水下航行器自主导航定位技术前沿进展.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:重庆市教委科学技术研究项目()重庆市科技局博士直通车项目()作者简介:张淋()女博士讲师:.通信作者:谭良成()男硕士研究生:.:./.水下航行器自主导航定位技术前沿进展张 淋谭良成(重庆交通大学 航运与船舶工程学院 重庆)摘要:导航与定位技术是自主水下航行器()预设任务并安全返航的前提由于水下环境的限制目前广泛采用多系统组合导航的方式来实现 的准确定位 面向 的工况特点详细介绍了水声测速系统、水声定位系统以及地球物理场辅助导航技术的特征与技术难点分析了用于水下自主导航时多源组合导航方法的最新进展随着相关测量仪器领域的研究进展基于精确测量地球物理场特征的辅助导航技术成为具有极强竞争力的方案之一多 协同导航方案同样适用于复杂的水下环境被视为未来 导航技术重要发展方向关键词:自主水下航行器组合导航水下声学系统协同导航辅助导航本文引用格式:张淋谭良成.水下航行器自主导航定位技术前沿进展.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():().:引言自主 水 下 航 行 器()作为一种可控的水下探索手段在水下探测等领域起着至关重要的作用 与无人遥控潜水器()相比具有成本低、活动范围广泛、可进入海底狭窄空间、不怕电缆缠绕等优点与载人潜水器()相比具有质量轻、尺寸小、结构简单、安全等优点可以说 具有多方面的优势代表了未来水下航行器的发展方向 自 世纪 年代美国华盛顿大学研制世界上首台()以来 的发展经历了 多年的历史美国国防部在 年提出了统一的无人系统总体发展战略规划 年美国海军计划研发并采购大型水下无人航行器()并发布了智能自主系统科技战略仅 年上半年就开展了“黑鱼”和“虎鲸”种大型 的下水测试旨在以智能自主系统推动作战和科学领域的发展 中国近年来对海洋资源的重视和海洋强国战略的提出同样推动了 技术的发展和应用 中科院沈阳自动化研究所研制的“潜龙三号”是潜龙系列中最新一代的水下航行器实现了我国 首次在大西洋科考上的应用西北工业大学以蝠鲼为仿生对象于 年 月在我国南海海域完成了具有应用能力的仿蝠鲼水下航行器在 大深度的航行试验哈尔滨工程大学研制的“悟空”号于 年实现了 水深独立工作与中科院等国内优势单位联合研制的 使我国在高性能航行器的研发和制造方面走在了世界前列 这些研究和规划预示着未来 将在海洋军事、资源勘探、环境保护等领域发挥重要作用 基于惯性传感器(陀螺和加速度计)测量机器相对惯性空间的线运动和角运动参数进行载体运动信息计算的惯性导航系统()是实现现代精确导航、制导与控制的基础 惯性导航系统主要分为平台式和捷联式 种平台式主要基于三轴惯性平台进行运载体运动测量捷联式则是将加速计和陀螺仪直接固定在载体上主要依赖于姿态矩阵的解算随着微型计算机技术和光学陀螺的发展传统的平台式惯性导航系统逐渐向捷联式过渡这使得捷联惯性导航系统()应用日益广泛 由于纯惯性导航系统误差随导航时间成发散趋势为了提高导航精度目前 的主流导航方法是以惯性导航系统为主再配备其他辅助导航设备一起进行组合导航 本研究中面向 水下导航需求基于近年来的最新研究进展简述了水声测速、测距系统与捷联惯性导航系统进行组合导航的技术方案及关键问题介绍了水下声学定位系统与惯性导航系统的组合以及海底大地基准网的相关内容 介绍了地球物理场相关的辅助导航方法 此外多 的协同导航及数据融合方法也被认为是 水下导航技术的重要解决方案对于拓展 在未来海洋开发领域的应用前景具有重要意义 基于水声测速系统与捷联惯性导航系统的组合导航.