舰艇导航定位技术发展趋势分析

张 晗，杨晓刚，刘 微，聂为彪，田晓宇，李向举，闫大海

(1.中国舰船研究院，北京 100101；2.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001；3.中国船舶集团有限公司第七O四研究所，上海 200031)

0 引言

定位即测定一点在指定坐标系的位置坐标。导航是利用定位和控制手段确定运动载体当前位置和目标位置，参照环境信息引导运动载体沿着合理的路线抵达目的地的过程。导航源于定位，并且需要连续实时动态的定位。导航的研究内容除所有定位技术，还包括各种匹配导航和控制理论与方法等。

1 导航定位技术基本原理

导航定位技术源于人类对陆地、海洋、宇宙等不断探索的需求。随着科技进步，导航定位技术又不断推动人类前行的脚步。导航定位基本原理归纳起来有2种。

1）航位推算法。这是最基本的导航定位方法，其原理为利用牛顿力学定律，根据已知的起始点位置、时间信息，以及运动体的航向、航速、加速度等信息，通过速度和加速度对时间的积分等手段实现导航定位。惯性导航定位系统是典型的航位推算法，应用最早、使用最为普遍的自主导航定位技术。导航定位误差随着航行时间增长而不断增大。

2）参照法。其原理为利用已知时间和空间位置信息的基准导航点，通过电磁波等手段测得并推算出其他地点相对基准点的时间、距离、角度、速度等导航定位信息，包括无线电、水声、天文、地球物理特征等导航定位技术。表1为参照法的几种主要导航定位类型。

表1 参照法导航定位主要类型Tab.1 Main types of navigation and positioning

2 导航定位技术发展趋势分析

人类探索宇宙的脚步逐渐走向深地、深海、深空，不断追求更高的导航定位精度。高精度的理论模型是高精度导航定位的基础，日益先进的科学技术是实现高精度导航定位的手段。

目前很多导航定位技术以牛顿经典力学为基础。在地球附近空间,经典的牛顿理论所对应的时间计量只能精确到10−8[1]，不能满足目前很多技术领域的导航定位精度要求。而狭义相对论中光的直线传播和光速不变原理仅适用于惯性坐标系和局域的平直空间。实际上地球、太阳、银河系，以及银河系以外的星系都在不断运动变化，不存在绝对的惯性坐标系。当空间测量范围从局域推广到全域时，空间计量理论应建立在广义相对论的基础之上，考虑相对论效应，用四维时空观解决空间距离测量问题[2]。

随着导航定位理论模型的不断完善，以及日新月异的科技进步，导航定位技术不断向速度快、精度高、实时性好、全方位等方向发展。

2.1 惯性导航定位技术

惯性导航定位技术涉及精密机械、计算机、微电子、光学、自动控制、材料等多领域多学科。陀螺仪是惯导的核心部件，按不同类型陀螺出现的顺序、理论的建立和新型传感器制造技术的出现，可以将惯导技术的发展分为4代：1930年以前以牛顿三大定律为理论基础，建立了第1代惯导技术。1852年，法国人傅科提出陀螺的原理及应用设想，1908年德国人安修茨研制出世界上第1台摆式陀螺罗经，1910年德国人舒勒提出调谐原理。以上理论和发明奠定了惯性导航发展的基础。1930年以后到20世纪60年代末为第二代惯导技术。惯导技术成功应用到德国V-II 火箭上。单自由度液浮陀螺平台惯导系统、动压陀螺、加速度计、支承悬浮技术、激光技术等相继出现，捷联惯导理论研究趋于完善；20世纪70年代初到80年代中后期为第3代惯导技术。静电陀螺、超导体陀螺、流体转子陀螺等基于不同原理的陀螺仪相继得到应用，出现了采用微机械结构和控制电路工艺制造的微机电导航系统；目前惯导技术处于第4代发展阶段，陀螺的精度不断提高，捷联式惯导逐步取代平台式惯导。惯性导航定位技术向高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛等方向发展。图1为第3代惯导技术静电陀螺原理示意图。

