水聲定位導航技術的發(fā)展與展望

孫大軍 鄭翠娥 張居成 韓云峰 崔宏宇

1 哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室 哈爾濱 150001

2 中華人民共和國工業(yè)和信息化部 海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室（哈爾濱工程大學）哈爾濱 150001

3 哈爾濱工程大學 水聲工程學院 哈爾濱 150001

水聲定位導航技術是一種以基線的方式激勵，通過測量聲波傳播的時間、相位、頻率等信息實現定位與導航的技術。由于聲波是迄今為止人類發(fā)現的水下唯一有效的信息載體，水聲定位技術是目前水下目標定位與跟蹤的主要手段。

根據定位系統(tǒng)基線長度以及工作模式的差別，一般將其劃分為長基線系統(tǒng)、短基線系統(tǒng)、超短基線系統(tǒng)及綜合定位系統(tǒng)[1-3]（表1）。① 長基線定位系統(tǒng)由預先布設的參考聲信標陣列和測距儀組成，通過距離交匯解算目標位置。長基線需要事先測陣，作業(yè)成本高，主要應用于局部區(qū)域高精度定位。② 超短基線定位系統(tǒng)則是由多元聲基陣與聲信標組成，通過測量距離和方位定位。其優(yōu)點為尺寸小、使用方便；缺點是定位誤差與距離相關，僅適用于大范圍作業(yè)區(qū)域跟蹤。③ 短基線定位系統(tǒng)由裝載在載體上的多個接收換能器和聲信標組成，通過距離交匯獲得目標位置。短基線作業(yè)簡便，但其精度易受到載體形變等因素影響。④ 綜合定位系統(tǒng)融合了超短基線及長基線定位，兼顧了超短基線作業(yè)的簡便性和長基線的定位精度。

水聲定位自 20 世紀 50 年代末正式登上歷史舞臺，已經經歷了近 60 年的發(fā)展，至今產生出多種基于聲學方式的定位原理與定位系統(tǒng)。尤其進入 21 世紀以來，隨著對水聲物理、水聲信號處理技術研究的突破創(chuàng)新，水聲定位系統(tǒng)的各種相關技術愈發(fā)成熟。國外已有 Sonardyne、IxSea、Kongsberg 等多家公司推出了多套高性能的商用乃至軍用水聲定位系列產品，標志著水聲定位技術進入了相對快速的發(fā)展時期。雖然國內對水聲定位研究起步較晚，但近年來在市場需求和政策引領之下，我國水聲定位導航技術也進入了快速發(fā)展期。

1 國外技術發(fā)展現狀

國外對水聲定位系統(tǒng)的研究起步較早。相對于其他定位系統(tǒng)而言，國內外對長基線定位系統(tǒng)的研究均起步較早：1958 年美國華盛頓大學的應用物理實驗室為美國海軍建成了首個長基線水下武器靶場；20 世紀 70 年代末—80 年代初，美國華盛頓大學應用物理實驗室再次為原位熱傳導實驗研制了一種便攜式的長基線定位系統(tǒng)，定位精度可達 10 m，可以實現對在水深 6 000 m，面積 150 km2內的水面（水中）目標進行定位跟蹤[4]。1963 年出現了第一套短基線水聲定位系統(tǒng)。超短基線定位系統(tǒng)出現的相對較晚，國外有關超短基線定位系統(tǒng)的報道最早見于 20 世紀 80 年代初。經過近 40 年的發(fā)展，現在已有多家公司推出了成熟的超短基線定位產品。目前國外從事水聲定位導航技術及相關聲吶設備生產的國際領先國家與機構如表 2。

隨著電子信息及海洋技術等技術的發(fā)展，各種水聲定位系統(tǒng)不再局限于軍事上的應用，更加廣泛地應用于民品。經過幾十年的發(fā)展，發(fā)達國家的水聲定位設備生產廠商已經開始推出系列化的水聲定位導航貨架產品，由最初的窄帶定位模式的超短基線定位系統(tǒng)、長基線定位開始[5]，根據海洋調查、海洋工程要求的不斷提高，逐步由單定位模式向綜合定位模式融合轉變，由聲學定位轉向聲學定位集成慣性導航定位，信號體制由窄帶轉向寬帶，由少量用戶作業(yè)到區(qū)域內密集目標作業(yè)，由單一定位功能轉向多功能集成，定位精度則由最初的幾十米級向米級轉變[2]。少數幾家公司的產品占據了全球絕大部分的市場。

