核潜艇在海底航行的过程中是如何导航的?

谢邀,W君不是在天津吗?天津有一个机构叫做707所。这是一个中国惯性导航的领头机构。

这是潜艇目前的主流导航方式。惯性导航有陀螺仪、加速度计。陀螺仪测航向,加速度计测速度变化,通过一系列复杂的二次积分运算,加上潜艇初始位置,就可以得到当前位置。

在人类征服海洋的进程中,定位和导航技术发挥了关键作用,从观星到指南针,从磁罗经、陀螺罗经到无线电导航系统,再到卫星导航系统,各种船舶海上导航技术不断发展完善,能够有效保障准确定位和顺利航行

而在这种情况下,那些常见的GPS导航、无线电导航等手段对于长时间在水下航行的潜艇来说就用不上了,所以潜艇想要在水下导航就必须依靠自身的设备,这个“设备”也就是惯性导航系统(INS),惯性导航是军事领域里应用非常广泛的一种无源自主导航手段,它可以在完全不依赖外部的电、磁、声、光等信息反馈的情况下,确定自己当前的实时位置,所以,惯性导航不仅仅在潜艇上有使用,对于其他的武器装备,比如飞机、弹道导弹等,惯性导航仍然是其中常用的核心导航手段之一,像现在各核大国的洲际导弹就是有用惯性导航的。

▲惯性导航系统结构简图

潜艇导航方法有很多,但水下导航比陆地、天空、水面上困难得多。到现在也没有绝对精确的方法,需要经常定位,以修正误差。

除无线电导航外,其他各导航方式都存在坐标不精确,误差较大的问题,需要定位纠偏。

这基本上是目前先进潜艇的一个很重要导航方式。

借助太阳、月亮、星光等天文现象,确定方向推算位置。

潜艇在水下主要依靠陀螺仪进行惯性导航,在海图上进行航位推算。但惯导的误差会逐渐积累越来越大,所以长时间潜航需要定期到水面进行修正。过去是靠传统的天文定位。现在可以用卫星定位。这个修正不必整个浮出水面,在潜望镜深度把相应的桅杆伸出水面就可以了。


如果要在神不知鬼不觉的情况下在海中航行,必须要处理好一切与外界沟通的信息源。实际上,潜艇在航行中仅仅可能在导航上与外界发生关系。难道核潜艇不怕暴露自己的位置吗?这个不必太过担心,因为现代潜艇已经有了一套自己的安全的导航方式,能够做到不被发现或者被发现的概率很小。

其实呢,原理很简单,还是基于陀螺的角动量守恒原理。通过测量陀螺仪旋转中轻微的变化计算加速度。

2、应答器不是随时随地都有的,没有时候就需要海底地形匹配定位了。这可是高精尖系统,需要大量精确而广阔的海底地形图,还需要先进算法匹配,如地形相关匹配算法、卡尔曼滤波算法、直接概率准则算法等。对各国来说,这是非常高端的科研项目。

(惯性导航平台示意图)

在这危险境地中,潜艇还要辨别方向寻找目标,除了大无畏的勇气,高精尖的导航设备也必不可少。

惯性导航系统主要由陀螺仪和加速度计来判断航向数据,进而帮助潜艇控制航向和速度。潜艇在水下航行时,因为受到水下环境和潜艇姿态变化的影响,它很难做到四平八稳,这时陀螺仪便可以为潜艇提供航行姿态信息。陀螺仪的内部有一个定轴,这个轴可以始终保持稳定,而它的外部有两个框架,框架一旦发生移动,就表示它们所代表的方向轴发生了偏移。经过与定轴对比后,就可以得到移动的方向和角度等参数了。加速度计的原理也不复杂,它是利用惯性原理,将弹簧放置在物体的两端,当物体移动时弹簧发生形变引起弹力变化,这个弹力的变化就可以反映出加速度的变化,再通过一系列计算便可以得到潜艇速度和航程数据。

惯性导航是无源导航,不需要借助任何外部信息,隐蔽性极强,具有非常高的实战价值。但惯性导航随时间增加误差增大,必须要定位纠偏。否则误差越来越大,潜艇会触礁撞山的。

在水面上好说,GPS随叫随到。水下就只能依靠水声定位、地球物理信息定位等方式了。地球物理信息又分为地形匹配、地磁匹配、重力匹配等。

毫无意外的是我国的潜艇其实都是使用707所的平台惯导仪进行导航的。

潜艇在海中行驶的过程中,会被海流带动造成不同程度的偏航。在这样的条件下,就需要对海流造成的位置偏移进行补偿。这时平台惯导仪就起到了至关重要的作用。

(卫星导航系统的精度高速度快)

