武汉大学学报·信息科学版杂志投稿格式参考范文：美俄水下重力辅助惯性导航技术发展分析与思考

　　水下高精度导航定位一直是世界性技术难题，对于有高精度、隐蔽性和长航时需求的水下载体，如大型作战潜器，导航定位挑战巨大。潜艇作为国家海上作战力量的重要支撑平台，其水下精确导航定位至关重要，这是确保潜艇巡航隐蔽性和生存能力的首要条件。

　　惯性导航系统(INS)是潜艇水下导航的核心装备，在未来很长时间内仍将不可或缺。美国和俄罗斯为保障潜艇作战能力，积极开发创新惯性导航技术，推出多种高精度惯性敏感器。然而，INS 存在定位误差随航行时间增长而积累的固有缺陷，这是由陀螺仪的漂移特性决定的。为解决这一问题，美军开发了多种辅助 INS 的水下自主导航技术，其中重力辅助导航因完全自主无源、能满足核潜艇长期隐蔽航行的导航要求，军事意义重大。

　　重力辅助惯性导航技术可分为重力补偿和重力修正两个发展阶段。重力补偿技术是在 INS 框架内加入扰动重力信息，改善 INS 力学编排，抑制惯性导航误差增长;重力修正技术是利用海洋重力场实时观测信息和重力背景场数据，对 INS 积累的定位误差进行修正，并校准 INS 参数。重力辅助惯性导航主要涉及重力传感器研制、重力背景场模型构建及辅助导航算法等三大核心技术，中国在该领域虽取得一定成果，但与美俄等发达国家仍存在较大差距，且在研究开发技术路径上可能存在偏差。

　　1 美国水下重力辅助惯性导航技术发展分析

　　1.1 重力补偿需求牵引重力数据建模技术发展

　　美军将保障战略核潜艇高精度导航定位和潜基战略武器精准发射作为海洋重力场信息的两大军事应用方向，于 1957 年启动 “全球重力测量” 项目，开展重力场探测、信息搜集和数据建模工作。重力补偿技术经历了基于重力统计函数模型的理论研究阶段、基于重力确定性函数模型与数据模型的应用研究阶段及基于重力梯度仪实时输出信息的高级发展阶段。美国学者在重力补偿技术研究方面发挥了主导作用，推动了垂线偏差参数建模的发展，提升了美军 INS 的技术性能。

　　1.2 重力补偿需求牵引重力观测装备技术发展

　　惯性导航重力补偿需要重力垂线偏差数据模型支持，获取全球海域重力异常信息成为突破重力补偿技术的核心任务，牵引了海洋重力观测装备的发展。美国在海面动态相对重力测量装备领域技术先进，如 LaCoste&Romberg 公司的 L&R 系列海洋重力仪不断升级。同时，重力补偿技术发展的高级阶段推动了美国重力梯度测量装备技术的进步，美国多家公司和科研机构参与研制，成功研制出多种重力梯度仪样机，并不断提升其测量精度。

　　1.3 重力观测装备技术进步推动重力修正技术发展

　　重力梯度测量装备技术的发展不仅满足了 INS 对重力补偿信息的需求，还推动了重力修正技术的发展。20 世纪 90 年代，贝尔实验室对 GSS 进行改进和功能拓展，使其能够结合重力背景图实现水下自主无源导航。美军开发了多种重力辅助导航原型系统，如 UGM、GGNS 和 GAINS 等，采用实时滤波算法对 INS 误差进行修正，取得了良好的测试效果。但这些系统是否列装部队使用尚待进一步研究。

　　2 俄罗斯水下重力辅助惯性导航技术发展分析

　　2.1 军方需求始终主导海空重力观测装备技术发展

　　俄罗斯发展海空重力测量装备的首要目标是获取全球海域的重力场信息，用于水下 INS 的重力补偿。俄罗斯海空重力仪研制工作始于 1967 年，先后研制出多代海洋重力仪，如 GT - A/M 型重力仪，其测量精度高、稳定性好。俄罗斯还重视重力梯度测量技术的研发，虽未取得重大突破，但一直在持续推进。

　　2.2 特别关注重力信息修正 INS 参数算法研究

　　俄罗斯学者重点研究重力辅助导航实时滤波算法，将重力辅助导航模式划分为三类，认为以单点观测信息为基础的重力辅助导航系统最能体现导航实时性和持续性要求。他们提出多种改进的扩展卡尔曼滤波算法，深入研究并发展了点群方法、序贯蒙特卡罗法和粒子滤波方法，通过分析地球重力异常场确定适合开展 INS 重力修正计算的区域，为水下重力辅助惯性导航技术应用提供了重要支持。

