艦載機全自動著艦系統頂層架構研究

耿延升 羅來彬 劉希美 王偉

摘要：以全自動著艦技術為研究對象，本文分析了著艦引導技術原理以及實現雷達引導自動著艦系統和差分衛星定位引導自動著艦系統架構的主要功能單元和要素，并基于差分衛星定位引導技術，發展出兩種多模式引導自動著艦系統架構，以彌補差分衛星定位引導自動著艦系統抗干擾能力弱、且高度對抗戰場環境下可能喪失關鍵功能的缺點。對所發展出的基于差分衛星定位引導技術的兩種架構進行了比較，結果表明，多模式引導架構1具有系統簡單、兼容性好的特點。研究工作對艦載機的全自動著艦系統頂層架構設計以及實現艦載機在航母上安全、有序、高效著艦具有一定的工程指導價值。

關鍵詞：艦載機；全自動著艦；頂層架構；多模式引導；差分衛星定位

中圖分類號：V271.492文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.001

艦載機是航母成為海軍重要作戰力量所依賴的主要裝備。然而完成艦載機在航母上的起降任務卻非常困難，而且極具風險。據統計，艦載機起飛、著艦階段是事故率最高的階段，起飛、進近、著艦階段時間僅占艦載機執行任務周期時間的4%，而發生的事故卻占整體事故數量的60%以上[1]。因此，實現艦載機和航母的匹配以及艦載機安全著艦一直是設計師們正在解決的問題。其中，全自動著艦技術最具代表性，并取得了一系列研究成果[2-12]。

全自動著艦技術是機載系統根據航跡偏差生成飛行控制指令，和飛機上的自動飛行控制系統以及油門機構聯合工作，在無須人工操縱的情況下，實現艦載機安全、有序、高效地著艦[13-14]。學者們針對全自動著艦技術現狀[6-11]、光電引導自動著艦[15]、返航著艦[16]、著艦縱向控制[17]、著艦系統建模與仿真[18]和著艦系統設計準則[19]等進行了研究，對全自動著艦技術系統架構的研究相對較少。

1著艦引導技術原理

著艦引導技術從基本原理上可以分為以下4類。

（1）由航空母艦上的設備發射生成可被感知的基準下滑道，如艦基微波著陸系統（MLS）、光學助降系統，原理上類似于陸基的儀表著陸系統（ILS）。飛機配備相應的設備，測量相對該“基準下滑道”的上下、左右偏差，實現最終進近的精確引導。

（2）航空母艦采用某種探測技術“觀測”艦載機，如著艦引導雷達、攝像/光電探測、激光探測等，原理上與陸基精密進近雷達類似。飛機上需安裝與探測器相協同的信標，由艦載探測設備對飛機（信標）進行相對位置探測，然后計算（包括坐標變換）求得飛機（攔阻鉤）相對于基準下滑道的偏差，實現著艦引導。此類著艦引導技術精度高于第一類，基本滿足最終進近全段精確引導的需要。當飛機距離甲板的高度低于探測器（如著艦雷達等）距離甲板的高度時，飛機上信標的高度低于探測器，導致探測器無法精確探測到飛機上信標的信號，不能對飛機實現準確定位。

（3）艦載機“觀測”航空母艦。飛機上配備探測器，進近時探測航母并識別著艦點、下滑道，求取縱向、橫向偏差。該技術已應用于無人機自動著陸。但是因航母是運動平臺，該技術無法從探測結果中剔除航母縱搖、橫搖造成的下滑道不穩定，故不能應用于引導艦載機著艦。

（4）航空母艦、艦載機在同一廣域坐標系下各自完成定位，再通過求矢量差得到二者的精確相對位置。在不局限于特定區域的茫茫大海上，該方法可用的廣域坐標系只能是大地坐標系，可用的定位方法只有衛星定位。為了引導飛機精密進近著艦，需要采用動態載波相位跟蹤技術的差分衛星定位技術。另外，為了滿足數據更新率要求，必須與慣導技術綜合應用。在求得精確相對位置的基礎上，計算得到飛機（攔阻鉤）相對于理想下滑道的偏差。

