水下通信定位導(dǎo)航技術(shù)分析及一體化展望

王 鵬，潘 笑，溫 雯，李 婧，王佳奇，姚 斌

(中國艦船研究院，北京100101)

0 引 言

1 水下通信定位導(dǎo)航技術(shù)分析

隨著深海戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，走向深海、走向大洋是發(fā)展海洋事業(yè)、建設(shè)海洋強(qiáng)國的必經(jīng)之路。無論是海洋軍事方面還是深?？茖W(xué)考察等民用方面，都離不開先進(jìn)的裝備和技術(shù)的發(fā)展。在深海開發(fā)中，無法避免地要用到各種水下航行器，而在各種水下航行器工作過程中，都需要水下通信定位導(dǎo)航功能的支持。水下通信定位導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過長年的發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟，但是仍然存在各種缺陷和不足。本文針對(duì)水下通信定位導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)水下通信定位導(dǎo)航一體化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展望。

1.1 水下通信技術(shù)分析

水下聲學(xué)通信已經(jīng)進(jìn)行了至少半個(gè)世紀(jì)的研究。最早的水下通信設(shè)備之一是二戰(zhàn)后為美國海軍開發(fā)的水下電話[1]。

近些年，由于在科學(xué)、軍事和商業(yè)等方面的各種應(yīng)用，這種水下通信形式受到越來越多的關(guān)注。從軍事到海洋生物研究等方面出現(xiàn)了大量的應(yīng)用，包括潛航器水下通信、污染監(jiān)控、石油開采和水產(chǎn)養(yǎng)殖等。

電磁波，光波和聲波都已經(jīng)在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（UWSN）中得到應(yīng)用[2–3]。然而，無線電頻率會(huì)在水中受到衰減的影響（特別是在較高頻率下）[2]，因此需要更高的功率和更大的天線[4]。光波可用于實(shí)現(xiàn)超高數(shù)據(jù)速率通信，但會(huì)在水中光波會(huì)被快速散射和吸收，因此僅在短距離通信中比較可靠[2]。

相反，聲波由于具有相對(duì)較低的吸收率，因此可以通過遠(yuǎn)程鏈路進(jìn)行通信。所以，水聲通信是UWSN的首選技術(shù)[3]。文獻(xiàn)[5]討論了水下聲波通道的特性和水下通信的困難：水聲信號(hào)隨頻率增加會(huì)加劇衰減、隨時(shí)間變化會(huì)發(fā)生多徑傳播以及水聲傳播的速度較低（1500 m/s）。水聲通信與無線電通信之間的差異為UWSN開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

盡管與無線電頻率相比，水聲通信會(huì)更加復(fù)雜，但自有水下電話以來，研究人員不斷鉆研，水聲通信技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。目前，水下調(diào)制解調(diào)器的通信距離可以達(dá)到幾千米[7]。

綜合上述分析，總結(jié)出以下結(jié)論：

1）水下電磁波通信

海水的導(dǎo)電性能很強(qiáng)，因此，電磁波的射頻信號(hào)在海水中的傳播會(huì)隨著信號(hào)的頻率升高而產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減效應(yīng)，同時(shí)也導(dǎo)致了信號(hào)傳播深度不斷降低，所以在實(shí)際應(yīng)用中，如進(jìn)行遠(yuǎn)距離的水下通信，就需要不斷提高電磁波的發(fā)射功率，也就意味著發(fā)射機(jī)的前期投入十分昂貴，不能很好滿足實(shí)際需要。

2）水下可見光通信

由于海水中存在著很多雜質(zhì)，比如浮游生物等各類活性有機(jī)物以及種類繁多的無機(jī)鹽等溶質(zhì)，所以海水是不均勻的，而光信號(hào)在不均勻的介質(zhì)中傳播則會(huì)發(fā)生衰減，也就是說光信號(hào)海水中傳播會(huì)由于吸收效應(yīng)及散射效應(yīng)影響到傳播距離和質(zhì)量。此外，水下可見光通信對(duì)光學(xué)發(fā)射機(jī)與接收器的安裝方向性要求很高，在復(fù)雜多變海洋環(huán)境里面，很難保證可見光通信信道的可靠性。

