水下航行器导航与定位技术教材(新)

水下航行器导航与定位技术学习提纲主要参考书：导航与定位——现代战争的北斗星，干国强主编，国防工业出版社，2000水下导航信息融合技术，朱海，莫军著，国防工业出版社，2002卡尔曼滤波与组合导航原理，秦永元，西北工业大学出版社，1998主要内容：导航技术概论(参考书1)航位推算系统声学导航系统陆基无线电导航系统(参考书1)卫星导航系统(参考书1)惯性导航系统(参考书1)其它水下导航方法(重力梯度、地形匹配、磁导航等)水下组合导航技术(参考书1)要求：全文阅读讲义；阅读参考书指定章节；掌握各类主要导航方法的根本原理、适用范围、优缺点；掌握推算航位导航的计算方法。目录TOC\o"1-3"\h\z水下航行器导航与定位技术0第一章水下导航技术概论1§1.1导航的根本概念1第二章航位推算1概述1航位推算的定义2第三章声学导航系统7第四章陆基无线电导航系统11第五章卫星导航系统11第六章惯性导航系统116．1航海陀螺仪器的开展116．2以捷联惯导为核心的组合导航技术13第七章其它水下导航技术14§7.1地形辅助导航15§7.2地球物理导航17§7.3各种水下助航方法(舰船导航，2001，6)187.3.1磁导航18重力导航19§7.4地形辅助导航技术20第八章水下组合导航技术21第一章水下导航技术概论导航的根本作用是引导飞机、舰船、车辆、个人等，平安准确地沿着所选定的路线，准时地到达目的地。§1.1导航的根本概念“导航”就是正确地引导航行器沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地的过程。为了完成这个任务，就需要随时知道航行器的瞬时地理位置、航行速度、航行器的姿态、航向等参数。这些参数，通常称作导航参数。对有人驾驶的航行器，这些导航参数可由领航员通过观察仪表和计算得到。但是，随着速度和航程的不断增大，对导航的要求越来越高。为了减轻和代替领航员的工作，就出现了各种各样的导航系统，可以自动地提供需要的各种导航参数。在舰船、飞机、导弹、宇宙飞船等各种航行器上，导航系统已作为保证航行任务完成所不可缺少的重要装备。而导航原理、导航方法和导航技术的研究已开展成为一门独立的学科。随着科学技术的开展，导航的概念也扩展了，除了保证载体的平安航行外，还需要为运载体以及运载体内的其它系统，如测量、武器、监视等系统提供精确的导航、定位信息，进一步地还可以对运载体的航向、航迹进行控制，也可实现对运载体的动力定位。按照近代科技术语，导航的主要工作就是定位、定向、授时和测速。导航系统需要连续提供此类信息；当载体的运动速度加快时，要求数据的更新速率也相应加快。导航系统有两种工作状态：假设作为测量装置，提供的导航参数仅供驾驶员引导载体之用，那么称导航系统工作于指示状态；如果导航系统与自动驾驶仪联用，所提供的导航信息作为自动驾驶仪的输入量，由自动驾驶仪自动操纵和引导载体，驾驶员(假设有)只起监督作用，那么称导航系统工作于自动导航状态。无论何种工作状态，导航系统的作用都只是提供导航参数，因此人们提到“导航”这个术语时，其含义也只侧重于测量和提供导航参数这局部工作。第二章航位推算§概述航位推算导航是最根本的导航方法之一，由于在水上导航中它和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。航位推算导航有两个独特的优点：一是可随时定位，不象无线电导航、卫星导航等系统，当需要在水下精确定位的时候，却因收不到信号而不能定位；二是能够给出载表达在和将来的位置。利用其它导航方法即便是得到了位置并画在海图上，这个位置并不表示一艘正在航行的舰船现在或将来某一时刻的位置。为了得到舰船现在和将来的近似位置，导航者只能单纯依赖于航位推算导航法。上述特点使得航位推算导航法在舰船导航中处于不可缺少的地位。航位推算(DeadReckoning)这一术语确实切来历至今没有考证清楚，据说，在16世纪，航海者就开始应用航位推算法。当时，人们还不能利用天文学技术对所测得的船位进行校正，对远离陆地的航行，只能凭借海员的推测或航行的经验进行估计，也没有任何其它方法能作为引导航行的依据。§2.2航位推算的定义在18世纪和19世纪期间，各种海图极其缺乏，价格也十分昂贵，船长只能根据航行前位置的航向和航速，利用数学公式算出当时的位置，把这种技术称为“推算估算法”，英文用“DeducedReckoning”表示，后来又缩写为“dedreckoning”，几经演化而成为今天使用的航位推算“deadreckoning”。由于自然天文学的进步，使得校正航位推算方法成为可能。海上寻找舰船位置的最早的自然天文学技术，是根据观测北极星高度，找出观察者所处的纬度。后来又利用观测恒星、行星等确定船位。直到18世纪海上测量经度的问题得到彻底解决，航位推算导航法才被人们真正地确定下来。最常用而且应用最早的导航方法是航位推算法[10]，即将水下航行器的速度对时间进行积分来获得航行器的位置。因此，这种方法需要一个水速传感器来测量航行器的速度，再用一个罗经来测量航行器的方向。但是，这种方法的主要问题是海流的存在而给水下航行器产生一个速度的分量，这个分量水速传感器又无法测量，从而给低速航行的水下航行器在长时间航行时会产生很大的定位误差。对于靠近海底航行的水下航行器，可以采用多普勒速度声纳〔DVS〕来测量航行器相对于大地的速度，从而可以消除海流对航行器定位的影响。