美軍機載導航設備及其發展

牛強軍

(空軍第一航空學院科研部,河南信陽464000)

機載導航設備是引導載機安全飛行、突防及完成各項預定作戰任務、著陸/艦所必須的設備,為飛行人員和自動駕駛儀提供載機的位置、速度和航向等信息。美國對軍事導航定位的基本要求是[1]:全球的導航覆蓋,高精度的定位能力;用戶設備是被動式的,定位信息是連續的,能實時響應;可防止被敵人利用,有抗干擾、防破壞的能力;沒有飽和容量的限制;可為所有用戶提供公用坐標格網;精度不隨使用條件的變化而變化;便于野戰條件下維護;用戶是自主式的。對機載導航設備的要求是:具有跨越廣大地域的高精度定位和導航能力,能夠在全天候條件下,連續、精確地確定載機位置、速度和時間等。

1 使用情況

美軍根據飛機的不同作戰用途,使用不同的導航設備組合,滿足不同作戰要求,如:戰斗機(F-15等)、攻擊機(A-10等)突出其高速、低空、中程的導航能力;轟炸機(B-2等)突出其遠程、自主、精密定位、轟炸導航的能力;預警和指揮飛機(E-2等)突出其中遠程、自主、安全的導航能力,美軍主要作戰機型機載設備情況如表1～4[2]。⊙表示裝備該設備。

表1 主要戰斗機、攻擊機導航設備表

表2 主要轟炸機導航設備表

表3 主要預警和指揮飛機導航設備表

表4 主要攻擊直升機導航設備表

2 美軍主要機載導航設備

2.1 GPS接收機

GPS是利用衛星進行導航的全球無線電導航系統。機載GPS導航系統包括:多通道的GPS接收機;以 GPS為導航參數的組合導航設備,如:GPS/INS系統、GPS/多普勒組合導航系統、GPS/羅蘭-C組合導航系統、GPS輔助目標定位系統,有比較完備的種類和型號。

2.2 多普勒導航[2]

利用多普勒效應向飛機斜下方發射2到4個波束,通過檢測回波的多普勒頻移推算出飛機相對于地面的速度和偏流角。型號包括AN/APN-190(V)、AN/APN-213、AN/APN-218 等,其中:AN/APN-190(V),工作頻率:13.25～13.40GHz,用來連續測量地速和偏流角;AN/APN-213,用來提供空速和偏航信息,工作頻率:13.13GH z,發射功率:1W,通過向四方發射13.13GH z的連續波來測定飛機的飛行速度和地面反射波的多普勒頻移。AN/APN-218,技術體制:連續波、脈沖多普勒,工作頻率:J波段(10～20GH z),使用高度范圍:0～21000米,具有防核能力、高性能脈沖多普勒雷達,它與地速偏流指示器結合,處理從雷達來的數字速度數據,并顯示地速與偏流角。該系統連續測量航向速度、偏流速度和垂直速度,為導航設備提供精確的飛機數據。

2.3 儀表著陸系統接收機[3]

國際民航規定的標準著陸引導系統,為著陸飛機在進場過程中提供航向、下滑和距離信息,引導飛機進場著陸。型號包括AN/ARN-108、AN/ASN-112。系統由航向信標、下滑信標、指點信標或測距應答信標組成,其中:航向信標工作在108 MHz～112MH z,完成航向角測量;下滑信標工作在329 MH z～335MH z,完成下滑角測量;指點信標工作在75MHz,完成定點距離測量,并用無線電高度表在相應距離上檢查相應高度;有時也使用測距器應答信標和相應機載測距詢問機完成距離測量。

2.4 “藍盾”低空導航與夜間紅外目標指示系統[2]

用于保障快速噴氣式飛機在極低的高度、以極快的速度安全深透敵方領空、截獲目標和投放武器的地空導航與夜間紅外目標指示系統。全系統組成包括AAQ-13導航系統和AAQ-14目標指示系統兩個吊艙。AAQ-13包括一部前視紅外儀(提供地空飛行夜市能力)和一部AN/APS-174J/Ku波段地形跟蹤雷達(10GHz～40GHz,提供飛機在極低空作戰時的航線氣象穿透和盲目下降能力)。AAQ-14由目標指示前視紅外儀、激光指示/測向器組成,適應晝夜低空人工目標截獲和制導、非制導武器投放的需要。

2.5 塔康系統[4]

由機載設備與配套的信標臺組成極座標式近程無線電導航系統,與信標臺及航向系統配合,可以連續自動地測定飛機無線電方位角,飛機至信標臺的直線斜距及航道偏離數據,飛機與飛機之間的直線距離,用于保證飛機在全天候飛行時完成出航、歸航、航線飛行等任務。裝備的型號包括AN/ARN-118(V)、TCN-250、AN/ARN-139(V)、AN/ARN-84、AN/ARN-153(V),工作頻率 962～1213MHz/1025～1150MH z,波道間隔1MH z,采用標準的X和Y信道。塔康系統經過幾十年的使用,功能得到充分開發和擴展,是一個較為完善的導航系統,在美軍及其北約的主要作戰飛機中幾乎都配裝了塔康機載設備。

