水下导航定位技术的探究

水下导航定位技术的探究
◎ 张文秀 忻州师院五寨分院
摘 要：随着水下导航器技术的不断发展，导航系统成为水下航行器研究的主要技术核心，实现水下精确定位成为目前水下航行器定位导航系统研究的一个重要分支。

本文对几种常用自主导航方式的优缺点进行了对比，提出采用组合导航方式可以提高导航的可靠性和准确度。

关键词：水下航行器 组合导航 精确定位
迄今为止，应用于水下航行器的导航方式一类是凭借于外部信号的非自主导航，另外一类则是凭借传感器得到信号的自主导航方式。

前者的导航基础是运载体可以接受到来自于外部信号的条件下才能完成导航，如罗兰、欧米加及其GPS等，三者中GPS凭借其广泛的信号面积导航能力更佳且更为准确。

然而，该导航方式存在着自身的不足，由于其信号来自于外部，主要的方式是无线电导航，信号衰减非常严重，非自主导航局限于水上之上的定位，在水下航行器中的应用十分有限。

对于后者，导航主要依靠自身配备装置的传感。

基于不同的传感装置，将自主导航方式分为很多类，如携带惯性测量装置的惯性导航系统、配备水声换能器的声学导航、装有地形匹配或者地磁传感器的地球物理导航等导航系统。

1.水下航行器常用导航方法1.1航位推算和惯性导航系统
航位推算法主要是对航行器的速度进行时间的积分求积分来确定其所在的位置，应用比较早且范围较广。

为了得到航行器的航行速度，需要确定航行器的速度和航向，因此需要流速传感器或者是航向传感器来确定航行器的速度和航向。

采用流速传感器测量航行速度的过程中，海流会影响航行器的速度，且对流速的影响是流速传感器不能测到的，海流对流速的影响进而会
产生导航误差，速度较慢航行较长的情
况下，误差会很大。

惯性导航系统利用测量得到的航
行器的加速度，经过一次积分运算计算
出速度，两次积分运算得到航行器的位
置，具有自主性、无需外界信息源以及
隐蔽性的优点。

可以将其分为平台式和
捷联式两种形式。

空间大小、功率以及
价格的限制，普通的航行器均采用捷联
式，该方式的导航系统（SINS）容易实
现导航与控制的一体化。

但INs在水下航行器上应用存在以
下的缺点：
（1）该导航系统（INS）位置信号
漂移严重，对于长时间工作的航行器，
导航信号失真严重，不足以应用于航行
器的精确定位。

（2）成本较高。

1.2声学导航
与无线电信号相比，声信号在受
水介质的影响较小，水下传播的距离比
较远，故可以利用声发射机来指引航
行器的航行方向。

迄今应用于运载体
的声学导航系统包括有长基线（LBL）
导航、短基线（SBL）导航和超短基线
（USBL）导航三种形式。

1.3地球物理导航
若航行器所处位置环境的测绘图
是已知的，根据对包括深度、重力、磁
场等这些地球物理参数的测量，将所得
参数与已知的测绘图进行配对，可以确
定航行器所处的位置。

该方法的科学
基础是测量的地球物理参数随环境空
间分布的变化而变化，将其与环境测绘
图配对，可到航行器所处的准确位置。

2.组合导航系统
组合导航方式是将多种导航方法
互配，不仅提高了导航可靠性及准确
度，且单一导航方式的准确度可以适度
下降，进而降低整体导航的技术难度
及整体耗资。

为了避免长距离的导航定位存在
覆盖面积小、电波受干扰大、可靠性及
精确度低等不足，多个国家投入人力物
力致力于卫星定位导航系统（具有覆盖
范围大、可靠性好、可以实时全球范围
精确定位等优点）的研究。

2.1GPS导航
GPS导航系统（Global Position
system）通过导航卫星测量距离和时
间，进而对航行器进行全球定位，称为
全球定位导航系统。

该系统由GPS卫星
星座，地面监控部分以及GPS信号接收
机三部分组成。

前者是空间部分亦是核
心部分，后者是系统的控制部分。

21颗
轨道高度为20200Km的工作卫星外加3
颗在轨备用卫星组成了GPS卫星星座。

工作卫星等间隔的分布在55°轨道倾角
为的近圆轨道上，运行的周期是11小时
58分钟，且每4个工作卫星占据一条轨
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82/ 珠江水运·2018·07。