艦艇導(dǎo)航定位技術(shù)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(xué)，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(dǎo)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(dǎo)運動載體沿著合理的路線抵達目的地的過程。導(dǎo)航源于定位，并且需要連續(xù)實時動態(tài)的定位。導(dǎo)航的研究內(nèi)容除所有定位技術(shù)，還包括各種匹配導(dǎo)航和控制理論與方法等。

1 導(dǎo)航定位技術(shù)基本原理

導(dǎo)航定位技術(shù)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(dǎo)航定位技術(shù)又不斷推動人類前行的腳步。導(dǎo)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(dǎo)航定位方法，其原理為利用牛頓力學(xué)定律，根據(jù)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(xiàn)導(dǎo)航定位。慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)是典型的航位推算法，應(yīng)用最早、使用最為普遍的自主導(dǎo)航定位技術(shù)。導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)航定位信息，包括無線電、水聲、天文、地球物理特征等導(dǎo)航定位技術(shù)。表1為參照法的幾種主要導(dǎo)航定位類型。

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

2 導(dǎo)航定位技術(shù)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(dǎo)航定位精度。高精度的理論模型是高精度導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)，日益先進的科學(xué)技術(shù)是實現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位的手段。

目前很多導(dǎo)航定位技術(shù)以牛頓經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)。在地球附近空間,經(jīng)典的牛頓理論所對應(yīng)的時間計量只能精確到10?8[1]，不能滿足目前很多技術(shù)領(lǐng)域的導(dǎo)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(yīng)建立在廣義相對論的基礎(chǔ)之上，考慮相對論效應(yīng)，用四維時空觀解決空間距離測量問題[2]。

隨著導(dǎo)航定位理論模型的不斷完善，以及日新月異的科技進步，導(dǎo)航定位技術(shù)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(dǎo)航定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航定位技術(shù)涉及精密機械、計算機、微電子、光學(xué)、自動控制、材料等多領(lǐng)域多學(xué)科。陀螺儀是慣導(dǎo)的核心部件，按不同類型陀螺出現(xiàn)的順序、理論的建立和新型傳感器制造技術(shù)的出現(xiàn)，可以將慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展分為4代：1930年以前以牛頓三大定律為理論基礎(chǔ)，建立了第1代慣導(dǎo)技術(shù)。1852年，法國人傅科提出陀螺的原理及應(yīng)用設(shè)想，1908年德國人安修茨研制出世界上第1臺擺式陀螺羅經(jīng)，1910年德國人舒勒提出調(diào)諧原理。以上理論和發(fā)明奠定了慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。1930年以后到20世紀60年代末為第二代慣導(dǎo)技術(shù)。慣導(dǎo)技術(shù)成功應(yīng)用到德國V-II 火箭上。單自由度液浮陀螺平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)、動壓陀螺、加速度計、支承懸浮技術(shù)、激光技術(shù)等相繼出現(xiàn)，捷聯(lián)慣導(dǎo)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(dǎo)技術(shù)。靜電陀螺、超導(dǎo)體陀螺、流體轉(zhuǎn)子陀螺等基于不同原理的陀螺儀相繼得到應(yīng)用，出現(xiàn)了采用微機械結(jié)構(gòu)和控制電路工藝制造的微機電導(dǎo)航系統(tǒng)；目前慣導(dǎo)技術(shù)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(dǎo)逐步取代平臺式慣導(dǎo)。慣性導(dǎo)航定位技術(shù)向高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛等方向發(fā)展。圖1為第3代慣導(dǎo)技術(shù)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(dǎo)航定位技術(shù)

無線電導(dǎo)航定位是最重要的導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域幾乎遍及所有行業(yè)。

2.2.1 陸基無線電導(dǎo)航定位技術(shù)

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(dǎo)航系統(tǒng)等。陸基導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求隨著星基導(dǎo)航定位技術(shù)的成熟應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)部署時間圖。

圖2 陸基無線電導(dǎo)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(dǎo)航定位技術(shù)

目前國際上比較成熟，已經(jīng)投入使用的全球衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、2016年投入使用的歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)和2018年底實現(xiàn)全球服務(wù)的我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般由空間導(dǎo)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(xiàn)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(shè)備，包括硬件和軟件部分[3]。GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成如圖3所示。

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

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

2.3 天文導(dǎo)航定位技術(shù)

