基于任务分类的UUV导航系统适配性分析

刘志浩，吴金平，黄峰峰，杜 毅

(1.海军潜艇学院， 山东 青岛 266199； 2.海军研究院， 北京 100155)

随着我国海洋战略推进，UUV(unmanned underwater vehicle)作为一种新型海上装备在多个领域内被广泛提及。当前对于UUV定义与内涵的理解，主要在“无人”的理解上存在两种争议：一种观点认为“无人”指的是“无人驾驶”，只要不载有驾驶人员的潜航器即可认作UUV；另一种观点认为“无人”指的是“不依赖有人平台，不需要人的持久干预”，潜航器可自主控制，仅在复杂情况下可由人进行少量的干预与控制。在军事任务中，人们通常期望UUV能够代替有人平台，在危险海域或无法抵达的海域执行任务，降低有人平台的作战风险，同时利用自身的隐蔽性优势提高作战效能。从这个角度分析后者定义方式更符合期望，因此文章采用后者定义方式，并由此展开导航系统适配性的探讨研究[1]。

适配性概念源于计算机领域，指不同硬件组合在一起后对系统性能影响的好坏。对于军用UUV的应用有多种导航系统可供选择，但对应不同的具体任务时，不同的导航系统选择将对作战任务产生不同的影响。近年来，由于UUV的关注度提高，许多专家学者对军用UUV多种导航系统的组合及优化进行了研究分析并展开了相应的试验，但在这些研究往往脱离军事应用的实际环境及背景[2-4]。在军事应用中，往往根据任务内容确定采用具有某种特点的导航系统。现阶段大多文献往往集中于民用领域或理想条件下的军事应用中导航系统的使用，忽略UUV作战的隐蔽性、保障的可行性等因素。因此，针对军用UUV进行基于任务分类的导航系统适配性研究是有必要的。

1 典型水下导航系统

在现阶段技术水平下，适用于水下的导航系统主要有以下五种类型，下面针对各导航系统对其原理进行基本介绍[5-6]。

1) 惯性导航

惯性导航系统本质上属于推算导航，基于惯性定律，通过陀螺仪和加速度计分别测量载体坐标系相对惯性空间的转动角速度和载体坐标系轴向的加速度，通过积分方式确定载体实时姿态和实时空间位置。给定初始位置和姿态后，只要已知测量时间内的陀螺仪和加速度计输出，理论上即可确定载体运动参数。惯性导航系统通常分为平台惯性导航系统和捷联惯性导航系统，其中捷联式惯性导航系统空间较小、成本低，适用于UUV等中、小型平台，基本原理框图如图1。

图1 捷联惯性导航系统基本框图

2) 多普勒计程仪系统

多普勒计程仪基于声波信号的多普勒频移原理，通过测量回波的频移量确定载体在载体坐标系下的运动速度，进而求得载体位置。理论上确定载体初始位置后，通过其他系统提供载体姿态信息结合多普勒计程仪速度输出，通过积分和相应的坐标变换即可确定载体水下位置。

3) 水声定位系统

水声定位导航系统按照基线长度分为超短基线水声定位、短基线水声定位和长基线水声定位三种，其基本原理是利用信号的传播时间或时延差进行定位。位置已知的发射基阵采用应答或主动的方式发射声波，接收基阵根据声信号的传播时间或时延差进行定位。由几何关系知，球心不共线的三个球面或单叶双曲面可以确定两个交点，结合载体所处深度可以确定其准确位置。如图2所示的水声定位原理简图可知，当发射阵位置已知时，根据距离信息可以确定出载体所处位置。若三个发射阵深度均为H，则计算出的解存在大于H和小于H的两个量，考虑发射阵位于海底时，则应选取小于H的解作为解析解；若发射阵位于海面时，则应选取大于H的解作为解析解，由此载体的经纬度信息及深度信息均可确定。

图2 水声定位原理简图

4) 卫星导航定位系统

水下载体采用卫星导航定位时，需上浮至水面或将卫星天线浮出水面。理论上其导航原理与基于声信号传播时间测量的水声定位相似，均采用几何定位的方法。但由于无线电信号以光速传播，极小的钟差也将造成很大的定位误差，因此需再添加一组卫星确定钟差量，通常采用四颗及以上的卫星进行定位。

