李 旻

(海軍駐武漢438廠軍事代表室 武漢 430060)

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艦艇導(dǎo)航技術(shù)的設(shè)備與發(fā)展*

李 旻

(海軍駐武漢438廠軍事代表室 武漢 430060)

艦艇導(dǎo)航技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。文章介紹了國(guó)外艦艇導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程以及裝備的研制、改進(jìn)情況,指出了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)展艦艇導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和重要性,重點(diǎn)探討了幾種艦艇導(dǎo)航技術(shù)的性能及其特點(diǎn),最后論述了艦艇導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向與分析。

艦艇導(dǎo)航; 發(fā)展分析

Class Number TN97

1 引言

無論是彈道導(dǎo)彈核潛艇、攻擊型核潛艇、常規(guī)潛艇,還是航空母艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦和快艇,導(dǎo)航系統(tǒng)都是其重要組成部分之一,對(duì)其航行安全和戰(zhàn)斗力有極大的影響。本文就艦艇導(dǎo)航技術(shù)設(shè)備、發(fā)展動(dòng)向、發(fā)展分析等,作進(jìn)一步的研究和探討[1]。

2 艦艇導(dǎo)航技術(shù)設(shè)備

艦艇導(dǎo)航設(shè)備用于為為艦艇提供艦位、航向、航速、水平和方位基準(zhǔn)等數(shù)據(jù),以保證正確執(zhí)行航海計(jì)劃、進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和有效使用武器裝備。艦艇導(dǎo)航設(shè)備按其工作原理和性能,可分為自主式和非自主式,有源式和無源式。主要有普通導(dǎo)航設(shè)備、天文導(dǎo)航儀器、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)[2]。

1) 普通導(dǎo)航設(shè)備。包括磁羅經(jīng)、陀螺羅經(jīng)、計(jì)程儀、回聲測(cè)深儀等。主要用于測(cè)定艦艇的航向、航速和水深等數(shù)據(jù)。

· 磁羅經(jīng)(指南針)是利用磁針受地磁作用而指向地磁南北極的原理制成的。磁羅經(jīng)具有簡(jiǎn)單、可靠、無需電源等優(yōu)點(diǎn),但誤差較大,在磁極附近無法使用;

· 陀螺羅經(jīng)是在自由陀螺儀上施加適當(dāng)?shù)闹副绷睾妥枘崃?使其主軸自動(dòng)指向和跟蹤子午線方向;

· 計(jì)程儀用于測(cè)定艦艇航速和記錄航程;

· 回聲測(cè)深儀是利用超聲波在水中等速傳播的原理,由裝在船底的發(fā)射換能器發(fā)射超聲波,超聲波被海底反射回來時(shí)由接收換能器接收,根據(jù)從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間和超聲波在水中的傳播速度,求得所測(cè)的水深。

2) 天文導(dǎo)航儀器。用于觀測(cè)天體高度,根據(jù)天體的赤道、地平坐標(biāo),解算天文三角形求得艦位。

3) 無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。利用無線電波探測(cè)目標(biāo)或發(fā)射臺(tái)的方位、距離、距離差,實(shí)現(xiàn)艦艇定位。

4) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律,利用加速度計(jì)測(cè)量艦艇運(yùn)動(dòng)的加速度,累積這些加速度,以確定艦艇速度和位置的精密導(dǎo)航系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)是由三個(gè)陀螺儀組成的穩(wěn)定平臺(tái),始終保持在和地球表面相切的平面上,提供精確水平基準(zhǔn)信息。平臺(tái)上裝有南北向和東西向兩個(gè)加速度計(jì),測(cè)定加速度并對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分,得出南北向和東西向速度分量。這兩個(gè)速度分量相加,即為艦艇運(yùn)動(dòng)的實(shí)際航跡和速度,并由計(jì)算機(jī)連續(xù)推算,求得并顯示艦艇即時(shí)地理坐標(biāo)位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是完全自主式、無源式的導(dǎo)航系統(tǒng),是核動(dòng)力潛艇、海洋調(diào)查船等大型艦船必不可少的導(dǎo)航設(shè)備。

5) 導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)。導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)(NAVSTAR/GPS),能連續(xù)定位。

3 發(fā)展動(dòng)向

1) OSI海事系統(tǒng)公司將為馬來西亞追風(fēng)級(jí)輕護(hù)艦提供集成導(dǎo)航與戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)。美國(guó)《今日海軍》2013年6月26日?qǐng)?bào)道:OSI海事系統(tǒng)公司從馬來西亞莫實(shí)得海軍船廠獲得一份協(xié)議,根據(jù)該協(xié)議,OSI海事系統(tǒng)公司將向莫實(shí)得海軍船廠提供六部集成導(dǎo)航與戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng),用于該船廠正在為馬來西亞海軍建造的六艘追風(fēng)級(jí)輕護(hù)艦[3]。