2全自動著艦引導技術

參考國內外研究、應用情況，達到基本成熟或初步驗證可行的全自動著艦引導技術包括：屬于第二類著艦引導技術的著艦雷達引導技術、綜合光電引導技術，以及屬于第四類著艦引導技術的動態載波相位跟蹤差分衛星定位技術。

從功能和能力方面分析，著艦雷達引導技術和綜合光電引導技術的系統架構、工作模式、功能和能力相當。二者的差異主要來自所采用的主傳感器：綜合光電引導使用的傳感器隱蔽性優于著艦雷達引導，但由于光學傳感器更易受環境影響和被污染，從而降低其有效作用距離，其環境適應性低于著艦雷達。此外，著艦雷達采用二次雷達體制，其輻射的電磁波信號能量不大、作用范圍很小（有效作用距離約18km），隱蔽性并不構成問題。而且，在成熟并裝備應用的著艦雷達系統的基礎上，新增綜合光電引導并不會帶來顯著的收益。因此，本文在第二類著艦引導技術中只討論著艦雷達引導技術。

（1）著艦雷達引導技術

著艦雷達引導技術屬于第二類著艦引導技術。它是使用著艦雷達測定飛機與航母的相對位置。為了精確定位飛機攔阻鉤相對理想下滑道的位置，采用雷達信標實現二次雷達技術以使著艦雷達鎖定飛機上的一個確定點。在原始雷達數據基礎上，進行數據穩定處理、航母坐標變換、飛機坐標變換，求解飛機（攔阻鉤）相對于理想下滑道的偏差，進行甲板運動補償，生成引導數據傳送至軌跡引導律，生成引導操縱指令傳送至著艦飛行控制律，控制飛機作動裝置/舵面的運動，實現全自動著艦閉環控制。

（2）差分衛星定位技術

差分衛星定位技術屬于第四類著艦引導技術。基于衛星導航系統，使用“動態載波相位跟蹤”差分衛星定位技術。系統工作時，航母、飛機兩個動平臺分別進行衛星定位，并獲得來自多個衛星的偽距、載波相位數據，以及各自的慣導數據，然后將二者的數據相結合，進行“動態載波相位跟蹤”差分衛星定位，得到航母（衛星天線）、飛機（衛星天線）的原始相對定位數據，定位精度可以達到厘米級。

在原始相對定位數據基礎上，與采用著艦雷達引導技術相似，進行航母坐標變換、飛機坐標變換，然后求解飛機（攔阻鉤）相對于理想下滑道的偏差，進行甲板運動補償，生成引導數據傳送至軌跡引導律，生成引導操縱指令傳送至著艦飛行控制律，控制飛機作動裝置/舵面的運動，實現全自動著艦閉環控制。F28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94

2.1雷達引導自動著艦系統架構

雷達引導自動著艦系統的總體架構如圖1所示。圖1中的主要功能單元和要素定義如下。

（1）航母運動狀態獲取。一般由艦載多套慣性導航系統負責，為自動著艦的重要交聯系統，不直接屬于自動著艦系統。為自動著艦系統提供航母運動參數（航行運動、浮沉、縱搖和橫搖等），有兩方面用途：一是對著艦雷達測得的飛機目標數據進行慣性穩定處理，隔離航母平臺的運動；二是用于甲板運動補償。

（2）著艦雷達是自動著艦系統的主要傳感器，搜索、跟蹤目標飛機，獲得在雷達傳感器坐標系下的初始相對位置參數。

（3）理想軌跡偏差計算。由艦載的計算機實現，利用艦載慣導系統獲得的航母運動狀態參數，對著艦雷達測得的初始相對位置參數進行穩定處理、航母坐標變換（由探測器坐標系轉換為理想著艦點坐標系）、飛機坐標變換（由傳感器信標轉換為攔阻鉤，需要輸入飛行型號），并計算求得飛機攔阻鉤相對于理想下滑軌跡的偏差，用于引導飛機自動進近和在顯控臺/飛機駕駛艙顯示。

（4）甲板運動補償。由艦載部分實現，在飛機即將著艦前引入著艦引導控制回路，利用艦載慣導系統獲得的航母運動狀態參數，對理想軌跡偏差進行甲板運動補償，輸出經補償的偏差數據，引導飛機的進近下滑與甲板運動實現同步。

