海洋技术▏国外水下导航技术现状分析
一、引言
导航系统是能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体的位置、速度、航向、姿态等即时运动状态的系统，在现代军事技术中，导航占据着十分重要的地位，有着极其广泛的应用，它已从为航空服务的航行保障手段，发展成为各种军事操作和武器装备提供关键的位置、速度与时间信息的传感器，是现代战争的重要信息源。导航已经使现代军事作战方式发生了巨大的变化，引起了各国军方的高度重视。
水下潜器在海洋环境的探测与建模、海洋目标的水下探测与识别、定位与传输等方面的研究中发挥着重要的作用，由于其特殊的任务要求，需要较长时间的潜航和水下待命，从而对水下导航技术有较高的要求，高精度的导航定位不仅是水下潜器获取有效信息的必要条件，还决定了它是否可以安全作业及返回，因此，高精度导航定位是研究水下潜器的关键技术之一。本文将分别对目前的水下导航技术进行分析介绍。
二、航位推算导航法
航位推算导航是最基本的导航方法之一，是在知道当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置的方法。其有两个独特的优点：一是可随时定位，不象无线电导航、卫星导航等系统，当需要在水下精确定位的时候，却因收不到信号而不能定位；二是能够给出载体现在和将来的位置。水下导航中的航位推算法是将水下载体的速度对时间进行积分来获得潜器的位置。这种方法需要利用速度传感器和航向传感器分别测量水下载体的速度、航向，然后推算出载体的位置。
但是，这就存在海流给水下载体产生速度分量的问题，这个分量水速传感器无法测量。从而对于在水下长时间低速航行的载体会造成很大的定位误差。因而对于靠近海底航行的水下载体，可以采用多普勒速度声纳（DVS）来测量载体相对于大地的速度，以消除海流对于定位的影响，完成精度较高的定位。目前国外水下载体上常用的DVS主要有：美国EDO公司的3040型和3050型DVS，其精度可达到0.2％。
三、惯性导航
惯性导航是一种自主式的导航方法。它完全依靠机载设备自主的完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系，因此隐蔽性好，工作不受气候条件的限制。这一独特的优点，对作为军事目的而应用的各种航行器特别重要。所以近几十年来，惯性导航在导弹、舰船、潜艇、水下武器、飞机、宇宙航行器上都得到了广泛的应用，在导航技术中占有突出的地位。
惯性导航用于水下导航，是通过将加速度对时间两次积分来获得水下潜器的位置，其优点是自主性和隐蔽性好。缺点是由于陀螺随时间不断漂移，在长时间工作情况下导航定位累积误差较大。早期的惯导系统复杂、体积大、能耗高不适合潜水器使用，现在随着光纤、激光等新型固态陀螺技术的不断进步，为实现研制体积小、精度高、可靠性好、能耗与成本指标低的INS提供了条件，因此在未来的自主式潜航器（AUV）上将有可能大量采用这些新型INS。目前，国外水下潜器常用的INS主要有：美国霍尼韦尔公司RL34环形激光陀螺惯性导航系统、美国Crossbow公司的微机械陀螺惯性导航系统等。
四、声学导航定位
水声导航是在声纳和无线电导航的综合技术基础上发展起来的导航技术。水声定位系统具有多个基元，基元一般为接收器或应答器，基元间连线称为基线，根据基线长度可分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统。这三种系统导航都需事先在海域布放换能器或换能器阵以实现声学导航。换能器（或换能器阵）声源（信标或应答器）发出的脉冲被一个或多个设在母船上的声学传感器接收，收到的脉冲信号经过处理和按预定的数学模型进行计算就可以得到声源的位置。
目前，法国、挪威等公司都推出了中深水的商用超短基线水下声学定位系统产品，但对其数据的处理与应用则很少提及。国外对声学定位系统研究较早的是挪威的公司，其日前推出的HIPAR700型长程声学定位系统，理论推算最大作用距离为8000m，最大工作水深为6000m，定位精度为作用距离的0.15％。法国公司的Posidonia 6000远距离超短基线水下定位系统是高精度超短基线水下定位系统，其将CHⅡ冲多频编码信号与数字信号处理技术相结合，这在市场上是独一无二的。最大作用距离为8000m，定位精度为作用距离的0.5％～1.0％。与其公司其它导航设备（罗经或是惯导系统，作为单一的、高精度航向及姿态数据源）配合使用时，Posidonia 6000能达到最佳的作业性能。
五、地球物理属性导航