水声导航技术

不过主动声呐虽好,也万万不可贪杯,主动声呐发出的声波在作战中容易被敌方的反潜舰艇监听,从而暴露自身位置,进而成为被攻击目标,因此这一行为的危险系数还是挺高的!为了减少潜艇开启主动声呐的次数,各国需要为潜艇作战进行大量的前期准备工作,其中最主要的就是对全球各大海洋进行水文地形地貌的探测,形成高精度的海区地图,潜艇在作战中就能够依据这些地图进行准确无误的位置判断以及障碍物规避,最大限度的减少主动声呐的开启,提高自身作战的隐蔽性,达到不鸣则已,一鸣惊人的作战打击效果!现在大家知道为什么美国的水文侦查间谍船喜欢全世界到处跑了吧?
(美国海军无瑕号海洋侦查船,专为反潜作战而生的间谍船!)

(陀螺仪模型)

那么什么是惯性导航系统呢?简单说一下,惯性导航系统上有两个核心设备,分别是运动传感器(即加速度计)和旋转传感器(即陀螺仪),有了这两个东西,里面的计算机就可以在不依靠外部移动物体的参考下,测得潜艇当前的航向、速度、加速度方向等参数,再通过连续地航位推算后就可以得到潜艇的当前位置,比如惯性测量单元(IMU)中的3个正交速率陀螺仪和3个正交加速度计,作用就是分别测量潜艇在航行过程中的角速度和线性加速度,再把这些数据通过积分计算后才能得到相关的位置参数,当然,对于潜艇上的整个惯性导航系统来说,为了保证更好的导航精度,还会有磁传感器、速度测量仪、水压深度传感器等设备的辅助,然后再看下图,是一个惯性导航系统的工作流程图:

(加速度计示意图)

潜艇的地形匹配导航与巡航导弹的地形匹配导航基本相同,主要利用声学高度计扫描海底深度的变化,将海底地形特征与存储的海底图像匹配,从而获得准确的定位信息。美国核潜艇的导航系统,将它与重力敏感模块一起,实时测量和显示潜艇周围的三维地形。

1、地面导航。

所以,现代潜艇用什么导航,这个问题的答案是——平台惯性导航仪。

和风漫谈原创文字,欢迎关注。图片来自网络,个人观点,仅供参考。

虽然导航问题解决了,但是潜艇要是在水文条件复杂的不明海区航行,最依赖的装置依旧是潜艇主动声呐,主动声呐能够不断地向外发射声波,通过收听分析反射回来的声波,可以确定潜艇四周是否有凸起的海底山峰或者水下冰川,可以确定自身是否与海底保持着一定的安全距离,能够避免发生触礁或者触底的危险事故,提高潜航的安全深度。2009年英法两国两艘核潜艇在大西洋相撞,最主要的原因就是因为双方都没有开启主动声呐,从而完全不知道对方的存在,因此而酿成了悲剧!

(潜艇声呐)

也正是因为这两种仅仅依靠数学计算的导航方式避免不了误差,所以潜艇要最大程度的确保自身航向正确,就必须每隔一段时间上浮至潜潜望镜深度,通过通信浮标与卫星和地面基地进行双向互通,定位自己的准确位置,进行航路偏移的调整,并且接收新的指令和汇报自己的任务情况。
(通信浮标)

任何方向轻微的加速度都可以被平台惯导仪转换成电信号,然后交由动作机构进行补偿。同时,平台惯导仪是一个封闭的自导航系统,工作的时候并不需要接受外部参考信号,只需要记录加速度特征就可以完成工作。这样第一不会像GPS一样被海水隔绝,同时也不会像无线电信标导航一样被敌人干扰。

我国60年代的惯导系统,连续工作24小时的误差高达3 海里,很难满足长期水下潜航的要求,必须使用辅助设备进行校准。校准的方法通常有测岸标、天文导航和无线电导航等。