图1 静电陀螺原理示意图Fig.1 Schematic diagram of ESG

2.2 无线电导航定位技术

无线电导航定位是最重要的导航定位手段，已由陆基发展到星基，由单一功能发展到多功能，作用距离也由近及远至全球和深空，定位精度由粗到精，应用领域几乎遍及所有行业。

2.2.1 陆基无线电导航定位技术

按作用距离可分为进场着陆（着舰）系统、近/中/远/超远程无线电导航系统等。陆基导航系统的应用需求随着星基导航定位技术的成熟应用迅速减少，但陆基系统在抗干扰、发播频率和功率等方面具有优势，可以作为卫星导航定位系统的有效补充和备份手段。图2为陆基远程超远程无线电导航系统部署时间图。

图2 陆基无线电导航系统部署时间图Fig.2 Deployment time chart of land based radio navigation system

2.2.2 星基无线电导航定位技术

目前国际上比较成熟，已经投入使用的全球卫星导航系统共4个，分别是1994年建成并覆盖全球范围的美国全球定位系统（GPS）、2011年全球运行的俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）、2016年投入使用的欧洲伽利略卫星导航系统(Galileo)和2018年底实现全球服务的我国北斗卫星导航系统(BDS)。

全球卫星导航定位系统一般由空间导航卫星模块、信号接收模块和地面监控模块3部分组成。如GPS的空间部分由24颗工作卫星和4颗备份卫星组成。24 颗工作卫星分布在6 个轨道面上，轨道倾角55°，实现全球任何时间和地点都可以至少观测到4颗卫星，保证系统正常运行；地面监控系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成；信号接收模块主要是GPS接收机等设备，包括硬件和软件部分[3]。GPS导航定位系统组成如图3所示。

图3 GPS导航系统组成Fig.3 Composition of GPSnavigation and positioning system

卫星导航定位技术的发展趋势是不断提高系统兼容性，采用组合导航定位、区域信号增强、广域增强系统、信号加解密与调制、星座自主导航、导航与通信一体化等技术[4]，不断提高系统安全性、可靠性和导航定位精度。

2.3 天文导航定位技术

不同于人造卫星导航，天文导航将宇宙中的自然天体作为导航标志，具有自主性，抗干扰能力强，导航误差不随时间累积等特点，是最古老的导航技术之一。

按导航星体的峰值光谱和光谱范围，天文导航包括星光导航、X 射线导航、射电导航和红外导航等[5]。按照测量信息种类的不同，天文导航主要包括测角、测距和测速导航[6]。按发展阶段，天文导航包括传统和新兴天文导航定位技术。脉冲星导航是新兴天文导航定位技术的重点研究方向之一。脉冲星是具有超高压、超高温、超高密度、超强磁场和超强辐射特性的自然天体，距离太阳系非常遥远，相对于太阳系几乎静止不动，非常稳定地向太空周期性辐射从射频到γ 射线的所有频段的电磁脉冲信号，适合作为深空计时与导航基准[7]。实现脉冲星导航需要设备、定时、定位与导航等4个环节[8]，脉冲星导航流程如图4所示。天文导航是人类开展深空探测的主要导航定位手段，其发展趋势包括提高导航软件的模块化和集成化，提高小型化传感器的环境适应性，实现多源异质信息融合，以及故障自动检测等[9]。

图4 脉冲星导航流程Fig.4 Pulsar navigation process

2.4 水声导航定位技术

地球表面以及太空的导航定位主要依托无线电技术，而声波作为目前唯一有效的水下无线信息载体，是人类进入、探测和开发深海的核心手段。经过几十年的发展，水声导航定位技术发展很快，根据定位系统工作模式，特别是基线长度的差别，可将其分为长基线、短基线、超短基线及综合定位系统，不同类型作业方式和技术特点见表2。水声导航定位技术向适用不同水深、距离远、精度高、满足不同需求的方向发展。

表2 常规水声导航定位系统类型Tab.2 Typesof conventional underwater acoustic navigation and positioning systems

