航母著艦引導系統概述＊

周 煜 伍逸夫 趙 峰

（海軍駐上海地區軍事代表室1） 上海 200233）（武漢市長虹橋37－12） 武漢 430064）

（海軍航空軍械修理所3） 上海 200436）

1 引言

在新軍事革命條件下，各航母國家的軍事戰略中仍將航母視為海軍的核心力量，并把航母的更新換代列為軍事技術發展和戰略轉型中的重要內容之一，正在發展的航母技術亦包括如何改進和提高著艦引導系統在夜間和惡劣天氣的作業能力[1]。

事實上，現有的基于雷達技術的艦載機引導系統仍是機械化時代的技術裝備，信息化時代的技術發展迫切需要進一步探索能以較為先進的技術理論，相對更簡單的技術方法和更經濟的方式實現航母著艦的測控引導，以進一步提高航母的作戰能力。

國內從上世紀80年代起已開始著手研究航母著艦技術，并陸續發表了一些文章[2～3]。但從總體來看，資料仍相對較少，特別是若干關鍵技術都沒有公開說明，且現有的研究都僅側重于雷達引導技術，而對于飛機著艦引導系統和機－艦戰術信息傳輸系統的研究，仍處于起步狀態。

2 國外航母著艦引導技術的狀況

目前國外的著艦引導體制主要是基于雷達技術和GPS技術[4]。國外艦載機引導系統的發展主要經歷了三個階段，先是上世紀五十年代的“助降鏡”，再到六十年代的“菲涅爾透鏡光學助降系統”，目前使用的是基于時基波速掃描技術的第三代“全天候電子助降系統”，進入21世紀后，基于導航衛星的著艦引導系統開始投入使用。

2.1 雷達引導系統

基于時基波速掃描技術的雷達系統是美軍最早研制使用的引導著陸方式，是美軍在第二次世界大戰時為解決空軍作戰飛機在能見度很低的情況下能使飛機進場著陸而研制的，并最終被應用到航母著艦引導系統中。它采用極薄的扇形波束在既定的空間區域內來回掃描，從而實現對出現在這一區域的飛機進行精確的角度測量。為了實現定向掃描，通常利用兩個正交的波束分別在水平面和垂直面內進行制導[5]。

美軍已研制的用于主戰的全天候著艦系統的核心是一部AN／SPN－XX精確跟蹤雷達，采用Ka／X雙頻段，Ka頻段雷達頻率為（30.2±0.2）GHz，利用1.22m拋物面（雙頻共用）實現單脈沖卡塞格倫天線，X頻段雷達的工作頻率為（9310±35）MHz，MW雷達進行自動搜索和捕獲目標，毫米波雷達實現精確跟蹤和引導[5]。該系統性能良好，可確保艦載機在惡劣天氣下安全著艦。從原理上推測，精密引導雷達應是一種能同時實現正交波束角度測量和徑向距離測量的系統。

2.2 基于衛星導航的相對定位引導系統

艦載機著艦引導是空間相對運動動力學和控制技術的一種應用，在引導過程中，要求有大量準確的測量信息，其中包括目標艦載機與追蹤航母間的相對距離、相對距離變化率、量移動物體間的視線角及其變化率等。

當把衛星導航系統用于相對差分模型時，它可以提供足夠精確的相對定位信息。現有的研究結果表明，可以應用純載波相位平滑的相對定位測量模式與其它測量設備組合形式完成近距離精密導引的任務。據了解，英國最近已經利用相對定位技術研制成真正意義上的、具有自主性能的全自動著艦系統。美國的Navsys公司已經研發出基于GPS的相對導航精密著艦系統，其艦載基站相當于導航信號源，機載設備通過濾波相位跟蹤和擴頻碼跟蹤的組合方式，實現艦載機的相對定位，其機載接收機采用了一個七單元的圓天線陣列，具有較高的抗干擾能力[6～7]。

