艦艇導航技術的設備與發展*

李 旻

(海軍駐武漢438廠軍事代表室 武漢 430060)

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艦艇導航技術的設備與發展*

李 旻

(海軍駐武漢438廠軍事代表室 武漢 430060)

艦艇導航技術在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用。文章介紹了國外艦艇導航技術的發展歷程以及裝備的研制、改進情況,指出了在現代戰爭中發展艦艇導航技術的優勢和重要性,重點探討了幾種艦艇導航技術的性能及其特點,最后論述了艦艇導航技術的發展動向與分析。

艦艇導航; 發展分析

Class Number TN97

1 引言

無論是彈道導彈核潛艇、攻擊型核潛艇、常規潛艇,還是航空母艦、驅逐艦、護衛艦和快艇,導航系統都是其重要組成部分之一,對其航行安全和戰斗力有極大的影響。本文就艦艇導航技術設備、發展動向、發展分析等,作進一步的研究和探討[1]。

2 艦艇導航技術設備

艦艇導航設備用于為為艦艇提供艦位、航向、航速、水平和方位基準等數據,以保證正確執行航海計劃、進行戰術機動和有效使用武器裝備。艦艇導航設備按其工作原理和性能,可分為自主式和非自主式,有源式和無源式。主要有普通導航設備、天文導航儀器、無線電導航系統、慣性導航系統和導航星全球定位系統[2]。

1) 普通導航設備。包括磁羅經、陀螺羅經、計程儀、回聲測深儀等。主要用于測定艦艇的航向、航速和水深等數據。

· 磁羅經(指南針)是利用磁針受地磁作用而指向地磁南北極的原理制成的。磁羅經具有簡單、可靠、無需電源等優點,但誤差較大,在磁極附近無法使用;

· 陀螺羅經是在自由陀螺儀上施加適當的指北力矩和阻尼力矩,使其主軸自動指向和跟蹤子午線方向;

· 計程儀用于測定艦艇航速和記錄航程;

· 回聲測深儀是利用超聲波在水中等速傳播的原理,由裝在船底的發射換能器發射超聲波,超聲波被海底反射回來時由接收換能器接收,根據從發射到接收的間隔時間和超聲波在水中的傳播速度,求得所測的水深。

2) 天文導航儀器。用于觀測天體高度,根據天體的赤道、地平坐標,解算天文三角形求得艦位。

3) 無線電導航系統。利用無線電波探測目標或發射臺的方位、距離、距離差,實現艦艇定位。

4) 慣性導航系統。根據牛頓運動定律,利用加速度計測量艦艇運動的加速度,累積這些加速度,以確定艦艇速度和位置的精密導航系統。整個系統是由三個陀螺儀組成的穩定平臺,始終保持在和地球表面相切的平面上,提供精確水平基準信息。平臺上裝有南北向和東西向兩個加速度計,測定加速度并對時間進行積分,得出南北向和東西向速度分量。這兩個速度分量相加,即為艦艇運動的實際航跡和速度,并由計算機連續推算,求得并顯示艦艇即時地理坐標位置。慣性導航系統是完全自主式、無源式的導航系統,是核動力潛艇、海洋調查船等大型艦船必不可少的導航設備。

5) 導航星全球定位系統。導航星全球定位系統(NAVSTAR/GPS),能連續定位。

3 發展動向

1) OSI海事系統公司將為馬來西亞追風級輕護艦提供集成導航與戰術系統。美國《今日海軍》2013年6月26日報道:OSI海事系統公司從馬來西亞莫實得海軍船廠獲得一份協議,根據該協議,OSI海事系統公司將向莫實得海軍船廠提供六部集成導航與戰術系統,用于該船廠正在為馬來西亞海軍建造的六艘追風級輕護艦[3]。

集成導航與戰術系統通過集成指定的雷達和導航傳感器,形成全面、高效費比系統,適用于新建或現有平臺改造。

追風級輕護艦是法國DCNS公司設計的新型輕護艦,可應對空中、水面和水下威脅,具有平臺振動小(平臺按照軍用標準建造)、雷達截面積小、聲學信號特征優異的特點,是一型高性能水面戰斗艦艇。

2) 薩基姆公司為法國航母升級導航與校準系統。荷蘭《航宇與防務新聞》網站2013年9月10日報道:薩基姆公司獲得法國武器裝備總署(DGA)一份合同,為法國海軍戴高樂號航母現代化改裝慣性導航與校準系統(SINA)[4]。

此次的現代化改裝工作主要是將原來的環架式慣性參照系統更換成極高精度的Sigma 40激光陀螺慣性導航系統。新的導航系統將為艦上相關系統提供實時的導航、引導和姿態數據,航母搭載的陣風戰斗機可以根據這些數據對其自身的激光陀螺導航系統進行調整。薩基姆公司將與DCNS公司合作對航母的高性能導航系統進行集成,以提高艦載武器與作戰系統的能力。