水声测速系统基本原理多普勒速度计程仪()是基于声呐多普勒效应的测速设备 不断向海底发送固定频率的超声波在已知起始位置时通过测量水下载体速度运行方向和时延可计算出水下载体的当前位置和运行轨迹 如图 ()所示在相关研究的早期由于其简单的结构将 提供的载体速度信息进行松耦合抑制 导航定位误差的发散被普遍采用 与之相对的是近年来更多的利用了 数据中的可用信息的紧耦合技术由于动态工作下的精度和可靠性更高正被广泛研究如图 ()所示 等提出了一种由/和压力传感器()组成的新型紧密组合导航方法该方法采用波束测量无需将波束测量转换为三维速度 结果表明在 数据不准确的复杂环境下该方法能够连续提供更高精度的估计明显优于传统的松散集成方法 与松散集成方法相比该方法的定位精度提高了.图 水下/组合导航技术原理框图././组合导航算法在组合导航系统算法研究中对 的误差进行有效标定是提高 组合导航精度的关键步骤 的误差来兵 器 装 备 工 程 学 报:/./源主要有刻度系数误差和安装角误差 由于声波在不同的海域下传播速度不同则 的速度也会不同因此需要刻度系数误差来对 的速度进行一定的修正 同时在解算 的测量速度时必须和 的测量速度在相同坐标系下但在实际应用中两者的坐标系并不会完全重合 白龙等分析了 标定中因 测量值波动、侧向流影响、惯导对准失准角等因素对标定参数造成的影响系统地提出了 组合导航系统的标定方法和试验流程 之后通过跑船实航的方式对该标定方法进行了有效性验证 由于 的工作机制需要接收外界的反射波束才能正常工作遇到海洋生物阻挡、海底强吸声地质、深沟和载体大角度运动等情况下会出现 数据失效 等针对 波束测量中的异常值问题提出了一种改进的鲁棒卡尔曼滤波器算法该算法能够处理每个 光束的测量噪声方差在部分 波束存在异常值的情况下该算法可以避免正常测量信息的丢失从而提高估计精度 等提出了一种深度学习方法来补偿部分光束测量丢失的情况 实验结果表明所提出的方法能够准确地估计丢失的 光束从而改进了对潜水器的速度估计整体准确率提高了 以上通常采用滤波的方法来处理/的量测信息不断修正 的位置 等提出了一种基于平方根容积信息滤波器()的新型非线性姿态误差模型将平方根容积卡尔曼滤波器中的协方差矩阵替换为信息矩阵简化了滤波器的初始化 结果表明所提出的 辅助对准滤波器在初始姿态误差较大的情况下是有效的 等提出了一种平方根无迹信息滤波器()结果表明 的估计精度高于 与 相似同时 的计算复杂度低于./的组合导航算法/的组合导航方法一定程度上解决了导航误差随时间积累的问题但对于长航时导航任务通常将 系统与上述方法进行组合使用通过 定期上浮以获得可靠 位置信息 等提出了一种新的/混合定位方法引入 作为参考信息辅助 模块修正 的发散误差 同时提出了一种用于数据融合的新的鲁棒自适应联邦强跟踪卡尔曼滤波器()算法该算法具有针对系统模型不确定性的鲁棒性优势 理论分析和仿真结果证明了所提出的基于 的/混合定位方法的有效性 等提出了一种实用的/组合导航算法当 工作在 可以获取位置的表面时导航系统采用自适应容错滤波器平滑 轨迹将处理后的 信息用于校正 否则采用变分贝叶斯来估计 的测量误差协方差用于/集成系统压力传感器采用常规方法修正 的高度误差 实验结果表明所提出的算法能够提高导航精度和抵抗未知测量不确定性的鲁棒性基于/的组合导航在实际应用中仍受限于 的安装误差、仪器精度以及对应的高昂成本等问题 当海底环境复杂时 的测量误差也给该组合导航系统的准确性带来了挑战 在长航时等场景中仍需要定期利用 信息进行绝对位置校准即要求 浮出水面进行数据接收与算法切换对于水下工作带来不便 基于水下声学定位系统的导航技术.