鄭　彤

(海軍駐武漢四三八廠(chǎng)軍事代表室　武漢　430064)

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國(guó)外水下導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀分析*

鄭彤

(海軍駐武漢四三八廠(chǎng)軍事代表室武漢430064)

系統(tǒng)地介紹了國(guó)外水下導(dǎo)航目前采用的慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、地球物理屬性和天文導(dǎo)航方法，最后對(duì)水下導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

水下導(dǎo)航; 慣性導(dǎo)航; 聲學(xué)導(dǎo)航; 地球物理屬性導(dǎo)航; 天文導(dǎo)航

Class NumberU663.3

1　引言

導(dǎo)航系統(tǒng)[1～2]是能夠向航行體的操縱者或控制系統(tǒng)提供航行體的位置、速度、航向、姿態(tài)等即時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的系統(tǒng)，在現(xiàn)代軍事技術(shù)中，導(dǎo)航占據(jù)著十分重要的地位，有著極其廣泛的應(yīng)用，它已從為航空服務(wù)的航行保障手段，發(fā)展成為各種軍事操作和武器裝備提供關(guān)鍵的位置、速度與時(shí)間信息的傳感器，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要信息源。導(dǎo)航已經(jīng)使現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)方式發(fā)生了巨大的變化，引起了各國(guó)軍方的高度重視。

水下潛器在海洋環(huán)境的探測(cè)與建模、海洋目標(biāo)的水下探測(cè)與識(shí)別、定位與傳輸?shù)确矫娴难芯恐邪l(fā)揮著重要的作用，由于其特殊的任務(wù)要求，需要較長(zhǎng)時(shí)間的潛航和水下待命，從而對(duì)水下導(dǎo)航技術(shù)有較高的要求，高精度的導(dǎo)航定位不僅是水下潛器獲取有效信息的必要條件，還決定了它是否可以安全作業(yè)及返回，因此，高精度導(dǎo)航定位是研究水下潛器的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將分別對(duì)目前的水下導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行分析介紹。

2　航位推算導(dǎo)航法

航位推算導(dǎo)航是最基本的導(dǎo)航方法之一，是在知道當(dāng)前時(shí)刻位置的條件下，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)的距離和方位，推算下一時(shí)刻位置的方法。其有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一是可隨時(shí)定位，不象無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)，當(dāng)需要在水下精確定位的時(shí)候，卻因收不到信號(hào)而不能定位；二是能夠給出載體現(xiàn)在和將來(lái)的位置。水下導(dǎo)航中的航位推算法是將水下載體的速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分來(lái)獲得潛器的位置。這種方法需要利用速度傳感器和航向傳感器分別測(cè)量水下載體的速度、航向，然后推算出載體的位置。但是，這就存在海流給水下載體產(chǎn)生速度分量的問(wèn)題，這個(gè)分量水速傳感器無(wú)法測(cè)量。從而對(duì)于在水下長(zhǎng)時(shí)間低速航行的載體會(huì)造成很大的定位誤差。因而對(duì)于靠近海底航行的水下載體，可以采用多普勒速度聲納(DVS)來(lái)測(cè)量載體相對(duì)于大地的速度，以消除海流對(duì)于定位的影響，完成精度較高的定位。目前國(guó)外水下載體上常用的DVS主要有：美國(guó)EDO公司的3040型和3050型DVS，其精度可達(dá)到0.2%[1]。

3　慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是一種自主式的導(dǎo)航方法。它完全依靠機(jī)載設(shè)備自主的完成導(dǎo)航任務(wù)，和外界不發(fā)生任何光、電聯(lián)系，因此隱蔽性好，工作不受氣候條件的限制。這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)作為軍事目的而應(yīng)用的各種航行器特別重要。所以近幾十年來(lái)，慣性導(dǎo)航在導(dǎo)彈、艦船、潛艇、水下武器、飛機(jī)、宇宙航行器上都得到了廣泛的應(yīng)用，在導(dǎo)航技術(shù)中占有突出的地位。

慣性導(dǎo)航用于水下導(dǎo)航，是通過(guò)將加速度對(duì)時(shí)間兩次積分來(lái)獲得水下潛器的位置，其優(yōu)點(diǎn)是自主性和隱蔽性好。缺點(diǎn)是由于陀螺隨時(shí)間不斷漂移，在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下導(dǎo)航定位累積誤差較大。早期的慣導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、能耗高不適合潛水器使用，現(xiàn)在隨著光纖、激光等新型固態(tài)陀螺技術(shù)的不斷進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)研制體積小、精度高、可靠性好、能耗與成本指標(biāo)低的INS提供了條件，因此在未來(lái)的自主式潛航器(AUV)上將有可能大量采用這些新型INS。目前，國(guó)外水下潛器常用的INS 主要有：美國(guó)霍尼韋爾公司RL34環(huán)形激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、美國(guó)Crossbow公司的微機(jī)械陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

