水下航行器導(dǎo)航與定位技術(shù)教材(新)

水下航行器導(dǎo)航與定位技術(shù)學(xué)習(xí)提綱主要參考書：導(dǎo)航與定位——現(xiàn)代戰(zhàn)爭的北斗星，干國強(qiáng)主編，國防工業(yè)出版社，2000水下導(dǎo)航信息融合技術(shù)，朱海，莫軍著，國防工業(yè)出版社，2002卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理，秦永元，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998主要內(nèi)容：導(dǎo)航技術(shù)概論(參考書1)航位推算系統(tǒng)聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(參考書1)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(參考書1)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(參考書1)其它水下導(dǎo)航方法(重力梯度、地形匹配、磁導(dǎo)航等)水下組合導(dǎo)航技術(shù)(參考書1)要求：全文閱讀講義；閱讀參考書指定章節(jié)；掌握各類主要導(dǎo)航方法的根本原理、適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)；掌握推算航位導(dǎo)航的計算方法。目錄TOC\o"1-3"\h\z水下航行器導(dǎo)航與定位技術(shù)0第一章水下導(dǎo)航技術(shù)概論1§1.1導(dǎo)航的根本概念1第二章航位推算1概述1航位推算的定義2第三章聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)7第四章陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)11第五章衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)11第六章慣性導(dǎo)航系統(tǒng)116．1航海陀螺儀器的開展116．2以捷聯(lián)慣導(dǎo)為核心的組合導(dǎo)航技術(shù)13第七章其它水下導(dǎo)航技術(shù)14§7.1地形輔助導(dǎo)航15§7.2地球物理導(dǎo)航17§7.3各種水下助航方法(艦船導(dǎo)航，2001，6)187.3.1磁導(dǎo)航18重力導(dǎo)航19§7.4地形輔助導(dǎo)航技術(shù)20第八章水下組合導(dǎo)航技術(shù)21第一章水下導(dǎo)航技術(shù)概論導(dǎo)航的根本作用是引導(dǎo)飛機(jī)、艦船、車輛、個人等，平安準(zhǔn)確地沿著所選定的路線，準(zhǔn)時地到達(dá)目的地?！?.1導(dǎo)航的根本概念“導(dǎo)航”就是正確地引導(dǎo)航行器沿著預(yù)定的航線在規(guī)定的時間內(nèi)到達(dá)目的地的過程。為了完成這個任務(wù)，就需要隨時知道航行器的瞬時地理位置、航行速度、航行器的姿態(tài)、航向等參數(shù)。這些參數(shù)，通常稱作導(dǎo)航參數(shù)。對有人駕駛的航行器，這些導(dǎo)航參數(shù)可由領(lǐng)航員通過觀察儀表和計算得到。但是，隨著速度和航程的不斷增大，對導(dǎo)航的要求越來越高。為了減輕和代替領(lǐng)航員的工作，就出現(xiàn)了各種各樣的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以自動地提供需要的各種導(dǎo)航參數(shù)。在艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船等各種航行器上，導(dǎo)航系統(tǒng)已作為保證航行任務(wù)完成所不可缺少的重要裝備。而導(dǎo)航原理、導(dǎo)航方法和導(dǎo)航技術(shù)的研究已開展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，導(dǎo)航的概念也擴(kuò)展了，除了保證載體的平安航行外，還需要為運(yùn)載體以及運(yùn)載體內(nèi)的其它系統(tǒng)，如測量、武器、監(jiān)視等系統(tǒng)提供精確的導(dǎo)航、定位信息，進(jìn)一步地還可以對運(yùn)載體的航向、航跡進(jìn)行控制，也可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)載體的動力定位。按照近代科技術(shù)語，導(dǎo)航的主要工作就是定位、定向、授時和測速。導(dǎo)航系統(tǒng)需要連續(xù)提供此類信息；當(dāng)載體的運(yùn)動速度加快時，要求數(shù)據(jù)的更新速率也相應(yīng)加快。導(dǎo)航系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：假設(shè)作為測量裝置，提供的導(dǎo)航參數(shù)僅供駕駛員引導(dǎo)載體之用，那么稱導(dǎo)航系統(tǒng)工作于指示狀態(tài)；如果導(dǎo)航系統(tǒng)與自動駕駛儀聯(lián)用，所提供的導(dǎo)航信息作為自動駕駛儀的輸入量，由自動駕駛儀自動操縱和引導(dǎo)載體，駕駛員(假設(shè)有)只起監(jiān)督作用，那么稱導(dǎo)航系統(tǒng)工作于自動導(dǎo)航狀態(tài)。無論何種工作狀態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)的作用都只是提供導(dǎo)航參數(shù)，因此人們提到“導(dǎo)航”這個術(shù)語時，其含義也只側(cè)重于測量和提供導(dǎo)航參數(shù)這局部工作。第二章航位推算§概述航位推算導(dǎo)航是最根本的導(dǎo)航方法之一，由于在水上導(dǎo)航中它和各種導(dǎo)航設(shè)備一起使用，所以很少強(qiáng)調(diào)它的重要性，但在水下導(dǎo)航中其地位至關(guān)重要。航位推算導(dǎo)航有兩個獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一是可隨時定位，不象無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)，當(dāng)需要在水下精確定位的時候，卻因收不到信號而不能定位；二是能夠給出載表達(dá)在和將來的位置。利用其它導(dǎo)航方法即便是得到了位置并畫在海圖上，這個位置并不表示一艘正在航行的艦船現(xiàn)在或?qū)砟骋粫r刻的位置。為了得到艦船現(xiàn)在和將來的近似位置，導(dǎo)航者只能單純依賴于航位推算導(dǎo)航法。上述特點(diǎn)使得航位推算導(dǎo)航法在艦船導(dǎo)航中處于不可缺少的地位。航位推算(DeadReckoning)這一術(shù)語確實(shí)切來歷至今沒有考證清楚，據(jù)說，在16世紀(jì)，航海者就開始應(yīng)用航位推算法。當(dāng)時，人們還不能利用天文學(xué)技術(shù)對所測得的船位進(jìn)行校正，對遠(yuǎn)離陸地的航行，只能憑借海員的推測或航行的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計，也沒有任何其它方法能作為引導(dǎo)航行的依據(jù)?！?.2航位推算的定義在18世紀(jì)和19世紀(jì)期間，各種海圖極其缺乏，價格也十分昂貴，船長只能根據(jù)航行前位置的航向和航速，利用數(shù)學(xué)公式算出當(dāng)時的位置，把這種技術(shù)稱為“推算估算法”，英文用“DeducedReckoning”表示，后來又縮寫為“dedreckoning”，幾經(jīng)演化而成為今天使用的航位推算“deadreckoning”。由于自然天文學(xué)的進(jìn)步，使得校正航位推算方法成為可能。海上尋找艦船位置的最早的自然天文學(xué)技術(shù)，是根據(jù)觀測北極星高度，找出觀察者所處的緯度。后來又利用觀測恒星、行星等確定船位。直到18世紀(jì)海上測量經(jīng)度的問題得到徹底解決，航位推算導(dǎo)航法才被人們真正地確定下來。最常用而且應(yīng)用最早的導(dǎo)航方法是航位推算法[10]，即將水下航行器的速度對時間進(jìn)行積分來獲得航行器的位置。因此，這種方法需要一個水速傳感器來測量航行器的速度，再用一個羅經(jīng)來測量航行器的方向。