（5）數據鏈。在航母、飛機之間建立信息傳輸鏈路，可不專屬于自動著艦系統。自動著艦系統經數據鏈由航母向飛機傳送軌跡偏差，用于引導飛機進近，并傳輸系統運行狀態、飛機飛行狀態、指令等信息，用于最終進近管制員、LSO和飛行員進行系統監控和控制。

（6）軌跡引導律。由機載自動飛行計算機（或功能軟件）實現，采用系統艦載部分經數據鏈傳來的軌跡偏差作為輸入，通過采用高度變化率、橫向位置變化率的引導律軟件（具有艦尾流抑制能力），生成飛行引導指令，用于飛機的飛行控制。

（7）著艦飛行控制律。由機載飛行控制計算機實現，采用來自軌跡引導律的引導指令，生成作動控制指令，控制飛機各飛行作動器-作動面運動，從而控制飛機運動，消除飛機相對于下滑道的偏差。

（8）艦載部分人機接口。包括艦載的最終進近管制員、LSO接口。

（9）飛機人機接口。

2.2差分衛星定位引導自動著艦系統架構

與上述第二類著艦引導技術不同，差分衛星定位技術不受艦載主傳感器的作用距離限制，系統作用范圍主要取決于數據鏈技術。由于數據鏈的作用距離較大，差分衛星定位引導可以覆蓋整個航母管制空域。通過增加作用距離更遠的歸航數據鏈，衛星定位還可以滿足飛機歸航的引導需要。

差分衛星定位引導自動著艦系統有兩種可選的總體架構。架構1是將差分衛星定位、理想軌跡偏差計算功能由艦載部分實現，以簡化系統、提高可靠性、降低費用和研制風險，但需要較高帶寬的數據鏈。架構2是把差分衛星定位、理想軌跡偏差計算功能在每架飛機上實現，這導致系統復雜性提高、可靠性下降，且研制費用和風險均增大，并增大了飛機質量、空間、改裝工作量等方面的壓力。

差分衛星定位引導自動著艦系統架構1如圖2所示。架構1中主要功能單元和要素定義如下。

（1）慣性導航系統/導航衛星接收機（艦載）是差分衛星定位的航母端傳感器，慣性導航與導航衛星組合獲得連續的高質量位置信息，同時由衛星接收機輸出多衛星偽距、載波相位信息，用于載波相位差分衛星定位。輸出甲板運動參數用于甲板運動補償和軌跡偏差計算。輸出的高質量位置信息和航行參數還用于歸航數據鏈發送。

（2）甲板運動補償（同雷達引導）。由艦載部分實現，在飛機即將著艦前引入著艦引導控制回路，利用艦載慣導系統獲得的航母運動狀態參數，對理想軌跡偏差進行甲板運動補償，輸出經補償的偏差數據，引導飛機的進近下滑與甲板運動實現同步。

（3）載波相位跟蹤差分衛星定位。由艦載系統實現，接收航母端衛星數據、經數據鏈傳來的飛機端衛星數據，進行載波相位跟蹤差分衛星定位處理計算，輸出母艦（衛星天線）與飛機（衛星天線）的精確相對位置，這是機-艦原始相對定位數據。

（4）理想軌跡偏差計算（同雷達引導）。由艦載系統實現，綜合航母運動參數，對差分衛星定位得到的原始相對定位數據進行處理，并進行航母坐標變換（由衛星天線坐標系轉換為理想著艦點坐標系）、飛機坐標變換（由衛星天線位置轉換為攔阻鉤位置），求得飛機攔阻鉤相對于理想下滑軌跡的偏差，經數據鏈發送至飛機用于進近引導，并在航母進近管制臺、LSO顯控臺和飛機駕駛艙顯示。

（5）著艦數據鏈。在航母、待回收飛機之間的信息傳輸鏈路，可覆蓋整個航母管制空域。經由該數據鏈，飛機向航母傳送衛星信息、航行信息用于衛星差分定位運算，航母向飛機傳送經計算得到的下滑軌跡偏差。該數據鏈還傳送艦、機航行參數、自動著艦系統工作狀態等信息，用于最終進近管制員、LSO和飛行員進行系統監控和控制。

