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出品：科普中国
- z$ m6 T3 C% R3 P 制作：大晖
1 o! [, ~* K: }% d) t 监制：中国科学院计算机网络信息中心 - d1 [) \7 |0 T. {% U5 Q7 w
2021年10月2日，美国“海狼”级攻击型核潜艇“康涅狄格”号发生水下碰撞事故后，美军对事故原因一直遮遮掩掩。直到11月1日，美第7舰队才发表事故调查声明称，该潜艇在南海水域相撞的物体是“未知的海底山”。 ! J& F* U6 t3 \7 p% W
: K$ n, M2 h/ ]3 s' y/ K' h: O. _ 拍摄于10月20日的“康涅狄格”号核潜艇卫星照片 （图片来源：美国The Drive网站“战区”栏目）
) T/ V7 J2 L$ \3 {% h 为什么最先进的“海狼”级核攻击潜艇会撞“海山”呢？类似的“海狼撞海山”的事故是否可以避免？潜艇水下航行时，又是如何避免碰撞等航行事故的呢？ ! x0 S$ n5 g6 J$ Z- `1 y$ I; ~
今天，我们就借着“海狼撞山”这件事，根据公开的信息，聊一聊潜艇水下航行导航定位和避碰的手段。
2 ^6 h9 f2 a/ }3 y$ Q7 _ j: S; M 没开主动声纳，是撞山的原因吗？ # }; R6 e$ r( k1 [
碰撞事故发生后，许多分析认为：核潜艇为隐蔽行动，主动声纳未开机是导致撞击事件发生的主要原因。 " g" v- h' W% G* n" n$ o' i, l
但是，“海狼撞海山”这个锅真的要由主动声纳来背吗？
$ }. o" F [1 a- q! S; y8 k/ | 众所周知，声波是目前唯一可以在海水中有效远距离传递信息的载体。现在潜艇导航定位的主要设备声纳，就是利用声音实现水下导航、测量和定位的。 8 u0 \! a5 D) e8 |0 ~
声纳一词“SONAR”的来源，其实就是英文“Sound Navigation And Ranging”（声音导航和测距）的首字母缩写。 6 K% L% W0 z8 C1 t% T1 a- l4 f
现代先进潜艇通常在艇艏装备球型声纳基阵、舷侧装备舷侧阵列声纳、艇艉装备拖曳式线列阵声纳等。特别是核动力攻击潜艇，可装备多达15部左右的声纳。 : D. a |) \& s- s5 E
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潜艇水下航行声呐探测示意图（图片来源：凤凰网） 7 X! m; S7 p( Z& |- F9 ?
这些声纳按功能可分为警戒声纳、攻击声纳、探雷声纳、通信声纳、识别声纳、被动测距声纳和环境噪声记录分析、声速测量、声线轨迹测算声纳等。
0 g: S% h6 |7 T, P/ l. N: R 它们在潜艇上以基站的形式系统整合，用于对舰船等水面目标和潜艇、水雷、鱼雷以及冰山、海底障碍物等水下活动或固定目标进行搜索、识别、跟踪、警戒、探测、定位和水声通信等。
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潜艇与水面舰艇、飞机水声对抗示意图（图片来源：参考文献1）
) u+ l( T; j3 T+ Q 同时，潜艇声纳系统还能持续对活动海域声传播条件、本艇和环境噪声等进行监测和分析，以便选择最佳的战术机动和声纳使用方式。
' V: o8 t7 Y' X( }7 R6 y3 E- a6 o 需要着重指出的是，目前大多潜艇、包括核动力攻击潜艇，除在艇艏装备“主动声纳”外，舷侧阵列和艇艉拖曳阵列声纳等大多为“被动声纳”。 1 t$ l7 R' C- X1 M# P: Z
所谓主动声纳，就是主动发射声波进行水下目标探测和通信等；
- V9 ~6 l* e, j0 m1 \ 被动声纳，就是不发射声波，以被动监听方式、收集目标声响信息进行探测、定向和跟踪等。
7 R/ N! ~7 j) I2 h9 M0 m% P! ` 为了保持隐蔽性，潜艇声纳系统主要以被动工作方式为主。 8 p! H$ b# t; \* R% k; [' f* Q
主动工作方式只是在鱼雷射击前，用以对目标定位，为鱼雷武器射击指挥系统提供目标精确坐标数据。 + E! C5 ?0 k6 J) [9 E. a
可以这么说，主动声纳主要不是用来保障潜艇航行，而是用来实施鱼雷攻击的。
