直升機(jī)空中領(lǐng)航方法發(fā)展展望

杜曉凱　郭昕　劉國華

摘要：文章對現(xiàn)有常用領(lǐng)航方法的優(yōu)、缺點作了總結(jié)，對未來領(lǐng)航裝備技術(shù)的發(fā)展方向和標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了分析，提出了在未來作戰(zhàn)、非戰(zhàn)爭軍事行動任務(wù)中直升機(jī)領(lǐng)航的幾種方法。

關(guān)鍵詞：空中領(lǐng)航；方法；發(fā)展

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）06-0202-02

領(lǐng)航方法是直升機(jī)空中領(lǐng)航的重要組成部分。在飛行過程中，要想使直升機(jī)沿著預(yù)定的航線安全、準(zhǔn)確、準(zhǔn)時地飛到目的地，飛行員就需要綜合運用各種領(lǐng)航設(shè)備和合適的領(lǐng)航方法來引導(dǎo)直升機(jī)航行。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種領(lǐng)航裝備和方法的不斷涌現(xiàn)，直升機(jī)空中領(lǐng)航工作也越來越簡單、便捷。

一、直升機(jī)空中領(lǐng)航基本方法

研究領(lǐng)航方法的目的就是為了解決直升機(jī)飛往預(yù)定點的航向、時間和位置等領(lǐng)航基本問題。圍繞這一目的，領(lǐng)航理論與裝備不斷發(fā)展，領(lǐng)航方法日新月異。目前比較成熟且常用的直升機(jī)領(lǐng)航方法主要包括地標(biāo)羅盤領(lǐng)航、無線電領(lǐng)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航等。

1.地標(biāo)羅盤領(lǐng)航。根據(jù)航行儀表測得的參數(shù)，在利用地標(biāo)確定精確直升機(jī)位置的基礎(chǔ)上，運用直升機(jī)航行的客觀規(guī)律，推算直升機(jī)位置、應(yīng)飛航向和預(yù)達(dá)時刻，從而引領(lǐng)直升機(jī)領(lǐng)航的方法，叫地標(biāo)羅盤領(lǐng)航，也叫做推測結(jié)合地標(biāo)領(lǐng)航。缺點在于要受天氣、晝夜和地區(qū)等條件的影響。

2.無線電領(lǐng)航。利用無線電領(lǐng)航設(shè)備引領(lǐng)直升機(jī)航行的方法，叫無線電領(lǐng)航。這種領(lǐng)航方法在晝夜復(fù)雜氣象條件下，或者在缺乏地標(biāo)的地區(qū)都能使用，與地標(biāo)羅盤領(lǐng)航并列為飛行員必須掌握的兩種領(lǐng)航基礎(chǔ)方法。

3.衛(wèi)星導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航，是利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和機(jī)載終端確定直升機(jī)的位置，解算地速、時間、風(fēng)向風(fēng)速等領(lǐng)航參數(shù)，進(jìn)而解決飛行方向、時間、位置等領(lǐng)航基本問題，引領(lǐng)直升機(jī)航行的方法。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸完善，準(zhǔn)確度和可靠性不斷提高，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航為平臺的導(dǎo)航方法使用范圍越來越廣泛。

4.組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航是指把具有不同特點的兩種或兩種以上導(dǎo)航系統(tǒng)組合在一起，取長補短，為空中領(lǐng)航提供速度和位置等信息，以提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括GPS/慣性組合導(dǎo)航、GPS/雷達(dá)組合導(dǎo)航、慣性/多普勒導(dǎo)航雷達(dá)、慣性/地形輔助組合導(dǎo)航、多傳感器組合導(dǎo)航等。

二、直升機(jī)領(lǐng)航理論與技術(shù)的發(fā)展方向及需求

直升機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭、非戰(zhàn)爭軍事行動中承擔(dān)的任務(wù)越來越廣泛，作用和地位越來越重要，也對領(lǐng)航的范圍、精度、信息、可靠性等方面提出了更高的要求。

