在发送端研究海洋声信道自适应匹配技术和信道编码技术，在接收端研究针对水声时变信道的自适应信道估计技术，从而提高水声通信链路的可靠性。
三、针对近海和深远海条件下的水下长航时导航方案关键技术研究
⒈仪表与系统级误差建模及补偿
⑴开展仪表与系统误差建模技术研究
分析水下航行器中各导航传感器的工作原理以及引起测量误差的原因，并建立各传感器的误差模型；研究传感器数据降噪方法，利用小波变换和经验模型分解等手段研究信号降噪方法，开展水下航行器各传感器数据预处理，开展仿真试验验证研究，开展水下平台运动模型及洋流运动模型研究，并结合仪表误差开展系统误差模型研究。
⑵研究快速对准、在线标定及在线误差补偿技术
开展微集成水下导航设备的快速对准和坐标系标 校工作，降低水下微小型设备的工作准备时间；研究各类传感器安装误差、传递误差的标定和消除技术，重点开展微集成水下导航设备的在线标定、误差估计与补偿技术，减少设备在长期使用过程中的频繁标定和维护成本，降低水下导航设备生产和使用成本；针对MEMS惯性仪表误差发散过快问题，开展系统级误差动态补偿技术研究，综合利用水下平台运动信息、洋流信息、辅助传感设备信息等，开展系统级在线误差估计和补偿技术，提高导航设备的持续定位精度。
图4 微集成系统误差建模与补偿
综上所述，针对微小型水下航行器、水下滑翔机、蛙人、鱼雷及水雷等低成本、低精度、低功耗水下人机平台，对其进行误差建模与补偿技术研究是提高惯导精度、组合导航精度的关键，其技术路线如图4所示。
⒉重力、磁场等无源导航关键技术研究
⑴开展高精度、高分辨率矢量基准数据库构建技术研究
建立精度和分辨率均满足实际导航要求的海洋重力背景场，其是将重力匹配导航技术在水下导航中得以应用的关键基础之一。开展地磁矢量基准数据库构建技术研究包括数据清单、数据描述、数据指标、数据使用说明、数据应用展示、数据实体等，突破空中磁力数据向下延拓的边界效应抑制技术、磁力测量数据数字滤波、多源磁力数据融合、地磁日变改正、局域地磁场模型构建等关键技术，开展试验区域选定、试验区域地磁场数据处理、由测量数据构建试验区域地磁基准数据库、数据库快速访问查询等研究，构建高精度地磁数据库，满足INS/地磁导航终端应用需求。
⑵开展无源导航匹配算法研究
由于在实际过程中提取海洋重力场特征比较困难，加之海洋环境变化复杂，因此对重力匹配算法的鲁棒性也提出了更高的要求。
⒊多源信息融合技术
由于水下导航环境十分复杂，水下导航一般来说需要采用多种传感器来进行相互协同工作。针对水下多传感器信息融合技术，开展联邦卡尔曼滤波的相关研究，联邦卡尔曼滤波是一种分布式数据融合结构。联邦滤波器的一般结构图如图5所示。联邦卡尔曼滤波的设计思想是先进行分散处理，再进行全局融合。
图5 联邦卡尔曼滤波器的一般结构
四、结语
本文针对近海条件下提出水下航行器的长航时导航方案，并指出绝对标校是实现陆地-海面基准向海底基准传递的一个重要环节。此外建立长期的水下GPS系统是未来水下机动平台实现全航程隐蔽航行的必要前提，具有重要战略意义。针对深远海条件提出水下航行器长航时复合导航方案，提出了3种方式实现水下导航，即惯性/声学组合导航、惯性/重力、磁无源导航、跨介质平台协同导航。此外还针对近海和深远海2种条件，对水下长航时导航方案关键技术进行研究，主要包括仪表与系统级误差建模及补偿；重力、磁场等无源导航关键技术研究及多源信息融合技术，并指出误差建模与补偿技术研究是提高惯导和组合导航精度的关键所在。针对水下多传感器信息融合技术，提出开展联邦卡尔曼滤波相关研究的必要性。本文将为未来水下航行器的导航研究提供新的研究方向与解决途径。
【作者简介】文/聂为彪 陈勇 钱治强 田晓宇 王兆杰 郭超，来自中国舰船研究院。第一作者聂为彪，男，1985年出生，博士，高级工程师，研究方向为水下航行器导航、控制与仿真。本文来自《舰船科学技术》（2021年增刊1），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，由“溪流之海洋人生”微信公众平编辑与整理。