4　聲學(xué)導(dǎo)航定位

水聲導(dǎo)航是在聲納和無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航的綜合技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)航技術(shù)。水聲定位系統(tǒng)具有多個(gè)基元，基元一般為接收器或應(yīng)答器，基元間連線(xiàn)稱(chēng)為基線(xiàn)，根據(jù)基線(xiàn)長(zhǎng)度可分為長(zhǎng)基線(xiàn)系統(tǒng)、短基線(xiàn)系統(tǒng)和超短基線(xiàn)系統(tǒng)。這三種系統(tǒng)導(dǎo)航都需事先在海域布放換能器或換能器陣以實(shí)現(xiàn)聲學(xué)導(dǎo)航。換能器(或換能器陣)聲源(信標(biāo)或應(yīng)答器)發(fā)出的脈沖被一個(gè)或多個(gè)設(shè)在母船上的聲學(xué)傳感器接收，收到的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)處理和按預(yù)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算就可以得到聲源的位置。

目前，法國(guó)、挪威等公司都推出了中深水的商用超短基線(xiàn)水下聲學(xué)定位系統(tǒng)產(chǎn)品，但對(duì)其數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用則很少提及。國(guó)外對(duì)聲學(xué)定位系統(tǒng)研究較早的是挪威的公司，其日前推出的HIPAR700型長(zhǎng)程聲學(xué)定位系統(tǒng)，理論推算最大作用距離為8000m，最大工作水深為6000m，定位精度為作用距離的0.15%。法國(guó)公司的Posidonia 6000遠(yuǎn)距離超短基線(xiàn)水下定位系統(tǒng)是高精度超短基線(xiàn)水下定位系統(tǒng)，其將CHII沖多頻編碼信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，這在市場(chǎng)上是獨(dú)一無(wú)二的。最大作用距離為8000m，定位精度為作用距離的0.5%～1.0%。與其公司其它導(dǎo)航設(shè)備(羅經(jīng)或是慣導(dǎo)系統(tǒng)，作為單一的、高精度航向及姿態(tài)數(shù)據(jù)源)配合使用時(shí)，Posidonia6000能達(dá)到最佳的作業(yè)性能。

5　地球物理屬性導(dǎo)航

對(duì)于大多數(shù)水下潛器的使用要求來(lái)說(shuō)，采用聲學(xué)導(dǎo)航顯然是不可能的，而且是不切實(shí)際的。如果我們事先能得到精確的環(huán)境測(cè)繪圖，就可以通過(guò)對(duì)地球物理參數(shù)(如深度測(cè)量法、磁場(chǎng)、重力異常)的測(cè)量，來(lái)對(duì)水下航行器在地球上的位置進(jìn)行估計(jì)。這些方法主要是基于被測(cè)量參數(shù)在空間分布上有足夠變化的前提下，通過(guò)與先驗(yàn)的環(huán)境測(cè)繪圖進(jìn)行匹配，來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的一種方法。這就是地球物理屬性導(dǎo)航，是自然界的生物，如鳥(niǎo)、魚(yú)和其他動(dòng)物遷移時(shí)普遍采用的導(dǎo)航方式。地球物理屬性導(dǎo)航又可分為基于地磁導(dǎo)航[3～4]、基于重力場(chǎng)導(dǎo)航[5～6]和地形輔助導(dǎo)航[7～9]。其中，基于地磁導(dǎo)航需要已知地球磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)于水深和地理位置的分布圖，在考慮了每天的磁場(chǎng)變化后，就可以利用水下航行體測(cè)到的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度估算出當(dāng)時(shí)水下航行體的位置。地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖需要通過(guò)衛(wèi)星或水面船只測(cè)繪得到。目前，美國(guó)已開(kāi)發(fā)出水下定位精度優(yōu)于500m 的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)。和基于地磁導(dǎo)航在原理上相似，基于重力場(chǎng)導(dǎo)航需要已知地球重力分布圖或者水下航行體預(yù)期航行路線(xiàn)上的重力分布圖，再利用重力敏感儀器測(cè)量重力場(chǎng)，搜索與之匹配的路線(xiàn)，估計(jì)水下航行體當(dāng)前自身的位置。美國(guó)新一代潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)就具備基于重力場(chǎng)導(dǎo)航的能力，可計(jì)算出慣性導(dǎo)航儀的誤差，連續(xù)對(duì)慣性導(dǎo)航平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整。同理，地形輔助導(dǎo)航也是利用聲探測(cè)技術(shù)或遙感探測(cè)技術(shù)測(cè)量海底地形，通過(guò)與已知的電子海圖相比較，利用極大似然法估計(jì)水下航行體當(dāng)前的位置，精度在幾米范圍內(nèi)。