但是，這種方法的主要問題是海流的存在而給水下航行器產(chǎn)生一個速度的分量，這個分量水速傳感器又無法測量，從而給低速航行的水下航行器在長時間航行時會產(chǎn)生很大的定位誤差。對于靠近海底航行的水下航行器，可以采用多普勒速度聲納〔DVS〕來測量航行器相對于大地的速度，從而可以消除海流對航行器定位的影響。目前國外水下航行器上常用的DVS，主要有：美國EDO公司的3040型和3050型多普勒速度聲納，其精度到達(dá)可到達(dá)0.2%；美國RDInstrucments公司的WorkhorseNavigator，其精度也可到達(dá)0.4%；英國MA公司研制的COVELIA，其最大絕對誤差不大于0.005節(jié)。對于DVS，其作用距離越大，其體積和功耗就越大。因此，選擇DVS時，因根據(jù)航行器及航行器的使用環(huán)境來確定選擇DVS的類型。概述自主水下航行器是世界各國大力開展的海洋運(yùn)載器，在海洋保護(hù)、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值，如水下搜索、海底繪圖、海底監(jiān)控、管道鋪設(shè)、海底作業(yè)等。導(dǎo)航問題是水下航行器應(yīng)用所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一，導(dǎo)航能力是水下航行器有效工作與平安回收的重要要求。由于水下環(huán)境的局限，目前水下航行器導(dǎo)航的主要方法是航位推算、INS、聲學(xué)系統(tǒng)等[1、2]。INS價格昂貴，在沒有修正信息的情況下難以滿足長時間導(dǎo)航定位的要求；聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)需要事先在工作海域布置導(dǎo)航基陣，在某些應(yīng)用場合受到較大的局限；航位推算方法利用航向和速度推算航行器的位置，但在沒有地速信息的情況下受洋流的影響較大。航位推算系統(tǒng)進(jìn)行位置解算，需要知道載體運(yùn)動的航向、速度，由于載體姿態(tài)的變化，需要知道速度的水平分量，因此還需要測量載體的姿態(tài)。在載體初始位置的情況下，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，可以實(shí)時解算運(yùn)動載體的當(dāng)前位置。航向測量所謂航向，是航行器的首尾線與真北方向在水平面的夾角，首尾線在航行器上是客觀存在的，而要在航行器運(yùn)動的情況下找到真北方向那么比擬困難，一般用磁航向儀、陀螺磁羅盤、陀螺羅經(jīng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)等。磁羅盤亦稱磁航向儀，是在指南針的根底上形成的。磁航向儀利用地球磁場來找北，修正掉磁北極和真北的偏角后就能得到航向角。磁航向儀工作穩(wěn)定，航向誤差不發(fā)散，但其精度一般較差，目前最高能到達(dá)度，容易受到磁場異常及周圍磁介質(zhì)的影響。陀螺磁羅盤磁羅盤具有自動定向的特性，不難看出，磁羅盤的穩(wěn)定性差，定位精度低；而陀螺方位儀由于利用了陀螺儀的根本特性，穩(wěn)定性好，但沒有相對地球真北自動定向的能力。陀螺磁羅盤那么結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。陀螺羅經(jīng)陀螺羅經(jīng)利用陀螺儀特性敏感地球自轉(zhuǎn)角速度，用機(jī)械擺或電子擺感受地球重力加速度，再加上阻尼，實(shí)現(xiàn)其陀螺主軸自動找北，就構(gòu)成了具有自動找北功能的指北裝置。一般陀螺羅經(jīng)的精度為0.5secL度(L為陀螺羅經(jīng)所處的緯度值)，高精度的能到達(dá)0.1度以下。慣導(dǎo)系統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)能提供包括航向在內(nèi)的大量導(dǎo)航信息，具體見有關(guān)章節(jié)。速度測量及誤差分析航行器的速度測量儀器主要有水速計、多普勒速度聲納、聲相關(guān)速度儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)等，由于通過對速度的積分便可得到航程，因此上述速度計也成為計程儀。水速計(亦稱水速計程儀)水速計的工作原理類似于汽車?yán)锍瘫?，有轉(zhuǎn)輪、渦輪、電磁等形式的水速計。轉(zhuǎn)輪水速計在載體相對于水運(yùn)動時將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)與相對于水的運(yùn)動速度成比例。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但線性差，誤差大，其精度受海流及船舶吃水、等因素影響，已根本被淘汰。渦輪計程儀包括葉輪及干簧繼電器兩局部，每個渦輪葉片上鑲嵌有永久磁鐵，當(dāng)磁鐵隨葉片旋轉(zhuǎn)到干簧繼電器附近時，干簧繼電器動作，觸點(diǎn)閉合產(chǎn)生計數(shù)脈沖。通過標(biāo)定，可以將單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù)值變?yōu)閁UV的速度。對速度積分就可以得到UUV航行的距離。與航向測量配合，就可以到達(dá)導(dǎo)航的目的。渦輪計程儀的優(yōu)點(diǎn)是簡單、本錢低。其缺點(diǎn)是不夠精確、在UUV與水之間相對運(yùn)動速度低時不靈敏，未知海流的影響將無法克服。水壓式計程儀應(yīng)用相對于航行器水流的動壓力與航速平方成正比的原理，來測量航速。該計程儀性能可靠，在中速和高速時的測量精度較高；但在低速時測速精度和靈敏度很差，而且其水壓系統(tǒng)的皮托管需要伸出航行器底部，而且使用期間需要經(jīng)常排氣以保證測量精度，操作維護(hù)不方便，已根本淘汰。電磁計程儀利用電磁感應(yīng)原理來測量航速，屬于相對計程儀。優(yōu)點(diǎn)是：電磁傳感器所敏感的感應(yīng)電勢與航速為線性關(guān)系，不僅測速靈敏度高，而且具有很寬的航速測量范圍，還可以測量后退航速；不受水域或水文條件如溫度、鹽度、密度、壓力、導(dǎo)電率等的影響；感應(yīng)電勢是瞬間產(chǎn)生的，能反映瞬時的速度變化，測速精度較高。它是目前比擬普遍采用的一種相對計程儀。多普勒速度聲吶(多普勒計程儀)多普勒速度聲吶是一種絕對計程儀，它測量航行器相對海底的速度，而不是相對海水的速度，因此稱為絕對計程儀，當(dāng)其工作于水層跟蹤模式時為相對計程儀。測速精度能到達(dá)0.4%。利用多普勒速度聲納測量在波束方向的相對速度，結(jié)合速度聲納在航行器上的安裝角，可以獲得航行器在殼體坐標(biāo)系內(nèi)的速度。多普勒速度聲納安裝在水下航行器上，利用聲納波的多普勒效應(yīng)測量航行器相對海底的速度，通過對地速的積分，結(jié)合航向信息可以獲得導(dǎo)航解，這是一種航位推算導(dǎo)航法。多普勒速度聲納儀采用水聲換能器結(jié)構(gòu)，儀器本身即是發(fā)射源又是接收機(jī)。設(shè)多普勒速度聲納的發(fā)射頻率為，波長為，為光速，沿波束方向的相對速度為，那么多普勒頻移為：(1)對于三波束多普勒速度聲納，其發(fā)射聲外表和航行器的相對位置是固定的，因此聲波束的發(fā)射方向相對航行器殼體坐標(biāo)系的角位置是固定不變的，如圖1所示。其中為航行器的殼體坐標(biāo)系，規(guī)定右、前、上為正向，記坐標(biāo)軸單位向量分別為。為多普勒速度聲納3個聲納波束的發(fā)射方向。波束相對航行器縱向?qū)ΨQ面的水平偏角為，水平傾角為。圖1三波束多普勒速度聲納的發(fā)射方向示意圖設(shè)航行器在殼體坐標(biāo)系的速度為地速向量，那么(2)根據(jù)圖1反映的關(guān)系，殼體坐標(biāo)系在波束方向的單位投影為：(3)因此殼體坐標(biāo)系速度向量在3個波束方向的速度投影分別為(4)3個波束方向的速度分別引起各自方向的多普勒頻移量為，聯(lián)立(1)式、(4)式，可得由三波束速度聲納測量的航行器在殼體坐標(biāo)系內(nèi)的速度為：(5)因此從多普勒頻移計算地速的比例系數(shù)分別為：(6)從上式觀察，速度測量的比例系數(shù)誤差與發(fā)射聲納波長的穩(wěn)定性、發(fā)射波束的水平偏角和水平傾角的安裝精度有關(guān)。