海洋中蘊含著大量的礦產(chǎn)資源、海水化學(xué)資源、海洋生物資源、海洋能和海洋空間資源。隨著陸地能源緊張與人口激增這一矛盾的日益突出, 海洋探索與開發(fā)成為國際各領(lǐng)域炙手可熱的研究方向, 也是未來發(fā)展的必然趨勢[1]。我國也將海洋開發(fā)和海洋安全提升到了前所未有的高度, 并提出了海洋強國等戰(zhàn)略。對海洋的探索和開發(fā)離不開先進海洋科學(xué)技術(shù)的支撐。水下機器人是探索和開發(fā)海洋的重要運載平臺之一, 亦是建設(shè)海洋強國、捍衛(wèi)國家安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的國之重器。相比于有纜控制的水下機器人, 自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)不需要母船支持, 具有更廣闊的應(yīng)用前景。AUV綜合了水聲通信、智能控制、能量存儲、多傳感器測量與信息融合等先進技術(shù), 以其自主性好、靈活性強、體積小、質(zhì)量輕、活動范圍廣及隱蔽性好等優(yōu)點, 在海洋探索與開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。
水下導(dǎo)航技術(shù)為AUV提供準(zhǔn)確的位置、速度和姿態(tài)信息, 是決定AUV能否準(zhǔn)確抵達預(yù)定地點, 順利完成任務(wù)并安全返回的關(guān)鍵。與陸地或空中運載體的導(dǎo)航系統(tǒng)不同, 受水介質(zhì)對無線電波的強烈吸收效應(yīng)的影響, 以衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)無法在水下使用。因此, 合理配備水下導(dǎo)航設(shè)備及靈活應(yīng)用各類水下導(dǎo)航技術(shù)是實現(xiàn)AUV自主導(dǎo)航的關(guān)鍵。常見的水下導(dǎo)航技術(shù)主要包括捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)、水下聲學(xué)定位與導(dǎo)航技術(shù)、地球物理導(dǎo)航技術(shù)及水下協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)4大類。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(strap-down iner- tial navigation system, SINS)以其自主性、連續(xù)性、隱蔽性等特點, 常作為AUV的主導(dǎo)航系統(tǒng), 但其誤差隨時間累積。水下聲學(xué)測速與定位技術(shù)又可分為多普勒速度計程儀(Doppler velocity log, DVL)與水聲定位系統(tǒng)2類。DVL是基于聲吶多普勒效應(yīng)的測速設(shè)備, 測得載體相對于海底或海水層的速度, 能提供較高精度的載體速度信息, 且其誤差不隨時間積累, 但容易出現(xiàn)對地失鎖現(xiàn)象。水聲定位系統(tǒng)按照水聲基陣的基線長度分類可分為長基線(long base line, LBL)、短基線(short base line, SBL)和超短基線(ultra-Short base line, USBL)3種, 可為AUV提供位置信息。這3種基線系統(tǒng)的布放及回收復(fù)雜度、體積尺寸、定位精度等各不相同, 比如LBL水聲基陣布放、回收工作繁瑣, SBL和USBL的作用范圍和精度均有限。地球物理導(dǎo)航系統(tǒng)是利用地球本身物理特征進行導(dǎo)航的技術(shù), 以地形匹配、地磁匹配和重力匹配3類為主, 具有自主性強、隱蔽性好、不受地域和時間限制等特點, 但需要提前采集、建立相應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫。協(xié)同導(dǎo)航通過獲得輔助信標(biāo)的相對距離或方位信息, 然后根據(jù)AUV自身位置信息與相對距離或方位信息進行協(xié)同導(dǎo)航, 可獲得更高的導(dǎo)航定位精度。合理配備上述導(dǎo)航技術(shù), 并對不同導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信息進行有效融合, 進而獲得比單一導(dǎo)航系統(tǒng)精度更高、可靠性更強的導(dǎo)航方案是AUV水下導(dǎo)航的核心問題。
文中回顧了現(xiàn)有主流的AUV水下導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù), 包括DVL測速技術(shù)、LBL/SBL/USBL水聲定位導(dǎo)航技術(shù)、地形輔助導(dǎo)航技術(shù)、地磁輔助導(dǎo)航技術(shù)、重力輔助導(dǎo)航技術(shù)及協(xié)同導(dǎo)航技術(shù), 介紹了相關(guān)導(dǎo)航技術(shù)的基本原理及發(fā)展?fàn)顩r, 分析并歸納了各技術(shù)在水下自主導(dǎo)航中存在的關(guān)鍵問題和技術(shù)難點, 最后對AUV水下導(dǎo)航技術(shù)的未來發(fā)展方向進行了展望。

