1. 简介
    导航是指引船只（或潜艇）转移的最安全有效的方式。在任何时候导航的第1个任务是知道船只（或潜艇）的位置。根据导航区域的不同，可将导航分为沿岸导航，海上（公海）导航和极区导航。按照导航系统，又有地面导航，天文导航，电子导航和航位推测导航之分。
    就潜艇的导航来说有水面导航和水下导航的方式。本文将说明一些可以用于潜艇水下航行（大于等于潜望深度）时的导航系统。

    2. 潜艇罗盘和位置线
    2.1潜艇罗盘
    船只（潜艇）航向是当前导航方向与经线之间的夹角。航向由罗盘控制。从潜艇潜入水下的最初的几天开始，用到两种罗盘。最先用到的潜艇罗盘是磁针罗盘。在英国A型皇家海军潜艇上，磁针罗盘在潜艇外壳外面，指令桥上。罗盘封闭在防渗台里面。人在潜艇内部可以通过望远镜保持航向的正确。罗盘和望远镜随时间的推进而得以改进，但始终存在一个问题。传统的磁罗盘由于潜艇的磁屏蔽作用而不能用于潜艇的导航，因此，磁罗盘偏航非常大。德国人Hermann Anschutz-Kaempfe于1907（1908）设计了装有陀螺顶的回转仪罗盘。1912年他设计了带有3个陀螺顶的回转仪罗盘。这种新的回转仪罗盘在风大浪急的海面更为有效。1925年开始对改进的（双陀螺顶的）回转仪罗盘投入生产。Elmer Sperry(美国人)于1911年为他的单陀螺顶的回转仪罗盘申请了专利。Sidney Brown(英国人)于1916年也为他的回转仪罗盘申请了专利。
    受地球自转和万有引力的影响，陀螺回转仪的陀螺仪可尽量保持其轴与地球的轴平行。这样，陀螺回转仪显示了真子午线方向（如正北方向等）。它对潜艇自身或来自地磁的磁影响不敏感。
    对陀螺回转仪影响最大的是地理纬度的改变。随着陀螺仪与地轴间的纬度夹角变大越来越显著，罗盘方向引力变弱。陀螺仪罗盘在南北纬70度以内有效。在南北纬70到85度之间罗盘利用特殊桌台可有效纠正纬度偏差。在南北纬85度以上普通结构的陀螺仪无效。
    陀螺仪的误差包括地理纬度误差，航行误差，潜艇加速误差，潜艇的摇摆和振动误差，以及罗盘的安装误差。
    AC（交流电）为陀螺仪供电。举例来说，电频是210Hz，333Hz，或现在的400Hz。电流可以由机动发电机产生，但目前用的是半导体转换器。出于安全方面的考虑，一定要保证能够为其持续供电。
    启动陀螺仪罗盘后，陀螺仪需达到一定速度，之后才能稳定在真子午线方向。因此，陀螺仪罗盘需在导航前1到4小时启动。
    2.2 定位线
    潜艇位置决定于（至少）2条位置线的交叉。定位线可以是：
    ·一条直线（其方位角由某沿岸物体的可视方向或无线电定向仪获得）
    ·一条环线（某物体的距离，由测量水平或垂直角等获得）
    ·一条曲线（通过测定海水深度得到的等压线）
    ·一条双曲线（在双曲线导航系统中用，如欧米茄导航系统）

    3. 地面导航
    在地面导航系统中，潜艇的定位是由具有自然或人造的沿岸物体特点的直接可视的观察，及/或海水深度确定的。位置以上述方法来确定被称为“定位”或“观察定位”。这些特殊的物体有灯塔，教堂塔，瞭望塔，烟囱，建筑物，山峰等。
    观察可以同时进行或间隔一定时间进行。由同时进行的观察决定的位置更为准确。如果潜艇速度不足10海里/小时，同时观察一定要在一分钟内行。如果航速在10-20海里/小时，观察的时间间隔要少于半分钟。
    当潜艇在沿岸的水中航行时要用到地面导航。首先，地面导航是供地表导航而用的。但当潜艇潜入潜望深度时，潜艇也可以通过地面导航固定其位置。这将更有难度，尤其在风大浪急的海面，雨和阴天的气候。潜望镜由于高度低而观察范围有限。但仍有可能对潜艇定位。

