简氏分析自主潜航器水下导航挑战及方案

本文由“国防科技要闻”（ID：CDSTIC）授权转载，作者：中国国防科技信息中心  王璐菲

当前，各国都在研发能携带多种有效载荷或运送潜水员执行一系列任务的自主潜航器，同时用于指导潜航器编组行动的作战概念也已制定出来。其最大的特点是具有越来越大的自主性，这可拓展作战范围、减少人员伤害、减轻人员工作量等。因此，自主潜航器具备能在各种海况下自主和精确导航的能力显得尤为重要。

▲无人系统的组合使用具有提升作战效能的潜力

无人潜航器面临的主要导航挑战在于，水下缺乏电磁传播条件，因而没有GPS信号，也无法进行远距离的高带宽无线电通信。此外，没有全面超精确的海底地图、海底环境动态变化等原因，也让当前使用的所有导航技术无法发挥作用。

①让平台在航行过程中定期浮出水面，重新进行GPS定位，然后修正航向，下潜继续执行任务。这一方案的缺点在于无法秘密行动，并且需要潜航器频繁离开作战空间。

②使用多普勒测速仪（DVL），利用发射的声波与接收的水底反射波之间的多普勒频移，测量舰船相对于水底的航速和累计航程。这种方案在自主潜航器靠近海底运行时最为有效。

▲Hydroid公司REMUS 100潜航器采用300 kHz多普勒测速仪（DVL），可在距离海底250米的高度进行操作

③磁罗盘也是广泛使用的导航辅助工具，其成本相对较低，并且能提供某种航向基准。然而，海底磁性等潜在影响导致其精确性欠缺。

④加装惯性导航系统（INS），该系统通常与多普勒测速仪及其他信息结合使用，生成更精确的导航能力。惯性导航系统包括环形激光陀螺系统及光纤陀螺系统，目前关注提高精度、降低尺寸、重量和功率（SWaP）。不过，目前大部分惯性导航系统是为飞机、导弹等平台，没有为自主潜航器进行优化。环形激光陀螺系统容易抖动，因而会产生噪音，泄露潜航器的行动；光纤陀螺系统虽然没有噪音，但在同等尺寸下，其性能表现不如环形激光陀螺系统。基于微电机系统（MEMS）的惯性导航系统可能是潜在的改进选项，既能显著减小SWaP，又能降低成本，但过去15年来，MEMS技术发展缓慢，目前的MEMS惯性导航系统需要GPS辅助，用于无人潜航器平台，则性能和精确性均不如环形激光陀螺系统及光纤陀螺系统。

▲波音公司“回声旅行者”大型无人潜航器可容纳更多的导航系统

①地形相对导航。可用于在拥有详细海底地图及其他相关地形信息的情况。美海军研究局正在开发“基于海床特征地貌的导航”（FBN），即通过声纳、摄像机等感知水下地标，然后基于这些水下地标进行导航。

②声学导航系统。该系统可以提供高度精确的导航，但要依靠一部应答器为自主潜航器导向，因此最好在操作人员对所处工作范围拥有一定程度控制力的环境下使用。将应答器放置在海底和基础设施上，能让航行器严格按照预先设定的路线航行，并为其提供精确的定位信息，适用于执行巡逻任务等。

③同步定位和制图。该方案通过潜航器所搭载有效载荷收集到的数据构建地图，然后利用该地图作为导航工具。使用合成孔径声纳数据可以提高该方案的保真度，并能在大体上充当一种导航信息，不过功耗很大。

④使用可以广域部署的多个较小系统代替以较高速度航行的单一较大潜航器。通过使用多个较小系统可以降低对高功率电池及大尺寸潜航器的要求。这些较小系统组成的任务团队中，包括一部可以浮至水面接收GPS数据、然后将数据传输给团队其他成员的航行器，另外只需一部航行器安装惯性导航系统，然后通过数据传输和共享，即可实现团队协同完成任务。

⑤基于视觉的导航。先进摄像头与高性能计算相结合，可以给水下环境带来巨大的影响。