水下声学定位系统基本原理在水中声波信号比电磁波信号传播的更远水声定位系统通过声学单元的基线发射声波在每个 上配备了相应的接受单元通过测量声波传播时间来确定 与基线的距离、通过测量声波的相位差来确定 相对于基线的方向最后几何运算实现 的定位 在进行导航定位前需事先在海底、舰船底部或 上布置声线基阵基于水下声学技术的定位系统可以在特定场景提供绝对位置信息与惯性导航系统进行组合 水声定位系统按基线长度分类可分为长基线定位系统()、短基线定位系统()、超短基线定位系统()基阵的分布方式对于对水声定位系统十分重要在 系统中应答器基阵通常分布在海底如图()所示在 和 系统中应答器基阵通常在母船或固定浮标上如图()()所示在 系统中测量接收阵列和参考声源之间的相对位置单位为米级 在 系统中位置由声学元件之间的相位差决定单位为分米级 系统较为复杂成本也较高 系统操作优势不明显、性价比偏低 系统由于体积小方便安装、回收且误差不随时间发散在水声定位系统中得到了广泛的应用.水下声学定位系统的声线修正声线修正是水下声学定位系统的重要方面 传统基线系统定位的基础是声音沿直线传播声速是常数但实际上水中声速是一个复杂的函数随温度、盐度和深度而变化因此声音的传播路径是弯曲的不断变化的 一般认为声速在水平方向上的变化较小可以假设声速只随着深度的变化而变化声速沿垂直深度的分布称为声速剖面声速剖面一般比较复杂且随着海水介质改变 因此声速修正对于水下声学定位具有十分重要的意义 李建等提出了一种超短基线定位中的快速声线跟踪算法研究该方法基于最大偏移量法可快速对实测剖面数据进行自动精简和优选显著降低水下定位的计算量 李海鹏等提出了一种利用声速修正技术降低测速误差改正的声线跟踪算法结果表明在声线入射的几何夹角较大的情况下有效声速法能够在保持计算速度的同时具有较高的精度但是随着几何夹角的减小有效声速法的角度估计误差逐渐增大不再适用高精度的水声定位 等从定位残差中来拟合声速长期时域变化项、声速周期性变化项结果表明带有周期误差项的鲁棒观测模型很好地补偿了声学距离的系统误差 等研究了利用声速剖面的先验信息反演声速进行定位解算的张 淋等:水下航行器自主导航定位技术前沿进展方法 张林虎等针对目前局部海域小时间尺度声速场建模方法未顾及不同深度区间内声速变化规律的问题研究了基于分层 函数的区域声速场模型构建方法图 水下声学定位系统的 种应答器基阵分布方式.应答器基阵布放方式应答器的安装精度以及海底基阵的布局决定了海底应答器基阵之间的位置误差以及母船相对于每个应答器的位置误差由于水下环境复杂多变通常会存在位置误差降低定位的精度 等提出了一种基于增量迭代的动态标定算法当迭代次数大于 次时该算法能精准地估计出安装误差角 张涛等针对/一体化组合样机系统需要提前进行精确标定的问题提出了基于量测信息滤波估计的误差标定方法精确校正后无需重复标定 与其他的标定方法相比该算法表现出更好的滤波性能具体表现为更快的收敛速度、更高的估计精度和更平滑的滤波曲线证明了提出算法的有效性和优越性.基于/的组合导航算法将短时高精度的 与误差不随时间发散的声学定位系统进行组合通过滤波算法实现 的高精度定位与导航 等针对 中的 设计了一种基于 的新型定位系统 可以利用最新的测量数据自适应调整测量协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵 实验结果表明该系统在定位精度上优于简单的 定位但精度依然有限现在的主流办法是将短时高精度的 与误差不随时间发散的声学定位系统进行组合通过滤波算法实现 的高精度定位与导航如图 所示但是本方法主要受限于 的通讯距离图 /声学组合导航原理框图./等提出了一种用于/集成系统的鲁棒的基于 的卡尔曼滤波器用于抑制由声学异常值引起的测量不确定性 还提出了一种改进的具有自由度参数的基于 的改进鲁棒卡尔曼滤波器可以对由声学异常值引起的重尾测量噪声进行建模通过进行数学仿真试验和现场试验验证了该方法的可行性和优越性 等提出一种/组合导航滤波算法以处理水声通信中的时变延迟以及由异常值和测量噪声引起的非高斯噪声 该算法解决了通信延迟和非高斯噪声的问题由于具有自适应调整功能大大降低了计算复杂度 仿真和实验结果验证了滤波器改进的精度和鲁棒性 刘慧敏等提出了一种/的紧组合滤波算法 紧组合模式较松组合模式在数学上更加严密 实验结果表明紧组合虽然增加了一个滤波参数但收敛后的位置、速度和估计误差都明显小于松组合方案水平精度提高了.