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作者：尹洪亮、羅勇、郝強、吳佐成，中國艦船研究院
北斗全球衛星導航系統（BDS）是由我國獨立自主研發、設計、建設和執行的全球衛星導航系統。該導航系統可以在覆蓋範圍內為各類使用者提供精確、可靠性強的全球定位、授時和線上導航服務，還具備獨特的雙向短報文通訊服務能力。經過多年的研究探索和不斷髮展，北斗衛星導航系統的全球定位和衛星導航技術也得到了不斷完善，更加有力地推動了北斗衛星導航系統在我國氣象、電力和推進城市智慧化等行業的應用。在海洋科考及軍事方面，無人航行器技術正在快速發展，北斗衛星導航系統可以提高航行器的定位、授時、導航與控制等功能，本文主要闡述北斗在水下無人航行器的應用情況。
自主式水下無人航行器（UUV）是一種能夠自主航行和執行任務的半智慧化系統，在自主決策方面大多采用人在迴路的混合智慧，系統組成模組化，航行器在實際執行任務時，針對不同任務需求，可對功能模組進行相適應的最佳化和組合。國內外公開的UUV設計各不相同，主要包括有迴轉體形、立扁型、扁平型、多體形及魚雷型等型別，其中以魚雷結構外形的居多。水下無人航行器技術隨著能源、水聲、控制和導航等技術的進步而不斷髮展，由此更進一步推動了其在海洋科考、資源開發等領域的應用，在軍事領域也備受各國軍方重視。
具備運動行為的裝置或裝備，首先要考慮的就是導航定位如何實現，水下無人航行器是多項技術的整合，導航定位技術仍然是關鍵技術之一。水下無人航行器主要的通訊方式和手段是水聲通訊，其多數的時間都是在水下，無法與水面船隻等進行無線電通訊，一旦航行器漂浮到水面，就可透過衛星進行無線電通訊。北斗能夠提供定位、通訊和授時等服務。一方面，無人航行器可以利用北斗進行導航定位，獲取更加準確的導航資訊；另一方面，利用北斗的短報文通訊功能，拓展遠端控制航行器的距離，同時大大降低系統的設計和執行維護費用，使得系統更加安全穩定可靠。
一、北斗導航定位功能UUV應用方案
根據北斗衛星導航系統的特點，其在水下無人航行器的應用主要分為兩大類：提供導航定位、通訊遙控與資料傳輸。導航定位功能主要的應用有：航行器組合導航、基於北斗的水下導航系統、UUV拖曳式北斗導航浮標、UUV應急拋載示位裝置等。通訊功能（含定位功能）主要應用有：基於北斗的無人航行器遙控、基於北斗水下無人航行器處理器引數調整等。
⒈ 基於北斗的UUV組合導航
慣性導航系統由於具有自主性，一般被作為水下無人航行器的主導航裝置。但是慣性導航系統僅可以在有限的時間內為水下航行器提供相對精確的導航資料，對於長時間在水下的任務，純慣性導航系統無法始終維持高精度的導航。因此，水下無人航行器的導航系統一般還需要另外增加配備具有各種頻率及精度的輔助導航裝置如衛星導航系統、多普勒導航系統等，進行組合導航。
北斗衛星導航能夠較精準獲取航行器的位置、速度等資訊，有效校準慣導系統長時執行的導航定位誤差。航行器在水面（或淺水）工作狀態時接收北斗導航衛星訊號，利用Kalman濾波等融合演算法輔助航行器慣導系統。
⒉ 基於北斗的水下導航系統
在水下定位技術方面，實際應用中有長基線、短基線、超短基線等技術，可以跟蹤定位水下目標，但這些系統部署、校準和維護難度較大，且系統靈活機動性差、定位精度不理想，還未達到水下高精度定位的應用需求。
基於北斗的水下導航系統主要是一種能夠集水聲通訊、北斗衛星通訊、水聲定位技術於一身的新型產品。與傳統水下定位系統相比，它不僅具有佈設便捷、定位迅速且精度高、隱蔽性強等特點，並且能夠同時為多目標提供水下定位服務。基於北斗的水下定位導航系統的主要功能是以北斗系統為基礎，水面浮標透過北斗精確定位，系統經由浮標實現對水下目標的實時遠端定位、跟蹤、監測和動態精確定位。該水下導航系統主要技術包括北斗衛星定位技術、浮標水聲導航定位技術、高精度時鐘技術等。透過拖拽的操作模式，也可以實現對機動目標如水下無人航行器的導航定位。