目前国外水下航行器上常用的DVS，主要有：美国EDO公司的3040型和3050型多普勒速度声纳，其精度到达可到达0.2%；美国RDInstrucments公司的WorkhorseNavigator，其精度也可到达0.4%；英国MA公司研制的COVELIA，其最大绝对误差不大于0.005节。对于DVS，其作用距离越大，其体积和功耗就越大。因此，选择DVS时，因根据航行器及航行器的使用环境来确定选择DVS的类型。概述自主水下航行器是世界各国大力开展的海洋运载器，在海洋保护、海洋资源开发等领域具有极大的应用价值，如水下搜索、海底绘图、海底监控、管道铺设、海底作业等。导航问题是水下航行器应用所面临的主要技术挑战之一，导航能力是水下航行器有效工作与平安回收的重要要求。由于水下环境的局限，目前水下航行器导航的主要方法是航位推算、INS、声学系统等[1、2]。INS价格昂贵，在没有修正信息的情况下难以满足长时间导航定位的要求；声学导航系统需要事先在工作海域布置导航基阵，在某些应用场合受到较大的局限；航位推算方法利用航向和速度推算航行器的位置，但在没有地速信息的情况下受洋流的影响较大。航位推算系统进行位置解算，需要知道载体运动的航向、速度，由于载体姿态的变化，需要知道速度的水平分量，因此还需要测量载体的姿态。在载体初始位置的情况下，利用相应的数学公式，可以实时解算运动载体的当前位置。航向测量所谓航向，是航行器的首尾线与真北方向在水平面的夹角，首尾线在航行器上是客观存在的，而要在航行器运动的情况下找到真北方向那么比拟困难，一般用磁航向仪、陀螺磁罗盘、陀螺罗经、惯导系统等。磁罗盘亦称磁航向仪，是在指南针的根底上形成的。磁航向仪利用地球磁场来找北，修正掉磁北极和真北的偏角后就能得到航向角。磁航向仪工作稳定，航向误差不发散，但其精度一般较差，目前最高能到达度，容易受到磁场异常及周围磁介质的影响。陀螺磁罗盘磁罗盘具有自动定向的特性，不难看出，磁罗盘的稳定性差，定位精度低；而陀螺方位仪由于利用了陀螺仪的根本特性，稳定性好，但没有相对地球真北自动定向的能力。陀螺磁罗盘那么结合了两者的优点。陀螺罗经陀螺罗经利用陀螺仪特性敏感地球自转角速度，用机械摆或电子摆感受地球重力加速度，再加上阻尼，实现其陀螺主轴自动找北，就构成了具有自动找北功能的指北装置。一般陀螺罗经的精度为0.5secL度(L为陀螺罗经所处的纬度值)，高精度的能到达0.1度以下。惯导系统惯导系统能提供包括航向在内的大量导航信息，具体见有关章节。速度测量及误差分析航行器的速度测量仪器主要有水速计、多普勒速度声纳、声相关速度仪、惯导系统等，由于通过对速度的积分便可得到航程，因此上述速度计也成为计程仪。水速计(亦称水速计程仪)水速计的工作原理类似于汽车里程表，有转轮、涡轮、电磁等形式的水速计。转轮水速计在载体相对于水运动时将产生转动，在一定范围内转动的圈数与相对于水的运动速度成比例。优点是结构简单，但线性差，误差大，其精度受海流及船舶吃水、等因素影响，已根本被淘汰。涡轮计程仪包括叶轮及干簧继电器两局部，每个涡轮叶片上镶嵌有永久磁铁，当磁铁随叶片旋转到干簧继电器附近时，干簧继电器动作，触点闭合产生计数脉冲。通过标定，可以将单位时间内的脉冲计数值变为UUV的速度。对速度积分就可以得到UUV航行的距离。与航向测量配合，就可以到达导航的目的。涡轮计程仪的优点是简单、本钱低。其缺点是不够精确、在UUV与水之间相对运动速度低时不灵敏，未知海流的影响将无法克服。水压式计程仪应用相对于航行器水流的动压力与航速平方成正比的原理，来测量航速。该计程仪性能可靠，在中速和高速时的测量精度较高；但在低速时测速精度和灵敏度很差，而且其水压系统的皮托管需要伸出航行器底部，而且使用期间需要经常排气以保证测量精度，操作维护不方便，已根本淘汰。电磁计程仪利用电磁感应原理来测量航速，属于相对计程仪。优点是：电磁传感器所敏感的感应电势与航速为线性关系，不仅测速灵敏度高，而且具有很宽的航速测量范围，还可以测量后退航速；不受水域或水文条件如温度、盐度、密度、压力、导电率等的影响；感应电势是瞬间产生的，能反映瞬时的速度变化，测速精度较高。它是目前比拟普遍采用的一种相对计程仪。多普勒速度声呐(多普勒计程仪)多普勒速度声呐是一种绝对计程仪，它测量航行器相对海底的速度，而不是相对海水的速度，因此称为绝对计程仪，当其工作于水层跟踪模式时为相对计程仪。测速精度能到达0.4%。利用多普勒速度声纳测量在波束方向的相对速度，结合速度声纳在航行器上的安装角，可以获得航行器在壳体坐标系内的速度。多普勒速度声纳安装在水下航行器上，利用声纳波的多普勒效应测量航行器相对海底的速度，通过对地速的积分，结合航向信息可以获得导航解，这是一种航位推算导航法。多普勒速度声纳仪采用水声换能器结构，仪器本身即是发射源又是接收机。设多普勒速度声纳的发射频率为，波长为，为光速，沿波束方向的相对速度为，那么多普勒频移为：(1)对于三波束多普勒速度声纳，其发射声外表和航行器的相对位置是固定的，因此声波束的发射方向相对航行器壳体坐标系的角位置是固定不变的，如图1所示。其中为航行器的壳体坐标系，规定右、前、上为正向，记坐标轴单位向量分别为。为多普勒速度声纳3个声纳波束的发射方向。波束相对航行器纵向对称面的水平偏角为，水平倾角为。图1三波束多普勒速度声纳的发射方向示意图设航行器在壳体坐标系的速度为地速向量，那么(2)根据图1反映的关系，壳体坐标系在波束方向的单位投影为：(3)因此壳体坐标系速度向量在3个波束方向的速度投影分别为(4)3个波束方向的速度分别引起各自方向的多普勒频移量为，联立(1)式、(4)式，可得由三波束速度声纳测量的航行器在壳体坐标系内的速度为：(5)因此从多普勒频移计算地速的比例系数分别为：(6)从上式观察，速度测量的比例系数误差与发射声纳波长的稳定性、发射波束的水平偏角和水平倾角的安装精度有关。