潜水器导航技术研究现状和展望_孙玉山.pdf

潜水器导航技术研究现状与展望 孙玉山 1,2 ；万磊 1,2 ；庞永杰 1,2 (1.哈尔滨工程大学水下智能机器人技术国防科技重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001 2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 要：作为一般工作在复杂海洋环境下的潜水器能否成功完成指定的工作任务与使命，导航技术是其关键技术 之一。本文系统地介绍了潜水器上常用的导航方法及国内外发展概况，并深入分析各种导航方法的优缺点，给出 潜水器导航应用实例，并对潜水器导航技术发展趋势进行了展望。 关键词：潜水器；导航；导航技术 0 前言 * 1 船位推算导航 海洋是人类发展的四大战略空间（陆、海、空、 船位推算算法最早应用于 16 世纪。它是最基本 天）中继陆地之后的第二大空间，是生物资源、能源、 的导航方法之一。由于在水上导航中它和其它各种导 水资源和金属资源的战略性开发基地，是最现实、最 航设备一起使用，所以很少强调它的重要性，但在水 有发展潜力的空间 [1]。潜水器由于其机动灵活，能够 下导航中其地位至关重要。船位推算的现代定义是由 在水中长时间工作而日益成为人类开发利用海洋资 Cotter提出的，其定义为“就是指从已知的坐标位置 源的重要工具，其在世界范围内的应用领域已经不断 开始，根据航行体在该点的航向、航速和航行时间， [3] 扩大，随着各项关键技术的不断发展，潜水器在科学 推算下一时刻的坐标位置的导航过程” 。 研究 ( 海底地形测绘、海洋学研究、水文地理研究、 船位推算现在仍是潜水器重要的导航手段，其方 水道测量研究、环境监测)和商业应用(海底资源调 法简单、经济，潜水器除了配备测速仪、姿态、深度 查、石油天然气管线检查、海底电缆光缆检查敷设、 传感器等外，只需要给定初始位置信息（一般由 GPS 水下工程检查)等方面将会有更加广阔的应用前景。 输入初始位置）通过软件完成航程推算就可构成具有 另外，潜水器不仅在海事研究和海洋发展中具有远大 一定精度的实时、可靠的自主式导航系统 [4-5]。但船 前景，在未来水下信息获取、精确打击和“非对称情 位推算精度有限，其精度受姿态传感器、速度传感器 报战”中也有用武之地，现在其相关技术已成为世界 等传感器设备测量精度影响较大，并且随时间存在累 大国中一项重要和积极的研发领域。 计误差，另外，船位推算精度还会受外界海流、潮汐 导航问题仍然是潜水器设计所面临的主要关键 和风等因素的影响。 技术之一，潜水器导航系统在潜水器的整个体系结构 1.1 航向姿态传感器 中占有举足轻重的地位，它可以为潜水器在复杂的海 现在潜水器航向、姿态传感器，一般常采用磁罗 洋环境执行作业任务与使命时提供必需的位置、姿态 经、陀螺罗经（也称电罗经）和光纤陀螺等。 等导航定位信息，这不仅关系到其作业任务的成功与 磁罗经是利用磁针指北的特性，靠自由旋转的磁 否，甚至影响其安全与生存。 铁对准地球磁场来指向的。磁罗经的指向原理决定了 现有的水下导航技术，例如水下声学导航(包括 它对地磁的根本依赖性。首先，磁罗经的性能取决于 长基线、短基线、超短基线及多普勒测速声纳导航 地球磁场，但是地球 等 )、惯性导航、利用声波影像、光学等的视觉导航