集成導(dǎo)航與戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)通過集成指定的雷達(dá)和導(dǎo)航傳感器,形成全面、高效費(fèi)比系統(tǒng),適用于新建或現(xiàn)有平臺(tái)改造。

追風(fēng)級(jí)輕護(hù)艦是法國(guó)DCNS公司設(shè)計(jì)的新型輕護(hù)艦,可應(yīng)對(duì)空中、水面和水下威脅,具有平臺(tái)振動(dòng)小(平臺(tái)按照軍用標(biāo)準(zhǔn)建造)、雷達(dá)截面積小、聲學(xué)信號(hào)特征優(yōu)異的特點(diǎn),是一型高性能水面戰(zhàn)斗艦艇。

2) 薩基姆公司為法國(guó)航母升級(jí)導(dǎo)航與校準(zhǔn)系統(tǒng)。荷蘭《航宇與防務(wù)新聞》網(wǎng)站2013年9月10日?qǐng)?bào)道:薩基姆公司獲得法國(guó)武器裝備總署(DGA)一份合同,為法國(guó)海軍戴高樂號(hào)航母現(xiàn)代化改裝慣性導(dǎo)航與校準(zhǔn)系統(tǒng)(SINA)[4]。

此次的現(xiàn)代化改裝工作主要是將原來的環(huán)架式慣性參照系統(tǒng)更換成極高精度的Sigma 40激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。新的導(dǎo)航系統(tǒng)將為艦上相關(guān)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航、引導(dǎo)和姿態(tài)數(shù)據(jù),航母搭載的陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)其自身的激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。薩基姆公司將與DCNS公司合作對(duì)航母的高性能導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行集成,以提高艦載武器與作戰(zhàn)系統(tǒng)的能力。

除戴高樂號(hào)航母以外,西北風(fēng)級(jí)兩棲艦、FREMM多功能護(hù)衛(wèi)艦以及未來的梭魚級(jí)索芬號(hào)核動(dòng)力攻擊型潛艇都安裝了Sigma 40導(dǎo)航系統(tǒng)。

3) BAE開發(fā)手機(jī)二維碼應(yīng)用實(shí)現(xiàn)伊麗莎白女王號(hào)航母艦內(nèi)導(dǎo)航。海軍技術(shù)網(wǎng)2014年5月31號(hào)報(bào)道:作為是英海軍新一代航母“伊麗莎白女王”級(jí)的主承包商,BAE系統(tǒng)公司致力于尋求更智能、安全與有效的方式,提高建造工人與工程師在航母上工作的效率與安全性[5]。

伊麗莎白女王號(hào)航母是英國(guó)海軍有史以來噸位與復(fù)雜程度最高的艦艇,為方便建造工人與工程師進(jìn)場(chǎng)工作時(shí)盡快熟悉艙室環(huán)境,在復(fù)雜的艦內(nèi)環(huán)境中不迷失方向,BAE特別開發(fā)了名為平臺(tái)導(dǎo)航(Platform Navigation)的加密移動(dòng)手機(jī)應(yīng)用,用戶通過掃描布置在全艦各艙門的3600個(gè)二位碼(QR Code),輸入目的地后,該應(yīng)用將自動(dòng)規(guī)劃顯示最佳路徑,以便用戶安全快速地到達(dá)艦內(nèi)目的地。施工人員通過掃描二維碼獲取周圍虛擬三維信息,熟悉周圍艙室環(huán)境,以判定是否處于正確的作業(yè)場(chǎng)所,進(jìn)而提高施工作業(yè)的效率。

平臺(tái)導(dǎo)航應(yīng)用是BAE系統(tǒng)公司在航母建造領(lǐng)域可視化創(chuàng)新的探索,將對(duì)航母施工人員與工程師在航母內(nèi)的工作提供極大便利,被視為航母內(nèi)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。

4) 俄羅斯展示新型海上防御系統(tǒng)。英國(guó)海軍技術(shù)網(wǎng)2014年8月6日?qǐng)?bào)道:最近,俄羅斯展示其新型海上防御系統(tǒng)。該全球海上防御指揮與控制系統(tǒng)由俄羅斯瑪瑙公司研發(fā),系統(tǒng)由水面、水下和水上機(jī)器人組成,目前系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)入大規(guī)模試驗(yàn)階段[6]。

俄羅斯瑪瑙公司負(fù)責(zé)人表示,巡邏艇或潛艇并不一定能夠長(zhǎng)期監(jiān)視大面積海上區(qū)域,而新型海上防御系統(tǒng),通過利用綜合的信息控制機(jī)器人系統(tǒng),則可能有效彌補(bǔ)這一缺陷,完成對(duì)整個(gè)海域的監(jiān)視、防御任務(wù),并可在惡劣環(huán)境下為艦艇提供導(dǎo)航信息。

