無衛(wèi)導條件下多艦船聯(lián)合導航方法研究*

韓云東，李 偉，黃 謙，李天偉，王 蘇

（海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018）

0 引言

隨著導航裝備的發(fā)展，艦船導航已經由傳統(tǒng)導航發(fā)展為多系統(tǒng)組合導航，其中衛(wèi)星導航分別和慣性導航系統(tǒng)（以下簡稱慣導）或者平臺羅經的組合成為許多大型艦船的主要導航方式，然而在復雜電磁環(huán)境下，衛(wèi)星導航可能受到嚴重干擾，甚至無法正常使用，如何保障艦船編隊在無衛(wèi)星導航條件下仍能得到相對準確的導航信息成為研究的重點。

1 聯(lián)合導航的背景

隨著技術的發(fā)展，組合導航成為絕大多數水面艦船主要依靠的導航方式［1］。其中衛(wèi)星導航雖然能夠為用戶提供全天候、不間斷、高精度、實時的三維位置，但由于其脆弱的抗干擾性使其極易受到電磁干擾而無法正常工作，這就可能導致在復雜電磁環(huán)境下艦船執(zhí)行特殊任務時，由于衛(wèi)星導航無法工作而使組合導航變成慣導或者平臺羅經獨自工作的模式中［2-4］。慣導和平臺羅經都是自主性導航系統(tǒng)，不同的是平臺羅經只具備短時的慣導作用，超過一段時間后必須進行重調校準，由于衛(wèi)星導航在特定條件下受到干擾或限制而無法使用，平臺羅經的位置、航速、航向、姿態(tài)等導航信息會隨著時間的累計增大，最終導致因誤差過大而無法使用。相比于平臺羅經，慣導的誤差隨著時間逐漸增大的幅度會小很多［5-8］。

在多艘艦船以編隊的形式執(zhí)行任務時且衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法使用條件下，只能使用慣導或平臺羅經來為本艦提供必需的導航信息。由于并不是所用的艦船都裝備有慣導，經過一段時間后，僅裝備平臺羅經的艦船會由于平臺羅經定位誤差的增大而喪失導航信息的保障能力，這就直接影響武器系統(tǒng)的使用，進而大幅降低艦船的作戰(zhàn)能力［9-10］。為解決該問題，通過采用編隊聯(lián)合導航的方法，在艦船編隊構建一個聯(lián)合導航體系，實現部分導航信息實時共享，保障編隊中每艘艦船的平臺羅經都能提供較為可靠、有效的導航信息［11-12］。

1.1 聯(lián)合導航的概念

隨著戰(zhàn)爭樣式日趨多樣化，對導航系統(tǒng)的考驗也日趨嚴峻，而聯(lián)合導航就是保障編隊中各艦船間導航信息的實時性和相對準確性，提高編隊導航系統(tǒng)的可靠性［13-15］，為此提出艦船編隊聯(lián)合導航的思想，其概念如下所述。

聯(lián)合導航：在艦船以編隊形式執(zhí)行任務時，以導航裝備性能好、精度高的艦船作為相對參考系的原點建立一個相對坐標系，并將此艦船作為編隊母艦，設在此坐標系中母艦的誤差可測，母艦通過一定的觀測手段確定其余子艦與其相對的方位、位置和航速信息，然后通過一系列的運算得到子艦的相對導航信息，并通過現有手段將這些信息提供給子艦，同時對子艦上誤差較大的導航裝備進行重調校準，使子艦上的導航信息精度滿足需求。

1.2 聯(lián)合導航的意義

聯(lián)合導航的意義在于解決以下兩個問題：

1）當艦船上的衛(wèi)星導航系統(tǒng)受到嚴重干擾或毀壞而導致無法信任和使用時，艦船上安裝的組合導航系統(tǒng)就變成慣導或平臺羅經單獨工作，但是平臺羅經在經過一段時間后就很難達到保障武器系統(tǒng)正常工作的指標，甚至很難保障艦船的安全航行。