3 未來的基本戰術需求

根據美軍的規劃，第四代航母將裝備無人戰機。初步研究的結果表明，艦載無人戰機在著艦時將有如下戰術要求：

1）觸艦定位精度要求高。由于是無人操控，為保證準確觸艦，引導定位精度，特別是觸艦階段的測量精度將有較高的要求。目前，美國海軍要求艦載機在水平和垂直面上的測量誤差小于15cm[8]。

2）待機管制與進場耦合兩階段的銜接過程要連續。與有人駕駛戰機的著艦過程不同，無人機從空管區待管制階段的航跡跟蹤到進入下滑窗口實現進場耦合時的航跡控制的過渡過程必須是連續的，這就要求著艦引導系統既能實施進場耦合控制，又能完成待機航線跟蹤引導。

3）進近下滑引導跟蹤過程要平滑。由于用于航母著艦的飛行甲板與航母軸線間有一個向外的夾角，隨著航母的不斷前進，造成待降的甲板跑道隨著航母的運動不斷向右前方平移[6]。如艦載機在進行追尾著艦時，僅在垂直平面內進行跟蹤引導，即直接沿著航母航行的方向下滑運動，就使得自動操作指令的設計十分復雜，甚至是極其困難的。

與現有的技術發展水平和第四代航母的戰術需求相比，目前基于雷達技術的艦載機著艦引導體制存在如下缺陷：

1）測控過程復雜。整個著艦引導過程是一個多系統的協同測控過程，需先由空管雷達將艦載機引導到下滑窗口，然后由儀表著陸系統實施進場耦合。再由精密引導雷達做下滑引導，最終在觸艦階段由激光測量等裝置做精密測量[9～10]。

2）定位精度有限。在著艦引導的觸艦階段，不僅要修正因艦體運動所引起的位移，還需要克服艦尾氣流對下滑軌跡所產生的擾動影響，因此觸艦階段的精確測量能力是極為重要的。而基于波束掃描技術的下滑引導雷達系統，不可能在數據終結點之后進行任何有意義的測量，因此需配置激光測距儀等精密測量裝置，并且由于存在天線本身的掃描運動，對甲板運動補償及預估相對復雜。

3）無法實現多機同時測控。現有的艦載雷達引導系統是基于艦面導出數據方式工作的，而在艦面導出方式下，定位測量數據必須通過可靠的編碼數據鏈傳送給機載設備。已有的美軍研究報告表明，艦船到飛機信號的傳輸延時會造成穩定度的降低，這就給多機同時測控帶來了困難[11]。

當前正在發展的另一種以GPS和數據鏈為基礎的綜合化著艦引導系統將導航、防撞、通信、進近、著艦、復飛等一系列功能融為一體，已被認為是引導技術的發展方向。但是基于導航衛星的引導體制易受攻擊，抗毀性差，現軍事大國均已具備使用陸基導彈直接摧毀天基衛星的能力。因此，衛星導航系統的相對定位系統僅能作為一種非獨立的定位引導系統使用。

4 新一代多站定位引導系統

4.1 一體化測控能力

從目前的技術發展水平來看，以多站定位技術構造的自動著艦引導系統應比現有的時基波束掃描微波著陸系統等更為先進和全面，GPS定位系統的廣泛應用從原理上說明現在已經處于可直接利用多站組合定位系統實現艦載機自動著艦的時代[12]。

由于多站定位的固有構造使其使用時比雷達系統更為靈活，從而能實現更多的功能。因此基于多站組合定位技術的艦載機自動著艦引導系統將既能基于單系統完成連續一體化的測控引導管理，又能實現對高速移動目標的精確測量，其最大特點就是當艦載機回歸進入空管區后，自動著艦引導系統即能實施跟蹤引導艦載機直接觸艦，可實現終端區管制、進入下滑窗口、進場耦合和進近下滑引導，這是目前為止其它引導系統無法實現的。

