基于重力匹配导航的潜艇避障方法分析＊

康晓磊 崔恒彬 许凤军

（1.海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012）（2.92529部队 宁波 315000）

1 引言

隐蔽性是潜艇在现代海战中所具有的最大优势，水下安全航行是确保潜艇隐蔽性的基本保障，及时探测并规避障碍物是水下导航中的重要组成部分。常规的水下惯性导航系统由于陀螺漂移误差、加速度计误差、重力场误差和海流海况变化的影响，导航定位误差随航行时间累积，使得单一的惯性导航系统很难在水下隐蔽环境中长时间地提供精确的导航定位信息。时间一长，潜艇惯导系统必须借助于外部其他系统进行校准或重调[1]。重力匹配导航技术能够克服水下惯导系统导航外部标校的弱点和缺陷，几乎可以使惯性导航具有无穷大重调周期，几十天不浮出水面。

2 重力匹配辅助导航基本原理

重力匹配辅助导航的原理借鉴了自上世纪70年代以来已经比较成熟的地形匹配方法。地形匹配之所以能够成功应用，关键在于地形具有起伏变化的特征，正是由于大量地形特征点的存在，使得可以通过测量载体航行位置处的地形数据，再通过与预先测量存储的地形数据库进行比对，从而最终确定载体的真实位置。

重力匹配辅助导航系统是利用高分辨率的重力背景场数据组成的基本特征信息数据库（背景场图），结合惯性导航系统给出的导航参数（主要是位置信息）在背景场数据库中找到相应的指示重力值；随后，海洋重力仪器（或重力梯度仪）实时测量重力数据，测量重力数据再根据测深测潜仪以及INS提供的导航参数进行相应的改正处理，处理后的测量重力数据与指示重力数据以及INS导航参数一道送入INS的中心结算计算机中进行组合导航计算，获得INS的偏差以对其进行修正。系统原理结构图如图1所示。

图1 重力匹配辅助惯性导航原理结构图

3 基于水下重力测量的避障分析

潜艇在水下潜航状态时，通过艇载重力仪实时地测量所在海域的重力场，如果在有效范围内存在障碍物，则重力场会存在一定异常[2]。通过对重力异常的分析和反演，可以计算障碍物的质量和方位，从而为潜艇行动提供参考信息，整个流程如图2所示。

图2 避障分析流程

在进行潜艇导航时，首先根据陀螺和加速度计提供的数据，解算出潜艇的当前粗略位置W1，同时，数字重力图找到相应的重力异常区域[3]。其次，将重力仪实测的重力异常值与重力异常区域进行比较，按照均方差最小的准则计算出潜艇最接近的重力异常区域，对照数字重力图查出潜艇目前较为精确的位置。该均方差的表达式为

式中，Gs为重力仪实测重力异常值，Gt为图示重力异常值，m为采样次数。在实际导航中为了提高精度，Gs要进行厄特缶斯改正。厄特缶斯改正可用式（2）进行计算：

其中：ω为地球角速度；RB代表纬度B的地球半径；h为水下运载体航行深度；A为运载体航向角。由于水下运载体深度一般在200m以内，与地球半径相比，基本可以忽略不计（计算中，取RB＝6378137m，ω＝7.292115×10－5rad／s）。速度误差、航向误差以及深度误差对厄特缶斯改正影响是不相同的。对式（2）取微分，单位归算为重力单位mGal，速度、航向和纬度误差分别以0.01m／s，1‘和1nmile（1nmile≈1852m）为单位。

通过式（3）及实际海洋重力测量可知，速度误差是厄特缶斯改正主要误差源，在低纬度地区航向角误差也是一个需要考虑的因素，而纬度误差一般对厄特缶斯改正影响不大[5]。

最后，采用扩展Kalman滤波技术[6]，利用位置误差值对陀螺和加速度计误差进行估计，按式（1）所示之均方差的最小的准则计算并得出潜艇的最优路径[7]。

在实际航行中，可对照将障碍物看作一个质点，考虑如图3所示的两种情况：1）潜艇航迹直接指向障碍物；2）潜艇航迹经过障碍物附近但不与障碍物接触。潜艇沿着轨迹前进时，艇载重力仪实时探测障碍物所引起的重力异常。根据重力的异常变化，我们可以大致推测障碍物与潜艇航迹之间的相对位置关系，从而对惯导系统的导航状态进行修正，得到最优导航状态[8]。

4 结语

海洋重力匹配辅助导航是一项系统的工程，涉及多项关键技术、学科知识和硬件设备的集成。国内对于重力匹配辅助导航的研究起步较晚，关键设备特别是高精度重力∕重力梯度仪器的缺乏，使得与西方发达国家的技术水平还有相当程度的差距。但由于重力匹配导航能够弥补惯性导航系统的缺点，因此，重力匹配导航在潜艇中必将会得到大量的应用。从目前重力匹配导航发展的现状及未来导航发展的需求来看，今后仍将在下列几方面继续进行研究。

1）重力传感器技术

重力传感器是重力测量系统的核心部件，现有重力传感器由于其结构的笨重性制约了其实际应用，未来应向精度高、体积小、重量轻、成本低、易维护的方向发展；单轴测量向三轴测量发展并且集成度越来越高，如全张量重力梯度仪系统（Full Tensor Gradiometer，FTG）[9]。

2）系统向模块化、通用化发展

将重力异常测量、重力梯度测量系统高度集成，并将其进行模块化；匹配算法、重力地图高度标准化，使重力辅助导航系统的应用范围越来越广，从最初的弹道核潜艇到一般水下舰艇和无人载体，逐渐扩展到航空载体、巡航导弹、陆地车辆和地球物理勘探[10]。

3）重力辅助导航与其他辅助导航方法的融合

目前，辅助导航的方法已经有很多种。在海底地形特征明显的区域，地形辅助导航的定位精度很高；对于地球两极附近，地磁场具有很高的分辨率和精度[11]。因此，在某些特殊区域，将重力辅助导航与海底地形辅助导航、地磁辅助导航相结合，可极大提高传统惯导的定位精度[14]。

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