5) 地形/地磁/重力匹配系统

地形/地磁/重力匹配三种导航方式的基本原理均是采用匹配算法，将测得的数据与计算机存储的不同海域的相关数据进行对比，通过相关或其他方式确定出测点所在位置。地形匹配基本原理与等高线地形匹配原理相同，采用测深声纳测量载体到海底的距离，再根据载体所处深度确定测点的海水深度，将深度数据与计算机存储的海洋水文环境数据库进行匹配，进而确定载体位置。地磁匹配导航是利用磁传感器对磁场进行测量，将磁场数据与地磁数据库进行匹配。重力匹配与地磁匹配基本类似，其测量的物理量为重力场。

2 基于任务分类的UUV导航系统需求

2004年美国海军在《UUV主计划》中规划了UUV的九种能力，分别为情报/监视/侦察、反水雷措施、反潜战、检查识别、海洋学、通信导航网络节点、载荷投送、信息战和时敏打击，希望通过这九种能力支撑UUV作战的使命任务。从结构层次上看这9种能力属于使命任务的基础，但国内部分文献将“capability”译为“使命任务”，从定义与内涵上分析，这种理解方式是有一定争议的[7-8]。军事装备通常按照使命任务进行分类，例如舰艇可以分为战斗舰艇和勤务舰艇，而战斗舰艇又分为航母、潜艇、驱逐舰、护卫舰等，勤务舰艇分为补给舰、防救船、医疗救护船等。UUV作为一种新型军事装备，参考舰艇分类方法及美军提及的能力需求，按照使命任务可分为战斗航行器、信息支援航行器、水雷战航行器和勤务航行器四类。从任务属性上看，执行ISR任务的UUV虽也属信息型UUV，但是从作战运用角度分析，ISR任务多用于信息情报保障方面，与勤务方面相关，而执行信息对抗、通信/导航节点任务的UUV大多直接参与用于支援战斗任务，因此宜将其区分开来。进而，一种基于任务的军用UUV分类方法可由图3进行表示。

图3 一种基于任务的军用UUV分类方法

水下军事装备导航系统的作用是将装备于预定时间按预定路径引导至目的地。分析UUV导航系统的需求，应考虑其在确保完成导航功能的前提下对作战任务的影响，具体表现在导航系统的自主性、隐蔽性两方面。

1) 战斗UUV导航系统需求

对于战斗UUV，其主要任务是对目标进行火力打击或者参与特战任务，从期望“以兵器深入代替兵力深入”的观点看，其作战区域一般是需要深入的远海海域[9-10]。远海条件下己方信息保障及作战保障相较于近海条件下难度将大幅增加，保障信息的质量也将有所降低或根本无法使用。因此从兵力及信息保障的实施难度分析，战斗UUV导航系统获得外界信息支持难度较大，需要具备充分的自主性。为达成战斗的有效性和突击性，UUV还应具备良好的隐蔽性能。随着各国对水下防御的重视，UUV接近目标一定距离后，导航系统一旦以主动方式获取所需导航参数，将极易暴露自身位置及意图，因此战斗UUV的导航系统在进入目标防御半径后也应具备充分的隐蔽性。

2) 信息支援UUV导航系统需求

信息支援UUV主要用于战时为己方航行器或兵力提供信息支援，包括为其他UUV提供中继通信或导航辅助服务、为己方UUV或兵力探测目标、与目标进行信息对抗。由于海水对电磁信号的屏蔽作用，在执行通信导航网络节点功能时，信息支援UUV一般采用水声信号或可见光信号的方式传递信息，此时UUV与服务对象需保持相对较近的距离，此时信息支援UUV导航系统的自主性与隐蔽性将取决于服务对象自身对隐蔽性的要求。当服务对象执行隐蔽性任务时，信息支援UUV为避免暴露服务对象行踪，导航系统也必须具备一定的隐蔽性，同时对自主性的需求程度也相对提高。当执行目标探测任务时，自主性与隐蔽性的需求将根据探测目的有所不同。在进行打击前的探测时，为保障打击的突击性，对导航系统隐蔽性与自主性需求将会提高；在反敌方兵力时，隐蔽性与自主性需求将会降低。执行信息对抗功能时，其目的是对敌方兵力进行欺骗或对敌方声纳等进行干扰，此时对UUV导航系统的隐蔽性要求将大大降低，甚至在部分情况下期望其能够充分暴露以干扰敌方兵力部署。