设发射声波的波长设计值为，实际发射的波长具有偏差，安装角的设计值分别为和，存在和的安装误差，那么实际的比例系数为：(7)将上式在设计值处进行泰勒级数展开，只保存关于误差、和的一次项，并与(6)式比拟，得比例系数误差为：(8)声相关计程仪声相关计程仪是20世纪70年代中期研制成功的测速设备，属第四代计程仪产品，前三代分别为水压式、电磁式和多普勒计程仪。声相关计程仪利用水声信息相关处理技术来实现其测速功能，为绝对计程仪，当其工作于水层跟踪模式时为相对计程仪。测速精度能到达0.2%。声相关计程仪测量垂直方向的收、发信号，并对回波信号幅值包络进行相关信息处理后得到航速，并可测量水深。其测量精度不受海水中声波传播速度变化的影响。导航计算导航坐标系为当地地理坐标系东、北、天，壳体水平坐标系原点在航行器质心，与导航坐标系的夹角为航向角，与壳体坐标系相应轴的夹角为俯仰角和横滚角。壳体坐标系到壳体水平坐标系的变换矩阵为：(9)壳体坐标系到导航坐标系的变换矩阵为：(10)地速向量在导航坐标系内的投影为：(11)定位计算方程为：(12)其中为地球半径，分别为航行器的纬度、经度、高度。仿真计算美国SonTek公司RiverSurveyor三波束多普勒声纳的底跟踪测速精度为，经实验测试，某型陀螺罗经的漂移率均方差为，初始对准误差均方差为，姿态测量组件的测量精度均方差为，水下航行器初始位置在东经，北纬，沿北偏东航向以速度航行2小时，定位误差如图2所示。图2仿真结果曲线从图2看出，在仿真条件下，东向误差在300米以下，北向误差在150米以下，姿态测量引起的高度误差不超过15米，综合定位误差为350米以下，按2小时的航程32海里计算，定位误差不超过航程的，满足一般使用条件下对水下航行器的定位要求。航位推算法的最主要问题是随着航行器航行时间的增大，其误差也不断增大，而且其增长速率是海流、航行器的速度、测量传感器的精度的函数。如果将水下航行器周期性地浮出水面，并采用GPS、无线电导航系统〔如罗兰—C〕对其位置修正，那么航行器的导航精度将会得到很大的提高。这时航行器在相邻两次浮出水面之间的时间间隔取决于航位推算法与INS的精度。采用这样方法进行修正的主要缺陷，一是水下航行器周期性地浮出水面，对水下航行器及水面舰船的平安性带来巨大的威胁；二是对于深海作业的水下航行器，当周期性地浮出水面时，存在着需要额外的时间和能源的问题；三是当海面结冰时，这种方法显然是无法实现的。第三章声学导航系统对于电磁信号，只有在低频下，才能在水下传播一定的距离。然而，对于声信号，在水下传播得就比拟好，因此声发射机可以在水下航行器无需浮出水面的情况下作为信标来导引水下航行器的航行。目前，水下航行器采用的声学导航主要有三种形式，分别为：长基线〔LBL〕导航短基线定位系统(SBL)超短基线〔USBL〕导航这三种形式都需要外部的换能器或换能器阵才能实现声学导航。图几种声学定位系统长基线定位系统短基线定位系统超短基线定位系统在介绍这三种定位系统之前，首先介绍几个名词的含义：基线(BASELINE)：基线是指声学基元之间的距离，长基线定位系统的各基元(应答器)是布置在海底的。基元的距离一般在几公里量级。短基线和超短基线声学定位系统的基元一般安装在母船上。声源(BEACON)：它是在规定的时间或由用户控制的时间向水中发射具有一定能量声脉冲的装置。水听器(HYDROPHONE)：接收声信号的装置声波发射器(PINGER)：声波发射器是一种按预定规律发射声脉冲的装置。水声应答器(TRANSPONDER)：是一种发射/接收装置，它在接收到特定的声信号后，发射一个响应声脉冲。电声应答器(RESPONDER)：它的功能与水声应答器一样，不同的是它接收的询问信号是电信号。上述三种系统都需要与声源一起工作，声源发出的脉冲被一个或多个设在母船上的声学传感器接收，收到的脉冲信号经过处理和按预定的数学模型进行计算就可以得到声源的位置。有时还需要知道声源的深度信息，这可以通过以下方法获得：假设声源安装在UUV上，可直接使用UUV的深度信息。在声源上安装压力传感器并通过声遥测通道传送深度数据。操纵水面母船到声源上方，测得声标至母船的距离即为深度。下面分别介绍三种声学定位系统：长基线水声定位系统长基线水声定位系统包括船上信号处理装置、母船吊放至水中的声学收发装置、海底应答器阵和安装UUV上的应答器。一般情况下海底基阵由三个以上的应答器组成，它们或置于海底，或者系浮于海底之上。应答器阵的相对阵型必须经过认真的反复测量，这种测量工作很麻烦，有时需要几小时甚至几天的时间。通过母船吊放的声学收发装置对UUV及海底基阵进行询问和应答，UUV上应答器对海底基阵的问答，可以得到各应答器之间的斜距，根据测阵的结果及斜距就可以计算出UUV及母船相对于海底基阵的位置。长基线定位系统的精度很高，相对海底基阵的定位精度可以到达±10～12m，但是转换成地理坐标时，取决于所采用的测量手段。如果使用普通GPS，那么定位精度会大幅度降低。2．短基线声学定位系统短基线声学定位系统由船载测量系统和水下声源两局部组成。船载测量系统包括三个水听器及其信号处理装置。水下声源如果安装载UUV上就可以测定UUV的位置。三个水听器安装于母船的底部，三个水听器之间的距离以10～20m为宜。短基线定位系统的精度约为距离的1%～3%。如果UUV上安装的声源与母船信号处理装置之间有共同的时钟基准系统，那么可以采用信标工作方式。