3）水聲通信

水下聲波通信雖然也存在水下聲速分布不均勻、傳播速率低以及時(shí)延較大等不足，但是由于聲波信號(hào)的頻率較低，相比電磁波脈沖信號(hào)以及可見光信號(hào)，聲波信號(hào)在海水中的衰減非常小，20 kHz的聲波在水中的衰減率大概是衰減率最小的可見光（藍(lán)綠光）的1/16，因此聲波可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。在生產(chǎn)實(shí)際中，涉及到遠(yuǎn)距離的水下無線通信，一般應(yīng)用到的唯一手段就是水聲通信。

1.2 水下定位導(dǎo)航技術(shù)分析

現(xiàn)有水下定位技術(shù)主要針對(duì)的是長期在水下進(jìn)行作業(yè)的遙控?zé)o人潛水器（ROV）、自主式水下潛器（AUV）、潛艇、潛水員以及水下其他載體。本文主要針對(duì)AUV在水下的定位導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行分析。

全球定位系統(tǒng)（GPS）可以在世界的任何地方提供精確定位，但是受水介質(zhì)對(duì)無線電波的強(qiáng)烈吸收效應(yīng)的影響，在深海環(huán)境中GPS信號(hào)不能很好地進(jìn)行傳播，所以傳統(tǒng)的GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)無法應(yīng)用在AUV上面。

AUV導(dǎo)航的主要難點(diǎn)是在長期任務(wù)過程中確保AUV位置的準(zhǔn)確性。通過AUV不斷變化的運(yùn)動(dòng)，最初的準(zhǔn)確位置很快就會(huì)變得不準(zhǔn)確。雖然可以通過精確的加速度、航向和速度傳感器來減弱這種影響，但是在長時(shí)間執(zhí)行任務(wù)時(shí)，這些誤差會(huì)變得越來越明顯。影響AUV運(yùn)動(dòng)但無法精確建模的洋流以及其他水下現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致更大的誤差。

現(xiàn)有的用于AUV的導(dǎo)航方法主要分為3類[7]。

1）慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航使用陀螺儀傳感器檢測AUV的加速度，通常與可以測量相對(duì)速度的多普勒計(jì)程儀（DVL）結(jié)合使用。

2）聲學(xué)導(dǎo)航

聲學(xué)導(dǎo)航使用聲學(xué)應(yīng)答器信標(biāo)供AUV參考確定其自身定位。最常見方法是使用長基線（LBL）和超短基線（USBL）。

3）地球物理導(dǎo)航

地球物理導(dǎo)航利用AUV工作環(huán)境的物理特征來估算AUV的位置。

1.2.1 慣性導(dǎo)航

由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的加速度傳感器會(huì)產(chǎn)生誤差，尤其是在AUV遵循線性路線的情況下，僅使用INS的導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸降低定位精度。為了提高AUV長時(shí)間任務(wù)的定位精度，可以使用DVL聲吶測量與海底的相對(duì)速度來減少誤差。同樣的，聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）聲吶可以測量局部海流的相對(duì)速度。DVL聲吶的范圍有限，只能在AUV靠近海底時(shí)使用。但是，當(dāng)同時(shí)使用INS和DVL時(shí)，定位誤差仍會(huì)隨時(shí)間而積累。如果使用這種系統(tǒng)執(zhí)行長時(shí)間任務(wù)，則必須通過確定參考點(diǎn)的相對(duì)位置來消除定位誤差?？梢酝ㄟ^上浮到海面通過GPS或北斗接收機(jī)來完成，但這在深?？睖y中是無法完成的。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的不足之處展開研究，利用不同方法提高其定位導(dǎo)航的精確度。文獻(xiàn)[8]為了提高導(dǎo)航的魯棒性并避免因DVL數(shù)據(jù)失效產(chǎn)生的影響，提出了一種智能速度模型，該模型通過使用優(yōu)化剪枝極限學(xué)習(xí)機(jī)來輔助慣性導(dǎo)航。而文獻(xiàn)[9]則采用將導(dǎo)航區(qū)域進(jìn)行柵格化，將位置的估計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N概率的估計(jì)，在地磁的輔助下通過貝葉斯估計(jì)對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]利用卡爾曼濾波開發(fā)了一種多普勒輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，用于計(jì)算水下航行器的航向和位置。這種導(dǎo)航系統(tǒng)通過周期性地旋轉(zhuǎn)慣性測量單元，改進(jìn)卡爾曼濾波狀態(tài)的可觀測性，從而優(yōu)化了濾波性能。

