潜艇导航新技术.doc

潜艇导航新技术概论海军广州舰艇学院 徐志刚摘要：为满足今后潜艇作战系统对导航的要求，必须研究出新一代的导航技术，使得潜艇长时间不用浮出水面利用无线电导航或天文导航技术来校正舰位误差本文基于对美国新一代潜艇导航技术，进一步评述潜艇导航新技术及其发展方向关键词：重力导航 地形匹配 水声导航 1 引言对于潜艇来说，传统的导航方法主要是在惯导系统基础上结合无线电导航系统（包括 GPS）及天文导航技术惯导系统是一种自主式的导航系统，最适合潜艇隐蔽作战的特点，由于惯导系统具有积累误差的致命弱点，使得惯导系统必须结合其它无积累误差的导航技术（如上述的无线电导航技术和天文导航技术）来为潜艇提供导航服务但是在利用无线电导航技术或天文导航技术为潜艇的惯导系统进行校正的时候，潜艇必须浮出水面或处于潜望状态，这不符合美国新型核潜艇长期隐蔽航行的要求为此，必须发展新一代的导航系统2 美国新一代潜艇导航系统为满足核潜艇长期隐蔽航行的要求，美国研制的新一代潜艇导航系统——重力导航辅助的组合导航系统它采用模块式结构，包括惯性导航仪模块、重力敏感器模块、精密导航仪模块、地形测量等组成，其配置如图 1 所示。

惯性导航仪向其它模块及艇上其它子系统提供数据电磁计程仪数据用于阻尼惯性平台回路重力敏感器和惯性导航仪一起可实现无源导航的能力重力敏感器通过重力测量和以数字形式存储的重力分布图比较，可计算出惯性导航仪的误差，连续对惯性平台进行重调重力传感器模块包括重力仪和重力梯度仪将重力仪测到的重力异常与包含给定位置的真实异常值重力异常图进行比较，测得的重力异常与显示的导航仪位置的重力异常之差即为导航仪的误差，将这些误差进行滤波处理对导航仪进行重调，可有效地防止惯性误差的积累，从而实现无源导航重力梯度仪用来增强无源导航的能力，提供的垂线偏差和垂线哥氏值，将这两个值进行适当的处理，可用与修正高频速度误差和低频地球回路误差由于重力梯度仪可准确地测量局部质量异常，因此还具有测量地形的能力地形测量模块是一种海底地形跟踪导航系统它基于利用声学高度计计算出相对某基准海底深度的变化的一种图形跟踪导航它与重力敏感模块一起，可实时的测量和显示潜艇周围的三维地形精密导航仪模块是基于多普勒原理的导航系统它与惯性导航仪相结合，可提供极其精确的导航数据它采用先进的数据融合技术，将多普勒速度计程仪的低速数据与惯性数据融合，从而提供精确的定位数据。

该方法还有绘图功能，可满足水雷战及水下隐蔽地形测绘的需要上述的惯性导航仪模块、重力传感器模块和地形测量模块均是无源的，可保证潜艇实现长期隐蔽航行上述的导航技术除了惯导技术外，还包含了无源重力导航技术、地形匹配导航技术以及水声导航技术，下面进一步论述这些技术3 潜艇导航新技术简介3.1 无源重力导航技术无源重力导航是从重力测量及重力异常和垂线偏差的测量和补偿的基础上发展起来的，它是一种利用重力敏感仪表的测量实现的图形跟踪导航技术它把事先作好的重力分布图存储在导航系统中，再利用重力敏感仪器测定重力场特性来搜索期望的路线，通过人工神经网络和统计特性曲线识别法使运地形测量模块惯性导航仪模块导航数据重力数据图 1惯性数据重力传感器模块精密导航仪模块惯性修正惯性修正惯性数据地形显示载体确认、跟踪或横过路线，到达目的地这种方法由于不进行辐射，不使用外部坐标，所以称为无源重力导航重力导航具有精度高、不受时间限制、无需伸出水面、无辐射、无干扰，可最终解决潜艇的隐蔽性，但是无源导航适用于在地理特征变化较大的区域，因此，常作为惯性导航的辅助手段它的敏感部分分重力敏感器、重力敏感系统以及加速度计重力梯度仪等类别。