（6）軌跡引導律（同雷達引導）。由機載自動飛行計算機實現，采用軌跡偏差作為輸入，通過采用高度變化率、橫向位置變化率的引導律軟件（具有艦尾流抑制能力），生成飛行引導指令，用于飛機的飛行控制。

（7）著艦飛行控制律（同雷達引導）。由機載飛行控制計算機實現，采用來自軌跡引導律的引導指令，生成作動控制指令，控制飛機各飛行作動器-作動面運動，從而控制飛機運動，消除飛機相對于下滑道的偏差。

（8）歸航數據鏈。是一個單通道廣播式低截獲概率數據鏈，可向370km外飛機提供基于衛星定位的母艦位置，用于引導飛機歸航，不直接用于自動著艦。F28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94

（9）飛行/任務管理。由飛機飛行管理或任務管理系統實現，在經歸航數據鏈獲得航母位置、航行參數之后，進行歸航規劃、計算，生成自動駕駛指令，引導飛機歸航。

（10）艦載部分人機接口（同雷達引導）。包括艦載的最終進近管制員、LSO接口。

（11）飛機人機接口（同雷達引導）。

差分衛星定位引導自動著艦系統架構2如圖3所示。架構2中主要功能單元和要素定義如下。

（1）慣性導航系統/導航衛星接收機（艦載），與架構1相同。

（2）甲板運動補償。由艦載系統實現，與架構1相同。但輸出的對理想軌跡偏差的補償數據需經數據鏈傳送至飛機端，由飛機端控制其接入。

（3）載波相位跟蹤差分衛星定位。由機載系統實現，這是與架構1的一個主要區別。接收來自數據鏈的母艦衛星數據、來自機載系統的飛機衛星數據，進行載波相位跟蹤差分衛星定位，輸出母艦（衛星天線）與飛機（衛星天線）的精確相對位置，這是自動著艦系統的相對定位原始數據。

（4）理想軌跡偏差計算。由機載系統實現，這是與架構1的又一個主要區別。求得的飛機攔阻鉤相對于理想下滑軌跡的偏差，直接在機上用于自動著艦控制和駕駛艙監控顯示，并經數據鏈傳送至航母用于進近管制和LSO監控。

（5）著艦數據鏈。在航母、飛機之間傳輸著艦信息。因系統功能劃分和架構不同，架構1和架構2在著艦數據鏈上傳輸的信息有顯著不同，這是兩種架構的核心區別所在。

（6）軌跡引導律（同雷達引導），與架構1相同。

（7）著艦飛行控制律（同雷達引導），與架構1相同。

（8）歸航數據鏈。與架構1相同。

（9）飛行/任務管理：與架構1相同。

3多模式引導全自動著艦系統頂層架構

與雷達引導自動著艦技術相比，差分衛星引導技術具有精度高、覆蓋范圍大、容量大、能夠為飛機回收各管制崗位提供透明的進近態勢等優勢。但是差分衛星作為技術基礎衛星，也存在定位易受干擾以及數據鏈技術具有開放性等特征，導致其抗干擾能力不足。在數據鏈故障情況下，系統不能完成差分衛星定位。這決定了僅采用差分衛星定位引導技術實現艦載機回收，在高強度戰場對抗環境中，可能會發生嚴重故障，喪失關鍵功能，導致系統完全不可用。

然而，考慮到著艦雷達的工作局限在航母鄰近的很小局部空間內，不像差分衛星定位那樣整個完整功能系統擴展到了包含衛星的外部空間，在高威脅強度環境中具有更強的生存性、適用性。而且著艦雷達可以獨自完成艦機的相對定位，不需要數據鏈的支持。可以通過著艦雷達彌補差分衛星引導技術的不足。

因此，基于雷達引導自動著艦系統和差分衛星定位引導自動著艦系統架構發展了以差分衛星定位引導技術為主的多模式引導自動著艦系統架構。將雷達引導、差分衛星引導的系統架構相綜合，以差分衛星定位引導為主用、以著陸雷達引導為備用，形成多模式引導自動著艦系統架構。

本節所討論的全自動著艦系統頂層架構基于以下配置，包括主用的基于導航衛星定位的歸航數據鏈（引導飛機歸航）和差分衛導自動著艦系統（引導飛機進場、進近和自動著艦），以及備用的塔康（引導飛機歸航、進場、進近）和雷達引導自動著艦系統（引導飛機自動著艦）。

