艦艇導航定位技術發(fā)展趨勢分析

張 晗，楊曉剛，劉 微，聶為彪，田曉宇，李向舉，閆大海

(1.中國艦船研究院，北京 100101；2.哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱 150001；3.中國船舶集團有限公司第七O四研究所，上海 200031)

0 引言

定位即測定一點在指定坐標系的位置坐標。導航是利用定位和控制手段確定運動載體當前位置和目標位置，參照環(huán)境信息引導運動載體沿著合理的路線抵達目的地的過程。導航源于定位，并且需要連續(xù)實時動態(tài)的定位。導航的研究內容除所有定位技術，還包括各種匹配導航和控制理論與方法等。

1 導航定位技術基本原理

導航定位技術源于人類對陸地、海洋、宇宙等不斷探索的需求。隨著科技進步，導航定位技術又不斷推動人類前行的腳步。導航定位基本原理歸納起來有2種。

1）航位推算法。這是最基本的導航定位方法，其原理為利用牛頓力學定律，根據已知的起始點位置、時間信息，以及運動體的航向、航速、加速度等信息，通過速度和加速度對時間的積分等手段實現導航定位。慣性導航定位系統(tǒng)是典型的航位推算法，應用最早、使用最為普遍的自主導航定位技術。導航定位誤差隨著航行時間增長而不斷增大。

2）參照法。其原理為利用已知時間和空間位置信息的基準導航點，通過電磁波等手段測得并推算出其他地點相對基準點的時間、距離、角度、速度等導航定位信息，包括無線電、水聲、天文、地球物理特征等導航定位技術。表1為參照法的幾種主要導航定位類型。

表1 參照法導航定位主要類型Tab.1 Main types of navigation and positioning

2 導航定位技術發(fā)展趨勢分析

人類探索宇宙的腳步逐漸走向深地、深海、深空，不斷追求更高的導航定位精度。高精度的理論模型是高精度導航定位的基礎，日益先進的科學技術是實現高精度導航定位的手段。

目前很多導航定位技術以牛頓經典力學為基礎。在地球附近空間,經典的牛頓理論所對應的時間計量只能精確到10?8[1]，不能滿足目前很多技術領域的導航定位精度要求。而狹義相對論中光的直線傳播和光速不變原理僅適用于慣性坐標系和局域的平直空間。實際上地球、太陽、銀河系，以及銀河系以外的星系都在不斷運動變化，不存在絕對的慣性坐標系。當空間測量范圍從局域推廣到全域時，空間計量理論應建立在廣義相對論的基礎之上，考慮相對論效應，用四維時空觀解決空間距離測量問題[2]。

隨著導航定位理論模型的不斷完善，以及日新月異的科技進步，導航定位技術不斷向速度快、精度高、實時性好、全方位等方向發(fā)展。

2.1 慣性導航定位技術

慣性導航定位技術涉及精密機械、計算機、微電子、光學、自動控制、材料等多領域多學科。陀螺儀是慣導的核心部件，按不同類型陀螺出現的順序、理論的建立和新型傳感器制造技術的出現，可以將慣導技術的發(fā)展分為4代：1930年以前以牛頓三大定律為理論基礎，建立了第1代慣導技術。1852年，法國人傅科提出陀螺的原理及應用設想，1908年德國人安修茨研制出世界上第1臺擺式陀螺羅經，1910年德國人舒勒提出調諧原理。以上理論和發(fā)明奠定了慣性導航發(fā)展的基礎。1930年以后到20世紀60年代末為第二代慣導技術。慣導技術成功應用到德國V-II 火箭上。單自由度液浮陀螺平臺慣導系統(tǒng)、動壓陀螺、加速度計、支承懸浮技術、激光技術等相繼出現，捷聯(lián)慣導理論研究趨于完善；20世紀70年代初到80年代中后期為第3代慣導技術。靜電陀螺、超導體陀螺、流體轉子陀螺等基于不同原理的陀螺儀相繼得到應用，出現了采用微機械結構和控制電路工藝制造的微機電導航系統(tǒng)；目前慣導技術處于第4代發(fā)展階段，陀螺的精度不斷提高，捷聯(lián)式慣導逐步取代平臺式慣導。慣性導航定位技術向高精度、高可靠性、低成本、小型化、數字化、應用領域更加廣泛等方向發(fā)展。圖1為第3代慣導技術靜電陀螺原理示意圖。

圖1 靜電陀螺原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ESG

2.2 無線電導航定位技術

無線電導航定位是最重要的導航定位手段，已由陸基發(fā)展到星基，由單一功能發(fā)展到多功能，作用距離也由近及遠至全球和深空，定位精度由粗到精，應用領域幾乎遍及所有行業(yè)。