1.覆蓋范圍要廣。覆蓋范圍指的是一個面積或立體空間，是指導(dǎo)航臺發(fā)射的信號足以使機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備以規(guī)定的精度給出載體的位置。為了適應(yīng)任務(wù)需要，導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍至少要能包括任務(wù)區(qū)域，同時為了便于在更大范圍內(nèi)統(tǒng)一指揮、配合和支援，也為了直升機(jī)從基地到戰(zhàn)區(qū)的調(diào)動與航行，要求軍事導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍越大越好，直至覆蓋全球。

2.導(dǎo)航精度要高。導(dǎo)航系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)為運載體所提供的實時位置與運載體當(dāng)時的真實位置之間的重合度。導(dǎo)航系統(tǒng)為直升機(jī)提供實時的位置信息，是保證飛行安全的前提條件，尤其是在著陸飛行這一最容易發(fā)生事故的階段，要求導(dǎo)航信息的精度非常高，而且不隨時間、地點、高度和載體的動態(tài)而變化。

3.信息更新率快。導(dǎo)航信息更新率是指導(dǎo)航系統(tǒng)在單位時間內(nèi)提供定位或其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的次數(shù)，對更新率的要求與運載體的航行速度和航行階段有關(guān)系。導(dǎo)航信息除了位置之外還包括時間、速度和航向姿態(tài)等信息。信息的更新率直接影響著導(dǎo)航的精度，特別是依靠自動駕駛儀以實現(xiàn)自動化操作時，要求導(dǎo)航信息要有與飛機(jī)本身的動態(tài)條件和飛行操作實時且相當(dāng)?shù)母侣?，才能精確和平穩(wěn)地駕駛直升機(jī)。

4.可用性和可靠性高。直升機(jī)在復(fù)雜的地形、氣象環(huán)境等條件下執(zhí)行任務(wù)或需要執(zhí)行特殊任務(wù)時，要求導(dǎo)航系統(tǒng)能夠不受各種各樣因素的影響，為領(lǐng)航提供符合要求的導(dǎo)航信息。特別是在作戰(zhàn)環(huán)境中，導(dǎo)航系統(tǒng)必須具有抗干擾、反利用、抗欺騙和抗摧毀能力。

三、直升機(jī)空中領(lǐng)航方法發(fā)展展望

領(lǐng)航方法其未來的發(fā)展方向主要是采用組合式導(dǎo)航體制，將衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航的組合進(jìn)一步與地形輔助導(dǎo)航、地球物理導(dǎo)航等方式結(jié)合起來。

1.地球物理導(dǎo)航。所謂地球物理導(dǎo)航，首先要建立一個數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫中包含有地球上各地點的重力場的垂直傾斜和重力擾動數(shù)據(jù)，即存儲的是地球各地的三維重力矢量，稱作測地和地球物理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可由重力表或重力梯度儀以靜態(tài)或動態(tài)的方式收集，并形成地圖數(shù)據(jù)。地球物理導(dǎo)航和地形輔助導(dǎo)航在原理上十分類似，只是用的是重力矢量地圖數(shù)據(jù)，而不是地形地圖數(shù)據(jù)。

不過地球物理導(dǎo)航也有缺點。對于飛行來說，由于重力反常場的高頻分量隨高度而迅速消失，因而只有在低高度上才能獲得準(zhǔn)確的定位精度，而重力表和重力梯度儀都需要穩(wěn)定平臺和相應(yīng)的軟件，才能保持穩(wěn)定的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。另外一種用以確定重力矢量的正在研究的方法是，計算未經(jīng)補償?shù)膽T導(dǎo)和GPS兩者測出的加速度之間的差值。GPS測出的加速度是平臺的純加速度，而由未經(jīng)補償?shù)膽T導(dǎo)測出的加速度由平臺加速度矢量與重力矢量構(gòu)成，這個差值就是重力矢量。

2.地磁導(dǎo)航。近十多年來，由于GPS和慣導(dǎo)應(yīng)用的普及，采用真航向進(jìn)行導(dǎo)航的場合越來越多。然而軍事上仍然有廉價地提供磁北和維持地磁數(shù)據(jù)庫的需要，因為一些地圖是以磁北為基準(zhǔn)繪制的。獲得磁北的一種方法是用真北減去地磁數(shù)據(jù)庫中的磁差；另一種方法是用地磁儀實時測得。地磁導(dǎo)航就是把上述地磁的空間不規(guī)則性反過來利用而形成的?？梢园训卮艌霎?dāng)作一個天然的坐標(biāo)系，利用地磁場的測量信息來實現(xiàn)導(dǎo)航定位。按照地磁數(shù)據(jù)處理方式的不同，地磁導(dǎo)航分為地磁匹配與地磁濾波兩種方式。