1.2.2 聲學(xué)導(dǎo)航

水下聲學(xué)定位導(dǎo)航指的是利用海域中提前布置好的聲音信標(biāo)的定位導(dǎo)航方法。最主要的2種水聲定位導(dǎo)航方法是長基線（LBL）和超短基線（USBL），如圖1所示。LBL系統(tǒng)通常在海水中至少安裝2個(gè)信標(biāo)，這些信標(biāo)會(huì)立即返回AUV發(fā)送給它們的水聲信號(hào)。利用信標(biāo)位置，本地聲速和信號(hào)傳播時(shí)間等信息，AUV可以從每個(gè)信標(biāo)的相對(duì)位置推算出自身位置。USBL系統(tǒng)使用單個(gè)信標(biāo)，通常連接到水面艦艇上。當(dāng)前的USBL系統(tǒng)為信標(biāo)配備了INS/GPS系統(tǒng)，以減少水面船只的定位誤差[11]。2種方法都受水聲換能器范圍的限制，在深水中，單個(gè)LBL的范圍約為10 km，USBL網(wǎng)絡(luò)的范圍約為4 km。在淺水中，USBL系統(tǒng)的作用范圍會(huì)降至500m以下。2種水聲定位導(dǎo)航系統(tǒng)性能對(duì)比如表1所示。水聲信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的范圍在理論上沒有限制，但是安裝和維護(hù)的成本使這種方法在很多水域無法實(shí)現(xiàn)。

表1 水聲定位系統(tǒng)性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of underwateracoustic positioning systems

1.2.3 地球物理導(dǎo)航

地球物理導(dǎo)航系統(tǒng)使用可觀察的物理特征的相對(duì)位置來獲取AUV自身的定位?？梢酝ㄟ^向AUV提供水域的現(xiàn)有地圖，也可以通過在AUV行駛過程中構(gòu)建地圖來完成。

雖然已經(jīng)提出了使用局部磁或引力變化的技術(shù)及其操作方法[12~14]，但并沒有公布系統(tǒng)的性能。盡管有大量證據(jù)表明哺乳動(dòng)物使用了類似的系統(tǒng)[7]，但是由于現(xiàn)在并沒有合適的傳感器，所以限制了該領(lǐng)域的研究?，F(xiàn)階段利用多個(gè)傳感器和合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底火山口等地質(zhì)特征的可靠識(shí)別，但是在一般的海域這些特征很少被觀察到[15]。當(dāng)前的研究更多集中在物理特征的利用方面，這些物理特征可以通過安裝在AUV上的聲吶傳感器和光學(xué)傳感器被感知到。

圖1 水聲定位系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater acoustic positioning systems

針對(duì)各種不同的傳感器在地球物理導(dǎo)航中的使用，文獻(xiàn)[16]結(jié)合自動(dòng)圖像配準(zhǔn)技術(shù)對(duì)光學(xué)傳感器進(jìn)行了研究。配準(zhǔn)技術(shù)在水下環(huán)境中特別受關(guān)注，因?yàn)樗鼈儾恍枰馭LAM技術(shù)一樣對(duì)各個(gè)特征進(jìn)行顯式分類。文獻(xiàn)[17]介紹了一種使用利用水下攝像機(jī)的SLAM系統(tǒng)，通過使用增強(qiáng)的卡爾曼濾波器（ASKF）來自動(dòng)識(shí)別AUV航行過的海域。這個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建了水下攝像機(jī)數(shù)據(jù)的鑲嵌圖，用于識(shí)別AUV何時(shí)經(jīng)過其任務(wù)路徑。確定交點(diǎn)后，將ASKF用作估計(jì)位置的平滑濾波器。這樣，ASKF可以在AUV到達(dá)航行過的海域時(shí)糾正整個(gè)估算的任務(wù)路徑。文獻(xiàn)[18]對(duì)使用現(xiàn)有地圖進(jìn)行導(dǎo)航的粒子過濾器進(jìn)行了研究。從理論上講，粒子過濾器可以從地球物理傳感器提供對(duì)航行器的位置、航向和速度的估算，但是如果使用AUV的現(xiàn)有傳感器來提供航向和速度，則可以簡化過濾器。