明显提高了/组合导航定位精度 通过更加优良的算法模型来提高导航的准确性也是可行的办法许多学者进行了相关研究 等为了解决测量不确定性导致的定位性能下降问题推导出了具有自适应性和鲁棒性的基于 的卡尔曼滤波器处理基于 分布的测量异常值来实现稳健性 通过模拟和河流现场试验进行了证明.浮标与水声定位技术基于水下声学系统的导航定位通常要求 每隔一段时间浮出水面来获取准确的位置信息无法满足高精度长时间的导航要求为了解决这个问题一种新的“水下声学系统”方法应运而生该方法通过放置在水面的浮标来接受 的信息浮标将 信号调制为声波信号后发送接受信号后将其解调来确定当前的位置基本原理如图 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 浮标定位原理.徐晓敏等提出了一种基于多浮标的无源水下导航定位方法结果表明采用多浮标定位方法来实现水下无人潜航器定位其定位精度与各浮标的伪距测量精度及浮标阵型布局有关 伪距测量精度在 传播距离内不大于 选用相对水下无人潜航器分布均匀、几何结构最佳的 个浮标进行联合解算得到的水下无人潜航器定位精度在 以内.海底大地基准网联合全球导航卫星系统和水下声学定位系统可实现海底大地基准站的位置标定可以将全球统一的时空基准传递到海底满足 导航定位需求 目前我国已在南海 水深的海域开展了海底大地基准网试验 海底大地基准站包含水下潜标和海床基 类由于水下潜标技术难度大、位置精度低 海床基是主要的海底基准站布放方式具有稳定性好、集成度高等优势 赵建虎等提出了基于绝对标校 相对测量的海底网平差思路实现了海底大地基准网的整体解算 刘杨等通过构建声速时变引起的水声垂向总时延联合估计了声速时域变化和海底大地基准点位置提高了海底大地基准点坐标的准确度 邝英才等研究了联合解算船载换能器与海底大地基准点位置的方法 等和 等分别测试了静态、动态测量策略的海底大地基准站位置、声速时域变化和声速水平梯度参数联合估计方法基于超短基线的导航定位系统在海底石油勘探海底电缆的铺设和维护等领域都有广泛的应用虽然超短基线的误差不随时间发散但是其精度有限定位过程中依赖于其他传感器对于安装精度也有较高的要求 浮标的应用一定程度上解决了超短基线导航定位的弊端但浮标的放置和回收比较繁琐移动性较差以及在恶劣天气下无法使用等也限制了使用范围 同时声音的传播导致 隐蔽性较差如何提高隐蔽性以用于军事领域也是可以研究的问题而海底大地基准网在我国尚处于起步阶段综上所述水声测速系统适用于海底平缓区域的短航时场景或结合/进行定期校准但因为其昂贵的价格目前民用的水下航行器上很少有它的身影 与之对应的水声定位系统受限于基线长度、传感器安装位置适用于固定区域的探索工作在未来的研究中采用互补的多种传感器进行信息融合是扩大导航区域提高导航精度的重要途径 而海底大地基准网则是海底观测网的重要组成是国家大地基准网由陆域向海域的自然延伸对推进我国海洋强国战略实施具有重要支撑作用 基于地球物理场的自主水下导航系统在军事领域中 的长航时隐蔽性及定位精度是决定其导航性能的关键水下声学系统特定频率的回声可能会导致隐蔽性较差与之对应的地球物理场的探测技术可以实现较好的隐蔽性 在 中主要有重力辅助导航、地磁辅助导航及地形辅助导航几种方案.重力辅助导航.