利用无源重力导航技术进行导航的方法主要有：无原导航算法、地形估计算法以及采用重力导航辅助的组合导航美国新一代潜艇导航系统就是一种典型的采用重力导航辅助的组合导航，所以下面只说明前两种方法1）无源导航算法是通过利用重力测量值、以数字形式存储的重力图和导航仪本身的数据，以产生舰船导航仪的误差估计，然后将这些估计值用来以连续方式修正惯性导航仪的误差，不用定期地利用外部位置坐标，从而实现限定导航误差修正可采用开环或闭环方式如图 2 所示为闭环方式修正方框图在这种方式中，使用修正值连续重调导航仪，使之保持在要求的导航精度内在开环方式中，修正值只加在导航仪的输出上开环配置的优点是简单，而闭环配置可充分利用 UGM的能力，不仅限定导航输出误差，而且还可以连续地估计惯性仪表误差2）地形估计算法利用重力梯度仪测得重力梯度数据重力梯度仪能够测量由于当地地形变化引起的重力场的变化，通过对这些信号（数据）进行适当地处理，地形估计可以产生舰艇附近的地形的三维显示重力梯度仪测量的总的重力梯度和运载体本身的梯度及由于重力梯度仪平台的惯性角速率产生的向心重力梯度由于运载体本身的重力梯度和平台的向心重力梯度是已知的，所以可将它们减去，再产生观测矩阵产生地形柱体产生预测的梯度卡尔曼滤波更新梯度修正地形估计测出的梯度图 3预测梯度地形显示重力平台无原导航算法重力图惯性导航仪导航修正导航仪数据图形数据测量数据图 2将标准的椭圆地球的重力梯度减去，就剩下由于地形变化而产生的重力梯度。

地形估计算法流程如图 3 所示3.2 地形匹配导航技术潜艇的地形匹配导航就是一种海底地形跟踪导航系统，它用于对惯性导航系统进行辅助校正，也可应用于为水下机器人、远程控制装置等在海底一定范围的自由行走、返回式导航及其航行安全和海底工程设计提供技术支持地形匹配导航通过采取多模自适应估计技术获取最佳估计位置，利用一组并行卡尔曼滤波器来搜索最佳匹配位置，以对惯导系统进行校正它是一种解决惯性导航系统水下校正问题的有效方法，它的核心问题是匹配算法主要分为两大类，一类是基于地形相关的匹配算法，另一类是基于特征的匹配算法1）基于相关的匹配算法主要有：归一化积相关算法（NPROD）、平均平方差算法（MSD）、平均绝对差算法（MAD）NPROD 为最大值算法，MSD 和 MAD 为最小值算法通过计算相关极值，得到最佳匹配位置这些算法都是传统的图像匹配算法，广泛应用于图象匹配和飞行器导航领域，但其定位精度相对较差，所以近年来发展了各种不同的特征匹配算法2）基于特征的匹配算法，包括梯度法和相位法梯度法的一般原理是将信号线性展开（如 Taylor 公式），将信号中的视差变量分离出来，然后根据某种准则（如最小均方差准则等）构造目标函数并求解，即得到视差值。

此方法中展开式的系数通常是象素灰度或高解导数，故称为梯度法由于 Taylor 公式的限制，此方法只能对低频信号很好的近似，对于高频信号会产生较大的误差相位法的一般原理是利用“信号在空域中的偏移等于其频域的相位产生相应的变化”这一特点，对信号进行变换，使视差分量成为频域中的相位项，据此可求出视差与梯度相反，相位法对于低频信号会产生较大的误差，而对于高频信号则有相对较好的效果为了得到更好的效果，可以综合两种方法进行匹配3.3 水声导航技术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，按其完成功能的不同可归纳为长基线水声导航和短基线水声导航长基线水声导航主要是通过在海底布设一组水声应答器，潜艇向海底应答器阵发出询问声脉冲，每个海底应答器“听”到这个询问脉冲后，立即以自己的应答频率发射响应脉冲，潜艇上的多通道接收机收到各应答器发出询问脉冲后，就能依据应答时间测量出潜艇到各应答器的距离若海底应答器的位置坐标确定，那就可以根据应答器的坐标来确定潜艇的位置坐标，从而对潜艇惯性导航系统的时间积累误差进行校正与重调短基线导航是把水听器阵安装于运动体的船底，而在船底安装一个应答器，当运动体向应答器发出询问信号后，三个以上的水听器就收到来自应答器的回响信号，于是就可测出运动体到应答器的信号传输时间和三个水听器收到的信号的时间差，假如已知应答器的位置，则可测出运动体相对应答器的坐标参数。

