潜水器导航技术研究现状与展望.doc

潜水器导航技术研究现状潜水器导航技术研究现状 与展望与展望 海洋是人类发展的四大战略空间 陆 海 空 天 中继陆地之后的第二 大空间 潜水器由于其机动灵活 能够在水中长时间工作而日益成为人类开发 利用海洋资源的重要工具 潜水器在科学研究 和商业应用等方面将会有更加广 阔的应用前景 目前潜水器水下导航最常用 最有效的方法是航位推算法 声 学方法 惯性导航及其组合方式 关键词 海洋 潜水器 通信导航 目 录 1 船位推算导航 1 1 1 航向姿态传感器 1 1 2 速度传感器 2 2 惯性导航惯性导航系统 3 3 水下声学导航 3 4 视觉导航 4 5 地球物理导航 5 5 1 海底地形匹配导航 6 5 2 基于重力场的导航方法 7 5 3 基于地磁场的导航方法 7 6 组合导航 8 7 结束语与展望 9 参 考 文 献 10 1 1 船位推算导航 船位推算算法最早应用于 16 世纪 它是最基本的导航方法之一 由于在 水上导航中它和其它各种导航设备一起使用 所以很少强调它的重要性 但在 水下导航中其地位至关重要 船位推算的现代定义是由 Cotter 提出的 其定义 为 就是指从已知的坐标位置开始 根据航行体在该点的航向 航速和航行时 间 推算下一时刻的坐标位置的导航过程 船位推算现在仍是潜水器重要的导 航手段 其方法简单 经济 潜水器除了配备测速仪 姿态 深度传感器等外 只需要给定初始位置信息 一般由 GPS 输入初始位置 通过软件完成航程推算 就可构成具有一定精度的实时 可靠的自主式导航系统 但船位推算精度有限 其精度受姿态传感器 速度传感器等传感器设备测量精度影响较大 并且随时 间存在累计误差 另外 船位推算精度还会受外界海流 潮汐和风等因素的影 响 1 1 航向姿态传感器航向姿态传感器 航向姿态传感器现在潜水器航向 姿态传感器 一般常采用磁罗经 陀螺 罗经 也称电罗经 和光纤陀螺等 磁罗经是利用磁针指北的特性 靠自由旋 转的磁铁对准地球磁场来指向的 磁罗经的指向原理决定了它对地磁的根本依 赖性 首先 磁罗经的性能取决于地球磁场 但是地球表面上不同地点的地球 磁场变化很大 其精度有限 其次 磁罗经所指示的 只是地球磁场所在的地 里磁北方位 这与潜水导航广泛应用的地理 Review 综 述真北并不完全重合 并且在缓慢地运动着 外 地磁本身是一个弱磁场 磁罗经极易被诸如钢铁壳 体等磁性材料形成的磁场干扰而产生指向偏差 在安装上磁罗经不仅要与潜水 器壳体及其它传感器设备等具有铁磁性质材料 设备要有一定距离要求 其安 装固定螺丝也需要铜材质或不锈钢等非磁性材料 由于其精度有限 特殊的安 装要求 现在大型潜水器一般很少采用 但由于其一般尺寸较小 结构简单 在小型机器人上应用较多 图 1 为 Honeywell 公司的生产的 HMR3000 数字电 子罗盘 它具有体积小 83mm 25mm 22mm 重 57g 功耗低 性能稳定 等优点 陀螺罗经又称电罗经 基本上是一个有摆的悬浮陀螺 是利用陀螺仪 的两个基本特性即定轴性和进动性 结合地球自转矢量和重力矢量 借助控制 2 设备和阻尼设备而制成的提供真北基准的一种指向仪器 陀螺罗经精度很高 不受磁场的影响 且所产生的误差在所有航向上都是相同的 但是其体积较大 从启动到稳定工作时间较长 与磁罗经 光纤罗经比较 一旦电源中断 通常 需要几个小时才能使罗经达到稳定工作状态 使用起来并不是很方便 光纤陀 螺仪 FOG Fiber Optical