表1 常規(guī)水聲定位導航系統(tǒng)分類

表2 水聲定位導航技術領先國家與機構

2 我國技術發(fā)展歷程及應用情況

2.1 我國水聲定位導航技術起源

與國外相同的是，我國水聲定位導航技術研究亦起步于長基線定位系統(tǒng)，20 世紀 70 年代末，由楊士莪院士牽頭完成的“洲際導彈落點測量長基線水聲定位系統(tǒng)”為我國第一顆洲際導彈試驗的準確落點提供了可靠的科學依據，就此拉開了我國水聲導航定位技術發(fā)展的序幕①楊士莪，百度百科（https：//baike.baidu.com/item/%E6%9D%A8%E5%A3%AB%E8%8E%AA）。。此后哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所、東南大學、廈門大學、國家海洋局海洋技術研究所、中船重工第七一五研究所等多家單位在聲學定位技術領域都進行過廣泛研究[2,5]。

我國早期的水聲定位技術主要以軍事需求為主，如東南大學研制的 YTM 魚雷彈道測量系統(tǒng)[6]、哈爾濱工程大學的“滅雷具配套水聲跟蹤定位裝置”[7]等。自“十五”計劃以來，隨著國家在海洋科學、海洋工程等海洋領域的投入增加，水聲定位導航的非軍需求急劇增加。

2.2 深海高精度定位技術從零到“同船競爭”

20 00 年，為了執(zhí)行我國國際海域礦產勘探合同，

“大洋一號”科學考察船引進了國際上首套 6 000 m 深水超短基線定位系統(tǒng) POSIDONIA 6000。同年，科技部“863”計劃海洋技術領域同步布局了“長程超短基線定位系統(tǒng)研制”項目跟蹤該技術。該項目于 2006 年 5 月在南海進行了深海定位試驗驗證，作用距離達到 8 600 m，定位精度優(yōu)于 0.3% 斜距②哈工程長程超短基線定位系統(tǒng)項目填補國內空白（http：//www.sxgfgb.gov.vn/MessageShow.asp?msgID=4919&pageID=1）。，超出預定要求。同時期，科技部布局的“水下 DGPS 高精度定位系統(tǒng)”研制成功，并在浙江省千島湖進行了試驗。試驗結果表明，對于水深 45 m 左右的水域，動態(tài)定位精度小于 2 m，水下授時精度為 0.2 ms，且測量誤差不隨時間累積[8,9]。以上技術的發(fā)展填補我國在該領域的空白。

在 POSIDONIA 6000 超短基線定位系統(tǒng)在“大洋一號”船服役期間，存在技術封鎖、費用高、設備維修困難等缺點，影響了超短基線定位系統(tǒng)在海洋資源勘測中的使用效果。基于核心技術不能受制于人以及給國產裝備以應用機會的考慮，邁出推進國產水聲定位導航裝備實質性應用的第一步，在科技部和中國大洋協(xié)會的支持下，完全自主知識產權的深海高精度超短基線定位系統(tǒng)分別于 2012 年和 2013 年裝備于“科學”號和“大洋一號”科考船，開始了與國外先進技術的“同船競爭”時期。隨后，國產深海高精度超短基線定位系統(tǒng)陸續(xù)裝備于“向陽紅 09”科考船、“探索一號”科考船及某新型水面艦船。

在“同船競爭”期間，國產深海高精度超短基線定位系統(tǒng)交出了優(yōu)異的成績單，為我國 7 000 m 載人潛水器“蛟龍”號、深海纜控潛水器（ROV）“發(fā)現”號和深海水下聲學拖體等多種水下潛器提供了水下精確定位服務，工作穩(wěn)定性、數據質量有效性均優(yōu)于同船國外設備。

