國外水下導航技術現狀分析*

鄭　彤

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室　武漢　430064)

?

國外水下導航技術現狀分析*

鄭彤

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室武漢430064)

系統地介紹了國外水下導航目前采用的慣性導航、聲學導航、地球物理屬性和天文導航方法，最后對水下導航技術的發展趨勢進行探討。

水下導航; 慣性導航; 聲學導航; 地球物理屬性導航; 天文導航

Class NumberU663.3

1　引言

導航系統[1～2]是能夠向航行體的操縱者或控制系統提供航行體的位置、速度、航向、姿態等即時運動狀態的系統，在現代軍事技術中，導航占據著十分重要的地位，有著極其廣泛的應用，它已從為航空服務的航行保障手段，發展成為各種軍事操作和武器裝備提供關鍵的位置、速度與時間信息的傳感器，是現代戰爭的重要信息源。導航已經使現代軍事作戰方式發生了巨大的變化，引起了各國軍方的高度重視。

水下潛器在海洋環境的探測與建模、海洋目標的水下探測與識別、定位與傳輸等方面的研究中發揮著重要的作用，由于其特殊的任務要求，需要較長時間的潛航和水下待命，從而對水下導航技術有較高的要求，高精度的導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及返回，因此，高精度導航定位是研究水下潛器的關鍵技術之一。本文將分別對目前的水下導航技術進行分析介紹。

2　航位推算導航法

航位推算導航是最基本的導航方法之一，是在知道當前時刻位置的條件下，通過測量移動的距離和方位，推算下一時刻位置的方法。其有兩個獨特的優點：一是可隨時定位，不象無線電導航、衛星導航等系統，當需要在水下精確定位的時候，卻因收不到信號而不能定位；二是能夠給出載體現在和將來的位置。水下導航中的航位推算法是將水下載體的速度對時間進行積分來獲得潛器的位置。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生速度分量的問題，這個分量水速傳感器無法測量。從而對于在水下長時間低速航行的載體會造成很大的定位誤差。因而對于靠近海底航行的水下載體，可以采用多普勒速度聲納(DVS)來測量載體相對于大地的速度，以消除海流對于定位的影響，完成精度較高的定位。目前國外水下載體上常用的DVS主要有：美國EDO公司的3040型和3050型DVS，其精度可達到0.2%[1]。

3　慣性導航

慣性導航是一種自主式的導航方法。它完全依靠機載設備自主的完成導航任務，和外界不發生任何光、電聯系，因此隱蔽性好，工作不受氣候條件的限制。這一獨特的優點，對作為軍事目的而應用的各種航行器特別重要。所以近幾十年來，慣性導航在導彈、艦船、潛艇、水下武器、飛機、宇宙航行器上都得到了廣泛的應用，在導航技術中占有突出的地位。

慣性導航用于水下導航，是通過將加速度對時間兩次積分來獲得水下潛器的位置，其優點是自主性和隱蔽性好。缺點是由于陀螺隨時間不斷漂移，在長時間工作情況下導航定位累積誤差較大。早期的慣導系統復雜、體積大、能耗高不適合潛水器使用，現在隨著光纖、激光等新型固態陀螺技術的不斷進步，為實現研制體積小、精度高、可靠性好、能耗與成本指標低的INS提供了條件，因此在未來的自主式潛航器(AUV)上將有可能大量采用這些新型INS。目前，國外水下潛器常用的INS 主要有：美國霍尼韋爾公司RL34環形激光陀螺慣性導航系統、美國Crossbow公司的微機械陀螺慣性導航系統等。

4　聲學導航定位

水聲導航是在聲納和無線電導航的綜合技術基礎上發展起來的導航技術。水聲定位系統具有多個基元，基元一般為接收器或應答器，基元間連線稱為基線，根據基線長度可分為長基線系統、短基線系統和超短基線系統。這三種系統導航都需事先在海域布放換能器或換能器陣以實現聲學導航。換能器(或換能器陣)聲源(信標或應答器)發出的脈沖被一個或多個設在母船上的聲學傳感器接收，收到的脈沖信號經過處理和按預定的數學模型進行計算就可以得到聲源的位置。

目前，法國、挪威等公司都推出了中深水的商用超短基線水下聲學定位系統產品，但對其數據的處理與應用則很少提及。國外對聲學定位系統研究較早的是挪威的公司，其日前推出的HIPAR700型長程聲學定位系統，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%。法國公司的Posidonia 6000遠距離超短基線水下定位系統是高精度超短基線水下定位系統，其將CHII沖多頻編碼信號與數字信號處理技術相結合，這在市場上是獨一無二的。最大作用距離為8000m，定位精度為作用距離的0.5%～1.0%。與其公司其它導航設備(羅經或是慣導系統，作為單一的、高精度航向及姿態數據源)配合使用時，Posidonia6000能達到最佳的作業性能。

