核潜艇在海底航行的过程中是如何导航的
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)
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)
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)
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)
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)
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!)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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”。
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。
无源重力导航技术
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。
地形匹配导航技术
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。
水声导航技术
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。
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。
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