光電技術在艦載助降系統(tǒng)中的應用

張悅

【摘 要】通過對國外艦載機傳統(tǒng)光學助降系統(tǒng)和雷達全自動盲降系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的分析，提出了基于艦載光電跟蹤技術的助降系統(tǒng)的組成、配置、技術原理、技術指標，對光電助降系統(tǒng)中光電測量坐標系到甲板坐標系進行轉(zhuǎn)換，對光電助降系統(tǒng)的測量誤差和定位誤差進行建模，結(jié)合我國現(xiàn)有技術基礎，分析搖擺姿態(tài)角誤差、距離誤差、跟蹤測角誤差對光電助降系統(tǒng)定位精度的影響并進行仿真實驗，給出艦載機距著艦點距離大于1km和小于1km時光電助降系統(tǒng)的定位誤差。

【關鍵詞】光電跟蹤；光電助降系統(tǒng)；定位精度

引言

艦載機是航空母艦最具威懾力的重要載體，承擔著艦隊遠程偵察、打擊、防護、攔截、反潛、電子對抗等諸多任務。艦載機要在移動的、空間受限的航母飛行甲板上降落，難度是非常大的。為了保證飛機安全降落在短而窄的航空母艦的斜角甲板上，并準確地著艦，必須采取一些技術措施幫助飛行員觀察和降落。根據(jù)已裝備航母的技術特性、艦載機的技術要求，以及艦載無人作戰(zhàn)飛機未來上艦對全自動盲降的要求，本文在分析國外著艦成熟經(jīng)驗和技術的基礎上，開展高性能光電助降系統(tǒng)設備技術的研究。

1國外艦載機著艦引導裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

國外航母艦載機助降系統(tǒng)的現(xiàn)役裝備以美國為代表，存在著傳統(tǒng)光學助降系統(tǒng)、雷達全自動盲降系統(tǒng)等共存現(xiàn)象。

最初飛機降落設立了專門引導飛機著艦的引導官。然而，引導官引導飛機著艦時，引導官需要具有豐富的目測經(jīng)驗和敏捷的素質(zhì)。于是，人們開始尋找有效的引導飛機著艦的辦法，使用光學助降鏡。隨著艦載機的速度逐漸加快，反射式助降鏡越來越難以適應飛機著艦的需要。很快，英國研制成功了安放在航空母艦飛行甲板中部靠左舷“菲涅耳”透鏡式光學助降鏡。但是，它卻有個最大的缺點，即遇到陰雨霧云，常常顯得“力不從心”。為此，美國海軍不斷地改進完善傳統(tǒng)“爾科爾斯”光學助降系統(tǒng)，增加激光航向?qū)χ袃x和下滑角指示器以改善不良天氣的影響，增加光學助降系統(tǒng)引導作用距離。另外，美國海軍又開始在航母上安裝雷達助降系統(tǒng)，即全天候自動著艦系統(tǒng)。不過，雷達助降系統(tǒng)還是有與生懼來的缺點———易受電子干擾。

到20世紀80年代中期，法國利用其成熟的艦載光電火控技術，率先研制出以激光跟蹤/測距儀，紅外攝像儀和電視攝像儀為主體的“甲板進場著陸激光系統(tǒng)”（DALLAS）并裝備于“福熙”號航母。

1997年，美國海軍提出并實施了“進近著艦視頻成像系統(tǒng)”（VISUAL）計劃，旨在升級美國航母艦載機著艦引導、監(jiān)控和顯示系統(tǒng)。VISUAL傳統(tǒng)的艦載機光學助降系統(tǒng)經(jīng)過60年的發(fā)展與完善，無論從技術還是應用管理層面都已形成成熟、完整的體系，成為航母的標準配置。

通過對法國和美國的飛機著艦光電引導系統(tǒng)的分析可以看出，未來的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在實現(xiàn)多功能一體化，遠距離、高精度、高分辨率，采用多傳感器一體化，引導/監(jiān)視結(jié)構集成和眼睛安全激光。將光電著艦引導系統(tǒng)納入著艦引導體系并和起降綜合電視監(jiān)視系統(tǒng)相結(jié)合，反映了當前航母艦載機著艦引導和起降監(jiān)視系統(tǒng)向光頻段發(fā)展的趨勢。

第一章

2光電助降系統(tǒng)技術方案

2.1系統(tǒng)組成及配置

光電助降系統(tǒng)由光電指向器和顯控臺兩部分組成。

顯示控制臺安裝在艙內(nèi)。光電指向器安裝在航母甲板上，與艦載飛機理想著艦點（甲板坐標原點）的距離不小于50m，安裝部位如圖1所示。

2.2工作原理

光電助降系統(tǒng)在同步于時統(tǒng)設備提供的時間基準下，完成對艦載飛機的捕獲、跟蹤、測量定位、數(shù)據(jù)處理，向指揮控制系統(tǒng)輸出艦載飛機的實際位置等參數(shù)。通過顯控臺上操控單元實現(xiàn)對光電助降系統(tǒng)的參數(shù)輸入和操作，顯示單元提供場景內(nèi)的綜合圖像顯示、下滑線顯示、數(shù)據(jù)信息顯示等，實時地掌握飛機進近著艦的狀況。