2）當編隊中某一艘艦船遭到嚴重破壞而導致其缺失必要的導航信息時，艦船的航行安全將無法得到保障，需要導航信息的武備系統(tǒng)也難以有效工作，艦船戰(zhàn)斗力將會受到嚴重制約。

針對以上兩種情況，艦船編隊聯(lián)合導航剛好可以解決上述問題。通過建立一個編隊聯(lián)合導航體系，將編隊中的每艘艦船均看作是體系中的一部分。在這個編隊聯(lián)合導航體系中，選擇其中精度高同時能夠提供完整的導航信息的艦船作為編隊的母艦，使編隊中的所有艦船以母艦為中心建立編隊坐標系，母艦通過觀測子艦的相對導航信息，并計算得到子艦的導航信息，再通過數據鏈發(fā)送給子艦。由于母艦的導航信息精度比子艦的精度高很多，這樣經過測算所得的信息就會更加可靠、準確，能夠明顯提高子艦導航信息的保障精度，可以為艦船全天候、全時間段執(zhí)行任務提供不間斷的導航信息，進而提高編隊中各艦船執(zhí)行任務的能力，最終提升編隊整體作戰(zhàn)效能。

2 多艦聯(lián)合導航數學模型的建立

在艦船編隊聯(lián)合導航體系建立的研究過程中，以一艘裝備慣導的艦船和一艘裝備了平臺羅經的艦船組成一個水面艦船編隊為例［16］，如圖1 所示。

圖1 艦船編隊聯(lián)合導航坐標系

假定海況良好，坐標系中A、B 分別作為編隊中兩艘艦船的起始點，其中A 艦裝備慣導，為母艦，B艦僅裝備平臺羅經，為子艦。坐標軸中取正東和正北分別為橫軸和縱軸的正向，在測量過程中設母艦和子艦都以固定的航速和航向行進。起始時，A 艦的航向為α，航速為，B 艦相對A 艦的方位角為β，A艦通過艦載導航雷達觀測B 艦的距離為L1，雷達自身的觀測誤差為ΔL。設A 的位置信息為PA（X1，Y1），則有：

其中，Dφ為緯差、Dep 為東西距、D 為經差，φm為平均緯度，當緯差不大時，用平均緯度代替中分緯度，0≤α≤2π，0≤β≤±π，經過換算得到PB（PBX，PBY）。由于導航雷達的工作性質，設其經過時間T 母艦到達位置D，第2 次掃描到子艦B 時位于位置C，導航雷達的掃描距離為L2，母艦A 與子艦B 的方位角為θ，通過式（1）～式（6）可得母艦到達D 點及子艦到達C 點的位置：

另外，子艦自身的導航裝備提供自己的瞬時航向和姿態(tài)信息不受無衛(wèi)星條件的影響，可正常使用。通過歸零重調后的子艦具有較高精度的位置信息和航速、航向、姿態(tài)等信息，可以有效滿足其他武備系統(tǒng)的調用需求。

3 實例分析

某型驅逐艦和某型護衛(wèi)艦組成艦船編隊執(zhí)行任務，艦船編隊成單縱隊行進，起點為（30°00'.0N，125°00'.0E）。設編隊航向180°，編隊先從錨泊狀態(tài)勻加速一段時間然后以10 m/s 的速度航行，航行時間為8 h，如圖2 所示。

圖2 編隊行進示意圖

假設在該艦船編隊航行過程中，衛(wèi)星系統(tǒng)處于被干擾而無法工作的狀態(tài)，以編隊中裝備慣導的艦船作為編隊母艦，裝備了平臺羅經的艦船作為編隊的子艦，其中A 為母艦的初始位置，B 為子艦的初始位置，經過8 h 后母艦和子艦分別到達了C、D 兩個指定位置。由于在整個仿真的過程中唯一不確定的量分別為雷達的觀測距離L 及其測量誤差ΔL，而這兩個變量可由導航雷達設備和其使用手冊確定。通過導航雷達觀測子艦與母艦的距離分別為L1、L2。由式（1）～式（6）得子艦在B、D 兩點的位置坐標如下：