新型海上防御系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制的巡邏艇,無人機(jī),各種不同的浮標(biāo)、傳感器,以及監(jiān)視、通信和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。該機(jī)器人系統(tǒng)能夠用于執(zhí)行的任務(wù)包括:水下動(dòng)態(tài)目標(biāo)的探測(cè)與定位,國(guó)家利益相關(guān)海域的防衛(wèi)任務(wù),沉海目標(biāo)的搜索與檢查,海域的在線監(jiān)視,廣泛的水文測(cè)量,以及礦物質(zhì)和生物資源的勘探任務(wù)。系統(tǒng)可集成不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī),既可利用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力,也可由太陽能、水能發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。

5) 美空軍為導(dǎo)彈跟蹤艦配備新型艦載雷達(dá)。美國(guó)防務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)2014年8月11日?qǐng)?bào)道:美空軍技術(shù)應(yīng)用中心為國(guó)防部導(dǎo)彈探測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最新研發(fā)出眼鏡王蛇艦載海上雷達(dá)系統(tǒng),此雷達(dá)已經(jīng)具備作戰(zhàn)能力。眼鏡王蛇機(jī)動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)由S波段和X波段相控雷達(dá)組成,用于探測(cè)導(dǎo)彈和向太空發(fā)射的航天器并為美國(guó)防部提供高質(zhì)量雷達(dá)數(shù)據(jù)。美海軍海運(yùn)司令部負(fù)責(zé)該雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行,將其安裝在美海軍霍華德·洛倫岑號(hào)導(dǎo)彈跟蹤艦上[7]。

其中該雷達(dá)系統(tǒng)的S波段雷達(dá)用于跟蹤大量多目標(biāo),X波段雷達(dá)可用于搜索并提供目標(biāo)對(duì)象的高分辨率數(shù)據(jù)。

6) 諾格公司將為美國(guó)海軍阿利伯克級(jí)驅(qū)逐艦提供導(dǎo)航系統(tǒng)。諾格公司已經(jīng)得到合同,將為美國(guó)海軍阿利伯克級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(DDGs)提供集成的艦橋、導(dǎo)航和舵機(jī)系統(tǒng)[8]。

該合同由美國(guó)海軍、通用動(dòng)力公司(GD)巴斯鋼鐵廠和亨廷頓英戈?duì)査构I(yè)公司(HII)授予。

在海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)授予的合同中,諾格公司將提供五個(gè)集成艦橋和導(dǎo)航系統(tǒng)(IBNS),該合同價(jià)值1100萬美元。

由GD和HII共同承擔(dān)的部分,價(jià)值3000萬美元,兩家公司將聯(lián)合提供六套舵機(jī)系統(tǒng)。

這些DDGs(驅(qū)逐艦)將會(huì)集成雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航軟件、艦船自控軟件、圖表服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、平板顯示器、全球定位系統(tǒng)以及艦船自控顯示系統(tǒng)。

另外,系統(tǒng)交付于2015年開始,預(yù)計(jì)2021年完成,期間會(huì)提供工程上的服務(wù)。

7) 美海軍升級(jí)阿靈頓號(hào)(LPD 24)兩棲船塢運(yùn)輸艦電子系統(tǒng)。據(jù)軍事網(wǎng)站2014年7月3號(hào)報(bào)道:據(jù)美海軍官員表示,目前海軍正在升級(jí)阿靈頓號(hào)兩棲船塢運(yùn)輸艦(LPD 24)的傳感器、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電子系統(tǒng),該艦將于明年進(jìn)行部署[9]。

該艦電子材料軍官泰倫斯·帕克表示,LPD 24結(jié)束了為期六個(gè)月的新船試航后尾修期(PSA),在這期間進(jìn)行了幾次升級(jí)和維修工程并對(duì)該艦的電子系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)都進(jìn)行了調(diào)整。

將艦上雷達(dá)、導(dǎo)航、電子和通信等功能模塊信號(hào)連接起來的是艦上廣域網(wǎng)(SWAN),SWAN是該艦升級(jí)的關(guān)鍵內(nèi)容分之一。據(jù)該艦信息系統(tǒng)技術(shù)員杰弗里·施耐德表示,不同于其他艦的多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),SWAN是單一的綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),它可將艦上很多模塊如導(dǎo)航模塊、轉(zhuǎn)向模塊連接到同一網(wǎng)絡(luò)中。SWAN的升級(jí)將會(huì)使系統(tǒng)中的多個(gè)物理服務(wù)器轉(zhuǎn)為虛擬服務(wù)器并將其升級(jí)為刀片服務(wù)器環(huán)境。在刀片服務(wù)器環(huán)境下艦上需要維護(hù)的主機(jī)和服務(wù)器數(shù)量就會(huì)減少,這樣我們就可以將服務(wù)器任意移動(dòng)到不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。