2.3 高精度水聲綜合定位技術從“跟跑”到局部領先

面向我國海底礦產資源精細調查、勘探、開采的作業(yè)需求，緊密結合 7 000 m 載人潛水器“蛟龍”號、“潛龍 1 號”水下無人機器人（AUV）、深?？臻g站等重大海洋裝備與工程的亞米級定位需求，依托“科學”號科考船，科技部于“十二五”安排了“深水高精度水下綜合定位系統(tǒng)研制”項目，發(fā)展相關的技術和設備，形成了一套具有自主知識產權水下綜合定位系統(tǒng)樣機，可以在 7 000 m 海深內提供高精度定位服務。

該樣機于 2015 年起服役于“科學”號科考船，同年 5 月至 7 月參加了“2015 馬努斯熱液-南海冷泉航次”，圓滿完成了水下綜合定位系統(tǒng)的海上驗收，并為該航次的海底地形地貌測量、冷泉熱液噴口發(fā)現等工作提供了水下優(yōu)質可靠的定位信息。此次海試首次實現了深海超短基線和長基線有機結合的綜合定位跟蹤模式，在單周期內同步保障了水下平臺的高精度導航和水面對水下平臺的跟蹤監(jiān)視，定位精度優(yōu)于 0.5 m，并實現了國內首次成功完成復雜海山地形下精準可靠長基線作業(yè)，獲取了我國首個亞米級冷泉熱液地形地貌圖。

在深海高精度水聲綜合定位系統(tǒng)引導下，我國“深海勇士”號載人潛水器 2017 年 9 月 29 日在南海 3 500 m 深處僅 10 min 就快速找到預定的海底目標，實現了“大海撈針”，這標志著我國深海高精度水聲定位裝備與技術達到國際領先水平。深海定位精度首次達到 0.3 m、定位有效率超過 90%，綜合技術水平進入世界領先行列。成功支撐了剛剛結束的我國“深海勇士”號載人深潛首航試驗和我國最先進科考船“科學號”南海綜合調查科學考察 2 次任務，為我國開展萬米深淵“馬里亞納海溝”科學探索等深海實踐，奠定了堅實的技術與裝備基礎③2017年度“中國高等學校十大科技進展”項目評選揭曉（http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/201712/t20171226_322489.html）。。

面向我國重大發(fā)展戰(zhàn)略需求的水聲定位導航技術（圖 1），其主要需求特征體現在“深、遠、精、多”，即“深海底、遠距離、精度高、多用戶”。經過“十五”至“十二五”3 個五年計劃的實施，我國的深海實踐已經從 4 500 m 步進至 7 000 m，目前 11 000 m 的深淵科學與技術正在如火如荼展開；作用距離由已達的 8 000 m 正在向 12 000 m 邁進；定位精度從幾十米量級以進步至優(yōu)于 0.5 m，新的需求將精度要求提至 10 cm；而可接入的目標數也從單目標定位到滿足水下多作業(yè)平臺的集群定位。我國水聲定位導航技術已基本完成了“跟跑”，進入“并跑”的初級階段，其中萬米級高精度定位導航處于領跑階段。

2.4 我國水聲定位導航產業(yè)興起

經過 20 年的努力，我國水聲定位導航技術逐步縮小了與發(fā)達國家的差距，培養(yǎng)了國內用戶對國產設備的信心，逐步由只使用國外設備轉向更青睞于國內技術，并為我國水聲定位導航產業(yè)的快速發(fā)展奠定了技術基礎。近幾年來，得益于國家政策引導和市場需求，水聲定位導航行業(yè)涌現出一大批技術研發(fā)、生產及服務的廠家，如江蘇中海達海洋信息技術有限公司、嘉興易聲電子科技有限公司、青島明深信息技術有限公司、中國科學院聲學研究所嘉興工程中心、杭州瑞利科技有限公司、青島海研電子有限公司、海聲科技等。與國外的廠商相比，國內技術提供方能夠根據用戶需求進行定制，并且快速響應，而且在后期的設備維護適用和技術支持上更具優(yōu)勢。

圖1 水聲定位導航技術發(fā)展歷程

江蘇中海達海洋信息技術有限公司自 2014 年以來逐步推出了 iTrack 系列的超短基線、長基線等水聲定位產品④http：//www.hi-marine.com.cn/a/pd/self/column5/2014/0822/66.html.，其中 iTrack UB 1000 系統(tǒng)于 2015 年 3 月在長江上海段為中船勘察設計研究院有限公司的水下鋪排施工檢測項目提供了高精度排體定位服務。作業(yè)過程分兩個階段：第一階段為鋪排作業(yè)，采用超短基線定位對排體位置進行實時跟蹤，指導施工；第二階段為排布鋪設結束后的排體位置后調查，采用長基線定位模式對排體在水下的最終位置進行高精度定位檢測，定位精度達到 0.5 m 以內。

