水下导航发展的历史和现状

1.2　水下导航发展的历史和现状

长期以来，水下导航定位多借助惯性导航和声学导航系统来实现，这在一定程度上满足了民用的需要，但对于军事应用，更强调的是水下潜航器的隐蔽性。长期潜航能力一直是水下航行器所追求的重要目标，隐蔽性是潜艇等水下武器生存并发挥效力的前提。潜艇一旦浮出水面，即使只用GPS接收机进行短暂定位，也可能暴露自身，失去隐蔽性。为保证潜艇在水下长时间潜航，自主导航定位能力对于潜艇而言是必不可少的。潜艇的导航仪器比较多，但主要是依靠惯性导航系统。惯性导航系统是当前唯一能向核潜艇导航和武器发射提供必要的全部数据的设备，与其他导航方式相比较，其优点除了精度和自动化程度高外，最为突出的是工作完全独立。依靠自身的惯性元件进行导航，与外界任何参考物(如岸上的物标、太阳、无线电波等)不发生关系，所以不受外界干扰和破坏，隐蔽性能好，在军事上有着极其重要的应用价值。惯性导航的无源性和自主性，为实现潜航器自主导航定位创造了条件，也因此成为潜航器的核心导航设备。但是，惯性导航系统的主要缺点是定位误差随时间的积累而增大，无法满足长期和高精度的导航定位要求。通常情况下，为抑制导航系统位置误差的增长，提高长期导航的精度，必须对惯性导航系统进行定期校正。传统修正方法需要航行器接近水面，从而增大了航行器暴露的可能性，直接影响其隐蔽性能，甚至威胁其生存。因此，需要一种无需航行器接近水面就能对惯性导航系统进行及时修正的方法。近年来，利用地球物理特征的无源导航理论和方法愈来愈多地引起国内外研究机构和学者的注意，开展了诸如地形匹配导航技术、重力辅助导航技术以及地磁辅助导航技术等研究。匹配辅助导航具有精度高、不受时间限制、无需暴露于水面以及对外无辐射等特性，可最终解决潜艇的隐蔽性问题。

相对于陆地和水面导航，在水下实施导航，尤其是精密导航要困难得多。实际导航中，往往是将两种或两种以上的导航系统组合在一起，即形成水下组合导航系统。相对单一的导航系统，组合导航系统具有如下主要优点:

(1)有效利用了各子系统的导航信息，提高了定位精度;

(2)允许在子系统工作模式间进行自动转换，进一步提高了系统工作的可靠性;

(3)可实现对各子系统及其元件的校准，从而放宽了对子系统技术指标的要求。

在不同导航系统组合中，虽然对于何种系统可以组合到一起没有什么限制，但考虑到水下环境的特殊性，目前水下组合导航系统中以水声和惯性导航为主。水下声学导航在导航距离、隐蔽性和精度等方面存在一些不足，而惯性导航因存在误差积累，导航精度随时间推移逐渐降低。为此，开展自主式水下组合导航定位的关键技术研究对于构建水下自主、稳健、高精度的导航系统具有重要意义，这也是水下组合导航发展的一个重要方向。

为了更全面地了解水下导航技术的发展历史和现状，下面分别介绍惯性导航、声学导航这两类常用导航技术以及近几年来发展起来的基于地球物理属性实现匹配导航技术的发展历史和现状。