一种可用于消防员水下定位的双轴转位惯性导航定位技术
摘要：近年来消防救援队伍参与的水域救援任务逐年增多，而水下定位是水域救援领域的重要安全技术保障措施，基于此，分析了消防救援队伍水下定位装备的应用现状，结合常用水下定位技术的种类及优缺点，分析了双轴转位惯性导航定位技术的原理与优缺点，展望了相关水下定位技术在消防救援领域的应用前景。
随着全球极端天气的频发，洪水、城市内涝等灾害增多。仅2022年，我国共发生38次区域性暴雨过程，全国28 个省份626条河流发生超警戒以上洪水，全年洪涝灾害共造成3385.3万人次受灾，因灾死亡失踪171人，直接经济损失1289亿元[1]。水域救援工作任务紧迫、技术复杂、风险较大，需开展专业化训练，引进先进技术装备能提升救援能力与效率，减少救援人员伤亡事故的发生。
1消防救援队伍水下定位装备现状
按照救援形式分类，水域救援可分为岸际救援、水面救援和入水救援。其中，入水救援难度更大、更危险，需要面对水下更为复杂的救援环境，如暗流、低能见度、水下障碍物、高水压等各种不利因素，且开展入水救援时时间紧、任务重，而利用水下定位技术或装备让岸上消防指挥人员获取水下救援人员和被救援目标的实时位置，不仅能更好地保障消防救援人员的自身安全，还能提高水下搜救效率。
目前，消防救援队伍水域救援装备的配备主要依据消防救援局《关于推进抗洪抢险专业队伍建设的实施意见》中“抗洪抢险专业编队常规装备配备标准（试行）”。具备水下定位或目标搜寻的相关装备主要有手持式声纳探测仪、声纳式水下地形探测仪、水下声纳生命探测仪、水下搜救机器人、定位浮标、安全绳等。其中声呐类装备需要救援人员在获取的声呐图像中自行识别被救援人员、车船等救援目标，易受水下复杂环境干扰，救援目标与环境不易区分，对使用人员的操作和经验要求较高，且部分声呐类装备由各单位根据实际需要选配，一般仅配备在消防特勤支队或大队；部分水下搜救机器人通过光学、声呐方式识别水下被救援对象后，只能提供当前水深信息，无法提供机器人的水下三维实时位置，需结合定位浮标来进一步标识水下救援位置；消防潜水人员目前未广泛配备可提供救援人员水下实时位置的定位装置，一般连接安全绳入水，通过安全绳的长度和绳语向岸上安全员标识入水距离和进行简单沟通，但该方式只能粗略提供潜水员的相对距离，而且在复杂环境中开展水域救援时，一旦安全绳缠住潜水员或水下障碍物，如无法及时脱离，可能导致安全事故[2]。
2水下定位技术发展现状
水下定位是提供水下目标的姿态、速度、位置等信息的技术，目前水下定位主要采用惯性导航技术、多普勒计程技术、水声学技术、地球物理等技术，通过相关算法解算目标在水下的位置信息[3]。
2.1 惯性导航定位技术
在水下环境中，由于GPS信号无法穿透水面，传统的卫星导航系统在水下无法提供定位服务，惯性导航水下定位技术的应用成为一种重要的解决方案。该技术使用加速度计测量物体的线性加速度，陀螺仪则测量物体的角速度。通过对这些测量值进行积分运算，可以得到物体的位置、速度和姿态信息[4]。在水下环境中，惯性导航不依赖于外部信号源，能够独立进行定位和导航。但是由于惯性传感器测量误差的积累，随着时间的推移，定位误差会逐渐增大。
2.2 航位推算定位技术
航位推算是一种基于航行参数推算的水下定位方法，它利用航行器的起始位置、速度和姿态信息来估计当前位置。起始位置被认为是已知的初始点，然后通过测量航行器的速度和航向信息，通过积分运算来计算出航行器在每个时间段内移动的距离和方向。目前，航位推算技术广泛采用多普勒计程仪作为测速传感器[5]。多普勒计程仪基于速度变化测量多普勒频移，如果速度变化不稳定或存在较大的噪声，将导致定位误差的积累；对于低速移动的情况，其灵敏度较低；并且只能测量速度变化的方向，无法提供绝对的方向信息。多普勒计程仪能够提供较高精度的载体速度信息，因此其主要用于实时修正惯性导航系统的速度测量误差，并与惯性导航系统组合使用。
2.3 地球物理导航定位技术
