水下导航扫盲

AUV 和载人潜水器的导航原理总体相似，核心区别在于：AUV 要自己闭环完成“定位—规划—控制”，载人潜水器则把融合后的导航信息提供给驾驶员，同时通常由母船持续进行声学跟踪和安全监控。

1. 为什么水下导航特别困难

海水会快速衰减 GPS/GNSS 使用的无线电信号，因此潜水器下潜以后通常无法直接接收卫星定位。

水下导航一般采用：

水面 GPS 初始位置 ↓ INS/IMU 高频惯性推算 ↓ DVL 修正水平速度 压力深度计修正深度 ↓ USBL/LBL 提供周期性绝对位置 ↓ 声呐、相机、地形匹配进一步修正 ↓ EKF / UKF / 因子图融合 ↓ 输出位置、速度、姿态和不确定度

任何一种传感器都不够，真正可靠的系统依赖多传感器组合。

2. AUV 是怎么导航的

AUV 在水面时先用 GPS 完成初始定位、校准时间和部分惯导初始化。下潜后主要依靠以下设备。

导航计算机通常利用扩展卡尔曼滤波器（EKF）或因子图，把这些观测融合成统一状态：

[
\mathbf{x}=
[\mathbf{p},\mathbf{v},\mathbf{q},
\mathbf{b}_a,\mathbf{b}_g,\ldots]
]

其中包括位置、速度、姿态、加速度计零偏和陀螺仪零偏。

AUV 得到位姿后，还需要自主执行：

任务航线 → 路径规划 → 制导 → 姿态/速度控制 → 推进器 ↑ 融合导航结果

因此，“导航”在 AUV 系统中通常包含三个不同层面：

• Navigation：我在哪里、姿态和速度是多少。
• Guidance：下一步应该朝哪里走。
• Control：各推进器应该输出多大的力。

NOAA 对 REMUS 600 的介绍是一个很直观的工程案例：水面用 GPS，水下由融合多传感器的 INS 导航，并通过声学链路与母船通信。NOAA：REMUS 600 海底测绘

3. 载人潜水器如何导航

载人潜水器也会使用 INS、DVL、深度计和 USBL，但体系更强调冗余、驾驶员显示以及母船监督。

以美国载人潜水器 Alvin 为例：

艇内： DVL + 光纤陀螺仪 + 深度计 ↓ 计算局部连续位置 ↓ 显示给驾驶员并用于定点、定深、定航向 母船： GPS + 船载 USBL ↓ 测量潜水器的绝对位置 ↓ 通过水声通信传给潜水器并校正艇内导航

Alvin 使用 DVL 测量相对于海底的运动，用光纤陀螺仪提供主要航向和姿态，再用母船 USBL 的位置修正漂移。这是非常典型的现代载人潜水器架构。WHOI：Alvin 系统与传感器

载人潜水器和 AUV 的主要差别如下：

值得阅读 WHOI 关于 Alvin 导航改造的科普文章。它直接展示了 USBL 解算、艇上航位推算和辅助 INS 三种轨迹为什么会不一致：WHOI：Segal’s Law of Navigation

4. 匀速航行时怎么处理

正如前面讨论的，IMU 无法仅凭当前测量区分“静止”和“匀速直线运动”。但完整水下导航系统不会因此失效：

• IMU 提供高频姿态和加速度。
• DVL 直接测量匀速运动的速度。
• 深度计稳定垂向位置。
• USBL/LBL 定期修正绝对位置。
• 视觉或声呐 SLAM 测量相对环境的位移。
• 动力学模型可以利用推进器输出、阻力和水流估计运动。

因此匀速是“纯 IMU 不可观”的情况，却不是“组合导航不可观”的情况。DVL 正是解决这个问题的重要设备。

5. 推荐阅读顺序

如果只读三篇，我建议依次看：

1. WHOI 的 Alvin 系统介绍——建立工程直觉。
2. 2023 年 AUV Navigation Review——建立完整知识框架。
3. INS/USBL/DVL 因子图论文——了解现代融合算法。

结合你现在的 ZED2i、ORB-SLAM3 和正射拼图方向，最相关的路线是：

IMU/INS + DVL + 压力深度计 + 水下相机视觉里程计/SLAM + 必要时使用USBL绝对校正 ↓ 统一时间同步与坐标系 ↓ EKF或因子图融合位姿 ↓ 正射拼图和三维重建

也就是说，ORB-SLAM3 可以成为近海底精细相对定位的一部分，但不应单独承担整段 AUV 或载人潜水器的绝对导航。