除戴高樂號航母以外,西北風級兩棲艦、FREMM多功能護衛艦以及未來的梭魚級索芬號核動力攻擊型潛艇都安裝了Sigma 40導航系統。

3) BAE開發手機二維碼應用實現伊麗莎白女王號航母艦內導航。海軍技術網2014年5月31號報道:作為是英海軍新一代航母“伊麗莎白女王”級的主承包商,BAE系統公司致力于尋求更智能、安全與有效的方式,提高建造工人與工程師在航母上工作的效率與安全性[5]。

伊麗莎白女王號航母是英國海軍有史以來噸位與復雜程度最高的艦艇,為方便建造工人與工程師進場工作時盡快熟悉艙室環境,在復雜的艦內環境中不迷失方向,BAE特別開發了名為平臺導航(Platform Navigation)的加密移動手機應用,用戶通過掃描布置在全艦各艙門的3600個二位碼(QR Code),輸入目的地后,該應用將自動規劃顯示最佳路徑,以便用戶安全快速地到達艦內目的地。施工人員通過掃描二維碼獲取周圍虛擬三維信息,熟悉周圍艙室環境,以判定是否處于正確的作業場所,進而提高施工作業的效率。

平臺導航應用是BAE系統公司在航母建造領域可視化創新的探索,將對航母施工人員與工程師在航母內的工作提供極大便利,被視為航母內的GPS導航系統。

4) 俄羅斯展示新型海上防御系統。英國海軍技術網2014年8月6日報道:最近,俄羅斯展示其新型海上防御系統。該全球海上防御指揮與控制系統由俄羅斯瑪瑙公司研發,系統由水面、水下和水上機器人組成,目前系統已經準備好進入大規模試驗階段[6]。

俄羅斯瑪瑙公司負責人表示,巡邏艇或潛艇并不一定能夠長期監視大面積海上區域,而新型海上防御系統,通過利用綜合的信息控制機器人系統,則可能有效彌補這一缺陷,完成對整個海域的監視、防御任務,并可在惡劣環境下為艦艇提供導航信息。

新型海上防御系統由遠程控制的巡邏艇,無人機,各種不同的浮標、傳感器,以及監視、通信和數據管理系統組成。該機器人系統能夠用于執行的任務包括:水下動態目標的探測與定位,國家利益相關海域的防衛任務,沉海目標的搜索與檢查,海域的在線監視,廣泛的水文測量,以及礦物質和生物資源的勘探任務。系統可集成不同類型的發動機,既可利用傳統內燃機提供動力,也可由太陽能、水能發動機提供動力。

5) 美空軍為導彈跟蹤艦配備新型艦載雷達。美國防務系統網2014年8月11日報道:美空軍技術應用中心為國防部導彈探測系統網絡最新研發出眼鏡王蛇艦載海上雷達系統,此雷達已經具備作戰能力。眼鏡王蛇機動雷達系統由S波段和X波段相控雷達組成,用于探測導彈和向太空發射的航天器并為美國防部提供高質量雷達數據。美海軍海運司令部負責該雷達系統的運行,將其安裝在美海軍霍華德·洛倫岑號導彈跟蹤艦上[7]。

其中該雷達系統的S波段雷達用于跟蹤大量多目標,X波段雷達可用于搜索并提供目標對象的高分辨率數據。

6) 諾格公司將為美國海軍阿利伯克級驅逐艦提供導航系統。諾格公司已經得到合同,將為美國海軍阿利伯克級導彈驅逐艦(DDGs)提供集成的艦橋、導航和舵機系統[8]。

該合同由美國海軍、通用動力公司(GD)巴斯鋼鐵廠和亨廷頓英戈爾斯工業公司(HII)授予。

在海軍海上系統司令部(NAVSEA)授予的合同中,諾格公司將提供五個集成艦橋和導航系統(IBNS),該合同價值1100萬美元。

由GD和HII共同承擔的部分,價值3000萬美元,兩家公司將聯合提供六套舵機系統。

這些DDGs(驅逐艦)將會集成雷達系統、導航軟件、艦船自控軟件、圖表服務器、網絡接口模塊、平板顯示器、全球定位系統以及艦船自控顯示系統。

另外,系統交付于2015年開始,預計2021年完成,期間會提供工程上的服務。

7) 美海軍升級阿靈頓號(LPD 24)兩棲船塢運輸艦電子系統。據軍事網站2014年7月3號報道:據美海軍官員表示,目前海軍正在升級阿靈頓號兩棲船塢運輸艦(LPD 24)的傳感器、雷達、計算機網絡和電子系統,該艦將于明年進行部署[9]。

該艦電子材料軍官泰倫斯·帕克表示,LPD 24結束了為期六個月的新船試航后尾修期(PSA),在這期間進行了幾次升級和維修工程并對該艦的電子系統及相關技術都進行了調整。