    图1显示在何种情况下潜艇通过观察2个沿岸物体而定位的。第1个物体方位角为0度，第2个物体的90度（从潜艇的角度观察）。由于物体的位置是已知的（物体已绘在导航图中）且潜艇位置不知，两者的方位角须分别与180度相加。
    第1方位角：0度+180度="180度     第2方位角：90度+180度="270度     定位的2条线可在导航图中绘出。从第1个物体得到的第1条定位线的方位角呈180度。从第1个物体得到的第1条定位线的方位角呈270度。2条定位线的交点是潜艇的位置。在这种情况下，2条定位线都是直线。在位置的旁边绘的是最后观察的注册时间。例如，如果第2个物体比第1个物体观察得晚，则第2个物体的观察时间要记录下来（如1930 Z）。

    图2显示当潜艇沿海岸航行且海岸仅有1个物体（在导航图中绘出）时的情形。但，在图中也会出海水深度（也就是等压线）。潜艇观察物体。方位角（从潜艇方向看过去）是0度。如上例所示，方位角须加上180度，由于物体的位置已知，潜艇位置未知且定位线须从物体发出。
    0度+180度 = 180度
    定位线与观察的沿岸物体呈180度。同时，海水深度是连续测量的。当测得潜艇在140米深时，潜艇位置确定下来。这样，定位就是2条位置线––方位角（一条直线）和等压线（一条曲线）的交点。与第1个例子中所提类似，在位置旁边须标有固定位置的注册时间（该例为0.645Z）。
    上面的2个示例中，位置是由2条位置线的交点确定的。出于安全方面的考虑，导航者确定位置须尽量通过3条或更多的位置线。如果找尽可能多的位置线不可行，这时又有2个沿岸物体且位置由2个方位角的交点固定，则通过海水深度的测量等来检验定位是很好的办法。

    4. 潜艇
    潜艇水下导航的前几天利用航位推测导航法。在这1章节将详述最简单的，用于WW1和WW2的航位推测导航方式。甚至在今天，如果没有别的导航系统，该方式对于潜艇的水下导航仍很有用。

    图3 示例了航位推测导航。位置P1是出发位置或精确定位的任何其它的潜艇位置。从位置P1处绘出潜艇的航向，在该例中航向是75度。潜艇速度是10海里/小时（由潜艇日志提供）。这意味着在一小时内潜艇通过10海里的距离。在一个半小时潜艇通过15海里。在该例中第1处定位是1900Z。在2030Z处潜艇位置是距第1处定位15海里。15海里的距离绘在潜艇路线中；航向和小细线的交叉点，2030Z（P2）处，是潜艇航位推测的位置。
    航位推测导航是基于第1个精确固定的位置；潜艇的航向（绘在航海图中）；潜艇速度和通过时间。航位推测导航对于潜艇的水下导航和极区导航很重要。
    航位推测导航由罗盘和日志确定。外部（负面）因素是海流。海流是河流（由于主要存在于沿岸水域的潮汐引起）和持久的（海洋）水流。水流和河流一起组成了海流。它们的方向和速率（速度）确定了海流。
    在一些水渠和沿岸水域中，河流速率是4到5海里/小时，有些地方高达10海里每小时。如果海流方向正好与潜艇航向相反，潜艇速度将变得更低。如果海流方向与潜艇航向接近，则潜艇速率将降低。如果海流方向与潜艇方向相同，潜艇速率将变得更快。其它的水流方向均会使潜艇偏离自己的航向。对稳定海流区域水下导航的图解基于添加向量法。

    图4显示了当潜艇在稳定海流区域水下航行时的情形。位置P1是对潜艇的精确定位。潜艇航向（75度）从位置P1绘出。首先，航位推测定位（P2）需确定下来，且不受海流的影响。位置P2由潜艇航速和耗时确定。P1和P2之间的线是第1向量。海流方向（SE）和水流速度定义了第2向量。位置P2向第2向量（海流）方向移动。第2向量尾部是位置P3。P3是航位推测位置，假定受潜艇航向和速度，耗时和海流的影响。向量P1-P3
    如果海流改变了方向和速率，则有必要在任何改变水流方向和速度下（以航位推测法）定位潜艇。即使这样，航位推测法也可能不准确，它只是一种近似。其可靠性依赖于以下因素（尽可能精确）：
    ·罗盘偏差（在水下导航期间）
    ·潜艇日志的精度系数
    ·水下海流的方向和速率
    ·潜艇外壳在水下受腐蚀污染的程度
    航位推测导航的误差源在于错误的驾驭，不完备的导航装置（罗盘，日志等）和外部影响（海流）。在水下导航期间有必要保持既定的航向和速度尽可能正确。

