光學助降引導(dǎo)系統(tǒng)在艦船上的發(fā)展與應(yīng)用

1 人工著艦引導(dǎo)

二十世紀五十年代以前，西方海軍通過著艦信號指揮官（LSO）手持光學指揮牌做旗語引導(dǎo)艦載機著艦[1]，這要求LSO的眼力和經(jīng)驗極好，同時要求飛行員在距艦很近且能看到旗語的前提下識別旗語含義。這種方式只適合早期的低速螺旋槳飛機，不適合高速艦載機。

2 早期光學著艦引導(dǎo)

2.1 鏡面光學助降系統(tǒng)（MOLS）

1952年，英國研制了MOLS，解決了高速艦載機著艦引導(dǎo)的難題。它利用大曲率凹柱反射鏡反射出白色光束，與并排的基準燈進行比對，若白色光束與基準燈并排則說明下滑率合適[1]。MOLS基座采用慣性穩(wěn)定控制系統(tǒng)，使下滑光波束在慣性空間中保持穩(wěn)定，但是該系統(tǒng)提供的下降坡面光柱容易發(fā)散，大氣能見度低時不能發(fā)揮太多作用。

2.2 菲涅爾透鏡助降系統(tǒng)（FLOLS）

60代初，英國在MOLS基礎(chǔ)上研發(fā)了FLOLS，指示原理與MOLS相似，但是菲涅爾瞄準燈提供的光學下滑道更加精確、穩(wěn)定。它提供5道有邊界的光波束，與海平面呈3.5°度角，上面是4道黃色光波束，最底層是1道紅色閃爍光波束，飛行員目視燈箱發(fā)出的“肉球”與基準燈之間的相對位置調(diào)整下滑高度。美軍首次將其應(yīng)用于“富蘭克林號”航母上，在很大程度上降低了著艦事故?！叭馇颉?、對中和攻角已經(jīng)成為著艦時必須要考慮的關(guān)鍵詞。但是在短距離內(nèi)完成高速對中下滑在的任務(wù)很容易出現(xiàn)偏差，F(xiàn)LOLS顯然不能滿足著艦需求。

3 光電技術(shù)發(fā)展

七十到八十年代末，微波、雷達等無線電引導(dǎo)技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，激光、紅外線、電視等光電引導(dǎo)技術(shù)趨向成熟。美國海軍研制了“全天候電子助降系統(tǒng)（AWCLS）”，利用艦上雷達跟蹤飛機并進行信號修正，引導(dǎo)艦載機實現(xiàn)全自動或半自動著艦。1983年，美軍為菲涅爾透鏡配備了先進目視回收系統(tǒng)（AVCARS）。燈陣分布在菲涅爾透鏡燈箱兩側(cè)，燈亮時形成向上或向下的箭頭表示下降速率[4]。如今下降速率可集成到HUD中，F(xiàn)LOLS不再配備該燈陣。九十年代后，衛(wèi)星導(dǎo)航著艦引導(dǎo)技術(shù)快速發(fā)展。光學助降系統(tǒng)逐漸完善，光學引導(dǎo)逐漸發(fā)展成為集無線電、光電于一體的復(fù)雜體系。

4 光學引導(dǎo)現(xiàn)狀

光學助降系統(tǒng)具有抗電磁干擾的優(yōu)勢，很多情況下，飛行員仍然需要目視光學引導(dǎo)快速著艦。其中美軍廣泛應(yīng)用的艾可爾斯改進型光學助降引導(dǎo)系統(tǒng)（ICOLS）代表了光學助降技術(shù)最先進水平。該系統(tǒng)于90年代初期提出，小鷹號艦、尼米茲級航母都應(yīng)用過這套系統(tǒng)。ICOLS由三部分組成：近程、中程和遠程引導(dǎo)系統(tǒng)。

4.1 近程指示系統(tǒng)

常規(guī)的菲涅爾透鏡指引范圍一般不超過0.75海里。1996年，美軍改進了菲涅爾透鏡助降系統(tǒng)（簡稱IFLOLS），工作方式與FLOLS相同，但是IFLOLS采用的是激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光束，具有功率高、發(fā)散小、傳播距離遠的特點。IFLOLS同樣安裝在飛行跑道三分之二處的甲板外側(cè)，瞄準燈燈室變?yōu)?2個，尺寸從50英尺增高到70英尺，燈室光束張角由0.34°改進為0.13°，提高了指示的靈活度，同時光束作用距離增加到1.25海里[5]。美軍現(xiàn)役菲涅爾系統(tǒng)有艦基AN/SPN-41、MK 14等。

4.2 中程對甲板中線引導(dǎo)系統(tǒng)

