导航与定位系统

通常将水下机器人的导航分为水面导航和水下导航两部分。前者通常由水面母船来完成，即确定母船相对于地球坐标的位置；而水下导航则往往是相对于水面母船而言，将母船作为一个水面方位点来确定潜水器的水下相对位置。水下机器人水下导航还可以划分为一般导航和终端导航。一般导航是把水下机器人引导到目标附近。终端导航是接近目标之后，能使潜水器的视野触及到局部感兴趣的海底和搜索目标。由于电磁波在海水中的衰减十分迅速，10KHZ的电磁波每米衰减达3dB，这使所有无线电导航和雷达都无法在深海航行中使用，同时由于海水的低能见度和缺少海底的详细地形资料，近海导航常用的岸标或航标定位以及天文定位也会失效。此外，由于潜水器经常活动在失事舰船或海底井口和油气管道附近，在这类地区，海底磁场亦经常出现异常，磁罗经的工作往往受到干扰。因此，目前潜水器水下导航最有效的方法是推算导航和水声导航。

推算导航

推算导航是根据已知的航位及水下机器人的航向、速度、时间和漂移来推算出新的航位。它需要实时测得水下机器人的航向和速度，罗泾和计程仪是推算导航的基本设备。罗泾是一种提供方向基准的导航仪器，它用于测定航向；计程仪用来测定航速和航程。推算导航无需借助其他参考基准就能独立完成导航任务，设备极为简单，作为一种导航手段，占有一定的地位。但由于测速仪器有较大的误差并受到水流等因素的影响，使得推算导航的积累误差随时间而不断增加，所以捍卫的推算不可能非常精确，实际上这是一种近似的方法，如有可能应随时间加以修正。

1.航向测定

推算导航中用于航向测定的仪器主要磁罗经、电罗泾、方向陀螺仪。

磁罗经的优点是结构简单、可靠且不用电源。但是它对当地的净磁场会有反应，故在罗泾附近的金属体、磁性体甚至仪器仪表等都可能会影响磁罗经的读数。水下机器人体积小，磁罗经不可能远离上述物体，则水下机器人一般不用磁罗经。

方向陀螺可以指示出所需要的方向，在该方向上维持一段时间，有提供短期航向基准的功能，并且体积小、重量轻。但是由于方向陀螺有一定的漂移率，从而对执行长时间任务，陀螺漂移造成的累积误差是很大的。因此，尚不能用它来作为推算航位的手段。

电罗经是依靠一只或多只指北的陀螺仪作为指向元件，从而指标出相对真北的航向。它不受磁场影响，且所产生的误差在所有航向上都是相同的。但电罗经从启动到稳定工作的时间较长，同时电罗经存在若干系统误差，需要采用相应的手段来消除和校正。以往船舶导航中用的电罗经对水下机器人来讲，它的重量尺寸都相对较大。

2.航速（航程）测量

推算导航时根据罗泾或方向陀螺提供的航向和某一时间间隔水下机器人的移动距离确定新的航位，移动距离可由速度积分获得。目前采用的测量航速和计程的常规仪器有转轮式计程仪、毕托管（水压式）计程仪和电磁式计程仪。这些仪器都是依靠测量水中运行器与水流相对速度而工作的，因此，这些计程仪的精度直接取决于水流速度和运行器航速的相对比值，即流速占的成分越大，积分产生的航程误差也就越大。因此这类计程仪在水下机器人的应用上有很大的限制。

多普勒声呐测速的原理是：运动着的物体发射的波束从一个稳定表面反射回来，其频率便会发生裱花，这种频率的变化正比于运动物体相对稳定反射面的速度。因此，当航行者的潜水器向海底发出的一束窄波束从海底反射回来后，回波信号的频率和原来发射频率稍有不同。

推算导航法最主要的缺点是随着时间的增长，误差是积累的。

水声导航与定位

定向听水器-声源导航

水下机器人最简单而又非常经济的水声导航方法是将一只声源安装在水下机器人上，它能以一定时间间隔全向发射声波脉冲信号。将一只带遮板的定向听水器安装在水面母船上，它在狭长的圆锥形空间内具有最大灵敏度，可以指向任何需要的方向。在工作时，水面母船可以调整水听器的接收方向。直至接收到最想的声波信号位置。根据接受元件所指的方向，再根据水中电话确定水深就可以知道机器人与母船之间的水平距离。这种方法对以母船定位的水下机器人来说效果很好但是不能满足以海底定位的机器人要求。

短基线系统

短基线系统（Short Base-Line）是确定水下机器人相对于水面母船位置的比较精确的系统。在水面母船的船底，呈水平安装3个或更多个水听器（不同连线上），两台水听器之间的连线称为基线，基线作为位置线或者作为测量其他线的基准线。基线的长度至少应为所要勘测区域的平均长度的1/5。精确确定基线的位置是极为重要的。而在水下机器人上安装的同步发射器以有规律的间隔发射非常精确的定时脉冲声波。这些脉冲被母船的听水器接受后，与主时钟脉冲相比较可以知道传播时间，通过脉冲信号到达各听水器的时间差，利用穿上的计算处理系统就可以知道水下机器人相对于水面母船的深度、距离和方位，并由水下电话式数据中继器把数据传输给水下机器人。

这种导航方法的优点是精度很高，尤其当系统处于目标或要搜索的区域上方工作状态时，盲区最小。这种系统的不足是当系统跟踪的目标接近水面时，误差就很大，甚至可能丢失目标。此外，这种系统提供的水下机器人相对于水面母船的位置，如果在海底再增加一个应答器作为基准点，系统将可以很方便地提供水下机器人相对于海底的绝对坐标。

长基线系统

如果将基阵由受海绵扰乱的母船转移到稳定安静的海底，则将更有利于精确的测量。

长基线系统（Long Base-Line）就是将由水面母船投放的应答器布置成一个合适的水下几何阵，通过测量水面母船、水下机器人与海底应答器（即长基线）之间的应答距离来确定水下机器人位置的。应答器可以是三个或者多个，应答器的个数和配置取决于水下机器人的活动范围和定位精度。

综合上述长、短基线两个系统，可以看到基线系统的基阵小，而且装在母船上，机动灵活性好。但是段基线系统在水面母船上的设备复杂、投资高、基线较短，且稳定性也影响了精度，另外由于水听器接近海面，容易受到母船本身以及海浪噪声的影响。而长基线系统的应答器处于稳定和安静的海底，十分有利于精密的声学测量，但是如果应答器安置不正确或海底地形不利有可能形成声学盲区，从而无法导航。从定位精度上看，短基线系统在信标的垂直上方或距离较短时定位精度较高，而长基线系统的信号处理设备简单，并且不需要电罗经等导航仪测定航向，所以这种系统的优点较多。