2.6 艦載機微波著陸系統[5]

艦載機進場系統是一種采用微波掃描技術的艦用微波降落系統。作為艦用低高度進場設備,為飛機進入全天候航母降落系統和航母透鏡光學降落系統的工作區提供進場信號;以及作為自動降落時的機上獨立監視設備。系統由艦載方位、仰角發射臺及機上接收/譯碼器等部分組成。工作頻率:14.688～15.512GHz,美國海軍標準艦載機著陸控制系統,與艦上SPN-41和航空站的TRN-28協同工作。由接收機、脈沖解碼器和控制單元等3個現場可更換單元組成。兩發射臺在同一頻率上按時分制工作,交替發送方位數據和仰角數據。方位天線產生2°波束,在離甲板中心線±20°之間進行掃描;仰角天線則產生 1.3°波束,在直水平線+10°之間進行掃描。發射信號為編碼脈沖對調制信號,脈沖對的間隔表示相對于甲板中心線的方位角和相對于直水平線的仰角。編碼用于區分方位和仰角信號。機上接收信號后,通過譯碼器進行譯碼,并依靠機上的平視顯示器或雙針指示器指示飛機位置。

2.7 無線電高度表[2]

用來提供載機與地面的真實高度,分為低空和高空雷達高度表。裝備的型號包括AN/ASN-214、AN/APN-194(V)(0 ～1500m)、AN/APN-171(0～1500英尺、0～2500英尺、0～5000英尺、)、AN/APN-224(0～3km)、AN/APN-232(0～15240m)。低空雷達高度表以AN/APN-194(V)為代表,采用窄脈沖測距體制,具有危險高度(低高度)告警、危險高度告警設定、測量飛機速率、著陸裝置告警、功率管理等能力等功能,工作頻率 4.3GHz,脈沖寬度 0.02us或 0.2us,重復頻率20kH z,發射功率5W,測高精度:1m±4%,工作高度1500m。高空雷達高度表:以AN/APN-232為代表,是一種先進的全固態雷達高度計,由發射/接收機、天線和指示器組成,具有模擬、數字兩種信號輸出方式,可根據地形和飛機高度變化自動調整發射功率。測高范圍從地面至15240米高空,當飛機低于選定的高度時由告警燈告警,并具有低截獲概率和反干擾能力。技術體制:調頻/連續波;工作頻率:4.3GH z;測高精度:±0.6m(0～30m),±2%(30～1500m),±30m(1.5～3km),±1%(大于3km);抗干擾措施:自動控制發射功率,相關頻譜擴展。

2.8 CNI系統[6]

F-22的CNI系統完成通信、導航、識別、數據鏈等功能,其中導航功能包括:全球定位系統(GPS)、塔康系統(TACAN)、儀表著陸系統(ILS)、微波著陸系統(M LS),其它功能包括:超高頻/甚高頻(VHF/UHF)無線電臺、Have QuickⅠ/Ⅱ話音通信、MK XⅡD敵我識別應答機(IFF)、聯合戰術信息分發系統(JTIDS)、編隊內部數據鏈(IFDL)、機內通話和應急通信等。

2.9 ICNI系統[7]

F-35采用ICNA技術,完成通信、導航、識別和數據鏈等功能,其中導航功能包括:儀表著陸系統(ILS)、微波著陸系統(M LS)、艦上自動著陸系統(ACLS)、塔康系統(TACAN)、慣性導航系統/全球定位系統(INS/GPS),其他功能包括:超高頻/甚高頻(VHF/UHF)無線電臺、H ave QuickⅠ/Ⅱ話音通信、衛星通信系統、敵我識別應答機(IFF/SIF)、編隊內部數據鏈(IFDL)、聯合戰術信息分發系統(Link16/JTIDS)、Link4A、戰術 數據信 息鏈(TADIL-K)、3-D聲頻和自動相關監視-廣播(ADS-B)系統。

2.10 慣導設備[8]

20世紀90年代后,美國把具有多模式、多用途、高可靠性的多傳感慣性組合導航系統作為下一代飛行器的標準導航模式,目前在美軍用飛機中,慣導一般作為主導航系統,與其它導航系統組合應用,主要包括:慣導/衛星、慣導/多普勒、慣導/大氣數據系統、慣導/塔康、慣導/天文、慣導/地形匹配、慣導/景象匹配等。

3 其它具有導航功能的設備

3.1 JTIDS數據鏈[9]

利用JTIDS時分多址體系結構和通過過程的固有功能完成相對定位(RELNAV),指定JTIDS的網成員中導航控制器,產生相對定位基準,其它成員根據此基準進行相對坐標截獲,截獲的JTIDS系統成員通過源選擇法則,選擇比自己時間質量和位置質量等級高,相對幾何關系好的源作為基準,算出自己與它們之間的相對距離,并與利用到達時間(TOA)測量技術準確地測出的距離進行比較,便能獲得其在相對坐標系中的定位誤差。重復完成幾次這樣的比較運算,每次都進行校正以改善其位置估計,用戶便可以鎖定在相對坐標系中。鎖定的用戶同時也把自己的坐標發射出去給其它用戶分享。JTIDS相對導航有三個基本要素:相對坐標系,網成員間的精確相互距離和推測導航系統。其位置質量和時間質量均分為 16級,位置均方差從 15～5510m,時間均方差50～18080ns,方位角均方差1～64m rad。