當艦載飛機進場時，助降系統(tǒng)首先要對飛機進行搜索和捕獲。當目標在視場中出現(xiàn)后，通過紅外跟蹤器對目標進行捕獲跟蹤，將目標與紅外探測器十字中心的偏差量輸出給系統(tǒng)跟蹤控制單元。當光電瞄準線精確跟蹤目標后，自動啟動激光測距儀測距，實現(xiàn)對艦載飛機的角跟蹤測量，獲得目標的方位角、高低角和斜距，進行數(shù)據(jù)處理，求取目標在光電助降系統(tǒng)坐標系中的直角坐標（x，y，z），完成定位，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換，計算出飛機在甲板坐標系中的實際位置和飛機的航線，并與理想的航線相比（接收艦體的姿態(tài)，縱搖、橫搖、升沉、速率和航向信息等），得出與理想下滑線的偏差，將該數(shù)據(jù)信息發(fā)送給艦船指揮系統(tǒng)，作為飛機駕駛員進場著艦的引導信息。

2.3光電助降系統(tǒng)功能

光電助降系統(tǒng)主要功能有：

1）接收指揮控制系統(tǒng)指令信息、時統(tǒng)信息、艦體姿態(tài)信息和雷達的引導信息等；

2）自動同步絕對時，高精度時基對準；

3）向指揮控制系統(tǒng)發(fā)送助降系統(tǒng)狀態(tài)信息；

4）自動跟蹤，測距；

5）紅外和電視捕獲、跟蹤，目標圖像的場景顯示以及目標實際下滑線與理想下滑線顯示，數(shù)據(jù)處理，存儲；

6）實時測量艦載機距離、高度、方位角、俯仰角以及與理想下滑線的位置偏差等參數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)實時上報艦船指揮控制系統(tǒng)；

7）BITE功能，具有自動化功能檢測及故障定位到可更換單元能力。

2.4光電助降系統(tǒng)技術指標

光電助降系統(tǒng)技術指標如下：

a）在甲板坐標系中，艦載機距著艦點距離不大于1km時艏艉線方向定位精度：≤±5m（1σ）；垂直于艏艉線方向（水平）定位精度：≤±1m（1σ）。

b）在甲板坐標系中，艦載機距著艦點距離大于1km時艏艉線方向定位精度：≤±5m（1σ）；垂直于艏艉線方向（水平）定位精度：≤±3m（1σ）。

3光電助降系統(tǒng)精度分析

3.1測量原理

光電助降系統(tǒng)是在自身的測量坐標系下進行測量，向艦船指揮系統(tǒng)發(fā)送的下滑線航跡數(shù)據(jù)是以艦載飛機理想著艦點為坐標原點的甲板坐標系數(shù)據(jù)，如圖1所示。圖2為光電助降系統(tǒng)測量坐標系定義。需要將其在光電測量坐標系下測得的數(shù)據(jù)平移轉(zhuǎn)換到甲板坐標系，坐標系的定義如圖3所示。

3.3誤差主要來源

光電助降系統(tǒng)的主要誤差源包括：

1）船搖數(shù)據(jù)誤差。由于風、浪、涌等的綜合影響，艦體處于搖擺狀態(tài)之中。搖擺姿態(tài)數(shù)據(jù)是通過慣導測量得到，由于慣導設備本身存在測量誤，同時數(shù)據(jù)是以捷聯(lián)方式獲得，船體又不是剛體，故因扭轉(zhuǎn)繞曲產(chǎn)生的變形誤差也會體現(xiàn)在船搖數(shù)據(jù)誤差內(nèi)。船搖數(shù)據(jù)誤差既有系統(tǒng)分量，又有隨機分量，將引起光電助降系統(tǒng)定位誤差。

2）光電跟蹤測量誤差。此項誤差取決于光電系統(tǒng)自身性能，主要有距離測量誤差和角度測量誤差兩部分。

4結(jié)論

國外為航空母艦艦載機著艦引導的光電助降系統(tǒng)的研制日益受到關注，美國、法國等國家已經(jīng)有相關裝備，國內(nèi)也開展了相關研究工作。本文在分析國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎上，對基于光電跟蹤技術裝備的光電助降設備系統(tǒng)的組成、技術原理、技術指標及影響定位精度的因素進行分析，并給出了影響定位精度的關鍵因素及需要改進的方向。

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（作者單位：91550部隊）