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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。

关键词：消防救援；水域救援；水下定位；双轴转位；惯性导航定位

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）”。具備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]。