重力辅助导航简介重力辅助导航通常分为重力补偿和重力匹配 类重力补偿方案利用更加精确的重力场信息以改善惯性导航编排从而抑制惯性导航误差发散 由于地球表面重力异常量大于加速度计的测量误差加速度的实际测量极限精度是由重力信息的精度决定从而影响惯性导航系统定位精度 又由于重力仪只能测量重力扰动垂向分量利用重力仪只能对惯导垂向通道进行校正而无法实现惯导水平通道的校正 所以采用重力梯度仪代替重力仪进行补偿具有更高的实用价值 经典辅助导航方案将重力梯度信息、参考重力场引入滤波器提升导航系统性能但由于惯性器件的漂移和噪声重力补偿方案仅能抑制惯性导航位置误差累积速度不能校正已有的位置误差 重力匹配方案是将实时重力信息与重力基准图相结合通过相关方法或最优估计方法确定最佳匹配位置 自 世纪 年代初美国 公司研制的重力敏感器系统通过实时估计垂线偏差对重力扰动引起的惯导误差加以补偿 此后又相继开发了无源重力辅助惯导系统和用于测量重力异常值的通用重力模块 年 实验室研制的重力仪/重力梯度仪/惯性导航系统通过了实际水下试验 北京航天控制仪器研究所 年完成了动基座重力测量系统的研制目前已完成了超过 万海里的船载测量任务 重力基准图的构建也由先前通过海面船舶或者海底拖曳的测量方式转到由机载重力仪和高精度定位技术的测量方式.重力匹配关键技术在重力辅助惯性导航中选择适当的重力匹配区域是至关重要的因为导航精度与所在区域的重力场参数变化密切相关 针对在某重力场特征仅在一定方向范围内变化明显 等提出重力异常和向量差作为评价指标提高了匹配精度传统的重力匹配算法根据采样方式可以分为序列匹配算法和单点匹配算法 序列匹配算法一般分为迭代最近等值线点()算法和地形匹配()算法依据匹配点集合之间的相关性进行分析路径偏离程度 这种序列匹配算法张 淋等:水下航行器自主导航定位技术前沿进展中匹配点的数量直接影响搜索速度和匹配精度因此算法无法同时满足精度和实时性 如果初始位置误差较小则 算法可以实现高精度匹配 然而当初始位置误差较大时 的匹配结果精度较差 算法不考虑估计参数和观测数据的统计特性无法保证估计结果全局最优 等提出了一种将迭代最近轮廓点()算法与点质量滤波器()相结合的匹配算法 基于航行器位置变量的点质量滤波可以在初始位置误差较大的情况下实时获取给定的指导位置 然后使用带有滑动窗口的 算法进行进一步匹配 结果表明在高度和经度定位误差方面该算法可以取得更好的结果与单独使用 相比误差可以降低到 等针对重力匹配导航系统中的 算法提出了一种基于 算法的失配诊断方法 利用空间结构约束和变换误差约束来选择匹配序列中的异常值 在重力异常图上对改进的 匹配算法进行了仿真测试 结果验证了该方法能够准确地检测出异常点并且在剔除异常点后匹配的轨迹具有更好的可靠性 单点匹配算法将每个点都代入到滤波器中进而得到最优匹配位置 等对于具有高度非线性性质和非高斯噪声源的系统中提出了一种嵌入粒子滤波器的粒子滤波器计算真实位置的误差范围并建立该位置的概率模型 结果表明该方法具有较高的精度和较好的鲁棒性 非线性滤波计算复杂度通常随着被估计的状态向量的维度呈指数增长 在重力匹配方法的研究过程中受限于重力基准图的数据量等原因无法给出精确模型同时导致运算量极大除上述算法研究外中科院测地所在南海开展了重力匹配实验实验重力图精度为 采用测量精度优于 的自研传统重力测量仪陀螺漂移速率为.()/在 的航程中表现优异惯性导航系统最终定位误差为.海里目前我国在重力辅助惯性导航领域的研究还处于理论研究和试验阶段.地磁辅助导航.地磁辅助导航简介地磁辅助导航系统由地磁传感器、地磁图和计算机组成主要依赖于配备在 上的地磁传感器和相应海域的地磁图在定位过程中通过地磁图索引到当前位置处的地磁参考值通过磁传感器得到当前位置处的地磁值并通过地磁辅助导航算法将该地磁参考值与实际地磁场数值进行匹配得到 的准确位置信息 由于地磁检测过程中无需向外部发射能量具有高度隐蔽性和无源性在军用 领域得到了高度重视且发展迅速.