艦機融合導航技術發展過程中問題及對策探討

汲萬峰 何鑫 張瑞恒

摘要：作為在航空母艦上自由起降的艦載飛機，其行動性能直接決定了航空母艦控制的有效性，因此發展艦機融合導航技術非常重要。因此，本文針對艦機融合導航技術發展過程中出現的問題進行分析和討論，并嘗試找出相應的對策，希望能提供一些新的思路。

關鍵詞：艦機融合導航技術;問題;對策

航空母艦按其所承擔的作戰主要任務，可分成進攻型、反潛型和多用途型等，但不管它擔負著什么作戰主要任務，艦載機都是它最主要的作戰動力，這也就是飛機母艦和驅護艦之間還有其他主要水面艦艇的本質區別。航母艦載機作戰潛力的發揮，主要取決于艦機融合的成功程度，所以，艦機融合已經成為評判航空母艦優劣的一個關鍵因素。

1艦機融合導航技術的重要性

航母是當今世界上具有最強大綜合戰斗力的海軍"鋼鐵堡壘"，具有全方位的戰斗對抗能力，依靠艦載機的巨大行動力量可將艦隊的行動半徑拓展至數百公里，對壓制敵人空軍和海洋力量具有重大意義。而艦載機飛行員也被看作是進行當今世界上最具危險性的職業，在為艦載機進行了戰斗、培訓、偵查等各項任務之后，安全地成功著艦是一件震撼人心的工作，在遼闊無垠的大海上航母就如同一片樹葉，所以要在有限的空域里安全地著艦，對飛行員個人技能和生存都是極大的挑戰。和陸基的飛機著陸比較，艦載機在甲板上著艦比較難，這主要是因為航母是一種高度有限的海洋漂浮平臺，艦載機降落在艦船上時，對垂直面上的下降跑道控制技術有很高的要求。由于許多不確定的客觀因素，如氣體和海況，包括航空母艦的發展歷史、船舶的牽引力和飛行機組的飛行，它們都可能導致航跡控制的技術錯誤，而不會降落在預定的著陸點，導致著陸錯誤，或造成嚴重事故。艦載機的著艦方法為目視檢查著艦，能見度達到五公里之上。當艦載機開始著艦時，在航母上空按正方形路線開始左回旋飛，此時的航母處于正方形的最右側直線的正中央，下算PL1;二、三、四位邊線中心，分別記為PL2、PL3和PL4。

據統計，艦載機航員的空中事故是普通航空航天員的五倍以上，是噴氣式戰機飛行員的十倍。美軍戰斗機在進行艦載機著艦工作過程花費了很大時間代價，共摔落了近百架飛機。同時為了減少艦載機的著艦事故率，提高著艦安全和可靠性，人類不斷研發各類艦載機的著艦導航裝置以提高艦載機著艦的穩定性，所以，艦載機著艦導航和定位系統等關鍵技術也始終是中國國內外科研的重點。

2艦機融合導航技術的發展過程

2.1人工著艦引導

最早搭載飛機的美國船只大多是槳翼戰斗機。由于其體積小、材料輕、速度慢，戰斗機的著陸和展開距離不長。1911年1月18日，當美國飛行員伊利第一次登上賓夕法尼亞巡洋艦時，使用的著陸橋是一個36米長9.6米寬的傾斜木質平臺。由于著陸速度較低（111-167km/h），留給機組人員的響應時間相對較長。憑借出色的駕駛技能，并通過停止剎車，機組人員可以安全著陸。直到20世紀50年代初，美國政府海上始終采取"示牌進行"的先進科學技術。由站立在戰斗機甲板尾翼左邊的著艦指揮員（LSO），用顯眼的彩色信息標牌，向進艦的艦載機發送消息，并通報其進艦的優劣與誤差。當艦載機靠近船尾時，由LSO向飛機駕駛員發出信號，并指令飛行員關掉發電機并誘導戰斗機著艦。

2.2光學助降技術

鑒于海上條件復雜多變，在惡劣天氣條件下，如多云天氣、風暴或大霧，LSO也難以勝任艦載飛機的駕駛和著陸。因此，如何確保艦載飛機的著陸就成為了一個亟待解決的問題。最初，艦載飛機采用了助光下降鏡系統。這實際上是一個巨大的反射器，它位于飛機斜著陸點的一側，在尾部有一個特定的光源。光在反射設備上發射，然后通過反射器反彈到空氣中，為飛行員a創造一個滑動的下光面。當飛行員駕駛狩獵下降時，他必須沿著該光的下光面下降，通過飛行員在反射燈中的位移來修正偏差，從而引導飛行員正確降落在駕駛臺上。目前，制導光學著陸輔助裝置方案還包括菲涅耳光學著陸輔助裝置方案和遠程激光著陸輔助裝置方案。菲涅耳光學著陸輔助裝置方案已在全世界廣泛使用。