1、水声定位需要预先在海底铺设应答器,它们的坐标是确定的,也是高度保密的。潜艇经过时向应答器问询,应答器反馈后算出坐标。

因此,尽管无线电导航精度比惯性导航精度要高,但容易暴露的突出问题,在卫星、飞机反潜技术突飞猛进的情况下,将使潜艇面临巨大风险,因而只能作为辅助导航手段。

正因如此,核潜艇在水下主要还是利用惯性导航系统进行导航,至于其他导航方式多为辅助手段。在潜艇出海前,往往会提前规划好路线,标注好海底状况,这样也能为核潜艇提供一定的导航和航行安全。

如同汽车在路上行驶一样,核潜艇在水下航行时也需要进行导航。目前核潜艇主要依赖三种导航系统,即惯性导航系统、普通导航和电子导航。

何为惯性导航?有一句老话叫做战略武器三板斧,导弹,核武器,惯性导航。意思是世界上所有的战略武器都是基于这三个技术发展而来,洲际弹道导弹是这样,弹道导弹核潜艇也是这样。

惯性导航在使用的时候都不需要外界设备进行辅助,完全靠潜艇自己就可以完成导航,所以不会受到外界干扰,不会受到外界检测。同时不仅可以在空中使用,也能在电磁波无法远距离传播的海底使用,是目前世界上隐蔽性最出色的潜艇导航技术。而且惯性导航不仅肩负着潜艇的航行导航,还是弹道导弹核潜艇携带的潜射弹道导弹的核心制导设备。可以说,惯性导航技术的水平,直接决定着核潜艇的战斗性能。

▲这个东西叫做陀螺仪,便是惯性导航技术的核心部件。其工作原理是利用角动量守恒理论,计算角度差得到惯性坐标系X,Y,Z三轴方向的运动参数。然后再利用加速度计计算出说是加速度,最后对时间进行自动积分,获得与出发位置,也就是惯性坐标系原点的坐标差,从而实现导航。听起来比较迷糊是吧?(微积分没学好的小伙伴可以跳过这一段)它其实原理很简单,就是利用陀螺仪获得的数据不断对时间积分,最后得到速度与位置的数据。

因为是对时间进行不断自动积分,而惯性导航系统是有误差的,后一次积分会将前一次积分的误差算进来,所以随着时间的增长,误差计算的越来越多,惯性导航的精度也就越低。不过随着技术水平的上升,现代先进电子技术的融入,惯性导航系统的精度得到大幅提升。以我国核潜艇为例,使用国产的新型惯性导航系统航行数千公里之后浮出水面的误差也在几十米之内。这个水平已经处于世界先进水平,可以准确的将我国核潜艇送到预定发射海域,时时刻刻对敌人进行核威慑。

除了惯性导航之外,海底地形匹配技术也是潜艇海底航行的重要辅助手段之一。▲这是某一年我国网友根据印度媒体给出信息绘制的一张我们核潜艇前往亚丁湾护航的航线图。在这个过程中核潜艇可能并没有隐蔽航行,但是在海底航行时潜艇在不断地收集路线附近的海底地形,水文资料。然后根据收集而来的资料利用技术手段将海底地形呈现出来,从而保证未来核潜艇在这个海域避开海底障碍,安全隐蔽航行。最后说说古老的海图作业,▲这是一张无比粗糙的太平洋海图,大致描绘了太平洋海域的海底地形。这种太粗糙的海图对潜艇海底航行的帮助不大,有小伙伴可能会怼我,帮助不大我放上来干嘛?!我也没办法,我也弄不到专业的啊,这个图凑合看一下吧。海图会非常准确的表明海底地形,比如哪里礁石,哪里有海底山脉,哪里有障碍物等等。航行时,潜艇可以在惯性导航的基础上,再辅以海图和海底地形匹配技术实现核潜艇的数千公里海底航行的准确导航。

5、星光/天文导航。

(潜艇通讯天线)

这是一种古老的导航方式。潜艇沿海岸线航行,能看到陆地灯塔、高山、高大建筑物等地标。它们的坐标能从海图上查出来。

为了避免被发现,不能使用与外界相关的导航方式,那也就是说只能用核潜艇本身带的设备进行导航了。目前在各国核潜艇中应用比较广泛的是依靠陀螺仪为核心的惯性导航系统进行惯性导航,然后再用其他一些诸如海底地图和测量技术等进行辅助导航。由于核潜艇的惯导系统具备高度自给性,也完全不受外界影响,重要的是可以在深水大洋中保持完整的导航服务,这点难能可贵。再有,如果进行卫星导航的话,不仅面临可能会被发现的风险,而且还会受到海水影响。所以,世界各国的潜艇主要都用惯性导航平台来为潜艇导航。

