污水處理設(shè)備 污泥處理設(shè)備 水處理過(guò)濾器 軟化水設(shè)備/除鹽設(shè)備 純凈水設(shè)備 消毒設(shè)備|加藥設(shè)備 供水/儲(chǔ)水/集水/排水/輔助 水處理膜 過(guò)濾器濾芯 水處理濾料 水處理劑 水處理填料 其它水處理設(shè)備
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閱讀：54發(fā)布時(shí)間：2022-11-15
海洋中蘊(yùn)含著大量的礦產(chǎn)資源、海水化學(xué)資源、海洋生物資源、海洋能和海洋空間資源。隨著陸地能源緊張與人口激增這一矛盾的日益突出, 海洋探索與開(kāi)發(fā)成為國(guó)際各領(lǐng)域炙手可熱的研究方向, 也是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。我國(guó)也將海洋開(kāi)發(fā)和海洋安全提升到了的高度, 并提出了海洋強(qiáng)國(guó)等戰(zhàn)略。對(duì)海洋的探索和開(kāi)發(fā)離不開(kāi)*海洋科學(xué)技術(shù)的支撐。水下機(jī)器人是探索和開(kāi)發(fā)海洋的重要運(yùn)載平臺(tái)之一, 亦是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、捍衛(wèi)國(guó)家安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的國(guó)之重器。相比于有纜控制的水下機(jī)器人, 自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)不需要母船支持, 具有更廣闊的應(yīng)用前景。AUV綜合了水聲通信、智能控制、能量存儲(chǔ)、多傳感器測(cè)量與信息融合等*技術(shù), 以其自主性好、靈活性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、活動(dòng)范圍廣及隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn), 在海洋探索與開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用。
水下導(dǎo)航技術(shù)為AUV提供準(zhǔn)確的位置、速度和姿態(tài)信息, 是決定AUV能否準(zhǔn)確抵達(dá)預(yù)定地點(diǎn), 順利完成任務(wù)并安全返回的關(guān)鍵。與陸地或空中運(yùn)載體的導(dǎo)航系統(tǒng)不同, 受水介質(zhì)對(duì)無(wú)線電波的強(qiáng)烈吸收效應(yīng)的影響, 以衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法在水下使用。因此, 合理配備水下導(dǎo)航設(shè)備及靈活應(yīng)用各類水下導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)AUV自主導(dǎo)航的關(guān)鍵。常見(jiàn)的水下導(dǎo)航技術(shù)主要包括捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)、水下聲學(xué)定位與導(dǎo)航技術(shù)、地球物理導(dǎo)航技術(shù)及水下協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)4大類。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(strap-down iner- tial navigation system, SINS)以其自主性、連續(xù)性、隱蔽性等特點(diǎn), 常作為AUV的主導(dǎo)航系統(tǒng), 但其誤差隨時(shí)間累積。水下聲學(xué)測(cè)速與定位技術(shù)又可分為多普勒速度計(jì)程儀(Doppler velocity log, DVL)與水聲定位系統(tǒng)2類。DVL是基于聲吶多普勒效應(yīng)的測(cè)速設(shè)備, 測(cè)得載體相對(duì)于海底或海水層的速度, 能提供較高精度的載體速度信息, 且其誤差不隨時(shí)間積累, 但容易出現(xiàn)對(duì)地失鎖現(xiàn)象。水聲定位系統(tǒng)按照水聲基陣的基線長(zhǎng)度分類可分為長(zhǎng)基線(long base line, LBL)、短基線(short base line, SBL)和超短基線(ultra-Short base line, USBL)3種, 可為AUV提供位置信息。這3種基線系統(tǒng)的布放及回收復(fù)雜度、體積尺寸、定位精度等各不相同, 比如LBL水聲基陣布放、回收工作繁瑣, SBL和USBL的作用范圍和精度均有限。地球物理導(dǎo)航系統(tǒng)是利用地球本身物理特征進(jìn)行導(dǎo)航的技術(shù), 以地形匹配、地磁匹配和重力匹配3類為主, 具有自主性強(qiáng)、隱蔽性好、不受地域和時(shí)間限制等特點(diǎn), 但需要提前采集、建立相應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)。協(xié)同導(dǎo)航通過(guò)獲得輔助信標(biāo)的相對(duì)距離或方位信息, 然后根據(jù)AUV自身位置信息與相對(duì)距離或方位信息進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航, 可獲得更高的導(dǎo)航定位精度。合理配備上述導(dǎo)航技術(shù), 并對(duì)不同導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信息進(jìn)行有效融合, 進(jìn)而獲得比單一導(dǎo)航系統(tǒng)精度更高、可靠性更強(qiáng)的導(dǎo)航方案是AUV水下導(dǎo)航的核心問(wèn)題。