　　3 思考与建议

　　3.1 优先做好做实重力补偿第一道工序

　　美俄的重力修正技术是在重力补偿技术基础上发展起来的，而中国启动重力辅助惯性导航技术研究较晚，且在研究过程中对重力补偿投入精力不足，导致重力补偿和重力修正技术在实际应用方面成果较少。重力补偿原理相对简单，但中国学者对其耦合影响机理研究不够深入，影响了该项技术的推进应用。建议中国集中精力研究重力扰动影响与补偿机理，构建高精度垂线偏差数值模型，开展海上实船实艇重力补偿测试验证，为重力修正提供精确的测点初始位置信息。

　　3.2 紧前推进重点海域重力加密测量和极区重力仪研制

　　重力补偿和重力修正都需要精细的重力场信息支持。在重力梯度仪未取得实质性突破的情况下，需采用重力异常观测信息计算垂线偏差数据。卫星测高重力信息在局部海域精度和分辨率不足，无法满足 INS 重力补偿的精细化要求。重力修正对重力场信息精细度要求更高，当前应统筹安排重点海域船载重力加密测量作业，构建高精度多分辨率重力基础数据模型。同时，中国海空重力测量装备虽取得突破性进展，但需具备全球海域作业能力，特别是极区作业能力，应研制满足全纬度应用的海空重力测量装备。

　　3.3 重点发展重力修正非线性滤波技术和滤波算法

　　国际上水下重力辅助惯性导航重力修正算法主要分为匹配定位算法和实时滤波算法两大类。中国学者更多偏爱于匹配定位算法，而美俄两国将实时滤波算法作为研究重点并应用于实际。匹配算法存在明显不足，如不是严格意义上的实时处理方法，难以满足作战应用需求。实时滤波算法具有实时性优势和较强的抗噪声干扰能力，可同时修正 INS 的多维度误差。中国虽 INS 技术性能相对较低，但通过采用先进的静电陀螺仪和陀螺监控技术，增加精准的重力补偿工序，可为载体提供满足精度要求的初始位置坐标，推进实时滤波算法应用既有紧迫性又具可行性。

　　3.4 优先发展实用软件型 GAINS

　　美军在发展水下重力辅助惯性导航技术时，注重寻找高性价比的组合导航系统。如洛克希德・马丁公司提出的重力敏感模块，以及基于静电陀螺仪的全软件型 GAINS。美军还通过招标，进一步提升重力辅助导航能力，减少对 GPS 的依赖。中国应借鉴美军经验，加快推进基于重力仪和重力异常背景场的重力辅助导航系统应用，研发自主可控的软件型重力辅助导航系统，充分发挥现有重力异常观测技术和数据资源优势，挖掘重力梯度信息潜力。

　　3.5 强化深化重力辅助惯性导航需求论证和顶层规划设计

　　中国在水下重力辅助导航技术的需求论证方面不够全面深入，导致顶层规划设计无法设定明确目标，研究思路和研发路径难以统一。应组织各专业力量分解重力辅助导航系统战术和技术指标，明确各类相关设备、算法和基础数据的保障要求;确定各种技术手段的应用载体、场景和模式，明确其适用条件、潜在风险和保障要求;构建综合效能评估体系，明确评估流程、方法、准则和试验验证保障要求。通过全面深入的研究论证，为装备决策、业务决策和装备研发部门提供清晰准确的信息。

　　4 结语

　　自主性、高精度、长航时和隐蔽性是核动力潜艇水下导航的根本需求，水下重力辅助惯性导航技术完美结合了 INS 的高度自主性和信息全面性与重力信息的时空分布稳定性和唯一性特点。美俄两国在该研究领域的发展经验为中国提供了借鉴，中国在近二三十年虽取得较大进展，但仍面临问题和挑战，需要反思和思考。本文提出的 5 个方面改进建议可为中国水下重力辅助惯性导航技术下一步工作部署提供参考。

黄谟涛;欧阳永忠;边少锋;李姗姗;李明叁;陆秀平;王伟平;董 超;汤民强;洪黎丹;侯广超,福建理工大学智慧海洋科学技术学院;中国船舶航海保障技术实验室;自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室;海洋智能装备福建省高校重点实验室;海军工程大学电气工程学院;信息工程大学地理空间信息学院,202411