▲其中一种惯性导航计算流程图

其实,在潜艇中导航,平台惯导是最好的一种导航手段。我们都知道海水并不是一潭止水,会上上下下左左右右的运动。

这种技术源于声纳和无线电导航,原理类似陆地的雷达导航,但声波在水中的衰减比电磁波小,因此适合用于水下导航。主要通过测量潜艇和水声应答器之间的距离等信息,来确定潜艇的位置坐标,从而对潜艇惯性导航系统的时间积累误差进行校正与重调。水声导航需要配合详细的水文调查和海图,收集相关水声物理特性并建立相应的数据库。现代的水声导航系统已经可以部分取代惯性导航手段。

潜艇在水面状态行驶,或有条件放出浮标天线时,可以跟水面舰艇一样借助GPS、欧米伽等导航系统确定位置。欧米伽系统是GPS之前,第一种覆盖全球的双曲线定位系统,使用低频电波为航海服务。

无线电导航又快又好,但潜艇却无福随时享用。因为海水对电磁波很不友好,水下电磁波衰减很快,几十米就无能为力了。

那在茫茫的大海之中,在没有参照物的情况下,如何知道自己身处何方,离目标还有多远呢?早期潜艇主要依靠的人工航路推算法,依靠计算潜艇的速度和时间以及大致方位,得出在某一方向航行的距离,然后对照海图和自己的出发点就可以计算出自己所在的大致方位。

(海图作业是早期水兵的必备功课之一)

除了惯性制导外,一些比较古老的导航设备也在使用。比如磁罗经、六分仪等,虽然它们算是“老古董”,但是依然可以用于辅助导航定位。除此之外,还有电子导航系统,比如无线电导航和卫星导航系统。它们可进行全天候定位导航,而且速度快精度高。不过这两种导航系统都需要与外界联系,所以它们很容易暴露潜艇的位置,而这无疑增加了潜艇暴露的风险。

目前,以捷联惯导系统为主、其他导航系统为辅的新型组合导航系统,已成为潜艇导航的基本方式。这种组合导航系统既能保证导航的稳定性、可靠性,又能提高导航的准确性、隐蔽性,避免了单一导航系统的不足,为潜艇水下实施精准定位、精确打击提供了基础保障。

也就是这个东西。

以上这些,就是目前潜艇导航中常见的手段,不过最后那个海底轮廓信息导航,有个前提是必须对水文数据有详细的记录,需要建立一个庞大的水文数据库,所以,为什么美国的军舰全世界到处跑你以为是闹着玩的?搞不好老美就是在收集当地的水文信息,而在水文信息采集这一方面,美国确实是做的做好的,这个没办法,谁叫人家的才是真正的蓝水海军呢?

无源重力导航技术

众所周知,弹道导弹核潜艇是大国国家安全最后一道安全基石,担负着二次核打击和核报复的责任。所以当一个核大国进入紧急状态时,第一时间就会将弹道导弹核潜艇悄悄派出去,非常隐蔽地前往潜射弹道导弹预定发射阵地。这个过程是绝密的,核潜艇在航行时不会与外界进行任何联络,所有通信设备都处于无线电静默状态,所以所有类似于卫星导航,无线电指令等常规导航方式都不能用!只能靠核潜艇自己艇上设备进行导航。

那核潜艇在海底怎么导航呢?答案是:现代潜艇海底航行导航主要靠的是惯性导航+海图参照+海底地形匹配技术。这其中惯性导航是核心导航设备,海图和海底地形匹配技术则为辅助导航。

这个概念就好像800里外开一枪,打中一只苍蝇腿的感觉了。

水声定位分长基线、短基线、超短基线。长基线不受水深限制,定位精度高,但系统复杂,布设回收时间长;超短基线小巧灵活,但精度稍差。在实际中,通常组合使用。

但是人工进行的航路推算会因为人工记录和计算的误差导致潜艇在长时间航行后发生航向偏离,因此现代潜艇还会装备类似于弹道导弹的惯性导航装置,惯性导航装置通过复杂的加速度计和陀螺仪可以比较精确的计算出潜艇的实时位置,并且主动进行航路修正和提醒。这种方式比人工航路推算的准确度要提高不少,其最大的优点就是不依靠外界辅助定位,安全性和抗干扰能力较强,战时不需要浮出海面,能最大限度的确保安全,不过这类装置随着时间和航程的推移,仍旧会累积出不小的误差,这也是为什么洲际弹道导弹大部分采用了惯性导航装置,但是最后的圆概率误差仍旧会达到百米甚至千米级的原因。