- ~1 r5 ~* g& F( k 根据公开可查的消息，“海狼”级核潜艇装备的是AN/BQQ-10 ARCI V5声纳系统。其中，艇艏为BQS-13DNA型主/被动声纳，舷侧为六个（每侧三个）BQG-5型宽孔径阵列声纳，艇艉为两部拖曳声纳阵列（TB-16D粗线阵和TB-29A细线阵）。另外，还装备有BQR-20噪声测向声纳、BQS-24探雷避碰声纳、WLR-9A侦察声纳和WQC-2通信声纳。
: ^1 t, z4 E/ {7 z 特别要强调指出的是：“海狼”级声纳系统极其先进，达到了攻击型核潜艇的最高水准，可以在本艇机动中使用被动声纳精确测量目标舷角等，精准解算远距离目标的运动要素，并自动生成火控诸元。 1 L: B+ @7 I1 F* t6 q# o q
所以，别再说“海狼”撞山是因为主动声纳没打开啦！
1 W/ g4 a% E- A8 [4 @( } 那么，除声纳之外，为潜艇水下航行导航定位的手段还有哪些呢？
* l+ b; Y* u) S# x+ \+ E 在水下航行的潜艇，究竟如何导航定位？ 0 p1 n) B( ? a. ?7 m
大家可能对水面舰船、汽车等的导航定位比较熟悉，只要有详尽的海图或地图，再有海上航标或公路指示牌等，就能安全、便捷地上路并准确到达目标的。
3 h, a+ b' S% I: Q) [' u( U 但是，潜艇水下航行，既无法看到航行标志、也无法接收GPS信号、更不能有效接收无线电信号，甚至连接收指令信息都要求在规定的时限完成。特别是核潜艇等执行水下隐蔽航行任务时，艇上连过大的声响都不允许发出。 6 n5 I6 Q A3 F- h! y1 p4 h1 a
这种情况下，潜艇导航、定位和避碰是如何实现的呢？是不是只有声纳这一种手段呢？
! a3 H2 a/ i% J/ u 实际上，现代潜艇还普遍装备有先进的电子海图系统、惯性导航系统、地磁场定位系统、重力场定位系统和海底地形/图像匹配系统等。 2 d9 K' L' j# }6 h+ {
其中，惯性导航系统是确保水下潜艇确定并保持航向的先进导航设备。该系统的主要元器件是陀螺仪和加速度计，它根据陀螺的输出建立导航坐标系、根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。
; ?- J- I4 [" I! `. G7 Z 而且，惯性导航系统是自主式导航系统，抗干扰性能强，既不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量。非常适合需要长时间在水下隐蔽航行的潜艇。 2 g0 R) F0 a) w3 ?" A1 h
该系统装载在潜艇上，通过测量潜艇的加速度，自动进行积分运算，获得潜艇瞬时速度和瞬时位置数据，并显示在导航坐标系中，从而得到潜艇航行的航向、速度、偏航角和位置等信息。
, g# s7 d* I& `" I- \ 潜艇的航向、速度感知问题经惯性导航系统解决后，还要解决好潜艇自身位置、潜艇与水下各种航行障碍物（碍航物）相对位置和与水下其他运动目标之间的位置感知关系，建立起全方位的相对运动态势，才能有效地避免碰撞，确保安全航行。
. m9 u! M4 b: e 此时，就需要综合运用地磁场、重力场定位系统和海底地形/图像匹配系统等，与声纳系统一道，将潜艇自身的位置、航向、航速等信息，潜艇周边海洋环境信息，不明潜艇、水雷、冰山和海底碍航物等信息，通过电子海图系统，以综合态势图的形式呈现出来。潜艇指挥员据此操纵潜艇规避危险并对敌实施攻击等。 * C+ u. X# R; Q8 k- g# s' ]
可以说，现代潜艇除了声纳系统外，还依靠多种系统相互补充与印证，并通过智能化显示技术，及时发现碍航物、准确规避各类航行危险，确保水下航行的潜艇在既定航向、深度安全航行。 " r" e4 Z2 r& a- P( X9 R2 Q$ c7 z
潜艇航行安全问题一直牵动人心，此次“海狼撞山”事件也再度引发了各方对于潜艇航行安全的关注。因此，正如我国外交部发言人汪文斌所说的，只有详细说明事故相关情况，才能充分回应各界的关切和疑虑。
! }7 \& l8 g& q% U2 v8 g3 ~7 V# A 参考文献： 杜召平等著《国外声呐技术发展综述》，载《舰船科学技术》2019.41-1.
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