潜艇导航靠什么？这项技术给潜艇装上了“眼睛”

潜艇用哪种导航系统？GPS？北斗？还是牵星过洋术……

答案是都不用，所以……

它们撞了！很惨。

撞上一座大山

2005年1月8日，美国洛杉矶级核潜艇“旧金山”号在水下航行时，以每小时46公里的速度撞上了一座海底山，98名船员受伤，1人死亡。

▲“旧金山”号艇首撞成一团乱麻，所幸核反应堆没有受损。

事后，艇长摩尼上校被解除职务，并遭到处分。而他在听证会上则解释，海图上并没有标明出事海域有任何海底山！

海图是由美国国家地理空间情报局提供的，他们说，那座山是新“长”出来的……

而另一次大众较为熟知的核潜艇撞击事件则是2009年，英法潜艇深海相撞，撞了后双方都不知道撞了啥，都以为是什么不明物体。直到回港查看伤势后，几番周折，两国才知道，那个所谓的不明物体原来是对方的战略核潜艇。

以上两例都是2000年以来的潜艇撞击事件，如果时间往前推，那案例多得都可以写一本书了。

不是有主动声呐吗

水面舰艇航行时有各种导航手段，即使失去一切手段，大不了还可以目视。然而，潜艇则不然，它们的导航手段屈指可数。首先是各种卫星导航不能用，因为你首先得浮上水面才可以，而如果随时上浮，那就不叫潜艇了。

不是还有主动声呐吗？你为什么不开，怕费电还是怎么的？不开的原因也很简单，容易暴露行踪。战略核潜艇的使命是确保相互毁灭，确保具有第二次核打击的机会，你若是在海下开着声呐到处畅游，追鲸鱼逗鲨鱼，这确实洒脱得很，但你已经失去作为核潜艇的意义。

这就不好玩了，潜艇深海潜航，如果不开主动声呐，那岂不是像瞎子一般？大体差不多。

这样的潜艇谁敢去驾驶？别急，因为潜艇，尤其是核潜艇，它们每次执行任务时是这样的：出行前，就提前制定好一条预先的航路。

▲比如这样，这只是随手举的例子，如有雷同，也不可能有雷同呀……

在这条预先的航路上，负责导航的军官会把航路上各种要素详细地标出来：那里有岛屿，这里有暗礁，还有这儿有沉船，水深是多少？海流情况怎样？等等，各种要素都会一一标出来。

问题又来了，你是给我提前预定了航路。然而，水下航行时不知道指南针好不好使，即使可用，它也不靠谱呀，万一我偏离了航向岂不是麻烦？

这里，我们就需要用到一个高大上的仪器了，它就是陀螺仪。

陀螺仪

▲陀螺仪有一个非常重要的特性，这就是定轴性。

上图中，外面两个框架在动，它们所代表的轴也在不断改变方向，而最里面的框架，虽然也动，但它的轴始终不变，这就是陀螺仪的定轴性，它就像指南针一样，永远指着一个方向，但比指南针靠谱。

▲定轴性提供了一个参考系，所以陀螺仪可以给飞机和潜艇等提供各种航行姿态的信息。 

有了陀螺仪，我们就能确定，何时偏离了航向，偏离了多少等等。现代的陀螺仪已经发展到好几代了，最新的是激光陀螺仪和光纤陀螺仪，在这样的陀螺仪中，已经没有转子存在，精确性大大提高。

显然，仅仅是知道航向还远远不够，到了那座暗礁旁，我就应该往左45度开，但我怎么知道到了那座暗礁了？

这也不难。首先，核潜艇出发前，就已经知晓了自己初始位置的精确坐标，它距离那座暗礁有多少公里也是精确可知的，所以，只要行驶了多少公里后，就知道是不是已经到了那个地方，或者距离那个地方还有多远。

然而，潜艇并非从头到尾都以一个固定的速度航行，有时加速了，有时减速了，我们又怎么断定到底行驶了多少公里呢？

此时，我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。

加速度计

▲加速度计大概原理。

乘车时，当司机突然加速，我们就会往后靠，突然减速，我们就会往前扑。根据这个原理制成的加速度计，配合各种复杂的计算，就能实时地知道当前速度，以及行驶了多少里程等。

陀螺仪和加速度计配合使用，它就是传说中的惯性导航，其为潜艇最最主要的导航方式。

核潜艇没有驾驶窗，即使有也没用，几百米深的海漆黑一片，看美人鱼那是不可能的。所以，潜艇的水下潜航，其导航方式有点儿类似于，你在黑夜里行走，而却精确地知道每一步跨过的距离，往正南方向走15步，就会到达墙的拐角，再往右23步，前方有个井，它没有井盖，必须停住，再往左30步……然后就到家了。

此时，如果有位盲人也在这条路上，那么你俩就可能相撞了。就像英法核潜艇相撞一样，当时，英法两潜艇低速行驶，噪音极低，双方的被动声呐都没有听见（也许是寂寞的声呐兵在看照片也说不准），总之是撞上了。

还有，如果你的前进道路上，前两天突然坠落一块大石头但你不知道，或者是该有的井盖结果被偷了，那么你也只能认栽。就像是美国的旧金山号核潜艇一样。

惯性导航的特点

惯性导航，其误差会随着时间累积，误差大到一定程度就得上浮校正位置。而现在的惯性导航已经很先进，误差很小。目前比较先进的舰船惯导系统，可以实现航行三天三夜只误差370米左右，随着技术的进步，误差只会越来越小。

惯导之所以成为潜艇最主要，甚至说是唯一的导航方式，是因为它有两大优点。

一是，惯导无须接收外部任何信息。无论是卫星导航还是无线电导航或者是天文导航，它们都需要浮出水面或者是靠近水面，这容易暴露目标。而惯导天不靠地不靠，只靠牛顿——惯性定律是他弄出来的。

二是，惯导不会向外辐射能量，从而也不会暴露自己，这种不声不响的品质跟核潜艇最般配。

惯导不但用在潜艇上，它还用在导弹上。有人甚至说，弹道导弹打得准不准，70%依靠惯导的精度。

因此，人们常把核动力、导弹和惯性导航称为战略武器的三大关键技术。

出品：科普中国

制作：寒木钓萌

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

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