3．超短基线定位系统超短基线定位系统相当于短基线定位系统的压缩，水听器阵的距离减小至半波长以下。由水下声源发来的声脉冲到达这个阵的每个阵元的相位是不同的，检测这个相位差，经过变换和计算就能得到声源的位置。如将声源置于UUV上，就可以得到UUV的位置。超短基线定位系统的精度略低于短基线系统。4．选择声学导航定位系统的假设干考虑应当说从定位精度的角度来看，长基线系统最好，它有很高的定位精度，但是要获得这样的精度必须精确地知道布放在海底的应答器阵的相互距离，正如前面已经提到的，为此必须花费很长的时间进行基阵间距离的测量。此外，布放和回收应答器也是一件很复杂事情，对操作者的要求比拟高，因此，许多UUV宁愿选择精度稍微差一点的超短基线或短基线系统。超短基线系统有四种定位模式：信标方式应答方式响应方式组合方式当UUV水平移动的距离是UUV水深的1～2倍是，前3种方法的测量精度最高。如果UUV水平移动的距离更大，那么这时声波应答器和电声应答器方案的定位精度更高。以声波发生器的方式工作时，为了计算水平距离和斜距，要求知道声波发生器的深度，深度可以由键盘输入，也可以用声遥测通道传送给母船，或由ROV数据库接口送至水面信息处理系统，由UUV的深度计提供。以电声应答器模式工作时，那么要求将超短基线导航定位系统与载体通过主电缆进行通讯。电询问脉冲的发射时间，必须被导航系统精确地知道，这样才能精确地测量询问和响应的时间。以水声应答器模式操作是一种复杂模式，它要求双向声通讯，但不要求深度输入，也不要求与载体控制系统之间有电气接口。选择声学定位系统必须兼顾精度和上面提到的其它各种要求。有几个概念需要加以说明：可重复性：指在同一地点进行相同的测量时获得的数据的一致性。系统的可重复性不直接涉及系统的定位精度。分辨率：系统能检测到和能显示的最小测量程度。相对精度：指在两点之间位置测量的精度。绝对精度：是与一个公认的“标尺”相比拟测到的位置精度。对于UUV的声学导航定位系统来说，这个标尺可以取母船吊放应答器与水中声源之间的距离。例如，绝对精度为1%斜距，这意味着有69%的位置数据将在±1%范围之内。这项指标是假定海况为0级，母船在水面不动的情况下计算出来的。绝对精度指标只是一种概率。以下两点影响到位置的测量精度：声波在水中传播速度的变化母船的纵摇和横摇这两种影响需要在系统中予以补偿。其它需要考虑的因素还有环境条件、盲区和多途反射，在高早声环境下将限制系统的有效工作距离和定位精度，处于盲区时会引起重码，而多途反射会使测量结果出现误差。长距离的测量应使用较低的频率和大的功率输出。但是降低频率也会使精度下降，而且使用高的声源功率将缩短电池的使用时间。应当指出的是，在母船上，特别是在动力定位母船或海洋石油钻井平台上，通常还使用其它的声学定位系统。特别应当注意它们之间的相互影响，为此应当将他们的使用频率分开。像其它船用设备一样，选用的声学导航定位系统必须符合海洋环境要求以及其它的可靠性要求。在LBL声学导航系统中，需要将一个换能器阵安装在的位置，当航行器发出的声信号被每个信标接收后，又重新返回，这样在当地的声学梯度和每个信标的几何位置后，根据所发出信号传递的时间〔time-of-flight，简称TOF〕，就可以确定航行器相对于每个信标的位置。在LBL导航系统中，主要采用两种技术，一是将原始的TOF经过适当的卡尔曼滤波，以消除测量信号中的噪声[15]；二是计算航行器与每个信标确定的球面的交点，就可确定航行器的位置。这种方法的主要缺陷是，在复杂的声学环境下，如在浅水区或在极地，航行器就很难区分接收的是回波还是多途干扰，但在基于卡尔曼滤波的系统，可以通过设置相关门，将干扰信号予以剔除[15]。LBL导航的另外一种形式是双曲线导航[16]。在这种方式下，航行器不是主动发出声脉冲，而是接收来自位置的各个信标的信号。每个信标以其独有的频率、规定的顺序发出声脉冲。水下航行器只要知道是某个信标、某个时候发出的信号，航行器就可以确定自己的位置。这种方式的主要优点，不仅可以节省航行器自身的能源，而且可以适用于多个航行器使用[17]。大多数LBL系统的工作频率大约在10kHz，其作用距离大概在几公里，这时的定位精度约为几米。另一种系统的工作频率为300kHz，这时航行器在由三个信标组成、每边长为100米的三角形定位区域内的定位精度为1厘米[18]。在USBL导航系统中，水下航行器上装有由多个阵元组成的接收器阵，每个阵元可以测量其到声学信标的距离与角度，从而可以确定航行器相对于信标的位置。这种方式特别适用于水下航行器的导引和回收。在LBL和USBL导航系统中，其误差与许多因素有关，主要由两大局部组成。一是阵的几何位置误差，另一个是当地的声学梯度误差。由于声学导航需要位置的信标的参与，因此种导航方式主要适用于科学研究。第四章陆基无线电导航系统第五章卫星导航系统第六章惯性导航系统惯性导航是一种自主式的导航方法。它完全依靠机载设备自主的完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系，因此隐蔽性好，工作不受气候条件的限制。这一独特的优点，对作为军事目的而应用的各种航行器特别重要。所以近几十年来，惯性导航在导弹、舰船、潜艇、水下武器、飞机、宇宙航行器上都得到了广泛的应用，在导航技术中占有突出的地位。各类陀螺仪表和加速度计，都可以称为称为惯性测量元件或惯性测量元件或惯性器件。习惯上，人们只把精度到达惯性导航要求的陀螺和加速度计称为惯性器件，其含义实际上是“惯性级器件”，这不应阻碍对“惯性器件”含义的理解。