設(shè)發(fā)射聲波的波長設(shè)計值為，實(shí)際發(fā)射的波長具有偏差，安裝角的設(shè)計值分別為和，存在和的安裝誤差，那么實(shí)際的比例系數(shù)為：(7)將上式在設(shè)計值處進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，只保存關(guān)于誤差、和的一次項(xiàng)，并與(6)式比擬，得比例系數(shù)誤差為：(8)聲相關(guān)計程儀聲相關(guān)計程儀是20世紀(jì)70年代中期研制成功的測速設(shè)備，屬第四代計程儀產(chǎn)品，前三代分別為水壓式、電磁式和多普勒計程儀。聲相關(guān)計程儀利用水聲信息相關(guān)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其測速功能，為絕對計程儀，當(dāng)其工作于水層跟蹤模式時為相對計程儀。測速精度能到達(dá)0.2%。聲相關(guān)計程儀測量垂直方向的收、發(fā)信號，并對回波信號幅值包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)信息處理后得到航速，并可測量水深。其測量精度不受海水中聲波傳播速度變化的影響。導(dǎo)航計算導(dǎo)航坐標(biāo)系為當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系東、北、天，殼體水平坐標(biāo)系原點(diǎn)在航行器質(zhì)心，與導(dǎo)航坐標(biāo)系的夾角為航向角，與殼體坐標(biāo)系相應(yīng)軸的夾角為俯仰角和橫滾角。殼體坐標(biāo)系到殼體水平坐標(biāo)系的變換矩陣為：(9)殼體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的變換矩陣為：(10)地速向量在導(dǎo)航坐標(biāo)系內(nèi)的投影為：(11)定位計算方程為：(12)其中為地球半徑，分別為航行器的緯度、經(jīng)度、高度。仿真計算美國SonTek公司RiverSurveyor三波束多普勒聲納的底跟蹤測速精度為，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，某型陀螺羅經(jīng)的漂移率均方差為，初始對準(zhǔn)誤差均方差為，姿態(tài)測量組件的測量精度均方差為，水下航行器初始位置在東經(jīng)，北緯，沿北偏東航向以速度航行2小時，定位誤差如圖2所示。圖2仿真結(jié)果曲線從圖2看出，在仿真條件下，東向誤差在300米以下，北向誤差在150米以下，姿態(tài)測量引起的高度誤差不超過15米，綜合定位誤差為350米以下，按2小時的航程32海里計算，定位誤差不超過航程的，滿足一般使用條件下對水下航行器的定位要求。航位推算法的最主要問題是隨著航行器航行時間的增大，其誤差也不斷增大，而且其增長速率是海流、航行器的速度、測量傳感器的精度的函數(shù)。如果將水下航行器周期性地浮出水面，并采用GPS、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)〔如羅蘭—C〕對其位置修正，那么航行器的導(dǎo)航精度將會得到很大的提高。這時航行器在相鄰兩次浮出水面之間的時間間隔取決于航位推算法與INS的精度。采用這樣方法進(jìn)行修正的主要缺陷，一是水下航行器周期性地浮出水面，對水下航行器及水面艦船的平安性帶來巨大的威脅；二是對于深海作業(yè)的水下航行器，當(dāng)周期性地浮出水面時，存在著需要額外的時間和能源的問題；三是當(dāng)海面結(jié)冰時，這種方法顯然是無法實(shí)現(xiàn)的。第三章聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)對于電磁信號，只有在低頻下，才能在水下傳播一定的距離。然而，對于聲信號，在水下傳播得就比擬好，因此聲發(fā)射機(jī)可以在水下航行器無需浮出水面的情況下作為信標(biāo)來導(dǎo)引水下航行器的航行。目前，水下航行器采用的聲學(xué)導(dǎo)航主要有三種形式，分別為：長基線〔LBL〕導(dǎo)航短基線定位系統(tǒng)(SBL)超短基線〔USBL〕導(dǎo)航這三種形式都需要外部的換能器或換能器陣才能實(shí)現(xiàn)聲學(xué)導(dǎo)航。圖幾種聲學(xué)定位系統(tǒng)長基線定位系統(tǒng)短基線定位系統(tǒng)超短基線定位系統(tǒng)在介紹這三種定位系統(tǒng)之前，首先介紹幾個名詞的含義：基線(BASELINE)：基線是指聲學(xué)基元之間的距離，長基線定位系統(tǒng)的各基元(應(yīng)答器)是布置在海底的?；木嚯x一般在幾公里量級。短基線和超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的基元一般安裝在母船上。聲源(BEACON)：它是在規(guī)定的時間或由用戶控制的時間向水中發(fā)射具有一定能量聲脈沖的裝置。水聽器(HYDROPHONE)：接收聲信號的裝置聲波發(fā)射器(PINGER)：聲波發(fā)射器是一種按預(yù)定規(guī)律發(fā)射聲脈沖的裝置。水聲應(yīng)答器(TRANSPONDER)：是一種發(fā)射/接收裝置，它在接收到特定的聲信號后，發(fā)射一個響應(yīng)聲脈沖。電聲應(yīng)答器(RESPONDER)：它的功能與水聲應(yīng)答器一樣，不同的是它接收的詢問信號是電信號。上述三種系統(tǒng)都需要與聲源一起工作，聲源發(fā)出的脈沖被一個或多個設(shè)在母船上的聲學(xué)傳感器接收，收到的脈沖信號經(jīng)過處理和按預(yù)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算就可以得到聲源的位置。有時還需要知道聲源的深度信息，這可以通過以下方法獲得：假設(shè)聲源安裝在UUV上，可直接使用UUV的深度信息。在聲源上安裝壓力傳感器并通過聲遙測通道傳送深度數(shù)據(jù)。操縱水面母船到聲源上方，測得聲標(biāo)至母船的距離即為深度。下面分別介紹三種聲學(xué)定位系統(tǒng)：長基線水聲定位系統(tǒng)長基線水聲定位系統(tǒng)包括船上信號處理裝置、母船吊放至水中的聲學(xué)收發(fā)裝置、海底應(yīng)答器陣和安裝UUV上的應(yīng)答器。一般情況下海底基陣由三個以上的應(yīng)答器組成，它們或置于海底，或者系浮于海底之上。應(yīng)答器陣的相對陣型必須經(jīng)過認(rèn)真的反復(fù)測量，這種測量工作很麻煩，有時需要幾小時甚至幾天的時間。通過母船吊放的聲學(xué)收發(fā)裝置對UUV及海底基陣進(jìn)行詢問和應(yīng)答，UUV上應(yīng)答器對海底基陣的問答，可以得到各應(yīng)答器之間的斜距，根據(jù)測陣的結(jié)果及斜距就可以計算出UUV及母船相對于海底基陣的位置。長基線定位系統(tǒng)的精度很高，相對海底基陣的定位精度可以到達(dá)±10～12m，但是轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)時，取決于所采用的測量手段。如果使用普通GPS，那么定位精度會大幅度降低。2．短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)由船載測量系統(tǒng)和水下聲源兩局部組成。船載測量系統(tǒng)包括三個水聽器及其信號處理裝置。水下聲源如果安裝載UUV上就可以測定UUV的位置。三個水聽器安裝于母船的底部，三個水聽器之間的距離以10～20m為宜。短基線定位系統(tǒng)的精度約為距離的1%～3%。如果UUV上安裝的聲源與母船信號處理裝置之間有共同的時鐘基準(zhǔn)系統(tǒng)，那么可以采用信標(biāo)工作方式。3．超短基線定位系統(tǒng)超短基線定位系統(tǒng)相當(dāng)于短基線定位系統(tǒng)的壓縮，水聽器陣的距離減小至半波長以下。由水下聲源發(fā)來的聲脈沖到達(dá)這個陣的每個陣元的相位是不同的，檢測這個相位差，經(jīng)過變換和計算就能得到聲源的位置。如將聲源置于UUV上，就可以得到UUV的位置。超短基線定位系統(tǒng)的精度略低于短基線系統(tǒng)。4．選擇聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的假設(shè)干考慮應(yīng)當(dāng)說從定位精度的角度來看，長基線系統(tǒng)最好，它有很高的定位精度，但是要獲得這樣的精度必須精確地知道布放在海底的應(yīng)答器陣的相互距離，正如前面已經(jīng)提到的，為此必須花費(fèi)很長的時間進(jìn)行基陣間距離的測量。此外，布放和回收應(yīng)答器也是一件很復(fù)雜事情，對操作者的要求比擬高，因此，許多UUV寧愿選擇精度稍微差一點(diǎn)的超短基線或短基線系統(tǒng)。