    5. 欧米茄导航系统
    欧米茄导航系统是范围最广的定相的双曲线无线电导航系统。欧米茄系统覆盖全球。该系统用超低频（VLF），从10kHz到14kHz。系统自1960年用于实验工作。从1972到1975年，传送网建立（8个传送器在全球范围内传送信号）。欧米茄系统包括陆上传送器和欧米茄船只潜艇接收器。
    由于所用频率（10kHz到14kHz），潜艇甚至可以在水下，接近10到30米的深度处使用该系统。
    欧米茄系统的工作原理
    陆上传送器传送3种频率的信号：10.2kHz,13.6kHz和11.33kHz。10.2kHz是主频。一部潜艇的欧米茄接收器测量信号（10.2kHz频率上）的相差，该信号由2种欧米茄传送器传输。如果潜艇的位置在已知正负4海里范围内，就足够用来定位潜艇。如果在这个范围外，则欧米茄接收器须接收13.6kHz和11.33kHz信号。这些信号用来识别航道。第1个欧米茄接收器显示双曲线标记。也有绘有双曲线的欧米茄绘图。欧米茄绘图仅仅用于通过欧米茄系统为船只或潜艇定位。位置由2条双曲线的交点确定，这2条双曲线的标记在欧米茄接收器中显示出来。这意味着在欧米茄系统定位线是双曲线。在欧米茄绘图中，电磁波的传播理论上可绘出双曲线。因此又有10.2kHz 欧米茄传播校正台，用于解决双曲线变形的部分问题。现代欧米茄系统接收由2或多对欧米茄传送器在地理坐标上直接传输的信号的相差。
    欧米茄导航系统的精度随欧米茄传送器和潜艇之间距离的增大而减少。在欧米茄系统中信号最终测距误差是白天1.5到2海里，晚上2到3海里和日出与日落多于3海里。

    6. 水声导航系统
    水声导航设备有助于潜艇“看到”周围环境。声响设备有（主动式或被动式）声纳，回声探测器，超声日志（多普勒声纳导航仪）等。在海底置有超声波传送器。传送器位置绘于特殊的图（海军图）中。每个传送器都有自己的信号特点。
    潜艇通过声纳确定特定的传送器的方位角和距离。潜艇以该方式定位。当然，某种特定的海军只有适于他们潜艇的水下传送器，并且只有这个特定海军的潜艇知道传送器的位置和类型。潜艇在极区冰面以下导航期间也会用到水声导航。

    图5示例了极区导航。潜艇通过特定的回声探测器同时测量膝下海水深度（信号2）和潜艇与水面之间距离（信号1）。通过其（主动式的）声纳，潜艇测量方位角和位于潜艇航道的障碍物距离。

