潜水器导航技术研究现状与展望

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1、潜水器导航技术研究现状与展望海洋是人类发展的四大战略空间（陆、海、空、天）中继陆地之后的第二大空间。潜水器由于其机动灵活，能够在水屮长时间工作而口益成为人类开发利用海洋资源的重要工具。潜水器在科学研宄和商业应用等方面将会有更加广阔的应用前景。目前潜水器水下导航最常用、最有效的方法是航位推算法、声学方法、惯性导航及其组合方式。关键i司：海洋；潜水器；通信导航1船位推算导航11.1航向姿态传感器11.2速度传感器22惯性导航惯性导航系统33水下声学导航34视觉导航45地球物理导航55.1海底地形匹配导航65.2基于重力场的导航方法75.3基于地磁场的导

2、航方法76组合导航87结束语与展望9参考文献101船位推算导航船位推算算法最早应用于16世纪。它是最基本的导航方法之一。由于在水上导航中它和其它各种导航设备一起使用，所以很少强调它的重要性，但在水下导航中其地位至关重要。船位推算的现代定义是由Cotter提出的，其定义为“就是指从已知的坐标位置开始，根据航行体在该点的航向、航速和航行吋间，推算下一时刻的坐标位罝的导航过程”。船位推算现在仍是潜水器重要的导航手段，其方法简单、经济，潜水器除了配备测速仪、姿态、深度传感器等外，只需要给定初始位置信息（一般由GPS输入初始位置）通过软件完成航程推算就可构成

3、具有一定精度的实时、可靠的自主式导航系统。但船位推算精度有限，其精度受姿态传感器、速度传感器等传感器设备测量精度影响较大，并且随吋间存在累计误差，另外，船位推算精度还会受外界海流、潮汐和风等因素的影响。1.1航向姿态传感器航向姿态传感器现在潜水器航向、姿态传感器，一般常采用磁罗经、陀螺罗经（也称电罗经）和光纤陀螺等。磁罗经是利用磁针指北的特性，靠自由旋转的磁铁对准地球磁场来指向的。磁罗经的指向原理决定了它对地磁的根木依赖性。首先，磁罗经的性能取决于地球磁场，但是地球表面上不同地点的地球磁场变化很大，其精度冇限。其次，磁罗经所指示的，只是地球磁场所在

4、的地里磁北方位,这与潜水导航广泛应用的地理Review综述真北并不完全重合，并且在缓慢地运动着。外，地磁本身是一个弱磁场，磁罗经极易被诸如钢铁壳体等磁性材料形成的磁场干扰而产生指向偏差。在安装上磁罗经不仅要与潜水器壳体及其它传感器设备等具有铁磁性质材料、设备要有一定距离要求，其安装固定螺丝也需要铜材质或不锈钢等非磁性材料。由于其精度有限、特殊的安装要求，现在大型潜水器一般很少采用，但由于其一般尺寸较小、结构简单，在小型机器人上应用较多。图1为Honeywell公司的生产的HMR3000数字电子罗盘，它具有体积小（83mmX25mmX22mm,重57

5、g）、功耗低、性能稳定等优点。陀螺罗经又称电罗经，棊本上是一个有摆的悬浮陀螺，是利用陀螺仪的两个棊本特性即定轴性和进动性，结合地球自转矢量和重力矢量，借助控制设备和阻尼设备而制成的提供真北基准的一种指向仪器。陀螺罗经精度很高，不受磁场的影响，且所产生的误差在所有航向上都是相同的。但是其体积较大，从启动到稳定工作时间较长(与磁罗经、光纤罗经比较)，一旦电源中断，通常需要几个小时才能使罗经达到稳定工作状态，使用起来并不是很方便。光纤陀螺仪(FOG-FiberOpticalGyrocompass)是一种由光纤做光通路的萨格奈克干涉仪，当干涉仪绕着光路平面

6、相垂直的轴相对惯性空间旋转时，由于光纤环和分束板均随之转动，相反方向传播的两束光绕行一周的光程就不相等，时间也不相等，由此产生相位差。根据所测得的相位差即可以获得当前潜水器的运动姿态。光纤陀螺仪精度较高，体积不太大，使用起来也很方便，但是价格较为S贵。图2为IXSEA公司生产的OCTANS光纤陀螺仪。1.2速度传感器速度传感器现在潜水器上大多采用可以测得对地速度的多普勒测速仪或多普勒相关测速仪作为其速度测量传感器，这样可以消除海流对潜水器进行船位推算导航的影响。目前国外潜水器上常用的多普勒测速声纳，主要有美国EDO公司的3040型和3050型多普勒

7、速度声纳；英国MA公司研制的COVELIA;美RDInstruments公同的WorkhoseNavigator和SonTek公司的声学多普勒剖面仪[8]。其中多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrentProfiler,简称ADCP)可以测出海水屮每一层的海流速度及方向，不论是在工作深度还是在测速精度上都有了显著改善。随着宽带技术的引入，宽带ADCP(BBADCP)的研究也取得了很大进展，并且有了相应的样机。在ADCP及BBADCP的研制方面，以美国的RD仪器(RDI)公司最为著名，其BBADCP采用了相控阵、伪随机相位编码以及

8、宽带相关等先进技术，使之性能大大提高。它的工作深度可达几百米，测速误差达到了2cm/s[9],甚至更好。图3所示为RDI公