水陸兩棲飛機慣性基準系統水面對準工作場景分析

張宏志

摘要：本文主要介紹了水陸兩棲飛機配備的慣性基準系統在水面情況下需具備水面對準的能力，并據此對水陸兩棲飛機的近岸系留、水面錨泊及水上救援等任務場景下采取用例圖的形式闡述分析水面對準的工作場景，為后續水陸兩棲飛機慣性基準系統的設計需求分析提供指導意義。

關鍵詞：水陸兩棲飛機;慣性基準系統;水面錨泊

1 水陸兩棲飛機慣性基準系統對準分析

1.1 慣性基準系統簡介

水陸兩棲飛機裝備兩套慣性基準系統，作為飛機重要飛行數據姿態、航向的數據源和地理位置的備用數據源。慣性基準系統接收大氣數據系統的大氣數據和全球衛星導航系統（GNSU）的衛星數據，并通過導航方式控制組件控制系統工作方式，包括純慣和組合導航。全球衛星導航系統上電后，進入正常導航工作狀態，需先進行接收衛星信號，整個過程預計60s。由于全球衛星導航系統的全天候，且慣性基準系統接收了兩套衛星導航系統數據，可確保慣性基準系統水上對準期間衛星信號的有效性和連續性。衛星導航系統的輸出數據包括：

a）位置數據：緯度、緯度、高度;

b）速度數據：東向速度、北向速度、垂直速度、地速;

c）導航性能參數：HDOP值、VDOP值、自主水平完好性界限、自主垂直完好性界限、垂直定位品質因數;

d）時間信息：日期和UTC時間。

1.2 必要性分析

根據慣性原理，慣性基準系統的正常工作需要完成初始化對準，否則系統無法工作。慣性基準系統初始化對準一般有兩種：地面對準和空中對準。地面對準要求飛機靜止在地面，一旦飛機出現較大幅度晃動，有可能導致對準性能降低，甚至導致對準失敗;空中對準是在系統空中掉電的情況下使用。飛機在水面時，尤其是在惡劣海況下，其運動特性與飛機地面靜止和空中飛行的運動特性均不同，導致飛機在水面時上述兩種對準方式均不能使用。

如果慣性基準系統無法水面對準，就需增加飛機的使用限制，要求飛機在海面降落后不能關閉慣性基準系統電源。水陸兩棲飛機海上救援時，一般保持發動機慢車狀態，尤其是在風浪大的海況下為了操縱飛機保持飛機的穩定性，此時慣性基準系統由發動機正常供電，只有在慣性基準系統意外掉電情況下才需要使用水上對準。但是，在風浪很小的情況下，為保證救援的安全性，允許飛機關閉發動機。雖然此時可以通過應急電源或蓄電池給慣性基準系統繼續提供電源，但由于容量、成本的限制，應急電源或蓄電池無法長時間工作，這將限制飛機水面關車停留時間。

飛機水面停留時慣性基準系統一旦斷電，飛機姿態、航向數據將丟失，這要求飛機重新上岸后對準，這對于海上救援是根本無法保證的。即使在滿足條件的水上機場，上岸對準也增加了工作量，延緩了起飛時間，影響了執行任務的進度，降低了飛機的出勤率。

總之，在水陸兩棲飛機各種工作任務和運行場景下，必然會遇到水上起動發動機的情況，慣性基準系統必須在水面完成對準，為飛機提供必要的姿態、航向及位置等基本飛行參數數據。

1.3 對準要求

慣性基準系統對準的目的，是輸出姿態、航向和位置信息。相比完成姿態、航向數據的對準，完成位置的對準，不僅需要更多的對準時間，還需要衛星導航系統提供實時的位置信息。

對于飛機而言，姿態、航向信息作為重要飛行數據，是飛行安全的基本保證。根據飛機功能危險性安全評估分析，當飛機喪失姿態、航向會引發災難性的事件。位置信息主要作為飛機遠程導航數據源，目前的飛機都裝備全球衛星導航系統，與慣性基準系統同時提供飛機的位置。根據飛機功能危險性安全評估分析，位置信息失效等級狀態為III類，當飛機位置信息缺失，飛機可以根據地面指揮中心的指引和利用地面臺站（NDB、VOR和DME）導航引導，從而實現安全、可靠飛行。因此，當慣性基準系統有在水面對準的使用場景時，必須完成姿態、航向的對準，位置的對準完成可以根據衛星數據狀態和起飛緊迫度決定，也可以在空中繼續完成位置的對準。

