航母舰载机着舰导航技术发展研究.pdf

第45卷第2 3期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.23Dec.,2023航母舰载机着舰导航技术发展研究李启军1，王擎宇1，高江炜，张鲲鹏（1.中国人民解放军9 2 9 42 部队，北京10 0 16 1；2.中国船舶集团系统工程研究院，北京10 0 0 9 4）摘要：舰载机着舰导航技术是保障舰载机在航母上安全着舰的关键技术。本文从舰载机着舰过程和着舰导航需求分析入手，结合舰载机导航技术发展历程，分别介绍了基于光学助降系统、雷达导航系统、光电导航系统和卫星定位系统的着舰导航技术，结合技术原理和适用特点对各类导航技术进行对比分析，对导航技术的发展趋势进行了展望，最后提出了基于多手段融合的舰载机着舰导航技术发展方向。关键词：航母；舰载机；着舰导航技术中图分类号：TJ83文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 3-0 2 0 6-0 6Development research of carrier-borne aircraft landing navigation technology(1.No.92942 Unit of PLA,Beijing 100161,China;2.System Engineering ResearchAbstract:To ensure the safe recovery of the aircrafts on the carrier,carrier-borne aircraft landing navigation techno-logy comes to the key.According to the process and requirements of carrier-borne aircraft landing,as well as the develop-ment process of carrier-borne aircraft navigation technology,the carrier-borne navigation technologies which bases on Fres-nel Lens optical landing system,radar navigation system,opto-electronic navigation system and satellite positioning systemwere introduced.Referring to the technical principle and applicable characteristics,a comparative analysis of the navigationtechnology above was made.The development trend of navigation technology was prospected,offering a development direc-tion of carrier-borne aircraft landing navigation technology based on multimeans fusion.Key words:carrier;carrier-borne aircraft;landing navigation technology0引言在舰面保障、起飞出动、空中作战、返航着舰的航母舰载机完整作战链条中，返航着舰是航母保持持续打击能力的重要环节，同时也是技术含量最高、事故率最高的环节。统计数据表明，舰载机事故有约80%是在着舰过程中发生的。20世纪6 0 年代以来，随着菲涅尔透镜、雷达、光电和卫星等导航技术的发展和应用!，舰载机事故率有所下降，但相比陆基飞机仍然很高。上述导航技术各有不同的适用性，采用单一导航手段往往无法安全覆盖实际着舰需求。发展基于多技术融合的着舰导航手段，能有效弥补单一导航技术的缺陷，大幅降低着舰事故率，显著提升航母作战能力与效率，将是未来收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 7作者简介：李启军（19 7 1-），男，硕士，高级工程师，研究方向为舰船航空保障技术。