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潜艇最大的优势在于其隐蔽性,因此,在巡航或战时需要长期在水下航行/潜伏,如何在水下准确定位和通讯,是潜艇应用中的关键因素。对于
现代潜艇,其水下导航方式主要是声纳/海图、陀螺仪以及惯性导航等方式:水下航行中的英国“机敏级”核潜艇
1)声纳/海图:潜艇自身主要的探测手段是声纳,也就是利用声波反射(类似蝙蝠)对周围环境及自身位置进行定位。海图是各国潜艇使用时最为重要的资料,一个国家海图的水平直接关乎到该国潜艇的使用范围和效能,各主要大国的各种海洋科考行动最主要的目的之一就是绘制世界主要海域的海图。通过声纳周围环境的定位、结合海图上标示的信息,就可以对潜艇位置进行定位。当然,如果使用主动声纳,也存在暴露自身位置的风险。
通过声纳绘制的三维海底地形图
2)陀螺仪:陀螺仪的特性就是能够提供固定的参考对象,有了陀螺仪就可以判断何时偏离了航向、偏离了多少等等。现代的陀螺仪已经发展到好几代了,最新的是激光陀螺仪和光纤陀螺仪,没有了传统陀螺仪中转子存在,精确性大大提高。通过记录下来的航行信息、结合陀螺仪提供的航向指引,就可以计算出潜艇所在位置。
陀螺仪的典型结构
激光陀螺仪的结构
3)惯性导航:陀螺仪和加速度计配合使用,就是传说中的惯性导航,是目前潜艇最最主要的导航方式。陀螺仪提供航向指引判断、加速度计提供潜艇航行特征信息,通过相关计算就可以判断潜艇的位置。惯性导航不需要浮出水面、也没有信号辐射,是目前最隐秘、最有效的潜艇导航方式。
水对电磁波的影响非常大,因此,潜艇在水下极少会用电磁波定位/通讯(潜深较浅是可以用长波通讯),但水对声波的影响较小,而且声波在水中的传播速度比在空气中的传播速度更快,声纳就是潜艇在水下观测时的“雷达”。
2005年撞山的美国“洛杉矶级”攻击核潜艇(据说是海图标示不准确造成),被包住的部分就是核心装备“声纳”!
威呐解析
千百年来,航行在大海之上的船只,通过各种手段完成导航,驶向大洋彼岸,从观星到指南正,从磁罗经,陀螺罗经到无线电导航系统和卫星导航系统,船只导航已经发展的比较完善,各种手段可以基本保证船只在海洋上的定位和航行。
潜艇虽然可以使用和水面舰艇一样的导航方式,但是大部分时间在水下航行的潜艇,拥有更特殊的导航手段。
因为很多时候,不能随意的浮出水面,水面舰艇惯常使用的一些定位导航手段对于潜艇并不适用,或者运用起来比较复杂。包括天文导航系统,无线电导航系统,雷达导航系统在内的常规手段,都会或多或少的要求潜艇上浮至接近水面的位置,有些时候还需要潜艇浮出水面来进行某些操作,这在实战中,都会大大加强潜艇暴露的危险,虽然现代潜艇可以通过使用通讯浮标,升起潜望镜天线等手段尽量避免上浮,但是,这些导航手段都不适合需要借助隐蔽性取胜的潜艇。
当今潜艇最主要的导航手段还是惯性导航,通过使用加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和角速度,并用计算机来连续计算本身的位置,姿态和速度。惯性导航不需要外部参考系,是最适合潜艇的导航系统。不过,惯性导航系统有一个无法规避的弱点,系统的各种误差会随时间的累积逐渐加大,其误差大体上与时间成正比,因此需要不断通过其他手段进行修正。
另一个潜艇应用的比较多的导航方式是水声导航,其原理类似陆上的雷达导航,只不过,在水中,声波的衰减比电磁波小,使水声导航在海上实现舰艇操纵和导航定位时,有着更加重要的意义。配合详细的水文调查和海图,现代的水声导航系统已经可以部分取代惯性导航手段,尤其对于远航的潜艇和航行经过极地的战略核潜艇非常重要。
再看水对于电磁波的影响,当然,影响非常大,电磁波在水中的衰减非常大,电磁波在海水中的传播距离有限,简单来讲,波长越短,衰减越大,水的电导率越高,衰减越大,使得潜艇在水中实现自由通信还比较困难。只有超长波电磁信号才能穿透水深100~200米,也是目前水声通讯最常用的波长,相关的硬件设施昂贵巨大且复杂,只有真正的大国才拥有这样的设施。 (NZ)
联合防务
说起潜艇大伙儿第一反应就是来无影去无踪,杀人于无形间的一种武器。此种武器看似很强大,然而由于其需要长期潜伏在水中也给自己带来了很大的麻烦,自身的给养是一方面,更要命的是无法及时通信,因此很多时候需要自己随机应变。
由于电波在水里面的衰减速度特别快,这一点我们从将光线直射如水中的现象就可以知道。因此很显然电磁波不是一种理想的通信方法,长波信号经管水中的相对衰减较小但是其带宽特别小,因此只能接收很短的报文。这个情况也给潜艇带来了一个问题,在水下无法接受到外界发来的信息因此就不能像船那样使用卫星导航了,同时还无法利用观星等古老的方法导航。于是乎只能利用惯性导航了。
海底的环境复杂,而潜艇为了保持隐蔽性大部分情况下又不会打开主动神呐进行探测,在这种情况下潜艇和一个盲人没什么区别,为此潜艇就不得不采用类似盲人记忆的方法进行导航了。在出航前潜艇指挥官和导航员会制定严密的航行方案,这些方案是根据最新的勘探情况绘画出了海图来制定的。因此从这点上来看,海洋情报收集也是非常的重要,这也是为什么美国经常派遣间谍船进行探测了。
综上所述,由于电磁波在水里面衰减的很严重因此无法使用卫星导航,同时在水里面不知道外面的情况,古老的观星术也无法使用,因此就不得不使用惯性导航,外加海图和经验了。