6　天文導(dǎo)航法

天文導(dǎo)航法[10]是利用對(duì)自然天體的測(cè)量來(lái)確定自身位置和航向的導(dǎo)航技術(shù)。由于天體位置是已知的，測(cè)量天體相對(duì)于導(dǎo)航用戶(hù)參考基準(zhǔn)面的高度角和方位角就可計(jì)算出用戶(hù)的位置和航向。天文導(dǎo)航系統(tǒng)不需要其他地面設(shè)備的支持，所以是自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。不受人工或自然形成的電磁場(chǎng)的干擾，不向外輻射電磁波，隱蔽性好，定位、定向的精度比較高，定位誤差與定位時(shí)刻無(wú)關(guān)，因而得到廣泛應(yīng)用。其原理以天體作為參考點(diǎn)，可確定水下潛器的真航向。使天文導(dǎo)航潛望鏡自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)天體方向可以測(cè)出水下潛器前進(jìn)方向(縱軸)與天體方向(即望遠(yuǎn)鏡軸線(xiàn)方向)之間的夾角(稱(chēng)為航向角)。由于天體在任一瞬間相對(duì)于南北子午線(xiàn)之間的夾角(即天體方位角)是已知的。這樣，從天體方位角中減去航向角就得到水下潛器的真航向。通過(guò)測(cè)量天體相對(duì)于水下潛器參考面的高度就可以判定水下潛器的位置。

圖1　天文定位原理

以地平坐標(biāo)系在水下潛器上測(cè)得某星體C的高度角h,由90°-h可得天頂距z(圖1)，以星下點(diǎn)(天體在地球上的投影點(diǎn))為圓心，以天頂距z所對(duì)應(yīng)的地球球面距離R為半徑作一圓，稱(chēng)為等高圓。在這個(gè)圓上測(cè)得的天體高度角都是h。同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)天體C1、C2,便得到兩個(gè)等高圓。由這兩個(gè)圓的交點(diǎn)得出水下潛器的實(shí)際位置M和虛假位置M′。再用水下潛器位置的先驗(yàn)信息或第三個(gè)等高圓來(lái)排除虛假位置，經(jīng)計(jì)算機(jī)解算即得出水下潛器所在的經(jīng)、緯度(λ、φ)。從1959年美國(guó)第一艘導(dǎo)彈核潛艇上的“11型”天文導(dǎo)航潛望鏡、1964年7月裝備在“阿諾德將軍號(hào)”上的FAST星體跟蹤器、“享茨維爾”號(hào)測(cè)量船上的NAST系統(tǒng)、1970年裝備在超音速運(yùn)輸機(jī)上的LN-20、1984年在麥克級(jí)(MIKE)核潛艇上安裝的“鰭眼”射電六分儀和光學(xué)(天文)跟蹤裝置、1987和1988年對(duì)LN-20的兩次改進(jìn)，1993年法國(guó)凱旋級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇上的M92型光電六分儀，直到1997年開(kāi)始服役的NAS-27天文導(dǎo)航單元等等，都是天文導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用。目前，美軍的B-52、FBlll、B-1B、B-2A、C-141A、SR-71、俄羅斯的TU-16、TU-95、TU-160等都裝有天文導(dǎo)航設(shè)備。

7　現(xiàn)代潛艇水下導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，水下導(dǎo)航必須適應(yīng)現(xiàn)代潛艇戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)的要求，能夠?yàn)闈撏?shí)施長(zhǎng)時(shí)間隱蔽航行提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。潛艇導(dǎo)航技術(shù)與其他導(dǎo)航技術(shù)相比具有更為顯著的軍事特征，因此它的發(fā)展在符合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展總方向的前提下將具有自己獨(dú)特的趨勢(shì)。根據(jù)潛艇軍事行動(dòng)的要求，GPS系統(tǒng)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中可能誰(shuí)都無(wú)法使用，應(yīng)注重研究和實(shí)施兩種以上導(dǎo)航體制并存的格局，為此未來(lái)水下潛艇導(dǎo)航技術(shù)將仍以慣性導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)的導(dǎo)航技術(shù)，結(jié)合無(wú)源重力、海底地形匹配、天文以及水聲等導(dǎo)航新技術(shù)實(shí)施潛艇綜合導(dǎo)航。

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Present Status Study on the Foreign Underwater Navigation Techniques

ZHENG Tong

(Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan430064)

The paper systematically introduces different methods being currently used for underwater navigation，which can be grouped into three categories, including inertial navigation, acoustic navigation, geophysical navigation and celestial navigation.Finally, future trends in underwater navigation technology are discussed.

underwater navigation, inertial navigation, acoustic navigation, geophysical navigation, celestial navigation

2016年3月3日,

2016年5月12日

鄭彤，女，博士，研究方向：艦船武備電子系統(tǒng)和設(shè)備監(jiān)造。

U663.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.003