2020, Vol. 42
2. 中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101
2. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China
舰船导航系统发展到今天，大致可分为卫星导航、惯性导航、无线电导航等。本章主要以国外海军典型水面舰艇和潜艇为例，阐述国外舰艇导航系统装备现状。
1.1 水面舰艇美海军水面舰艇典型导航系统架构如图1所示，主要包括各种导航设备及传感器接口等。
以美海军“福特”级航母综合导航系统为例展开阐述。
“福特”级航母综合导航系统的主要作用是保证航母的安全航行、确保飞机的安全起降、为舰载飞机惯性导航系统提供对准保障，同时还作为舰载情报信息系统与武器系统的基准信息源。而该综合导航系统的核心正是舰船惯性导航系统，其是以回声测深仪、多普勒声呐计程仪等手段为补充，通过卡尔曼滤波器利用外部位置、速度等信息实现惯性导航系统重调、修正和阻尼。
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图 1 美国海军水面舰船导航系统一般架构 Fig. 1 General architecture of US Navy surface ship navigation system |
1）导航传感器系统接口
导航传感器系统接口（NAVSSI）汇集、综合和处理导航数据，将导航数据发送到武器、作战支持、指挥控制、计算机、通信、情报、监视、侦察系统和其他信息系统。该系统接口的首要功能是给所有舰船武器和作战系统提供位置、速度、姿态等信息。
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图 2 “福特”级航母综合导航系统架构 Fig. 2 Ford class carrier integrated navigation system architecture |
导航传感器系统接口的设计在操作方法上非常灵活，可对输出数据进行选择，对数据合理性进行监视选择等。到目前为止，导航传感器系统接口已经从Block 0，Block2，Block3发展到Bock4，前后经过了5个发展阶段。同时导航传感器系统接口采用开放式设计，可适应技术的不断发展，容纳新的技术。
另外，导航功能仅仅是导航传感器系统接口诸多功能的一部分，除此之外还包括为武器系统提供初始化数据，实现武器的精确制导，战斗群计划制定等。
2）AN/WSN-7激光陀螺惯性导航系统
AN/WSN-7激光陀螺惯性导航系统属于无源舰载激光陀螺惯性导航系统，其可连续、自动显示及计算舰艇相对大地的姿态、位置、速度、方向等信息。该系统可感知舰艇运动、重力和地球自转。另外，它还可接收外部GPS升级和校正信息及舰艇速度信息。
在标准舰桥结构中包含2套独立系统机柜，提供全冗余和增强感知能力。该系统可适应全球作战需求，而且具有较高的可靠性和误差控制，执行任务期间，该系统不易被敌方探测和干扰。
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表 1 AN/WSN-7主要技术指标 Tab.1 AN/WSN-7 main technical parameters |
3）AN/UQN-X型回声测深仪
AN/UQN-X型回声测深仪列装于美海军“尼米兹”级、“福特”级航母。该回声测深仪利用声波反射原理测量舰船龙骨与海底之间的距离。
系统的基本原理是向海底发射声学压力脉冲信号，经海底反射后回到舰船接收机，然后将反射的能量波转换为电信号，并以数字形式显示在显示仪上，测量范围约2~11 000 m。
4）AN/WQN-2多普勒声呐计程仪
多普勒声呐计程仪基本原理是利用超声波多普勒效应累计舰船航程及测量舰船航速。
该类型计程仪精度高，测速线性好，可同时测量舰船纵向、横向速度，为航母进出港、靠码头或锚泊时指示极低的对地船速，确保舰船操纵安全，还可在航行过程中为整个导航系统提供速度基准。
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图 3 诺·格公司的AN/WQN-2多普勒声呐计程仪 Fig. 3 Nog's AN/WQN-2 doppler sonar log |