文中回顧了現(xiàn)有主流的AUV水下導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù), 包括DVL測(cè)速技術(shù)、LBL/SBL/USBL水聲定位導(dǎo)航技術(shù)、地形輔助導(dǎo)航技術(shù)、地磁輔助導(dǎo)航技術(shù)、重力輔助導(dǎo)航技術(shù)及協(xié)同導(dǎo)航技術(shù), 介紹了相關(guān)導(dǎo)航技術(shù)的基本原理及發(fā)展?fàn)顩r, 分析并歸納了各技術(shù)在水下自主導(dǎo)航中存在的關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn), 最后對(duì)AUV水下導(dǎo)航技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
1基于SINS/聲學(xué)的AUV自主導(dǎo)航
1.1 基于SINS/DVL的AUV自主導(dǎo)航技術(shù)
DVL是基于聲吶多普勒效應(yīng)的測(cè)速設(shè)備, 能提供較高精度的載體速度信息, 且其誤差不隨時(shí)間積累, 抗力強(qiáng)。因此在AUV自主導(dǎo)航中, DVL可作為抑制SINS積累誤差的重要輔助手段。DVL測(cè)速的配置分為3種: 單波束配置、雙波束Janus配置和四波束Janus配置, 其配置的測(cè)速原理。
1.2 基于SINS/水聲定位的AUV自主導(dǎo)航技術(shù)
相對(duì)于電磁波而言, 聲波在海水中傳播的衰減效應(yīng)要小的多。因此, 水聲定位技術(shù)在AUV自主導(dǎo)航中扮演著重要的角色。水聲定位系統(tǒng)按基線長(zhǎng)度分類可分為L(zhǎng)BL、SBL和USBL 3種。LBL的基線長(zhǎng)度可與海深相比擬, 基陣由多個(gè)分布于海床上的應(yīng)答器組成, 定位精度高, 適合在大面積作業(yè)區(qū)域內(nèi)使用; 但其數(shù)據(jù)更新率較低, 應(yīng)答器的布放、校準(zhǔn)以及回收、維護(hù)都異常繁瑣, 作業(yè)成本高[36]。SBL的基線長(zhǎng)度一般為幾米到幾十米之間, 各基元分布在船底或船舷上。受基線長(zhǎng)度限制, SBL的精度介于LBL和USBL之間, 且其跟蹤范圍較小, 更適合于在母船附近的AUV導(dǎo)航定位。USBL的基陣可以集成于一個(gè)緊湊的整體單元內(nèi), 基線長(zhǎng)度為分米級(jí)或小于等于半波長(zhǎng), 其體積尺寸最小, 可方便地安置于流噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲均較弱的某個(gè)有利位置, 且布放、回收極為便捷, 因此, USBL受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。但USBL的精度低于LBL和SBL, 且定位精度非常依賴于深度傳感器、姿態(tài)傳感器等外圍設(shè)備, 如何提高USBL的定位精度成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
2地球物理場(chǎng)導(dǎo)航技術(shù)
2.1 地形輔助導(dǎo)航
地形輔助導(dǎo)航是一種自主性強(qiáng)、隱蔽性好的水下導(dǎo)航方法, 其基本原理。該方法的實(shí)現(xiàn)首先需要對(duì)任務(wù)海域的水下地形進(jìn)行勘測(cè), 并依據(jù)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建出該海域的水下三維基準(zhǔn)數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)[57]。在執(zhí)行任務(wù)時(shí), 將AUV獲得的當(dāng)前海域?qū)崟r(shí)地形信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的基準(zhǔn)數(shù)字地形圖進(jìn)行匹配運(yùn)算, 從而確定出AUV的當(dāng)前位置, 并利用獲得的位置信息對(duì)SINS的誤差進(jìn)行修正和補(bǔ)償。從理論上講, 該方法與AUV的航行時(shí)間和航行距離沒(méi)有關(guān)系, 可以保證AUV在水下長(zhǎng)時(shí)間航行之后, 能夠準(zhǔn)確地到達(dá)任務(wù)部署水域, 并順利完成任務(wù)。
2.2 地磁輔助導(dǎo)航
與上述地形輔助導(dǎo)航類似, 水下地磁導(dǎo)航首先需要獲取任務(wù)海域的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并提取出磁場(chǎng)特征值, 繪制成參考圖存儲(chǔ)在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中。當(dāng)AUV經(jīng)過(guò)任務(wù)海域時(shí), 根據(jù)SINS實(shí)時(shí)輸出的位置信息, 對(duì)預(yù)先存儲(chǔ)在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中的參考地磁圖進(jìn)行索引, 得到當(dāng)前位置處的地磁參考值, 并通過(guò)地磁輔助導(dǎo)航算法將該地磁參考值與實(shí)際地磁場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行匹配得到準(zhǔn)確位置信息, 進(jìn)而對(duì)SINS誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。地磁輔助導(dǎo)航原理示意。
2.3 重力輔助導(dǎo)航
重力輔助導(dǎo)航是利用地球重力特征信息匹配出載體位置, 并對(duì)SINS的導(dǎo)航誤差進(jìn)行修正, 從而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的技術(shù)。它具有自主性強(qiáng)、隱蔽性好、不受地域和時(shí)間限制、定位精度高等特點(diǎn)。重力輔助導(dǎo)航目前已被廣泛應(yīng)用于水下航行器導(dǎo)航, 但是重力儀及重力梯度儀的質(zhì)量和體積都比較大, 無(wú)法滿足AUV的安裝要求。隨著重力測(cè)量設(shè)備儀器小型化的發(fā)展, 未來(lái)可以考慮在AUV上應(yīng)用重力匹配導(dǎo)航。