菲涅耳光助降方案的主要缺點是其作用距離短，容易造成霧和其他天氣損害。由于光伏發電科技的迅速發展，20世紀80年代末，西方船舶也開始開發使用激光、紅外和數據處理技術的著陸制導系統。例如，1996年9月，位于馬里蘭州的美國航空部nawcad對菲涅爾IFOLS系統的改進進行了技術評估。Ilols具有輸出功率高、發散角小、單色性好、通過激光發射器產生的光柱工作距離長等優點，大大提高了整個制導系統的安全性和可持續性。

3艦機融合導航技術發展的難點

3.1艦載機下滑過程軌跡穩定性

3.1.1要求飛機的著艦精度高

航母和陸上飛機場相比允許的著陸范圍小得多，而航母由于處在運動狀態，著艦點的精確度對飛行員的著艦安全影響較大，所以規定艦載機的著艦精確度比常規陸基戰斗機要高得多。

3.1.2艦載機的著艦狀況復雜

和陸上機場比較，艦載機的著艦狀況要復雜得多。首先航母并沒有一個穩定的位置，在大海中也是處在六自由度的運動狀態。再者，它的著艦區域的內部流場狀況也就復雜得多，除了陸基飛機上所要顧及的大湍流、陣風和風切變影響之外，還要顧及航母運動到尾端時所形成的巨大的尾流影響，而現在的航母的主要著艦區域也都是在斜角甲板區，即在無大風的狀況下也存在著側斜氣流。

3.1.3飛機本身的軌跡穩定性差

飛機軌道的穩定性主要取決于飛機雙極曲線的特性，根據速度變化規律，一般飛機的飛行速度越低，軌道穩定性越大。當飛機的飛行速度低于最小阻力速度時，由于飛機處于軌道的不穩定區域，飛行速度遠低于最小阻力速度，因此飛機的軌道不穩定性更大。為了滿足航空母艦的著陸要求，現代飛機在船上的著陸速度通常比傳統的陸地著陸要慢得多。為了保持高速性能，現代戰斗機通常使用小展弦比機翼，導致其低速彈道穩定性差。

3.2艦載機著艦狀態與陸地機場著陸截然不同

為降低艦載機著艦的速度、縮短艦上攔阻滑跑距離，盡可能地減小著艦速度就顯得尤為重要。由于以小速度進場造成了飛機操縱性的極大減弱，特別是俯仰控制效率下降得很大，從而造成了飛行員的安定性處在臨界狀態。此時就要求飛行員必須反復操作，而操控飛行員的空間也十分狹小，這對飛行員的駕駛技術達到了苛刻的要求。

3.3航母平臺的定位實時變化

航空母艦平臺是一種活動基座，飛機駕駛員必須時時按照平臺的動作情況靈活地調節飛機軌跡和姿勢，以及飛機駕駛員和航空母艦上所處的各種動作環境，決定了在航母著艦時是對艦載機飛行員的真正考核。最后一種難度是，飛機著艦后，因為航母空間的局限，且攔阻索可以設置在二至三股，所以必然出現攔阻不成功的狀況，除了要求飛機駕駛員應該具有準確著艦的力量外，還應該具有瞬間判斷的力量，可以及早出現掛鉤攔阻失效，并很快地作出復飛的正確判斷。

一般來說，就算飛行員技能非常好，也無法確保一次起降都順利。所以說，艦載機每一次起降，都是風險重大，將其形容為"刀尖上的舞蹈"一點兒也不為過，這也意味著優秀的導航技術是機艦融合過程中極為重要的一環。

4艦機融合導航技術難點對策探討

4.1艦載機捷聯慣導傳遞對準技術

目前，航空母艦使用的導航系統通常包括慣性導航控制系統。由于慣性導航控制系統在進入正常導航模式前必須準確地進行搶占，因此可以說，對準精度直接關系到航母飛機導航方向和位置的精度，也直接影響航母的飛機能否安全，正確地降落。機上飛機所在區域的自然環境復雜多變，可能產生各種影響，導致機上飛機與移動基地慣性導航系統之間的初始對準變得越來越困難。因此，基于移動的精確反饋技術近年來已成為研發中心。