基於北斗的水下定位導航系統主要結構組成如圖1所示，主要包括：北斗衛星星座、北斗差分衛星基準站（為北斗浮標提供實時位置資訊）、北斗浮標、水聲導航接收器（水下目標端）、資料採集控制中心（在其他載體的平臺或岸基）。
基於北斗的水下導航系統結構
北斗浮標作為水下導航系統的核心組成部分，由浮體、北斗定位訊號接收器、數字傳輸電臺、水聲定位訊號發射器、浮標姿態穩定系統和電源模組等組成。北斗定位接收機搜星定位，數傳電臺獲取來自北斗差分基準站的北斗雙頻差分定位訊號，由此便可以對浮標位置進行精確的標定。多個浮標共同構成一個類似於衛星導航系統的海面動態大地測量定位基準。水聲訊號發射機向航行器發射水聲訊號，如超短基、短基線等，實現對UUV的精確定位。浮標在水面漂浮時，姿態會受到風浪等因素影響產生偏移，姿態穩定系統實時測量浮標的姿態變化，對浮標的座標進行自動實時校正。
水下無人航行器透過水聲導航接收機接收水聲訊號，該水聲訊號是北斗浮標的水聲定位訊號發射器在偽隨機碼上將導航電文調製後再與載波調製，最後經由發射器發射。UUV接收並解調來自多個北斗浮標的水聲訊號獲取導航電文，測算出自身位置與各北斗浮標所在位置之間的距離（類比衛星導航定位工作原理，根據測距定位理論，需要接收4個以上的測距資訊），從而實現水下無人航行器的定位導航和測速。
⒊ UUV拖曳式北斗導航浮標輔助導航
在遠航工作條件下，對水下無人航行器導航系統的導航精度提出更大的要求，水下無人航行器主導航一般為慣性導航系統，其在長時間執行後導航誤差會累積增加，為此可以採用北斗衛星導航進行輔助導航，提高導航精度。
水下無人航行器採用拖曳式北斗導航浮標，主要是為了利用北斗衛星導航訊號輔助航行器導航系統。系統工作原理如圖2所示，主要工作流程為：水下無人航行器配備一個北斗導航浮標，在航行一定時間後需要對導航系統進行校準時，釋放出北斗導航浮標，浮標上浮至水面後自動開啟搜星定位獲得精確的導航資訊並向航行器傳輸，航行器控制處理模組結合北斗浮標導航資訊、纜索姿態解算資料可以間接獲取航行器自身的精確位置資訊。該種方式的優勢之處在於它極大地減少了水下無人航行器上浮至水面進行導航校準的次數，便於隱蔽。
UUV拖曳式北斗導航浮標系統
⒋ 水下無人航空器應急拋載示位裝置
水下無人航行器技術迅猛發展，航行器應用快速增長，保障航行器安全的相關措施和技術逐漸被關注重視。航行器在出現應急情況會進行應急拋載，若不能進行快速定位，不利於航行器的搜尋與回收。
UUV的應急拋載示位裝置，一般是給航行器另外加裝裝置或裝置（需提前預留空間及軟硬體介面），包括浮體、配重、拋載夾持機構（螺栓或箍筋等）。浮體安裝了北斗定位模組、動力機構、電池模組、水深壓力感測器和控制器，控制器能夠根據水深壓力感測器的數值判斷是否執行拋載動作，浮體浮至水面自動開啟北斗衛星導航功能，並向外部提供位置資訊。
應急拋載示位具體工作流程為：⑴在航行器下水前，設定控制器啟動拋載程式的水深壓力閾值；⑵水深壓力感測器實時測量水深壓力值並將資料傳輸給控制器進行比對，當一定時間內水深壓力感測器數值均大於設定的閾值，控制器啟動拋載程式（一般為爆炸螺栓爆炸分離或箍筋解綁）；⑶浮體上浮，根據水深壓力感測器的數值比對，判斷浮體已浮至水面；⑷啟動北斗定位模組，向外部提供浮體位置資訊，方便使用者搜尋，提高搜尋的成功率。
二、北斗通訊功能（含導航定位功能）在UUV中的應用方案