(惯性导航装置)

▲对海底的回声探测示意图

具备弹道导弹发射能力的核潜艇是一个国家战略的基石,担负着构筑水下长城的重任。而且与其他武器装备比起来,核潜艇更加具有威慑力,俄罗斯海上力量的保持很大一部分贡献都来自于其核潜艇。一旦发生战事或者遭遇紧急情况,往往都会把核潜艇放出去。放出去的核潜艇隐蔽在合适的地点,在需要的时候便能够做到突然击敌。

当核潜艇在水下航行时,基本上是不跟外界保持通信的,原因主要有两点,首先是技术上的问题,电磁波在水中传递时,能量衰减很严重,所以,陆地上常用的各种利用电磁波的通信手段在水中是行不通的,同时,现阶段如何实现潜艇在水中远距离的可靠通信仍然是一个需要解决的问题,远洋的潜艇想要和岸基通信需要上浮;其次就是出于对潜艇自身隐蔽性的考虑,毕竟隐蔽性对于潜艇来说是最重要的(尤其是SSBN,即战略导弹核潜艇),茫茫的大洋就是潜艇最佳的隐蔽场所,所以为了保证自己的位置不会被暴露,是需要暂时中断和外界的无线电通信的(可接收信息,但不能发出信息,也就是大家平时听到的“无线电静默”)。

除了以上所述之外,潜艇的导航方式还有许多。但可以经受的住实战考验的,还是惯性导航平台。再结合一些辅助导航系统,基本上能够做到导航上的精确,可以最大程度保证潜艇自身的隐蔽性。

这种一体化导航系统,综合应用了惯性导航、无源重力导航、地形匹配导航、水声导航等多种手段,集成了惯性导航仪、重力敏感器、精密导航仪、地形测量等多个导航模块,通过综合运用、相互矫正,实现水下实时高精度导航。

与水面船舶不同的是,核潜艇特有的长期隐蔽水下的特点,使得上述传统的导航方法很难满足全部技战术需求,在长期的探索中,潜艇逐步形成了“惯导系统+无线电导航系统(包括GPS)+天文导航”的组合模式,其中“惯性导航系统”处于核心地位。

这个东西的精度有多大呢,707所的一个实验,利用093潜艇单纯使用平台惯导航仪进行导航,从中国这边开到圣克里门第岛边上,航程将近9000海里,直接上浮后测量位置误差不足60米。

其实和GPS导航差不多,只不过将无线电波替换成了声波。但这种导航系统会受到海水不同温度盐度影响造成导航失准。也基本上是不靠谱的导航方式。

惯性导航系统在发展进程中,逐步演化出平台惯导和捷联惯导两大类。最早应用的平台惯导,由于体型庞大、可靠性差、维护保养费用昂贵,应用范围有限。后续出现的捷联惯导系统具有体积小巧、稳定性高等优势,已成为潜艇水下导航的主要手段,并继续朝着高精度、小型化和数字化方向发展。美军正计划开发新一代惯导系统,试图摆脱对卫星导航的依赖,利用集成在微型芯片上的陀螺仪、加速度计和原子钟就能获得定位授时导航。

之前在讨论陀螺仪的时候W君提到过这个研究所。

在上面的流程图中,f是比力,ω是角速度,a是加速度,R是位置,V是速度,Ω是地球的角速度,g是重力,Φ、λ和h是NED位置(北、东、下位置坐标)参数,以及,有E、I和B三个字母作为上标/下标的参数则是分别表示以地球为中心,惯性或自身参考系中的变量,而C则是是参考系的变换参数。不过,对于所有的惯性导航系统来说,误差都是不可避免的,因为在计算过程中,都会受到积分漂移的影响,即:加速度和角速度测量中的小误差,在每一次的积分计算中,都会被逐渐累积,从而使这些小误差会累积成更大的位置误差。同时,因为新位置的计算是根据先前计算的位置以及测得的加速度和角速度数据计算得出的,所以这些误差与输入初始位置以来的时间在大致上是成比例地累积。简单来说就是时间越长,误差越大,即使是标准误差为10 micro-g的顶级加速度计,也会在17分钟内累积大概50米的误差。