4 發(fā)展分析

艦艇導(dǎo)航技術(shù)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì):研發(fā)INS/GPS/CNS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息融合技術(shù);發(fā)展綜合導(dǎo)航系統(tǒng);實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在艦艇綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用;發(fā)展方便、安全、運(yùn)行可靠的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)[10]。

1) 研發(fā)INS/GPS/CNS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息融合技術(shù)。研發(fā)艦船INS/GPS/CNS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息融合技術(shù),并充分利用各種導(dǎo)航傳感器的信息,有效地提高了艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性。

2) 發(fā)展綜合導(dǎo)航系統(tǒng)?，F(xiàn)代艦艇導(dǎo)航設(shè)備正向著綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的方向發(fā)展,以提高可靠性和精度,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、全球覆蓋和全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)施艦船海上航行、避碰、自動(dòng)駕駛以及航海保障和武器系統(tǒng)有效使用的重要系統(tǒng)。艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)是艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心部分,通過數(shù)據(jù)優(yōu)化技術(shù)和自適應(yīng)濾波技術(shù)處理后,把來自各導(dǎo)航傳感器(單一導(dǎo)航設(shè)備)的被噪聲污染了的信息進(jìn)行處理,濾去噪聲,消除系統(tǒng)誤差,綜合得到艦船的最佳估計(jì)狀態(tài)信息(位置、航向、航速、姿態(tài)等),用于艦船導(dǎo)航。要求體積小、重量輕、耗電少、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、性能可靠、顯示直觀、堅(jiān)固耐用、造價(jià)便宜、能抗干擾。

3) 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在艦艇綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用反射內(nèi)存網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)和CAN總線三種網(wǎng)絡(luò)形式構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)各設(shè)備互通、互聯(lián)、互操作的平臺(tái),使其信息通訊滿足可靠性、穩(wěn)定性、確定性、實(shí)時(shí)性的要求。

4) 發(fā)展方便、安全、運(yùn)行可靠的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)。為了研制獨(dú)具特色的艦船導(dǎo)航相關(guān)系統(tǒng),通過分析美國(guó)GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),借鑒美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家民用導(dǎo)航技術(shù)成熟的經(jīng)驗(yàn),充分利用美國(guó)的GPS、歐盟的GNSS、俄羅斯的GLONASS三大系統(tǒng)的兼容性和免費(fèi)性,依托中國(guó)自主的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(CNSS),研究中國(guó)艦船導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的具體方法。

5 結(jié)語

導(dǎo)航系統(tǒng)不僅要為艦艇安全航行提供必要的導(dǎo)航信息,還要為艦載武器等系統(tǒng)提供艦的精確姿態(tài)信息,才能適應(yīng)現(xiàn)代海戰(zhàn)的需要。隨著艦艇的研制和發(fā)展,同時(shí)也相繼配置與之配套的導(dǎo)航設(shè)備,每當(dāng)艦艇改型換代時(shí),都要對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)(或設(shè)備)提出新的要求,促進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展[11]。

[1] 關(guān)勁,程建華,吳磊,等.船用平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)造船,2008,49(2):75-80.

[2] 姜璐,于運(yùn)治,陳勇.艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自適應(yīng)阻尼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].電光與控制,2014,21(4):52-55.

[3] OSI海事系統(tǒng)公司將為馬來西亞追風(fēng)級(jí)輕護(hù)艦提供集成導(dǎo)航與戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2013-06-28.

[4] 薩基姆公司為法國(guó)航母升級(jí)導(dǎo)航與校準(zhǔn)系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2013-09-16.

[5] BAE開發(fā)手機(jī)二維碼應(yīng)用實(shí)現(xiàn)伊麗莎白女王號(hào)航母艦內(nèi)導(dǎo)航[N].每日防務(wù)快訊,2014-06-10.

[6] 俄羅斯展示新型海上防御系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2014-08-11.

[7] 美空軍為導(dǎo)彈跟蹤艦配備新型艦載雷達(dá)[N].每日防務(wù)快訊,2014-08-18.

[8] 諾格公司將為美國(guó)海軍阿利伯克級(jí)驅(qū)逐艦提供導(dǎo)航系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2014-08-19.

[9] 美海軍升級(jí)阿靈頓號(hào)(LPD 24)兩棲船塢運(yùn)輸艦電子系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2014-08-21.

[10] 陳福勝,趙坤.21世紀(jì)艦船光電技術(shù)展望[J].光學(xué)與光電技術(shù),2010,8(5):1-5.

[11] 程建華,趙琳,宋君才,等.自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)切換中的應(yīng)用研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),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,工程師,研究方向:艦船導(dǎo)航工程。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.005