海洋地球物理导航定位是一种利用海洋的地球物理属性进行定位和导航的方法[6]。通过测量和分析海洋中的磁力场、重力场和海底地形等特征，可以获取海洋环境的空间位置信息。在航行过程中，载体搭载地球物理属性传感器，实时采集海洋的物理属性数据，将这些数据与预先建立的地球物理导航参考图进行比对和匹配，从而确定当前位置。海洋地球物理导航定位方法具有独立性和抗干扰性，不受卫星信号覆盖限制，能够在各种海洋环境下实时实现准确的定位和导航。
2.4 水声定位技术
水声定位技术是一种利用声波在水中传播的特性进行定位和测距的方法。通过测量声波信号从发射源到接收器的传播时间延迟，可以计算出目标物体与声源之间的距离[7]。同时，通过分析接收到的声波信号的强度和相位等参数，可以进一步确定目标物体的方向和位置。水声定位在水下环境中具有较高的准确性和可靠性，并且不受天气条件和遮挡的影响。然而，水声信号在水中的传播受到水质、水温、海流和海底地形等因素的影响，可能导致信号的衰减、散射和多径效应。水声定位还需要事先布置单个或多个换能器单位，只能在其水声基阵的范围内正常工作。声呐发射和基阵装置的体积较大，不方便潜水员个人携带，工作环境受限。
2.5 水下组合定位技术
由于单一的水下定位技术都存在一定的局限性，仅依赖单一技术无法满足现代水下定位的全面需求。因此，组合导航定位技术应运而生。该技术的核心是捷联惯性导航技术，它结合了多普勒计程仪、地形匹配导航、重力导航、海洋地磁导航、声学导航等辅助技术，旨在利用高精度导航技术修正随时间累积的惯性导航系统误差，提供更准确、可靠的水下定位解决方案[8]。现代控制理论中的卡尔曼滤波技术以及数字计算机的发展为组合导航提供了理论分析基础和硬件实现条件，推动了组合导航技术的发展。通过多源定位信息的融合，组合导航技术能够实现低成本、稳定连续和高精度的水下定位功能。水下组合定位技术实现了在水下环境中长时间、高精度、高可靠性和小型化等多方面需求。
3基于双轴转位的惯性导航定位技术
传统的惯性导航定位系统由于惯性传感器的漂移，特别是陀螺仪的漂移，严重降低了惯性导航系统的性能，采用“转位”技术，在惯性积分过程中，对垂直于转位轴的惯性传感器的恒定偏置和缓慢变化的漂移进行平均，可改善独立惯性导航系统的定位性能[9]。
3.1 简单的双轴转位惯性导航定位系统
双轴转位惯性导航定位系统主要由机械外壳、电源、内转位框架、外转位框架、惯性测量单元组件组成。
转位式惯性导航定位系统的基本原理是周期性地旋转整个惯性测量单元，并在惯性计算的积分过程中平均化惯性传感器的漂移。在单轴转位系统中，如果方位轴被配置为转位轴，只有两个陀螺仪（图1中的X陀螺仪和Y陀螺仪）和加速度计（图1中的X加速度计和Y加速度计）的漂移可以被平均化，但Z 向陀螺和加速度计的漂移仍不能被消除[10]。该系统通过配置一个横滚转轴平均掉了X、Y向陀螺和加速度计的误差，降低了对传感器的精度要求，提高了系统的性能，但代价是因为加入转轴增加了系统的复杂性。
在双轴转位惯性导航定位系统中，惯性测量单元沿两个垂直方向交替旋转，就可同时平均X、Y、Z方向陀螺和加速度计的误差，具体方案如下：假定惯性测量单元的初始角度位置在A处，旋转速率为
，沿转轴按右手规则旋转定义为正向转动，一个简单的双轴转位序列可以描述如下：（1）沿着 U 轴正方向旋转 180°，到达 B 位置，并在 B 位置停留 Ts 秒 ；（2）沿 E 轴正方向旋转 180°，到达 C 位置，并在 C位置停留 Ts 秒 ；（3）沿 U 轴负方向旋转 180°，到达 D 位置，并在 D 位置停留 Ts 秒；（4）沿 E 轴负方向旋转 180°，到达 A 位，并在 A 位置保持 Ts 秒。转位序列（5）～（8）与（1）～（4）相同，但旋转方向相反。上述转位过程见图 2 所示。
以陀螺仪的误差为例，上述转位方案的误差调制效应效果可分析如下：在惯性导航系统中，由陀螺仪漂移引入的姿态误差可表示为：
由公式（1）可以得出，在旋转过程中姿态转换矩阵在周期性的发生变化，其等效结果是陀螺漂移被周期性的调制正负号，其结果是在一个完整的调制周期中陀螺仪的误差积分结果为零，因而不会带来累计的姿态误差。
上述分析结果可以得出，该简单双轴转位方案可以将所有惯性传感器的漂移误差平均化，不会激励惯性传感器的比例因子误差；但该方案将激励惯性传感器的安装误差和惯性传感器比例因子的不对称误差。
3.2 16位双轴转位惯性导航定位系统
