基于重力匹配導航的潛艇避障方法分析＊

康曉磊 崔恒彬 許鳳軍

（1.海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012）（2.92529部隊 寧波 315000）

1 引言

隱蔽性是潛艇在現代海戰中所具有的最大優勢，水下安全航行是確保潛艇隱蔽性的基本保障，及時探測并規避障礙物是水下導航中的重要組成部分。常規的水下慣性導航系統由于陀螺漂移誤差、加速度計誤差、重力場誤差和海流海況變化的影響，導航定位誤差隨航行時間累積，使得單一的慣性導航系統很難在水下隱蔽環境中長時間地提供精確的導航定位信息。時間一長，潛艇慣導系統必須借助于外部其他系統進行校準或重調[1]。重力匹配導航技術能夠克服水下慣導系統導航外部標校的弱點和缺陷，幾乎可以使慣性導航具有無窮大重調周期，幾十天不浮出水面。

2 重力匹配輔助導航基本原理

重力匹配輔助導航的原理借鑒了自上世紀70年代以來已經比較成熟的地形匹配方法。地形匹配之所以能夠成功應用，關鍵在于地形具有起伏變化的特征，正是由于大量地形特征點的存在，使得可以通過測量載體航行位置處的地形數據，再通過與預先測量存儲的地形數據庫進行比對，從而最終確定載體的真實位置。

重力匹配輔助導航系統是利用高分辨率的重力背景場數據組成的基本特征信息數據庫（背景場圖），結合慣性導航系統給出的導航參數（主要是位置信息）在背景場數據庫中找到相應的指示重力值；隨后，海洋重力儀器（或重力梯度儀）實時測量重力數據，測量重力數據再根據測深測潛儀以及INS提供的導航參數進行相應的改正處理，處理后的測量重力數據與指示重力數據以及INS導航參數一道送入INS的中心結算計算機中進行組合導航計算，獲得INS的偏差以對其進行修正。系統原理結構圖如圖1所示。

圖1 重力匹配輔助慣性導航原理結構圖

3 基于水下重力測量的避障分析

潛艇在水下潛航狀態時，通過艇載重力儀實時地測量所在海域的重力場，如果在有效范圍內存在障礙物，則重力場會存在一定異常[2]。通過對重力異常的分析和反演，可以計算障礙物的質量和方位，從而為潛艇行動提供參考信息，整個流程如圖2所示。

圖2 避障分析流程

在進行潛艇導航時，首先根據陀螺和加速度計提供的數據，解算出潛艇的當前粗略位置W1，同時，數字重力圖找到相應的重力異常區域[3]。其次，將重力儀實測的重力異常值與重力異常區域進行比較，按照均方差最小的準則計算出潛艇最接近的重力異常區域，對照數字重力圖查出潛艇目前較為精確的位置。該均方差的表達式為

式中，Gs為重力儀實測重力異常值，Gt為圖示重力異常值，m為采樣次數。在實際導航中為了提高精度，Gs要進行厄特缶斯改正。厄特缶斯改正可用式（2）進行計算：

其中：ω為地球角速度；RB代表緯度B的地球半徑；h為水下運載體航行深度；A為運載體航向角。由于水下運載體深度一般在200m以內，與地球半徑相比，基本可以忽略不計（計算中，取RB＝6378137m，ω＝7.292115×10－5rad／s）。速度誤差、航向誤差以及深度誤差對厄特缶斯改正影響是不相同的。對式（2）取微分，單位歸算為重力單位mGal，速度、航向和緯度誤差分別以0.01m／s，1‘和1nmile（1nmile≈1852m）為單位。

通過式（3）及實際海洋重力測量可知，速度誤差是厄特缶斯改正主要誤差源，在低緯度地區航向角誤差也是一個需要考慮的因素，而緯度誤差一般對厄特缶斯改正影響不大[5]。

最后，采用擴展Kalman濾波技術[6]，利用位置誤差值對陀螺和加速度計誤差進行估計，按式（1）所示之均方差的最小的準則計算并得出潛艇的最優路徑[7]。

在實際航行中，可對照將障礙物看作一個質點，考慮如圖3所示的兩種情況：1）潛艇航跡直接指向障礙物；2）潛艇航跡經過障礙物附近但不與障礙物接觸。潛艇沿著軌跡前進時，艇載重力儀實時探測障礙物所引起的重力異常。根據重力的異常變化，我們可以大致推測障礙物與潛艇航跡之間的相對位置關系，從而對慣導系統的導航狀態進行修正，得到最優導航狀態[8]。

4 結語

海洋重力匹配輔助導航是一項系統的工程，涉及多項關鍵技術、學科知識和硬件設備的集成。國內對于重力匹配輔助導航的研究起步較晚，關鍵設備特別是高精度重力∕重力梯度儀器的缺乏，使得與西方發達國家的技術水平還有相當程度的差距。但由于重力匹配導航能夠彌補慣性導航系統的缺點，因此，重力匹配導航在潛艇中必將會得到大量的應用。從目前重力匹配導航發展的現狀及未來導航發展的需求來看，今后仍將在下列幾方面繼續進行研究。

1）重力傳感器技術

重力傳感器是重力測量系統的核心部件，現有重力傳感器由于其結構的笨重性制約了其實際應用，未來應向精度高、體積小、重量輕、成本低、易維護的方向發展；單軸測量向三軸測量發展并且集成度越來越高，如全張量重力梯度儀系統（Full Tensor Gradiometer，FTG）[9]。

2）系統向模塊化、通用化發展

將重力異常測量、重力梯度測量系統高度集成，并將其進行模塊化；匹配算法、重力地圖高度標準化，使重力輔助導航系統的應用范圍越來越廣，從最初的彈道核潛艇到一般水下艦艇和無人載體，逐漸擴展到航空載體、巡航導彈、陸地車輛和地球物理勘探[10]。

3）重力輔助導航與其他輔助導航方法的融合

目前，輔助導航的方法已經有很多種。在海底地形特征明顯的區域，地形輔助導航的定位精度很高；對于地球兩極附近，地磁場具有很高的分辨率和精度[11]。因此，在某些特殊區域，將重力輔助導航與海底地形輔助導航、地磁輔助導航相結合，可極大提高傳統慣導的定位精度[14]。

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