2024, Vol. 46
2. 中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101;
3. 中国人民解放军 92767部队，山东 青岛 266000
2. The 714 Research Institute of CSSC, Beijing 100101, China;
3. No. 92767 Unit of the PLA, Qingdao 266000, China
潜艇操控系统主要用于潜艇的航向、深度和俯仰等控制，初期主要由转向和下潜、深度和压载控制，以及纵倾和排水3个独立系统组成，其中转向和下潜系统通过控制潜艇操纵面（方向舵、尾水平舵、首水平舵或围壳舵），实现潜艇航向、深度操纵与保持；深度和压载控制系统、纵倾和排水系统，主要通过控制潜艇进水、排水，以平衡作用在潜艇上的静力，实现航行状态调整。传统的潜艇操控主要由位于潜艇指挥控制中心的潜艇控制面板、压载控制面板2个相邻控制站实现。现役新型潜艇操纵系统摒弃了原有“单机单控、依靠口令协调”的指挥和操艇模式，将与潜艇操纵相关的分系统和设备集中起来，实现集中指挥、集中控制、集中显示，并与全艇信息化系统联网，做到资源共享，满足武器发射时对潜艇航速、姿态、深度及航向控制要求，保证航行、作战、规避时的安全性，并提高指挥员及操作人员的快速反应、快速决策和快速执行的能力[1]。
1 国外典型潜艇操控系统设计国外现役新型潜艇操控系统一般有3种操作模式，即常规手动控制模式、常规自动控制模式和应急操作模式。如“弗吉尼亚”级潜艇，常规手动控制模式下，潜艇操纵面由电传操纵系统通过潜艇控制站、容错处理系统和远程接口控制器发送电信号实现控制，所有操纵面均可由主操或副操，或两者共同完成；常规自动控制模式下，可在潜艇控制站预设潜艇航向和深度，由自动控制算法计算操纵面指令，而在手动模式下操纵面指令则由操纵杆给出，除此之外，2种操纵模式控制过程基本一致；应急操作模式下，操纵面由电传操纵系统控制，但会绕过大部分定位软件环节，操纵杆电信号直接发送到远程接口控制器，改变尾升降舵或方向舵位置（应急模式无法控制首升降舵）。
1.1 美国 1.1.1 “洛杉矶”级潜艇“洛杉矶”级潜艇操控系统（见图1）是一个典型的内部通信系统，其电控系统是一个模拟系统，不使用数字计算机，常规手动控制模式下，控制杆偏转产生的操舵和下潜指令由舵轮控制同位器直接连接至伺服转换放大器，后者形成信号并驱动伺服阀，实现舵操控[2]。“洛杉矶”级潜艇没有自动控制，所有模式和控制站的选择都由离散继电器和开关完成，电控回路不采用冗余涉及，与其说是一个集成控制系统，不如称其为内部通信系统。
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图 1 “洛杉矶”级潜艇控制系统简化图（尾升降舵） Fig. 1 Diagram of Los Angeles class submarine control system (stern elevator) |
以“海狼”级潜艇为代表美国海军新一代潜艇操控系统开始采用计算机技术，实现全自动控制，对航向、深度控制采用计算机全数字式控制技术实现了全自动操控，对深度控制还具备极低航速下潜艇垂直上浮和下潜控制方式，对纵倾和均衡排水控制采用了由内海军编制的压载和纵倾计算软件，自动向操作人员提供压载信息，实现自动压载均衡控制。此外，“海狼”级潜艇操控系统（见图2）首次采用了平板显示技术，具有信息综合处理、图形形象化和数据集中显示能力。此外，“海狼”级潜艇操控系统还采用了硬件容错系统，针对任一时间故障限制区域内故障具有恢复能力，再匹配系统采用的管理冗余智能软件，使系统具备在2个非同时故障下正常工作的能力，极大提高了系统的稳定性[3]。
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图 2 “海狼”级潜艇操控系统结构 Fig. 2 Diagram of Sea Wolf class submarine control system |
“弗吉尼亚”级潜艇操控系统较前期潜艇控制系统发生较大变化，主要体现在利用分布式的计算机网络集成，实现了之前潜艇单独控制电路完成的功能。“弗吉尼亚”级潜艇操控系统主要由潜艇控制站（见图3）、远程接口控制器、冗余接口箱、诊断与维护计算机以及光纤电缆等组成；采用电传控制技术，在自动控制模式下潜艇由电传操纵系统控制，在潜艇控制站预设航向与深度后，由自动控制算法计算操纵面指令位置[3]。同时“弗吉尼亚”级潜艇操控系统进行了大幅的革新，操控台采用大面积触摸式显示屏取代“洛杉矶”级潜艇大量分散的传统显示屏；高度自动化的电传操纵系统代替了以往传统的模拟液压操纵系统，凭借快速实时显示的艇位信息，2名操控人员利用2个操纵杆和触摸屏幕，就能够完成以往“洛杉矶”级潜艇需要3名操纵人员完成的航行、潜浮和均衡等工作。
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图 3 “弗吉尼亚”级潜艇控制站设计 Fig. 3 The design of Virginia class submarine control station |