    7. 惯性导航系统
    惯性导航系统（INS）是被动的自备导航系统，基于惯性和陀螺仪原理。INS通过对测出的（潜艇）加速度二重积分确定了航位推算定位。
    INS于1944年首次用于德国火箭。对于水下导航， 1958年INS首次用于美国核潜艇USS Nautilus的北极区冰下航行。INS由稳定平台，加速器，积分器和计算机组成。还有一个单元用于消除加速表登记过的加速度，该加速度不包含在潜艇的真实运行中。稳定的平台确保精确的水平位置和加速表通过回转仪正确的定向。
    加速表是用于测量加速度的工具。加速度是指速度的改变。2个加速表对于水面航行就足够了，也就是，一个物体在2个维度内运动。潜艇在3个维度下运动，且因此对于潜艇导航而言3个加速器是必要的，2个加速器导向南北轴和东西轴，1个导向地球中点。加速器决定了在特定方向某物体的加速度，该特定方向也被称为加速表测量轴。加速器内部置有传感器块（也就是测量传感器）。大体上，传感器块被浸在液体中，与该液体一并位于加速器柱体内部。
    潜艇速度的任何改变会产生加速器内部测量传感器位置的改变。这种位置的改变转换成电压并发送到积分器。
    积分器是为实现数值积分而设的装置。在INS中积分器对潜艇的加速度进行积分（由加速器测得）前得到潜艇真实速度。通过对积分器速度的积分得到潜艇已行驶里程。所有数据（信息）输入计算机：开始或最后的精确定位，陀螺仪轴向偏离的纠错和（第2次积分后）南北轴方向、东西轴方向和指向地球中点方向的已行驶里程。已行驶里程有地理坐标（经纬）的差分。
    通过所有的数据，计算机得到潜艇的地理位置。INS的误差随时间而增加，不随已行驶里程而变化。因此，INS在很长的一段时间里并不是完全自备的。INS要求通过其它导航系统如水声导航系统，卫星导航系统等提供控制和纠错。
    INS的优点在于它不需要任何外部信息。由于INS不转换任何能量，不接收任何外部信号，系统保持隐秘。INS不需要任何其它的导航单元如陀螺罗盘，日志等。INS独立获得海流速度，船只（潜艇）的真实航道和已行驶里程。
    另外，潜艇需要装有3个加速表的INS。1个加速表导向南北轴方向，1个导向东西轴方向，另1个导向地球中心方向。潜艇需要3个加速表是因为潜艇在3个维度导航，与水面航行只有2个维度导航不同。这样水面船只需要装有2个加速器的INS。
    图6示例了为易于理解只配有2个加速表的INS的一部分。加速表位于稳定的平台上，总是在水平位置。第1个加速器（A1）导向南北轴方向且测量速度也在这个轴上。测出的加速度（a1）到达第1积分器（INT）。第1积分器运算结果是在南北轴向的真实速度（v1）。该速度到达第2积分器。第2积分器的运算结果是南北轴向的已行驶里程（s1），也就是地理纬度的差分。
    第2加速表（A2）被导向东西轴向方向，测量该轴上的加速度。测得的加速度（a2）到达第1积分器。第1积分器的结果是东西轴方向的真实速度（v2）。
    真实速度（v2）到达第2积分器。其结果是在东西轴向的已行驶里程（s2），也是地理经度的差分。已行驶里程（也是地理经纬度差分）到达计算机（图6中无该示例）。计算机将里程（s1与s2）与（精确定位的）开始位置相加，得到当前位置。
    本章简单解释了INS。现实中INS是非常复杂的。事实上，潜艇上没有简单的事物。

    8. 总结
    有效导航包括有很多设备。在本章中解释了少数的几种。在潜艇从造船所出厂后就进行测试航行。任何潜艇都有自己的操纵元素如速度，最大导航范围，惯性，直径和潜艇的回转周期，航向变化的角速度、速度的减少，等等。
    测量潜艇速度有特殊装置的潜艇测试站，特别是在潜艇水面导航，潜望镜深度导航和最终的完全水下导航。水下电缆（位于海底）置于与潜艇运动方向垂直的方向。电缆互相之间保持平行且等间距。特殊的置于陆上的指示器，指示当潜艇经过时在特定电缆上电磁能的最大感应。这种方式可知潜艇从一个电缆航行到另一电缆处需要的时间，也就知道了潜艇的速度。
    潜艇测试站点可能配有水声定位设备（以主动式和/或被动式）。水声定位设备置于水下，于一定深度抛锚。通过潜艇的声纳（以主动式和/或被动式）和抛锚的水声定位设备，很容易定位潜艇当前位置并最终测定潜艇的水下速度。
    通过以上方式，潜艇速度可由螺旋浆转数的特定数目确定。通过1/4,1/2,3/4的引擎能量，和最大不变速度确定潜艇速度。
    在导航前，引航者必须研究与导航区相关的导航图和导航手册。在手册中有关于海流、海潮等信息。海水深度（以等水深线标记）尤为重要。
    最后，导航期间，在导航区关于海水情况（尤其是海流方面）的任何新的信息以及在海水情况影响下潜艇导航特点必须记录以便更深入的研究。
    在潜艇导航时其位置在任何时候都要知道。首先是出于潜艇安全的考虑。而且只仅由潜艇的精确定位即可保证潜艇随时为战斗做好准备。目前没有完美和绝对的精确导航系统。任何导航系统的精度须接受其它导航系统的检验。译自：《潜艇战争》