地磁辅助导航关键技术为了消除磁干扰误差和自身仪表误差的影响使用磁传感器之前需要对各种误差进行校正 于向前等提出基于椭圆拟合的补偿方法具有精度高且鲁棒性强优点 针对基于参数估计算法收敛速度慢的问题迟铖等建立了包含灵敏度误差、零偏误差和非正交误差的目标函数通过粒子群算法求解最优参数类比于重力匹配区域选择选择地磁特征丰富的区域同样有助于提高导航精度和稳定性种洋等提出基于主层分析和神经网络结合的适配区选择算法首先通过主层分析提取特征参数再利用神经网络完成映射关系自动识别适配区地磁匹配在地磁辅助导航中扮演着关键的角色它判断测量轨迹是否与磁力基准图正确匹配从而直接影响导航的最终精度 等提出基于地磁矢量的地磁匹配算法在匹配区域的地磁熵信息较小或地磁等高线的变化不明显的情况下提高匹配概率和定位精度 等开发了一种改进的基于精英主义的多目标人工蜂群算法来融合重力异常和磁力异常信息 该算法采用多目标匹配策略和序列匹配策略以减少错配的可能性 仿真结果表明所提出的算法可以达到很高的匹配成功率且在长航时水下导航任务中非常可靠 等研究了在没有先验知识的情况下受趋磁行为启发的仿生导航方法 提出了远程水下导航的地磁梯度辅助进化算法 在正常地磁场区域、地磁异常区域和多个目的地的情况下对改进方法的性能进行了评估和验证结果表明搜索效率和导航路径的直线度都有很大提高 改进后的算法在地磁异常区域也有良好的表现预示着未来的潜在应用.地形辅助导航.地形辅助导航简介相比于其他 种辅助导航方法地形辅助导航研究更早 但在很长一段时间内海底地形辅助导航的潜力并没有被充分挖掘这是由于无法构建高精度的海底地形图 直到多波束测深系统和激光探测系统等的出现海底的详细地形信息才得以获取并制成海图.地形辅助导航关键技术随着海洋测绘技术的不断发展基于水下地形匹配的方法被广泛研究针对地形量测数据存在野值问题 等提出基于 估计的粒子滤波算法通过代价函数调整粒子权重提高匹配的鲁棒性 马腾等提出了一种海底地形匹配高效质点滤波导航方法试验结果证明所提出网格化插值方法可实现高精度、高效地形深度插值过程所提出海底地形匹配高效质点滤波导航方法可为 在线提供精确导航结果且实时导航圆概率误差小于 马腾等为解决海底地形未知条件下的海底地形辅助导航问题提出了海底地形同步定位与建图技术 利用水深预测手段和地形匹配方法进行帧间数据关联构建和闭环检测并通过图优化技术进行海底地形同步定位与建图问题求解 结果显示在航行 后建图结果中所有测深点定位误差均值约为 由于地形辅助惯性导航系统需要利用搭载的声呐设备对海底地形进行探测声呐设备发射的声波信号容易被外界监测隐蔽性不能得到很好地保证海洋中具有电磁干扰性的物质也会对地磁场辅助导航造成干扰重力匹配辅助导航系统作为一种集高精度、强抗干扰性和完全自主性于一体的兵 器 装 备 工 程 学 报:/./辅助导航系统属于目前最适合应用于水下导航的辅助导航系统之一 在重力匹配方案领域的现有研究中普遍认为影响重力匹配算法效果的因素有以下几个方面:首先是重力基准图分辨率与精度其次是用于匹配的数据序列长度再次匹配路径在重力基准图上的位置是否有充分的重力变化信息最后惯性导航系统的位置误差也直接影响重力匹配的效果 当前传统重力仪的匹配算法抑制了惯性导航系统的误差发散初步验证了自主定位系统的效果但由于器件精度、航迹附近重力变化不足等限制无法形成满足国防需求的水下自主定位系统综上所述重力辅助导航仍存在误差积累问题在民用领域受限于成本重力匹配导航随着重力测量仪器精度的提升将有更大的潜力地磁辅助导航则在军用 领域得到了较多关注此外地形辅助导航对海底环境提出了要求同重力匹配技术一样需要测量建立高精度重力异常图、地形图在民用领域则适用于海洋探索等较大范围的水下工作随着相关测量仪器精度的不断提高基于地球物理场的导航技术将会在未来大放异彩 多 协同导航技术.