因此，把采用惯性器件作为测量元件的导航系统称为惯性导航系统；而把采用惯性器件作为测量元件的制导系统称为惯性制导系统。惯性导航系统的工作任务是通过惯性测量和计算给出载体的位置、速度和姿态信息，为驾驶员或飞行控制系统引导载体提供依据；惯性制导系统的工作任务那么是根据惯性测量和计算出的实际导航系统，与实现装定的理想参数相比拟，并按选定的规律进行计算处理，从而形成制导指令信息传送给姿态控制系统，对飞行轨道不断调整，直到命中目标。惯性导航的根本工作原理是以牛顿力学定律为根底的，在航行器内用加速度计测量航行器运动的加速度，通过积分运算得到航行器的速度和位置信息。在INS中，加速度对时间进行两次积分就可获得航行器的位置[11]。这种导航方法的优点是自主性和隐蔽性好。目前INS主要有两种形式：平台式和捷联式。由于受体积、能源、本钱等多方面的影响，水下航行器一般都采用捷联式，而且捷联惯性导航系统容易实现导航与控制的一体化。但是INS在水下航行器上应用的缺点是：〔1〕商业级的惯性导航系统位置漂移速度一般是几公里/小时的数量级，这对于象水下航行器这样需要长时间在水下工作的对象，这样的导航精度难于满足实际工作的需要；〔2〕初始对准比拟困难，特别是由动态载体携带发射的水下航行器就尤为困难；〔3〕本钱高。因此，对于小型水下航行器，由于空间、能源及本钱等问题，INS就受到很大的限制。但是，随着光纤、激光等新型固态陀螺精度的不断提高，其本钱、体积、精度、可靠性、能耗指标得到了很大的提高，因此在未来的水下航行器上将大量采用这些新型INS。目前，国外水下航行器常用的INS主要有：美国霍尼韦尔公司RL34环形激光陀螺惯性导航系统、美国Crossbow公司的微机械陀螺惯性导航系统等。6．1航海陀螺仪器的开展陀螺仪器是科学技术开展的丰硕成果之一，是当代的一项多学科综合性尖端技术。陀螺仪器应用范围十分广泛，特别是在航行器导航、制导和精密测试设备等领域中具有重大使用价值。根据不同的需要，陀螺仪器能够提供准确的方位、水平、位置、速度、加速度信号。在飞机、舰船、飞船等航行器导航中，可以利用这些信号和指令，通过驾驶员或自动导航仪来控制航行器按一定的航线航行，而在导弹、卫星运载器、空间探测火箭、水下自主航行器等导航制导中，那么直接利用这些信号完成航行器的姿态控制和轨道控制。陀螺仪器作为精密测量设备用，可以为地面设施、矿山隧道、导弹发射井等提供准确的方位基准，同时在振动测量中也得到应用。依据所采取的技术途径不同，导航系统可分为：无线电导航系统、天文导航系统、卫星导航系统和惯性导航系统。惯性导航的理论根底是牛顿力学根本定律，它是利用惯性敏感元件(陀螺和加速度计)测量航行器相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定初始条件下，由计算机推算出航行器的导航参数，以便引导航行器完成预定的航行任务。惯性导航系统最突出的优点就是具有高度的自主性，它不需要与外界发生任何信号联系，仅依靠惯性装置本身就能在载体内部独立地完成导航任务，所以从技术和战术看，都具有不容无视的优越性。惯性导航系统主要缺点是导航定位误差随时间而积累，长时间工作后，为了保证期望的导航定位精度必须进行误差修正。惯性导航系统的根本工作原理可简述如下：根据牛顿定律，利用一组加速度计连续地进行测量，而后从中提取运动载体相对某一选定的导航坐标系(可以是人工建立的物理平台，也可以是计算机存储的“数学平台”)的加速度信息；通过一次积分运算(载体初始速度)便得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；再通过一次积分运算(载体初始位置)便得到载体相对导航坐标系的即时位置信息。另外，借助于导航坐标系，通过测量和计算，还可得到载体相对当地地理坐标系的姿态信息，即航向角、俯仰角、横滚角。于是通过惯性导航系统的工作，便即时地提供出全部导航参数。按惯性器件的安装方式，可将惯性导航系统分成两大类型：平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。平台式惯性导航系统是将惯性测量元件安装再惯性平台(物理平台)上，根据平台所模拟坐标系不同，又可以分为空间稳定惯导系统和当地水平面惯导系统，前者的平台台体相对惯性空间稳定，用来模拟某一惯性坐标系，重力加速度和哥氏加速度的补偿全依靠计算机来完成，这种系统多用于运载火箭主动段的控制和一些航天器上；而后者的平台台体模拟某一当地水平坐标系，因而保证了两个水平加速度计的敏感轴始终处于当地水平面内，这种系统多用于地表附近运动的航行器，如飞机、地面战车、舰船、水下航行器等。惯性导航系统的原理方框图如图1所示。由图可见，一组加速度计(通常是三个加速度计)安装在惯性平台上，导航计算机根据加速度计提供的加速度信息和给定的初始条件进行导航解算，得出载体的位置、速度等导航参数，一方面送给显示器显示，另一方面形成平台的指令角速率信息施加给平台上的一组陀螺仪，再通过平台的稳定回路控制平台精确跟踪选定的导航坐标系。此外，从平台框架轴上的角度传感器可以拾取在的姿态信息送给显示器显示。稳定平台是平台式惯导系统的核心，它在惯导系统中主要起到如下作用：图1平台式惯性导航系统原理框图给加速度计提供一个测量基准。平台通过加给陀螺仪的施矩信号，可以稳定在选定的坐标系内，正交安装在平台上的加速度计可分别测出坐标轴向的加速度分量。隔离载体的角运动。使惯性器件不受载体角运动干扰的影响，给惯性器件提供了较好的工作环境，放宽了对惯性元件某些性能指标的要求。