基于重力匹配導(dǎo)航的潛艇避障方法分析＊

康曉磊 崔恒彬 許鳳軍

（1.海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012）（2.92529部隊(duì) 寧波 315000）

1 引言

隱蔽性是潛艇在現(xiàn)代海戰(zhàn)中所具有的最大優(yōu)勢(shì)，水下安全航行是確保潛艇隱蔽性的基本保障，及時(shí)探測(cè)并規(guī)避障礙物是水下導(dǎo)航中的重要組成部分。常規(guī)的水下慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于陀螺漂移誤差、加速度計(jì)誤差、重力場(chǎng)誤差和海流海況變化的影響，導(dǎo)航定位誤差隨航行時(shí)間累積，使得單一的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)很難在水下隱蔽環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間地提供精確的導(dǎo)航定位信息。時(shí)間一長(zhǎng)，潛艇慣導(dǎo)系統(tǒng)必須借助于外部其他系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)或重調(diào)[1]。重力匹配導(dǎo)航技術(shù)能夠克服水下慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航外部標(biāo)校的弱點(diǎn)和缺陷，幾乎可以使慣性導(dǎo)航具有無(wú)窮大重調(diào)周期，幾十天不浮出水面。

2 重力匹配輔助導(dǎo)航基本原理

重力匹配輔助導(dǎo)航的原理借鑒了自上世紀(jì)70年代以來(lái)已經(jīng)比較成熟的地形匹配方法。地形匹配之所以能夠成功應(yīng)用，關(guān)鍵在于地形具有起伏變化的特征，正是由于大量地形特征點(diǎn)的存在，使得可以通過(guò)測(cè)量載體航行位置處的地形數(shù)據(jù)，再通過(guò)與預(yù)先測(cè)量存儲(chǔ)的地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，從而最終確定載體的真實(shí)位置。

重力匹配輔助導(dǎo)航系統(tǒng)是利用高分辨率的重力背景場(chǎng)數(shù)據(jù)組成的基本特征信息數(shù)據(jù)庫(kù)（背景場(chǎng)圖），結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)給出的導(dǎo)航參數(shù)（主要是位置信息）在背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相應(yīng)的指示重力值；隨后，海洋重力儀器（或重力梯度儀）實(shí)時(shí)測(cè)量重力數(shù)據(jù)，測(cè)量重力數(shù)據(jù)再根據(jù)測(cè)深測(cè)潛儀以及INS提供的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改正處理，處理后的測(cè)量重力數(shù)據(jù)與指示重力數(shù)據(jù)以及INS導(dǎo)航參數(shù)一道送入INS的中心結(jié)算計(jì)算機(jī)中進(jìn)行組合導(dǎo)航計(jì)算，獲得INS的偏差以對(duì)其進(jìn)行修正。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 重力匹配輔助慣性導(dǎo)航原理結(jié)構(gòu)圖

3 基于水下重力測(cè)量的避障分析

潛艇在水下潛航狀態(tài)時(shí)，通過(guò)艇載重力儀實(shí)時(shí)地測(cè)量所在海域的重力場(chǎng)，如果在有效范圍內(nèi)存在障礙物，則重力場(chǎng)會(huì)存在一定異常[2]。通過(guò)對(duì)重力異常的分析和反演，可以計(jì)算障礙物的質(zhì)量和方位，從而為潛艇行動(dòng)提供參考信息，整個(gè)流程如圖2所示。

圖2 避障分析流程

在進(jìn)行潛艇導(dǎo)航時(shí)，首先根據(jù)陀螺和加速度計(jì)提供的數(shù)據(jù)，解算出潛艇的當(dāng)前粗略位置W1，同時(shí)，數(shù)字重力圖找到相應(yīng)的重力異常區(qū)域[3]。其次，將重力儀實(shí)測(cè)的重力異常值與重力異常區(qū)域進(jìn)行比較，按照均方差最小的準(zhǔn)則計(jì)算出潛艇最接近的重力異常區(qū)域，對(duì)照數(shù)字重力圖查出潛艇目前較為精確的位置。該均方差的表達(dá)式為

式中，Gs為重力儀實(shí)測(cè)重力異常值，Gt為圖示重力異常值，m為采樣次數(shù)。在實(shí)際導(dǎo)航中為了提高精度，Gs要進(jìn)行厄特缶斯改正。厄特缶斯改正可用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