“机敏”级潜艇采用的新型操控系统包括2个自动驾驶仪，以及控制纵倾和悬浮的控制器，有3种操作模式，即自动模式、手动模式和应急模式；通过利用全集成的自动控制系统，将显控台与导航系统、潜艇机动控制系统、电子海图、雷达及平台管理功能很好地融合一起，基于先进的计算机图形开发了先进控制功能的人机界面，体系结构从单一服务器的本地显示屏到冗余服务器的全分布式系统，冗余分布式输入/输出及冗余网络多客户端用户界面[4]。“机敏”级潜艇的操控系统及其相关的液压系统均有自动模式和手动模式的备份系统，当方向和下潜控制系统处于自动操作模式时，可以在控制面板设置深度和航向控制，系统使用闭环控制和自动驾驶仪航向控制算法使潜艇对这些指令作出反应。深度、浮仰和航向通过使用方向舵多选择和分离式尾舵控制。“机敏”级潜艇的集成平台管理系统（见图4）采用灵活的模块设计、实现了更高的自动监控水平，减少了操作人员。
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图 4 “机敏”级潜艇集成平台管理系统示意图 Fig. 4 Diagram of Astute class submarine integrated platform management system |
随着电传操控技术的应用，各国潜艇操纵控制系统都采用了计算机控制技术、信息采集与显示技术，以及自适应控制理论、数据处理、模式识别、最优化估算和容错设计原理等理论。在选择了控制模式以后，操作人员仅需输入指令，相应系统机构可自动运行，达到自动控制的目的，自动化程度得到了全面提高[5]。
至今，潜艇的线型、动力、武备等方面均发生了巨大变化，但指挥舱的布局基本保持一致，如美国“鹦鹉螺”号潜艇指挥舱布局和“海狼”级潜艇指挥舱整体布局基本相同。通常情况下，潜艇操控系统由4人组成的小组进行控制，其中水平舵手负责操纵首、尾水平舵控制俯仰升降以及侧倾，方向舵手负责操纵方向舵控制航向，值班长负责控制压载水舱控制面板，通过对前后主压载水舱注/排水以及调度遍布全艇的众多平衡水舱、调节水舱来调整潜艇的浮力，维持纵向和横向平衡，进行紧急上浮操作；下潜军官负责看、听、说，监控前三者的操作。21世纪以来，随着自动化程度提高，潜艇的指挥舱布局发生较大变化，如2004年服役的“弗吉尼亚”级潜艇指挥舱，传统的4人制操艇小组变成了双人制（驾驶员和副驾驶），每人各有4具大型液晶显示器，驾驶员负责控制潜艇的航向和俯仰（替代原来的方向舵手和升降舵手），副驾驶除控制浮力和平衡外还负责操作监控任务（替代原来的值班长和下潜军官）；2个操作站配置相同、互为备份，由值班长负责的紧急上浮操作被控制面板中央上方的2个应急手柄代替，只需同时推动2个手柄潜艇将自动执行紧急上浮程序。法国新推出的PIC单人操艇系统，采用自动方式和人工跟踪控制方式可实现航向和深度、均衡纵倾以及主机自动控制。
2.2 采用冗余、故障容错处理设计，提高潜艇生命力潜艇操控系统设计中最重要的指标是可靠性、可用性、安全性以及故障检测和隔离性能，也就是确保潜艇的生命力。为提高潜艇的生命力，国外新型操控系统采用冗余、故障容错处理设计，不但硬件采用冗余设计，软件也采用冗余设计。如“弗吉尼亚”级潜艇操控系统的每个方面都是冗余布置的，在控制站有4个冗余布置的子站，2个操纵杆；6个成对的远程接口控制器，2个远程接口间有4个独立的控制通道；4个故障容错处理节点，6个冗余接线箱等。1个子站可以提供船舶控制的所有功能，1个操纵杆可以实现所有人工控制功能。在系统只剩下2个故障容错处理节点时，也不会丧失故障容错能力；成对的远程接口控制器中的一个可以执行相同的功能。英国海军“机敏”级潜艇的操控系统采用冗余服务器的全分布式系统，先进的人机接口界面，以及基于多状态变量反馈、线性最优控制的先进控制器，可有效提高潜艇操纵效率及安全性。
2.3 采用数字化技术，实现操控系统集成新型潜艇操控系统不但将之前单独操控的“操舵与下潜”系统、“深度控制”系统、“纵倾平衡”系统、“航向与潜浮”系统等进行集中控制，在正常情况下，单人可以在控制站，操纵两对升降舵、方向舵，进行自动均衡、遥控航行工况，而且还通过潜艇控制网路与远程接口控制器与其他外部系统，如“作战系统”、“陀螺罗经系统”等，实现数据共享[6]。此外，现代新型潜艇操控系统不但注重集中控制，也注重集中显示，如“海狼”级潜艇控制站的平板触摸式显示屏取代“洛杉矶”级上大量分散的传统显示屏，“弗吉尼亚”级潜艇控制站则进一步将“海狼”级潜艇的压载控制面板和潜艇控制面板进行集成，形成4个子站控制显示所有子系统。
2.4 采用海底地形匹配导航技术，优化潜艇自动驾驶能力海底地形匹配导航技术是水下导航的一个重要发展方向，它是一种基于高程相关的辅助导航技术，在地形特征比较明显的区域定位精度较高，可以对惯性导航系统进行补偿和修正。海底地形信息是地球固有的属性，在一定时期某位置的地形保持恒定，这就为发展海底地形匹配导航提供了保障。地形匹配导航时，将表征海底地形信息的数据制作为地形参考数据库并存储于导航计算机中，再利用高度深度传感器，主要是测深测潜仪，实时测量载体位置的海底地形信息，经过匹配定位技术进行位置解析，以此定位信息作为外观测量，经组合导航系统进行滤波后可以对惯导系统进行校正，便可有效防止惯导系统误差的时间积累。