3) 水雷战UUV导航系统需求

水雷战UUV的任务主要包括攻势布雷和反水雷两部分[11]。在攻势布雷任务中，以UUV替代其他兵力布雷表明对任务海域的制海权较低，保障兵力难以发挥作用，对UUV导航系统的自主性和隐蔽性需求度必然提高。反水雷UUV主要用于在己方基地或港口附近海域、敌方近岸海域、舰艇周围实施反水雷，这表明己方已在任务海域获得一定的控制权。但由于敌方水雷的威胁，保障兵力，尤其是水面舰艇的保障兵力，较难发挥有效作用，但对UUV导航系统的隐蔽性需求度大幅降低。

4) 勤务UUV导航系统需求

勤务UUV根据担负任务的性质不同，载荷配置有较大差别。情报侦察UUV主要用于抵近敌岸和舰船附近实施隐蔽侦查，海洋学UUV主要在特定敏感海域隐蔽实施海洋学调查和水道测量，载荷投送UUV一般用于对隐蔽部署的海底设施进行能源补给或对其他兵力及平台进行设备、物资等的补给。这三种任务对导航系统的隐蔽性要求较高，同时为避免支援保障力量对任务的隐蔽性造成破坏，通常由UUV单独遂行任务或作业，对导航系统的自主性需求度也相对较高。

3 UUV典型导航系统适配性分析

1) 惯性导航适配性分析

惯性导航作为一种自主性导航系统，在航空、航天、航海等多种军用领域内发挥着重要作用。惯性导航完全依赖力学定律，无需外界信号介入，能够实时、全面的提供导航参数，供载体进行导航解算。但对于惯性导航系统，一个关键问题是由于传感器及模型误差的存在，导航定位的精度将随工作时间增加不断发散。短时间内惯性导航系统可实现较高精度导航，但随时间增加其导航精度将急剧下降，需要其他系统对其进行校正或重置。然而惯性导航系统由于其出色的自主性、隐蔽性、抗干扰性和全要素性，仍是军用平台一种极为重要的导航方式[12]。因此在现阶段技术水平下，以惯性导航系统为主，以其他导航系统为辅的组合方式，仍然具有极为重要的应用价值，且适用于包括UUV在内的各种应用环境与场合，但对于辅助系统的选择应结合具体任务展开。

2) 多普勒计程仪适配性分析

多普勒计程仪在进行速度测量时，能够提供给UUV一种误差不随时间累积的高精度导航信息，在某些情况下是一种有效的辅助导航手段。但从工作原理看，为提高测量精度，一般采用较高频率的声波进行测速。高频声波虽然相对于低频声波传播距离更近，但由于多普勒测量的信号是经由海底反射的回波，这意味多普勒系统开启时，一旦敌方部署了水下监听设备，由于频率的提高，即使是小型基阵也极有可能监听UUV发射的声信号，对隐蔽性造成破坏[13-14]。此外，为使声波能够经由海底反射仍被接收，多普勒导航系统对水深有一定的限制，部分网络论坛中提及在深海由跃变层来反射声波，但由于海底洋流情况复杂，由跃变层反射声波的方式将对多普勒系统测速误差造成较大的未知干扰，滤波结果中导航误差将有所增加。因此多普勒导航系统适于在已确定没有敌监听设备，且水深较浅的浅海区域使用。

3) 水声定位导航系统适配性分析

由于海水对光、电磁信号的屏蔽，声信号是目前唯一能够用于水下远程信息传递的方式。通过水声定位原理可知，基于几何解算的导航方法需要有相应的应答基阵，通常对于超短基线系统和短基线系统，应答基阵安装与船底，利用三个或者以上的基点在船底构成基线阵，而长基线系统通常需要在海底布设三个以上的基点，以一定的几何图形组成海底定位基线阵列。从自主性角度分析，水声定位导航系统需要水面舰艇或海底基阵的辅助协同，一旦这些兵力及设备战时受到威胁或破坏，无法完成保障任务，则导航系统将彻底失效。从隐蔽性角度分析，当前各国对水声信号的监听尤为重视，以声信号方式传递信息从隐蔽性、可靠性角度上仍有许多亟待解决的问题，无论是UUV的问询还是应答器的反馈，都极易将自身位置暴露，影响自身和整个导航系统的安全。因此水声定位导航系统仅适于在己方拥有较高的制海权的条件下使用，在保障方面具有难度的海域使用意义不大。

