水下高精度導(dǎo)航定位一直是世界性技術(shù)難題，對(duì)于有高精度、隱蔽性和長(zhǎng)航時(shí)需求的水下載體，如大型作戰(zhàn)潛器，導(dǎo)航定位挑戰(zhàn)巨大。潛艇作為國(guó)家海上作戰(zhàn)力量的重要支撐平臺(tái)，其水下精確導(dǎo)航定位至關(guān)重要，這是確保潛艇巡航隱蔽性和生存能力的首要條件。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是潛艇水下導(dǎo)航的核心裝備，在未來很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍將不可或缺。美國(guó)和俄羅斯為保障潛艇作戰(zhàn)能力，積極開發(fā)創(chuàng)新慣性導(dǎo)航技術(shù)，推出多種高精度慣性敏感器。然而，INS 存在定位誤差隨航行時(shí)間增長(zhǎng)而積累的固有缺陷，這是由陀螺儀的漂移特性決定的。為解決這一問題，美軍開發(fā)了多種輔助 INS 的水下自主導(dǎo)航技術(shù)，其中重力輔助導(dǎo)航因完全自主無源、能滿足核潛艇長(zhǎng)期隱蔽航行的導(dǎo)航要求，軍事意義重大。

　　重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)可分為重力補(bǔ)償和重力修正兩個(gè)發(fā)展階段。重力補(bǔ)償技術(shù)是在 INS 框架內(nèi)加入擾動(dòng)重力信息，改善 INS 力學(xué)編排，抑制慣性導(dǎo)航誤差增長(zhǎng);重力修正技術(shù)是利用海洋重力場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)信息和重力背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì) INS 積累的定位誤差進(jìn)行修正，并校準(zhǔn) INS 參數(shù)。重力輔助慣性導(dǎo)航主要涉及重力傳感器研制、重力背景場(chǎng)模型構(gòu)建及輔助導(dǎo)航算法等三大核心技術(shù)，中國(guó)在該領(lǐng)域雖取得一定成果，但與美俄等發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大差距，且在研究開發(fā)技術(shù)路徑上可能存在偏差。

　　1 美國(guó)水下重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析

　　1.1 重力補(bǔ)償需求牽引重力數(shù)據(jù)建模技術(shù)發(fā)展

　　美軍將保障戰(zhàn)略核潛艇高精度導(dǎo)航定位和潛基戰(zhàn)略武器精準(zhǔn)發(fā)射作為海洋重力場(chǎng)信息的兩大軍事應(yīng)用方向，于 1957 年啟動(dòng) “全球重力測(cè)量” 項(xiàng)目，開展重力場(chǎng)探測(cè)、信息搜集和數(shù)據(jù)建模工作。重力補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)歷了基于重力統(tǒng)計(jì)函數(shù)模型的理論研究階段、基于重力確定性函數(shù)模型與數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用研究階段及基于重力梯度儀實(shí)時(shí)輸出信息的高級(jí)發(fā)展階段。美國(guó)學(xué)者在重力補(bǔ)償技術(shù)研究方面發(fā)揮了主導(dǎo)作用，推動(dòng)了垂線偏差參數(shù)建模的發(fā)展，提升了美軍 INS 的技術(shù)性能。

　　1.2 重力補(bǔ)償需求牽引重力觀測(cè)裝備技術(shù)發(fā)展

　　慣性導(dǎo)航重力補(bǔ)償需要重力垂線偏差數(shù)據(jù)模型支持，獲取全球海域重力異常信息成為突破重力補(bǔ)償技術(shù)的核心任務(wù)，牽引了海洋重力觀測(cè)裝備的發(fā)展。美國(guó)在海面動(dòng)態(tài)相對(duì)重力測(cè)量裝備領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)，如 LaCoste&Romberg 公司的 L&R 系列海洋重力儀不斷升級(jí)。同時(shí)，重力補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階段推動(dòng)了美國(guó)重力梯度測(cè)量裝備技術(shù)的進(jìn)步，美國(guó)多家公司和科研機(jī)構(gòu)參與研制，成功研制出多種重力梯度儀樣機(jī)，并不斷提升其測(cè)量精度。

　　1.3 重力觀測(cè)裝備技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)重力修正技術(shù)發(fā)展