3.1以差分衛星定位引導技術為主的多模式引導自動著艦系統架構

在對上述基于不同引導技術的系統架構設計中進行單元/元素的艦載、機載劃分時，已初步考慮了同時采用兩種引導模式的需求，軌跡引導律、著艦飛行控制律均由機載部分實現。按照差分衛星定位引導主用、著陸雷達引導備用進行多模式引導綜合，基于差分衛導架構1得到多模式引導全自動著艦系統架構1（簡稱多模式引導架構1），如圖4所示。在多模式引導架構1中，主要功能單元與圖1、圖2中基本相同，補充定義如下。

（1）雷達信標（機載）/著艦雷達+雷達數據穩定處理（艦載）。同雷達引導架構。其中，數據穩定處理屬于常規的雷達功能，故由著艦雷達單元綜合實現。所需航母平臺運動參數由艦載慣性/衛星組合導航系統提供。

（2）慣性導航系統+導航衛星接收機。同差分衛導架構1和架構2。采用衛星導航技術，航母、艦載機需分別配備，并進行慣性/衛星相組合，以利于進行載波相位跟蹤差分衛星定位的信號處理計算和提供連續的高精度差分定位。

（3）載波相位跟蹤差分衛星定位。同差分衛導架構1，由艦載系統實現。

（4）理想軌跡偏差計算。它是雷達引導架構、差分衛導架構1中相應單元的綜合，由艦載系統實現。該單元是多模式引導的核心，主要完成航母坐標變換、飛機坐標變換、軌跡偏差計算、引導技術模式選擇邏輯等功能。

（5）甲板運動補償。同雷達引導架構、差分衛導架構1和架構2。由艦載部分實現，同時負責適時在引導控制回路中引入甲板運動補償。

（6）數據鏈。著艦數據鏈同差分衛導架構1，傳輸內容可涵蓋雷達引導架構的數據鏈。歸航數據鏈同差分衛導架構1和架構2。

（7）飛行/任務管理。同差分衛導架構1和架構2，基于接收到的航母位置和航行數據進行水平導航，引導飛機歸航。

（8）軌跡引導律、著艦飛行控制律（含動力補償）。同雷達引導架構、差分衛導架構1和架構2。屬于機載系統的軌跡控制。

基于差分衛導架構2得到多模式引導全自動著艦系統架構2（簡稱多模式引導架構2），如圖5所示。87立在多模式引導架構2中，主要功能單元與圖1、圖3中基本相同，補充定義如下。

（1）雷達信標（機載）/著艦雷達（艦載）。同雷達引導架構。F28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94

（2）理想軌跡偏差計算（雷達）。同雷達引導架構。雷達數據穩定處理作為一項計算機數據處理任務，與理想軌跡偏差計算的其他單元一起，由同一臺計算機設備完成。所需航母平臺運動參數由艦載慣性導航/導航衛星的組合系統提供。

（3）雷達引導模式下的飛機坐標變換、甲板運動補償接入控制均由艦載部分實現。

（4）甲板運動補償。同雷達引導架構，輸出直接用于對雷達引導理想軌跡偏差進行修正，并經數據鏈傳輸至飛機用于對差分衛導理想軌跡偏差進行修正。

（5）慣性導航/導航衛星接收機。同多模式引導架構1、差分衛導架構1和架構2。航母、艦載機需分別配備。

（6）載波相位跟蹤差分衛星定位。同差分衛導架構2，由機載系統實現。

（7）理想軌跡偏差計算（差分衛星）。同差分衛導架構2，由機載系統實現。

（8）引導技術模式選擇邏輯。采用多模式引導后新增的邏輯功能單元，由機載系統實現。選擇邏輯功能主要包括：依據著艦雷達系統工作狀態和探測得到的目標軌跡質量，判斷雷達引導的可用性；依據航母和飛機導航衛星數據可用性、系統工作狀態和探測得到的目標軌跡質量，判斷差分衛星引導的可用性；對兩種引導模式的軌跡偏差自動交叉檢查，進行多模式運行狀態監控。該邏輯判斷由機載系統自主、獨立完成，通過執行設定的判斷邏輯，選定雷達引導軌跡偏差、差分衛導軌跡偏差之一，用于引導艦載機自動著艦，并經數據鏈向艦載系統報告。