Gyrocompass 是一种由光纤做光通路的萨格奈克干涉 仪 当干涉仪绕着光路平面相垂直的轴相对惯性空间旋转时 由于光纤环和分 束板均随之转动 相反方向传播的两束光绕行一周的光程就不相等 时间也不 相等 由此产生相位差 根据所测得的相位差即可以获得当前潜水器的运动姿 态 光纤陀螺仪精度较高 体积不太大 使用起来也很方便 但是价格较为昂 贵 图 2 为 IXSEA 公司生产的 OCTANS 光纤陀螺仪 1 2 速度传感器速度传感器 速度传感器现在潜水器上大多采用可以测得对地速度的多普勒测速仪或多 普勒相关测速仪作为其速度测量传感器 这样可以消除海流对潜水器进行船位 推算导航的影响 目前国外潜水器上常用的多普勒测速声纳 主要有美国 EDO 公司的 3040 型和 3050 型多普勒速度声纳 英国 MA 公司研制的 COVELIA 美国 RD Instruments 公司的 Workhose Navigator 和 SonTek 公司的声学多普勒 剖面仪 8 其中多普勒流速剖面仪 Acoustic Doppler Current Profiler 简称 ADCP 可以测出海水中每一层的海流速度及方向 不论是在工作深度还是在测 速精度上都有了显著改善 随着宽带技术的引入 宽带 ADCP BBADCP 的研 究也取得了很大进展 并且有了相应的样机 在 ADCP 及 BBADCP 的研制方 面 以美国的 RD 仪器 RDI 公司最为著名 其 BBADCP 采用了相控阵 伪随 机相位编码以及宽带相关等先进技术 使之性能大大提高 它的工作深度可达 几百米 测速误差达到了 2cm s 9 甚至更好 图 3 所示为 RDI 公司的搭载 ADCP 的多普勒测速仪 对于多普勒测速声纳 其作用距离越大 其体积就越 大 因此 选择多普勒测速声纳时 应根据潜水器及潜水器的使用环境来确定 选择多普勒测速声纳的类型 3 2 惯性导航惯性导航系统 惯性导航惯性导航系统 INS Inertial Navigation System 是利用惯性敏感器 基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位 位置和速度的自主式航位推 算导航系统 有时简称惯导 其原理是通过精确测量载体的旋转运动角速率和 直线运动加速度信息 然后送至数字计算机中依赖于数学积分技术进行计算 得出导航数据 10 惯性导航系统完全是依靠载体自身设备独立自主地进行导 航 它与外界不发生任何光 声 磁 电的联系 不受环境 载体机动和无线 电干扰的影响 从而实现了与外界条件隔绝的假想的 封闭 空间内实现精确 导航 在短时间内具有较高的相对精度 是潜水器最主要的自主导航手段 它 具有隐蔽性好 工作不受气象条件和人为的外界干扰等一系列的优点 但是由 于陀螺随时间不断漂移 在长时间工作情况下导航定位累积误差较大 同时也 存在价格昂贵等缺点 从惯性导航系统的发展和应用情况来看 目前纯惯性导 航系统虽能满足中近程导航精度的要求 但还无法满足远程 长时间航行的导 航要求 早期的惯性导航系统系统复杂 体积大 能耗高 不适合潜水器使用 现在捷联式惯性导航技术发展迅速 它的出现和发展代表了现代惯性技术的一 个新的发展方向 随着光纤陀螺的广泛应用 光纤捷联惯导系统的研制将成为 今后研究的重点 目前 国外潜水器上常用的惯导系统的厂家主要是美国霍尼 韦尔公司 美国 Crossbow 公司 法国的 IXSEA 公司等 其中 法国的 IXSEA 公司于 2000 年开发的 