其中：ω為地球角速度；RB代表緯度B的地球半徑；h為水下運(yùn)載體航行深度；A為運(yùn)載體航向角。由于水下運(yùn)載體深度一般在200m以內(nèi)，與地球半徑相比，基本可以忽略不計(jì)（計(jì)算中，取RB＝6378137m，ω＝7.292115×10－5rad／s）。速度誤差、航向誤差以及深度誤差對(duì)厄特缶斯改正影響是不相同的。對(duì)式（2）取微分，單位歸算為重力單位mGal，速度、航向和緯度誤差分別以0.01m／s，1‘和1nmile（1nmile≈1852m）為單位。

通過(guò)式（3）及實(shí)際海洋重力測(cè)量可知，速度誤差是厄特缶斯改正主要誤差源，在低緯度地區(qū)航向角誤差也是一個(gè)需要考慮的因素，而緯度誤差一般對(duì)厄特缶斯改正影響不大[5]。

最后，采用擴(kuò)展Kalman濾波技術(shù)[6]，利用位置誤差值對(duì)陀螺和加速度計(jì)誤差進(jìn)行估計(jì)，按式（1）所示之均方差的最小的準(zhǔn)則計(jì)算并得出潛艇的最優(yōu)路徑[7]。

在實(shí)際航行中，可對(duì)照將障礙物看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，考慮如圖3所示的兩種情況：1）潛艇航跡直接指向障礙物；2）潛艇航跡經(jīng)過(guò)障礙物附近但不與障礙物接觸。潛艇沿著軌跡前進(jìn)時(shí)，艇載重力儀實(shí)時(shí)探測(cè)障礙物所引起的重力異常。根據(jù)重力的異常變化，我們可以大致推測(cè)障礙物與潛艇航跡之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航狀態(tài)進(jìn)行修正，得到最優(yōu)導(dǎo)航狀態(tài)[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

海洋重力匹配輔助導(dǎo)航是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、學(xué)科知識(shí)和硬件設(shè)備的集成。國(guó)內(nèi)對(duì)于重力匹配輔助導(dǎo)航的研究起步較晚，關(guān)鍵設(shè)備特別是高精度重力∕重力梯度儀器的缺乏，使得與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)水平還有相當(dāng)程度的差距。但由于重力匹配導(dǎo)航能夠彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)，因此，重力匹配導(dǎo)航在潛艇中必將會(huì)得到大量的應(yīng)用。從目前重力匹配導(dǎo)航發(fā)展的現(xiàn)狀及未來(lái)導(dǎo)航發(fā)展的需求來(lái)看，今后仍將在下列幾方面繼續(xù)進(jìn)行研究。

1）重力傳感器技術(shù)

重力傳感器是重力測(cè)量系統(tǒng)的核心部件，現(xiàn)有重力傳感器由于其結(jié)構(gòu)的笨重性制約了其實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)應(yīng)向精度高、體積小、重量輕、成本低、易維護(hù)的方向發(fā)展；單軸測(cè)量向三軸測(cè)量發(fā)展并且集成度越來(lái)越高，如全張量重力梯度儀系統(tǒng)（Full Tensor Gradiometer，F(xiàn)TG）[9]。

2）系統(tǒng)向模塊化、通用化發(fā)展

將重力異常測(cè)量、重力梯度測(cè)量系統(tǒng)高度集成，并將其進(jìn)行模塊化；匹配算法、重力地圖高度標(biāo)準(zhǔn)化，使重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，從最初的彈道核潛艇到一般水下艦艇和無(wú)人載體，逐漸擴(kuò)展到航空載體、巡航導(dǎo)彈、陸地車輛和地球物理勘探[10]。

3）重力輔助導(dǎo)航與其他輔助導(dǎo)航方法的融合

目前，輔助導(dǎo)航的方法已經(jīng)有很多種。在海底地形特征明顯的區(qū)域，地形輔助導(dǎo)航的定位精度很高；對(duì)于地球兩極附近，地磁場(chǎng)具有很高的分辨率和精度[11]。因此，在某些特殊區(qū)域，將重力輔助導(dǎo)航與海底地形輔助導(dǎo)航、地磁輔助導(dǎo)航相結(jié)合，可極大提高傳統(tǒng)慣導(dǎo)的定位精度[14]。

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