水下运载体导航技术

本文第一部分综合了国外近几十年根据不同需求形成的多种水下导航技术,论述了面上导航信息利用水声技术向水下转化的多种形式以及利用不同地球物理参数与地理位置相关性导航的各自特点与问题,论述了在测绘海底地形、重力与其它地球物理特性及其变化时在传感器层面和任务层面融而为一所形成的独具水下特色的同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)导航技术,论述了NavLab作为一个通用工具软件在水下导航系统研发、精度分析以及作业前导航功能规划和导航信息事后处理方面的独特作用。本文第二部分以极具代表性的挪威HUGIN AUV系列产品军民两用为实例,根据任务和导航功能需求,从其“导航工具箱”(ToolBox)选择适用手段,给出典型任务对应的导航方式和传感器。文章结束部分给出了基于先进人工智能技术的未来展望。     

参数优化方法在AUV组合导航系统PQR调参中的工程应用

为提高水下无人潜航器(AUV)的组合导航定位精度,需要对组合导航系统的参数进行调节,以保证组合导航系统获得较高的组合导航性能.针对AUV组合导航系统的P QR调参,借鉴多学科优化设计思想,首次提出了基于目标优化方法和传感器实采数据的P QR参数整定方法.首先,使用传统经验值开展了模拟AUV"水下潜航-水面GP S校准-水下潜航"工作方式的跑船试验和传感器数据采集.之后,基于传感器数据回放和组合导航过程的离线仿真,使用目标优化方法对组合导航系统的系统参数进行了优化求解.最后,使用P QR最优解分别开展了实航和离线仿真的对比验证.试验结果表明,目标优化方法能够应用于AUV组合导航系统的P QR调参,可以保证SINS/GP S/DVL组合导航系统的稳定性和较高的水下组合导航定位精度.使用该方法调参后,经实航验证和离线仿真对比,水下组合导航定位精度的CEP50指标分别降低至人工调参方式的44.0％和56.0％.该方法简单、有效,具有较高的工程应用价值.     

水下单信标导航航路规划和最优航路接近方法

相比于传统的长基线和超短基线等导航方式，水下单信标导航具有布放简单的优点，但其导航精度有待进一步提高。为此，提出了单信标导航的航路规划方案，通过泰勒级数展开推导了水平位置精度因子的表达式，并分析了导航点和声信标的相对几何位置关系对导航精度的影响，最终提出了航路规划方案。在此基础上，还提出了自主水下航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)从其他位置接近最优航路的方法，包括两部分：一是建立以时延为观测量的滤波模型，利用滤波算法实时获取AUV的位置估计值；二是基于可观测度分析结果对最优航路接近过程的轨迹进行了设计。二者的结合使得AUV高效率且高精度地逼近最优航路。仿真证明了采用所提出的航路规划方案和最优航路接近方法可以提高导航精度，航路规划方案使得AUV位置估计的均方根误差近似为2 m。     

AUV的图优化海底地形同步定位与建图方法

海底地形辅助导航技术可为智能水下机器人(AUV)的长时间水下作业提供有界精确导航结果,且无需声学基阵辅助。然而,地形辅助导航需要已知高精度先验海图,这大大限制了其应用范围。为解决海底地形未知条件下的海底地形辅助导航问题,提出了海底地形同步定位与建图技术。利用水深预测手段和地形匹配方法进行帧间数据关联构建和闭环检测,并通过图优化技术进行海底地形同步定位与建图问题求解。仿真试验结果显示,在航行1h后,海底地形同步定位与建图系统的建图结果中所有测深点定位误差均值约为13m。     

多无人机协同导航技术研究现状及进展

UAV是无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle)的简称,无人机相较于有人驾驶飞机具有用途广泛、成本低和生存能力强等特点,在军事民用领域都有着广阔的前景,受到了国内外研究者的关注。协同导航技术极大地扩展了无人机的应用范围,提高了多无人机定位的精度以及无人机编队的稳定性、安全性和可靠性。现阶段协同导航技术在编队导航、目标监测与跟踪等诸多方面都得到了研究与应用。从四个层次对协同导航的研究现状和进展进行探讨:首先是对多无人机协同导航的概念、基本原理、国内外发展现状和必要性进行阐述;其次对协同导航中相对导航方式进行了分类分析,并分别介绍了无线电导航与视觉导航的原理、优缺点和应用场景;然后从导航目的、协同导航优化算法、滤波方法、协同导航信息融合容错策略几个方面对协同导航进行分析归纳;最后,讨论了基于多无人机协同导航未来的发展趋势。     

基于嵌入式的水下航行器导航系统设计

设计了以PC104工控计算机为硬件、μC/OS-Ⅱ实时操作系统为软件平台的水下航行器(AUV)导航系统,给出了导航系统的工作原理及基本硬件组成,实现了μC/OS-Ⅱ操作系统在PC104上的移植,介绍了导航软件模块化的设计方案,分析了基于μC/OS-Ⅱ的导航软件的任务划分、任务设计和任务通信等技术要点.该方案能很好地满足系统对实时性的要求,同时能大大降低了开发难度,提高了可读性和可维护性.     

