舰艇导航技术的设备与发展*

李 旻

(海军驻武汉438厂军事代表室 武汉 430060)



舰艇导航技术的设备与发展*

李 旻

(海军驻武汉438厂军事代表室 武汉 430060)

舰艇导航技术在现代战争中发挥着越来越重要的作用。文章介绍了国外舰艇导航技术的发展历程以及装备的研制、改进情况,指出了在现代战争中发展舰艇导航技术的优势和重要性,重点探讨了几种舰艇导航技术的性能及其特点,最后论述了舰艇导航技术的发展动向与分析。

舰艇导航; 发展分析

Class Number TN97

1 引言

无论是弹道导弹核潜艇、攻击型核潜艇、常规潜艇,还是航空母舰、驱逐舰、护卫舰和快艇,导航系统都是其重要组成部分之一,对其航行安全和战斗力有极大的影响。本文就舰艇导航技术设备、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 舰艇导航技术设备

舰艇导航设备用于为为舰艇提供舰位、航向、航速、水平和方位基准等数据,以保证正确执行航海计划、进行战术机动和有效使用武器装备。舰艇导航设备按其工作原理和性能,可分为自主式和非自主式,有源式和无源式。主要有普通导航设备、天文导航仪器、无线电导航系统、惯性导航系统和导航星全球定位系统[2]。

1) 普通导航设备。包括磁罗经、陀螺罗经、计程仪、回声测深仪等。主要用于测定舰艇的航向、航速和水深等数据。

· 磁罗经(指南针)是利用磁针受地磁作用而指向地磁南北极的原理制成的。磁罗经具有简单、可靠、无需电源等优点,但误差较大,在磁极附近无法使用;

· 陀螺罗经是在自由陀螺仪上施加适当的指北力矩和阻尼力矩,使其主轴自动指向和跟踪子午线方向;

· 计程仪用于测定舰艇航速和记录航程;

· 回声测深仪是利用超声波在水中等速传播的原理,由装在船底的发射换能器发射超声波,超声波被海底反射回来时由接收换能器接收,根据从发射到接收的间隔时间和超声波在水中的传播速度,求得所测的水深。

2) 天文导航仪器。用于观测天体高度,根据天体的赤道、地平坐标,解算天文三角形求得舰位。

3) 无线电导航系统。利用无线电波探测目标或发射台的方位、距离、距离差,实现舰艇定位。

4) 惯性导航系统。根据牛顿运动定律,利用加速度计测量舰艇运动的加速度,累积这些加速度,以确定舰艇速度和位置的精密导航系统。整个系统是由三个陀螺仪组成的稳定平台,始终保持在和地球表面相切的平面上,提供精确水平基准信息。平台上装有南北向和东西向两个加速度计,测定加速度并对时间进行积分,得出南北向和东西向速度分量。这两个速度分量相加,即为舰艇运动的实际航迹和速度,并由计算机连续推算,求得并显示舰艇即时地理坐标位置。惯性导航系统是完全自主式、无源式的导航系统,是核动力潜艇、海洋调查船等大型舰船必不可少的导航设备。

5) 导航星全球定位系统。导航星全球定位系统(NAVSTAR/GPS),能连续定位。

3 发展动向

1) OSI海事系统公司将为马来西亚追风级轻护舰提供集成导航与战术系统。美国《今日海军》2013年6月26日报道:OSI海事系统公司从马来西亚莫实得海军船厂获得一份协议,根据该协议,OSI海事系统公司将向莫实得海军船厂提供六部集成导航与战术系统,用于该船厂正在为马来西亚海军建造的六艘追风级轻护舰[3]。

集成导航与战术系统通过集成指定的雷达和导航传感器,形成全面、高效费比系统,适用于新建或现有平台改造。

追风级轻护舰是法国DCNS公司设计的新型轻护舰,可应对空中、水面和水下威胁,具有平台振动小(平台按照军用标准建造)、雷达截面积小、声学信号特征优异的特点,是一型高性能水面战斗舰艇。

2) 萨基姆公司为法国航母升级导航与校准系统。荷兰《航宇与防务新闻》网站2013年9月10日报道:萨基姆公司获得法国武器装备总署(DGA)一份合同,为法国海军戴高乐号航母现代化改装惯性导航与校准系统(SINA)[4]。

此次的现代化改装工作主要是将原来的环架式惯性参照系统更换成极高精度的Sigma 40激光陀螺惯性导航系统。新的导航系统将为舰上相关系统提供实时的导航、引导和姿态数据,航母搭载的阵风战斗机可以根据这些数据对其自身的激光陀螺导航系统进行调整。萨基姆公司将与DCNS公司合作对航母的高性能导航系统进行集成,以提高舰载武器与作战系统的能力。