超短基線系統(tǒng)有四種定位模式：信標(biāo)方式應(yīng)答方式響應(yīng)方式組合方式當(dāng)UUV水平移動的距離是UUV水深的1～2倍是，前3種方法的測量精度最高。如果UUV水平移動的距離更大，那么這時聲波應(yīng)答器和電聲應(yīng)答器方案的定位精度更高。以聲波發(fā)生器的方式工作時，為了計算水平距離和斜距，要求知道聲波發(fā)生器的深度，深度可以由鍵盤輸入，也可以用聲遙測通道傳送給母船，或由ROV數(shù)據(jù)庫接口送至水面信息處理系統(tǒng)，由UUV的深度計提供。以電聲應(yīng)答器模式工作時，那么要求將超短基線導(dǎo)航定位系統(tǒng)與載體通過主電纜進(jìn)行通訊。電詢問脈沖的發(fā)射時間，必須被導(dǎo)航系統(tǒng)精確地知道，這樣才能精確地測量詢問和響應(yīng)的時間。以水聲應(yīng)答器模式操作是一種復(fù)雜模式，它要求雙向聲通訊，但不要求深度輸入，也不要求與載體控制系統(tǒng)之間有電氣接口。選擇聲學(xué)定位系統(tǒng)必須兼顧精度和上面提到的其它各種要求。有幾個概念需要加以說明：可重復(fù)性：指在同一地點(diǎn)進(jìn)行相同的測量時獲得的數(shù)據(jù)的一致性。系統(tǒng)的可重復(fù)性不直接涉及系統(tǒng)的定位精度。分辨率：系統(tǒng)能檢測到和能顯示的最小測量程度。相對精度：指在兩點(diǎn)之間位置測量的精度。絕對精度：是與一個公認(rèn)的“標(biāo)尺”相比擬測到的位置精度。對于UUV的聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)來說，這個標(biāo)尺可以取母船吊放應(yīng)答器與水中聲源之間的距離。例如，絕對精度為1%斜距，這意味著有69%的位置數(shù)據(jù)將在±1%范圍之內(nèi)。這項(xiàng)指標(biāo)是假定海況為0級，母船在水面不動的情況下計算出來的。絕對精度指標(biāo)只是一種概率。以下兩點(diǎn)影響到位置的測量精度：聲波在水中傳播速度的變化母船的縱搖和橫搖這兩種影響需要在系統(tǒng)中予以補(bǔ)償。其它需要考慮的因素還有環(huán)境條件、盲區(qū)和多途反射，在高早聲環(huán)境下將限制系統(tǒng)的有效工作距離和定位精度，處于盲區(qū)時會引起重碼，而多途反射會使測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。長距離的測量應(yīng)使用較低的頻率和大的功率輸出。但是降低頻率也會使精度下降，而且使用高的聲源功率將縮短電池的使用時間。應(yīng)當(dāng)指出的是，在母船上，特別是在動力定位母船或海洋石油鉆井平臺上，通常還使用其它的聲學(xué)定位系統(tǒng)。特別應(yīng)當(dāng)注意它們之間的相互影響，為此應(yīng)當(dāng)將他們的使用頻率分開。像其它船用設(shè)備一樣，選用的聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)必須符合海洋環(huán)境要求以及其它的可靠性要求。在LBL聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)中，需要將一個換能器陣安裝在的位置，當(dāng)航行器發(fā)出的聲信號被每個信標(biāo)接收后，又重新返回，這樣在當(dāng)?shù)氐穆晫W(xué)梯度和每個信標(biāo)的幾何位置后，根據(jù)所發(fā)出信號傳遞的時間〔time-of-flight，簡稱TOF〕，就可以確定航行器相對于每個信標(biāo)的位置。在LBL導(dǎo)航系統(tǒng)中，主要采用兩種技術(shù)，一是將原始的TOF經(jīng)過適當(dāng)?shù)目柭鼮V波，以消除測量信號中的噪聲[15]；二是計算航行器與每個信標(biāo)確定的球面的交點(diǎn)，就可確定航行器的位置。這種方法的主要缺陷是，在復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境下，如在淺水區(qū)或在極地，航行器就很難區(qū)分接收的是回波還是多途干擾，但在基于卡爾曼濾波的系統(tǒng)，可以通過設(shè)置相關(guān)門，將干擾信號予以剔除[15]。LBL導(dǎo)航的另外一種形式是雙曲線導(dǎo)航[16]。在這種方式下，航行器不是主動發(fā)出聲脈沖，而是接收來自位置的各個信標(biāo)的信號。每個信標(biāo)以其獨(dú)有的頻率、規(guī)定的順序發(fā)出聲脈沖。水下航行器只要知道是某個信標(biāo)、某個時候發(fā)出的信號，航行器就可以確定自己的位置。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)，不僅可以節(jié)省航行器自身的能源，而且可以適用于多個航行器使用[17]。大多數(shù)LBL系統(tǒng)的工作頻率大約在10kHz，其作用距離大概在幾公里，這時的定位精度約為幾米。另一種系統(tǒng)的工作頻率為300kHz，這時航行器在由三個信標(biāo)組成、每邊長為100米的三角形定位區(qū)域內(nèi)的定位精度為1厘米[18]。在USBL導(dǎo)航系統(tǒng)中，水下航行器上裝有由多個陣元組成的接收器陣，每個陣元可以測量其到聲學(xué)信標(biāo)的距離與角度，從而可以確定航行器相對于信標(biāo)的位置。這種方式特別適用于水下航行器的導(dǎo)引和回收。在LBL和USBL導(dǎo)航系統(tǒng)中，其誤差與許多因素有關(guān)，主要由兩大局部組成。一是陣的幾何位置誤差，另一個是當(dāng)?shù)氐穆晫W(xué)梯度誤差。由于聲學(xué)導(dǎo)航需要位置的信標(biāo)的參與，因此種導(dǎo)航方式主要適用于科學(xué)研究。第四章陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)第五章衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第六章慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航是一種自主式的導(dǎo)航方法。它完全依靠機(jī)載設(shè)備自主的完成導(dǎo)航任務(wù)，和外界不發(fā)生任何光、電聯(lián)系，因此隱蔽性好，工作不受氣候條件的限制。這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對作為軍事目的而應(yīng)用的各種航行器特別重要。所以近幾十年來，慣性導(dǎo)航在導(dǎo)彈、艦船、潛艇、水下武器、飛機(jī)、宇宙航行器上都得到了廣泛的應(yīng)用，在導(dǎo)航技術(shù)中占有突出的地位。各類陀螺儀表和加速度計，都可以稱為稱為慣性測量元件或慣性測量元件或慣性器件。習(xí)慣上，人們只把精度到達(dá)慣性導(dǎo)航要求的陀螺和加速度計稱為慣性器件，其含義實(shí)際上是“慣性級器件”，這不應(yīng)阻礙對“慣性器件”含義的理解。因此，把采用慣性器件作為測量元件的導(dǎo)航系統(tǒng)稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；而把采用慣性器件作為測量元件的制導(dǎo)系統(tǒng)稱為慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作任務(wù)是通過慣性測量和計算給出載體的位置、速度和姿態(tài)信息，為駕駛員或飛行控制系統(tǒng)引導(dǎo)載體提供依據(jù)；慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的工作任務(wù)那么是根據(jù)慣性測量和計算出的實(shí)際導(dǎo)航系統(tǒng)，與實(shí)現(xiàn)裝定的理想?yún)?shù)相比擬，并按選定的規(guī)律進(jìn)行計算處理，從而形成制導(dǎo)指令信息傳送給姿態(tài)控制系統(tǒng)，對飛行軌道不斷調(diào)整，直到命中目標(biāo)。慣性導(dǎo)航的根本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為根底的，在航行器內(nèi)用加速度計測量航行器運(yùn)動的加速度，通過積分運(yùn)算得到航行器的速度和位置信息。在INS中，加速度對時間進(jìn)行兩次積分就可獲得航行器的位置[11]。這種導(dǎo)航方法的優(yōu)點(diǎn)是自主性和隱蔽性好。目前INS主要有兩種形式：平臺式和捷聯(lián)式。