3協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)
3.1 基本原理及研究背景
AUV通過(guò)相互通信共享信息進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航, 可以提高AUV的水下導(dǎo)航精度[2, 108]。然而, AUV的水下協(xié)同導(dǎo)航仍然受通信帶寬、傳輸延遲、洋流、水下干擾及擴(kuò)展受限等問(wèn)題的挑戰(zhàn), 是當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2, 6]。AUV協(xié)同導(dǎo)航的工作示意
3.2 協(xié)同導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)
3.2.1 協(xié)同導(dǎo)航編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法
3.2.2 協(xié)同導(dǎo)航濾波算法
3.2.3 協(xié)同導(dǎo)航誤差建模與補(bǔ)償方法
4總結(jié)和展望
水下環(huán)境復(fù)雜多變, AUV在不同的工作環(huán)境下需要不同的組合導(dǎo)航方法。在淺海域中, SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)和SINS/USBL組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航任務(wù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)(地磁、地形、重力)范圍之內(nèi), 利用地球物理特性作為輔助導(dǎo)航的組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)快速匹配來(lái)在全部海域?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航定位。多AUV通過(guò)共享方位和位置等信息進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航, 有效抑制了水下導(dǎo)航誤差發(fā)散的問(wèn)題。
同樣, 面對(duì)復(fù)雜多變的水下環(huán)境, AUV在選擇不同的組合導(dǎo)航方法時(shí)也面臨了各種問(wèn)題, 給科研工作帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)?；诼晠鹊膶?dǎo)航定位方法難免會(huì)受到水聲多徑效應(yīng)、聲速時(shí)變等因素的影響。此外, 水下洋流、潮汐等效應(yīng)會(huì)對(duì)AUV的穩(wěn)定性造成擾動(dòng), 這都會(huì)導(dǎo)致水下噪聲的時(shí)變和不確定性, 以及建模誤差較大和量測(cè)野值等現(xiàn)象。因此, 如何綜合利用多種海洋信息, 抵消或者降低海洋特殊水下環(huán)境所導(dǎo)致的影響, 將是進(jìn)一步提高AUV自主導(dǎo)航定位精度的重要研究方向。
綜上可知, 未來(lái)研究方向主要有: 1) 輔助導(dǎo)航信息融合時(shí), 改善匹配算法的快速性和準(zhǔn)確性; 2) 利用地球物理特性作為輔助導(dǎo)航時(shí), 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建方法; 3) 在保持導(dǎo)航精度的前提下, 降低導(dǎo)航成本; 4) 在軍事領(lǐng)域中, 提高AUV的隱蔽性。
隨著處理器制造技術(shù)和制作工藝的發(fā)展, 計(jì)算能力與日俱增, 這使得AUV以慣性導(dǎo)航為主, 以DVL、水聲定位系統(tǒng)、地形輔助導(dǎo)航、地磁輔助導(dǎo)航以及重力輔助導(dǎo)航等多種導(dǎo)航手段為輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。多種組合導(dǎo)航技術(shù)和多AUV協(xié)同導(dǎo)航對(duì)比
5結(jié)束語(yǔ)
縱觀當(dāng)今的國(guó)際形勢(shì), 加快海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè), 推進(jìn)海洋事業(yè)的迅猛發(fā)展勢(shì)在必行, 而AUV導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展作為其中一環(huán)至關(guān)重要。文中從實(shí)際需求出發(fā), 討論了目前主流的AUV水下導(dǎo)航定位技術(shù), 包以DVL、LSL/SBL/USBL為代表的水聲測(cè)速與定位系統(tǒng); 以地形匹配、地磁匹配以及重力匹配為代表的地球物理模型導(dǎo)航系統(tǒng), 協(xié)同導(dǎo)航等多種水下導(dǎo)航定位方式。結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展, 總結(jié)了各種導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題和目前存在的技術(shù)難點(diǎn), 并針對(duì)性的給出相應(yīng)的解決思路?？傮w來(lái)說(shuō), 未來(lái)AUV水下導(dǎo)航與定位技術(shù)仍將以慣導(dǎo)為主、多種導(dǎo)航技術(shù)為輔, 向著智能化、全源化、高精度、強(qiáng)魯棒性及實(shí)時(shí)性等方向發(fā)展, 在軍事和民用領(lǐng)域都將發(fā)揮更強(qiáng)大的作用。
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