多 协同导航技术的基本原理多 协同导航意是指多个 可以通过声学通信共享自己的位置信息将多个信息处理后进一步提高自身导航精度进而提高整体的导航精度 年 月中科院沈阳自动化研究所的 台“海翼”滑翔机首次完成了在印度洋的集群观测应用 年 月西北工业大学利用 台“勇毅”号水下航行器实现了集群三角队形和一字队形的快速变换和高精度保持为形成颠覆性的探测能力奠定了基础 目前多 协同导航主要分为主从式、并行式 种在主从式结构中主 配备高精度导航设备从 配备低精度导航设备外部均装备水声装置测量相对位置关系从 通过水声测量确定相对距离和相对方位角再辅以主 精确位置提高从 导航定位能力 而在并行式结构中所有 配置均相同通常均为低精度导航设备 由于体积价格等因素并行式在未来会有更广阔的应用空间.协同导航技术的编队方式 排列方法会直接影响导航准确性通过优化编队方式提升导航性能是协同导航领域重要的研究方向 针对双 的协同导航 等提出了一种基于间距配置的双 节能优化方法以通过船体形状和螺旋桨相互作用实现最小阻力 等提出了一种单主从 协同导航方法主要是在从 的路径已经规划好的前提下通过时差法规划主 的最优路径有效减小协同定位误差提高了导航精度针对于 个 的协同导航一般有 种编队方式如图()所示编队中有一个主 个从 针对于这种编队方式 等提出了一种基于单个高性能 的多 导航方法该方法可以在没有任何支持的情况下准确估计自身状态(位置和姿态)通过使用实验数据进行后处理仿真验证了包括子 在内的所有 都可以实现稳定状态估计 如图()所示该排列中有 个从 一个主 房新鹏等提出了双领航者定位系统的最优队形为 个领航 与从 以 分离角相对运动且最优队形与 间的距离无关图 个 的 种编队方式.针对于多 的协同导航排列方式较多等提出了一种针对多 的交替地标导航方法其中每个 交替成为一个地标它在海底保持静止而其他 可以根据声学定位与地标 进行导航 等提出了一种多 最优编队配置的设计方法通过仿真实验验证了所提方法的正确性和所提特殊编队配置的有效性 等提出了一种新的协调策略使 舰队构建适合海底光学传感的几何图案 在使用 个 进行海上测试之前这种新协调方法的性能在仿真环境中得到验证 仿真结果表明这种新的协调方法具有良好的收敛性 等提出了一种结合共识理论和人工势场法()的分布式领导者跟随控制方法 在 中采用人工势场法控制多 系统形成所需的圆形编队并且相邻 台跟随 之间的夹角相等还提供了一个模拟示例来说明所提出的编队控制器的有效性.协同导航技术的算法和模型针对于协同导航技术的算法和模型复杂多样 传统的是基于滤波的算法 等提出了一种用于协作定位的新型自适应扩展卡尔曼滤波器该方法是基于在线期望最大化方法自适应地估计预测误差协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵 结果表明所提出的算法比现有算法具有更好的定位精度 等为了解决重尾、非平稳分布的随机噪声提出了一种新的重尾混合()分布和一种新的基于 分布的鲁棒卡尔曼滤波器经过实验验证与前沿滤波器相张 淋等:水下航行器自主导航定位技术前沿进展比所提出的滤波器在定位误差方面提高了.