美軍在八十年代末為增加光學指引的距離提出中程對中引導(dǎo)燈陣，最大作用距離約為4-5海里。

（1）橫光帶對中燈陣（Cross bar）。分布在艦尾斜坡下方，由11個聚光燈組成，燈間隔約10英尺，中間為黃色閃光燈，左側(cè)為5個紅色燈，右側(cè)為5個綠色燈。當飛行員對中時，只有黃色燈亮起，當偏離中心線太左或太右時，兩側(cè)的燈就亮的越多，閃爍越快[5]。

（2）艦尾對中吊燈（Drop lights）。安裝在艦尾斜坡下方并延伸到海面，與跑道中線垂直，由13盞紅色的聚光燈組成，當飛行員偏離中心線太左或著太右時，甲板中心線與吊燈連線所組成的銳角張角越大，當對齊中心線時則呈一條直線[2]。相對于Drop lights， Cross bar的引導(dǎo)更加精確。

（3）首尾下滑頻閃指示器（ForeAft）。安裝在母艦左側(cè)甲板上，由兩個頻閃白熾燈組成，與跑道中心線平行，一個在菲涅爾透鏡前方250英尺，另一個在透鏡后方250英尺。發(fā)出紅色閃光時表示過低，白光表示較高，白色閃光表示過高，無光時表示高度合適。它要保證艦載機下滑斜率偏差在0.3°以內(nèi)[2]。

4.3 遠程激光對中引導(dǎo)系統(tǒng)

ICOLS光學引導(dǎo)系統(tǒng)最大的特點就是增加了遠程激光引導(dǎo)系統(tǒng)（LVLA），解決了常規(guī)光源光線射程不夠遠的缺點，夜間最遠視程能達到10海里。LVLA屬于Class 2級激光，對人眼安全，單色性好、發(fā)散度小、功率高。1994年首次在“星座號”母艦服役。

（1）LCL。激光對中指示器在跑道中線與艦尾交點的下方。是一種脈沖顏色編碼激光，提供以下滑基準線為中心，橫向光束張角12°光束厚度5°的光束視窗[5]。該系統(tǒng)提供7種指示模式：紅燈快閃-紅燈慢閃-穩(wěn)定紅燈-穩(wěn)定黃燈-穩(wěn)定綠燈-綠燈慢閃-綠燈快閃。當飛機在中心區(qū)域時黃色燈亮起，稍偏左時變?yōu)榧t色燈，較偏左時紅燈慢速閃爍，太偏時快速閃爍，偏右時綠燈以同樣模式工作。

（2）LGI。激光下滑指器示位于艦尾左側(cè)，能夠發(fā)出一道具有高顏色識別度的激光信號，提供下滑斜率信息。指示信號有五種模式，紅色閃光燈--較低需上升，穩(wěn)定紅燈-偏低，琥珀色-在下滑航線上，穩(wěn)定紅燈-偏高，綠色閃光燈-較高需降低。以下滑基準線為中心，縱向光束視窗約3°，光束厚度5°[5]。

美國海軍關(guān)于LVLA對中績效的訓練表明，LVLA能夠大幅度減少夜間著艦失敗的次數(shù)，被LSO稱為最重要的引導(dǎo)系統(tǒng)。著艦時，飛行員到達10海里左右處時可根據(jù)LVLA的遠程引導(dǎo)，控制飛行方位在橫向偏差6°，縱向偏差5°的范圍內(nèi)。進入4海里區(qū)域內(nèi)，中程對中下滑引導(dǎo)開始工作。飛至1.25海里內(nèi)，IFLOLS可以提供精確的下滑斜率信息。

光學引導(dǎo)系統(tǒng)在艦載機著艦過程中起到至關(guān)重要的作用，其中對人眼無害的激光發(fā)生器技術(shù)代表了光學助降系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，有望取代常規(guī)光源，并應(yīng)用于直升機母艦上。隨著我國航空事業(yè)的推進，完善光學助降系統(tǒng)，提高引導(dǎo)精度和距離亟待提上日程，ICOLS光學助降系統(tǒng)對我國的艦船引導(dǎo)研究具有重要參考價值。

參考文獻

[1]胡恩勇.光波束著艦引導(dǎo)系統(tǒng)研究[D].南京航空航天大學，2008.

[2]Pfeiffer F G. Beyond the Lens[J].1990.

[3]龔華軍，方芬，等.先進的目視回收光學助降系統(tǒng)縱向著艦精度[J].南京航空航天大學學報，2009，41（5）：677-681.

[4]NAVAIR 00-80T-104. NATOPS Landing Signal Officer Manual [S].Natops TNAT，2009.

[5]Laserline Corporation. Laser Visual Guidance Systems， California： Laser corporation，2008.