对于大多数水下潜器的使用要求来说，采用声学导航显然是不可能的，而且是不切实际的。如果我们事先能得到精确的环境测绘图，就可以通过对地球物理参数（如深度测量法、磁场、重力异常）的测量，来对水下航行器在地球上的位置进行估计。这些方法主要是基于被测量参数在空间分布上有足够变化的前提下，通过与先验的环境测绘图进行匹配，来实现导航的一种方法。这就是地球物理属性导航，是自然界的生物，如鸟、鱼和其他动物迁移时普遍采用的导航方式。地球物理属性导航又可分为基于地磁导航、基于重力场导航和地形辅助导航。其中，基于地磁导航需要已知地球磁场强度关于水深和地理位置的分布图，在考虑了每天的磁场变化后，就可以利用水下航行体测到的地球磁场强度估算出当时水下航行体的位置。地球磁场强度的分布图需要通过卫星或水面船只测绘得到。目前，美国已开发出水下定位精度优于500m的地磁导航系统。和基于地磁导航在原理上相似，基于重力场导航需要已知地球重力分布图或者水下航行体预期航行路线上的重力分布图，再利用重力敏感仪器测量重力场，搜索与之匹配的路线，估计水下航行体当前自身的位置。
美国新一代潜艇导航系统就具备基于重力场导航的能力，可计算出惯性导航仪的误差，连续对惯性导航平台进行调整。同理，地形辅助导航也是利用声探测技术或遥感探测技术测量海底地形，通过与已知的电子海图相比较，利用极大似然法估计水下航行体当前的位置，精度在几米范围内。
六、天文导航法
天文导航法是利用对自然天体的测量来确定自身位置和航向的导航技术。由于天体位置是已知的，测量天体相对于导航用户参考基准面的高度角和方位角就可计算出用户的位置和航向。天文导航系统不需要其他地面设备的支持，所以是自主式导航系统。不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定位、定向的精度比较高，定位误差与定位时刻无关，因而得到广泛应用。其原理以天体作为参考点，可确定水下潜器的真航向。使天文导航潜望镜自动对准天体方向可以测出水下潜器前进方向（纵轴）与天体方向（即望远镜轴线方向）之间的夹角（称为航向角）。由于天体在任一瞬间相对于南北子午线之间的夹角（即天体方位角）是已知的。这样，从天体方位角中减去航向角就得到水下潜器的真航向。通过测量天体相对于水下潜器参考面的高度就可以判定水下潜器的位置。
图1 天文定位原理
以地平坐标系在水下潜器上测得某星体C的高度角h，由90°－h可得天顶距Z（图1），以星下点（天体在地球上的投影点）为圆心，以天顶距ｚ所对应的地球球面距离R为半径作一圆，称为等高圆。在这个圆上测得的天体高度角都是h。同时测量两个天体C1、C2，便得到两个等高圆。由这两个圆的交点得出水下潜器的实际位置M和虚假位置M′。再用水下潜器位置的先验信息或第三个等高圆来排除虚假位置，经计算机解算即得出水下潜器所在的经、纬度（λ、φ）。
从1959年美国第一艘导弹核潜艇上的“Ⅱ型”天文导航潜望镜、1964年7月装备在“阿诺德将军号”上的FAST星体跟踪器、“享茨维尔”号测量船上的NAST系统、1970年装备在超音速运输机上的LN－20、1984年在麦克级（MIKE）核潜艇上安装的“鳍眼”射电六分仪和光学（天文）跟踪装置、1987和1988年对LN－20的两次改进，1993年法国凯旋级弹道导弹核潜艇上的M92型光电六分仪，直到1997年开始服役的NAS-27天文导航单元等等，都是天文导航的实际应用。目前，美军的B-52、FBⅢ、B－1B、B－2A、C－141A、SR－71、俄罗斯的TU－16、TU－95、TU－160等都装有天文导航设备。
七、现代潜艇水下导航技术发展趋势
随着现代军事技术的不断发展，水下导航必须适应现代潜艇战略和战术的要求，能够为潜艇实施长时间隐蔽航行提供实时准确的导航信息。潜艇导航技术与其他导航技术相比具有更为显著的军事特征，因此它的发展在符合导航系统发展总方向的前提下将具有自己独特的趋势。根据潜艇军事行动的要求，GPS系统在未来战争中可能谁都无法使用，应注重研究和实施两种以上导航体制并存的格局，为此未来水下潜艇导航技术将仍以惯性导航技术为基础的导航技术，结合无源重力、海底地形匹配、天文以及水声等导航新技术实施潜艇综合导航。
【作者简介】郑彤，女，博士，海军驻武汉某厂军事代表室，研究方向为舰船武备电子系统和设备监造；本文来自《舰船电子工程》（2016年第10期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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