文献标识码：ALI Qi-jun,WANG Qing-yu,GAO Jiang-wei,ZHANG Kun-peng?Institute of CSSC,Beijing 100094,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.040舰载机着舰导航技术的重要发展方向。1舰载机着舰需求1.1舰载机着舰的主要影响因素相比陆基飞机，舰载机着舰困难更大、风险更高。制约舰载机安全着舰的主要因素有：1）有限的甲板长度。目前在役大型航母的甲板总长约30 0 m，能提供给舰载机着舰使用的降落区长约100m，不及陆基降落跑道的1/10。2）用于着舰的六自由度动平台。航母受海浪等环境因素影响会存在纵摇、横摇和升沉等运动，严重影响着舰航迹的稳定性。3）异常复杂的着舰区域气流场。航母的运动和上第45卷层建筑会对甲板上方和舰尾的大气流场环境产生很大的影响，形成特殊分布流场（见图1）。因着舰而低速飞行的舰载机极易受此流场严重干扰。图1航母甲板上方和舰的流场俯视图Fig.1Overhead view of air flow distribution on the deck andstern of an aircraft carrier上述因素相互交织大大增加了舰载机着舰的困难程度与风险等级。为保证成功着舰，须精确控制舰载机着舰轨迹，保持适当速度、姿态，对准甲板跑道中线，在预期着舰点着舰；着舰后须借助阻拦系统快速吸收舰载机动量，实现短距拦停；若拦停失败，舰载机还须能在有限甲板长度内完成加速，实现安全逃逸。1.2舰载机着舰过程舰载机着舰过程可分为引导、待机、进场和着舰4个阶段4，其空域划分如图2 所示。200 kn(370 km)50 kn(92.5 km)引导区20 kn(37km)3./kn(6.6km)进场区着舰区待机区图2 舰载机进场着舰过程空域划分图Fig.2Airspace divison during carrier-based aircraftapproach and landing舰载机进场着舰一般分为三类，也称I类、类和类回收。其中：I类回收工作条件为能见度9.3 km以上、云层高度9 14.4m以上；类回收工作条件为能见度9.3 km以上、云层高度9 14.4m与3 0 4.8 m之间；类回收工作条件为能见度、云层高度不满足类回收类型的情况和日落后1.5h至日出前1.5h之间的任何时刻。1.2.1I 类回收又称目视回收，舰载机从航母后方进入椭圆着舰航线，经初始阶段、转弯顺风阶段、转弯到最终进场阶段，飞向航母甲板中心线向后的延长线，截获最终进场航线，使下滑角、对中角及迎角接受闭环控制，李启军，等：航母舰载机着舰导航技术发展研究航母1.3舰载机着舰导航需求舰载机着舰导航主要有以下三方面需求：范围需求，应具有足以覆盖等待、进场及着舰区域的能力；环境适应能力需求，应具有在各种环境条件（如夜间、极端天气条件等）下及受到各种因素影响（如航母甲板运动、电磁干扰等）时为舰载机提供准确导航信息的能力；精度需求，应具有为舰载机和航母的航空飞行管制中心提供准确导航信息的能力，即能给出满足精度要求的航线信息与误差信息，以确保舰载机沿给定的航线飞行、准确降落在着舰区。2舰载机着舰导航技术早期的螺旋桨舰载机速度较低，着舰技术没有严格规范，着舰导航方式为LSO用“旗语”引导，通过显眼的彩色信号板告知其进舰的好坏和偏差。舰载机?207.进人最终进场阶段。此后，舰载机和飞行员接受着舰引导系统的引导信息以及LSO的纠偏指令，实现飞行状态量的精确控制，通过等角下滑技术（即舰载机在下滑道维持相同的下滑航迹角、俯仰角、飞行速度和下降速率，实现撞击式着舰）完成最终安全着舰。1.2.2II 类回收类回收是舰载机在天气状况不确定时所采用的过渡模式。舰载机进入航母10 nmile范围时，航母的航空指挥中心将根据能见度状况对后续着舰模式进行决策：如飞行员可看到航母，舰载机将切换到I类回收；如飞行员看不到航母，可操纵舰载机下降高度（但不能低于2 44m），如能发现航母，舰载机将切换到I类回收；如飞行员仍看不到航母，舰载机将切换到类回收。1.2.3 II 类回收类回收下的舰载机着舰过程包括3 个阶段：等待阶段，舰载机在离航母约2 5nmile处的等待路线（也称马歇尔路线，即飞行时长约6 min的逆时针椭圆型飞行路线、最低高度为18 2 8 m）盘旋等待，并在接收到进场指令后退出等待，沿航母航向进入进场阶段；进场阶段，舰载机降高飞行，降至约3 6 6 m高度时转为平飞状态。