从框架轴上可以直接拾取载体的姿态信息。捷联式惯导系统是将惯性元件直接固联在载体上，省去了机电平台，代之以存贮在计算机中的“数学平台”。根据所用陀螺的不同，又可分为速率捷联式惯导系统和位置捷联式惯导系统。前者用速率陀螺敏感并输出载体瞬时平均角速度信号，后者用自由陀螺感测并输出载体的角位移信号。在速率捷联式惯导系统中使用的陀螺有单自由度液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪和激光陀螺仪等。激光陀螺仪使一种没有转子、框架、也不需要加矩的固态惯性器件，能在恶劣的环境条件下工作，使捷联式系统理想的元器件，激光陀螺仪是目前民航机上应用于捷联式惯性导航系统中最成功的一种。捷联式惯导系统的原理示意图如图2所示。惯性器件(陀螺和加速度计)直接固联在载体上，它们所测量的是沿载体坐标系的角速度和加速度信息，计算机根据陀螺的输出，建立导航坐标系并输出姿态角，同时将加速度信息经过一个坐标变换方向余弦矩阵，转换到所要求的导航坐标系内，再根据相应的力学编排方程求解出所需要的载体即时速度、位置等导航参数来。图2捷联式惯导系统原理框图导航计算机向姿态基准计算提供了相当于陀螺施矩的信息，以便根据载体的即时位置，将计算机中建立的导航坐标系保持在需要的方位上。可以看出，坐标变换方向余弦矩阵描述了载体坐标系与导航坐标系之间的关系，坐标变换与姿态基准计算两局部，实际上起到了稳定平台的作用。捷联式惯导系统具有本钱低、结构简单、体积小及可靠性高等优点，但由于惯性元件直接安装在载体上，因而提取有用信号需要的计算量大，且要求惯性器件具有较宽的测量范围。此外，惯性器件直接固联于载体上，工作环境恶劣，会降低器件的精度，必须进行有效的误差补偿。捷联式惯导系统的特点：从功能上看，捷联式系统除了能完成平台式惯导系统的所有功能外，还增加了垂直导航功能；另外，还能测量沿载体坐标系各轴的角速率和加速度，这些参数送给载体控制系统和火控系统使用。从结构上看，捷联式惯导系统结构简单、重量轻、便于维护、故障率低。由于取消了电气机械平台，采用高可靠性的惯性器件，容易采用多敏感元件，使用多余度技术，因而使系统的可靠性大大提高。对惯性器件和计算机的要求高‘在捷联式系统中，计算量大、计算机的负担很大，尤其载体大角度运动时，为了保证计算精度，对计算机的字长、运算速度和容量提出了很高要求，随着计算机技术开展，这些要求都能得到解决。捷联式惯导系统中所用的惯性仪表都直接与载体相固联，因此它们的工作环境恶劣、有很高的动态范围、大的振动和冲击，这对陀螺的各项指标提出了更高要求。6．2以捷联惯导为核心的组合导航技术一、概述从惯性系统的工作原理和误差可知，惯性系统的优点是：(1)自主性强，它可以不依赖任何外界系统的支持，而单独进行导航；(2)可连续地输出包括姿态基准在内的全部导航和制导参数，实时导航数据更新率高；(3)对准后具有非常好的短期精度和稳定性。当然其缺点也是明显的：(1)导航精度随时间的增长而降低，即定位误差随时间增长而积累；(2)价格高；(3)加温和对准时间较长。惯性导航的这些缺点不能满足远距离或长时间航行以及高精度的导航要求，也不能满足武器投放、侦察、反潜、大地测量等特殊应用的要求。为了提高航行器的导航定位精度，出现了组合导航方式。所谓组合导航，是指把两种或两种以上不同的导航设备以适当的方式组合在仪器，利用其性能上的互补特性，以获得比单独使用任何一种系统时更高的导航性能。最早出现的组合导航系统是惯导与多普勒雷达的组合，它用惯导的高精度姿态信息稳定多普勒雷达的天线以提高其测速精度，而用多普勒雷达长期精度较高的速度信息对惯导进行阻尼，以提高整个组合系统的导航精度。同时，由于有多普勒速度信息提供的初始条件，在必要时还可以对惯导实施空中对准。也就是说，在惯导开始通电1～2分钟内，平台快速调平后，在必要时可以立即起飞，在空中再进行对准，以满足快速反响要求。在70年代，出现了所谓组合导航系统。第七章其它水下导航技术§7.1地形辅助导航1．自适应传感器技术用于地形辅助导航1．1前言在既不能采用声信号也不能露出水面用GPS信息进行校准的情况下，自主式水下航行器可以采用地形辅助导航来完成其使命。地形辅助导航(亦称地球物理导航)是将航行器传感器测量数据和的环境图数据进行比拟得出航行器的位置参数。该方法是由几百年来一直使用的回声测深仪海上导航技术演变而来的，大家最熟悉的空中地形辅助导航系统是应用雷达测高数据进行空中飞行器定位的地形轮廓比拟系统。自主式水下航行器地形辅助导航系统采用的地球物理参数包括重力、磁场、深海测量等。已经成功开发出了几种将测量数据和地形图数据进行比拟的算法，主要分为特殊地形法和一般地形法两种，一般地形地球物理导航是将传感器测量数据和空间中所有位置的地形图地球物理参数连续进行比拟，实现精确定位需要有较高分辨率的地形图和测出大量空间变化参数。如果环境地形特殊而且从航行器传感器中可以区别出来，那么采用特殊地形法来实现精确定位，另外在没有地形图的环境中，可以用特殊地形算法实现同步标绘和定位。同步标绘和定位的目的是为自主式水下航行器建立一幅环境图并应用该图进行实时导航。同步标绘和定位在移开工作的自动设备中有着重要的意义，因而一直是人们重点研究的对象。同步标绘和定位存在一系列理论问题，包括特殊地形的提取、状态计算、数据组合、计算合成、地图表示以及动态环境中的地图保持等。自适应传感器技术有助于结局这些问题以提高同步标绘和定位的性能指标，采用自适应传感器技术可以节约时间和能源，减少采集和处理的数据量，得到满足要求性能参数。