想象一下在夜深人静的时候在雷区中航行，敌方潜艇潜伏在深处。在这种高风险的环境中，自主水下航行器 (AUV) 正在证明自己的价值。
这些机器人探险家彻底改变了海军行动，为水下战争提供了关键优势。但是，这些 AUV 如何在 GPS 不起作用、每个角落都潜伏着危险的危险深处航行呢？
自主水下航行器 (AUV) 正在彻底改变海洋探索和研究，使科学家和研究人员能够以以前不可能的方式探索海洋深处。
从绘制海底地图到监测海洋生物和检查水下基础设施，AUV 在复杂的水下环境中独立运行。 AUV 操作最关键的方面之一是导航，由于水下缺乏传统的 GPS 信号，导航带来了独特的挑战。
在这篇文章中，我们将探讨 AUV 中使用的各种导航方法、它们面临的挑战以及水下导航技术的进步。
为什么 AUV 导航具有挑战性 由于以下几个因素，水下导航本质上比陆地或空中导航更加困难：
• 缺乏GPS： GPS信号不能很好地穿透水，这意味着AUV不能像陆地或空中航行器那样依赖卫星导航系统。
• 信号失真：水，尤其是盐水，会衰减电磁信号，使基于无线电和雷达的导航方法失效。
• 动态环境：水下环境不断变化，有海流、潮汐和变化的地形，这使得精确导航成为一项复杂的任务。
由于这些挑战，AUV 依靠创新技术的组合来准确确定其位置、速度和方向。
可用的多种导航技术使 AUV 能够适应各种水下任务和环境。根据具体要求，AUV 可以结合使用这些方法来实现最佳的定位和导航能力。
| 导航技术 | 描述 | 优点 | 缺点 |
| 惯性导航系统 | 通过使用加速度计和陀螺仪测量加速度和旋转运动来跟踪位置。根据最后已知位置计算位置。 | 独立且不依赖外部信号，非常适合水下使用。 | 随着时间的推移，会出现漂移、累积误差，如果不定期纠正，就会导致定位不准确。 |
| 深水层 | 使用声纳技术通过发射声脉冲并测量返回回声的多普勒频移来测量 AUV 相对于海底或水柱的速度。 | 提供实时速度数据，这对于动态环境中的导航至关重要。 | 精度取决于是否有坚实的底部作为参考，因此在距离海底太远的深水中可能无法有效工作。 |
| 声学定位 | 使用声波确定 AUV 的位置。 LBL 系统使用海底转发器网络来对 AUV 的位置进行三角测量。 | 在特定区域具有高度精确性，尤其是在策略性放置 LBL 应答器时。 | 需要设置和维护转发器网络，这使得它对于大规模或公海勘探不太实用。 |
| 基于声纳的 | 声纳系统（侧扫声纳、多波束回声测深仪）用于绘制海底地图并探测障碍物。将这些地图与预先存在的地图进行比较，以估计 AUV 的位置。 | 提供周围环境的详细信息，可用于实时导航和避障。 | 取决于预先存在的地图的质量，并且需要强大的处理能力。 |
| 航位推算 | 根据最后已知的位置、速度、方向和行驶时间计算当前位置。使用来自罗盘、速度计程仪和深度传感器等机载传感器的数据。 | 简单有效的短期导航。 | 错误会随着时间的推移而积累，导致长期任务的不准确。 |
| 磁力计 | 测量地球磁场以帮助 AUV 保持正确的航向。提供补充数据，特别是在具有独特磁性特征的区域。 | 提供基本方向所必需的航向信息。成本相对较低且易于集成。不受水体浑浊度或深度的影响。可以通过检测磁异常来帮助进行水下测绘。 | 容易受到金属结构或 AUV 本身的磁干扰。精确定位的精度有限；主要提供方向信息。地球磁场的变化会影响精度。 |