　　重力梯度測(cè)量裝備技術(shù)的發(fā)展不僅滿足了 INS 對(duì)重力補(bǔ)償信息的需求，還推動(dòng)了重力修正技術(shù)的發(fā)展。20 世紀(jì) 90 年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室對(duì) GSS 進(jìn)行改進(jìn)和功能拓展，使其能夠結(jié)合重力背景圖實(shí)現(xiàn)水下自主無源導(dǎo)航。美軍開發(fā)了多種重力輔助導(dǎo)航原型系統(tǒng)，如 UGM、GGNS 和 GAINS 等，采用實(shí)時(shí)濾波算法對(duì) INS 誤差進(jìn)行修正，取得了良好的測(cè)試效果。但這些系統(tǒng)是否列裝部隊(duì)使用尚待進(jìn)一步研究。

　　2 俄羅斯水下重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析

　　2.1 軍方需求始終主導(dǎo)海空重力觀測(cè)裝備技術(shù)發(fā)展

　　俄羅斯發(fā)展海空重力測(cè)量裝備的首要目標(biāo)是獲取全球海域的重力場(chǎng)信息，用于水下 INS 的重力補(bǔ)償。俄羅斯海空重力儀研制工作始于 1967 年，先后研制出多代海洋重力儀，如 GT - A/M 型重力儀，其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好。俄羅斯還重視重力梯度測(cè)量技術(shù)的研發(fā)，雖未取得重大突破，但一直在持續(xù)推進(jìn)。

　　2.2 特別關(guān)注重力信息修正 INS 參數(shù)算法研究

　　俄羅斯學(xué)者重點(diǎn)研究重力輔助導(dǎo)航實(shí)時(shí)濾波算法，將重力輔助導(dǎo)航模式劃分為三類，認(rèn)為以單點(diǎn)觀測(cè)信息為基礎(chǔ)的重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)最能體現(xiàn)導(dǎo)航實(shí)時(shí)性和持續(xù)性要求。他們提出多種改進(jìn)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，深入研究并發(fā)展了點(diǎn)群方法、序貫蒙特卡羅法和粒子濾波方法，通過分析地球重力異常場(chǎng)確定適合開展 INS 重力修正計(jì)算的區(qū)域，為水下重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用提供了重要支持。

　　3 思考與建議

　　3.1 優(yōu)先做好做實(shí)重力補(bǔ)償?shù)谝坏拦ば?/p>

　　美俄的重力修正技術(shù)是在重力補(bǔ)償技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而中國(guó)啟動(dòng)重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)研究較晚，且在研究過程中對(duì)重力補(bǔ)償投入精力不足，導(dǎo)致重力補(bǔ)償和重力修正技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面成果較少。重力補(bǔ)償原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但中國(guó)學(xué)者對(duì)其耦合影響機(jī)理研究不夠深入，影響了該項(xiàng)技術(shù)的推進(jìn)應(yīng)用。建議中國(guó)集中精力研究重力擾動(dòng)影響與補(bǔ)償機(jī)理，構(gòu)建高精度垂線偏差數(shù)值模型，開展海上實(shí)船實(shí)艇重力補(bǔ)償測(cè)試驗(yàn)證，為重力修正提供精確的測(cè)點(diǎn)初始位置信息。

　　3.2 緊前推進(jìn)重點(diǎn)海域重力加密測(cè)量和極區(qū)重力儀研制

　　重力補(bǔ)償和重力修正都需要精細(xì)的重力場(chǎng)信息支持。在重力梯度儀未取得實(shí)質(zhì)性突破的情況下，需采用重力異常觀測(cè)信息計(jì)算垂線偏差數(shù)據(jù)。衛(wèi)星測(cè)高重力信息在局部海域精度和分辨率不足，無法滿足 INS 重力補(bǔ)償?shù)木?xì)化要求。重力修正對(duì)重力場(chǎng)信息精細(xì)度要求更高，當(dāng)前應(yīng)統(tǒng)籌安排重點(diǎn)海域船載重力加密測(cè)量作業(yè)，構(gòu)建高精度多分辨率重力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。同時(shí)，中國(guó)海空重力測(cè)量裝備雖取得突破性進(jìn)展，但需具備全球海域作業(yè)能力，特別是極區(qū)作業(yè)能力，應(yīng)研制滿足全緯度應(yīng)用的海空重力測(cè)量裝備。