这也是一种古老的导航方式。潜艇出发的位置是知道的,用罗盘、陀螺仪罗盘测出航向;从航海日记中查阅速度、时间,再计算出距离,就能在海图上标注出当前位置。

无源重力导航把事先做好的重力分布图存储在导航系统中,再利用重力敏感仪器测定重力场特性来搜索期望的路线,到达目的地。这种方法无能量辐射,不使用外部坐标,不受时间限制,无需临近水面,非常适应潜艇的隐蔽性要求。

用两条地标连线延伸相交,就能得到潜艇坐标。若地标只有一个也不要紧,结合海图上的等水深线,也能确定潜艇位置。

3、惯性导航。

地形匹配导航技术

其他的方式类似于海中的声纳阵列导航

▲16世纪的墨卡托前航海图

潜艇特别是核潜艇属于战争中的无形刺客,它们通常在几百米的水下长期潜航,以对敌人发动出其不意的偷袭而见长!而水体对于大多数波段的电波有强烈的屏蔽效果,因此潜艇与地面指挥中心只能通过穿透性极强但是传输效率又极低的超长波电台进行单向通信,由于潜艇在水下无法主动发送信息,为了防止与地面指挥中心失去联系并且不至于迷路,潜艇在出航时一般选择的是通过标定预定的作战区域出航,通过预先规划的固定航路出海执行任务。
(超长波电台天线阵列延绵几百公里甚至上千公里)

2、航路推算。

惯导系统通过使用加速计和陀螺仪来测量加速度和角速度,再经计算机连续计算获得自身的位置、姿态和速度。由于不需要外部信源,也不向外辐射能量,能够以“静默”的方式提供导航服务,因而最适合潜艇使用。

但这种方式误差很大,海洋中有海流,沿岸海流速度还很快,达4~5海里/小时,对潜艇航向航速干扰很大,从而让推算误差加大。所以需要其他定位来纠偏。

潜艇深海潜航,可比亚马逊丛林恐怖多了。这里黑漆漆的,没有一丝光亮,洋流涌动暗礁林立,火山地震频发,还有诡异的海底断崖,仿佛在另外一个世界中,步步惊心!

不过,惯导系统也有弊端,测量误差会随着时间累积不断加大。而且,潜艇使用的惯性导航精度比导弹、飞机还要高,因为导弹的飞行时间可用分钟计量,飞机的飞行时间可用小时计量,而核潜艇的航行时间则是以天计量,通常需要2~3个月时间连续在水下航行。

4、无线电导航。

和平时期,潜艇出海的一大任务就是测量海底地形,测量船也要满世界溜达。有了精确地图和先进算法,潜艇才能在战时畅通无阻。

惯性导航平台到底有多么优秀呢?我国曾经做过这么一次测验。一艘潜艇在仅仅依靠惯导平台的情况下,连续在水底航行近9000海里,算下来差不多有16000多公里远。最后潜艇上浮发现,与原来预定的目标点仅仅差了不到50米。在16000公里远的距离上,不到百米的误差基本上是可以被忽略掉的,这几乎达到了许多国家洲际弹道导弹的误差等级。前文提到过,陀螺仪是整个惯性导航系统的核心部件。它的工作原理其实也并不是多么难以理解的东西,就是利用角动量守恒原理,计算角度差然后得出运动方向。然后计算出加速度,再对时间进行积分,从而实现导航。

与此同时,为满足新型核潜艇长期隐蔽航行的要求,包括美国、俄罗斯在内的潜艇大国,都在开发新概念潜艇导航技术,譬如美国的“重力导航辅助的组合导航系统”。

再如地形匹配导航,利用特征点地形的声纳目标特征进行导航也是有的,但也因为没有平台惯导好用几乎都停留在备用阶段了。

使用无线电导航或天文导航,潜艇需要浮出水面,或处于潜望状态,或是释放拖曳天线,这容易暴露潜艇位置。虽然超长波具备穿透海水的特性,可以为水下的潜艇提供通信和导航服务,但大功率超长波电台工程巨大,而且超长波穿透海水深度也有限度,潜入深处的导航效果会大打折扣。

