艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展過程中問題及對(duì)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(jī)，其行動(dòng)性能直接決定了航空母艦控制的有效性，因此發(fā)展艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)非常重要。因此，本文針對(duì)艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和討論，并嘗試找出相應(yīng)的對(duì)策，希望能提供一些新的思路。

關(guān)鍵詞：艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù);問題;對(duì)策

航空母艦按其所承擔(dān)的作戰(zhàn)主要任務(wù)，可分成進(jìn)攻型、反潛型和多用途型等，但不管它擔(dān)負(fù)著什么作戰(zhàn)主要任務(wù)，艦載機(jī)都是它最主要的作戰(zhàn)動(dòng)力，這也就是飛機(jī)母艦和驅(qū)護(hù)艦之間還有其他主要水面艦艇的本質(zhì)區(qū)別。航母艦載機(jī)作戰(zhàn)潛力的發(fā)揮，主要取決于艦機(jī)融合的成功程度，所以，艦機(jī)融合已經(jīng)成為評(píng)判航空母艦優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵因素。

1艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)的重要性

航母是當(dāng)今世界上具有最強(qiáng)大綜合戰(zhàn)斗力的海軍"鋼鐵堡壘"，具有全方位的戰(zhàn)斗對(duì)抗能力，依靠艦載機(jī)的巨大行動(dòng)力量可將艦隊(duì)的行動(dòng)半徑拓展至數(shù)百公里，對(duì)壓制敵人空軍和海洋力量具有重大意義。而艦載機(jī)飛行員也被看作是進(jìn)行當(dāng)今世界上最具危險(xiǎn)性的職業(yè)，在為艦載機(jī)進(jìn)行了戰(zhàn)斗、培訓(xùn)、偵查等各項(xiàng)任務(wù)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(duì)飛行員個(gè)人技能和生存都是極大的挑戰(zhàn)。和陸基的飛機(jī)著陸比較，艦載機(jī)在甲板上著艦比較難，這主要是因?yàn)楹侥甘且环N高度有限的海洋漂浮平臺(tái)，艦載機(jī)降落在艦船上時(shí)，對(duì)垂直面上的下降跑道控制技術(shù)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(fā)展歷史、船舶的牽引力和飛行機(jī)組的飛行，它們都可能導(dǎo)致航跡控制的技術(shù)錯(cuò)誤，而不會(huì)降落在預(yù)定的著陸點(diǎn)，導(dǎo)致著陸錯(cuò)誤，或造成嚴(yán)重事故。艦載機(jī)的著艦方法為目視檢查著艦，能見度達(dá)到五公里之上。當(dāng)艦載機(jī)開始著艦時(shí)，在航母上空按正方形路線開始左回旋飛，此時(shí)的航母處于正方形的最右側(cè)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(jù)統(tǒng)計(jì)，艦載機(jī)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(zhàn)機(jī)飛行員的十倍。美軍戰(zhàn)斗機(jī)在進(jìn)行艦載機(jī)著艦工作過程花費(fèi)了很大時(shí)間代價(jià)，共摔落了近百架飛機(jī)。同時(shí)為了減少艦載機(jī)的著艦事故率，提高著艦安全和可靠性，人類不斷研發(fā)各類艦載機(jī)的著艦導(dǎo)航裝置以提高艦載機(jī)著艦的穩(wěn)定性，所以，艦載機(jī)著艦導(dǎo)航和定位系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)也始終是中國國內(nèi)外科研的重點(diǎn)。

2艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展過程

2.1人工著艦引導(dǎo)

最早搭載飛機(jī)的美國船只大多是槳翼戰(zhàn)斗機(jī)。由于其體積小、材料輕、速度慢，戰(zhàn)斗機(jī)的著陸和展開距離不長。1911年1月18日，當(dāng)美國飛行員伊利第一次登上賓夕法尼亞巡洋艦時(shí)，使用的著陸橋是一個(gè)36米長9.6米寬的傾斜木質(zhì)平臺(tái)。由于著陸速度較低（111-167km/h），留給機(jī)組人員的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長。憑借出色的駕駛技能，并通過停止剎車，機(jī)組人員可以安全著陸。直到20世紀(jì)50年代初，美國政府海上始終采取"示牌進(jìn)行"的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。由站立在戰(zhàn)斗機(jī)甲板尾翼左邊的著艦指揮員（LSO），用顯眼的彩色信息標(biāo)牌，向進(jìn)艦的艦載機(jī)發(fā)送消息，并通報(bào)其進(jìn)艦的優(yōu)劣與誤差。當(dāng)艦載機(jī)靠近船尾時(shí)，由LSO向飛機(jī)駕駛員發(fā)出信號(hào)，并指令飛行員關(guān)掉發(fā)電機(jī)并誘導(dǎo)戰(zhàn)斗機(jī)著艦。