海底地形导航精度主要基于海底的地形特征、电子海图的质量及声呐的波束宽度。2007年6月29日美国海军作战部长（CNO）发布的《定位、导航、授时（PNT）发展计划》 中指出，美国海军每个需要精确定位、导航、授时数据的舰艇平台必须拥有备选的导航数据源。《计划》中还提出，备选导航数据源应该包括海底地形匹配导航。潜艇采用海底地形匹配导航方法具有天然的优势，水面舰艇采用海底地形匹配导航方法是一种能够有效提高GPS能力的方案。海底地形匹配导航技术已经在海军舰艇和水下无人航行器上得到了应用。例如，美国海军“俄亥俄”级战略核潜艇装备AN/BQN-25导航声呐系统（见图5），用于海底地形匹配导航；挪威的“休金”系列水下无人航行器和“乌拉”级潜艇已经装备多波束回声测深仪（MBE），进行海底地形匹配导航。
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图 5 “俄亥俄”级战略核潜艇AN/BQN-25导航声呐系统 Fig. 5 The AN/BQN-25 navigation sonar system of Ohio class nuclear submarine |
目前，潜艇操控系统的发展趋势主要体现在自动化、集成化及低成本。自动化体现在各国潜艇负责操控的人员不断减少；集成化体现在显控台与导航系统、潜艇机动控制系统、电子海图、雷达及平台管理功能的综合集成；低成本体现在通过网络技术和与平台管理系统远程共享输入/输出数据，实现操控功能，可大量减少电缆的使用量。在未来网络化、信息化作战环境中，作战节奏越来越快，攻防态势转换迅速，强化潜艇平台操控自动化、智能化将成为重点发展方向。
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何卫华, 王益民, 黄健鹰. 潜艇自动操纵控制系统的基本原理及其现状[J]. 舰船科学技术, 2005(3): 20-24. HE Weihua, WANG Yimin, HUANG Jianying. Basic principles of auto-control system of submarine and its status quo[J]. Ship Science and Technology, 2005(3): 20-24. |
| [2] |
Naval ships' Technical Manual, chapter 561 Submarine steering and diving system[M]. 2003.
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| [3] |
JAMES C G. The US Fast Attack Submarines Seawolf Class(SSN-21) and Virginia Class(SSN-774) [M]. Schiffer Publishing, Ltd. 2020: 32−36.
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| [4] |
JONATHAN G, Astute class nuclear submarine [M]. Hayness Publishing, 2018: 1−56.
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| [5] |
廖健, 何琳, 陈宗斌, 等. 潜艇操舵系统噪声综述[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(5): 74-84. LIAO Jian, HE Lin, CHEN Zongbin, et al. Overview of submarine steering system noise[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(5): 74-84. |
| [6] |
宋江峰, 殷洪, 董根金, 等. 潜器近水面运动建模和操纵控制技术综述[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(15): 7-12. SONG Jiangfeng, YIN Hong, DONG Jingen, et al. Overview on modeling and operation control technology for underwater vehicle's submerged motion near water surface[J]. Ship Science and Technology, 2020, 42(15): 7-12. DOI:10.3404/j.issn.16727649.2020.08.002 |