1基于SINS/聲學(xué)的AUV自主導(dǎo)航
1.1 基于SINS/DVL的AUV自主導(dǎo)航技術(shù) 
DVL是基于聲吶多普勒效應(yīng)的測速設(shè)備, 能提供較高精度的載體速度信息, 且其誤差不隨時間積累, 抗干擾能力強。因此在AUV自主導(dǎo)航中, DVL可作為抑制SINS積累誤差的重要輔助手段。DVL測速的配置分為3種: 單波束配置、雙波束Janus配置和四波束Janus配置, 其配置的測速原理。
1.2 基于SINS/水聲定位的AUV自主導(dǎo)航技術(shù)
相對于電磁波而言, 聲波在海水中傳播的衰減效應(yīng)要小的多。因此, 水聲定位技術(shù)在AUV自主導(dǎo)航中扮演著重要的角色。水聲定位系統(tǒng)按基線長度分類可分為LBL、SBL和USBL 3種。LBL的基線長度可與海深相比擬, 基陣由多個分布于海床上的應(yīng)答器組成, 定位精度高, 適合在大面積作業(yè)區(qū)域內(nèi)使用; 但其數(shù)據(jù)更新率較低, 應(yīng)答器的布放、校準(zhǔn)以及回收、維護都異常繁瑣, 作業(yè)成本高[36]。SBL的基線長度一般為幾米到幾十米之間, 各基元分布在船底或船舷上。受基線長度限制, SBL的精度介于LBL和USBL之間, 且其跟蹤范圍較小, 更適合于在母船附近的AUV導(dǎo)航定位。USBL的基陣可以集成于一個緊湊的整體單元內(nèi), 基線長度為分米級或小于等于半波長, 其體積尺寸最小, 可方便地安置于流噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲均較弱的某個有利位置, 且布放、回收極為便捷, 因此, USBL受到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。但USBL的精度低于LBL和SBL, 且定位精度非常依賴于深度傳感器、姿態(tài)傳感器等外圍設(shè)備, 如何提高USBL的定位精度成為該領(lǐng)域研究的熱點問題。

2地球物理場導(dǎo)航技術(shù)

2.1 地形輔助導(dǎo)航
地形輔助導(dǎo)航是一種自主性強、隱蔽性好的水下導(dǎo)航方法, 其基本原理。該方法的實現(xiàn)首先需要對任務(wù)海域的水下地形進行勘測, 并依據(jù)測繪標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建出該海域的水下三維基準(zhǔn)數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)庫[57]。在執(zhí)行任務(wù)時, 將AUV獲得的當(dāng)前海域?qū)崟r地形信息與數(shù)據(jù)庫中的基準(zhǔn)數(shù)字地形圖進行匹配運算, 從而確定出AUV的當(dāng)前位置, 并利用獲得的位置信息對SINS的誤差進行修正和補償。從理論上講, 該方法與AUV的航行時間和航行距離沒有關(guān)系, 可以保證AUV在水下長時間航行之后, 能夠準(zhǔn)確地到達任務(wù)部署水域, 并順利完成任務(wù)。 
2.2 地磁輔助導(dǎo)航
與上述地形輔助導(dǎo)航類似, 水下地磁導(dǎo)航首先需要獲取任務(wù)海域的地磁場數(shù)據(jù)并提取出磁場特征值, 繪制成參考圖存儲在導(dǎo)航計算機中。當(dāng)AUV經(jīng)過任務(wù)海域時, 根據(jù)SINS實時輸出的位置信息, 對預(yù)先存儲在導(dǎo)航計算機中的參考地磁圖進行索引, 得到當(dāng)前位置處的地磁參考值, 并通過地磁輔助導(dǎo)航算法將該地磁參考值與實際地磁場數(shù)值進行匹配得到準(zhǔn)確位置信息, 進而對SINS誤差進行實時修正。地磁輔助導(dǎo)航原理示意。