計算可得8 h 后母艦在C 點時的位置如圖3 所示。

圖3 編隊母艦位置圖

母艦和子艦的位置可以通過計算得到，在出發(fā)前和到達指定位置之后，通過雷達觀測可得經過母艦觀測后子艦在C、D 兩點的粗略位置信息，由于編隊始終保持固定的航速穩(wěn)定行進，所以母艦的航速可直接提供給子艦，將母艦所得的位置和航速信息通過數據鏈提供給子艦，并與子艦平臺羅經測得位置和航速信息進行對比。通過仿真分別得到母艦慣性導航系統(tǒng)和子艦平臺羅經定位誤差在8 h 內的變化情況，如圖4 和圖5 所示。仿真圖中橫軸以小時（h）為單位，縱軸以米（m）為單位。

圖4 慣導定位誤差變化情況

圖5 平臺羅經定位誤差變化情況

由于位置信息上只有緯度的變化，經度的變化忽略，所以兩個圖中的曲線分別表示這8 h 內母艦慣性導航系統(tǒng)和子艦平臺羅經緯度定位誤差的變化情況，4 條豎線分別為時間2 h、4 h、6 h、8 h 4 個時間段，用于進行分段對比。從圖4 可以看出，慣導系統(tǒng)的位置信息定位誤差隨時間緩慢增大，在8 h的時候達到2 000 m 左右；而圖5 所顯示的平臺羅經定位誤差隨著時間迅速增大，在8 h 的時候達到了12 000 m 左右，遠大于慣導系統(tǒng)。

通過分析對比圖4 和圖5 的曲線變化趨勢，可以得出：由于平臺羅經定位誤差隨時間增加迅速，2 h后達到2 750 m，已經無法滿足需要，而慣導定位誤差則增加緩慢，8 h 內均能提供較為可靠的定位精度，因此，可以通過聯(lián)合導航的方式，利用母艦慣導系統(tǒng)為子艦的平臺羅經提供重調校正基準。根據上述分析，按照每2 h 母艦對子艦的位置信息進行重調校正，只改變子艦平臺羅經的緯度定位信息的誤差而其余信息不變，子艦保持著原狀態(tài)繼續(xù)航行，得到仿真圖如圖6 所示。

圖6 校正后的信息對比圖

圖6 中的長曲線表征獨立工作的平臺羅經在8 h 內緯度定位誤差的變化情況，3 條短曲線則能夠看出平臺羅經分別以慣性導航系統(tǒng)在2 h、4 h、6 h的數據作為的起點，每隔2 h 對平臺羅經進行一次歸零重調，而平臺羅經的其余參數保持不變，連續(xù)工作后所得的曲線。通過對比短曲線和長曲線可知，經過歸零重調后的子艦平臺羅經定位精度比其獨立工作的平臺羅經定位精度有著明顯的提升，且隨時間的積累精度提升得越明顯。獨立工作的平臺羅經在4 h、6 h、8 h 后的緯度定位誤差分別為6 850、9 770 和12 460，而經過歸零重調后的平臺羅經定位誤差分別為3 920、4 470 和4 625，通過對比可以發(fā)現，定位誤差明顯降低。通過實例仿真表明，在無衛(wèi)星的條件下，通過建立艦船編隊聯(lián)合導航體系能夠明顯提高子艦導航信息的定位精度，且隨時間的積累其提升效果更加明顯。

4 結論

在艦船編隊聯(lián)合執(zhí)行任務日益頻繁的今天，聯(lián)合導航可以有效提高編隊中低導航配置艦船在無衛(wèi)星條件下的導航信息精度，進而提升編隊整體的導航保障能力，不僅可提高艦船編隊的安全性和可靠性，更能有效提高艦船編隊的整體作戰(zhàn)效能。本文只是初步提出了聯(lián)合導航的概念，并對多艦聯(lián)合導航體系構建進行了簡單的實例分析，在聯(lián)合導航能夠進行實際應用之前還將存在很多問題，需要進一步研究和探索。