同時，多站定位技術和雷達引導相比更具有實現精密測量戰機觸艦階段坐標位置的能力，而且多系統的自動控制協調能力顯然無法和單系統的自適應控制協調能力相比擬，且單系統測控更易采用在垂直面和水平面內同時實施下滑引導控制率的技術方案，使艦載機能在三維空間內連續平滑進近下滑，從而完全避免及消除在著艦下滑過程中自動駕駛系統必須不斷地向右調整控制修正飛機航向的現象。因此基于多站組合定位技術的艦載機著艦引導系統更適合未來使用無人作戰艦載飛機的第四代航母。

4.2 若干相對優點

1）空中導出數據

和現有的采用引導雷達的艦面導出方式不同，用于著艦引導的多站定位系統是一種主動有源定位測量系統，其工作方式是由艦載定位傳感器主動發射信標信號，機載接收并給出測量結果，它能使艦載機更快地完成定位分析。而在艦面導出方式下，例如雷達引導系統，定位測量數據必須通過可靠的編碼數據鏈傳送給機載設備。已有的美軍研究報告表明，艦船到飛機的信號傳輸延時會造成穩定度降低[6]。

空中導出數據方式的最大優點之一是能實現多機同時測控，這也是單系統一體化測控得以實現的原因之一。由于定位結果主要是由艦載機自身產生并精確跟蹤控制過程，由此還節省了艦面到飛機的上行鏈路的傳送開銷。

2）構造簡單

多站定位系統體系配置極為簡單，這主要體現在無需復雜的天饋控制系統。在扇形波束掃描的引導雷達系統中，為實現精確引導，天線的波束必須在某一平面內設計的很窄，這就對天線的設計提出了較高的要求。同時為測定角度必須使天線快速的重復擺動，對伺服系統的設計也提出了較高的要求，并且為了滿足工程所需要的刷新率的要求，還必須在垂直面上采用電掃描天線，提高了產品成本。

在多站定位系統中，對艦載機軌跡的偏差角度不是通過掃描獲得的，而是通過路程測量直接得到的，因此不需要將天線波束設計的很窄，整個系統僅需幾個波束恰當的定向或全向天線即可。并且在同樣的情況下，同步信標定位與周期掃描相比具有更快的刷新率，從而為數據處理系統提供了更佳的分析基礎。

3）有利于捕捉最佳觸艦時機

與采用扇形波束掃描的引導雷達不同，由多站定位技術組成的測量系統不存在天線本身的掃描運動，因此在修正船體運動誤差上具有較多的優越性，基本上通過集合修正就能實現對船體運動的補償，從而更有利于捕捉最佳觸艦時機。

4）觸艦階段的精密測量能力

多站定位系統可實現在最后觸艦階段對飛行高度的精密測量。由于在觸艦階段不僅要修正因艦體運動所引起的位移，還需要克服艦尾氣流對下滑軌跡所產生的擾動影響，因此觸艦階段的精密測量能力是極為重要的。

從終結點開始，艦載機將在幾秒內觸艦，與先前的概念有所不同，本測量系統在終結點處仍將精密地測定飛機下部掛鉤與甲板平面的相對高度，并作微小的調整，直至飛機被伴索掛住，這也是多站定位系統與雷達引導系統間的差異及優點。由于進入盲區，現有的雷達系統是不可能在數據終結點之后進行任何有意義的測量，因此需配置激光測距儀等精密測量裝置。

5 結語

艦載無人機的發展將對著艦引導系統提出更高的測控需求，而基于多站組合測量定位技術的引導系統極具發展潛力，不僅能對艦載機進行快速精確的定位測量，而且可實現從終端區到觸艦的單系統一體化自主定位測控，從而將導航、防撞、通信、進近、著艦、復飛等一系列功能融為一體，并為在垂直面內和水平面內同時實施跟蹤引導控制，使艦載機在三位平面內連續平滑的追尾觸艦提供技術保障。

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