PHINS 是目前世界上体积最小 160 160 160mm 重量最轻 水中重量 8kg 功耗最低 12W 的潜水 器专用水下惯导系统 其核心是光纤陀螺与卡尔曼滤波技术的结合 GPS 多 谱勒测速仪 短基线 深度计等可作为外接补偿传感器接入 PHINS 惯导系统 能够提供潜水器在水下航行时的姿态信息 艏向 横倾 纵倾 速度和位置信 息 姿态角信息误差小于 0 01 在外接传感器补偿情况下其导航精度可达 10m h 以下 3 水下声学导航 水声定位系统是在潜水器上应用较为广泛的位置导航传感器 它是利用沿 不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相位差对水面 水中目标定位的 4 仪器系统 水声定位系统按定位基线长度可分成三类 长基线 LBL Long Base Line 短基线系统 SBL Short Base Line 以及超短基线系统 USBL Ultra Short Base Line 长基线系统基线长度一般在 100m 6000m 之间 而短基线在 1m 50m 之间 超短基线其基线长度则小于 0 5m 12 水声定位系统一般由海 底声单元 艇上声单元以及一些信号处理器或位置计算机组成 LBL 系统一般 在海底较远距离按一定的几何形状布设应答器阵 相邻三个或四个应答器构成 一个基阵 布设基阵后需要先确定基元位置 在导航过程中 安装在潜水器上 的目标周期性地发射询问信号 水声 cw 脉冲 各应答器接收询问信号并根据 自身节点地址进行不同频率的应答 目标检测应答器应答信号 测出 cw 脉冲 的传播延时 从而得到目标和应答器的间距 最终由球面交汇的方法计算相对 或绝对坐标 LBL 系统多是大型固定安装系统 跟踪范围达数百平方公里 主 要优点是精度高 可靠性好 缺点是系统构成复杂 声线基阵庞大 费用昂贵 大量的水下或海底设施造成校准 布防 回收 使用和维护的极大困难 SBL 系统工作原理与长基线定位系统相同 只是其基线长度较短 相对位置固定 其基阵由海底安装转为船舶或平台上 它的水听器基阵一般由四个成直角坐标 配置的水听器组成 与 LBL 系统相比 其基阵系统容易受母船影响 若是安 装在固定平台上较好一些 一般需要测量和计算母船的横摇 纵摇及偏航数据 来修正和补偿水听器的扰动运动 而 LBL 系统安装于稳定安静的水底 其测 量定位精度较 LBL 低 并且 SBL 系统跟踪范围较小 但可通过增加基阵的数 目来扩大跟踪范围 4 视觉导航 视觉导航 声视觉 和 光视觉 作为潜水器的眼睛 可以辅助潜水器进 行沉船打捞 海上救生 光缆铺设 资源勘探等水下作业及地形勘测 避障等 随着计算机及图像处理技术等的发展 现在图像传感器如图像声纳 水下电视 摄像头等广泛应用于潜水器的运动控制 可根据对图像传感器的数据处理和分 析作为潜水器的视觉导航以实现对目标的跟踪和控制 图像声纳是利用水中物 体对声波的不同反射 采用微处理技术将物体的轮廓显示出来的一种传感器 由于它利用声波 所以在水中特别是混浊水中可以有比依靠光波的水下电视更 大的作用距离 水下电视一般是指置于水下的摄像机 可对水 3 中目标进行摄 5 像的应用电视 一般包括水下摄像机 传输电缆 控制器和监视器等组成 为 了扩大水下摄像机的可视角度 一般还配有可以带动摄像机转动的云台 根据 其设计功能不同 在潜水器上的安装位置有所不同 控制器和监视器通常设在 运载平台 如母船 上 通过传输电缆与水下摄像机相连 进行遥控摄像并监 视所摄图像 