（9）數據鏈包括著艦數據量和歸航數據鏈。

（10）飛行/任務管理。同多模式引導架構1、差分衛導架構1和架構2，基于接收到的航母位置和航行數據進行水平導航，引導飛機歸航。

（11）軌跡引導律、著艦飛行控制律（含動力補償）。同多模式引導架構1、差分雷達引導架構、差分衛導架構1和架構2。屬于機載系統的軌跡控制。

3.2多模式引導自動著艦系統兩種架構的比較

在3.1節兩種多模式引導自動著艦系統架構的基礎上，對差分衛導架構1、架構2進行了研究和對比，所得結果如下。

（1）功能單元配置不同

在差分衛導架構1中，載波相位跟蹤差分衛星定位解算、理想軌跡偏差計算、甲板運動補償接入控制由艦載系統實現，為所有艦載機的引導著艦所共用。

在架構2中，載波相位跟蹤差分衛星定位解算、理想軌跡偏差計算、甲板運動補償接入控制由機載實現，為載機自身所用，在每架飛機上均需配置。

從整個航母以及多架艦載機的SOS視角來說，架構1比架構2簡單。相比架構2，架構1整個系統軟硬件配置數量少，系統簡單，整體可靠性高。

（2）著艦數據鏈傳輸能力需求不同

架構1需向艦載系統傳輸所有進場飛機的衛星數據（多衛星偽距和載波相位），因衛星數據量較大、批次回收艦載機數量較多，導致數據傳輸需求較大。

架構2需向所有進場飛機同時傳輸航母的衛星數據（多衛星偽距和載波相位），可采用廣播方式傳輸，故數據傳輸需求較少。

（3）多模式引導兼容性不同

差分衛導架構1與雷達引導架構具有最大的相似性，具有更好的多模式兼容性，便于綜合實現多模式引導。架構2與雷達引導架構的艦-機相對精確定位、理想軌跡偏差計算、甲板運動補償接入控制等核心單元的艦-機分配不同，綜合實現多模式引導的難度較大。另外，由于架構1中兩種引導模式的核心和主要部分均在艦上，在不同引導模式的判斷選擇、備份、轉換方面，比架構2更容易實現。

4結束語

雷達引導技術和差分衛星定位引導技術是目前已經達到基本成熟或初步驗證可行的全自動著艦引導技術。本文基于雷達引導自動著艦系統和差分衛星定位引導自動著艦系統架構發展了以差分衛星定位引導技術為主的多模式引導自動著艦系統架構。對基于兩種差分衛星定位引導技術架構為主的多模式引導自動著艦系統架構進行了比較。架構1數據傳輸量更大，但整個系統軟硬件配置數量少，系統簡單，整體可靠性高，并且具有更好的多模式兼容性。綜合來看，以差分衛星定位引導技術架構1為主的多模式引導自動著艦系統架構更優，可為全自動著艦技術的工程應用提供參考。

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Research on the Top-Level Architecture of the Automatic Carrier Landing System for Carrier Aircraft

Geng Yansheng，Luo Laibin，Liu Ximei，Wang Wei AVIC The First Aircraft Design Institute，Xian 710089，China

Abstract： Taking the technology in automatic carrier landing as the research object， this paper analyzes the technical principle of the automatic carrier landing and the main functional units and elements of the architecture to achieve radar guidance automatic landing system and differential satellite positioning guidance automatic landing system. Then， based on differential positioning guide technology， this paper develops two kinds of multi-mode guidance automatic landing system architecture to make up the disadvantages of the differential satellite positioning guided automatic landing system with weak anti-interference ability and the possible loss of key functions in battlefield environment. The two architectures based on differential satellite positioning guidance technology are compared. The results show that multi-mode guidance architecture 1 has the characteristics of simpler system and better compatibility. The research work has certain engineering guidance value for the top-level architecture design of automatic landing system of carrier-based aircraft and the realization of safe， orderly and efficient landing of carrierbased aircraft on aircraft carrier.

Key Words： carrier aircraft； automatic carrier landing； top-level architecture； multi-mode guidance； differential satellite positioningF28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94