2.5 地球物理特征导航定位技术

地球物理特征导航包括地磁导航、重力匹配导航和地形匹配导航等。这些方法均需要通过各种探测手段先行获取地表、水下、近地空间等不同地理位置的磁场强度、重力分布、地形地貌等数据，形成地球物理特征图，再测量航行体所在位置的地球物理特征，与特征图中的地球物理特征匹配，实现导航定位。以上方法均需要导航用测量仪器、导航用匹配图以及匹配定位算法等基本要素。地球物理特征导航具有隐蔽性好、自主性强等特点，其技术发展方向包括地球物理场传感器向精度高、体积小、重量轻、成本低等方向发展，发展多地球物理场综合辅助惯性导航，提高地球物理场初始对准精度等[10]。

2.6 组合导航定位技术

组合导航是将2种以上导航系统进行融合，实现提高导航系统精度、可靠性、抗干扰性、经济性等指标。目前广泛应用的是由惯导系统和全球定位系统构成的组合导航系统，如INS/GPS，INS/北斗等，这种组合解决了惯导系统误差随时间累积的问题，同时在GPS信号受到遮挡时惯导系统短期内能提供较高精度的导航信息。

对于潜艇和自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)，为保证其隐蔽自主航行，一般采用以惯导为主,借助声学、地形匹配、重力、海洋地磁及视觉等一个或多个导航手段的组合导航技术。图5为惯导/地球物理组合导航原理图[11]。

图5 惯性导航系统/地球物理组合导航原理图Fig.5 Schematic of inertial navigation system(INS)/geophysical integrated navigation

2.7 综合导航定位技术

综合导航系统集通信、导航、识别等于一体，实现通信、监视、授时、指挥控制、武器制导以及气象探测等功能，达到节约空间、减少干扰等目标。已应用的典型综合导航系统包括美国陆军位置报告系统和美国联合战术信息分布系统（joint tactical information distribution system，JTIDS）等。JTIDS是美国海、陆、空三军共同使用的一种保密、大容量、抗干扰、时分多址的战术信息分发系统，利用统一的通信网络，实现快速情报传递、统一指挥和协同作战。在伊拉克、科威特等几次局部战争中，JTIDS/Link16战术数据链显示出“作战效能倍增器”的强大威力[12]。

3 舰艇导航定位技术发展趋势分析

无论是航空母舰、驱护舰等水面舰艇，还是潜艇、潜行器，导航系统都至关重要，决定舰艇的航行安全和作战能力。舰艇导航技术不断向高精度、高可靠性、智能化等方向发展。

3.1 舰艇惯导技术不断向高精度、小型化方向发展

惯导系统是舰艇导航系统的核心，是舰艇实现自主安全航行和精确打击的重要手段。其发展方向是小型化、长航时、高精度、高可靠性和低成本等。

据报道，美国包括“俄亥俄”级巡航导弹核潜艇、“弗吉尼亚”级攻击核潜艇、核动力航母等大量舰艇装备了AN/WSN-7系列激光陀螺惯导系统，在没有卫星导航信息的辅助下具备2周的导航能力。舰艇激光惯导系统的发展方向是双轴和三轴旋转调制激光惯导，可有效抑制甚至基本抵消所有器件误差项对导航定位精度的影响。美、法等国正在开发原子陀螺和原子加速度计，以期实现舰艇惯导系统的小型化和更高的精度[13]。

3.2 舰艇不断发展组合导航和综合导航技术，不断向智能化方向发展

舰艇将惯导、卫星导航、天文、无线电、测深、测速、地理等不同导航信息融合处理，形成精度高、可靠性好、适应性强的导航和控制信息，与舰艇操控、监控、作战指挥等信息充分融合，实现通信、导航与指挥控制等的一体化应用，不断提高舰艇的智能化、灵活性、经济性和生存能力。

4 结语

导航定位技术的发展与人类社会的发展进步密切相关，而宇宙万物的空间位置都与时间紧密相联。随着人类走向深空，时间成为导航定位的基本观测量，稳定的时间基准和精确的时间测量成为导航定位的核心基本问题[14]，只要不断提高导航定位理论模型精度，不断探索信息融合与先进滤波算法，不断建立基于先进控制理论的组合导航方法，人类探索宇宙的脚步就会更加精准和坚实。