2 水上對準場景分析

2.1 近岸系留

水陸兩棲飛機的優良兩棲能力，它既可與其它飛機共用機場也可在無機場的水域起降。結合地理環境，我國地表水資源總面積約有四億畝，居世界第三位，僅次于美國和巴西。全國江河水系東西為主，縱橫交錯，湖泊水庫星羅棋布，大多數水域皆可用于水陸兩棲飛機起降，也可以在陸上機場起降。因此，水陸兩棲飛機對降落場地適應廣泛，具有機動性強的優良特點。

水上機場建設較陸上機場建設成本低、周期快，還可為國家節省大量土地面積，因此，水陸兩棲飛機又成為最經濟實用的一種飛機。目前，美國已有516個水上機場獲得FAA認證，而中國的水上機場運營才剛剛起步，遠不能滿足國內通航發展的需求。

水陸兩棲飛機資源占用率低、運營方便、易于普及，尤其是在通航業發展早期機場資源缺乏的條件下更能彰顯其優勢。建設水上機場、發展水陸兩棲飛機對提升我國沿海地區島際交通運輸品質，促進地區旅游發展等方面具有重要意義。隨著低空開放政策的逐步推進，我國水上機場將不斷涌現。

通常，公用水上機場是水陸兩棲飛機飛行的過渡點。過渡點可幫助水陸兩棲飛機在空中和水中往返，或作為在水中和陸地往返的一個中轉站，可使水陸兩棲飛機安全在水面起降、在碼頭或海濱之間往返滑水，到達陸地設施，便于乘客運輸、飛機維護及封存。一些公用水上機場可通過升降機或移動臺車拆卸，將水陸兩棲飛機從水上引導到陸上。

當水陸兩棲飛機系留停泊在水上機場及其港口、碼頭的簡易系留點時，接收到任務后，需在水面起動發動機完成起飛。此時，慣性基準系統將需要在水面完成對準。近岸系留時，慣性基準系統水上對準的工作場景如圖1所示。

2.2 水面錨泊

我國南海島礁眾多，且生存條件惡劣，又經常受到海洋災害的眷顧，無法實現糧食、蔬菜、淡水等生活必需品的自給，只能依靠來自陸地物資的補充。同時，離島對于保衛我國領海完整及增大戰略縱深又極其必要，必須有人駐守，因此離島補給非常必要。離島一般離岸較遠，而補給量需求又比較零星分散，利用船舶運輸速度慢、時間長，運輸成本較高，受氣象影響也很大;而利用直升機，航程和速度都難以有效完成任務;利用陸基飛機，低空低速性能不及水陸兩棲飛機，空投準確性及環境適應性較差，隱蔽性較低，物資損失較大。因此水陸兩棲飛機的特征適用于離島補給，具備很大的優勢。

南海基本未受污染，海水清澈湛藍。通過水陸兩棲飛機，旅客可在陸上機場起飛，降落海島附近，再乘坐輪船登島。這種方式不僅減少了旅客的旅途時間，還可節省海島開發成本，況且很多海島也不適于修建機場。可以預見的是，水陸兩棲飛機不但可促進南海的開發和旅游，而且通過興建基礎設施和發展旅游業也能更好地宣示主權。

當水陸兩棲飛機執行海島物資運輸或海島旅游時，配備了鐵錨和錨索等設備的水陸兩棲飛機可以關閉發動機在海岸附近海域長時間錨泊，等待任務完成后重新起飛返航，此時慣性基準系統需在水面完成對準。水陸兩棲飛機執行海島物質運輸和海島旅游時，慣性基準系統需要面臨水上對準的工作場景如圖2所示。