4) 卫星定位导航系统适配性分析

卫星定位导航系统能够提供全天候、实时的高精度导航服务。UUV无法像水面舰艇一样全时接收卫星信号，在大部分时间内处于一定深度航行，这使得卫星定位导航系统仅能作为一种辅助导航定位方式，但由于其出色的定位精度，在卫星可见时也可单独使用。卫星定位导航系统对UUV主要有两种应用方式，一种是直接对UUV的部分参数进行重置，这种方式相对较快，一般在数分钟内即可完成；另一种方式是通过滤波方式，不断地对惯导系统和卫星定位系统的参数进行匹配，对误差进行估计并校准，这种方式相对较慢，一般持续数十分钟。隐蔽性是UUV采用卫星定位导航系统时面临的最大问题，无论是航行器直接上浮，还是通过天线或浮标进行信号接收，都将在一定程度上破坏隐蔽性。参数重置的方式考虑到UUV的尺寸，理论上仅能重置位置和速度参数，无法识别姿态误差，在后续航行过程中未校准的姿态误差将不断对导航精度造成影响。部分文献提及采用多天线方式进行快速精确的姿态确定，完成全参数重置。但精确定位通常采用差分方式，而差分方式的覆盖范围通常是以基站为中心，半径数十至数百公里，以当前北斗卫星建设条件看，仅适于近海条件下使用[15-16]。匹配滤波的方式由于海浪作用，使得天线难以稳定跟踪卫星信号，跟踪环路不可避免的经常丢失信号，滤波时间较陆上将有所增加。对于表现为泊松过程的搜索事件而言，匹配滤波时间的增加无疑将增大暴露风险。因此采用卫星导航的方式，其优势在于对保障兵力要求低，仅需在相应海域可接收卫星信号即可实现导航功能。UUV隐蔽性所面临的威胁主要来自空中，而敌方空中兵力的活动规律相对水下监听网络相对容易掌握，通过对使用方法和使用时机的优化，能够相对降低因上浮或天线浮标对隐蔽性的破坏作用，但进入敌防御半径内后，随使用次数的增加对隐蔽性影响将越来越大。较为适于在敌防御半径外执行导航任务，在防御半径内也仍有一定的应用价值。

5) 地形/地磁/重力匹配

由地形/地磁/重力匹配导航系统原理可知，地形匹配导航系统依赖于测深声纳测量载体至海底的距离，结合压力传感器测得水深,进而确定海水深度与地形数据库进行匹配[17]。这种导航系统与多普勒计程仪类似，一方面能够破坏隐蔽性，被敌方水下监听基阵发现，另一方面对工作水深有一定的要求，在深海海域无法实现工作，此外由于地形匹配测量的是深度标量，在海底平坦区域识别难度较大，使用限制多[18]。地磁和重力匹配的量测量可通过内置传感器隐蔽获取，从隐蔽性角度大大优于基于水声和无线电的导航定位方式[19]。但地磁场参数随时间不断变化且分布不均匀，需要更新频率较快的数据库支持或者较为准确的地磁场变化模型进行保障。重力匹配通常基于重力异常或重力梯度之差进行，受传感器精度影响较大。并且这两种方式需要相应的海洋水文环境数据库支持，数据库的建设在我近海海域相对简单，但在中远海地区建设难度相对较大。

综上所述，当前典型导航系统的适配性如表1所示。

表1 典型导航系统的适配性

4 结论

执行不同任务的军用UUV对导航系统需求是不同的，现阶段文献资料大多以“理想”情景或和平条件下海试为基础进行研究，这些研究内容从理论上对UUV导航系统的技术发展起到了一定的推进作用。但由于战时作战环境、战场态势的不断变化和作战双方作战兵力、保障兵力的动态博弈，部分文献资料中提及的“理想”条件下导航系统的能力将大大降低甚至对作战产生不利影响。针对作战任务的分类对UUV导航系统进行适配性研究，一方面从理论研究上能够优化导航系统的选择及使用方式，促进军用UUV导航系统的发展；另一方面从工程实践上，能够指导UUV模块化、标准化的发展建设，为基于任务的导航模块的工程实现具有一定的借鉴价值。