由于受體積、能源、本錢等多方面的影響，水下航行器一般都采用捷聯(lián)式，而且捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與控制的一體化。但是INS在水下航行器上應(yīng)用的缺點(diǎn)是：〔1〕商業(yè)級的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)位置漂移速度一般是幾公里/小時的數(shù)量級，這對于象水下航行器這樣需要長時間在水下工作的對象，這樣的導(dǎo)航精度難于滿足實(shí)際工作的需要；〔2〕初始對準(zhǔn)比擬困難，特別是由動態(tài)載體攜帶發(fā)射的水下航行器就尤為困難；〔3〕本錢高。因此，對于小型水下航行器，由于空間、能源及本錢等問題，INS就受到很大的限制。但是，隨著光纖、激光等新型固態(tài)陀螺精度的不斷提高，其本錢、體積、精度、可靠性、能耗指標(biāo)得到了很大的提高，因此在未來的水下航行器上將大量采用這些新型INS。目前，國外水下航行器常用的INS主要有：美國霍尼韋爾公司RL34環(huán)形激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、美國Crossbow公司的微機(jī)械陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。6．1航海陀螺儀器的開展陀螺儀器是科學(xué)技術(shù)開展的豐碩成果之一，是當(dāng)代的一項(xiàng)多學(xué)科綜合性尖端技術(shù)。陀螺儀器應(yīng)用范圍十分廣泛，特別是在航行器導(dǎo)航、制導(dǎo)和精密測試設(shè)備等領(lǐng)域中具有重大使用價值。根據(jù)不同的需要，陀螺儀器能夠提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度、加速度信號。在飛機(jī)、艦船、飛船等航行器導(dǎo)航中，可以利用這些信號和指令，通過駕駛員或自動導(dǎo)航儀來控制航行器按一定的航線航行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器、空間探測火箭、水下自主航行器等導(dǎo)航制導(dǎo)中，那么直接利用這些信號完成航行器的姿態(tài)控制和軌道控制。陀螺儀器作為精密測量設(shè)備用，可以為地面設(shè)施、礦山隧道、導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)，同時在振動測量中也得到應(yīng)用。依據(jù)所采取的技術(shù)途徑不同，導(dǎo)航系統(tǒng)可分為：無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航的理論根底是牛頓力學(xué)根本定律，它是利用慣性敏感元件(陀螺和加速度計)測量航行器相對慣性空間的線運(yùn)動和角運(yùn)動參數(shù)，在給定初始條件下，由計算機(jī)推算出航行器的導(dǎo)航參數(shù)，以便引導(dǎo)航行器完成預(yù)定的航行任務(wù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最突出的優(yōu)點(diǎn)就是具有高度的自主性，它不需要與外界發(fā)生任何信號聯(lián)系，僅依靠慣性裝置本身就能在載體內(nèi)部獨(dú)立地完成導(dǎo)航任務(wù)，所以從技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)看，都具有不容無視的優(yōu)越性。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是導(dǎo)航定位誤差隨時間而積累，長時間工作后，為了保證期望的導(dǎo)航定位精度必須進(jìn)行誤差修正。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的根本工作原理可簡述如下：根據(jù)牛頓定律，利用一組加速度計連續(xù)地進(jìn)行測量，而后從中提取運(yùn)動載體相對某一選定的導(dǎo)航坐標(biāo)系(可以是人工建立的物理平臺，也可以是計算機(jī)存儲的“數(shù)學(xué)平臺”)的加速度信息；通過一次積分運(yùn)算(載體初始速度)便得到載體相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的即時速度信息；再通過一次積分運(yùn)算(載體初始位置)便得到載體相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的即時位置信息。另外，借助于導(dǎo)航坐標(biāo)系，通過測量和計算，還可得到載體相對當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的姿態(tài)信息，即航向角、俯仰角、橫滾角。于是通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作，便即時地提供出全部導(dǎo)航參數(shù)。按慣性器件的安裝方式，可將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)分成兩大類型：平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將慣性測量元件安裝再慣性平臺(物理平臺)上，根據(jù)平臺所模擬坐標(biāo)系不同，又可以分為空間穩(wěn)定慣導(dǎo)系統(tǒng)和當(dāng)?shù)厮矫鎽T導(dǎo)系統(tǒng)，前者的平臺臺體相對慣性空間穩(wěn)定，用來模擬某一慣性坐標(biāo)系，重力加速度和哥氏加速度的補(bǔ)償全依靠計算機(jī)來完成，這種系統(tǒng)多用于運(yùn)載火箭主動段的控制和一些航天器上；而后者的平臺臺體模擬某一當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系，因而保證了兩個水平加速度計的敏感軸始終處于當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)，這種系統(tǒng)多用于地表附近運(yùn)動的航行器，如飛機(jī)、地面戰(zhàn)車、艦船、水下航行器等。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的原理方框圖如圖1所示。由圖可見，一組加速度計(通常是三個加速度計)安裝在慣性平臺上，導(dǎo)航計算機(jī)根據(jù)加速度計提供的加速度信息和給定的初始條件進(jìn)行導(dǎo)航解算，得出載體的位置、速度等導(dǎo)航參數(shù)，一方面送給顯示器顯示，另一方面形成平臺的指令角速率信息施加給平臺上的一組陀螺儀，再通過平臺的穩(wěn)定回路控制平臺精確跟蹤選定的導(dǎo)航坐標(biāo)系。此外，從平臺框架軸上的角度傳感器可以拾取在的姿態(tài)信息送給顯示器顯示。穩(wěn)定平臺是平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心，它在慣導(dǎo)系統(tǒng)中主要起到如下作用：圖1平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理框圖給加速度計提供一個測量基準(zhǔn)。平臺通過加給陀螺儀的施矩信號，可以穩(wěn)定在選定的坐標(biāo)系內(nèi)，正交安裝在平臺上的加速度計可分別測出坐標(biāo)軸向的加速度分量。隔離載體的角運(yùn)動。使慣性器件不受載體角運(yùn)動干擾的影響，給慣性器件提供了較好的工作環(huán)境，放寬了對慣性元件某些性能指標(biāo)的要求。從框架軸上可以直接拾取載體的姿態(tài)信息。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性元件直接固聯(lián)在載體上，省去了機(jī)電平臺，代之以存貯在計算機(jī)中的“數(shù)學(xué)平臺”。根據(jù)所用陀螺的不同，又可分為速率捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和位置捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。前者用速率陀螺敏感并輸出載體瞬時平均角速度信號，后者用自由陀螺感測并輸出載體的角位移信號。在速率捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中使用的陀螺有單自由度液浮陀螺儀、動力調(diào)諧陀螺儀和激光陀螺儀等。