除戴高乐号航母以外,西北风级两栖舰、FREMM多功能护卫舰以及未来的梭鱼级索芬号核动力攻击型潜艇都安装了Sigma 40导航系统。

3) BAE开发手机二维码应用实现伊丽莎白女王号航母舰内导航。海军技术网2014年5月31号报道:作为是英海军新一代航母“伊丽莎白女王”级的主承包商,BAE系统公司致力于寻求更智能、安全与有效的方式,提高建造工人与工程师在航母上工作的效率与安全性[5]。

伊丽莎白女王号航母是英国海军有史以来吨位与复杂程度最高的舰艇,为方便建造工人与工程师进场工作时尽快熟悉舱室环境,在复杂的舰内环境中不迷失方向,BAE特别开发了名为平台导航(Platform Navigation)的加密移动手机应用,用户通过扫描布置在全舰各舱门的3600个二位码(QR Code),输入目的地后,该应用将自动规划显示最佳路径,以便用户安全快速地到达舰内目的地。施工人员通过扫描二维码获取周围虚拟三维信息,熟悉周围舱室环境,以判定是否处于正确的作业场所,进而提高施工作业的效率。

平台导航应用是BAE系统公司在航母建造领域可视化创新的探索,将对航母施工人员与工程师在航母内的工作提供极大便利,被视为航母内的GPS导航系统。

4) 俄罗斯展示新型海上防御系统。英国海军技术网2014年8月6日报道:最近,俄罗斯展示其新型海上防御系统。该全球海上防御指挥与控制系统由俄罗斯玛瑙公司研发,系统由水面、水下和水上机器人组成,目前系统已经准备好进入大规模试验阶段[6]。

俄罗斯玛瑙公司负责人表示,巡逻艇或潜艇并不一定能够长期监视大面积海上区域,而新型海上防御系统,通过利用综合的信息控制机器人系统,则可能有效弥补这一缺陷,完成对整个海域的监视、防御任务,并可在恶劣环境下为舰艇提供导航信息。

新型海上防御系统由远程控制的巡逻艇,无人机,各种不同的浮标、传感器,以及监视、通信和数据管理系统组成。该机器人系统能够用于执行的任务包括:水下动态目标的探测与定位,国家利益相关海域的防卫任务,沉海目标的搜索与检查,海域的在线监视,广泛的水文测量,以及矿物质和生物资源的勘探任务。系统可集成不同类型的发动机,既可利用传统内燃机提供动力,也可由太阳能、水能发动机提供动力。

5) 美空军为导弹跟踪舰配备新型舰载雷达。美国防务系统网2014年8月11日报道:美空军技术应用中心为国防部导弹探测系统网络最新研发出眼镜王蛇舰载海上雷达系统,此雷达已经具备作战能力。眼镜王蛇机动雷达系统由S波段和X波段相控雷达组成,用于探测导弹和向太空发射的航天器并为美国防部提供高质量雷达数据。美海军海运司令部负责该雷达系统的运行,将其安装在美海军霍华德·洛伦岑号导弹跟踪舰上[7]。

其中该雷达系统的S波段雷达用于跟踪大量多目标,X波段雷达可用于搜索并提供目标对象的高分辨率数据。

6) 诺格公司将为美国海军阿利伯克级驱逐舰提供导航系统。诺格公司已经得到合同,将为美国海军阿利伯克级导弹驱逐舰(DDGs)提供集成的舰桥、导航和舵机系统[8]。

该合同由美国海军、通用动力公司(GD)巴斯钢铁厂和亨廷顿英戈尔斯工业公司(HII)授予。

在海军海上系统司令部(NAVSEA)授予的合同中,诺格公司将提供五个集成舰桥和导航系统(IBNS),该合同价值1100万美元。

由GD和HII共同承担的部分,价值3000万美元,两家公司将联合提供六套舵机系统。

这些DDGs(驱逐舰)将会集成雷达系统、导航软件、舰船自控软件、图表服务器、网络接口模块、平板显示器、全球定位系统以及舰船自控显示系统。

另外,系统交付于2015年开始,预计2021年完成,期间会提供工程上的服务。

7) 美海军升级阿灵顿号(LPD 24)两栖船坞运输舰电子系统。据军事网站2014年7月3号报道:据美海军官员表示,目前海军正在升级阿灵顿号两栖船坞运输舰(LPD 24)的传感器、雷达、计算机网络和电子系统,该舰将于明年进行部署[9]。

该舰电子材料军官泰伦斯·帕克表示,LPD 24结束了为期六个月的新船试航后尾修期(PSA),在这期间进行了几次升级和维修工程并对该舰的电子系统及相关技术都进行了调整。

