基于分布式网络的水面舰艇编队一体化导航方法

黄文涛，钟昭，翟文华，张媛，康传华上海机电工程研究所，上海 201109

2024-04-01 -

摘要:［目的］针对体系化作战中，水面舰艇编队导航面临设备损毁、导航干扰等复杂作战环境的挑战，提出一种基于分布式网络的水面舰艇编队一体化导航系统及方法。［方法］通过分布式协同导航提升编队应对复杂环境的可靠性和灵活性。编队一体化导航系统分为设备层、系统层和体系层，设备层输出原始的GNSS/INS导航数据，系统层输出节点独立导航数据，体系层融合生成编队协同导航数据。为实现体系层编队协同导航数据融合，采用 Floyd 算法，以基线传递路径最短的原则构建分布式编队协同导航网络，在节点独立导航数据的基础上通过动态基线传递生成节点协同导航数据；通过加权最小二乘法融合多个节点协同导航数据输出编队协同导航数据。［结果］仿真结果表明，应用该方法可成功构建分布式协同导航网络。通过导航支援，保障了受毁伤节点导航的不中断；通过精度支援，提升了受干扰节点的导航精度。［结论］分布式协同导航具有抗毁伤、抗干扰、可提高精度的优势，并可有效应对复杂的作战环境。关键词：体系化作战；舰艇编队；分布式协同导航；Floyd并行算法；加权最小二乘法

中图分类号: U666.11文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03159

Distributed network-based integrated navigation method for surface ship formation

HUANG Wentao, ZHONG Zhao, ZHAI Wenhua, ZHANG Yuan, KANG Chuanhua Shanghai Electro-mechanical Engineering Institute, Shanghai 201109, China

Abstract: ［Objective］ In systematic operations, ship formation navigation faces such challenges as equipment damage, electromagnetic interference and complex operational environments. To solve these problems, this paper proposes a distributed network-based integrated navigation system and method for surface warship formations that can improve the robustness and flexibility of ship navigation in complex environments. ［ Methods］ The formation cooperative navigation system is divided into the equipment level, subsystem level and system level. At the equipment level, the original navigation data of GNSS/INS is output. At the subsystem level, the node navigation data is output. At the system level, the formation cooperative navigation data is generated by fusion. In order to realize the data fusion of formation cooperative navigation at the system level, a distributed formation cooperative navigation network is constructed using the Floyd algorithm based on the principle of shortest baseline transmission path, and the node cooperative navigation data is generated through dynamic baseline transfer on the basis of the node navigation data. The formation cooperative navigation data is then output by fusing the cooperative navigation data of multiple nodes through the weighted least square method. ［Results］ The simulation results show that the proposed method successfully constructs a distributed cooperative navigation network which can ensure the uninterrupted navigation of damaged nodes through navigation support and improve the navigation accuracy of disturbed nodes through precision support.［Conclusion］ The distributed cooperative navigation method has such advantages as anti-damage, anti-jamming and improved accuracy, enabling it to effectively deal with complex combat environments.

Key words: systematic operations；ship formation；distributed cooperative navigation method；Floyd parallel algorithm；weighted least square method

收稿日期: 2022–11–02 修回日期: 2023–01–15 网络首发时间: 2024–03–10 08:21基金项目: 上海航天科技创新基金资助项目（SAST2023-002）

作者简介: 黄文涛，男，1995年生，硕士，工程师

0 引言

随着信息技术、航天技术、人工智能等现代科学技术的发展，传统的平台中心战向网络化作战、分布式作战、体系化作战演进[1-4]。世界主要军事强国都在加强海上舰艇编队的体系化作战能力，力图在现有作战资源的基础上，通过作战节点的动态连接增强编队的灵活性和可靠性，充分释放作战力量，实现作战效能的跨越式提升。未[5-6]来的海上作战将是编队级的体系化作战。其中，建立可靠的导航基准是实现时空统一、态势融合、一体化指挥控制、分布式火力打击等关键体系作战能力的基础。鉴于舰艇导航设备损毁、卫星导航信号受干扰等高烈度对抗环境，单一的导航数据源和导航设备难以保障舰艇编队的导航需求，开展面向体系化作战的舰艇编队一体化导航研究显得尤为重要。当前，针对舰艇编队导航的研究较少。吴建[7-8]华等在卫星导航的基础上，通过雷达对参考物进行相对导航定位，解决了卫星导航信号不通畅时的船舶导航问题。在无人机、无人车、机器人、卫星等应用领域，果。Ouyang 等针对卫星导航系统失效、通信[9-14]中断、信号干扰等情况下的导航问题，采用相对导航测量+坐标传递解算的协同导航方法，实现了卫星绝对导航异常情况下的无人机、机器人、无人车、卫星等编队自主导航定位和编队队形控制。Xiong 等利用相对导航测量提高了无人[15-16]机编队中僚机的导航定位精度。上述研究集中在相对导航建模及数据处理方面，在编队导航系统架构设计、协同导航网络构建等方面较缺乏。本文将面向体系化作战，采用分布式策略开展水面舰艇编队一体化导航方法研究，包括水面舰艇编队一体化导航系统设计、协同导航网络构建和协同导航数据融合等，以解决复杂作战环境下导航设备损毁、导航信号受干扰时的导航问题。