有關專家還提供了一些線性化方案，來解答艦載機的慣導控制系統在最大方位失準角條件的速度傳輸與準確問題。文章[3]給出了使用慣性空間中地球引力加速度數據信息的捷聯慣導主動粗對齊方式，和采用模糊自適應卡爾曼濾波的主動精對齊方式。仿真結果表明，基于該運動的自驅動慣性漂移導航方法能更有效地解決飛機在船臺下的初始對準問題，并能實現勻速飛行。根據加速計故障的高頻特性與重力矢量低頻特性之間的相關性，或通過引入低通濾波器來破壞加速度測量中重力矢量的可信度，變速箱和慣性對準在拖動中執行。該方案不提供最小的去對準，不需要兩個粗對準和精對準階段，而只需要上述對準方法的一個步驟。仿真結果表明，雖然該方法收斂速度很快，但對準精度并沒有明顯提高。如果艦載移動基地對準系統是基于波浪變化和人工智能設計的，仿真結果顯示，使用小波變換系數和人工智能方式進行對準具有很好的變化魯棒和更多的準確度。而混用專家則利用速度和姿態快速傳遞的對準方式，對艦射型捷聯慣導設備動基座對準控制系統進行了模擬和試驗，結果顯示該方案具備較好的推廣能力。另外，通過RBF神經網絡可以實現慣導系統傳遞的初始對準，仿真結果也表明，該方法不僅可以保證精度，而且可以有效縮短系統的求解時間，為了提高系統的實時性。

4.2艦載機組合導航技術

綜合航海是近代導航理論和現代科學技術發展的必然產物。每個單獨的導航系統都有特殊的性能和限制。一些功能不同的單體系統可以組合，不同的數據源可以相互補償，形成數據冗余、導航精度更高的多功能系統。目前，開發的主要方法有慣性組合導航系統/衛星、慣性混合制導系統/多普勒、慣性制導系統/橫向和慣性制導系統/天文導航系統。然而，近年來，視覺定位由于其自主性、經濟性和可靠性，已成為組合導航策略應用領域的研究重點，由于采用了多種綜合制導方法，將視覺制導作為輔助制導工具。

以一種采用聯邦濾波技術的INS/GPS/CNS組合導航算法為例，仿真結果表明，該算法可以顯著提高整個控制系統的導航精度。此外，專家們還提供了復合導航技術系統/INS。針對無人機飛行著陸過程中目標視頻識別的主要技術問題，重點研究了無人機目標識別過程中目標圖像采集的關鍵技術，選擇了三個相對可行的目標圖像數據獲取方式，并建立了圖像坐標系統與經緯儀轉角之間的數學聯系，最后通過實驗證明獲得了令人滿意的結論。或者以GPS/捷聯慣導融合高程表的無人飛行器為主引控制系統，以及通過在艦艇軌道上自控發送紅外線照射合作目標的以電腦視覺/捷聯慣導融合高程表為輔的無人飛行器主動著艦導引方法，從而達到了無人飛行器的主動或高精度著艦引導。此外本文還設計了一個采用的交互式多模自適應融合濾波處理算法，來克服EKF控制系統在模型不確定時存在的魯棒性較差、精確度低問題，而模擬結果則顯示該方法可以大幅度提高INS/GPS系統的引導定位精度。

4.3艦載機視覺導航定位

計算機視覺導航定位是利用對視野感應器獲取的圖像進行數據處理與解析，進而獲取位置參數的一項技術手段，其具備獲取數據信息量大、絕對獨立和無源性等優勢。目前，對艦載機圖像視覺導航定位的重要研究方式可總結以下，在從得到的著艦點圖片中，抽取為著艦點預先設定的特征點，再通過對應于圖片序列中的特征點測算出飛行器的運動狀況，以及相應著艦點的實際位置。

計算機視覺引導與定位技術已經在很多場合獲得了廣泛應用，比如智能機器人、高速公路交通、車輛的安全駕駛，以及無人飛行器自主著陸。比如一個使用了卡爾曼濾波對捷聯慣導和圖像信號采用了混合的方案，并提供了誤差方程，還對無人飛行器的入場流程提供了模擬。結果顯示，該方案能夠改善無人飛行器在進入流程中的位置準確度，尤其對低高度方向的定位準確度有較大改善。還有專家提供了與飛機并行的圖像匹配導航算法，該方案在幾何畸變、噪音影響和部分遮擋的情形下，具有很強的魯棒特性。另外，也有專家指出了以紅外視覺導航為主的導航系統，并根據高度表實現著艦，可以首先發現了軍艦上的三個特征點，進而通過三點法識別，從而測算出了無人駕駛航空器的姿態角。又或者以視覺導航為輔助引導，并根據HLA對艦載機的著艦流程作出了模擬，最后認為該控制系統能夠支持飛機駕駛員在夜間著艦，從而大大提高了艦載機著艦的穩定能力。

5結語

艦載機作為在航母上自由起落的飛行器，其性能直接決定了航母的戰斗力，所以艦機融合導航技術的發展是至關重要的。而本文通過闡述當下艦機融合導航技術的問題和對策進行了簡單的分析，希望能為相關人員提供一些新的思路。

參考文獻：

[1]魏慶. 展望未來航母發展趨勢[J]. 當代海軍， 2011.

[2]汪成華. GPS導航技術及其在艦載機自動著艦中的應用[J]. 大眾科技， 2005（07）：22-23.