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科技前沿▏非卫星水下导航定位技术综述

水下航行器在人类利用和开发海洋的过程中发挥了至关重要的作

用，无论是在军事上还是在国民经济领域都有着广泛的应用。尤其在

军事领域，它可以执行战场监视、隐蔽打击、战略威慑等多种任务，

具有重要的战略意义。导航定位技术是水下航行器工程实际应用中的

一项关键技术，在远洋水下军事任务中，对保障作战效能和航行安全

至关重要。由于水下信息传输的局限性及部分水下任务的隐蔽性，很

多情况下高精度的GPS信号无法直接使用。因此非卫星水下导航定位

技术成为多年来的研究热点，目前常用的方法有：惯性导航、地形匹

配、航位推算、地球物理导航、声学导航及组合导航等多种方式。

一、惯性导航

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惯性导航技术是一种自主式的导航系统，可以在不与外界通信的条件

下，在全天候、全球范围内和任何介质环境里自主地、隐蔽地进行连续的

三维定位和定向。1958年美国“鹦鹉螺”号核潜艇装备N6A型惯性导航系

统，水下连续航行21天成功穿越北极，航程8146海里，定位误差仅为20

海里，充分体现了惯性导航系统在水下航行器导航应用中的巨大优势：自

主性、隐蔽性、信息的完备性。

二十世纪九十年代后期，随着光学陀螺和微型计算机技术的发展，捷

联惯导系统的应用越来越普遍。目前，光学陀螺及MEMS陀螺捷联系统已

经大量进入军民应用领域，典型产品如美国Sperry公司的MK39/49舰船

用激光捷联惯导系统，法国IXSea公司先后研制PHINS和MARINS船用光

纤陀螺捷联惯导系统（定位精度分别为0.6nmile/24h）等。

惯导系统的缺点是存在随时间积累的位置误差，长时间航行需要参考

信息的校正，而由于水下特殊环境限制了电磁波及光波的传播，如果使用

水面上层空间的无线电导航、卫星导航、天文导航等技术就不得不浮出水

面，造成动力损失，对隐蔽性作业也有影响。

目前水下惯性导航系统发展趋势是发展三维全监控惯性平台系统和静

电陀螺监控系统；发展中、低精度惯性系统，扩大导航级惯性系统的应用

范围；发展新型惯性器件，研究高精度误差仿真模型及误差补偿技术补偿

器件误差，提高器件输出精度；发展包括系统数字化、集成化、通电快速

热稳定及动态快速对准等惯性系统关键技术，研究水下惯性测试与试验技

术；开展水下辅助惯性导航技术研究。

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二、地形匹配

地形匹配导航的原理是利用测深仪、声呐等水下地形探测设备，提取

水下航行器下方地形特征值，把该特征值与事先存储在计算机里已知的高

分辨率的地形图进行匹配，从而确定位置信息。与惯性导航系统一样，具

有自主性强、隐蔽性好的优点，基于已知水下地形信息，可以获得不亚于

GPS的导航精度。

国外20世纪90年代才开始研究海底地形匹配技术，日本东京大学研

制的开架式AUV“TUUA-SAND”，2008年在鹿儿岛海域进行地形导航海上

试验，在400m×400m的区域内，3m格网精度的情况下，定位精度高于惯

导系统。2010年，挪威国防研究组织（FFI）研制的HUGIU系列智能水下

机器人（AUV）在奥斯陆海湾进行了一次全程水下试验，利用水下地形高

度匹配（TEM）导航方式，航行5小时浮出水面时与GPS信号间的误差约

为5m。

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水下地形匹配导航的缺点在于必须事先勘测活动海域水下地形并记录

下来，定位精度受限于先验地形图的精度；测量海底轮廓需要使用主动声

呐，不利于隐蔽性要求。因此水下地形匹配导航多用于辅助其他导航方