　　3.3 重點(diǎn)發(fā)展重力修正非線性濾波技術(shù)和濾波算法

　　國(guó)際上水下重力輔助慣性導(dǎo)航重力修正算法主要分為匹配定位算法和實(shí)時(shí)濾波算法兩大類。中國(guó)學(xué)者更多偏愛于匹配定位算法，而美俄兩國(guó)將實(shí)時(shí)濾波算法作為研究重點(diǎn)并應(yīng)用于實(shí)際。匹配算法存在明顯不足，如不是嚴(yán)格意義上的實(shí)時(shí)處理方法，難以滿足作戰(zhàn)應(yīng)用需求。實(shí)時(shí)濾波算法具有實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力，可同時(shí)修正 INS 的多維度誤差。中國(guó)雖 INS 技術(shù)性能相對(duì)較低，但通過采用先進(jìn)的靜電陀螺儀和陀螺監(jiān)控技術(shù)，增加精準(zhǔn)的重力補(bǔ)償工序，可為載體提供滿足精度要求的初始位置坐標(biāo)，推進(jìn)實(shí)時(shí)濾波算法應(yīng)用既有緊迫性又具可行性。

　　3.4 優(yōu)先發(fā)展實(shí)用軟件型 GAINS

　　美軍在發(fā)展水下重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)時(shí)，注重尋找高性價(jià)比的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。如洛克希德・馬丁公司提出的重力敏感模塊，以及基于靜電陀螺儀的全軟件型 GAINS。美軍還通過招標(biāo)，進(jìn)一步提升重力輔助導(dǎo)航能力，減少對(duì) GPS 的依賴。中國(guó)應(yīng)借鑒美軍經(jīng)驗(yàn)，加快推進(jìn)基于重力儀和重力異常背景場(chǎng)的重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用，研發(fā)自主可控的軟件型重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，充分發(fā)揮現(xiàn)有重力異常觀測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢(shì)，挖掘重力梯度信息潛力。

　　3.5 強(qiáng)化深化重力輔助慣性導(dǎo)航需求論證和頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)

　　中國(guó)在水下重力輔助導(dǎo)航技術(shù)的需求論證方面不夠全面深入，導(dǎo)致頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)無法設(shè)定明確目標(biāo)，研究思路和研發(fā)路徑難以統(tǒng)一。應(yīng)組織各專業(yè)力量分解重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)，明確各類相關(guān)設(shè)備、算法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的保障要求;確定各種技術(shù)手段的應(yīng)用載體、場(chǎng)景和模式，明確其適用條件、潛在風(fēng)險(xiǎn)和保障要求;構(gòu)建綜合效能評(píng)估體系，明確評(píng)估流程、方法、準(zhǔn)則和試驗(yàn)驗(yàn)證保障要求。通過全面深入的研究論證，為裝備決策、業(yè)務(wù)決策和裝備研發(fā)部門提供清晰準(zhǔn)確的信息。

　　4 結(jié)語

　　自主性、高精度、長(zhǎng)航時(shí)和隱蔽性是核動(dòng)力潛艇水下導(dǎo)航的根本需求，水下重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)完美結(jié)合了 INS 的高度自主性和信息全面性與重力信息的時(shí)空分布穩(wěn)定性和唯一性特點(diǎn)。美俄兩國(guó)在該研究領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)為中國(guó)提供了借鑒，中國(guó)在近二三十年雖取得較大進(jìn)展，但仍面臨問題和挑戰(zhàn)，需要反思和思考。本文提出的 5 個(gè)方面改進(jìn)建議可為中國(guó)水下重力輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)下一步工作部署提供參考。

黃謨濤;歐陽永忠;邊少鋒;李?yuàn)檴?李明叁;陸秀平;王偉平;董 超;湯民強(qiáng);洪黎丹;侯廣超,福建理工大學(xué)智慧海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院;中國(guó)船舶航海保障技術(shù)實(shí)驗(yàn)室;自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;海洋智能裝備福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院;信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院,202411