水下高精度導航定位一直是世界性技術難題，對于有高精度、隱蔽性和長航時需求的水下載體，如大型作戰潛器，導航定位挑戰巨大。潛艇作為國家海上作戰力量的重要支撐平臺，其水下精確導航定位至關重要，這是確保潛艇巡航隱蔽性和生存能力的首要條件。

　　慣性導航系統(INS)是潛艇水下導航的核心裝備，在未來很長時間內仍將不可或缺。美國和俄羅斯為保障潛艇作戰能力，積極開發創新慣性導航技術，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間增長而積累的固有缺陷，這是由陀螺儀的漂移特性決定的。為解決這一問題，美軍開發了多種輔助 INS 的水下自主導航技術，其中重力輔助導航因完全自主無源、能滿足核潛艇長期隱蔽航行的導航要求，軍事意義重大。

　　重力輔助慣性導航技術可分為重力補償和重力修正兩個發展階段。重力補償技術是在 INS 框架內加入擾動重力信息，改善 INS 力學編排，抑制慣性導航誤差增長;重力修正技術是利用海洋重力場實時觀測信息和重力背景場數據，對 INS 積累的定位誤差進行修正，并校準 INS 參數。重力輔助慣性導航主要涉及重力傳感器研制、重力背景場模型構建及輔助導航算法等三大核心技術，中國在該領域雖取得一定成果，但與美俄等發達國家仍存在較大差距，且在研究開發技術路徑上可能存在偏差。

　　1 美國水下重力輔助慣性導航技術發展分析

　　1.1 重力補償需求牽引重力數據建模技術發展

　　美軍將保障戰略核潛艇高精度導航定位和潛基戰略武器精準發射作為海洋重力場信息的兩大軍事應用方向，于 1957 年啟動 “全球重力測量” 項目，開展重力場探測、信息搜集和數據建模工作。重力補償技術經歷了基于重力統計函數模型的理論研究階段、基于重力確定性函數模型與數據模型的應用研究階段及基于重力梯度儀實時輸出信息的高級發展階段。美國學者在重力補償技術研究方面發揮了主導作用，推動了垂線偏差參數建模的發展，提升了美軍 INS 的技術性能。

　　1.2 重力補償需求牽引重力觀測裝備技術發展

　　慣性導航重力補償需要重力垂線偏差數據模型支持，獲取全球海域重力異常信息成為突破重力補償技術的核心任務，牽引了海洋重力觀測裝備的發展。美國在海面動態相對重力測量裝備領域技術先進，如 LaCoste&Romberg 公司的 L&R 系列海洋重力儀不斷升級。同時，重力補償技術發展的高級階段推動了美國重力梯度測量裝備技術的進步，美國多家公司和科研機構參與研制，成功研制出多種重力梯度儀樣機，并不斷提升其測量精度。

　　1.3 重力觀測裝備技術進步推動重力修正技術發展

　　重力梯度測量裝備技術的發展不僅滿足了 INS 對重力補償信息的需求，還推動了重力修正技術的發展。20 世紀 90 年代，貝爾實驗室對 GSS 進行改進和功能拓展，使其能夠結合重力背景圖實現水下自主無源導航。美軍開發了多種重力輔助導航原型系統，如 UGM、GGNS 和 GAINS 等，采用實時濾波算法對 INS 誤差進行修正，取得了良好的測試效果。但這些系統是否列裝部隊使用尚待進一步研究。

　　2 俄羅斯水下重力輔助慣性導航技術發展分析

　　2.1 軍方需求始終主導海空重力觀測裝備技術發展

　　俄羅斯發展海空重力測量裝備的首要目標是獲取全球海域的重力場信息，用于水下 INS 的重力補償。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，其測量精度高、穩定性好。俄羅斯還重視重力梯度測量技術的研發，雖未取得重大突破，但一直在持續推進。

　　2.2 特別關注重力信息修正 INS 參數算法研究

　　俄羅斯學者重點研究重力輔助導航實時濾波算法，將重力輔助導航模式劃分為三類，認為以單點觀測信息為基礎的重力輔助導航系統最能體現導航實時性和持續性要求。他們提出多種改進的擴展卡爾曼濾波算法，深入研究并發展了點群方法、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確定適合開展 INS 重力修正計算的區域，為水下重力輔助慣性導航技術應用提供了重要支持。