5　地球物理屬性導航

對于大多數水下潛器的使用要求來說，采用聲學導航顯然是不可能的，而且是不切實際的。如果我們事先能得到精確的環境測繪圖，就可以通過對地球物理參數(如深度測量法、磁場、重力異常)的測量，來對水下航行器在地球上的位置進行估計。這些方法主要是基于被測量參數在空間分布上有足夠變化的前提下，通過與先驗的環境測繪圖進行匹配，來實現導航的一種方法。這就是地球物理屬性導航，是自然界的生物，如鳥、魚和其他動物遷移時普遍采用的導航方式。地球物理屬性導航又可分為基于地磁導航[3～4]、基于重力場導航[5～6]和地形輔助導航[7～9]。其中，基于地磁導航需要已知地球磁場強度關于水深和地理位置的分布圖，在考慮了每天的磁場變化后，就可以利用水下航行體測到的地球磁場強度估算出當時水下航行體的位置。地球磁場強度的分布圖需要通過衛星或水面船只測繪得到。目前，美國已開發出水下定位精度優于500m 的地磁導航系統。和基于地磁導航在原理上相似，基于重力場導航需要已知地球重力分布圖或者水下航行體預期航行路線上的重力分布圖，再利用重力敏感儀器測量重力場，搜索與之匹配的路線，估計水下航行體當前自身的位置。美國新一代潛艇導航系統就具備基于重力場導航的能力，可計算出慣性導航儀的誤差，連續對慣性導航平臺進行調整。同理，地形輔助導航也是利用聲探測技術或遙感探測技術測量海底地形，通過與已知的電子海圖相比較，利用極大似然法估計水下航行體當前的位置，精度在幾米范圍內。

6　天文導航法

天文導航法[10]是利用對自然天體的測量來確定自身位置和航向的導航技術。由于天體位置是已知的，測量天體相對于導航用戶參考基準面的高度角和方位角就可計算出用戶的位置和航向。天文導航系統不需要其他地面設備的支持，所以是自主式導航系統。不受人工或自然形成的電磁場的干擾，不向外輻射電磁波，隱蔽性好，定位、定向的精度比較高，定位誤差與定位時刻無關，因而得到廣泛應用。其原理以天體作為參考點，可確定水下潛器的真航向。使天文導航潛望鏡自動對準天體方向可以測出水下潛器前進方向(縱軸)與天體方向(即望遠鏡軸線方向)之間的夾角(稱為航向角)。由于天體在任一瞬間相對于南北子午線之間的夾角(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。通過測量天體相對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

以地平坐標系在水下潛器上測得某星體C的高度角h,由90°-h可得天頂距z(圖1)，以星下點(天體在地球上的投影點)為圓心，以天頂距z所對應的地球球面距離R為半徑作一圓，稱為等高圓。在這個圓上測得的天體高度角都是h。同時測量兩個天體C1、C2,便得到兩個等高圓。由這兩個圓的交點得出水下潛器的實際位置M和虛假位置M′。再用水下潛器位置的先驗信息或第三個等高圓來排除虛假位置，經計算機解算即得出水下潛器所在的經、緯度(λ、φ)。從1959年美國第一艘導彈核潛艇上的“11型”天文導航潛望鏡、1964年7月裝備在“阿諾德將軍號”上的FAST星體跟蹤器、“享茨維爾”號測量船上的NAST系統、1970年裝備在超音速運輸機上的LN-20、1984年在麥克級(MIKE)核潛艇上安裝的“鰭眼”射電六分儀和光學(天文)跟蹤裝置、1987和1988年對LN-20的兩次改進，1993年法國凱旋級彈道導彈核潛艇上的M92型光電六分儀，直到1997年開始服役的NAS-27天文導航單元等等，都是天文導航的實際應用。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等都裝有天文導航設備。

7　現代潛艇水下導航技術發展趨勢

隨著現代軍事技術的不斷發展，水下導航必須適應現代潛艇戰略和戰術的要求，能夠為潛艇實施長時間隱蔽航行提供實時準確的導航信息。潛艇導航技術與其他導航技術相比具有更為顯著的軍事特征，因此它的發展在符合導航系統發展總方向的前提下將具有自己獨特的趨勢。根據潛艇軍事行動的要求，GPS系統在未來戰爭中可能誰都無法使用，應注重研究和實施兩種以上導航體制并存的格局，為此未來水下潛艇導航技術將仍以慣性導航技術為基礎的導航技術，結合無源重力、海底地形匹配、天文以及水聲等導航新技術實施潛艇綜合導航。

[1] JAMES C K, RYAN M E, LOUIS L W. A survey of underwater vehicle navigation-recent advances and new challenges[C]//Proceedings of the IFAC Conference of Maneuvering and Control of Marine Craft,2006.

[2] 熊正南,蔡開仕,武鳳德,等.21世紀美國戰略潛艇導航技術發展綜述[J].艦船科學技術,2002,24(3):331-335.

[3] 王勝平.水下地磁匹配導航定位關鍵技術研究[J].測繪學報,2013,42(1):228-231.

[4] 張琦,潘孟春,吳美平.地磁輔助導航中的潛艇干擾磁場[J].中國慣性技術學報,2009,17(3):293-296.

[5] 吳太旗,邊少鋒,蔣勃.重力場對慣性導航定位誤差影響研究與仿真[J].測繪科學技術學報,2006,23(5):341-344.

[6] 陳勇,吳太旗.海洋重力輔助導航在潛艇上的應用[J].航海技術,2008,12(5):36-37.

[7] 鄭彤,蔡龍飛,王志剛,等.地形匹配輔助導航中匹配區域的選擇[J].中國慣性技術學報,2009,17(2):246-251.

[8] 鄭彤,邊少鋒,王志剛.基于ICCP匹配算法的海底地形匹配輔助導航[J].海洋測繪,2008,28(2):21-23.

[9] 周亦軍,鄭彤.基于卡爾曼濾波的地形輔助導航[J].艦船電子工程,2012,32(4):54-56.

[10] 王鵬,張迎春.基于信息融合的自主天文導航方法[J].系統工程與電子技術,2012,34(5):366-370.

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：艦船武備電子系統和設備監造。

U663.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.003