无人水面艇导航技术研究
王涵宇
(哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)
随着智能化、一体化、自主化的无人作战系统技术日益成熟，全球各国海陆空军事装备也向着自主无人装备方向发展，大型无人机、无人车、无人艇及无人潜航器等无人作战系统正大规模参与并较大程度影响着战争走向。传统有人装备成本相对较高且在冲突演变为战争的过程中人员安全性相对较低，而无人水面艇具有机动性高、隐蔽性好、续航时间相对较长等特点，可在战场环境实施低成本战场环境探测、对敌前出部署装备袭扰、低成本对冲敌高价值装备等战术战法，与高价值有人装备形成战术技术互补。因此，无人水面艇将成为未来海上分布式作战的主流装备之一[1 – 2]。
无人水面艇是能够自主航行的无人水上航行器，通过搭载多种传感器和控制系统，可实现导航、避障、控制等功能。在没有人为干预的情况下完成高风险任务目标，其任务成功关键在于导航控制系统的精准程度[3]。在海洋环境中，无人水面艇需要面对复杂的水流、水深、潮汐、风浪等环境，同时还需应对其他船只、障碍物等因素，这对导航系统精度提出了更高要求[4]。例如，在海洋救援任务中，利用高精度导航技术无人水面艇可以快速准确前往救援地区，将受困人员转移至安全区域，同时也可以用于灾害现场的应急调查和救援等[5]。
当前，比较成熟的无人水面艇导航系统包括卫星导航系统、惯性导航系统以及组合导航系统。随着无人水面艇制造技术的提高，其所使用导航技术也将不断突破和创新，为实现更多的应用场景提供技术保障。本文介绍卫星导航。惯性导航系统和组合导航系统的工作原理和特点，阐述这3 种导航系统的优缺点，同时展望无人水面艇未来导航技术发展方向。
1.1 卫星导航系统的工作原理和特点
卫星导航系统可提供全球范围内的高精度定位服务，是无人艇定位和导航的主要依据。目前常用的卫星导航系统包括GPS，GLONASS，Galileo 和BeiDou等[7–8]。通过在无人水面艇上搭载接收器，可实现实时获取卫星信号，并定位舰艇当前位置，从而实现在无人操控情况下导航。
1.2 卫星导航系统的优缺点
卫星导航系统的优点主要包括高精度、覆盖范围广、实时性好。高精度主要是因为卫星导航系统可提供毫米级别的精度，对于无人水面艇而言，卫星导航可保证其在水域中的定位和导航准确性；
覆盖范围广则是因为卫星导航系统覆盖全球，对于海洋、水域中的无人水面艇而言，卫星导航系统具有重要的应用前景。同时，卫星导航实时性好, 并且定位误差不随时间积累，能够及时反馈当前的定位和导航信息。以GPS 导航系统为例，该系统的定位在全球统一的WGS-84 坐标系统中计算，因此全球不同地点的测量成果相互关联，不同指挥控制中心通过简单变换便可得到准确坐标信息。
但是其缺点是容易受到天气、山谷等因素的干扰，也可能在相对密闭水上空间存在信号遮挡的情况，从而导致信号不稳定或定位精度下降。卫星导航系统实时导航需使用电池供电，耗能较高，因此会对无人水面艇的电力消耗和资源管理造成影响[9]。考虑到无人水面艇主要执行简单高危任务，而卫星导航系统定位完整设备成本较高，这会增加无人水面艇的制造和维护成本[10]。
2.1 惯性导航技术工作原理和特点
基于惯性导航的无人水面艇导航技术是一种利用惯性导航系统（inertial navigation system, INS）实现无人艇在水面上的定位、导航和控制的技术。其原理是基于加速度计和陀螺仪等惯性传感器以INS 单元测量无人艇的加速度和角速度，对其进行积分得到无人艇的位置和姿态信息，从而实现无人艇的自主导航和控制[11]。相对于卫星导航系统等导航技术，惯性导航技术具有无需外部信号、不受信号干扰、高更新率、精度高等优点，其可通过不断积分测量加速度和角速度来自主计算出航向、位置和速度等信息[12]。
2.2 基于惯性导航技术的优缺点
惯性导航技术不依赖于外部信号源，可在没有GPS 信号或其他导航设备的情况下独立工作，作为卫星导航信号不稳定或丢失时的备用导航系统，提高无人水面艇的导航鲁棒性和可靠性。同时，在水域复杂环境下，考虑到水流和波浪等影响因素，惯性导航还可以作为无人水面艇的主要导航系统。通过提供高精度的位置、速度和姿态信息，实现定位和导航的高精度和高可靠性。通过实时地提供位置、速度和姿态信息，使得无人水面艇快速响应环境变化和控制指令，为无人水面艇在不同任务场景下提供可靠导航支持。例如，在海洋勘测任务中，无人水面艇通过惯性导航系统可在海洋中进行水质、海底地形等勘测任务，并记录勘测过程中的位置、角度和速度等信息，以便进行后续数据分析和处理。目前，研发的无人艇可利用高精度惯性导航系统以及电子罗盘等传感器设备，实现自动巡航和任务控制功能，已广泛应用于海洋勘测、海洋环境监测等领域。
但惯性导航也有其缺点，随着时间的推移，误差会逐渐增大，导致位置、速度和姿态信息的精度下降。由于惯性导航技术需使用高精度的惯性导航单元和数据处理器，成本较高，增加了无人水面艇的制造成本。此外，惯性导航技术复杂的数据处理和算法设计，需要专业的技术人员进行开发和维护。同时，惯性导航设备容易受到外部环境干扰，如震动、温度变化等，影响其精度和稳定性。