基于侧扫声纳图像的AUV侧向速度估计与DVL粗差检测

复杂水底环境和自主潜航器(AUV）机动会造成Doppler测速仪(DVL）速度测量结果中出现粗差,提出一种检测DVL速度粗差数据的方法。该方法利用侧扫声纳图像数据,结合SIFT特征匹配算法求取声纳图像的边缘特征点。根据声纳图像成像原理,计算出每一帧图像相对上一帧图像对应特征点像素的横向平移量;结合特征像素平移量与AUV实际横向位移的比例尺度关系以及声纳侧扫周期推算出AUV侧向速度。该侧向速度用于检测水下组合导航中DVL的速度粗差,在几十米水深的浅水区,该方法能够检测并剔除出大于0.2m/s的DVL侧向速度粗差,显著减小DVL前向速度误差。算法可实时实现,改善AUV水下组合导航性能。     

导弹智能化对惯性技术发展需求

未来战争是智能化的战争,未来导弹的发展必然呈现智能化趋势。针对导弹智能化需要具备的智能感知、智能决策、智能控制、智能协同和智能突防等五方面特征,分析了惯性技术的作用和发展需求,颠覆性创新技术的不断涌现,也推动了新原理、新材料、新技术在惯性技术领域的应用。本文提出了需要突破的关键技术,包括惯导系统大数据应用技术、惯导系统容错及系统重构技术、智能协同导航系统的时空基准统一技术、以惯性系统为基础的信息集成技术等关键技术,并对适应未来网络协同作战的智能导弹导航控制需求提出了对策建议。     

GNSS拒止环境下UAV集群协同导航技术发展现状及分析

随着无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)技术的发展,无人机集群成为近年的重点研究方向。无人机集群协同导航技术能够提升无人机在卫星导航拒止环境下的定位导航能力,成为集群协同技术研究中的一大热点。对现有的导航技术以及集群协同相关技术进行论述,将卫星导航拒止环境下的协同导航技术分为协同组织架构、导航定位方式、机间相对定位、协同定位优化四个方向,并总结了对应方向的发展现状,同时分析了不同场景下的协同导航技术方案,最后阐述了协同导航未来发展的重点方向。     

水下PNT体系之声学导航定位技术应用展望CSCD

声学导航技术是水下PNT体系的重要组成部分,也是水下PNT建设的一种有效增量手段,应充分利用中高频声学导航技术的隐蔽性和精确性,以及低频声学导航技术的广域性,满足水下用户对水下导航定位能力的隐蔽性、广域性以及精确性需求,有效促进水下导航定位服务能力的持续提升。从水下应用需求出发,研究了声学导航的任务剖面、边界条件和融合方式等,明确其在水下应用的优越性与局限性,最后对我国未来声学导航技术水下应用提出了建议。     

测绘导航高精度定位关键技术及应用

人工智能(AI)、卫星导航及室内定位三大技术的快速发展持续推动测绘科技向智能化、学科交叉、信息融合的方向发展。指出了装备虚拟化与数据处理多样化将成为测绘导航的基本形态，拓展了测绘学科的内涵与外延。智能滤波是未来测绘导航定位理论发展的重要方向，AI芯片将成为测绘导航装备的关键部件，从而提高滤波效率与产品的实用性。给出了车载导航模组研制的技术流程，提出了模组原始信息同步采集与延时补偿、自适应定位算法及嵌入式固件时间分片优化等关键技术，研制了覆盖分米、厘米及毫米级定位精度的无缝组网定位、车载导航及变形监测模组，并研发了相应的终端系统，针对相应的应用领域，给出了各自应用的解决方案，以及具体的应用案例。     

水下重力匹配定位算法综述

随着重力测量和水下导航技术的发展,惯性/重力匹配导航技术因其精度高、自主性强和航时长等优点,已成为水下自主导航的重要研究方向。惯性/重力匹配导航系统主要由惯性导航系统、重力实时测量、海洋重力场背景图和重力匹配定位算法构成。重力匹配定位算法通过将实时测量的重力异常值与构建的重力场背景图进行匹配,得到水下运载体当前时刻的位置信息,是惯性/重力匹配导航技术的核心。本文详细介绍了重力匹配算法的技术发展现状,重点分析了具有代表性的ICCP算法、SITAN算法、矢量匹配算法及其衍生算法,并对惯性/重力匹配水下自主导航技术的未来发展进行了展望。     

单兵自主导航技术发展综述

在卫星受限情况下的单兵自主导航技术是近年来研究的热点。首先介绍了单兵自主导航技术的发展概况,然后重点分析了基于MIMU的单兵惯性导航技术的主要原理和方法,之后针对纯惯性导航存在的问题,介绍了地磁、场景、视觉等常用的单兵辅助导航方法,并阐述了单兵协同导航技术。最后,简要介绍了单兵自主导航技术的未来发展趋势。     