在距离航母约10 nmile处，舰载机起落架放下，扰流板、襟翼等开始工作，空速降低。在距离航母约6 nmile处，飞行员开始对着舰状态进行检查，并在距离航母约3 nmile处进人着舰阶段；着舰阶段，类似I类回收，舰载机和飞行员接受着舰引导系统的引导信息及LSO的纠偏指令，通过等角下滑技术完成安全着舰。208迈入喷气时代后速度大幅提升，光学导航取代“旗语”，进场着舰过程也更规范。之后，与雷达、光电、卫星相关的导航技术逐步发展并应用于航母。2.1菲涅尔透镜光学导航技术通过菲涅尔透镜光学助降系统（FLOLS）发出的光学下滑道帮助飞行员判断着舰时的下滑角度和高度偏差，从而及时纠正偏差以保证正确完成着舰动作的导航技术回。2.1.1技术原理FLOLS由基准灯组、瞄准灯组和其他辅助设施组成：基准灯组向飞行员指示理想下滑道、供其判断舰载机的相对位置；瞄准灯组透过菲涅尔透镜发出5层与理想下滑道平行的直线性极好的光坡面，在航母后方形成一定垂向张角的光学区域。当舰载机进人FLOLS作用范围内的下滑道时，飞行员目视观测瞄准灯组，根据所看到的“光球”与横排基准灯的相对位置，判断飞机是否在理想下滑道上并对飞机高度进行相应调整，如图3 所示。瞄准灯组1基准灯组100000080(1:00000000.图3“光球”与水平基准灯位置关系图Fig.3 Position relationship between the light ball andthe horizontal reference lamp2.1.2适用特点受限于甲板运动幅度，FLOLS只能工作在一定纵横摇范围内，无法适应恶劣海况。同时，飞行员视敏度的实际有效作用范围仅为0 0.7 5nmile，即在该范围内能感觉到明显的“光球”运动。但现代舰载机着舰速度很快，较短的目视范围留给飞行员校正飞机的时间很短，从而影响飞机安全着舰，这在夜间着舰时尤为明显。因此，FLOLS一般作为近程着舰导航系统使用，适用于目视手动着舰。2.1.3应用情况美军2 0 世纪6 0 年代研制出FLOLS并广泛装备于航母；9 0 年代研制出改进型菲涅尔光学助降系统（I FLO LS），最大的改进是增加了垂直灯箱数量，提高了光球图像锐度、亮度、稳定度和显示灵敏度，作用距离增至1.2 5nmile。I FLO LS于2 0 0 0 年3 月定型，舰船科学技术随后陆续安装于美当时在役航母，使用至今。21世纪初，美军又研制了“艾科尔斯”激光助降系统（ICOLS）。该系统包括激光助降和改进型光学助降装置两部分，激光助降工作原理与IFLOLS类似，但采用激光灯，作用距离达10 nmile以上，可提供远程进场着舰引导。2.2雷达导航技术利用安装于航母的着舰引导雷达系统，引导舰载机进入预定的进场着舰窗口，并按指定的进场着舰轨迹安全下滑着舰的导航技术。2.2.1技术原理舰载机经“塔康”无线电导航系统和进场控制雷达、舰载空中交通管制雷达接力导航至舰尾后方几千米或十几千米远的进场区空域后7 ，着舰引导雷达捕获并保持跟踪；着舰引导雷达测量数据经实时处理得出舰载机的运动参数，考虑风和航母运动的影响因素计算出着舰偏差信息与引导控制指令；信息与指令通过数据链发送至舰载机，以实现全自动或半自动着舰，或着舰时供飞行员监视使用。驾驶员看到的球2.2.2适用特点雷达导航技术较成熟，能在恶劣气象条件下使指示高度偏差用，作用距离远，能提供较高精度测量数据。但系统较为庞大，测控过程复杂，在最终着舰阶段定位精度有限，且易受电子干扰。另外，系统与舰载计算机和飞控系统的交联必然会产生时延；在无线电发射管制一时，系统的使用也将受到限制8 。因此，该技术往往与其他着舰导航技术密切配合使用，用于半自动和全自动控制着舰模式。2.2.3应用情况美军从2 0 世纪6 0 年代开始研制舰载机全自动着舰导航控制系统（ACLS）9 ，并不断改进提高：第1代产品AN/SPN-10于19 6 5年装备美军；第2 代产品AN/SPN-42于19 8 4年装备美军；新1代产品AN/SPN-46雷达10-1，其最大作用距离、精度、可靠性都得到进一步提升，实现了飞行员完全不干预的全自动着舰，并在实战中得到应用。2.3光电导航技术使用高分辨率电视、红外热像仪和激光跟踪等复合手段，为舰载机飞行员和LSO提供着舰导航信息的导航技术。2.3.1技术原理光电导航系统主要由红外跟踪器、光电瞄准线、激光测距仪组成。舰载机进场时，红外跟踪器靠舰用第45卷第45卷雷达引导而指向目标并捕获跟踪，随后光电瞄准线精确跟踪目标，同时启动激光测距仪测距，共同完成对舰载机的定位；定位信息经转换计算出舰载机与理想下滑线的偏差，作为导航信息传输给舰载机，以实现全自动或半自动着舰。