2.2光學(xué)助降技術(shù)

鑒于海上條件復(fù)雜多變，在惡劣天氣條件下，如多云天氣、風(fēng)暴或大霧，LSO也難以勝任艦載飛機(jī)的駕駛和著陸。因此，如何確保艦載飛機(jī)的著陸就成為了一個(gè)亟待解決的問題。最初，艦載飛機(jī)采用了助光下降鏡系統(tǒng)。這實(shí)際上是一個(gè)巨大的反射器，它位于飛機(jī)斜著陸點(diǎn)的一側(cè)，在尾部有一個(gè)特定的光源。光在反射設(shè)備上發(fā)射，然后通過反射器反彈到空氣中，為飛行員a創(chuàng)造一個(gè)滑動(dòng)的下光面。當(dāng)飛行員駕駛狩獵下降時(shí)，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(dǎo)飛行員正確降落在駕駛臺(tái)上。目前，制導(dǎo)光學(xué)著陸輔助裝置方案還包括菲涅耳光學(xué)著陸輔助裝置方案和遠(yuǎn)程激光著陸輔助裝置方案。菲涅耳光學(xué)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(diǎn)是其作用距離短，容易造成霧和其他天氣損害。由于光伏發(fā)電科技的迅速發(fā)展，20世紀(jì)80年代末，西方船舶也開始開發(fā)使用激光、紅外和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的著陸制導(dǎo)系統(tǒng)。例如，1996年9月，位于馬里蘭州的美國航空部nawcad對(duì)菲涅爾IFOLS系統(tǒng)的改進(jìn)進(jìn)行了技術(shù)評(píng)估。Ilols具有輸出功率高、發(fā)散角小、單色性好、通過激光發(fā)射器產(chǎn)生的光柱工作距離長等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了整個(gè)制導(dǎo)系統(tǒng)的安全性和可持續(xù)性。

3艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)

3.1艦載機(jī)下滑過程軌跡穩(wěn)定性

3.1.1要求飛機(jī)的著艦精度高

航母和陸上飛機(jī)場(chǎng)相比允許的著陸范圍小得多，而航母由于處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，著艦點(diǎn)的精確度對(duì)飛行員的著艦安全影響較大，所以規(guī)定艦載機(jī)的著艦精確度比常規(guī)陸基戰(zhàn)斗機(jī)要高得多。

3.1.2艦載機(jī)的著艦狀況復(fù)雜

和陸上機(jī)場(chǎng)比較，艦載機(jī)的著艦狀況要復(fù)雜得多。首先航母并沒有一個(gè)穩(wěn)定的位置，在大海中也是處在六自由度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。再者，它的著艦區(qū)域的內(nèi)部流場(chǎng)狀況也就復(fù)雜得多，除了陸基飛機(jī)上所要顧及的大湍流、陣風(fēng)和風(fēng)切變影響之外，還要顧及航母運(yùn)動(dòng)到尾端時(shí)所形成的巨大的尾流影響，而現(xiàn)在的航母的主要著艦區(qū)域也都是在斜角甲板區(qū)，即在無大風(fēng)的狀況下也存在著側(cè)斜氣流。

3.1.3飛機(jī)本身的軌跡穩(wěn)定性差

飛機(jī)軌道的穩(wěn)定性主要取決于飛機(jī)雙極曲線的特性，根據(jù)速度變化規(guī)律，一般飛機(jī)的飛行速度越低，軌道穩(wěn)定性越大。當(dāng)飛機(jī)的飛行速度低于最小阻力速度時(shí)，由于飛機(jī)處于軌道的不穩(wěn)定區(qū)域，飛行速度遠(yuǎn)低于最小阻力速度，因此飛機(jī)的軌道不穩(wěn)定性更大。為了滿足航空母艦的著陸要求，現(xiàn)代飛機(jī)在船上的著陸速度通常比傳統(tǒng)的陸地著陸要慢得多。為了保持高速性能，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)通常使用小展弦比機(jī)翼，導(dǎo)致其低速彈道穩(wěn)定性差。

3.2艦載機(jī)著艦狀態(tài)與陸地機(jī)場(chǎng)著陸截然不同

為降低艦載機(jī)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(jìn)場(chǎng)造成了飛機(jī)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(tài)。此時(shí)就要求飛行員必須反復(fù)操作，而操控飛行員的空間也十分狹小，這對(duì)飛行員的駕駛技術(shù)達(dá)到了苛刻的要求。