视觉/惯性组合导航技术发展综述

视觉/惯性组合导航技术是自主导航领域的重要研究方向之一。首先介绍了视觉/惯性组合导航技术的发展概况,然后从纯视觉导航(里程计、同步定位与构图)以及组合导航(滤波、非线性优化)2个层次介绍了传统的基于视觉几何与运动学模型的视觉/惯性组合导航方法,还介绍了近年来发展迅猛的基于机器学习的视觉/惯性组合导航方法。最后,简要介绍了视觉/惯性组合导航技术的典型应用及未来发展趋势。     

基于TERCOM-ICP联合算法的水下地形匹配方法研究

水下地形辅助导航一直是应用于AUV的热点和前沿问题,有助于修正惯导随时间积累的定位误差,以实现精确的导航定位。对经典地形匹配方法TERCOM算法进行了简单的介绍,引入点云配准领域的ICP算法,针对多波束测深系统可以获取地形剖面的特点,提出了一种TERCOM-ICP联合匹配算法。首先使用TERCOM算法粗匹配,将粗匹配后的大致位置作为指示输入ICP算法中进行精匹配,通过仿真实验对TERCOM算法的匹配结果和ICP算法的匹配时间作对比分析。仿真结果表明：TERCOM-ICP算法可以有效提高水下地形匹配精度,经过仿真实验测试,平均匹配误差可以达到20 m以内,所用时间在160 s以内,验证了该算法应用在水下地形匹配领域的可行性,更好地满足了水下辅助导航的要求。     

海洋无人小型平台惯性/水声组合导航技术

近年来,海洋无人小型平台逐渐成为人类从事海洋研究与探索等活动不可或缺的工具.随着"海洋强国"战略的实施,水下平台的导航定位技术成为维护领海安全、发展海洋经济及执行水下一系列任务的重要保障.现阶段,水下无人小型平台导航定位方法多采用以惯性导航技术为主、水声定位及地球物理导航等技术为辅的组合导航方式.其中,惯性/水声组合导...     

自主导航控制及惯性技术发展趋势

从协同化、体系化、一体化适应未来战争的信息化,跨域化、高速化、多用化适应未来战争的立体多维化,自主化、平台化、小型化适应未来战争的无人智能化3个方面概述了未来战略新常态下武器装备对自主导航控制的需求,进而对自主导航控制这一概念进行了简要概述.从精确打击入手,阐述了惯性技术对自主导航的重要性,提出惯性技术是自主导航控制的核心.最后,从惯性器件、惯性传感技术、惯性测试、新功能材料、新兴算法和软件技术等方面分析总结了惯性技术的发展趋势,并对我国惯性技术的发展提出了一些建议.     

一种基于集中滤波的SINS/DVL/USBL 水下组合导航算法

针对水下运载体的长时间高精度导航问题,提出一种基于集中滤波的捷联惯性导航系统(SINS)/声学多普勒测速仪(DVL)/超短基线(USBL)水下组合导航方法,建立了杆臂在线估计的SINS/DVL速度观测模型和SINS/USBL相对量测信息观测模型,并利用参考信息判定结果实时更新量测方程及维数,既能保证精度,还能一定程度上减少运算量。理论仿真和湖面试验表明,本算法能够实现长时间高精度的水下导航定位,具有可行性。     

基于SiP的低成本微小型GNC系统技术

随着微机电系统(MEMS)技术及微惯性器件的发展,大量小型化、低成本、高性能的导航、制导与控制(GNC)产品正越来越多地应用于小型无人飞行器、地面无人系统以及精确制导弹药等领域.针对各类应用需求,基于MEMS惯性测量单元(IMU)、GNSS接收模块、全捷联红外/可见光/激光多模智能导引头、信息处理器(DSP)与数据链通信模块,采用SiP技术研制出GNC芯片.基于GNC芯片构建一体化微小型GNC系统,突破了基于SiP一体化微小型GNC系统集成、全捷联红外/可见光/激光多模智能感知、嵌入式深组合导航、全捷联多模智能导引头/导航/制导与控制一体化设计等关键技术,并对其性能进行了评估.微小型GNC系统技术为低成本小型无人系统和精确制导弹药的发展夯实技术基础.     

序言

正以卫星导航为核心的PNT技术在军事领域和人类活动的其它领域都得到了广泛的应用,发挥着不可或缺的作用。众所周知,在某些特殊的应用领域(例如武器装备、无人平台等)不能过度依赖卫星导航。因此,怎样提高载体在卫星导航信号拒止或受到干扰情况下的自主导航能力,以及在复杂环境下的智能导航能力是目前导航技术领域面临的重大难题;于是,仿生导航、视觉导航、协同导航、全源导航等各类新型导航技术成为研究热点,以期为此提供新的技术途径。近年来,随着生理学、脑科学、物理光学等基础研究的重大突破,以