1.2.4 小結(jié)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和水下聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展得比較成熟，但是兩者的性能受到成本、范圍以及AUV任務(wù)校正周期的限制。盡管可以使用昂貴的慣性和聲學(xué)系統(tǒng)來減少AUV任務(wù)過程中導(dǎo)航精度的降低，但它們的使用限制了AUV的任務(wù)范圍。而通過使用AUV任務(wù)海域的現(xiàn)有地圖，地球物理導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供較為廉價(jià)并更為準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航方法。但是，現(xiàn)有地圖的需求和特征識(shí)別的困難限制了這些方法的使用。

水下定位導(dǎo)航的挑戰(zhàn)是使用成本較低的部署，同時(shí)滿足與水下任務(wù)不能存在較大偏差的方法來減少現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)在AUV長時(shí)間任務(wù)中的導(dǎo)航精度的降低?，F(xiàn)有的水下聲學(xué)信標(biāo)系統(tǒng)作用范圍的不斷擴(kuò)大為以上問題提供了解決方案，不斷發(fā)展水下聲學(xué)定位導(dǎo)航技術(shù)將會(huì)成為下一步研究的重要方向。

2 水下通信定位導(dǎo)航一體化關(guān)鍵技術(shù)展望

水下通信技術(shù)以及水下定位導(dǎo)航技術(shù)大多都是進(jìn)行單一技術(shù)的深入研究，而隨著信息化通信技術(shù)和海洋水下科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，不管是民用的UUV、AUV進(jìn)行探測等水下作業(yè)還是潛艇等水下武器的軍事應(yīng)用，都在從單系統(tǒng)向多平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化集群形式轉(zhuǎn)變，而當(dāng)多個(gè)不同的系統(tǒng)協(xié)同工作時(shí)，很容易出現(xiàn)相互矛盾等各種兼容性問題。

因此，為了實(shí)現(xiàn)水下不同系統(tǒng)、不同平臺(tái)間的信息傳輸、數(shù)據(jù)共享、指揮控制等相互協(xié)同作業(yè)模式，需要針對(duì)水下的通信系統(tǒng)和定位導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行一體化組網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而形成水下通信定位導(dǎo)航多系統(tǒng)、多平臺(tái)一體化網(wǎng)絡(luò)，為不斷發(fā)展的水下作業(yè)新形勢(shì)提供思路。

無論是水下通信還是水下定位導(dǎo)航，應(yīng)用得最為廣泛的技術(shù)就是水下聲學(xué)技術(shù)。同時(shí)，為了能夠形成一體化組網(wǎng)，采用同一種技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。因此本文在進(jìn)行水下通信定位導(dǎo)航一體化關(guān)鍵技術(shù)展望的時(shí)候，主要針對(duì)的是水聲通信技術(shù)和水聲定位導(dǎo)航技術(shù)的一體化融合。而形成水聲通信定位導(dǎo)航一體化組網(wǎng)、進(jìn)一步提高水聲通信的距離與可靠性以及提升水聲定位導(dǎo)航的精確度，需要突破的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。這些技術(shù)的突破將為建立水下通信定位導(dǎo)航一體化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

圖2 水下通信定位導(dǎo)航一體化關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 The key technologies in the integrated design of underwater communication, positioning and navigation

2.1 基于分時(shí)非對(duì)稱水聲收發(fā)的主被動(dòng)兼容定位技術(shù)

主被動(dòng)兼容定位系統(tǒng)是兼容了主動(dòng)定位與被動(dòng)定位于一體的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，用來對(duì)水下的各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者靜止的定位導(dǎo)航。其中被動(dòng)定位導(dǎo)航指的是憑借接收提前布置好的多個(gè)潛標(biāo)發(fā)射的水聲信號(hào)從而進(jìn)行自身定位。而主動(dòng)定位導(dǎo)航系統(tǒng)則需要在需要定位的水下目標(biāo)上安裝水聲信號(hào)發(fā)射器，布置在水下的多個(gè)潛標(biāo)通過接收水下目標(biāo)所發(fā)射的水聲信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)的定位導(dǎo)航。