根据水下电视使用需要 还配有其它附属设备 如录像机 水下 照明灯具等 海水对可见光吸收和散射作用很强 能量衰减迅速 可视距离有 限 水深大于 30m 时 一般均须用人工照明 在透明度较高的水中 可视距离 为 30m 左右 正在发展中的水下激光电视 其可视距离比一般可见光大 4 倍 左右 最早水下电视 水下摄像机 图像声纳主要作为 ROV 载人潜水器的 视觉观察系统 以帮助潜水器执行各种水下作业任务 现在它们也被广泛应用 于自主式无人潜水器中 通过实时目标识别与图像处理技术 可用于潜水器位 置导航 目标跟踪等 在自主式潜水器声传感器水下目标自动识别位置感知技 术可分为利用声回波信号进行目标识别和利用声图像进行目标识别两大类 但 到目前为止 还没有成熟的基于声图像的目标识别理论框架 目前普遍采用的 方法是 根据特定水下目标声图像的特点 预处理方法借鉴光学图像的处理方 法并进行一定程度的修改 分类识别算法多采用基于模板的投票法 神经网络 分类技术和模板匹配技术 微光 TV 成像的图像清楚 但受海水能见度影响很 大 总的来说可识别的距离太近 实际应用中难以满足要求 激光成像是在近 几年发展起来的新方法 比较适合潜水器使用 其体积 重量和所需功耗都较 小 成像质量远高于声学成像并类似于微光 TV 作用距离比 TV 远 同时可 提供准确的距离信息 目前 美国的激光成像仪已达到工程要求 我国在此方 面差距较大 总的说来 由于海洋环境较为恶劣 声探测距离远 所以仍是目 前的主要手段 但图像声纳受噪声影响较大 而光视觉传感器由于光在水中的 传播损耗较大 再加上海水混浊等因素 其应用技术上仍需要进一步提高 5 地球物理导航 地球物理导航现在潜水器正向大深度 远程化并可执行一定作业任务与使 命方向发展 这对其水下导航技术提出了更高的要求 作为现在潜水器最主要 水下导航方法 无论是惯性导航技术还是船位推算方法都具有各自缺点无法独 自满足现在潜水器在水下远程 长时间航行的导航要求 航位推算导航系统或 6 惯性导航系统与 GPS 构成的组合导航系统 一般使潜水器周期性地浮出水面 并采用 GPS 对其位置修正 从而提升航位推算导航系统或惯性导航系统的导航 精度 其主要缺陷是对军用潜水器的隐蔽性不利 而对于深海作业的潜水器却 存在着需要额外的时间和能源的问题 当海面有冰层时 由于冰层的阻碍作用 也使这种方法难以实现 由于海洋地球物理导航 海底地形匹配导航 重力导 航 航海洋地磁导航 的误差不随航行时间或航行距离的增加而积累或发散 具有无源性 精度高 不受时间限制 无需升出水面 隐蔽性强 完全自主等 优点 是潜水器较理想的辅助导航手段 近年来为各国所重视并开展相关研究 美 法已于 1997 年联合启动地球物理导航等非传统方法的研究计划 NTM 美 国海军水下作战中心 NUWC 美国海军研究局 ONR 美国海军海洋系统 中心 NAVO CEANO 美国海军空间和海战系统中心 SPAWAR 麻省理 工学院 MIT 斯坦福大学 Stanford ARL 也都是海洋地球物理导航的重要 研究机构 5 1 海底地形匹配导航海底地形匹配导航 海底地形匹配导航利用数字地形图辅助惯性导航的技术可以实现导航 其 精度取决于地图的精度和地形的变化情况 该技术称为地形辅助导航 迄今为 止 海底地形辅助导航已经研究了 30 多年 由于缺乏准确的海底地形图 其 潜力一直没有充分开发 直到 20 世纪末 随着多波束测深等技术的出现 才发 现大洋底部丰富的海山 峡谷 山丘 壕沟 斜坡 