激光陀螺儀使一種沒有轉(zhuǎn)子、框架、也不需要加矩的固態(tài)慣性器件，能在惡劣的環(huán)境條件下工作，使捷聯(lián)式系統(tǒng)理想的元器件，激光陀螺儀是目前民航機(jī)上應(yīng)用于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中最成功的一種。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的原理示意圖如圖2所示。慣性器件(陀螺和加速度計)直接固聯(lián)在載體上，它們所測量的是沿載體坐標(biāo)系的角速度和加速度信息，計算機(jī)根據(jù)陀螺的輸出，建立導(dǎo)航坐標(biāo)系并輸出姿態(tài)角，同時將加速度信息經(jīng)過一個坐標(biāo)變換方向余弦矩陣，轉(zhuǎn)換到所要求的導(dǎo)航坐標(biāo)系內(nèi)，再根據(jù)相應(yīng)的力學(xué)編排方程求解出所需要的載體即時速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)來。圖2捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理框圖導(dǎo)航計算機(jī)向姿態(tài)基準(zhǔn)計算提供了相當(dāng)于陀螺施矩的信息，以便根據(jù)載體的即時位置，將計算機(jī)中建立的導(dǎo)航坐標(biāo)系保持在需要的方位上?？梢钥闯?，坐標(biāo)變換方向余弦矩陣描述了載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的關(guān)系，坐標(biāo)變換與姿態(tài)基準(zhǔn)計算兩局部，實(shí)際上起到了穩(wěn)定平臺的作用。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)具有本錢低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但由于慣性元件直接安裝在載體上，因而提取有用信號需要的計算量大，且要求慣性器件具有較寬的測量范圍。此外，慣性器件直接固聯(lián)于載體上，工作環(huán)境惡劣，會降低器件的精度，必須進(jìn)行有效的誤差補(bǔ)償。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的特點(diǎn)：從功能上看，捷聯(lián)式系統(tǒng)除了能完成平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的所有功能外，還增加了垂直導(dǎo)航功能；另外，還能測量沿載體坐標(biāo)系各軸的角速率和加速度，這些參數(shù)送給載體控制系統(tǒng)和火控系統(tǒng)使用。從結(jié)構(gòu)上看，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、便于維護(hù)、故障率低。由于取消了電氣機(jī)械平臺，采用高可靠性的慣性器件，容易采用多敏感元件，使用多余度技術(shù)，因而使系統(tǒng)的可靠性大大提高。對慣性器件和計算機(jī)的要求高‘在捷聯(lián)式系統(tǒng)中，計算量大、計算機(jī)的負(fù)擔(dān)很大，尤其載體大角度運(yùn)動時，為了保證計算精度，對計算機(jī)的字長、運(yùn)算速度和容量提出了很高要求，隨著計算機(jī)技術(shù)開展，這些要求都能得到解決。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中所用的慣性儀表都直接與載體相固聯(lián)，因此它們的工作環(huán)境惡劣、有很高的動態(tài)范圍、大的振動和沖擊，這對陀螺的各項(xiàng)指標(biāo)提出了更高要求。6．2以捷聯(lián)慣導(dǎo)為核心的組合導(dǎo)航技術(shù)一、概述從慣性系統(tǒng)的工作原理和誤差可知，慣性系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)自主性強(qiáng)，它可以不依賴任何外界系統(tǒng)的支持，而單獨(dú)進(jìn)行導(dǎo)航；(2)可連續(xù)地輸出包括姿態(tài)基準(zhǔn)在內(nèi)的全部導(dǎo)航和制導(dǎo)參數(shù)，實(shí)時導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新率高；(3)對準(zhǔn)后具有非常好的短期精度和穩(wěn)定性。當(dāng)然其缺點(diǎn)也是明顯的：(1)導(dǎo)航精度隨時間的增長而降低，即定位誤差隨時間增長而積累；(2)價格高；(3)加溫和對準(zhǔn)時間較長。慣性導(dǎo)航的這些缺點(diǎn)不能滿足遠(yuǎn)距離或長時間航行以及高精度的導(dǎo)航要求，也不能滿足武器投放、偵察、反潛、大地測量等特殊應(yīng)用的要求。為了提高航行器的導(dǎo)航定位精度，出現(xiàn)了組合導(dǎo)航方式。所謂組合導(dǎo)航，是指把兩種或兩種以上不同的導(dǎo)航設(shè)備以適當(dāng)?shù)姆绞浇M合在儀器，利用其性能上的互補(bǔ)特性，以獲得比單獨(dú)使用任何一種系統(tǒng)時更高的導(dǎo)航性能。最早出現(xiàn)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是慣導(dǎo)與多普勒雷達(dá)的組合，它用慣導(dǎo)的高精度姿態(tài)信息穩(wěn)定多普勒雷達(dá)的天線以提高其測速精度，而用多普勒雷達(dá)長期精度較高的速度信息對慣導(dǎo)進(jìn)行阻尼，以提高整個組合系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。同時，由于有多普勒速度信息提供的初始條件，在必要時還可以對慣導(dǎo)實(shí)施空中對準(zhǔn)。也就是說，在慣導(dǎo)開始通電1～2分鐘內(nèi)，平臺快速調(diào)平后，在必要時可以立即起飛，在空中再進(jìn)行對準(zhǔn)，以滿足快速反響要求。在70年代，出現(xiàn)了所謂組合導(dǎo)航系統(tǒng)。第七章其它水下導(dǎo)航技術(shù)§7.1地形輔助導(dǎo)航1．自適應(yīng)傳感器技術(shù)用于地形輔助導(dǎo)航1．1前言在既不能采用聲信號也不能露出水面用GPS信息進(jìn)行校準(zhǔn)的情況下，自主式水下航行器可以采用地形輔助導(dǎo)航來完成其使命。地形輔助導(dǎo)航(亦稱地球物理導(dǎo)航)是將航行器傳感器測量數(shù)據(jù)和的環(huán)境圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬得出航行器的位置參數(shù)。該方法是由幾百年來一直使用的回聲測深儀海上導(dǎo)航技術(shù)演變而來的，大家最熟悉的空中地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)是應(yīng)用雷達(dá)測高數(shù)據(jù)進(jìn)行空中飛行器定位的地形輪廓比擬系統(tǒng)。自主式水下航行器地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)采用的地球物理參數(shù)包括重力、磁場、深海測量等。已經(jīng)成功開發(fā)出了幾種將測量數(shù)據(jù)和地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬的算法，主要分為特殊地形法和一般地形法兩種，一般地形地球物理導(dǎo)航是將傳感器測量數(shù)據(jù)和空間中所有位置的地形圖地球物理參數(shù)連續(xù)進(jìn)行比擬，實(shí)現(xiàn)精確定位需要有較高分辨率的地形圖和測出大量空間變化參數(shù)。如果環(huán)境地形特殊而且從航行器傳感器中可以區(qū)別出來，那么采用特殊地形法來實(shí)現(xiàn)精確定位，另外在沒有地形圖的環(huán)境中，可以用特殊地形算法實(shí)現(xiàn)同步標(biāo)繪和定位。同步標(biāo)繪和定位的目的是為自主式水下航行器建立一幅環(huán)境圖并應(yīng)用該圖進(jìn)行實(shí)時導(dǎo)航。同步標(biāo)繪和定位在移開工作的自動設(shè)備中有著重要的意義，因而一直是人們重點(diǎn)研究的對象。