由于单个导航方法的局限性，AUV通常采用组合多个系统的综合方法。例如，AUV 可能使用 INS 进行一般定位，并通过来自 DVL 或 LBL 系统的声学定位数据定期进行校正。这个过程被称为传感器融合，有助于减轻个体弱点并提高整体导航精度。
随着 AUV 技术的进步，研究人员正在开发更复杂的导航方法，以增强其能力并使其能够在日益复杂的环境中运行。这些尖端技术的两个突出例子是地形辅助导航 (TAN) 和机器学习 (ML) 的应用。
想象一艘 AUV 滑过峡谷，其声纳创建周围水下地形的详细地图。这就是 TAN 的本质，其中 AUV 使用其机载声纳来“查看”水下景观，并将其与预先存在的地图或实时创建的地图进行比较。通过将其观察到的特征与地图上的已知特征进行匹配，AUV 可以准确地确定其位置。
• 提高精度：它为 INS 和航位推算等可能随时间漂移的其他导航方法提供了宝贵的校正机制。通过将声纳读数与已知地形特征进行比较，AUV 可以减少误差的积累并保持更准确的位置估计。
• 增强自主性： TAN 使 AUV 能够在充满挑战的环境中更加独立地运行。通过依靠对周围地形的感知，他们可以在不依赖外部信号或预先部署的基础设施的情况下进行导航。
• 增强安全性： TAN 可以帮助 AUV 避免与水下障碍物发生碰撞。通过识别岩石、珊瑚礁或沉船等特征，AUV 可以调整其航向，以在复杂的环境中安全航行。
机器学习正在给许多领域带来革命性的变化，AUV 导航也不例外。通过利用机器学习算法的力量，AUV 可以从经验中学习并适应不断变化的条件，使它们成为更加智能和高效的探索者。
• 预测导航：机器学习算法可以分析大量数据，包括洋流、潮汐和天气模式，以预测这些因素将如何影响 AUV 的轨迹。这使得 AUV 能够预测挑战并相应地调整其航向，从而提高效率并减少能耗。
• 自适应控制：机器学习可以使 AUV 适应其控制系统，以响应不断变化的环境条件。例如，如果 AUV 遇到强流或湍流，机器学习算法可以调整车辆的推进器和控制面以保持稳定性和航向。
• 避障： ML可以增强AUV检测和避障的能力。通过在水下图像和声纳数据的大型数据集上训练算法，AUV 可以学习识别和分类不同类型的物体，例如岩石、海洋生物或人造结构，从而使它们能够安全地穿过杂乱的环境。
• 传感器融合： ML 可以优化来自多个传感器的数据集成，例如 惯性传感器、INS、DVL、磁力计、重力传感器、声纳和摄像头。通过了解每个传感器的优点和缺点，机器学习算法可以以最大限度提高准确性和可靠性的方式组合数据。
TAN 和 ML 的集成代表了 AUV 导航的重大飞跃。这些先进技术为更加自主、适应性更强和智能的水下探险家铺平了道路。随着研究的继续和技术的成熟，我们可以预期AUV将在海洋探索、科学发现和水下作业中发挥更大的作用。
AUV 的准确导航能力对于广泛的应用至关重要，使它们能够执行对人类来说困难、危险或不可能的任务。以下是如何使用 AUV 导航解决现实问题的一些示例：
配备声纳和高分辨率摄像机的 AUV 正在改变水下考古领域。这些机器人探险家可以创建沉船和其他水下考古遗址的详细 3D 地图，在不干扰脆弱环境的情况下捕获复杂的细节。例如，AUV已被用来调查地中海的古罗马沉船，揭示货物、船体结构和其他文物，为了解古代贸易路线和造船技术提供了宝贵的见解。 AUV 的精确导航功能使考古学家能够以毫米级精度记录这些遗址，创建可供研究和与公众共享的虚拟重建。