2.3 重力輔助導(dǎo)航
重力輔助導(dǎo)航是利用地球重力特征信息匹配出載體位置, 并對SINS的導(dǎo)航誤差進行修正, 從而實現(xiàn)自主導(dǎo)航的技術(shù)。它具有自主性強、隱蔽性好、不受地域和時間限制、定位精度高等特點。重力輔助導(dǎo)航目前已被廣泛應(yīng)用于水下航行器導(dǎo)航, 但是重力儀及重力梯度儀的質(zhì)量和體積都比較大, 無法滿足AUV的安裝要求。隨著重力測量設(shè)備儀器小型化的發(fā)展, 未來可以考慮在AUV上應(yīng)用重力匹配導(dǎo)航。 
3協(xié)同導(dǎo)航技術(shù) 
3.1 基本原理及研究背景
AUV通過相互通信共享信息進行協(xié)同導(dǎo)航, 可以提高AUV的水下導(dǎo)航精度[2, 108]。然而, AUV的水下協(xié)同導(dǎo)航仍然受通信帶寬、傳輸延遲、洋流、水下干擾及擴展受限等問題的挑戰(zhàn), 是當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域的研究熱點[2, 6]。AUV協(xié)同導(dǎo)航的工作示意
3.2 協(xié)同導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)
3.2.1 協(xié)同導(dǎo)航編隊構(gòu)型設(shè)計方法
3.2.2 協(xié)同導(dǎo)航濾波算法
3.2.3 協(xié)同導(dǎo)航誤差建模與補償方法

4總結(jié)和展望 
水下環(huán)境復(fù)雜多變, AUV在不同的工作環(huán)境下需要不同的組合導(dǎo)航方法。在淺海域中, SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)和SINS/USBL組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)高精度導(dǎo)航任務(wù)。在數(shù)據(jù)庫(地磁、地形、重力)范圍之內(nèi), 利用地球物理特性作為輔助導(dǎo)航的組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以通過測量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫快速匹配來在全部海域?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航定位。多AUV通過共享方位和位置等信息進行協(xié)同導(dǎo)航, 有效抑制了水下導(dǎo)航誤差發(fā)散的問題。
同樣, 面對復(fù)雜多變的水下環(huán)境, AUV在選擇不同的組合導(dǎo)航方法時也面臨了各種問題, 給科研工作帶來了巨大挑戰(zhàn)?；诼晠鹊膶?dǎo)航定位方法難免會受到水聲多徑效應(yīng)、聲速時變等因素的影響。此外, 水下洋流、潮汐等效應(yīng)會對AUV的穩(wěn)定性造成擾動, 這都會導(dǎo)致水下噪聲的時變和不確定性, 以及建模誤差較大和量測野值等現(xiàn)象。因此, 如何綜合利用多種海洋信息, 抵消或者降低海洋特殊水下環(huán)境所導(dǎo)致的影響, 將是進一步提高AUV自主導(dǎo)航定位精度的重要研究方向。
綜上可知, 未來研究方向主要有: 1) 輔助導(dǎo)航信息融合時, 改善匹配算法的快速性和準(zhǔn)確性; 2) 利用地球物理特性作為輔助導(dǎo)航時, 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方法; 3) 在保持導(dǎo)航精度的前提下, 降低導(dǎo)航成本; 4) 在軍事領(lǐng)域中, 提高AUV的隱蔽性。 
隨著處理器制造技術(shù)和制作工藝的發(fā)展, 計算能力與日俱增, 這使得AUV以慣性導(dǎo)航為主, 以DVL、水聲定位系統(tǒng)、地形輔助導(dǎo)航、地磁輔助導(dǎo)航以及重力輔助導(dǎo)航等多種導(dǎo)航手段為輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。多種組合導(dǎo)航技術(shù)和多AUV協(xié)同導(dǎo)航對比
5結(jié)束語 
縱觀當(dāng)今的國際形勢, 加快海洋強國建設(shè), 推進海洋事業(yè)的迅猛發(fā)展勢在必行, 而AUV導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展作為其中一環(huán)至關(guān)重要。文中從實際需求出發(fā), 討論了目前主流的AUV水下導(dǎo)航定位技術(shù), 包以DVL、LSL/SBL/USBL為代表的水聲測速與定位系統(tǒng); 以地形匹配、地磁匹配以及重力匹配為代表的地球物理模型導(dǎo)航系統(tǒng), 協(xié)同導(dǎo)航等多種水下導(dǎo)航定位方式。結(jié)合近年來國內(nèi)外最新的研究進展, 總結(jié)了各種導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵問題和目前存在的技術(shù)難點, 并針對性的給出相應(yīng)的解決思路?？傮w來說, 未來AUV水下導(dǎo)航與定位技術(shù)仍將以慣導(dǎo)為主、多種導(dǎo)航技術(shù)為輔, 向著智能化、全源化、高精度、強魯棒性及實時性等方向發(fā)展, 在軍事和民用領(lǐng)域都將發(fā)揮更強大的作用。