同步標(biāo)繪和定位存在一系列理論問題，包括特殊地形的提取、狀態(tài)計算、數(shù)據(jù)組合、計算合成、地圖表示以及動態(tài)環(huán)境中的地圖保持等。自適應(yīng)傳感器技術(shù)有助于結(jié)局這些問題以提高同步標(biāo)繪和定位的性能指標(biāo)，采用自適應(yīng)傳感器技術(shù)可以節(jié)約時間和能源，減少采集和處理的數(shù)據(jù)量，得到滿足要求性能參數(shù)。目前已經(jīng)開發(fā)出了一種特殊地形法來實(shí)現(xiàn)自主式水下航行器的同步標(biāo)繪和定位，且用前向聲吶模擬量數(shù)據(jù)表示同步標(biāo)繪和定位的結(jié)果。應(yīng)用自適應(yīng)傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同步標(biāo)繪和定位。1．2隨機(jī)標(biāo)繪同步標(biāo)繪和定位試驗(yàn)采用的算法是由Smith、Self、Cheeseman最初提出的隨機(jī)標(biāo)繪法演變而來的。傳感器測出環(huán)境中地形相對于自主式水下航行器目前狀態(tài)(位置和方向)的距離和方位，根據(jù)測量值繪制環(huán)境圖同時確定航行器的位置。記系統(tǒng)狀態(tài)矢量為，。其中和分別是航行器和地形的狀態(tài)，為計算的狀態(tài)矢量，為誤差值，測量時間點(diǎn)為，其中為采樣周期，為離散時間系數(shù)，系統(tǒng)計算誤差的協(xié)方差表示為：(1)因此對應(yīng)每個時間點(diǎn)航行器的狀態(tài)和地形圖由一個狀態(tài)矢量和與之相關(guān)的計算誤差的協(xié)方差陣來表示，用表示航行器的狀態(tài)，用表示其控制輸入，狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)表示為：(2)其中是與無關(guān)的高斯白噪聲，其幅度與控制輸入有關(guān)。系統(tǒng)量測方程為：(3)其中是測量的距離和方位矢量，測量方程模型表示從狀態(tài)矢量到參數(shù)坐標(biāo)的非線性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，假定隨機(jī)過程為高斯白噪聲且與和無關(guān)，其協(xié)方差為。系統(tǒng)的預(yù)期狀態(tài)可以通過公式(2)得到，狀態(tài)參數(shù)和協(xié)方差可以通過卡爾曼濾波器推算出來，相同距離的聲吶返回信號數(shù)據(jù)為一組，假定聲吶信號從多個地形返回，找出每個地形返回信號后，可以得出地形的位置信息。隨機(jī)標(biāo)繪算法的過程包括以下幾個步驟：狀態(tài)預(yù)測：系統(tǒng)在下一時間點(diǎn)的狀態(tài)(航行器和地形)是根據(jù)信號(控制輸入)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型函數(shù)得出的；選擇：確定距測量點(diǎn)最近的地形，經(jīng)過選擇將測得的其它地形的數(shù)據(jù)保存起來；狀態(tài)修正：利用卡爾曼濾波器輸出對航行器和地形軌跡進(jìn)行修正。1．3自適應(yīng)傳感器技術(shù)定義為從0時間點(diǎn)至目前時間點(diǎn)的一組測量值，所有測量值，我們可以通過來計算，為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)地形輔助導(dǎo)航，需要根據(jù)測量值得出相關(guān)參數(shù)，自適應(yīng)同步標(biāo)繪和定位算法可表示為：(4)其中即包含所有測量參數(shù)，也包含的其它信息，如航行器的不確定因素和聲吶模型等。假設(shè)卡爾曼濾波器輸出近似有效參數(shù)，用系統(tǒng)誤差協(xié)方差的逆矩陣近似，這樣卡爾曼濾波器輸出的時間點(diǎn)系統(tǒng)信息中包含了信息和所有測量參數(shù)，在鼓勵信號為時，根據(jù)當(dāng)前時刻信息，可得出下一時刻系統(tǒng)信息。產(chǎn)生最大輸出信息的輸入信號表示為：(5)該信息是一個矩陣。特殊地形同步標(biāo)繪定位法綜合考慮了地形位置的不確定性和航行器位置計算值的不確定性因素。用函數(shù)來定義這個量，該函數(shù)給出所有誤差橢圓的總面積(最大可能密度區(qū))，即地形圖和系統(tǒng)定位信息的置信度，該函數(shù)表示為：(6)其中是其函數(shù)變量的第個特征根，應(yīng)用公式(6)計算出自動系統(tǒng)在其運(yùn)動空間中的運(yùn)動，第二局部講述的隨機(jī)標(biāo)繪過程采用該自適應(yīng)步驟進(jìn)行修正，即通過公式(6)計算出下一步動作的最優(yōu)參數(shù)。這就是自適應(yīng)隨機(jī)標(biāo)繪算法，這一步驟對每一采樣時刻的信息進(jìn)行優(yōu)化，因此自適應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)了局部優(yōu)化。注意，自動系統(tǒng)的運(yùn)動空間不只局限于其可以移動的方向(在隨機(jī)標(biāo)繪圖中用來表示其運(yùn)動方向)，還要根據(jù)聲吶系統(tǒng)等提供的測量參數(shù)來運(yùn)動?！?.2地球物理導(dǎo)航對于大多數(shù)水下航行器的使用要求來說，采用聲學(xué)導(dǎo)航顯然是不可能的，而且是不切實(shí)際的。如果我們事先能得到精確的環(huán)境測繪圖，就可以通過對地球物理參數(shù)〔如深度測量法、磁場、重力異?！车臏y量[19-22]，來對水下航行器在地球上的位置進(jìn)行估計。這些方法主要是基于被測量參數(shù)在空間分布上有足夠變化的前提下，通過與先驗(yàn)的環(huán)境測繪圖進(jìn)行匹配，來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的一種方法。所有基于測繪圖的導(dǎo)航，是受聲學(xué)導(dǎo)航的啟發(fā)而開展起來的。由于這種導(dǎo)航方法不需要額外的開銷，而且不需要安裝人工信標(biāo)，因此可以實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш?。但是，這種導(dǎo)航方法并沒有人們想象中的那么簡單。由于航行器需要將測量到的數(shù)據(jù)與先驗(yàn)的測繪圖或數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，就存在兩個主要問題，一是生成這些先驗(yàn)測繪圖的本錢與難度，二是在n維相關(guān)參數(shù)空間中，隨著維數(shù)的增加，尋找匹配峰值的計算復(fù)雜度呈指數(shù)級增長。一般來講，測繪圖制作的本錢不僅取決于數(shù)據(jù)的類型，而且取決于數(shù)據(jù)的分辨率。而數(shù)據(jù)的分辨率也將直接決定搜索空間的規(guī)模和大小。由于水下航行器相對于最初的數(shù)據(jù)集來說，可以有許多種位置和方位的可能，因此需要對每一個可能的位置和方位進(jìn)行搜索，從而組成了一個巨大的搜索空間。為了減小搜索的時間，提高搜索的效率，就有必要作某些簡化。典型的簡化方法是：限制測繪圖數(shù)據(jù)的類型〔哪一個傳感器的值，多少個不同的傳感器〕、降低測繪圖的分辨率、采用慣性導(dǎo)航或航位推算系統(tǒng)減小搜索的范圍。地球物理導(dǎo)航是自然界生物，如鳥、魚和其它動物遷移時普遍采用的導(dǎo)航方式[23]。由于磁場強(qiáng)度會隨著緯度、周圍人工的或自然的物體的變化而變化。即使在水下，深度每變化1000米，其磁場強(qiáng)度也會隨其所在位置的不同而增加6~30毫微特斯拉[24]。而且，每天也會因時間的不同也有微小的變化。由衛(wèi)星或水面船只生成的磁場測繪圖，在考慮了每天的磁場變化和深度變化后，就可以被水下航行器用來進(jìn)行導(dǎo)航[25]。通過對地球重力場的研究說明，地球重力場絕對不是均勻分布的，而是存在一個變化的拓?fù)鋄26]。這些變化是由許多因素引起的，主要是當(dāng)?shù)赝負(fù)鋄27]和密度不均勻性[28]造成的。對于INS來說，當(dāng)?shù)刂亓龅淖兓瘜τ诩铀俣扔嬜陨韥碚f是不能區(qū)分的，為此美國海軍曾經(jīng)為了校正INS的誤差對重力場進(jìn)行了測繪，Gerber也提出采用重力梯度計來作為INS的輔助導(dǎo)航工具[29]。文[30]進(jìn)一步對上述結(jié)果進(jìn)行推廣，采用重力梯度計模型完成了導(dǎo)航系統(tǒng)的仿真，得到了很好的結(jié)果。