嘉興易聲電子科技有限公司以研發(fā)聲學導航定位聲吶及海洋環(huán)境測量聲吶為主⑤http：//esonar.com.cn/.，為海軍研究院定制開發(fā)的 eLBL 型長基線定位系統(tǒng)，主要為水下 KCJ 試驗實現水下目標精確定位，為試驗組織指揮提供輔助決策，為試驗結果分析、評定提供依據。2017 年 7 月在莫干山水庫完成系統(tǒng)湖試驗證，系統(tǒng)定位精度達到 0.3 m以內。2017 年 9 月—2018 年 5 月，在崇明長江口完成了多達 50 次的水下目標定位服務。在多次的定位試驗過程中，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，成功為試驗組織提供精確而可靠的定位數據。

青島明深信息技術有限公司已完成哈爾濱工程大學水聲定位導航技術的成果轉化，在裝船樣機基礎上，形成了系列化水聲定位導航聲吶貨架產品⑥http：//www.deep-trans.com.。產品之深海高精度水聲綜合定位系統(tǒng)集超短基線、長基線于一體，為水下潛器提供高精度定位服務，定位精度優(yōu)于 1 m、最大工作距離 8 000 m、作業(yè)深度 7 000 m，于 2017 年 9 月為中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質能量交換及其影響”南海綜合考查航次提供高精度定位保障，作業(yè)區(qū)域深度 1 200 m，動態(tài)定位精度優(yōu)于 0.5 m，定位有效率高、可靠性好，保障了調查任務的順利實施。

3 面向新時期我國水聲定位導航的研究前沿

3.1 走向更深更遠的全海深水聲定位導航技術

近年來，深淵科學正成為海洋科學中蘊含重大突破的最新前沿領域，深淵探測裝備技術亦成為國際海洋科技競爭的焦點[10]。“十三五”期間，科技部部署了國家重點研發(fā)計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項“全海深潛水器研制及關鍵技術攻關”項目群，其中就包括“全海深潛水器聲學技術研究與裝備研制”項目，以開展全海深潛水器聲學設備研制，解決全海深潛水器定位及聲學通信技術，支撐“十三五”重點研發(fā)計劃中全海深載人潛水器和無人潛水器的研制。全海深水水聲定位技術難在深，難在遠，其工作深度不小于 11 000 m，最大作用距離超過 12 000 m，對高耐壓換能器設計、弱信號檢測技術、高精度陣列誤差補償及高精度長信號累計方位估計等關鍵技術提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

3.2 面向水下無人航行器集群作業(yè)“互聯(lián)、互通、互操作”的水下動態(tài)網絡定位

近年來，隨著水下無人航行器技術及水聲通信技術的發(fā)展，水下無人航行器集群作業(yè)在海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源開發(fā)與利用及海洋國防安全等領域呈現出重要潛在應用價值[11]。而水下無人航行器間的“互聯(lián)、互通、互操作”能力是多平臺協(xié)同作業(yè)的基礎?？焖倬_水聲動態(tài)網絡定位和可靠水聲通信是“互聯(lián)、互通、互操作”的核心。面對這一由海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源開發(fā)和海洋權益維護對水下傳感器網絡定位及通信提出的重大需求，國家自然基金委于 2014 年和 2015 年連續(xù) 2 年建立重點項目群“分布式水聲網絡定位與探測基礎研究”和“面向移動節(jié)點的水聲傳感器網絡基礎研究”來開展相關基礎科學問題研究。受水下傳感器網絡帶寬有限、能量有限、信道條件差、聲速慢等因素制約，目前還缺乏適應快速、精確、大范圍需求的定位方法，有效的評價機制，以及定位協(xié)議等。