在海上石油和天然气行业，AUV 在维护水下管道的完整性方面发挥着至关重要的作用。它们配备了传感器和摄像头，可以沿着管道导航，检查管道是否有腐蚀、裂纹或其他损坏。这对于防止泄漏和确保这些关键基础设施组件的安全运行至关重要。即使在强水流或能见度差的恶劣条件下，AUV 导航系统也可以沿着管道进行精确跟踪。这确保了全面的检查覆盖范围，并有助于在潜在问题升级为代价高昂且破坏环境的事件之前发现它们。
AUV 是海洋学研究的宝贵工具，使科学家能够从偏远和充满挑战的环境中收集数据。它们可以被编程为导航到特定的位置和深度，收集有关洋流、温度、盐度和海洋生物的信息。例如，
配备声学传感器的 AUV 可以跟踪鱼群、监测鲸鱼迁徙并绘制浮游生物的分布图。这些数据有助于科学家了解海洋生态系统的复杂动态，跟踪气候变化的影响，并制定管理海洋资源的可持续战略。
AUV 正在成为世界各地海军日益重要的工具，提供一系列增强海上安全和防御行动的能力。它们能够在充满挑战的水下环境中自主导航，这使得它们非常适合执行对于人类潜水员或载人船只而言过于危险或困难的任务。
以下是 AUV 导航的一些关键军事和国防应用：
• 水雷对策（MCM）：配备声纳的 AUV 可以探测水雷并对其进行分类，从而降低海军人员面临的风险。它们可以在浅水区、港口和其他经常布设水雷的区域作业，为扫雷行动提供关键情报。先进的 AUV 甚至可以配备消除水雷的工具，进一步提高其在保护海军资产和保护航道方面的价值。
• 反潜战（ASW）：可以部署AUV来探测和跟踪潜艇，为反潜战提供有价值的情报。它们安静地行动并覆盖大面积的能力使它们成为监视和侦察的有效工具。一些 AUV 正在开发中，能够部署针对潜艇的反制措施，从而增加针对水下威胁的另一层防御。
• 情报、监视和侦察 (ISR)： AUV 可以收集沿海水域和其他战略利益区域的关键情报。它们可以配备各种传感器来收集水下活动的数据，包括用于检测船只的声学传感器、用于捕获图像的摄像机以及用于监测水状况的环境传感器。这些信息可用于评估威胁、监控海上交通和支持海军行动。
• 快速环境评估（REA）：在部署潜水员或其他资产之前，AUV 可用于快速评估水下环境。它们可以收集有关水温、盐度、水流和障碍物的数据，为规划操作和确保人员安全提供重要信息。
• 海洋学调查： AUV 可以对海底进行详细调查，绘制水下地形图，识别潜在危险，并收集用于导航和制图目的的数据。这些信息对于海军舰艇和潜艇的安全航行至关重要。
• 降低人员风险： AUV 允许海军部队执行危险任务而不危及人员生命。
• 提高运行效率： AUV 可以长时间自主运行，覆盖大面积区域并收集大量数据，而无需持续的人工监督。
• 秘密行动： AUV 可以安静、谨慎地运行，使其成为不希望被发现的监视和侦察任务的理想选择。
• 进入具有挑战性的环境： AUV 可以进入密闭空间、深水以及潜水员或大型船只难以或不可能到达的其他区域。
随着技术的不断进步，AUV可能在军事和国防行动中发挥更大的作用，为维护海上安全和保护国家利益提供多功能且强大的工具。
航行在水下世界是一项具有挑战性的任务，但技术的进步使 AUV 的操作精度和效率不断提高。通过结合INS、DVL、声学定位和声纳测绘等多种导航方法，AUV 可以极其精确地探索海洋深处。
• 3DM-GX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DM-CV7-AHRS 战术级 OEM IMU/AHRS
• 3DM-GX5-AHRS 高性能姿态参考传感器
• 3DM-CV5-IMU 嵌入式惯性测量单元