這種方法的主要缺陷在于梯度計的體積、本錢及復(fù)雜度，而且梯度計必須安裝在慣性空間穩(wěn)定而且隔振的平臺上。地球物理導(dǎo)航也可采用測量深度的方法[10]。文[31-32]基于計算機(jī)視覺的匹配技術(shù)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)曲線與先驗(yàn)測繪圖進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)了地球物理導(dǎo)航。文[33]研究了等深線圖。文[34]基于輪廓相交方法，采用多個地球物理參數(shù)的測繪圖，研究了地球物理導(dǎo)航方法。文[35]采用多波束聲納以不同的角度測量深度，從而可以給出海底精確的輪廓，通過將這些輪廓與實(shí)際海區(qū)先驗(yàn)等深線測繪圖進(jìn)行匹配，成功地實(shí)現(xiàn)了水下航行器基于等深線的導(dǎo)航方法。以上這些方法的可靠性取決于先驗(yàn)測繪圖的精度。在實(shí)際工程應(yīng)用中，要得到水下航行器所在工作區(qū)域最新的、高質(zhì)量的測繪圖，是非常困難的，這就鼓勵科研工作者研究在沒有先驗(yàn)測繪圖的前提下如何同時進(jìn)行測繪和定位〔ConcurrentMappingandLocation，簡稱CML〕的問題。所謂CML問題，類似于日常生活中的“雞與蛋”的問題：要對水下航行器周圍的環(huán)境進(jìn)行測繪，就必須要知道水下航行器目前所在的位置。反之，要確定水下航行器目前所在的位置，就必須知道當(dāng)前周圍環(huán)境的位置。同時進(jìn)行測繪和定位的目的是為水下航行器建立一張環(huán)境的測繪圖，并用這張圖進(jìn)行實(shí)時導(dǎo)航。文[36]在同時進(jìn)行測繪和定位方面進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作，提出了一種叫做隨機(jī)映射〔stochasticmap〕的技術(shù)。隨機(jī)映射是由一個估計航行器和特征位置的狀態(tài)向量和一個協(xié)相關(guān)矩陣組成。當(dāng)航行器在它的環(huán)境周圍航行的同時，獲取環(huán)境特征參數(shù)，并用推廣卡爾曼濾波器對隨機(jī)映射進(jìn)行更新。文[37-39]采用陸地機(jī)器人成功地實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)映射技術(shù)，但在水下航行器上，據(jù)我所知還沒有實(shí)現(xiàn)。隨機(jī)映射在工程應(yīng)用中遇到的主要問題，一是由于非線性變換的存在，使得推廣卡爾曼濾波器存在發(fā)散的現(xiàn)象；二是隨著特征數(shù)目的出現(xiàn)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度增長很快。文[40]從理論上研究隨機(jī)映射方面存在的缺陷。然而，要在水下航行器上實(shí)現(xiàn)隨機(jī)映射方法還有許多關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決。為了克服隨機(jī)映射方法的缺陷，由MIT提出一種同時進(jìn)行測繪和定位的新方法[41]，即“多假設(shè)同時測繪與定位方法”。多假設(shè)同時測繪與定位方法提供一種在考慮了導(dǎo)航誤差、傳感器噪聲、數(shù)據(jù)相關(guān)不確定性、傳感器模型后能同時進(jìn)行測繪和導(dǎo)航的一種通用框架的能力。多假設(shè)同時測繪與定位方法是對多假設(shè)跟蹤在考慮了航行器位置不確定性后的一種推廣，也是對隨機(jī)映射方法在考慮了相關(guān)不確定性和模型不確定后的一種推廣。MIT正在采用由美國海軍的高分辨聲納所采集的數(shù)據(jù)對這種新的方法進(jìn)行研究，目前尚有許多關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決。由于CML方法所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，CML方法正處于一個蓬勃開展的階段[42-46]。世界上許多興旺國家正在致力于CML方法的研究，它的研究成果不僅適用于水下航行器，而且也非常適用于陸地自動導(dǎo)引機(jī)器人的引用，并必將給未來的導(dǎo)航與定位技術(shù)帶來一場革命?！?.3各種水下助航方法(艦船導(dǎo)航，2001，6)磁導(dǎo)航地磁的方向和量值均可用于導(dǎo)航。磁羅經(jīng)就是利用地球磁場的方向來指示磁北向的。測量地磁場的量值時可以利用等磁力線來得到位置線。但由于磁場強(qiáng)度與地理位置和高度有關(guān)，它隨時間緩慢變化，且易受磁暴露的干擾，于是創(chuàng)造了利用人造磁體進(jìn)行導(dǎo)航的方法。1992年國際防御評論報道：美國為水下運(yùn)載體研制了一種磁定位系統(tǒng)，這種水下無人運(yùn)載體裝有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、計算機(jī)、高度計和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。在導(dǎo)航區(qū)布置一些磁標(biāo)，UUV上裝有一個三軸磁敏感器。用三軸磁敏感器測量相對于磁標(biāo)的位置，就可以確定UUV的位置。1994年美國創(chuàng)造一項(xiàng)水下運(yùn)載體磁標(biāo)定位系統(tǒng)專利，用于定位和重調(diào)。它與上述原理類似，在運(yùn)載體上裝有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可確定相對于地球固連坐標(biāo)系的位置和角方位。在探測區(qū)至少部署一個磁標(biāo)，磁標(biāo)相對于地球固連坐標(biāo)系的位置和磁標(biāo)的磁矩大小存儲在計算機(jī)中。運(yùn)載體上裝有三軸矢量磁力計，其中磁敏感器相互垂直安裝。當(dāng)運(yùn)載體導(dǎo)航系統(tǒng)需要位置重調(diào)時，運(yùn)載體上的三軸矢量磁力計探測磁標(biāo)在運(yùn)載體坐標(biāo)系XYZ軸上的磁感應(yīng)分量，進(jìn)行計算，從而提供運(yùn)載體相對于磁標(biāo)位置的估計值，然后將該相對位置轉(zhuǎn)換到地球坐標(biāo)系中的位置。將該位置與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置進(jìn)行比擬，可以提供要求的位置重調(diào)。重力導(dǎo)航無源重力導(dǎo)航時一種利用用力敏感儀表進(jìn)行測量實(shí)現(xiàn)的圖形跟蹤導(dǎo)航技術(shù)。實(shí)現(xiàn)做好重力分布圖，圖中的各路線都有特殊的重力分布。重力分布圖存貯在導(dǎo)航系統(tǒng)中，再利用重力敏感儀器測量重力場特性來搜索期望的路線。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計特性曲線識別法使運(yùn)載體確認(rèn)、跟蹤或橫過路線，到達(dá)某個目的點(diǎn)。這種方法由于不進(jìn)行輻射，不使用外部坐標(biāo)，所以稱為無源重力導(dǎo)航。無源重力導(dǎo)航具有精度高、不受時間限制、無需伸出水面的特點(diǎn)，可最終解決潛艇的導(dǎo)航隱蔽性問題。但是無源重力導(dǎo)航適用于地理特征變化比擬大的區(qū)域，因此常作為慣性導(dǎo)航的輔助手段。1.重力敏感器重力敏感器提供的數(shù)據(jù)可用于無源導(dǎo)航和地形測量。重力敏感器包括重力梯度儀和重力儀。重力儀測量重力異常或重力矢量的大小相對標(biāo)準(zhǔn)地球模型的偏差。重力梯度儀測量重力梯度即重力再三維上的變化率。2.重力敏感系統(tǒng)重力敏感系統(tǒng)GSS最初是為了補(bǔ)償垂線偏差而使用的，最近成功地用于無源導(dǎo)航和地形測量中。80年代中期用的GSS是由一個重力儀和三個重力梯度儀組成的，裝在由陀螺穩(wěn)定的當(dāng)?shù)厮降母粽衿脚_上。重力儀是一個高精度、垂直安裝的加速度計，重力梯度儀由安裝在同一轉(zhuǎn)輪上的四個加速度計組成。重力梯度儀的輸出是兩組正交的梯度分量，它們在與旋轉(zhuǎn)輪垂直的平面內(nèi)。這樣以正交方式安裝的三個重力梯度儀可提供六組實(shí)際重力梯度場分量。3.加速度計重力梯度儀也可直接用加速度計進(jìn)行重力異常的測量。美國已經(jīng)用振梁式加速度計VBA和電磁加速度計(EMA)成功地對重