用于定位的水聲信號(hào)主要分為低頻（5～10 kHz）、中頻（10～20 kHz）和高頻（20～40 kHz）3個(gè)頻段。在低、中、高三頻上同時(shí)收發(fā)水聲信號(hào)存在體積巨大、性價(jià)比低、實(shí)現(xiàn)難度大等問題。需要一種基于分時(shí)非對(duì)稱水聲收發(fā)的主被動(dòng)兼容定位技術(shù)，采用低頻發(fā)送水聲信號(hào)，低、中、高三頻接收水聲信號(hào)的非對(duì)稱水聲信號(hào)收發(fā)設(shè)計(jì)，通過分時(shí)方式進(jìn)行主動(dòng)定位和被動(dòng)定位輪換，在單一定位導(dǎo)航系統(tǒng)中同時(shí)兼容主被動(dòng)定位模式，并支持低、中、高三頻水聲目標(biāo)主動(dòng)定位。

2.2 共用水聲換能器的通導(dǎo)一體化技術(shù)

水聲換能器是水聲通信、導(dǎo)航的核心部件，承擔(dān)著信號(hào)產(chǎn)生與接收的使命，對(duì)水聲通信、導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)、性能的提升具有舉足輕重的作用。目前發(fā)射頻率已經(jīng)從幾赫茲拓展至幾兆赫茲，工作原理主要有電動(dòng)式、磁致伸縮式、壓電式等。

傳統(tǒng)潛標(biāo)只具備單一的水下定位或通信功能：水下定位潛標(biāo)通過水聲應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)主動(dòng)定位；而水下通信潛標(biāo)不具備水下定位功能。需要一種共用水聲換能器的水下通信導(dǎo)航一體化技術(shù)，通過單一水聲換能器收發(fā)兼容通信和定位協(xié)議的水聲信號(hào)，在信號(hào)處理模塊中進(jìn)行統(tǒng)一識(shí)別解碼，使水聲通信兼具定位能力，并通過多潛標(biāo)組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)水聲通信導(dǎo)航一體化。水聲通信定位一體化潛標(biāo)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水聲通信定位一體化潛標(biāo)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of the subsurface buoy of underwater acoustic communication, positioning and navigation

2.3 水聲擴(kuò)頻寬帶通信的精確時(shí)延估計(jì)技術(shù)

水聲定位系統(tǒng)采用水聲信標(biāo)或詢問應(yīng)答方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，通過測量出目標(biāo)到達(dá)各潛標(biāo)的時(shí)間延遲計(jì)算出距離，進(jìn)而解算出目標(biāo)的位置。因此高效率高精度地計(jì)算出水聲時(shí)延是水聲定位系統(tǒng)中最重要的研究方向之一。需要研究采用水聲擴(kuò)頻通信寬帶信號(hào)及被動(dòng)時(shí)反處理技術(shù)，將擴(kuò)頻通信與時(shí)延差編碼水聲通信相結(jié)合，提高擴(kuò)頻通信速率與時(shí)延估計(jì)精度。

2.4 基于實(shí)時(shí)聲場參數(shù)的聲線彎曲在線補(bǔ)償修正技術(shù)

海洋中的環(huán)境對(duì)水聲傳播具有非常大的影響。海水中聲速度是比較復(fù)雜的，是由海水中溫度、靜壓力、鹽度及空氣泡含量等共同決定的，如下式：

其中：T為攝氏溫度；D為海水深度為，m；S為海水的鹽度，1‰[19]?？傮w來看，海洋中的聲速分布是時(shí)變、空變的，如圖4所示。

圖 4某海域水聲聲速隨深度變化圖Fig.4 Variation of underwater acoustic velocity versus depth in a sea area

因此水聲傳播在海水中會(huì)存在明顯的聲線彎曲。聲線彎曲使水聲定位解算時(shí)不能選用一個(gè)恒定聲速，應(yīng)該是與各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效聲速，在定位解算中用等效聲速代替恒定聲速就能夠?qū)⒙暰€彎曲進(jìn)行修正，提升水下定位精度。

3 結(jié)語

本文對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)水下通信定位導(dǎo)航一體化設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望。隨著水下潛航器技術(shù)的不斷發(fā)展，水下通信定位導(dǎo)航技術(shù)也隨之不斷提高，水下通信方面如何提高通信距離，水下定位導(dǎo)航方面如何提高定位的精確度，多個(gè)系統(tǒng)如何順暢地協(xié)同工作等都是下一步研究的重點(diǎn)。