AN/WQN-2多普勒声纳计程仪包括1台转换器、1套发送/接收装置和1套电子控制装置。系统功能是通过电子控制装置利用数字信号处理和控制技术实现。电子控制装置集成了内置测试设备（BITE），可通过声音报警指出DSVL系统故障。
5）综合舰桥系统
综合舰桥系统的作用是自动收集、处理、控制并显示舰船控制和重要导航传感器数据，获得最佳的舰桥观测性和舰船控制安全性。综合舰桥系统包括航行管理系统、自动雷达辅助测绘及舰船控制系统等功能。
其中，航行管理系统（VMS）是一种基于导航、规划和监控系统的计算机，可满足美海军电子海图显示与信息系统需求。该管理系统为海军指挥人员进行电子导航提供了有效工具。
自动雷达辅助测绘（ARPA）可自动获取和跟踪目标，并精确、及时向观测小组提供目标信息。
舰船控制系统（SCS）可为舰船推进系统提供指挥控制信号，并对其性能进行监控。
目前，该综合舰桥系统已列装美海军航母、巡洋舰、驱逐舰、两栖攻击舰、两栖船坞运输舰、核潜艇等舰艇。
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图 4 综合舰桥系统 Fig. 4 Integrated bridge system |
6）导航雷达
AN/SPS-73对海搜索雷达（SSR）是一种先进的导航与监视系统，可根据舰载或岸基应用要求进行配置。该雷达采用先进的数字技术，协调几个光栅扫描显示器之间的雷达图像和跟踪信息，使之共享，能够综合本舰上的几种导航与通信输入。该雷达可与TAC-4（SCCS-270），TAC-3（SCCS-378）舰载指控系统集成，还可与美海岸警卫队RADDS雷达显示器、陀螺仪、罗兰-C、速度记录仪、GPS、战术指挥信息交换系统以及11号数据链等集成。
1.2 潜艇潜艇由于隐身性要求，无线电导航、声学导航、卫星导航等属于辅助导航手段，惯性导航才是其主要导航手段。因此，本节重点阐述国外海军艇载惯性导航系统。
1）常规潜艇
目前，世界主要常规潜艇都列装激光陀螺惯性导航系统，采用捷联式结构，精度可达1 n mile/d。典型系统有：美国MK 39平台罗经、德国PL41 Mk4 Mod2惯性导航系统、法国SIGMA 40 XP惯性导航系统等，如表2所示。
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表 2 国外先进常规潜艇列装惯性导航系统概况 Tab.2 Inertial navigation system of foreign advanced conventional submarines |
2）核潜艇
目前，世界主要弹道导弹核潜艇都列装平台式静电陀螺惯性导航系统，主要攻击型核潜艇都列装捷联式激光陀螺惯性导航系统。典型惯性导航系统有：美国AN/WSN-3静电陀螺惯性导航系统，精度可达0.179 nmile/d；美国AN/WSN-7激光陀螺惯性导航系统，Mk-49激光陀螺惯性导航系统，法国MARINS光纤陀螺惯性导航系统和SIGMA 40XP激光陀螺惯性导航系统，精度大多可达到1 n mile/d。
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表 3 国外先进核潜艇列装惯性导航系统概况 Tab.3 Inertial navigation system of foreign advanced nuclear submarines |
2016年5月，美国防高级研究计划局授予BAE系统公司水下导航系统研制合同，旨在提高美海军在大洋中的精确定位、导航、授时能力。
合同中包括“深海定位导航系统项目”（POSYDON），旨在解决水下潜航器不通过上浮至水面接收GPS信号修正导航误差，而通过水下多个集成化的远距离声源为潜航器提供精确导航信息的问题。
目前，“深海定位导航系统项目”的解决方案之一是使用信标为水下潜航器导航。信标可置于海底，形成水下“星座”，通过声波发送精确定位信号给水下潜航器。
2.2 AN/WSN-7惯性导航系统升级1）新型环形激光陀螺
美海军授予霍尼韦尔国际公司“新型环形激光陀螺”研制合同，旨在延长AN/WSN-7（V）系统服役寿命，根据合同预计2021年完成研制。
