軍用直升機(jī)導(dǎo)航技術(shù)

王小陽，張國(guó)強(qiáng)

(陸裝航空軍代局駐西安地區(qū)航空軍代室，陜西 西安 710061)

0 引言

直升機(jī)具有懸停、垂直起降、低空低速等特殊的飛行特性，是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)力量不可或缺的組成部分。且隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)從機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)向信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的轉(zhuǎn)變，直升機(jī)在作戰(zhàn)體系中的定位，也在悄然發(fā)生著深刻的變化：直升機(jī)在機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代所承擔(dān)的傳統(tǒng)的反裝甲作戰(zhàn)、近距離火力支援、偵察、通訊以及實(shí)施戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)等相關(guān)后勤保障任務(wù)，在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代繼續(xù)構(gòu)成其戰(zhàn)場(chǎng)職能的基礎(chǔ)部分；而且在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，根據(jù)不同的任務(wù)需要，通過加裝各種先進(jìn)的偵察探測(cè)設(shè)備和電子對(duì)抗設(shè)備，直升機(jī)具備遂行信息戰(zhàn)的能力，即在獲取信息和電子對(duì)抗等方面，將發(fā)揮重要的作用，如圖1。

圖1 直升機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用示意

作為機(jī)載航電系統(tǒng)的重要組成部分，直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于確定直升機(jī)的即時(shí)位置、速度、姿態(tài)/航向，并引導(dǎo)直升機(jī)安全、準(zhǔn)確地沿著預(yù)定的路線或軌跡，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地；同時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)也向直升機(jī)控制系統(tǒng)及相應(yīng)的任務(wù)載荷提供其所需的加速度、角速度、姿態(tài)/航向等運(yùn)動(dòng)信息，引導(dǎo)載機(jī)安全飛行、低空突防及完成各項(xiàng)預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)并安全著陸/艦。。

1 直升機(jī)對(duì)導(dǎo)航信息的應(yīng)用需求

直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)最基本的功能是精確導(dǎo)航定位，即連續(xù)、實(shí)時(shí)地提供直升機(jī)的位置、速度、姿態(tài)/航向、加速度、角速度等導(dǎo)航參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并使其能按預(yù)定航線飛行；在近地飛行階段，導(dǎo)航系統(tǒng)還能夠提供高精度的相對(duì)高度信息和防撞告警提示等信息。上述功能是提高直升機(jī)的全天候、全天時(shí)作戰(zhàn)能力和生存能力的關(guān)鍵所在，也是直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心價(jià)值所在。

直升機(jī)上常采用的導(dǎo)航系統(tǒng)一般包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)(Doppler)等，它們以單獨(dú)或組合導(dǎo)航的形式為直升機(jī)提供導(dǎo)航定位信息。其中，慣導(dǎo)系統(tǒng)因具備完全自主、輸出參數(shù)全面等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通常作為直升機(jī)的核心導(dǎo)航設(shè)備。表1給出了國(guó)外典型直升機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)配置，其中AH-64E還采用了改進(jìn)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，新增了“聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)”(JTIDS)數(shù)據(jù)鏈，可遠(yuǎn)程遙控包括MQ-1C“灰鷹”在內(nèi)的多種無人機(jī)進(jìn)行偵察及協(xié)同作戰(zhàn)?？梢灶A(yù)見，隨著未來直升機(jī)任務(wù)使命的不斷拓展，導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)不斷面臨新的挑戰(zhàn)。

表1 國(guó)外典型直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)配置

整體上看，軍用直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)正不斷向著更精確、更可靠、抗干擾和不易被截獲的方向發(fā)展。軍用直升機(jī)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)通常在5 m～50 m的超低空飛行，即所講的“一樹之高”，復(fù)雜地形或高層建筑、高壓線、通信塔等障礙物將會(huì)對(duì)直升機(jī)飛行安全產(chǎn)生重大的影響；此外，由于飛行高度低，直升機(jī)與地面相對(duì)速度較快，飛行員視野狹小，對(duì)飛行狀態(tài)的變化判斷也容易產(chǎn)生較大的誤差，易造成飛行事故；同時(shí)，直升機(jī)常常工作于雨、霧、沙塵等惡劣氣象條件下，嚴(yán)重影響著飛行員的目視能力，無法準(zhǔn)確判斷當(dāng)前位置及周邊情況，很容易發(fā)生迷航或與障礙物碰撞；在強(qiáng)電磁對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，衛(wèi)星信號(hào)等無線電信號(hào)可能會(huì)受到干擾或壓制而無法使用。綜上原因，直升機(jī)導(dǎo)航與傳統(tǒng)的航空導(dǎo)航需求具有顯著的差異。在上述條件下實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠的導(dǎo)航將是軍用直升機(jī)機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)所面臨的一項(xiàng)重要技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的研制思路也需發(fā)生相應(yīng)的改變，應(yīng)從“我們能提供什么導(dǎo)航能力”轉(zhuǎn)向“飛機(jī)和操作員需要什么導(dǎo)航能力”，通過綜合機(jī)上所有可用的傳感器信息以及機(jī)間的交互信息，提供高精度、高可靠的導(dǎo)航信息和態(tài)勢(shì)感知信息，以滿足軍用直升機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求。