惯性导航不依靠外力,就可以获得相关的导航数据,对于潜艇这种要求高度隐秘的装备来说,堪称量身定做的导航设备。不过它计算出来的导航数据往往存在误差,而且也会随着时间的推移逐渐增加大,最终致使导航精度变差。近年来,随着激光和电子技术的应用,惯性导航的精度得到了很大的提升,误差基本可以控制在几十至几百米的范围内。

事实上,惯导系统平台也是会存在一定误差的,这个误差的修订,就需要其他一些手段进行辅助。比如通过测岸标、天文导航和无线电导航等方式进行,由于这些都是辅助的导航方式,因此不必过度担心会影响核潜艇的实际应用。无源重力导航技术是最近这些年兴起的一种新的导航方式,它的原理是提前把路线上的重力分布图输入到惯性导航系统中去,然后通过重力场来搜索路线,再结合原本惯性导航平台,以达到最大程度精确。

看了众多的野外求生节目,让我们见识到亚马逊丛林的恐怖。一叶障目的森林中,就算大白天也经常迷路。

因此,为了保证在导航精度,潜艇除了惯性导航之外,还需要额外的辅助手段,比如每个一段时间就上浮水面,通过GPS定位后修正当前的位置参数,当然,这种通过上浮水面来修正位置参数的方法在只有在和平时期才能使用,如果是战争时期采用这种手段,是很容易暴露自己的位置的,所以,在这种情况下,海底轮廓信息导航就是一种有效的手段,所谓的海底轮廓导航,就是在提前对那些海床地形变化明显的区域进行详细的水文数据收集,绘制成海图后存储于潜艇的数据库中,然后潜艇在航行过程中通过声呐探测手段对当前位置的海底进行回声探测,测得海底轮廓数据后再与海图中的信息进行比较,从而得出当前的位置信息,修正惯性导航过程中带来的误差。