升级后的导航系统将用自主式环形激光陀螺系统取代旋转质量陀螺仪，计算舰艇速度、加速度、位置、航向等信息，具有无阻尼、体积小、功耗低、可靠性高等优点。
2）研制AN/WSN-7替代系统
美海军授予诺·格公司替代AN/WSN-7导航系统的研制合同，即“INS-R ISM项目”，该项目旨在GPS拒止状态下仍可为水面舰艇提供精确导航信息。新系统为提高生存能力，由2部可独立工作的双冗余导航单元组成，1部位于船尾，1部位于船首。
2.3 对抗环境中的导航设备目前，美国防高级研究计划局正在寻求开发独立于GPS的定位、导航和授时（PNT）系统，为作战人员提供竞争激烈环境中的定位、导航和授时服务。
该系统须结合超稳定战术时钟、远程参考信号、用户共享PNT信息等系统。
2.4 基于GPS的定位、导航和授时系统在继承导航传感器系统接口体系及功能基础上，美国正在加紧研制可满足水面、水下等多平台需求的基于GPS的定位、导航和授时系统（GPNT）。
GPNTS被设计为面向服务的体系结构（SOA）环境中开放标准的系统，可为导航、作战、武器和C4ISR系统以及其他的PNT用户提供定位、导航和授时服务。
该系统的特点体现在以下3个方面：一是增强抗干扰性，换装具有防欺骗（SAASM）功能的GPS板卡和新型抗干扰天线；二是优化设备结构及接口，适应通用计算环境；三是实现水面、水下的通用化设计。
2.5 不依赖GPS的导航技术探索为了解决依赖GPS作为唯一定位导航授时信息来源的问题，美国防高级研究计划局正在探索开发新一代定位导航授时系统，并已开展了5个项目的研究，分别是适应性导航系统（ANS），主要开发“即插即用”定位导航授时传感器结构与算法；微PNT技术（Micro-PNT），主要开发独立芯片级惯性导航和精确制导系统；量子辅助测量与显示（QuASAR）技术，主要开发具有鲁棒性和可移植性原子钟；超快激光科学与工程项目（PULSE），主要开发利用超短脉冲激光技术提升原子钟和微波源精度；对抗性环境中的空间、时间和方位信息（STOIC），主要开发对抗环境中具有相当GPS系统的定时和定位系统。
2.6 全源定位与导航技术美国防高级研究计划局开展了“全源定位与导航”（ASPN）项目，旨在开发低成本导航与传感器融合技术，综合激光测距仪、相机、磁力计等多种传感器信息，提供高可靠性的导航定位服务，现已完成了软件架构和算法开发。
3 特点与趋势 3.1 水面舰船导航系统螺旋式发展和升级近年来，水面舰船导航系统的发展未出现颠覆性的变革技术，总体呈现螺旋式发展，各功能单元均在原有装备的基础上进一步升级、更新、换代。虽然整体水面舰艇导航系统格局并未发生大的变化，但各功能单元的可靠性、精度等方面均有显著提高。根据美海军公布的资料和实际发展情况，水面舰艇导航系统未来几年的发展情况如图5所示，可以看出多种导航系统均在进行螺旋式发展或更新换代。
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图 5 未来几年美国海军水面舰船导航系统重要设备发展 Fig. 5 Development of important equipment for US navy surface ship navigation system in the next few years |
目前，深水导航定位是美国防部和海军发展的重点技术之一，将为潜航器提供不依赖现有GPS和惯性导航的定位、导航与授时能力，该系统将采用声学测量建模、声源和波形分析、海上数据收集及验证，以及其他辅助技术，实现潜航器既无需上浮水面寻求GPS定位，又无需释放任何射频传输信号，可最大限度地降低被探测的风险，同时降低潜航器导航成本和能耗。
3.3 新兴导航装备和技术相继启动为了继续掌握未来战场制导航权，引领导航定位领域技术发展，美、英两国积极推进新一代导航定位与授时技术。
一方面发展不依赖GPS的导航技术，美国防高级研究计划局开展了一系列研究与验证，探索了自适应导航等5种新型导航技术；英国发展了“量子罗盘计划”。另一方面充分重视集成定位、导航和授时技术，美海军基于GPS的定位、导航和授时系统的研制取得阶段性成果，有望进一步提升舰船等装备导航及作战性能。
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