　　3 思考與建議

　　3.1 優先做好做實重力補償第一道工序

　　美俄的重力修正技術是在重力補償技術基礎上發展起來的，而中國啟動重力輔助慣性導航技術研究較晚，且在研究過程中對重力補償投入精力不足，導致重力補償和重力修正技術在實際應用方面成果較少。重力補償原理相對簡單，但中國學者對其耦合影響機理研究不夠深入，影響了該項技術的推進應用。建議中國集中精力研究重力擾動影響與補償機理，構建高精度垂線偏差數值模型，開展海上實船實艇重力補償測試驗證，為重力修正提供精確的測點初始位置信息。

　　3.2 緊前推進重點海域重力加密測量和極區重力儀研制

　　重力補償和重力修正都需要精細的重力場信息支持。在重力梯度儀未取得實質性突破的情況下，需采用重力異常觀測信息計算垂線偏差數據。衛星測高重力信息在局部海域精度和分辨率不足，無法滿足 INS 重力補償的精細化要求。重力修正對重力場信息精細度要求更高，當前應統籌安排重點海域船載重力加密測量作業，構建高精度多分辨率重力基礎數據模型。同時，中國海空重力測量裝備雖取得突破性進展，但需具備全球海域作業能力，特別是極區作業能力，應研制滿足全緯度應用的海空重力測量裝備。

　　3.3 重點發展重力修正非線性濾波技術和濾波算法

　　國際上水下重力輔助慣性導航重力修正算法主要分為匹配定位算法和實時濾波算法兩大類。中國學者更多偏愛于匹配定位算法，而美俄兩國將實時濾波算法作為研究重點并應用于實際。匹配算法存在明顯不足，如不是嚴格意義上的實時處理方法，難以滿足作戰應用需求。實時濾波算法具有實時性優勢和較強的抗噪聲干擾能力，可同時修正 INS 的多維度誤差。中國雖 INS 技術性能相對較低，但通過采用先進的靜電陀螺儀和陀螺監控技術，增加精準的重力補償工序，可為載體提供滿足精度要求的初始位置坐標，推進實時濾波算法應用既有緊迫性又具可行性。

　　3.4 優先發展實用軟件型 GAINS

　　美軍在發展水下重力輔助慣性導航技術時，注重尋找高性價比的組合導航系統。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，進一步提升重力輔助導航能力，減少對 GPS 的依賴。中國應借鑒美軍經驗，加快推進基于重力儀和重力異常背景場的重力輔助導航系統應用，研發自主可控的軟件型重力輔助導航系統，充分發揮現有重力異常觀測技術和數據資源優勢，挖掘重力梯度信息潛力。

　　3.5 強化深化重力輔助慣性導航需求論證和頂層規劃設計

　　中國在水下重力輔助導航技術的需求論證方面不夠全面深入，導致頂層規劃設計無法設定明確目標，研究思路和研發路徑難以統一。應組織各專業力量分解重力輔助導航系統戰術和技術指標，明確各類相關設備、算法和基礎數據的保障要求;確定各種技術手段的應用載體、場景和模式，明確其適用條件、潛在風險和保障要求;構建綜合效能評估體系，明確評估流程、方法、準則和試驗驗證保障要求。通過全面深入的研究論證，為裝備決策、業務決策和裝備研發部門提供清晰準確的信息。

　　4 結語

　　自主性、高精度、長航時和隱蔽性是核動力潛艇水下導航的根本需求，水下重力輔助慣性導航技術完美結合了 INS 的高度自主性和信息全面性與重力信息的時空分布穩定性和唯一性特點。美俄兩國在該研究領域的發展經驗為中國提供了借鑒，中國在近二三十年雖取得較大進展，但仍面臨問題和挑戰，需要反思和思考。本文提出的 5 個方面改進建議可為中國水下重力輔助慣性導航技術下一步工作部署提供參考。

黃謨濤;歐陽永忠;邊少鋒;李姍姍;李明叁;陸秀平;王偉平;董 超;湯民強;洪黎丹;侯廣超,福建理工大學智慧海洋科學技術學院;中國船舶航海保障技術實驗室;自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室;海洋智能裝備福建省高校重點實驗室;海軍工程大學電氣工程學院;信息工程大學地理空間信息學院,202411