目前潜艇水下导航仍是个难题,精确度还有很大提高空间。随着蓝绿激光、激光声遥感、重力场、磁场等技术快速发展,未来潜艇水下导航、定位将更快更精确,战斗力也更加强大。

潜艇用哪种导航系统?GPS?北斗?还是牵星过洋术…… 答案是都不用,所以…… 它们撞了!很惨。 撞上一座大山 2005年1月8日,美国洛杉矶级核潜艇“旧金山”号在水下航行时,以每小时46公里的速度撞上了一座海底山,98名船员受伤,1人死亡。 “旧金山”号艇首撞成一团乱麻,所幸核反应堆没有受损。 事后,艇长摩尼上校被解除职务,并遭到处分。而他在听证会上则解释,海图上并没有标明出事海域有任何海底山! 海图是由美国国家地理空间情报局提供的,他们说,那座山是新“长”出来的…… 而另一次大众较为熟知的核潜艇撞击事件则是2009年,英法潜艇深海相撞,撞了后双方都不知道撞了啥,都以为是什么不明物体。直到回港查看伤势后,几番周折,两国才知道,那个所谓的不明物体原来是对方的战略核潜艇。 以上两例都是2000年以来的潜艇撞击事件,如果时间往前推,那案例多得都可以写一本书了。 不是有主动声呐吗 水面舰艇航行时有各种导航手段,即使失去一切手段,大不了还可以目视。然而,潜艇则不然,它们的导航手段屈指可数。首先是各种卫星导航不能用,因为你首先得浮上水面才可以,而如果随时上浮,那就不叫潜艇了。 不是还有主动声呐吗?你为什么不开,怕费电还是怎么的?不开的原因也很简单,容易暴露行踪。战略核潜艇的使命是确保相互毁灭,确保具有第二次核打击的机会,你若是在海下开着声呐到处畅游,追鲸鱼逗鲨鱼,这确实洒脱得很,但你已经失去作为核潜艇的意义。 这就不好玩了,潜艇深海潜航,如果不开主动声呐,那岂不是像瞎子一般?大体差不多。 这样的潜艇谁敢去驾驶?别急,因为潜艇,尤其是核潜艇,它们每次执行任务时是这样的:出行前,就提前制定好一条预先的航路。 比如这样,这只是随手举的例子,如有雷同,也不可能有雷同呀…… 在这条预先的航路上,负责导航的军官会把航路上各种要素详细地标出来:那里有岛屿,这里有暗礁,还有这儿有沉船,水深是多少?海流情况怎样?等等,各种要素都会一一标出来。 问题又来了,你是给我提前预定了航路。然而,水下航行时不知道指南针好不好使,即使可用,它也不靠谱呀,万一我偏离了航向岂不是麻烦? 这里,我们就需要用到一个高大上的仪器了,它就是陀螺仪。 陀螺仪 陀螺仪有一个非常重要的特性,这就是定轴性。 上图中,外面两个框架在动,它们所代表的轴也在不断改变方向,而最里面的框架,虽然也动,但它的轴始终不变,这就是陀螺仪的定轴性,它就像指南针一样,永远指着一个方向,但比指南针靠谱。 定轴性提供了一个参考系,所以陀螺仪可以给飞机和潜艇等提供各种航行姿态的信息。 有了陀螺仪,我们就能确定,何时偏离了航向,偏离了多少等等。现代的陀螺仪已经发展到好几代了,最新的是激光陀螺仪和光纤陀螺仪,在这样的陀螺仪中,已经没有转子存在,精确性大大提高。 显然,仅仅是知道航向还远远不够,到了那座暗礁旁,我就应该往左45度开,但我怎么知道到了那座暗礁了? 这也不难。首先,核潜艇出发前,就已经知晓了自己初始位置的精确坐标,它距离那座暗礁有多少公里也是精确可知的,所以,只要行驶了多少公里后,就知道是不是已经到了那个地方,或者距离那个地方还有多远。 然而,潜艇并非从头到尾都以一个固定的速度航行,有时加速了,有时减速了,我们又怎么断定到底行驶了多少公里呢? 此时,我们又得使用另一个仪器——这就是“加速度计”。 加速度计大概原理。 乘车时,当司机突然加速,我们就会往后靠,突然减速,我们就会往前扑。根据这个原理制成的加速度计,配合各种复杂的计算,就能实时地知道当前速度,以及行驶了多少里程等。 陀螺仪和加速度计配合使用,它就是传说中的惯性导航,其为潜艇最最主要的导航方式。 核潜艇没有驾驶窗,即使有也没用,几百米深的海漆黑一片,看美人鱼那是不可能的。所以,潜艇的水下潜航,其导航方式有点儿类似于,你在黑夜里行走,而却精确地知道每一步跨过的距离,往正南方向走15步,就会到达墙的拐角,再往右23步,前方有个井,它没有井盖,必须停住,再往左30步……然后就到家了。 此时,如果有位盲人也在这条路上,那么你俩就可能相撞了。就像英法核潜艇相撞一样,当时,英法两潜艇低速行驶,噪音极低,双方的被动声呐都没有听见(也许是寂寞的声呐兵在看照片也说不准),总之是撞上了。 还有,如果你的前进道路上,前两天突然坠落一块大石头但你不知道,或者是该有的井盖结果被偷了,那么你也只能认栽。就像是美国的旧金山号核潜艇一样。 惯性导航的特点 惯性导航,其误差会随着时间累积,误差大到一定程度就得上浮校正位置。而现在的惯性导航已经很先进,误差很小。目前比较先进的舰船惯导系统,可以实现航行三天三夜只误差370米左右,随着技术的进步,误差只会越来越小。 惯导之所以成为潜艇最主要,甚至说是唯一的导航方式,是因为它有两大优点。 一是,惯导无须接收外部任何信息。无论是卫星导航还是无线电导航或者是天文导航,它们都需要浮出水面或者是靠近水面,这容易暴露目标。而惯导天不靠地不靠,只靠牛顿——惯性定律是他弄出来的。 二是,惯导不会向外辐射能量,从而也不会暴露自己,这种不声不响的品质跟核潜艇最般配。 惯导不但用在潜艇上,它还用在导弹上。有人甚至说,弹道导弹打得准不准,70%依靠惯导的精度。 因此,人们常把核动力、导弹和惯性导航称为战略武器的三大关键技术。

展开阅读全文

99A主战坦克的坦克发动机是我国自主研制的吗?

上一篇

人类能不能用匕首在蟒蛇肚子里自救?

下一篇

你也可能喜欢

插入图片
核潜艇在海底航行的过程中是如何导航的?

长按储存图像,分享给朋友