2.2.1 陸基無線電導航定位技術

按作用距離可分為進場著陸（著艦）系統(tǒng)、近/中/遠/超遠程無線電導航系統(tǒng)等。陸基導航系統(tǒng)的應用需求隨著星基導航定位技術的成熟應用迅速減少，但陸基系統(tǒng)在抗干擾、發(fā)播頻率和功率等方面具有優(yōu)勢，可以作為衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的有效補充和備份手段。圖2為陸基遠程超遠程無線電導航系統(tǒng)部署時間圖。

圖2 陸基無線電導航系統(tǒng)部署時間圖Fig.2 Deployment time chart of land based radio navigation system

2.2.2 星基無線電導航定位技術

目前國際上比較成熟，已經投入使用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)共4個，分別是1994年建成并覆蓋全球范圍的美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、2011年全球運行的俄羅斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）、2016年投入使用的歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo)和2018年底實現全球服務的我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)。

全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)一般由空間導航衛(wèi)星模塊、信號接收模塊和地面監(jiān)控模塊3部分組成。如GPS的空間部分由24顆工作衛(wèi)星和4顆備份衛(wèi)星組成。24 顆工作衛(wèi)星分布在6 個軌道面上，軌道傾角55°，實現全球任何時間和地點都可以至少觀測到4顆衛(wèi)星，保證系統(tǒng)正常運行；地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站組成；信號接收模塊主要是GPS接收機等設備，包括硬件和軟件部分[3]。GPS導航定位系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 GPS導航系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of GPSnavigation and positioning system

衛(wèi)星導航定位技術的發(fā)展趨勢是不斷提高系統(tǒng)兼容性，采用組合導航定位、區(qū)域信號增強、廣域增強系統(tǒng)、信號加解密與調制、星座自主導航、導航與通信一體化等技術[4]，不斷提高系統(tǒng)安全性、可靠性和導航定位精度。

2.3 天文導航定位技術

不同于人造衛(wèi)星導航，天文導航將宇宙中的自然天體作為導航標志，具有自主性，抗干擾能力強，導航誤差不隨時間累積等特點，是最古老的導航技術之一。

按導航星體的峰值光譜和光譜范圍，天文導航包括星光導航、X 射線導航、射電導航和紅外導航等[5]。按照測量信息種類的不同，天文導航主要包括測角、測距和測速導航[6]。按發(fā)展階段，天文導航包括傳統(tǒng)和新興天文導航定位技術。脈沖星導航是新興天文導航定位技術的重點研究方向之一。脈沖星是具有超高壓、超高溫、超高密度、超強磁場和超強輻射特性的自然天體，距離太陽系非常遙遠，相對于太陽系幾乎靜止不動，非常穩(wěn)定地向太空周期性輻射從射頻到γ 射線的所有頻段的電磁脈沖信號，適合作為深空計時與導航基準[7]。實現脈沖星導航需要設備、定時、定位與導航等4個環(huán)節(jié)[8]，脈沖星導航流程如圖4所示。天文導航是人類開展深空探測的主要導航定位手段，其發(fā)展趨勢包括提高導航軟件的模塊化和集成化，提高小型化傳感器的環(huán)境適應性，實現多源異質信息融合，以及故障自動檢測等[9]。

圖4 脈沖星導航流程Fig.4 Pulsar navigation process

2.4 水聲導航定位技術

地球表面以及太空的導航定位主要依托無線電技術，而聲波作為目前唯一有效的水下無線信息載體，是人類進入、探測和開發(fā)深海的核心手段。經過幾十年的發(fā)展，水聲導航定位技術發(fā)展很快，根據定位系統(tǒng)工作模式，特別是基線長度的差別，可將其分為長基線、短基線、超短基線及綜合定位系統(tǒng)，不同類型作業(yè)方式和技術特點見表2。水聲導航定位技術向適用不同水深、距離遠、精度高、滿足不同需求的方向發(fā)展。

表2 常規(guī)水聲導航定位系統(tǒng)類型Tab.2 Typesof conventional underwater acoustic navigation and positioning systems

2.5 地球物理特征導航定位技術

地球物理特征導航包括地磁導航、重力匹配導航和地形匹配導航等。這些方法均需要通過各種探測手段先行獲取地表、水下、近地空間等不同地理位置的磁場強度、重力分布、地形地貌等數據，形成地球物理特征圖，再測量航行體所在位置的地球物理特征，與特征圖中的地球物理特征匹配，實現導航定位。以上方法均需要導航用測量儀器、導航用匹配圖以及匹配定位算法等基本要素。地球物理特征導航具有隱蔽性好、自主性強等特點，其技術發(fā)展方向包括地球物理場傳感器向精度高、體積小、重量輕、成本低等方向發(fā)展，發(fā)展多地球物理場綜合輔助慣性導航，提高地球物理場初始對準精度等[10]。