3.1 组合导航技术工作原理和特点
组合导航技术是指将多种导航系统集成在一起，通过互补性来提高导航的精度和可靠性。其中， 卫星导航系统和惯性导航系统是常用的组合导航系统。卫星导航系统可提供全球性的位置信息，但存在信号遮挡、干扰等问题。而惯性导航系统可提供精确的加速度、角速度等信息，但存在漂移问题。具体来说，基于组合导航的无人水面艇导航技术是指通过将多个传感器数据进行融合，从而实现精确且可靠的无人水面艇导航。相比单一传感器的导航技术，组合导航技术能够更好地解决单一传感器系统容易出现的精度不足或者失效等问题。基于组合导航的无人水面艇导航技术原理是将所使用的传感器数据进行滤波、处理、融合和校正，从而得出准确的位置和姿态信息。常用的传感器包括惯性导航单元（IMU）、声呐、激光雷达、电子罗盘等。其中，卫星导航系统主要用于提供位置信息，但在一些特定环境下，如海洋及山区等，卫星信号可能会受到干扰，从而导致位置误差增大。IMU 主要用于提供船体的姿态信息，但是在长时间的运动中，IMU 也容易出现漂移现象。常用的组合导航算法包括扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）等。
3.2 基于组合导航的优缺点
组合导航技术通过将多个传感器的数据进行融合，能够克服单一传感器存在的局限性，提高导航精度和可靠性。同时，利用卫星导航系统和惯导系统进行组合导航时，可成功执行定位、航迹设计、航迹跟踪、自主避障等任务，如图1 所示。通过利用惯导系统、GPS 卫星通信系统、相关硬件设备及信息处理单元实现无人水面艇控制。
图1 无人水面艇控制终端Fig. 1 Unmanned surface craft control terminal
目前无人水面艇组合导航技术还处于发展阶段，存在一些技术问题。如定位精度不够高、对外界因素（如风浪、漂流等）的容错性较差等。同时，组合导航需配备较为复杂的设备，成本较高。在遇到复杂环境和突发事件时，无人水面艇组合导航技术的适应性和处理能力尚待提高。
无人水面艇主要采用卫星定位、惯性导航和组合导航等导航技术。但目前无人水面艇导航技术仍然存在一些问题[13]。例如，卫星导航系统在某些情况下无法获得稳定的信号，导致定位不准确；
使用传统的惯性导航系统会受到噪声干扰和漂移等问题的影响，使得无人舰艇在长时间内的导航不够精确和稳定。如图2所示，在导航系统设计中，主要包括视觉感知增强模块、障碍物的自主识别模块以及自主避障模块，这些模块受传感器精度影响较大，因此会对导航精度产生很大影响。
图2 导航系统设计Fig. 2 Navigation system design
此外，组合导航技术需要摄像头、传感器等设备进行辅助，但这些设备在海上环境中易受到光线、水汽和波浪等因素的影响，导致精度降低。为保证无人水面艇执行任务高效性[14]，结合目前技术发展路线，无人水面艇导航技术发展趋势可概括为：
1）融合多种导航技术
为解决目前存在的问题，未来无人水面艇导航技术将更加注重融合多种导航技术。结合卫星导航、惯性导航、视觉导航等多种导航技术，可以有效提高无人水面艇的导航精度和可靠性。
2）人工智能技术应用
随着人工智能技术的不断发展，在无人水面艇导航技术中也会得到广泛应用。
对于无人水面艇的自主航行和控制，人工智能可以通过深度学习和规划算法等方法实现。例如，使用深度学习技术对海洋环境进行分析，进而预测海洋的状态和未来趋势，为无人舰艇提供更加准确和及时的导航信息。如图3 和图4 所示，通过利用人工智能等相关算法，实现在单目标及多目标障碍物下的自动避障及路径最优化设计。
图3 单目标避障示意图Fig. 3 Schematic diagram of single target obstacle avoidance
图4 多目标避障示意图Fig. 4 Schematic diagram of multi-objective obstacle avoidance
3）地面控制系统
无人水面艇的地面控制系统是其运行与控制的中枢，也是无人水面艇导航技术发展的关键。在未来，地面控制系统将更加注重实现多船协同控制和远程遥控等功能。同时，使用传感技术、云计算等手段，可以实现对无人水面艇的状态监控和数据处理等操作。
无人水面艇作为新一代可大规模部署进行海上智能化作业的工具，在军事侦察和民用监测等方面扮演重要角色。本文主要是针对无人水面艇导航系统展开研究，分别对基于卫星导航、惯性导航和组合导航等进行分析和总结。随着科学技术的快速发展以及国防装备的博弈竞争，对无人水面艇导航技术的精度需求越来越高，无人水面艇导航系统也正在向低成本和高精度的方向不断发展。同时，重要性难题的攻关与关键性技术的突破，也推动了无人水面艇导航系统的发展。
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