⒈ 基於北斗衛星導航系統的UUV遙控系統
基於北斗系統的UUV遙控系統是一個新的應用趨勢。由於北斗衛星導航系統除導航定位功能外，還具有通訊功能，基於北斗衛星導航系統的UUV遙控系統能夠進行控制指令和感知資訊實時傳遞與協同。岸基或其他平臺隨時可迅速準確地獲取航行器所在位置座標，又可以透過北斗衛星通訊遠端實時傳輸控制指令，接收航行器探測器得到的感知資訊以及狀態資訊，擴充套件了UUV的工作半徑，同時也增強了控制端對UUV的遙控能力。
當航行器在水面航行狀態時，透過北斗衛星導航通訊接收指揮控制中心傳送的指令資料，航行器的遙控指令資訊處理模組按照指定協議要求對接收到的指令資料進行處理，提取並輸出到航行控制模組，航行控制模組按照該指令執行對應動作從而實現航行器的遠端運動控制。遙控系統資訊傳遞不只是從指揮控制中心到航行器執行機構，還需要從航行器端將狀態資訊等資料反饋回指揮控制中心，主要流程為：航行控制模組將UUV的狀態、探測外界資訊等資料傳送至狀態報告模組，對這些資料按規定進行加密等處理後經由北斗傳輸回指揮控制中心，指揮控制中心對航行器反饋回的資料進行處理，獲取航行器狀態資訊，航行器的控制決策模組根據這些航行器資訊來分析航行器狀態，制定出下一步控制指令。基於北斗系統的UUV遙控系統的控制過程如圖3所示。
基於北斗導航系統的UUV遙控系統
⒉ 基於北斗水下無人航行器處理器引數調整
水下無人航行器處理器的引數一般設定預為設值，在航行過程中會根據實際情況進行調整。但是，目前為止的調整方法是，在回收無人航行器後，連線航行器處理器進行引數變更。由於引數的調整無法透過一次試驗就能確定，需要多次反覆試驗，所以該引數調整方法需要頻繁進行布放和回收操作。這個方法效率低下，而且尤為重要的是，難以避免因布放回收次數的增多而增加事故發生率。
水下無人航行器安裝有多種通訊裝置，各通訊裝置的作用距離和作用介質不一樣，一般無線通訊裝置和北斗衛星通訊裝置航行器在水面或極淺水中狀態才會被啟用，水聲通訊裝置一般在水中使用，這幾種裝置與UUV的處理器透過匯流排連線，地面控制終端同樣連線幾種裝置的地面終端。航行器引數調整的流程為：⑴水下無人航行器的資訊傳輸到控制端裝置；⑵技術人員獲取航行器資訊並經過分析，確定引數調整內容，形成指令，透過上述幾種通訊裝置（系統有資訊冗餘處理機制）將訊號傳送給UUV；⑶航行器接收到訊號自動進行解調及解密，確認獲取的引數調整符合規定的協議後，反饋資料接收完成的資訊；⑷航行器根據收到的引數調整內容修改相關引數。
基於北斗衛星通訊的UUV處理器引數調整，增加了衛星通訊的方法，與無線通訊和水聲通訊形成功能互補，拓展了航行器水面航行時在視距範圍和超遠距離的引數動態設定措施，明顯提高參數設定成功率。
三、結語
水下無人航行器作為新興技術，在海洋資源探測、科考等方面發揮重要作用，在無人軍事裝備領域更是有著方便、隱蔽等特點，能夠替代有人艇進行偵察、攻擊等任務。這些重要應用使得水下無人航行器導航定位功能和安全保障措施均應當採用我國的北斗衛星導航系統相關服務：一方面，北斗有區別於現有其他三大全球衛星導航系統的獨特短報文通訊功能，能夠增加控制航行器的手段；另一方面，GPS衛星導航系統相關導航定位服務受美國控制，有必要使用國產衛星導航系統進行替代，提高自主可控性。
本文梳理了北斗衛星導航系統在UUV的幾種重要應用，如主要應用北斗導航定位功能的組合導航、基於北斗的水下導航、拖曳式北斗導航浮標等，以及同時應用北斗導航定位和通訊功能的UUV遙控系統、基於北斗的無人航行器處理器引數調整等，為水下無人航行器的相關技術進行“北斗化”提供了發展思路。
轉自：溪流之海洋人生