3.2 敵我識別設備

敵我識別設備采用擴頻、時間同步、現代密碼、單脈沖等技術,通過單脈沖精確目標方位處理、高可信度識別應答鑒別、數字目標報告、異步回波濾除及加密等手段,完成目標方位精確顯示和可靠的敵我識別。目前廣泛裝備使用的設備包括M K Ⅹ和MK Ⅻ系列,型號包括AN/APX-114敵我識別詢問機、AN/APX-117/118通用敵我識別應答機和AN/APX-113(V)詢問/應答兩用機。以美軍的F-16A/B飛機的AN/APX-111敵我識別詢問/應答器為例,其詢問機工作性能包括:1、2、3/A 、C、4;探測距離:185km;覆蓋空域:方位 ±70°,俯仰 ±60°;方位精度±2°;波束內目標數 32個;輻射功率1.4kW 。應答機工作性能包括:1、2、3/A 、4、S;輻射功率:400～600W。

4 美軍機載設備的發展趨勢

美國國防部公布的導航系統發展計劃包括[10]:慣性導航系統(導航誤差﹤0.1nm/hr)、混合慣性導航系統、環形激光陀螺儀(RLG)、光纖陀螺儀(FOG)、全球導航衛星系統接收機(包括芯片級GPS)、差分全球導航衛星系統接收機、GNSS抗干擾組件和系統、GNSS干擾定位系統、增強型LORAN(E-LORAN)導航系統、多普勒(雷達或聲納)導航系統、混合導航系統(除慣導系統)、LPI/LPD雷達高度計和水深計、恒星數據參考導航系統和數據源、地形數據參考導航系統和數據源、磁與電場參考導航系統和數據源、重力數據參考導航系統和數據源,通過上述技術的研究,在5～10年內提高美軍的導航能力,逐步實現美軍的導航需求。美軍機載導航系統的發展趨勢:導航精度更高、誤差更小、參數全;具有全球、全天候導航能力;自主性強、反映時間短;功能越來越強、應用范圍越來越廣、自動化程度和可靠性越來越高;增強抗干擾能力、隱蔽性好;多模工作方式;體積小、耗電小。主要研究方向有以下兩方面:

4.1 大力發展組合導航系統

目前采用的各種基于平臺(設備)的導航系統都有固有的缺陷,而未來高科技戰爭出于自主性、快速反應和協同作戰的迫切要求,為保障憑借地形掩蔽,實施出其不意、低空突防的軍事行動,必須利用多種導航設備信息,進行有效組合,通過數據處理,以獲取最佳導航參量,有效提高導航設備的精度、可靠性和功能。隨著以故障檢測、隔離與系統重構為基礎的多信息綜合導航系統技術的突破,慣性、衛星、多普勒、大氣數據系統、天文、地形匹配、景象匹配、羅蘭-C、塔康等相互組合的導航系統成為未來導航發展的一個重要發展方向。

4.2 基于波形的導航能力的綜合

基于軟件無線電的技術發展,通過標準化的方法把LRM劃分為數量少、可重構和資源共享的通用模塊,采用先進的信號處理技術和改進優化的數據融合算法,在軟件控制下進行實時組合,從而完成通信、導航、識別及其他功能的綜合,所需的導航功能 ,如 :GPS 、TACAN 、ILS 、M LS 、ACLS 、INS/GPS等,通過公布的波形,在軟件的控制下實現基于波形的導航能力。

5 與我軍機載導航設備差異

與美軍機載導航設備比較,我軍機載導航設備存在的主要問題是:①綜合性差。沒有基于系統的導航數據融合,造成導航功能疊加、互補性差。②設備可靠性差。以慣導為例,美軍F-22A飛機慣導設備的M TBF為 6000小時,我軍的某型慣導的MTBF值只有數百小時。③自主導航能力弱。自主導航主要依賴慣性導航系統,由于慣性導航存在的固有特性,造成自主導航能力弱。④沒有抗干擾能力。目前的無線電導航設備均沒有抗干擾措施。

6 結語

目前,我軍每種機型都至少裝備了5種以上用于導航的裝備,基于現有導航設備平臺,借鑒美軍不同飛機導航設備配置,通過基于數據融合的技術路線,以基于能力的導航思想實現目前基于導航平臺(設備)的導航改造,對未來機載導航設備的功能進行優化、裝備實現系統化和綜合化。

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[9] 周婷婷.基于JTIDS相對導航卡爾曼濾波算法的研究[D].成都:電子科技大學,2007.

[10]總裝備部電子信息部.美國國防部發展中科學技術清單[M].北京:總裝備部電子信息部,2007:155-198.