浅滩和海槽都为导航提供 了轮廓鲜明的地形信息 80 的海底水深特征足以支持水深导航的工程实现 应用于潜水器的海底地形辅助导航系统可由测深测潜仪 数字海图 水深数据 库 参考导航系统和数据处理计算机四部分组成 水下地形特征传感器一般为 测深测潜仪 我国这方面传感器测量精度较低现在尚不能满足水下地形匹配导 航技术要求 目前 国外的潜艇是否装有水下地形匹配系统还不得而知 但在 AUV 上己进行了实物试验 2002 年 5 月到 6 月 NATO 北大西洋公约组织 组洛克希德 马丁公司等机构对重力图形匹配技术开织六家单位进行的展了专 项研究 并取得了预期成果 贝尔实验室研 BP02AUV 海试 平台发了重力梯 度仪导航系统 GGNS 和重力辅助惯性是挪威 KONGSBERG 导航系统 GAINS 洛克希德 马丁公司研制的通研制的 HUGIN 潜器 用重力模块 7 UGM 包括两种重力传感器 一个重有两周专门检验导力仪和三个重力梯度 仪 UGM 利用重力仪和重力梯航系统 其中就包度仪的测量数据可实现两种功 能 一是重力无源导含由 FFI Norway 航 二是地形估计 即估计载体附近的 地形变化 5 2 基于重力场的导航方法基于重力场的导航方法 地球重力场是地球自身特性的一种反映和描述存在于地球表面及其附近的 空间 通常用重力位面 又称等位面或水准面 来描述 用于辅助导航的重力 场几何参数有垂线偏差 重力异常和重力梯度 垂线偏差又称重力垂线偏差 是大地水准面上某点的重力方向与通过该点到正常椭球面的法线方向之间的夹 角 重力异常是指大地水准面上某点的重力与该点在正常椭球面投影点处的正 常重力之差 重力场强度取决于诸多的因素 如地下岩石密度 成份 地形等 地球表面 包括水下 任何一点的重力场信息都是不同的 有的地方只不过是 差别很小而已 通过测量水下重力场信息作为惯导系统或船位推算系统的外部 信息源 构成重力场辅助导航的组合系统 可实现对惯导和船位推算系统进行 的重调或校正 20 世纪 90 年代初 利用重力图形匹配技术改善惯导系统性能 的新概念被提出 我们的测量实验速度还很慢 也没有做到两个不同高度的落 体同时下落 因此也存在较多干扰及误差源 海洋重力辅助导航系统的基本原 理是 水下载体在运动过程中 重力传感器实时测量重力特征数据 同时 根 据参考导航系统的位置信息 从海洋重力数据库中读取重力数据 将这两种数 据送给匹配解算计算机 利用匹配解算软件进行解算 求得最佳匹配位置 利 用该信息对参考导航系统进行校正 可起到抑制惯导系统漂移误差或消除 减 小船位推算的累积误差 提高水下导航精度 重力图形匹配系统获取重力信息 时对外无能量辐射 具有良好的隐蔽性 是名副其实的无源导航系统 具有重 要军事价值和广泛应用前景 引起业内人士的高度重视和关注 目前 该技术 已成为舰船导航领域研究的前沿和热点 但若将重力辅导航成功应用于潜水器 上无论重力仪 重力梯度仪的设计制造还是精确的海洋重力数据库建立及重力 匹配算法的研究都还有许多工作要做 5 3 基于地磁场的导航方法基于地磁场的导航方法 8 地磁场是地球的固有资源 为航空 航天 航海提供了天然的坐标系 可 应用于航天器或舰船的定位定向及姿态控制 利用地球磁场空间分布的磁导航 技术简便高效 性能可靠 一直是世界发达国家不可缺少的基本导航定位手段 如自动化程度很高的波音飞机都装有磁导航定位系统 美 英 俄等军事强国 一直非常重视对地磁信息的研究和应用 美国早在上世纪 70 年代即进行了全陆 域按 100 