2.3 水上救援

相對于船只艦艇，水陸兩棲飛機速度快，可快速達到海上事故現場，這在分秒必爭的救援事件中具有不可替代的優勢;相對于陸上起降的固定翼飛機而言，水陸兩棲飛機具有良好的超低空飛行、航程大的特性，可滿足海上大范圍的搜索。

水陸兩棲飛機一般可在3～4級海況下起降，如遇惡劣氣象條件，可選擇陸上起降，提高飛機使用率。日本US-2飛機是目前世界上最先進的水陸兩棲飛機，它可在5級海況，3米浪高下起降，海上任務執行率達到85～90%以上。我國正在研發的水陸兩棲飛機可在4級海況、2米浪高下起降，任務執行率可達到75～80%以上。

超低空飛行特性好是水陸兩棲飛機的突出特點，最低飛行高度50米，最小平飛速度200km/h左右，航程在幾千km;例如日本US-2水陸兩棲飛機通過采用附面層控制技術，最小飛行速度190km/h，航程達到4700km， 可較好地滿足海上大范圍的搜索、遠海救援任務。

當水陸兩棲飛機接到救援任務時，到達事故現場可低空飛行尋找遇險人員。如果海況條件符合飛機的著水要求，飛機可直接降落在遇險人員側方500m～600m處，小速度滑行至遇險人員迎風逆水方向100m～150m，飛機在水中漂移速度遠大于水中遇險人員，所以飛機運行在下風方向可避免漂移撞到水中遇險人員;迎風逆水也有利于操縱保持飛機水面的姿態以及與水上遇險人員的適當距離;迎風逆水也可以減少飛機橫搖的幅度，有利于救生艇迎風逆水靠近飛機，便于將遇險人員轉移至機上。

由于水面救援時間短，且為了對抗風浪，穩定飛機，飛機在水面時，保持內發關車，外發慢車狀態。在有較大風浪情況下，飛機開車的時候，要選擇適當的航向和航速，減輕飛機的搖蕩運動，緩和波浪對飛機的沖擊作用。當波浪危及飛機安全時，橫浪、順浪或側順浪以及高速航行是非常危險的，以適當的首向偏頂浪航行才是比較安全的。

當風浪惡劣的情況下，應保持飛機處于緩行、停滯狀態，這樣可以有效的緩解飛機縱搖、橫搖等現象，使飛機安全渡過風浪惡劣期。緩行或停滯狀態時，應根據風向的變化調節航向，保持最佳的風浪舷角，并調節發動機轉速，利用發動機差動保持飛機姿態，避免被打橫。

在救援過程中風浪突然加大，頂浪停滯航行難以承受風浪沖擊時，如果下風水域寬廣，可以考慮改為機尾斜向順浪航行。順浪航行降低了波浪對飛機的相對速度，大大緩解了波浪的沖擊，盡快離開水面。

雖然水上救援期間飛機處于發電狀態，飛機系統可正常供電，但是由于水面救援時間最長可達1h，慣性基準系統也有可能意外掉電，此時也將面臨水上對準問題。水陸兩棲飛機執行水上救援任務時，慣性基準系統需要面臨水上對準的工作場景如圖3所示。

3 總結

本文通過介紹水陸兩棲飛機的功能和作用，再深入分析水陸兩棲飛機各種任務的使用模式，得到慣性基準系統需要在水面進行對準的必然場景和潛在場景，為慣性基準系統水面對準項目提供必要性依據，并為后續水陸兩棲飛機慣性基準系統的設計研制和需求分析工作提供指導和借鑒意義。

參考文獻：

[1]MOIRL，SEABRIDGEA.民用航空電子系統[M].范秋麗，譯.北京：航空工業出版社，2009.

[2]金德琨，敬忠良，王國慶，等.民用飛機航空電子系統[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

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