此外，在弱聯(lián)通條件下，聲學/慣性一體化導航定位是新的技術增長點。慣性導航技術能夠連續(xù)地輸出姿態(tài)、速度、位置等信息，具有短時精度保障能力，但其誤差會隨時間發(fā)散；水聲定位技術能夠獲得無累積誤差的位置信息，但是受海洋聲傳播特性的影響，存在數據更新慢、容易受多途及突發(fā)性噪聲干擾出現無效數據的缺點。水聲/慣性一體化導航定位則能夠兼得兩者的優(yōu)點，可有效抑制導航系統(tǒng)位置誤差的發(fā)散，適合于水下高精度長航時導航定位。但與其他組合導航模式相比，受復雜海洋環(huán)境的影響，水聲定位導航的觀測數據存在著高延遲、低數據率、低有效性等特點，使得水聲/慣性一體化定位導航技術目前還剛剛處于起步階段。

目前水下無人潛水器集群定位還處于初級階段，以理論研究為主，實踐較少，亦缺乏驗證平臺，需建立完善的水下動態(tài)網絡定位通信技術體系，為未來我國水下無人航行器集群作業(yè)“互聯(lián)、互通、互操作”奠定理論與技術基礎。

3.3 建設海底大地測量基準，支持中國國家綜合PNT體系建設

楊元喜院士指出，“未來我國要構建無處不在的定位導航授時服務體系，從深空到海底無處不在的 PNT 服務，要構建這樣的體系。未來的發(fā)展要將構建全球統(tǒng)一的、高精度、高密度坐標框架，包括海島礁和海底框架點，便于大數據的研究與應用”[12]。海洋大地測量基準是海洋環(huán)境信息的基本參考框架，是謀劃、決策、規(guī)劃和實施一切國家海洋戰(zhàn)略的重要基礎[13]。相較于較為完善的陸基大地基準，我國高精度海底基準控制點建設尚處于空白，與國際先進水平存在較大差距。

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)總設計師楊長風指出，按需發(fā)展水下導航系統(tǒng)是中國國家綜合 PNT（定位、導航、授時）體系建設重點五大基礎設施之一，到 2035 年完成水下的 PNT 技術試驗應用，完成以“北斗”為核心、基準統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合 PNT 體系建設，提供體系化的 PNT 服務⑦北斗總師：2035年完成下一代北斗系統(tǒng)星座組網（http：//www.chinanews.com/gn/2018/05-27/8523949.shtml）。。海底大地測量基準是綜合 PNT 體系的重點與難點，需要重點解決海洋大地測量基準建立、海洋垂直基準實現與三維基準傳遞、水下基準建設、海洋及水下無縫導航與位置服務等技術瓶頸問題[14]。

為配合建設以“北斗”為核心的國家綜合 PNT 體系，建立覆蓋我國海洋和我國利益訴求海域的長期布放于海底大地測量基準是其重要的戰(zhàn)略保障。本著從無到有，從有到精，由點及線，由近及遠，由淺到深的循序漸見發(fā)展思路，海底大地測量網的研究與建設必將像“北斗”衛(wèi)星定位系統(tǒng)影響一樣，并將為海洋領域科學技術與產業(yè)的發(fā)展帶來新的活力。

4 結語

水聲定位導航技術貫穿于幾乎全部海洋科學及海洋工程活動，我國雖較國外起步晚，但經過十幾年的努力，相關技術獲得了長足的進步，已經逐步由“跟跑”進入“并跑”的初級階段?！笆濉逼陂g我國的水聲定位導航技術還處于前期關鍵技術與樣機研制與驗證階段，雖然已經開始出現由國際產品轉向國內技術尋求幫助，但市場總體對國產儀器的信心不足，因而主要研究模式是高等院校與科研院所以項目方式進行，市場刺激不夠，研發(fā)周期較長，成果轉化較慢。而隨著國產技術在“十二五”期間的“同船競爭”的優(yōu)異成績和“海洋強國”國策的推進，前期的科研成果在“十三五”期間開始間快速轉化，并通過引入慣性導航、大地測繪等學科交叉融合不斷地拓展內涵。

最后，雖然目前我國水聲定位導航技術產業(yè)化進程已進入快速發(fā)展期，但仍缺少成熟度更高、操作更人性化的水聲定位產品，尚無法改變國內市場被國外生產廠商大幅占據的現實。只有通過加快產業(yè)化，降低成本，同時提升設備性能與穩(wěn)定度，加強技術服務，才能從根本改變現狀。