將艦上雷達、導航、電子和通信等功能模塊信號連接起來的是艦上廣域網(SWAN),SWAN是該艦升級的關鍵內容分之一。據該艦信息系統技術員杰弗里·施耐德表示,不同于其他艦的多網絡系統,SWAN是單一的綜合網絡系統,它可將艦上很多模塊如導航模塊、轉向模塊連接到同一網絡中。SWAN的升級將會使系統中的多個物理服務器轉為虛擬服務器并將其升級為刀片服務器環境。在刀片服務器環境下艦上需要維護的主機和服務器數量就會減少,這樣我們就可以將服務器任意移動到不同的網絡節點中。

4 發展分析

艦艇導航技術設備的發展趨勢:研發INS/GPS/CNS組合導航系統的信息融合技術;發展綜合導航系統;實時網絡傳輸技術在艦艇綜合導航系統中的應用;發展方便、安全、運行可靠的艦船導航系統[10]。

1) 研發INS/GPS/CNS組合導航系統的信息融合技術。研發艦船INS/GPS/CNS組合導航系統的信息融合技術,并充分利用各種導航傳感器的信息,有效地提高了艦船導航系統的精度和可靠性。

2) 發展綜合導航系統。現代艦艇導航設備正向著綜合導航系統的方向發展,以提高可靠性和精度,實現自動化、全球覆蓋和全天候連續導航定位。艦船綜合導航系統是實施艦船海上航行、避碰、自動駕駛以及航海保障和武器系統有效使用的重要系統。艦船綜合導航系統數據處理技術是艦船綜合導航系統中的核心部分,通過數據優化技術和自適應濾波技術處理后,把來自各導航傳感器(單一導航設備)的被噪聲污染了的信息進行處理,濾去噪聲,消除系統誤差,綜合得到艦船的最佳估計狀態信息(位置、航向、航速、姿態等),用于艦船導航。要求體積小、重量輕、耗電少、操作維護簡便、性能可靠、顯示直觀、堅固耐用、造價便宜、能抗干擾。

3) 實時網絡傳輸技術在艦艇綜合導航系統中的應用。采用反射內存網、千兆以太網和CAN總線三種網絡形式構建系統網絡,實現導航系統各設備互通、互聯、互操作的平臺,使其信息通訊滿足可靠性、穩定性、確定性、實時性的要求。

4) 發展方便、安全、運行可靠的艦船導航系統。為了研制獨具特色的艦船導航相關系統,通過分析美國GPS全球導航定位系統的技術優勢,借鑒美、歐等發達國家民用導航技術成熟的經驗,充分利用美國的GPS、歐盟的GNSS、俄羅斯的GLONASS三大系統的兼容性和免費性,依托中國自主的北斗導航系統(CNSS),研究中國艦船導航系統應用的具體方法。

5 結語

導航系統不僅要為艦艇安全航行提供必要的導航信息,還要為艦載武器等系統提供艦的精確姿態信息,才能適應現代海戰的需要。隨著艦艇的研制和發展,同時也相繼配置與之配套的導航設備,每當艦艇改型換代時,都要對導航系統(或設備)提出新的要求,促進導航系統的發展[11]。

[1] 關勁,程建華,吳磊,等.船用平臺式慣導系統狀態轉換技術的應用[J].中國造船,2008,49(2):75-80.

[2] 姜璐,于運治,陳勇.艦船慣性導航系統自適應阻尼網絡設計[J].電光與控制,2014,21(4):52-55.

[3] OSI海事系統公司將為馬來西亞追風級輕護艦提供集成導航與戰術系統[N].每日防務快訊,2013-06-28.

[4] 薩基姆公司為法國航母升級導航與校準系統[N].每日防務快訊,2013-09-16.

[5] BAE開發手機二維碼應用實現伊麗莎白女王號航母艦內導航[N].每日防務快訊,2014-06-10.

[6] 俄羅斯展示新型海上防御系統[N].每日防務快訊,2014-08-11.

[7] 美空軍為導彈跟蹤艦配備新型艦載雷達[N].每日防務快訊,2014-08-18.

[8] 諾格公司將為美國海軍阿利伯克級驅逐艦提供導航系統[N].每日防務快訊,2014-08-19.

[9] 美海軍升級阿靈頓號(LPD 24)兩棲船塢運輸艦電子系統[N].每日防務快訊,2014-08-21.

[10] 陳福勝,趙坤.21世紀艦船光電技術展望[J].光學與光電技術,2010,8(5):1-5.

[11] 程建華,趙琳,宋君才,等.自動補償技術在平臺式慣導系統狀態切換中的應用研究[J].哈爾濱工程大學學報,2005,26(6):744-748.

Equipment and Development of the Ship Navigation Technology

LI Min

(Navy Faorce Representative Office in Wuhan 438 Factory, Wuhan 430060)

The submarine ship navigation technology plays more and more important roles in the war today. The process of development of the submarine ship navigation technology abroad and equipments in all countries over the world and its modification are described. The technique performance and properties of several the submarine Ship navigation technology seekers are analyzed, and development trend and analysis of the the submarine ship navigation technology are discussed.

ship navigation, development analysis

2014年11月9日,

2014年12月27日

李旻,男,工程師,研究方向:艦船導航工程。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.005