1 舰艇导航技术

首先，分析水面舰艇常用导航技术，为编队一体化导航系统设计提供支撑。舰艇导航技术用于为舰艇提供时间、位置、航向、航速、水平和方位基准等数据，主要包括卫星导航、惯性导航、天文导航、雷达/激光辅助定位、磁罗经定向、陀螺罗经定向、计程仪测速和回声测深等[17]。本文主要关注导航定位问题。

1.1 卫星导航

卫星导航是指采用全球导航卫星系统（GNSS）进行导航定位和授时的技术。截至2023 年，世界上投入完全服务主要包括美国的全球定位系统

（ GPS ）、中国的北斗卫星导航系统（ BDS ）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（ GLONASS）和欧洲的伽利略卫星导航系统（ Galieo） [18]。卫星导航具有精度高的优点，定位精度为亚米级、授时精度为纳秒级，且可通过多源卫星导航数据融合进一步提高精度[19]。水面舰艇普遍装备卫星导航终端设备，是进行绝对导航定位最主要的手段。

1.2 惯性导航

惯性导航是指采用陀螺仪、加速度计等惯性器件组成的惯性导航系统（ INS）获取目标位置、速度、姿态等信息的技术。惯性导航能够在一定时间内不依赖外部信息独立进行导航，具有不受外界干扰的优势。装备美海军的AN/WSN-7 激光陀螺惯性导航系统定位精度优于1 n mile/24 h[20]。由于工作原理的限制，惯性导航存在长期漂移，需要定期根据卫星导航等外部导航信息进行重调校准。因此，水面舰艇广泛采用 GNSS/INS 组合导航系统，结合卫星导航精度高和惯性导航不受外界干扰的优点进行组合导航。尽管惯性导航具备一定抗干扰能力，但无法解决导航设备损毁、卫星导航长时间中断情况下的导航问题。

1.3 雷达/激光辅助定位

雷达/激光辅助定位是指采用舰载雷达或激光测距设备测量与已知地理参考物的相对位置关系，进而实现舰艇定位。在短距离内，雷达/激光辅助定位具有较高的精度，具体取决于雷达和激光测距设备的精度。船舶经过海峡、进出港口进行近岸航行时经常采用航海雷达定位[7]。在无人驾驶领域，雷达/激光辅助定位技术具有较为广泛[21-22]的应用。谷歌、百度等公司采用毫米波雷达和激光雷达解决了卫星导航信号遮蔽、惯性导航漂移情况下的汽车导航定位问题。因此，在舰艇编队导航中，可考虑利用舰载雷达或激光测距设备进行舰艇间的相对定位。

2 舰艇编队一体化导航系统设计2.1 编队分布式协同导航网络设计

舰艇编队常见队形包括环形队、菱形队、人字队、单纵队、双纵队、单横队、双横队、梯队和

方位队等。一种典型的舰艇编队环形作战队形如图 1所示。该环形作战队形以航空母舰（以下简称航母）为中心构成内外两层圆形防护圈，内层防护防御圈由护卫舰组成，外层防御圈由驱逐舰组成，沿行进方向部署有潜艇和反潜机。内外层防御圈的半径由舰载雷达和火力单元构成的预警[23]探测范围、火力拦截范围决定。赵晓春给出了一种美海军航母编队队形参数，内层防御圈半径为 10 n mile，外层防御圈半径为 50 n mile。基于前述舰艇导航技术，构建去中心化的分布式协同导航网络，提升水面舰艇编队导航应对复杂环境的可靠性和灵活性。图2所示为忽略舰艇身份并以舰艇作为一般性节点构建水面舰艇编队分布式网络。图中：S1～ SN为分布式协同导航网络中的节点编号。各节点装备 GNSS/INS 导航设备，通过编队通信网络共享 GNSS/INS 组合导航定位信息，邻接节点间通过舰载雷达和激光设备进行相对导航测量，构成分布式协同导航网络。通常情况下，作战舰艇工作在非合作环境中。由于缺乏已知地理参考物，单艘舰艇无法采用雷达/激光辅助定位技术实现自身的导航定位。对于水面舰艇编队而言，可采用雷达/激光辅助定位技术进行舰艇编队内的邻接舰艇间的相对定位，进而以邻接舰艇为参考坐标实现本舰导航定位，实现协同导航定位。

2.2 编队一体化导航系统设计

基于分布式网络开展水面舰艇编队一体化导航系统设计，如图 3所示。编队一体化导航系统分为设备层、系统层和体系层，各节点可动态加入或退出。在设备层，各节点 GNSS/INS 导航设