2.3.2适用特点光电导航具有技术成熟、精度高、数据刷新率高、抗电磁干扰、多径效应能力强、体积小、重量轻等一系列技术优势，其有效作用距离介于雷达与常规光学助降系统之间，主要完成精密进近和着舰阶段的引导，是解决精密引导问题、保证舰载机安全着舰的重要手段。但光电设备在复杂气象条件下使用受限，因此，该技术往往与其他着舰导航技术密切配合使用，用于半自动和全自动控制着舰模式。2.3.3应用情况从2 0 世纪8 0 年代起，法、美先后推动光电引导系统研制工作：8 0 年代中期，法国研制出以激光跟踪测距仪、红外摄像仪和电视摄像仪为主体的“甲板进场着陆激光系统（DALLAS）”并装备于“福熙”号航母；19 9 7 年，美军提出并实施“进近着舰虚拟成像系统（VISUAL）”计划，旨在提高舰载机在复杂电磁环境、无线电静默条件下的使用率。2.4卫星导航技术通过全球定位系统（GPS）对舰载机位置和速度进行测量，以满足舰载机着舰需求的导航技术12-14。2.4.1技术原理舰载机同时接收舰载GPS信息、航母姿态与运动信息、机载GPS信息，解算出舰载机尾钩与理想着舰点的相对位置及参考航迹点，并发送给自动飞行控制系统和座舱仪器，用以实现全自动或半自动着舰，或在进场着舰时供飞行员监视使用。2.4.2适用特点卫星导航具有可全球覆盖、设备简单、通用性强等特点，同时可降低对舰岛安装尺寸和母舰电磁辐射特性的需求，特别适合于近距离的相对定位。目前GPS为美国垄断，包括我国北斗在内的卫星导航技术发展尚未完全成熟。同时，天基卫星易受干扰，自身安全性也受到严重挑战。因此，卫星导航先天不足，其可用性受到极大限制，不宜单独使用。2.4.3应用情况美国防部于19 9 6 年开始联合精密进近着陆系统（JPA LS）研究计划，旨在建设一个精确的、可快速部署的抗天气和地形影响、易存活、易维护、具有互李启军，等：航母舰载机着舰导航技术发展研究近距离导航精度较低气候适应能力差抗电子战能力强技术成熟程度高4导航技术展望概括来讲，未来导航技术的发展表现出以下3 个特点：1）无人机上舰对导航技术提出更高需求随着海上作战体系的发展，实现无人机上舰已成为海军装备发展的迫切需求15。相较于有人舰载机可以进行手动、半自动和全自动着舰，无人机只能采用全自动着舰模式，要求导航信号在着舰阶段全过程覆盖，且不能丢失或中断，这对导航技术提出了更高的需求。舰载无人机高度自主化的特性，决定了其着舰导航技术未来必将以确保高可靠性和长作用距离为首要目标：可靠的导航技术能够保障舰载无人机在现代战场的复杂电磁环境和未知气象环境下自主执行着舰作业；长作用距离能够保障导航信息在着舰过程中全程覆盖，大大提升舰载无人机的作战效能。2）新型导航技术发展助力舰载机着舰209.操作性的差分GPS着陆系统。根据美空、海军不同需求，JPALS发展了陆基和海基2 个不同的系统：LDG-PS本地差分GPS和SRGPS舰载相对GPS。2 0 0 1年4月，SRGPS着舰导航设备和F/A-18型舰载机在卡尔文森号航母进行了海上试验；2 0 19 年6 月，美海军授权雷声公司生产2 3 套“联合精密进近着舰系统”，装配11艘航母和8 艘两栖攻击舰。3对比分析结合光学导航技术、雷达导航技术、光电导航技术和卫星导航技术的工作原理阐述和适用特点分析，对4种导航技术的性能进行比较总结，如表1所示。表1各导航技术的性能比较Tab.1 Performance comparison of various navigation technologies光学导航技术雷达导航技术光电导航技术卫星导航技术半自动/对应着舰模式人工俯仰位置信息俯仰位置信息高度偏差信息方位位置信息方位位置信息着舰导航信息对中偏差信息距离信息速度信息舰载机图像信息有效作用距离远距离中强差高半自动/全自动半自动/全自动全自动垂向位置信息侧向位置信息距离信息高度位置信息中远距离全空域较高高中强强差高中210最新的卫星导航技术是使用捷联惯性导航系统（SI N S）与GPS组合而成的组合导航系统16)进行导航，既可工作在SINS或GPS单独导航模式，也可工作在GPS/SINS组合模式，提高了系统的亢余度。组合模式通过GPS提供较精确的位置和速度信息，实时估计并校正捷联惯性导航系统中随时间积累而产生的位置误差、速度误差以及其他参数误差，能提升导航系统的精度和可靠性。