进一步增加转位序列，可在消除惯性传感器漂移误差的同时，进一步消除惯性传感器的安装误差和比例因子不对称误差，该方案共有16个转位序列，因此称为16位双轴转位方案，转位序列见图3所示。
在这个16位转位方案中，感知滚动转位的水平陀螺和感知方位角转位的垂直陀螺分别在前8个转位序列和后8个转位序列中感知相反的角速率，因此在一个完整的转位周期中，比例因子不对称误差可以自然抵消。
利用3.1节中的分析方法，对图3所示的16位双轴转位方案进行分析，可以得出，由陀螺仪漂移、陀螺仪比例因子误差和陀螺仪安装误差引入的姿态误差在一个完整的转位周期中都是零。因此，该16个转位序列的双轴转位方案可以将所有的陀螺仪漂移平均化，同时不会激励陀螺仪比例系数误差、比例因子的不对称误差和陀螺仪的安装误差，是一种精度较高的惯性导航定位方案。
由于惯性传感器的漂移、比例系数和安装误差可能会随着时间的推移而变化，因此惯性导航定位系统需要定期对惯性测量单元进行重新标定，以保持系统的定位精度。传统的捷联式惯性测量单元重新标定较为复杂的，需在工厂或实验室中使用多轴速率表等工具来进行校准。但双轴转位系统由于包含两个方向垂直的旋转轴系统，可在使用现场进行自标定。双轴转位系统的自标定可以通过使用卡尔曼滤波技术来实现，但标定过程中应该进行多位置和旋转测试，以激活和分离加速度计与陀螺仪的不同误差源。
目前，16位双轴转位惯性导航定位技术仍存在以下不足和需要改进的地方：
①双轴实现的转位方案只能隔离两个方向的角运动，为了完全隔离所有方向上的角运动，应该在系统中采用精度更高的三轴旋转方案。然而，随着旋转轴数的进一步增加，转位系统的复杂程度、体积、重量和成本也会显著增加，但综合性能和定位精度提升有限。因此，受限于目前微机电系统的技术水平，根据小型化、轻量化的消防水下救援定位应用需求，采用双轴转位的惯性导航定位系统是较为合理的技术方案。随着微机电系统技术水平的发展，后期如能在现有尺寸中进一步增加转轴数并提升惯性传感器的传感精度，转位惯性导航定位技术的定位精度还能进一步提升。
②由于地球自身的旋转，双轴转位惯性导航定位系统测量过程中会不可避免地受地球的旋转速率影响，因此测量过程中惯性传感器的比例系数和安装误差会与地球速率耦合，导致引入一定的导航误差并逐渐累积。虽然该系统采用了16位转位方案，具有一定的自校准能力，但为了获得持续的高定位精度，该系统在长时间使用后还应重新进一步进行校准，以确保惯性传感器误差参数的准确性。
③单一的水下定位技术较难长时间保障定位系统的精度，目前水下定位技术一般采用组合水下定位技术，在不显著增加体积和重量的前提下，双轴转位惯性导航定位系统如果能结合其他水下定位技术，能进一步弥补单一水下定位技术的缺点，提升系统的整体性能。
最后，通过在游泳池中模拟消防救援人员的水下搜救过程，实验人员分别佩戴传统捷联式惯性导航定位系统和16 位双轴转位惯性导航定位系统进行了对比实验测试。分析实验结果发现，16位双轴转位惯性导航定位系统的定位误差主要是以缓慢发散的方式进行振荡。定位误差的缓慢振荡反映出系统因采用16位双轴转位技术平均了惯性传感器的大部分常值误差，而缓慢的发散来自惯性测量单元的随机误差，即陀螺仪的角度随机游走和加速度计的速度随机游走。但对比捷联式惯性导航定位系统，位置误差峰值减小了81.3%，位置误差均方根值减小了95.3%，速度误差峰值减小了65.2%，速度误差均方根值减小了91.8%，虽然转位式惯性导航定位系统的体积有所增大，但系统的水下定位精度有了显著提升。
4结语
改制转隶后，国家综合性消防救援队伍面对“全灾种、大应急”的职能任务需要，需不断提升救援技战术与救援装备的技术水平。水下定位技术是消防救援队伍水域救援领域中的重要技术措施之一，亟须小型化、轻量化、操作简便的水下人员或目标定位装置，目前可完全满足上述需求并在消防救援领域配备和应用的水下定位装备较少。基于16位双轴转位机构的惯性导航定位技术可进一步消除传统惯性导航定位系统的定位误差，自主定位精度更高，如进一步结合其他水下定位技术，可继续改进、完善出适用于消防水域救援的小型化、轻量化水下定位装备，为消防救援人员的水下打捞、水下搜救和水下作业提供技术保障。