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

按導(dǎo)航星體的峰值光譜和光譜范圍，天文導(dǎo)航包括星光導(dǎo)航、X 射線導(dǎo)航、射電導(dǎo)航和紅外導(dǎo)航等[5]。按照測量信息種類的不同，天文導(dǎo)航主要包括測角、測距和測速導(dǎo)航[6]。按發(fā)展階段，天文導(dǎo)航包括傳統(tǒng)和新興天文導(dǎo)航定位技術(shù)。脈沖星導(dǎo)航是新興天文導(dǎo)航定位技術(shù)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(dǎo)航基準[7]。實現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航需要設(shè)備、定時、定位與導(dǎo)航等4個環(huán)節(jié)[8]，脈沖星導(dǎo)航流程如圖4所示。天文導(dǎo)航是人類開展深空探測的主要導(dǎo)航定位手段，其發(fā)展趨勢包括提高導(dǎo)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(yīng)性，實現(xiàn)多源異質(zhì)信息融合，以及故障自動檢測等[9]。

圖4 脈沖星導(dǎo)航流程Fig.4 Pulsar navigation process

2.4 水聲導(dǎo)航定位技術(shù)

地球表面以及太空的導(dǎo)航定位主要依托無線電技術(shù)，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(jīng)過幾十年的發(fā)展，水聲導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展很快，根據(jù)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(shù)特點見表2。水聲導(dǎo)航定位技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)航定位技術(shù)

地球物理特征導(dǎo)航包括地磁導(dǎo)航、重力匹配導(dǎo)航和地形匹配導(dǎo)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(shù)據(jù)，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(xiàn)導(dǎo)航定位。以上方法均需要導(dǎo)航用測量儀器、導(dǎo)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(dǎo)航具有隱蔽性好、自主性強等特點，其技術(shù)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(dǎo)航，提高地球物理場初始對準精度等[10]。

2.6 組合導(dǎo)航定位技術(shù)

組合導(dǎo)航是將2種以上導(dǎo)航系統(tǒng)進行融合，實現(xiàn)提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度、可靠性、抗干擾性、經(jīng)濟性等指標。目前廣泛應(yīng)用的是由慣導(dǎo)系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，如INS/GPS，INS/北斗等，這種組合解決了慣導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)短期內(nèi)能提供較高精度的導(dǎo)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(dǎo)為主,借助聲學(xué)、地形匹配、重力、海洋地磁及視覺等一個或多個導(dǎo)航手段的組合導(dǎo)航技術(shù)。圖5為慣導(dǎo)/地球物理組合導(dǎo)航原理圖[11]。

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

2.7 綜合導(dǎo)航定位技術(shù)

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)集通信、導(dǎo)航、識別等于一體，實現(xiàn)通信、監(jiān)視、授時、指揮控制、武器制導(dǎo)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(yīng)用的典型綜合導(dǎo)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(shù)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(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)，利用統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)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(shù)數(shù)據(jù)鏈顯示出“作戰(zhàn)效能倍增器”的強大威力[12]。

3 艦艇導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展趨勢分析

無論是航空母艦、驅(qū)護艦等水面艦艇，還是潛艇、潛行器，導(dǎo)航系統(tǒng)都至關(guān)重要，決定艦艇的航行安全和作戰(zhàn)能力。艦艇導(dǎo)航技術(shù)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(dǎo)技術(shù)不斷向高精度、小型化方向發(fā)展

慣導(dǎo)系統(tǒng)是艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，是艦艇實現(xiàn)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(jù)報道，美國包括“俄亥俄”級巡航導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)，在沒有衛(wèi)星導(dǎo)航信息的輔助下具備2周的導(dǎo)航能力。艦艇激光慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展方向是雙軸和三軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光慣導(dǎo)，可有效抑制甚至基本抵消所有器件誤差項對導(dǎo)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(xiàn)艦艇慣導(dǎo)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(dǎo)航和綜合導(dǎo)航技術(shù)，不斷向智能化方向發(fā)展

艦艇將慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文、無線電、測深、測速、地理等不同導(dǎo)航信息融合處理，形成精度高、可靠性好、適應(yīng)性強的導(dǎo)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(xiàn)通信、導(dǎo)航與指揮控制等的一體化應(yīng)用，不斷提高艦艇的智能化、靈活性、經(jīng)濟性和生存能力。

4 結(jié)語

導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展與人類社會的發(fā)展進步密切相關(guān)，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(dǎo)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(dǎo)航定位的核心基本問題[14]，只要不斷提高導(dǎo)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(dǎo)航方法，人類探索宇宙的腳步就會更加精準和堅實。