但受限于GPS服务的完好性、连续可用性、抗干扰性较差和惯性导航误差累积的缺点，任一系统失效时另一系统难以确保完全覆盖作战需求，故组合导航技术的穴余度和可靠性呕待提升。日全盲紫外成像着舰导航技术是一种新型光电导航技术，其原理是：利用2 40 2 8 0 nm波段的紫外光在近地表面存在盲区的特性，通过机载光电转塔内装的紫外成像设备对舰面信标图案进行成像，根据成像变形的程度反推舰机相对位置和姿态等信息，以实现精密着舰导航。相较于常规光电导航技术，该技术具有背景干净、破雾能力强、易于近距探测识别、抗干扰能力强、设备小巧等优点，对复杂气象条件的环境适应性更好，能够显著提升舰载机着舰导航系统的可靠性。但其测速、测角精度和测速、测距范围目前仍未覆盖各类机型的实际指标需求，往往作为着舰过程末端的导航手段与其他手段组合使用。视觉导航技术是计算机视觉技术兴起后出现的一种新型着舰导航技术3 6,3 9 ，其原理是在保持对舰船持续跟踪的基础上，通过对序列图像中舰船目标检测、目标匹配获取摄像设备和舰船的位姿关系，从而实现着舰导航。该技术所依托的视觉传感器具有轻便、低功耗、体积小等优点，且其工作波段远离当前电磁对抗的频率范围，具有精度适中、成本低等优点；缺陷在于要求在获取图像中确实存在舰船目标，对算法实时性要求较为苛刻，且视觉精度受能见度和高海况环境影响，难以单独使用。3）多种导航技术融合是着舰导航的发展趋势各类导航技术因工作机理不同带来性能指标存在着差异，单一导航手段难以满足所有性能指标需求。未来的导航技术，将以突破现有技术的各项缺陷为发展方向，以提升现有导航技术的抗干扰能力和环境适应性为发展重点。发展基于多技术手段融合的着舰导航技术，能够在充分发挥各导航技术优势的同时弥补单一技术的缺陷，同时确保某一导航手段失效时有其他手段备份，为舰载机安全高效率着舰乃至全天候全自动着舰的实现提供技术保障。舰船科学技术20世纪末，美国开始发展以“精确进近着舰系统”和仪表着舰系统为代表的“全天候着舰系统”和“联合精确进近着舰系统”，虽然都具备实现自动着舰的能力，但目前美航母舰载机很少全程采用全自动着舰导航，而是在距离较远时采用自动着舰系统进行导航，在最后阶段采用光学助降与自动着舰共同导航、飞行员主控的方式着舰，将多种技术手段融合使用，降低着舰风险，提高着舰的准确性。5结语舰载机的着舰作业是航母作战和训练的重要环节，基于光学助降系统、雷达导航系统、光电导航系统、卫星定位系统等常规着舰导航技术是保障舰载机在航母上安全着舰的关键技术。作为世界上航母以及舰载机技术最发达的国家，美国拥有较完备的着舰导航技术体系，手段多样，设备齐全，代表了着舰导航技术发展的最高水平。为达到航母遂行作战任务领域全球化的目的，舰载机的全天候全自动着舰技术成为美国当前的主要发展方向。相比人工与半自动着舰，全天候自动着舰技术能够克服低能见度、降雨雪等自然条件的影响，提升航母的作战效能，同时减轻飞行员的着舰飞行工作负荷，改善着舰安全性，提高着舰成功率，保障航母的作战效能。当前，随着无人机的广泛应用，世界主要海军强国都在大力发展舰载无人机。不同于有人舰载机，无人机着舰仅有全自动模式，对实现全天候自动着舰提出了更加紧迫的需求。在多型号舰载机、多型号舰船和多种作战场景的应用需求推动下，各项常规着舰导航技术得到了进一步发展，同时以捷联惯导和卫星组合导航、日全盲紫外成像导航、视觉导航等为代表的新型导航技术也在快速发展。目前，通过单一导航技术难以实现舰载机全天候全自动着舰，而基于多技术融合的着舰导航技术是实现全天候全自动着舰的技术基础。随着光电导航技术和卫星导航技术的发展成熟和广泛应用，航母着舰导航系统将逐步发展成为融合光学、雷达、光电和卫星导航等多种手段的着舰技术体系。光学导航技术可为舰载机最终进舰过程提供直观的偏差信息；雷达导航技术可在复杂气象条件下保障舰载机的安全着舰，具有较高的精度和可靠性；光电导航技术可在夜间、复杂电磁环境下保障舰载机安全着舰；卫星着舰引导作用范围广，可全程获取舰机相对位置数据。融合4种常规导航技术手段可保证舰载第45卷第45卷机在全天候、多环境、全过程中安全高效着舰。通过数据融合对4种技术提供的导航信息进行对比校验，可有效提高导航精度和导航信息可靠性。因此，应坚持多手段融合的着舰导航技术发展方向，采用“合分融”的工作思路，为实现全天候自动着舰提供技术支持。参考文献：1】武恒州,罗福平，石星辰，刘冰冰，连鑫.全自动着舰技术现状与发展趋势分析.飞机设计,2 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