将舰上雷达、导航、电子和通信等功能模块信号连接起来的是舰上广域网(SWAN),SWAN是该舰升级的关键内容分之一。据该舰信息系统技术员杰弗里·施耐德表示,不同于其他舰的多网络系统,SWAN是单一的综合网络系统,它可将舰上很多模块如导航模块、转向模块连接到同一网络中。SWAN的升级将会使系统中的多个物理服务器转为虚拟服务器并将其升级为刀片服务器环境。在刀片服务器环境下舰上需要维护的主机和服务器数量就会减少,这样我们就可以将服务器任意移动到不同的网络节点中。

4 发展分析

舰艇导航技术设备的发展趋势:研发INS/GPS/CNS组合导航系统的信息融合技术;发展综合导航系统;实时网络传输技术在舰艇综合导航系统中的应用;发展方便、安全、运行可靠的舰船导航系统[10]。

1) 研发INS/GPS/CNS组合导航系统的信息融合技术。研发舰船INS/GPS/CNS组合导航系统的信息融合技术,并充分利用各种导航传感器的信息,有效地提高了舰船导航系统的精度和可靠性。

2) 发展综合导航系统。现代舰艇导航设备正向着综合导航系统的方向发展,以提高可靠性和精度,实现自动化、全球覆盖和全天候连续导航定位。舰船综合导航系统是实施舰船海上航行、避碰、自动驾驶以及航海保障和武器系统有效使用的重要系统。舰船综合导航系统数据处理技术是舰船综合导航系统中的核心部分,通过数据优化技术和自适应滤波技术处理后,把来自各导航传感器(单一导航设备)的被噪声污染了的信息进行处理,滤去噪声,消除系统误差,综合得到舰船的最佳估计状态信息(位置、航向、航速、姿态等),用于舰船导航。要求体积小、重量轻、耗电少、操作维护简便、性能可靠、显示直观、坚固耐用、造价便宜、能抗干扰。

3) 实时网络传输技术在舰艇综合导航系统中的应用。采用反射内存网、千兆以太网和CAN总线三种网络形式构建系统网络,实现导航系统各设备互通、互联、互操作的平台,使其信息通讯满足可靠性、稳定性、确定性、实时性的要求。

4) 发展方便、安全、运行可靠的舰船导航系统。为了研制独具特色的舰船导航相关系统,通过分析美国GPS全球导航定位系统的技术优势,借鉴美、欧等发达国家民用导航技术成熟的经验,充分利用美国的GPS、欧盟的GNSS、俄罗斯的GLONASS三大系统的兼容性和免费性,依托中国自主的北斗导航系统(CNSS),研究中国舰船导航系统应用的具体方法。

5 结语

导航系统不仅要为舰艇安全航行提供必要的导航信息,还要为舰载武器等系统提供舰的精确姿态信息,才能适应现代海战的需要。随着舰艇的研制和发展,同时也相继配置与之配套的导航设备,每当舰艇改型换代时,都要对导航系统(或设备)提出新的要求,促进导航系统的发展[11]。

[1] 关劲,程建华,吴磊,等.船用平台式惯导系统状态转换技术的应用[J].中国造船,2008,49(2):75-80.

[2] 姜璐,于运治,陈勇.舰船惯性导航系统自适应阻尼网络设计[J].电光与控制,2014,21(4):52-55.

[3] OSI海事系统公司将为马来西亚追风级轻护舰提供集成导航与战术系统[N].每日防务快讯,2013-06-28.

[4] 萨基姆公司为法国航母升级导航与校准系统[N].每日防务快讯,2013-09-16.

[5] BAE开发手机二维码应用实现伊丽莎白女王号航母舰内导航[N].每日防务快讯,2014-06-10.

[6] 俄罗斯展示新型海上防御系统[N].每日防务快讯,2014-08-11.

[7] 美空军为导弹跟踪舰配备新型舰载雷达[N].每日防务快讯,2014-08-18.

[8] 诺格公司将为美国海军阿利伯克级驱逐舰提供导航系统[N].每日防务快讯,2014-08-19.

[9] 美海军升级阿灵顿号(LPD 24)两栖船坞运输舰电子系统[N].每日防务快讯,2014-08-21.

[10] 陈福胜,赵坤.21世纪舰船光电技术展望[J].光学与光电技术,2010,8(5):1-5.

[11] 程建华,赵琳,宋君才,等.自动补偿技术在平台式惯导系统状态切换中的应用研究[J].哈尔滨工程大学学报,2005,26(6):744-748.

Equipment and Development of the Ship Navigation Technology

LI Min

(Navy Faorce Representative Office in Wuhan 438 Factory, Wuhan 430060)

The submarine ship navigation technology plays more and more important roles in the war today. The process of development of the submarine ship navigation technology abroad and equipments in all countries over the world and its modification are described. The technique performance and properties of several the submarine Ship navigation technology seekers are analyzed, and development trend and analysis of the the submarine ship navigation technology are discussed.

ship navigation, development analysis

2014年11月9日,

2014年12月27日

李旻,男,工程师,研究方向:舰船导航工程。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.005