目前已经开发出了一种特殊地形法来实现自主式水下航行器的同步标绘和定位，且用前向声呐模拟量数据表示同步标绘和定位的结果。应用自适应传感器技术来实现同步标绘和定位。1．2随机标绘同步标绘和定位试验采用的算法是由Smith、Self、Cheeseman最初提出的随机标绘法演变而来的。传感器测出环境中地形相对于自主式水下航行器目前状态(位置和方向)的距离和方位，根据测量值绘制环境图同时确定航行器的位置。记系统状态矢量为，。其中和分别是航行器和地形的状态，为计算的状态矢量，为误差值，测量时间点为，其中为采样周期，为离散时间系数，系统计算误差的协方差表示为：(1)因此对应每个时间点航行器的状态和地形图由一个状态矢量和与之相关的计算误差的协方差阵来表示，用表示航行器的状态，用表示其控制输入，状态转换函数表示为：(2)其中是与无关的高斯白噪声，其幅度与控制输入有关。系统量测方程为：(3)其中是测量的距离和方位矢量，测量方程模型表示从状态矢量到参数坐标的非线性坐标转换，假定随机过程为高斯白噪声且与和无关，其协方差为。系统的预期状态可以通过公式(2)得到，状态参数和协方差可以通过卡尔曼滤波器推算出来，相同距离的声呐返回信号数据为一组，假定声呐信号从多个地形返回，找出每个地形返回信号后，可以得出地形的位置信息。随机标绘算法的过程包括以下几个步骤：状态预测：系统在下一时间点的状态(航行器和地形)是根据信号(控制输入)和状态转换模型函数得出的；选择：确定距测量点最近的地形，经过选择将测得的其它地形的数据保存起来；状态修正：利用卡尔曼滤波器输出对航行器和地形轨迹进行修正。1．3自适应传感器技术定义为从0时间点至目前时间点的一组测量值，所有测量值，我们可以通过来计算，为了实现自适应地形辅助导航，需要根据测量值得出相关参数，自适应同步标绘和定位算法可表示为：(4)其中即包含所有测量参数，也包含的其它信息，如航行器的不确定因素和声呐模型等。假设卡尔曼滤波器输出近似有效参数，用系统误差协方差的逆矩阵近似，这样卡尔曼滤波器输出的时间点系统信息中包含了信息和所有测量参数，在鼓励信号为时，根据当前时刻信息，可得出下一时刻系统信息。产生最大输出信息的输入信号表示为：(5)该信息是一个矩阵。特殊地形同步标绘定位法综合考虑了地形位置的不确定性和航行器位置计算值的不确定性因素。用函数来定义这个量，该函数给出所有误差椭圆的总面积(最大可能密度区)，即地形图和系统定位信息的置信度，该函数表示为：(6)其中是其函数变量的第个特征根，应用公式(6)计算出自动系统在其运动空间中的运动，第二局部讲述的随机标绘过程采用该自适应步骤进行修正，即通过公式(6)计算出下一步动作的最优参数。这就是自适应随机标绘算法，这一步骤对每一采样时刻的信息进行优化，因此自适应过程实现了局部优化。注意，自动系统的运动空间不只局限于其可以移动的方向(在随机标绘图中用来表示其运动方向)，还要根据声呐系统等提供的测量参数来运动。§7.2地球物理导航对于大多数水下航行器的使用要求来说，采用声学导航显然是不可能的，而且是不切实际的。如果我们事先能得到精确的环境测绘图，就可以通过对地球物理参数〔如深度测量法、磁场、重力异常〕的测量[19-22]，来对水下航行器在地球上的位置进行估计。这些方法主要是基于被测量参数在空间分布上有足够变化的前提下，通过与先验的环境测绘图进行匹配，来实现导航的一种方法。所有基于测绘图的导航，是受声学导航的启发而开展起来的。由于这种导航方法不需要额外的开销，而且不需要安装人工信标，因此可以实现全球导航。但是，这种导航方法并没有人们想象中的那么简单。由于航行器需要将测量到的数据与先验的测绘图或数据库进行匹配，就存在两个主要问题，一是生成这些先验测绘图的本钱与难度，二是在n维相关参数空间中，随着维数的增加，寻找匹配峰值的计算复杂度呈指数级增长。一般来讲，测绘图制作的本钱不仅取决于数据的类型，而且取决于数据的分辨率。而数据的分辨率也将直接决定搜索空间的规模和大小。由于水下航行器相对于最初的数据集来说，可以有许多种位置和方位的可能，因此需要对每一个可能的位置和方位进行搜索，从而组成了一个巨大的搜索空间。为了减小搜索的时间，提高搜索的效率，就有必要作某些简化。典型的简化方法是：限制测绘图数据的类型〔哪一个传感器的值，多少个不同的传感器〕、降低测绘图的分辨率、采用惯性导航或航位推算系统减小搜索的范围。地球物理导航是自然界生物，如鸟、鱼和其它动物迁移时普遍采用的导航方式[23]。由于磁场强度会随着纬度、周围人工的或自然的物体的变化而变化。即使在水下，深度每变化1000米，其磁场强度也会随其所在位置的不同而增加6~30毫微特斯拉[24]。而且，每天也会因时间的不同也有微小的变化。由卫星或水面船只生成的磁场测绘图，在考虑了每天的磁场变化和深度变化后，就可以被水下航行器用来进行导航[25]。通过对地球重力场的研究说明，地球重力场绝对不是均匀分布的，而是存在一个变化的拓扑[26]。这些变化是由许多因素引起的，主要是当地拓扑[27]和密度不均匀性[28]造成的。对于INS来说，当地重力场的变化对于加速度计自身来说是不能区分的，为此美国海军曾经为了校正INS的误差对重力场进行了测绘，Gerber也提出采用重力梯度计来作为INS的辅助导航工具[29]。文[30]进一步对上述结果进行推广，采用重力梯度计模型完成了导航系统的仿真，得到了很好的结果。这种方法的主要缺陷在于梯度计的体积、本钱及复杂度，而且梯度计必须安装在惯性空间稳定而且隔振的平台上。