水声导航系统与其他导航系统相比，具有以下几个特点：（1）水声导航系统的性能与水的声物理有关，与大气条件、地理磁场和系统的工作时间无关，其局部定位精度很高；（2）系统的精度主要受海水温度、密度、盐度等物理性能变化的影响，即受水中声速变化的影响因此，需要对相应海区的海洋物理性能作调查工作，收集相关水声物理特性并建立相应的数据库；（3）系统误差不随时间积累，比较固定根据上述特点，水声导航系统的性能与水声学物理性能有关要建立水声导航系统，首先必须要对相关海区的海水密度、盐度、温度等有关水声物理特性进行调查研究，并建立相应海区水声物理特性的数据库其次，在布设水声应答器时，还必须确保应答器本身的位置精度以及最佳的几何精度因子水声应答器的位置一般可通过其它导航系统来确定应答器的位置各应答器的间距可与海深比拟或者超过水深几倍，从几何定位原理来看，各应答器应布设成一定的几何图形，并保证该系统的作用区域内具有最佳的几何精度因子4 潜艇导航技术发展趋势随着现代军事技术的不断发展，潜艇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，导航必须在完全符合潜艇军事行动要求下进行的，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。

1）根据潜艇军事行动的要求，未来潜艇导航技术将仍以惯性导航技术为基础的导航技术，结合上述的无源重力、海底地形匹配以及水声等导航新技术实施潜艇综合导航2）随着“数字地球”技术的发展，潜艇有可能利用其所处的海洋地理环境信息（如重力场、磁场等各种“场”信息）确定其所在的准确位置3）随着信息技术以及美国海军所提出的“网络中心战”战略的发展，“网络中心战”将对潜艇导航提出更高的要求，反过来潜艇导航技术也必须结合“网络中心战”这一发展趋势，走信息化和综合化的发展道路也就是说，潜艇将能够从网络中实时地获取随时变化的动态环境信息，潜艇的本地传感器也将同时测得其所在区域的动态环境信息，根据这两种环境信息，通过信息处理系统和智能识别系统来确定潜艇的位置，从而实现潜艇导航的信息化和综合化5 结论为适应今后潜艇发展和作战的要求，潜艇导航系统必须能够保证潜艇能够实施长时间隐蔽航行，所以以惯导为基础再利用无线电导航技术（如GPS）或天文导航技术来校正的导航技术，不能适应今后潜艇作战的要求必须充分利用地球上的各种特征信息资源（如重力场、磁场等） ，开发新的导航技术，同时还必须充分利用信息技术，通过信息技术走综合化的导航技术发展方向。

参 考 文 献1.王丰乐等：《航海仪器》，海军 潜艇学院， 1999.82.武 凤德等：《21 世纪舰船导航发展趋势》，第六届 导航及海上通信学术年会论文集，导航编辑部，2001.93.陈永冰:《惯性导航原理》，海军工程学院，1997.14.王燕麟：网络中心战和水声网络，船舶 仪器仪表 2001 年学 术年会， 2001.8A4 纸 170x240，3~4 页题目 3 号黑体姓名 4 号楷体单位 5 号楷体摘要、关键词、标题 5 号黑体摘要、关键词内容、插图标题参考文献内容小 5 号宋体正文 5 号宋体7 月 30 日前Email:SXDG@Tel:05716332083。