謝樂濤

摘要：近年來消防救援隊伍參與的水域救援任務逐年增多，而水下定位是水域救援領域的重要安全技術保障措施，基于此，分析了消防救援隊伍水下定位裝備的應用現狀，結合常用水下定位技術的種類及優(yōu)缺點，分析了雙軸轉位慣性導航定位技術的原理與優(yōu)缺點，展望了相關水下定位技術在消防救援領域的應用前景。

關鍵詞：消防救援；水域救援；水下定位；雙軸轉位；慣性導航定位

隨著全球極端天氣的頻發(fā)，洪水、城市內澇等災害增多。僅2022年，我國共發(fā)生38次區(qū)域性暴雨過程，全國28個省份626條河流發(fā)生超警戒以上洪水，全年洪澇災害共造成3385.3萬人次受災，因災死亡失蹤171人，直接經濟損失1289億元[1]。水域救援工作任務緊迫、技術復雜、風險較大，需開展專業(yè)化訓練，引進先進技術裝備能提升救援能力與效率，減少救援人員傷亡事故的發(fā)生。

1 消防救援隊伍水下定位裝備現狀

按照救援形式分類，水域救援可分為岸際救援、水面救援和入水救援。其中，入水救援難度更大、更危險，需要面對水下更為復雜的救援環(huán)境，如暗流、低能見度、水下障礙物、高水壓等各種不利因素，且開展入水救援時時間緊、任務重，而利用水下定位技術或裝備讓岸上消防指揮人員獲取水下救援人員和被救援目標的實時位置，不僅能更好地保障消防救援人員的自身安全，還能提高水下搜救效率。

目前，消防救援隊伍水域救援裝備的配備主要依據消防救援局《關于推進抗洪搶險專業(yè)隊伍建設的實施意見》中“抗洪搶險專業(yè)編隊常規(guī)裝備配備標準（試行）”。具備水下定位或目標搜尋的相關裝備主要有手持式聲納探測儀、聲納式水下地形探測儀、水下聲納生命探測儀、水下搜救機器人、定位浮標、安全繩等。其中聲吶類裝備需要救援人員在獲取的聲吶圖像中自行識別被救援人員、車船等救援目標，易受水下復雜環(huán)境干擾，救援目標與環(huán)境不易區(qū)分，對使用人員的操作和經驗要求較高，且部分聲吶類裝備由各單位根據實際需要選配，一般僅配備在消防特勤支隊或大隊；部分水下搜救機器人通過光學、聲吶方式識別水下被救援對象后，只能提供當前水深信息，無法提供機器人的水下三維實時位置，需結合定位浮標來進一步標識水下救援位置；消防潛水人員目前未廣泛配備可提供救援人員水下實時位置的定位裝置，一般連接安全繩入水，通過安全繩的長度和繩語向岸上安全員標識入水距離和進行簡單溝通，但該方式只能粗略提供潛水員的相對距離，而且在復雜環(huán)境中開展水域救援時，一旦安全繩纏住潛水員或水下障礙物，如無法及時脫離，可能導致安全事故[2]。

2 水下定位技術發(fā)展現狀

水下定位是提供水下目標的姿態(tài)、速度、位置等信息的技術，目前水下定位主要采用慣性導航技術、多普勒計程技術、水聲學技術、地球物理等技術，通過相關算法解算目標在水下的位置信息[3]。

2.1? 慣性導航定位技術

在水下環(huán)境中，由于GPS信號無法穿透水面，傳統(tǒng)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)在水下無法提供定位服務，慣性導航水下定位技術的應用成為一種重要的解決方案。該技術使用加速度計測量物體的線性加速度，陀螺儀則測量物體的角速度。通過對這些測量值進行積分運算，可以得到物體的位置、速度和姿態(tài)信息[4]。在水下環(huán)境中，慣性導航不依賴于外部信號源，能夠獨立進行定位和導航。但是由于慣性傳感器測量誤差的積累，隨著時間的推移，定位誤差會逐漸增大。