3.3航母平臺(tái)的定位實(shí)時(shí)變化

航空母艦平臺(tái)是一種活動(dòng)基座，飛機(jī)駕駛員必須時(shí)時(shí)按照平臺(tái)的動(dòng)作情況靈活地調(diào)節(jié)飛機(jī)軌跡和姿勢(shì)，以及飛機(jī)駕駛員和航空母艦上所處的各種動(dòng)作環(huán)境，決定了在航母著艦時(shí)是對(duì)艦載機(jī)飛行員的真正考核。最后一種難度是，飛機(jī)著艦后，因?yàn)楹侥缚臻g的局限，且攔阻索可以設(shè)置在二至三股，所以必然出現(xiàn)攔阻不成功的狀況，除了要求飛機(jī)駕駛員應(yīng)該具有準(zhǔn)確著艦的力量外，還應(yīng)該具有瞬間判斷的力量，可以及早出現(xiàn)掛鉤攔阻失效，并很快地作出復(fù)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(jī)每一次起降，都是風(fēng)險(xiǎn)重大，將其形容為"刀尖上的舞蹈"一點(diǎn)兒也不為過，這也意味著優(yōu)秀的導(dǎo)航技術(shù)是機(jī)艦融合過程中極為重要的一環(huán)。

4艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)難點(diǎn)對(duì)策探討

4.1艦載機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

目前，航空母艦使用的導(dǎo)航系統(tǒng)通常包括慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。由于慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)在進(jìn)入正常導(dǎo)航模式前必須準(zhǔn)確地進(jìn)行搶占，因此可以說，對(duì)準(zhǔn)精度直接關(guān)系到航母飛機(jī)導(dǎo)航方向和位置的精度，也直接影響航母的飛機(jī)能否安全，正確地降落。機(jī)上飛機(jī)所在區(qū)域的自然環(huán)境復(fù)雜多變，可能產(chǎn)生各種影響，導(dǎo)致機(jī)上飛機(jī)與移動(dòng)基地慣性導(dǎo)航系統(tǒng)之間的初始對(duì)準(zhǔn)變得越來越困難。因此，基于移動(dòng)的精確反饋技術(shù)近年來已成為研發(fā)中心。

有關(guān)專家還提供了一些線性化方案，來解答艦載機(jī)的慣導(dǎo)控制系統(tǒng)在最大方位失準(zhǔn)角條件的速度傳輸與準(zhǔn)確問題。文章[3]給出了使用慣性空間中地球引力加速度數(shù)據(jù)信息的捷聯(lián)慣導(dǎo)主動(dòng)粗對(duì)齊方式，和采用模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波的主動(dòng)精對(duì)齊方式。仿真結(jié)果表明，基于該運(yùn)動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)慣性漂移導(dǎo)航方法能更有效地解決飛機(jī)在船臺(tái)下的初始對(duì)準(zhǔn)問題，并能實(shí)現(xiàn)勻速飛行。根據(jù)加速計(jì)故障的高頻特性與重力矢量低頻特性之間的相關(guān)性，或通過引入低通濾波器來破壞加速度測(cè)量中重力矢量的可信度，變速箱和慣性對(duì)準(zhǔn)在拖動(dòng)中執(zhí)行。該方案不提供最小的去對(duì)準(zhǔn)，不需要兩個(gè)粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)階段，而只需要上述對(duì)準(zhǔn)方法的一個(gè)步驟。仿真結(jié)果表明，雖然該方法收斂速度很快，但對(duì)準(zhǔn)精度并沒有明顯提高。如果艦載移動(dòng)基地對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是基于波浪變化和人工智能設(shè)計(jì)的，仿真結(jié)果顯示，使用小波變換系數(shù)和人工智能方式進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)具有很好的變化魯棒和更多的準(zhǔn)確度。而混用專家則利用速度和姿態(tài)快速傳遞的對(duì)準(zhǔn)方式，對(duì)艦射型捷聯(lián)慣導(dǎo)設(shè)備動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)控制系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)，結(jié)果顯示該方案具備較好的推廣能力。另外，通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞的初始對(duì)準(zhǔn)，仿真結(jié)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(tǒng)的求解時(shí)間，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4.2艦載機(jī)組合導(dǎo)航技術(shù)

綜合航海是近代導(dǎo)航理論和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。每個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)航系統(tǒng)都有特殊的性能和限制。一些功能不同的單體系統(tǒng)可以組合，不同的數(shù)據(jù)源可以相互補(bǔ)償，形成數(shù)據(jù)冗余、導(dǎo)航精度更高的多功能系統(tǒng)。目前，開發(fā)的主要方法有慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)/衛(wèi)星、慣性混合制導(dǎo)系統(tǒng)/多普勒、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)/橫向和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)/天文導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，近年來，視覺定位由于其自主性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，已成為組合導(dǎo)航策略應(yīng)用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，由于采用了多種綜合制導(dǎo)方法，將視覺制導(dǎo)作為輔助制導(dǎo)工具。