同时所需的计算时间不超过其 倍新型算法应用到协同导航中也是研究方向之一等提出了一种混合灰狼优化()算法用于多 的路径规划 根据计算时间、路径长度和路径成本对所得结果进行比较研究 混合算法的结果克服了遗传算法()和灰狼优化()的缺点并为对时间不敏感的操作提供了成本优化的路径 等针对完全未知的三维()水下环境中自主水下航行器()的目标搜索问题本文中提出了一种基于自适应预测的多 协同目标搜索算法 仿真结果表明该算法不仅可以处理静态目标和随机动态干扰目标搜索任务还可以在一些随机 失效条件下执行目标搜索任务改善 协同导航模型也可以提高导航的精度等提出了一种改进的多 的自组织神经网络任务分配模型考虑恒定洋流环境下的 任务分配问题选择路径最短的 进行任务分配和路径规划并给出了仿真结果 等进行了在没有 的情况下利用合作导航算法中水下航行器的动态模型对低成本水下航行器的组合控制和合作导航进行研究结果表明在协作导航中使用动态过程模型进行组合控制和导航是可行的水下环境永远处在复杂的变换之中根本无法进行准确的预测仅仅使用单个 来完成众多的水下探测任务是不现实的多 协同导航的出现不仅进一步提高了导航的精度也增强了系统的稳定性当其中某一个 因为特殊原因发生问题时剩下的 依然可以去完成预定的任务 多 协同导航目前主要应用在深海作业海洋科学调查以及军事勘探等相关领域 由于多 协同导航具有成本低精度高等诸多优势被认为是未来的热门方向但这离不开强大算法的支撑还有更多的难点要去解决针对于多个 的排列方式每个 在集群中的路径规划以及相互通信时的信息融合处理等都可以进行更加深入的研究 结论)提供水下航行器的速度信息基于/的组合导航方法仍存在误差积累影响长航时导航系统的准确性)基于/的组合导航方法能准确定位出水下航行器的实时位置有效提高了导航精度但使用范围受限且隐蔽性较差 近年来联合全球导航卫星系统和水下声学定位系统建立的海底大地基准网将为民用领域的水下自主导航技术提供强有力支撑)基于地球物理场的辅助导航方案具有极高的自主性和隐蔽性但其数据库的精确程度导航方案的可行性 其中重力匹配辅助导航方案具有更大的潜力但需要更加精确的测量仪器测量并建立更高精度的地球物理场模型)基于多 的协同导航方案通过每个 共享信息也有效提高了导航精度但复杂的水下环境、不同的编队方式、不同的路径规划等都会影响协同导航的准确性这是目前水下航行器的热点和难点方向近年来随着 的应用越来越广泛对其导航和定位的要求也越来越高 然而由于水下环境的特殊性 的导航和定位依赖于多种因素如水下地形、水流、水温、水压等而这些因素的变化会严重影响 的导航和定位精度因此设计一种能够满足所有导航和定位要求的方案几乎是不可能的 在未来的 发展过程中低成本、小型化、轻量化、协同操作和深海应用是发展趋势同时亟需更加有效的算法更加精准的传感器以及基于场景的深入研究来采用更适合的组合导航方案进一步提升水下航行器的可靠性参考文献:.:.().:.:.:.赵俊波葛锡云冯雪磊等.水下/组合导航技术综述.水下无人系统学报:./.:./.:.白龙张淏酥吴爽等.组合导航系统的 标定方法研究.舰船电子工程:.:./.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./:./().:.:./.():./.:./.():.:.:/().:.:.李建顾琪.超短基线定位中的快速声线跟踪算法研究/年全国声学大会.:.:./:.李海鹏韩云峰郑翠娥.声速修正技术在高精度水下定位系统中的应用.导航定位学报():.():.():.():.张林虎刘杨刘焱雄等.基于分层 的深海声速剖面时变特征建模.海岸工程():.():./.:.张涛王健张佳宇.复杂水下环境下高精度/误差标定技术.导航定位与授时:./.:./().:./.:./.:.刘慧敏王振杰陆凯等.顾及声速误差的/紧组合导航算法研究.海洋测绘:./.:./.:.徐晓敏张爽娜薛伟罗晨等.一种基于多浮标的无源水下导航定位方法/第十一届中国卫星导航年会.出版地不详:出版社不详:./.:.:.刘焱雄李梦昊刘杨等.海底大地基准建设技术 及其研究进展.海洋科学进展():.张 淋等:水下航行器自主导航定位技术前沿进展 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