2.2? 航位推算定位技術

航位推算是一種基于航行參數推算的水下定位方法，它利用航行器的起始位置、速度和姿態(tài)信息來估計當前位置。起始位置被認為是已知的初始點，然后通過測量航行器的速度和航向信息，通過積分運算來計算出航行器在每個時間段內移動的距離和方向。目前，航位推算技術廣泛采用多普勒計程儀作為測速傳感器[5]。多普勒計程儀基于速度變化測量多普勒頻移，如果速度變化不穩(wěn)定或存在較大的噪聲，將導致定位誤差的積累；對于低速移動的情況，其靈敏度較低；并且只能測量速度變化的方向，無法提供絕對的方向信息。多普勒計程儀能夠提供較高精度的載體速度信息，因此其主要用于實時修正慣性導航系統(tǒng)的速度測量誤差，并與慣性導航系統(tǒng)組合使用。

2.3? 地球物理導航定位技術

海洋地球物理導航定位是一種利用海洋的地球物理屬性進行定位和導航的方法[6]。通過測量和分析海洋中的磁力場、重力場和海底地形等特征，可以獲取海洋環(huán)境的空間位置信息。在航行過程中，載體搭載地球物理屬性傳感器，實時采集海洋的物理屬性數據，將這些數據與預先建立的地球物理導航參考圖進行比對和匹配，從而確定當前位置。海洋地球物理導航定位方法具有獨立性和抗干擾性，不受衛(wèi)星信號覆蓋限制，能夠在各種海洋環(huán)境下實時實現準確的定位和導航。

2.4? 水聲定位技術

水聲定位技術是一種利用聲波在水中傳播的特性進行定位和測距的方法。通過測量聲波信號從發(fā)射源到接收器的傳播時間延遲，可以計算出目標物體與聲源之間的距離[7]。同時，通過分析接收到的聲波信號的強度和相位等參數，可以進一步確定目標物體的方向和位置。水聲定位在水下環(huán)境中具有較高的準確性和可靠性，并且不受天氣條件和遮擋的影響。然而，水聲信號在水中的傳播受到水質、水溫、海流和海底地形等因素的影響，可能導致信號的衰減、散射和多徑效應。水聲定位還需要事先布置單個或多個換能器單位，只能在其水聲基陣的范圍內正常工作。聲吶發(fā)射和基陣裝置的體積較大，不方便潛水員個人攜帶，工作環(huán)境受限。

2.5? 水下組合定位技術

由于單一的水下定位技術都存在一定的局限性，僅依賴單一技術無法滿足現代水下定位的全面需求。因此，組合導航定位技術應運而生。該技術的核心是捷聯(lián)慣性導航技術，它結合了多普勒計程儀、地形匹配導航、重力導航、海洋地磁導航、聲學導航等輔助技術，旨在利用高精度導航技術修正隨時間累積的慣性導航系統(tǒng)誤差，提供更準確、可靠的水下定位解決方案[8]。現代控制理論中的卡爾曼濾波技術以及數字計算機的發(fā)展為組合導航提供了理論分析基礎和硬件實現條件，推動了組合導航技術的發(fā)展。通過多源定位信息的融合，組合導航技術能夠實現低成本、穩(wěn)定連續(xù)和高精度的水下定位功能。水下組合定位技術實現了在水下環(huán)境中長時間、高精度、高可靠性和小型化等多方面需求。

3 基于雙軸轉位的慣性導航定位技術

傳統(tǒng)的慣性導航定位系統(tǒng)由于慣性傳感器的漂移，特別是陀螺儀的漂移，嚴重降低了慣性導航系統(tǒng)的性能，采用“轉位”技術，在慣性積分過程中，對垂直于轉位軸的慣性傳感器的恒定偏置和緩慢變化的漂移進行平均，可改善獨立慣性導航系統(tǒng)的定位性能[9]。

3.1? 簡單的雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)

雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)主要由機械外殼、電源、內轉位框架、外轉位框架、慣性測量單元組件組成。

轉位式慣性導航定位系統(tǒng)的基本原理是周期性地旋轉整個慣性測量單元，并在慣性計算的積分過程中平均化慣性傳感器的漂移。在單軸轉位系統(tǒng)中，如果方位軸被配置為轉位軸，只有兩個陀螺儀（圖1中的X陀螺儀和Y陀螺儀）和加速度計（圖1中的X加速度計和Y加速度計）的漂移可以被平均化，但Z向陀螺和加速度計的漂移仍不能被消除[10]。該系統(tǒng)通過配置一個橫滾轉軸平均掉了X、Y向陀螺和加速度計的誤差，降低了對傳感器的精度要求，提高了系統(tǒng)的性能，但代價是因為加入轉軸增加了系統(tǒng)的復雜性。

在雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)中，慣性測量單元沿兩個垂直方向交替旋轉，就可同時平均X、Y、Z方向陀螺和加速度計的誤差，具體方案如下：假定慣性測量單元的初始角度位置在A處，旋轉速率為，沿轉軸按右手規(guī)則旋轉定義為正向轉動，一個簡單的雙軸轉位序列可以描述如下：（1）沿著U軸正方向旋轉180°，到達B位置，并在B位置停留Ts秒；（2）沿E軸正方向旋轉180°，到達C位置，并在C位置停留Ts秒；（3）沿U軸負方向旋轉180°，到達D位置，并在D位置停留Ts秒；（4）沿E軸負方向旋轉180°，到達A位，并在A位置保持Ts秒。轉位序列（5）～（8）與（1）～（4）相同，但旋轉方向相反。上述轉位過程見圖2所示。

a? 轉位序列（1）～（4）? ?b? 轉位序列（5）～（8）

以陀螺儀的誤差為例，上述轉位方案的誤差調制效應效果可分析如下：在慣性導航系統(tǒng)中，由陀螺儀漂移引入的姿態(tài)誤差可表示為：

其中， 代表姿態(tài)誤差，代表從本體坐標系（b系）到本體水平地理坐標系（n系，也叫導航系）的姿態(tài)轉換矩陣， 是投射在本體坐標系上的陀螺儀漂移。

由公式（1）可以得出，在旋轉過程中姿態(tài)轉換矩陣在周期性的發(fā)生變化，其等效結果是陀螺漂移被周期性的調制正負號，其結果是在一個完整的調制周期中陀螺儀的誤差積分結果為零，因而不會帶來累計的姿態(tài)誤差。

上述分析結果可以得出，該簡單雙軸轉位方案可以將所有慣性傳感器的漂移誤差平均化，不會激勵慣性傳感器的比例因子誤差；但該方案將激勵慣性傳感器的安裝誤差和慣性傳感器比例因子的不對稱誤差。

3.2? 16位雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)

進一步增加轉位序列，可在消除慣性傳感器漂移誤差的同時，進一步消除慣性傳感器的安裝誤差和比例因子不對稱誤差，該方案共有16個轉位序列，因此稱為16位雙軸轉位方案，轉位序列見圖3所示。

在這個16位轉位方案中，感知滾動轉位的水平陀螺和感知方位角轉位的垂直陀螺分別在前8個轉位序列和后8個轉位序列中感知相反的角速率，因此在一個完整的轉位周期中，比例因子不對稱誤差可以自然抵消。

利用3.1節(jié)中的分析方法，對圖3所示的16位雙軸轉位方案進行分析，可以得出，由陀螺儀漂移、陀螺儀比例因子誤差和陀螺儀安裝誤差引入的姿態(tài)誤差在一個完整的轉位周期中都是零。因此，該16個轉位序列的雙軸轉位方案可以將所有的陀螺儀漂移平均化，同時不會激勵陀螺儀比例系數誤差、比例因子的不對稱誤差和陀螺儀的安裝誤差，是一種精度較高的慣性導航定位方案。

由于慣性傳感器的漂移、比例系數和安裝誤差可能會隨著時間的推移而變化，因此慣性導航定位系統(tǒng)需要定期對慣性測量單元進行重新標定，以保持系統(tǒng)的定位精度。傳統(tǒng)的捷聯(lián)式慣性測量單元重新標定較為復雜的，需在工廠或實驗室中使用多軸速率表等工具來進行校準。但雙軸轉位系統(tǒng)由于包含兩個方向垂直的旋轉軸系統(tǒng)，可在使用現場進行自標定。雙軸轉位系統(tǒng)的自標定可以通過使用卡爾曼濾波技術來實現，但標定過程中應該進行多位置和旋轉測試，以激活和分離加速度計與陀螺儀的不同誤差源。