2.6 組合導航定位技術

組合導航是將2種以上導航系統(tǒng)進行融合，實現提高導航系統(tǒng)精度、可靠性、抗干擾性、經濟性等指標。目前廣泛應用的是由慣導系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)構成的組合導航系統(tǒng)，如INS/GPS，INS/北斗等，這種組合解決了慣導系統(tǒng)誤差隨時間累積的問題，同時在GPS信號受到遮擋時慣導系統(tǒng)短期內能提供較高精度的導航信息。

對于潛艇和自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)，為保證其隱蔽自主航行，一般采用以慣導為主,借助聲學、地形匹配、重力、海洋地磁及視覺等一個或多個導航手段的組合導航技術。圖5為慣導/地球物理組合導航原理圖[11]。

圖5 慣性導航系統(tǒng)/地球物理組合導航原理圖Fig.5 Schematic of inertial navigation system(INS)/geophysical integrated navigation

2.7 綜合導航定位技術

綜合導航系統(tǒng)集通信、導航、識別等于一體，實現通信、監(jiān)視、授時、指揮控制、武器制導以及氣象探測等功能，達到節(jié)約空間、減少干擾等目標。已應用的典型綜合導航系統(tǒng)包括美國陸軍位置報告系統(tǒng)和美國聯(lián)合戰(zhàn)術信息分布系統(tǒng)（joint tactical information distribution system，JTIDS）等。JTIDS是美國海、陸、空三軍共同使用的一種保密、大容量、抗干擾、時分多址的戰(zhàn)術信息分發(fā)系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的通信網絡，實現快速情報傳遞、統(tǒng)一指揮和協(xié)同作戰(zhàn)。在伊拉克、科威特等幾次局部戰(zhàn)爭中，JTIDS/Link16戰(zhàn)術數據鏈顯示出“作戰(zhàn)效能倍增器”的強大威力[12]。

3 艦艇導航定位技術發(fā)展趨勢分析

無論是航空母艦、驅護艦等水面艦艇，還是潛艇、潛行器，導航系統(tǒng)都至關重要，決定艦艇的航行安全和作戰(zhàn)能力。艦艇導航技術不斷向高精度、高可靠性、智能化等方向發(fā)展。

3.1 艦艇慣導技術不斷向高精度、小型化方向發(fā)展

慣導系統(tǒng)是艦艇導航系統(tǒng)的核心，是艦艇實現自主安全航行和精確打擊的重要手段。其發(fā)展方向是小型化、長航時、高精度、高可靠性和低成本等。

據報道，美國包括“俄亥俄”級巡航導彈核潛艇、“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇、核動力航母等大量艦艇裝備了AN/WSN-7系列激光陀螺慣導系統(tǒng)，在沒有衛(wèi)星導航信息的輔助下具備2周的導航能力。艦艇激光慣導系統(tǒng)的發(fā)展方向是雙軸和三軸旋轉調制激光慣導，可有效抑制甚至基本抵消所有器件誤差項對導航定位精度的影響。美、法等國正在開發(fā)原子陀螺和原子加速度計，以期實現艦艇慣導系統(tǒng)的小型化和更高的精度[13]。

3.2 艦艇不斷發(fā)展組合導航和綜合導航技術，不斷向智能化方向發(fā)展

艦艇將慣導、衛(wèi)星導航、天文、無線電、測深、測速、地理等不同導航信息融合處理，形成精度高、可靠性好、適應性強的導航和控制信息，與艦艇操控、監(jiān)控、作戰(zhàn)指揮等信息充分融合，實現通信、導航與指揮控制等的一體化應用，不斷提高艦艇的智能化、靈活性、經濟性和生存能力。

4 結語

導航定位技術的發(fā)展與人類社會的發(fā)展進步密切相關，而宇宙萬物的空間位置都與時間緊密相聯(lián)。隨著人類走向深空，時間成為導航定位的基本觀測量，穩(wěn)定的時間基準和精確的時間測量成為導航定位的核心基本問題[14]，只要不斷提高導航定位理論模型精度，不斷探索信息融合與先進濾波算法，不斷建立基于先進控制理論的組合導航方法，人類探索宇宙的腳步就會更加精準和堅實。