地球物理导航也可采用测量深度的方法[10]。文[31-32]基于计算机视觉的匹配技术将传感器采集到的数据曲线与先验测绘图进行匹配，从而实现了地球物理导航。文[33]研究了等深线图。文[34]基于轮廓相交方法，采用多个地球物理参数的测绘图，研究了地球物理导航方法。文[35]采用多波束声纳以不同的角度测量深度，从而可以给出海底精确的轮廓，通过将这些轮廓与实际海区先验等深线测绘图进行匹配，成功地实现了水下航行器基于等深线的导航方法。以上这些方法的可靠性取决于先验测绘图的精度。在实际工程应用中，要得到水下航行器所在工作区域最新的、高质量的测绘图，是非常困难的，这就鼓励科研工作者研究在没有先验测绘图的前提下如何同时进行测绘和定位〔ConcurrentMappingandLocation，简称CML〕的问题。所谓CML问题，类似于日常生活中的“鸡与蛋”的问题：要对水下航行器周围的环境进行测绘，就必须要知道水下航行器目前所在的位置。反之，要确定水下航行器目前所在的位置，就必须知道当前周围环境的位置。同时进行测绘和定位的目的是为水下航行器建立一张环境的测绘图，并用这张图进行实时导航。文[36]在同时进行测绘和定位方面进行了开创性的工作，提出了一种叫做随机映射〔stochasticmap〕的技术。随机映射是由一个估计航行器和特征位置的状态向量和一个协相关矩阵组成。当航行器在它的环境周围航行的同时，获取环境特征参数，并用推广卡尔曼滤波器对随机映射进行更新。文[37-39]采用陆地机器人成功地实现了随机映射技术，但在水下航行器上，据我所知还没有实现。随机映射在工程应用中遇到的主要问题，一是由于非线性变换的存在，使得推广卡尔曼滤波器存在发散的现象；二是随着特征数目的出现，技术实现的难度增长很快。文[40]从理论上研究随机映射方面存在的缺陷。然而，要在水下航行器上实现随机映射方法还有许多关键的技术问题需要解决。为了克服随机映射方法的缺陷，由MIT提出一种同时进行测绘和定位的新方法[41]，即“多假设同时测绘与定位方法”。多假设同时测绘与定位方法提供一种在考虑了导航误差、传感器噪声、数据相关不确定性、传感器模型后能同时进行测绘和导航的一种通用框架的能力。多假设同时测绘与定位方法是对多假设跟踪在考虑了航行器位置不确定性后的一种推广，也是对随机映射方法在考虑了相关不确定性和模型不确定后的一种推广。MIT正在采用由美国海军的高分辨声纳所采集的数据对这种新的方法进行研究，目前尚有许多关键的技术问题需要解决。由于CML方法所具有的独特优点，CML方法正处于一个蓬勃开展的阶段[42-46]。世界上许多兴旺国家正在致力于CML方法的研究，它的研究成果不仅适用于水下航行器，而且也非常适用于陆地自动导引机器人的引用，并必将给未来的导航与定位技术带来一场革命。§7.3各种水下助航方法(舰船导航，2001，6)磁导航地磁的方向和量值均可用于导航。磁罗经就是利用地球磁场的方向来指示磁北向的。测量地磁场的量值时可以利用等磁力线来得到位置线。但由于磁场强度与地理位置和高度有关，它随时间缓慢变化，且易受磁暴露的干扰，于是创造了利用人造磁体进行导航的方法。1992年国际防御评论报道：美国为水下运载体研制了一种磁定位系统，这种水下无人运载体装有惯性导航系统、计算机、高度计和模数转换装置。在导航区布置一些磁标，UUV上装有一个三轴磁敏感器。用三轴磁敏感器测量相对于磁标的位置，就可以确定UUV的位置。1994年美国创造一项水下运载体磁标定位系统专利，用于定位和重调。它与上述原理类似，在运载体上装有惯性导航系统，可确定相对于地球固连坐标系的位置和角方位。在探测区至少部署一个磁标，磁标相对于地球固连坐标系的位置和磁标的磁矩大小存储在计算机中。运载体上装有三轴矢量磁力计，其中磁敏感器相互垂直安装。当运载体导航系统需要位置重调时，运载体上的三轴矢量磁力计探测磁标在运载体坐标系XYZ轴上的磁感应分量，进行计算，从而提供运载体相对于磁标位置的估计值，然后将该相对位置转换到地球坐标系中的位置。将该位置与惯性导航系统的位置进行比拟，可以提供要求的位置重调。重力导航无源重力导航时一种利用用力敏感仪表进行测量实现的图形跟踪导航技术。实现做好重力分布图，图中的各路线都有特殊的重力分布。重力分布图存贮在导航系统中，再利用重力敏感仪器测量重力场特性来搜索期望的路线。通过人工神经网络和统计特性曲线识别法使运载体确认、跟踪或横过路线，到达某个目的点。这种方法由于不进行辐射，不使用外部坐标，所以称为无源重力导航。无源重力导航具有精度高、不受时间限制、无需伸出水面的特点，可最终解决潜艇的导航隐蔽性问题。但是无源重力导航适用于地理特征变化比拟大的区域，因此常作为惯性导航的辅助手段。1.重力敏感器重力敏感器提供的数据可用于无源导航和地形测量。重力敏感器包括重力梯度仪和重力仪。重力仪测量重力异常或重力矢量的大小相对标准地球模型的偏差。重力梯度仪测量重力梯度即重力再三维上的变化率。2.重力敏感系统重力敏感系统GSS最初是为了补偿垂线偏差而使用的，最近成功地用于无源导航和地形测量中。80年代中期用的GSS是由一个重力仪和三个重力梯度仪组成的，装在由陀螺稳定的当地水平的隔振平台上。重力仪是一个高精度、垂直安装的加速度计，重力梯度仪由安装在同一转轮上的四个加速度计组成。重力梯度仪的输出是两组正交的梯度分量，它们在与旋转轮垂直的平面内。这样以正交方式安装的三个重力梯度仪可提供六组实际重力梯度场分量。3.加速度计重力梯度仪也可直接用加速度计进行重力异常的测量。美国已经用振梁式加速度计VBA和电磁加速度计(EMA)成功地对重