目前，16位雙軸轉位慣性導航定位技術仍存在以下不足和需要改進的地方：

①雙軸實現的轉位方案只能隔離兩個方向的角運動，為了完全隔離所有方向上的角運動，應該在系統(tǒng)中采用精度更高的三軸旋轉方案。然而，隨著旋轉軸數的進一步增加，轉位系統(tǒng)的復雜程度、體積、重量和成本也會顯著增加，但綜合性能和定位精度提升有限。因此，受限于目前微機電系統(tǒng)的技術水平，根據小型化、輕量化的消防水下救援定位應用需求，采用雙軸轉位的慣性導航定位系統(tǒng)是較為合理的技術方案。隨著微機電系統(tǒng)技術水平的發(fā)展，后期如能在現有尺寸中進一步增加轉軸數并提升慣性傳感器的傳感精度，轉位慣性導航定位技術的定位精度還能進一步提升。

②由于地球自身的旋轉，雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)測量過程中會不可避免地受地球的旋轉速率影響，因此測量過程中慣性傳感器的比例系數和安裝誤差會與地球速率耦合，導致引入一定的導航誤差并逐漸累積。雖然該系統(tǒng)采用了16位轉位方案，具有一定的自校準能力，但為了獲得持續(xù)的高定位精度，該系統(tǒng)在長時間使用后還應重新進一步進行校準，以確保慣性傳感器誤差參數的準確性。

③單一的水下定位技術較難長時間保障定位系統(tǒng)的精度，目前水下定位技術一般采用組合水下定位技術，在不顯著增加體積和重量的前提下，雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)如果能結合其他水下定位技術，能進一步彌補單一水下定位技術的缺點，提升系統(tǒng)的整體性能。

最后，通過在游泳池中模擬消防救援人員的水下搜救過程，實驗人員分別佩戴傳統(tǒng)捷聯(lián)式慣性導航定位系統(tǒng)和16位雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)進行了對比實驗測試。分析實驗結果發(fā)現，16位雙軸轉位慣性導航定位系統(tǒng)的定位誤差主要是以緩慢發(fā)散的方式進行振蕩。定位誤差的緩慢振蕩反映出系統(tǒng)因采用16位雙軸轉位技術平均了慣性傳感器的大部分常值誤差，而緩慢的發(fā)散來自慣性測量單元的隨機誤差，即陀螺儀的角度隨機游走和加速度計的速度隨機游走。但對比捷聯(lián)式慣性導航定位系統(tǒng)，位置誤差峰值減小了81.3%，位置誤差均方根值減小了95.3%，速度誤差峰值減小了65.2%，速度誤差均方根值減小了91.8%，雖然轉位式慣性導航定位系統(tǒng)的體積有所增大，但系統(tǒng)的水下定位精度有了顯著提升。

4 結語

改制轉隸后，國家綜合性消防救援隊伍面對“全災種、大應急”的職能任務需要，需不斷提升救援技戰(zhàn)術與救援裝備的技術水平。水下定位技術是消防救援隊伍水域救援領域中的重要技術措施之一，亟須小型化、輕量化、操作簡便的水下人員或目標定位裝置，目前可完全滿足上述需求并在消防救援領域配備和應用的水下定位裝備較少。基于16位雙軸轉位機構的慣性導航定位技術可進一步消除傳統(tǒng)慣性導航定位系統(tǒng)的定位誤差，自主定位精度更高，如進一步結合其他水下定位技術，可繼續(xù)改進、完善出適用于消防水域救援的小型化、輕量化水下定位裝備，為消防救援人員的水下打撈、水下搜救和水下作業(yè)提供技術保障。

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A biaxial indexing inertial navigation and positioning technology that can be used for underwater positioning of firefighters

Xie Letao

（Sichuan Fire Research Institute， Ministry of Emergency Management， Sichuan Chengdu 610036）

Abstract： In recent years， the number of water rescue missions participated by fire and rescue teams has increased year by year， and underwater positioning is an important technical safety guarantee measure in the field of water rescue. Based on this， the application status of underwater positioning equipment for fire and rescue teams is analyzed. Combined with the types， advantages and disadvantages of commonly used underwater positioning technologies， the principle， advantages and disadvantages of biaxial indexing inertial navigation and positioning technology are analyzed. The application prospects of related underwater positioning technologies in the field of fire and rescue are prospected.

Keywords： fire and rescue; water rescue; underwater positioning; biaxial indexing; inertial navigation and positioning