所謂地磁匹配，就是把預(yù)先規(guī)劃好的航跡上末段區(qū)域某些點的地磁場特征量繪制成參考圖（或稱基準(zhǔn)圖）存貯在計算機(jī)中，當(dāng)直升機(jī)飛越這些地區(qū)時，由地磁匹配測量儀器實時測量出飛越這些點地磁場特征量，以構(gòu)成實時圖。在直升機(jī)上的計算機(jī)中，對實時圖與參考圖進(jìn)行相關(guān)匹配，計算出直升機(jī)的實時坐標(biāo)位置，供導(dǎo)航計算機(jī)解算導(dǎo)航信息。地磁匹配類似地形匹配系統(tǒng)，區(qū)別在于地磁匹配可有多個特征量。地磁匹配特點是原理簡單，可以斷續(xù)使用；在航行載體需要導(dǎo)航定位時，即開即用；對初始誤差要求低，導(dǎo)航不存在誤差積累；具有較高的匹配精度和捕獲概率，是一種較方便靈活的匹配方式。但是地磁匹配需要存儲大量的地磁數(shù)據(jù)。

地磁濾波的特點是，需要載體在較長一段時間內(nèi)連續(xù)遞推濾波導(dǎo)航定位，對初始誤差要求較高；如果飛行器的飛行軌跡在等磁線變化較為豐富的區(qū)域，則使用濾波修正導(dǎo)航偏差更為有效，其在一定時間內(nèi)既能提高濾波收斂速度，又能提高收斂精度。

3.其他導(dǎo)航方法。美國的防衛(wèi)先進(jìn)研究項目局（DARPA）及其他一些國家的政府機(jī)構(gòu)還在支持探索如下一些導(dǎo)航方法：（1）衛(wèi)星通信當(dāng)實現(xiàn)了高精度時間同步時，可以用三角定位法產(chǎn)生實時定位信息，這就有可能將衛(wèi)星導(dǎo)航與衛(wèi)星通信結(jié)合起來。事實上任何通信網(wǎng)絡(luò)，只要有足夠的帶寬實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步，便有可能同時提供導(dǎo)航功能。（2）將GPS與慣導(dǎo)的組合進(jìn)一步與地形輔助導(dǎo)航、地球物理導(dǎo)航及地磁地圖數(shù)據(jù)組合起來，則有可能為全世界用戶在各種動態(tài)、各種干擾環(huán)境和遮蔽條件下提供高精度的位置、速度和航跡。即便丟失了GPS信號時也是如此。這里相互耦合的程度、濾波次數(shù)和這些濾波器的狀態(tài)矢量數(shù)對精度起著重要作用。為此，組合導(dǎo)航技術(shù)、卡爾曼濾波技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和有關(guān)估值理論是正在著重研究的課題。（3）發(fā)展納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）傳感器。它的長處是，在構(gòu)建慣導(dǎo)時不再需要陀螺，而只用加速度計去感應(yīng)每個軸的線加速度和旋轉(zhuǎn)加速度。由于這種加速度計重量很輕，體積很小，因而可以進(jìn)一步實現(xiàn)慣導(dǎo)小型化。這里的一個關(guān)鍵問題是加速度計必須具有一定的檢測地球靈敏度；另一個是要有檢測量子噪聲電平的能力。

可以預(yù)見，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展，未來領(lǐng)航設(shè)備將逐步實現(xiàn)高度自動化、智能化和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合化，將廣泛采用激光、靜電等先進(jìn)技術(shù)和高速、大容量計算機(jī)，進(jìn)一步提高其領(lǐng)航精度。新的領(lǐng)航技術(shù)產(chǎn)生新的領(lǐng)航設(shè)備，新的領(lǐng)航設(shè)備必將推動新的領(lǐng)航方法的出現(xiàn)，促進(jìn)直升機(jī)空中領(lǐng)航水平的不斷提高，從而進(jìn)一步提高直升機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭、非戰(zhàn)爭軍事行動中的任務(wù)執(zhí)行能力。

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