200km 全海域按 400 500km 的测线间隔进行磁力三要素 D H 和 Z 航空磁力测量 编制了全球的磁力矢量分布图 用于高精度的全球定位 系统 武器制导 潜艇辅助导航 快速定向及军用地图磁场信息标注等 当前 美 英联合研制世界地磁模型的主要目的在于实现空间和海洋磁自主导航 为 英 美国防部和北大西洋公约组织 NATO 世界水文地理室 WHO 的导航和定 姿 定向 参考系统提供标准模型 地磁匹配与地形匹配近似 它预先将选定海域地 磁场的某种特征值 制成参考图并储存在潜水器的计算机中 当潜水器经过这 些海域时 体载传感器实时测定地磁场的有关特征值 并构成实时图 实时图 与预存的参考图在计算机中进行相关匹配 确定实时图在参考图中的最相似点 即匹配点 从而计算出潜水器的精确实时位置 达到精确导航的目的 利用地 磁场信息辅助惯性导航系统 可以有效抑制惯性导航系统误差积累 实现潜水 器水下大航程长时间航行高精度导航 同样 将地磁导航实际应用于潜水器还 有许多关键技术需要解决 通过地磁测量和高精度地磁场模型建立水下地磁匹 配参考图 提高磁测量设备的响应速度 精度 地磁导航匹配理论与算法等等 6 组合导航 组合导航作为一般工作在复杂海洋环境下的潜水器能否成功完成指定的工 作任务与使命 导航技术是其关键技术之一 现在潜水器导航正向无源性 自 主性 多功能化 智能化 低功耗 高可靠性发展 虽然前面介绍的导航方法 都可以直接应用在潜水器上 但它们各有优缺点 单一的导航方法 其精度 可靠性还无法满足潜水器水下远距离航行的需要 将多种导航技术方法适当地 组合起来 不仅可以取长补短 大大提高导航精度 而且可以适当地降低单一 导航系统的精度 从而可以降低导航系统的成本和技术难度 此外 组合导航 9 系统还能提高系统的可靠性和容错性能 潜水器组合导航系统一般由声 光 电多种不同原理传感器组成 每种传感器都有各自的数据特点 同时 由于受 外界干扰噪声的影响 传感器所获得的信息都具有一定程度的不确定性 具体 表现为所获取数据的不精确 不完整 不一致或不可靠 潜水器导航控制系统 一般需要在软件方面对多传感器多数据进行信息融合 在水下导航领域中 应 用最成功的信息融合方法是卡尔曼滤波 卡尔曼滤波是一种线性 无偏 以误 差方差最小为准则的最优估计算法 其算法是递推的 可用于对多维随机过程 的估计 卡尔曼滤波器的每次运算 只要求前一时刻的估计数据和当前的量测 数据 不必存储历史数据 大大减少了对导最大航速 3kn 导航系统由 INS FOG DVL GPS 深度计 无线电 声通讯及 DPR 声纳和前视声纳等 组成 并且携带侧扫声纳 CTD pH 传感器 磁力计 CCD 摄像头等观察传 感器 7 结束语与展望 从国内外潜水器上所采用的成熟组合导航技术来看 主要是船位推算 需 配备速度 深度 姿态等传感器 捷联惯性导航系统和多普勒声纳 水声定位 系统等及其组成的组合导航系统 各种导航方法各有优缺点 航位推算导航是 一种低成本的导航方法 它可实时定位及给出载体平台当前和将来的位置 因 此航位推算在潜水器导航中占有至关重要的地位 航位推算导航系统的主要缺 陷是各个时刻累计的误差导致潜水器导航系统长期的漂移 航位推算导航系统 或惯性导航系统与 GPS 构成的组合导航系统 是使潜水器周期性地浮出水面 并采用 GPS 对其位置修正 从而提升航位推算导航系统或惯性导航系统的导航 精度 其主要缺陷是对军用潜水器的隐蔽性不利 而对于深海作业的潜水器却 存在着需要额外的时间和能源