以一種采用聯(lián)邦濾波技術(shù)的INS/GPS/CNS組合導(dǎo)航算法為例，仿真結(jié)果表明，該算法可以顯著提高整個(gè)控制系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。此外，專家們還提供了復(fù)合導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)/INS。針對(duì)無人機(jī)飛行著陸過程中目標(biāo)視頻識(shí)別的主要技術(shù)問題，重點(diǎn)研究了無人機(jī)目標(biāo)識(shí)別過程中目標(biāo)圖像采集的關(guān)鍵技術(shù)，選擇了三個(gè)相對(duì)可行的目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)獲取方式，并建立了圖像坐標(biāo)系統(tǒng)與經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)角之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，最后通過實(shí)驗(yàn)證明獲得了令人滿意的結(jié)論。或者以GPS/捷聯(lián)慣導(dǎo)融合高程表的無人飛行器為主引控制系統(tǒng)，以及通過在艦艇軌道上自控發(fā)送紅外線照射合作目標(biāo)的以電腦視覺/捷聯(lián)慣導(dǎo)融合高程表為輔的無人飛行器主動(dòng)著艦導(dǎo)引方法，從而達(dá)到了無人飛行器的主動(dòng)或高精度著艦引導(dǎo)。此外本文還設(shè)計(jì)了一個(gè)采用的交互式多模自適應(yīng)融合濾波處理算法，來克服EKF控制系統(tǒng)在模型不確定時(shí)存在的魯棒性較差、精確度低問題，而模擬結(jié)果則顯示該方法可以大幅度提高INS/GPS系統(tǒng)的引導(dǎo)定位精度。

4.3艦載機(jī)視覺導(dǎo)航定位

計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)航定位是利用對(duì)視野感應(yīng)器獲取的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與解析，進(jìn)而獲取位置參數(shù)的一項(xiàng)技術(shù)手段，其具備獲取數(shù)據(jù)信息量大、絕對(duì)獨(dú)立和無源性等優(yōu)勢(shì)。目前，對(duì)艦載機(jī)圖像視覺導(dǎo)航定位的重要研究方式可總結(jié)以下，在從得到的著艦點(diǎn)圖片中，抽取為著艦點(diǎn)預(yù)先設(shè)定的特征點(diǎn)，再通過對(duì)應(yīng)于圖片序列中的特征點(diǎn)測(cè)算出飛行器的運(yùn)動(dòng)狀況，以及相應(yīng)著艦點(diǎn)的實(shí)際位置。

計(jì)算機(jī)視覺引導(dǎo)與定位技術(shù)已經(jīng)在很多場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用，比如智能機(jī)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(gè)使用了卡爾曼濾波對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)和圖像信號(hào)采用了混合的方案，并提供了誤差方程，還對(duì)無人飛行器的入場(chǎng)流程提供了模擬。結(jié)果顯示，該方案能夠改善無人飛行器在進(jìn)入流程中的位置準(zhǔn)確度，尤其對(duì)低高度方向的定位準(zhǔn)確度有較大改善。還有專家提供了與飛機(jī)并行的圖像匹配導(dǎo)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(qiáng)的魯棒特性。另外，也有專家指出了以紅外視覺導(dǎo)航為主的導(dǎo)航系統(tǒng)，并根據(jù)高度表實(shí)現(xiàn)著艦，可以首先發(fā)現(xiàn)了軍艦上的三個(gè)特征點(diǎn)，進(jìn)而通過三點(diǎn)法識(shí)別，從而測(cè)算出了無人駕駛航空器的姿態(tài)角。又或者以視覺導(dǎo)航為輔助引導(dǎo)，并根據(jù)HLA對(duì)艦載機(jī)的著艦流程作出了模擬，最后認(rèn)為該控制系統(tǒng)能夠支持飛機(jī)駕駛員在夜間著艦，從而大大提高了艦載機(jī)著艦的穩(wěn)定能力。

5結(jié)語

艦載機(jī)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(zhàn)斗力，所以艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展是至關(guān)重要的。而本文通過闡述當(dāng)下艦機(jī)融合導(dǎo)航技術(shù)的問題和對(duì)策進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，希望能為相關(guān)人員提供一些新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏慶. 展望未來航母發(fā)展趨勢(shì)[J]. 當(dāng)代海軍， 2011.

[2]汪成華. GPS導(dǎo)航技術(shù)及其在艦載機(jī)自動(dòng)著艦中的應(yīng)用[J]. 大眾科技， 2005（07）：22-23.