备输出原始的卫星导航和惯性导航数据，同时舰载雷达或激光测距设备对邻接节点进行测量角度和距离，得到相对导航数据。在系统层，各节点导航系统对卫星导航数据、惯性导航数据进行组合导航融合处理，输出节点独立的导航数据。在体系层，采用卡尔曼滤波器对节点间的相对导航数据进行滤波处理生成动态基线，在构建协同导航网络的基础上对各节点独立导航数据进行动态基线传递处理，生成节点协同导航数据；最后，采

3 舰艇编队一体化导航算法3.1 编队协同导航网络构建

采用有向图描述编队分布式协同导航网络，边表示节点间的邻接关系，箭头表示导航信息传递方向。当节点间可通过舰载雷达或激光测距设备进行相对导航测量时，即具备邻接关系。实线用递推加权最小二乘（ WLS）法融合多节点协同导航数据，输出编队协同导航数据。WLS的权重选择取决于节点协同导航数据的精度。基于分布式网络，编队一体化导航系统能够在至少一个节点独立导航数据输出正常的情况下，通过节点间的相对导航生成节点协同导航数据，实现导航支援，保障全部节点的导航能力。同时，通过多节点多源导航的数据融合，提升编队协同导航的精度。边表示邻接关系存在，虚线边表示邻接关系不存在。典型的编队协同导航网络结构如图4所示。定义：针对某种信息传递关系，任意一个节点都存在邻接节点进行信息传递，则网络为全局网络，否则为局部网络。图4（a）中由于任意一个节点都存在邻接节点，节点导航信息可通过传递路径达到任意一个节点，因此为全局协同导航网络。图 4（b）中节点 S1无邻接节点，其他节点的导

航信息无法通过传递路径到达，称该节点为孤立节点，该网络为局部协同导航网络。由于水面舰艇编队的舰艇处于运动中，节点间的邻接关系是动态变化的，即编队协同导航网络也动态变化。设计编队分布式协同导航网络构建算法。步骤1：根据邻接矩阵，构建协同导航网络。对于由 N个节点组成的编队，在 t时刻各节点间的协同导航关系可用邻接矩阵A(t) 表示：

式中， aij (t)（i = 1,2,…,N，j = 1,2,…,N）为节点 Si 到节点 Sj 的邻接关系，当i = j 时， aij (t) = 0。对于水面舰艇编队，可根据舰载雷达或激光

测距设备的相对导航测量有效距离，计算aij (t)式中： rij (t)为节点 Si 到节点 Sj 的距离； r¯i→ 为节点j Si舰载雷达或激光测距设备对节点Sj航测量的有效距离。由式（ 1）和式（ 2）可知，邻接矩阵 A(t) 包含各节点之间的距离信息。受到相对导航角度和距离测量原理的约束，相对导航数据精度与节点间的距离正相关。因此，节点独立导航数据在基线传递的过程中，传递路径越长，精度越低，即路径损耗越高。为降低基线传递路径上的精度损失和路径损耗，按基线传递路径最短的原则构建协同导航网络。协同导航网络结构可由最短路径距离矩阵 D(t) 和路由矩阵 P(t) 进行描述： pi (t)为节点 Si 到节点 Sj的最短路径需经过的中

j间节点；当i = j 时， dij (t) = 0， pi (t) = 0。

j由式（3）和式（4）可知，根据最短路径距离矩阵 D(t) 和路由矩阵 P(t)，可得到任意 2个节点之间进行导航支援时的基线传递路径。采用基于动

态规划思想的 Floyd 算法求解 D(t) 和 P(t)[24]。D(t)以邻接矩阵 A(t) 为初始化矩阵，按式（ 5）迭代得到。P(t) 以 P0为初始化矩阵，按式（ 6）迭代得到。P0 如式（7）所示。式中： dik (t)为节点 Si 到节点 Sk的最短路径距离； dkj (t)为节点 Sk 到节点 Sj的最短路径距离； pik (t)

为节点 Si 到节点 Sk的最短路径需经过的中间点； k = 1,2,…,N。

步骤2：对相对导航数据滤波降噪，生成基线根据协同导航网络，已知节点间进行导航支援时的基线传递路径，还需求解基线传递向量。为降低基线传递路径损耗，需要对相对导航数据进行滤波降噪处理，进而生成基线传递向量。设 Si有邻接节点 Sk，满足邻接矩阵 A(t) 中元素 aik (t) ∞。在 t 时刻，节点 Si通过雷达或激光测距设备对节点Sk进行相对导航测量，得到相对位置向量rik (t)和相对速度向量v(t)ik ，均采用列向量表示。记观测量为Z (t) = [ rik (t)T v ( t ) T ]T ，取ik

状态量为X (t) = [ r¯ik (t)T v¯(t) T ]T。在局部匀速直ik线运动假设下建立状态方程和观测方程：式中： F (t + 1)为状态转移矩阵； u (t + 1)为观测噪声； ∆t为观测时间间隔。根据状态方程和观测方程，得到卡尔曼滤波方程如下：