直升機(jī)在飛行過程中，需要實(shí)時(shí)辨識(shí)自身的位置/姿態(tài)等信息以及周邊的環(huán)境信息，以便為其后續(xù)的行為決策提供信息支持。針對(duì)前述需求，圖2梳理出了直升機(jī)導(dǎo)航的一般總體框架。

圖2 直升機(jī)導(dǎo)航總體框架

直升機(jī)對(duì)導(dǎo)航信息的應(yīng)用需求主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)環(huán)境感知、高精度導(dǎo)航定位、近地與前視告警、協(xié)同導(dǎo)航、航路規(guī)劃、可視化導(dǎo)航等六個(gè)方面。

1.1 實(shí)時(shí)環(huán)境感知需求

在霧霾、沙塵等低能見度環(huán)境和復(fù)雜地形、強(qiáng)電磁對(duì)抗條件下執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，各種環(huán)境因素都將對(duì)直升機(jī)安全飛行和著陸/著艦等構(gòu)成嚴(yán)重威脅，飛行員可能會(huì)突然失去準(zhǔn)確的環(huán)境信息和視覺線索，增加與其他飛行器或地形、障礙物等相撞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，復(fù)雜的地形和氣象條件將直接影響機(jī)組的心理狀態(tài)，這也是一個(gè)不容忽視的危險(xiǎn)因素。因此，機(jī)組需要準(zhǔn)確掌握周邊環(huán)境信息以及本機(jī)相對(duì)地形/障礙物/威脅目標(biāo)等的態(tài)勢(shì)信息，以便留有足夠裕度，避開地形/障礙物/威脅目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安全飛行。另外，不同傳感器對(duì)于環(huán)境條件的適配性、檢測(cè)能力等存在較大差異，通過多源異構(gòu)傳感器的測(cè)量信息，提高障礙物目標(biāo)的識(shí)別準(zhǔn)確率也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

1.2 高精度導(dǎo)航定位需求

為使直升機(jī)在惡劣天氣、復(fù)雜地形、強(qiáng)電磁對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下仍能保持預(yù)定的生存能力和任務(wù)能力，要求機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)具備高精度導(dǎo)航定位的能力。高精度定位既包括對(duì)己方的高精度絕對(duì)定位，也包括對(duì)敵方的精確探測(cè)，所用的傳感器信息包括機(jī)載慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地圖、雷達(dá)、光電和紅外等信息。目前直升機(jī)普遍采用慣性/衛(wèi)星/多普勒三組合系統(tǒng)方案，其中純慣性定位精度已由早期的1.5 n mile/h(CEP)逐步提升到0.8 n mile/h(CEP)。此方案基本能夠滿足10 m或0.5%～2%已飛距離的位置精度要求以及0.05°～0.3°的姿態(tài)精度要求和0.1°～0.4°的航向精度要求。近年來，為了提升導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航能力和定位精度，地形匹配和圖像匹配等自主導(dǎo)航方式也在逐漸被引入直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.3 近地與前視告警需求

近地與前視告警是根據(jù)直升機(jī)當(dāng)前狀態(tài)、地形數(shù)據(jù)庫(kù)信息,與機(jī)載毫米波雷達(dá)等多傳感器的實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)間協(xié)同探測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行信息綜合處理，當(dāng)直升機(jī)現(xiàn)時(shí)的飛行軌跡和位置相對(duì)于當(dāng)前地形/障礙物等存在不安全因素時(shí)，提供“注意，地形”，“地形，拉起”等告警信號(hào)，以提示飛行員注意障礙物威脅，或者拉起直升機(jī)改出危險(xiǎn)狀態(tài)，如圖3。目前在直升機(jī)應(yīng)用方面參考較多的是美國(guó)Honeywell公司的MK XXII型HTAWS產(chǎn)品規(guī)范。對(duì)于環(huán)境條件不太好的區(qū)域以及貼地飛行等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，需要對(duì)告警方式邊界進(jìn)行必要的修正，以改善警戒/警告的保護(hù)作用，同時(shí)減少不必要的虛警。

圖3 近地與前視告警需求

近地告警模式分為基本型近地告警和增強(qiáng)型近地告警兩類，見表2。其中，基本型告警模式涵蓋下降率過大、地形接近率過大、起飛或復(fù)飛掉高、不安全的地形凈空、下滑道偏離、高度呼叫、過大傾斜角、尾部過低等八種模式；增強(qiáng)型告警模式還涵蓋地形提示和前視地形告警。告警信號(hào)輸出可分為提示級(jí)、注意級(jí)、警告級(jí)告警。其中，高度呼叫和地形提示可觸發(fā)提示級(jí)告警，提醒飛行員當(dāng)前飛行高度或地形、障礙物，此時(shí)飛行員可根據(jù)提示信息，結(jié)合飛行任務(wù)情況綜合考量，執(zhí)行操縱響應(yīng)；其他告警模式可觸發(fā)注意或警告級(jí)告警，飛行員應(yīng)立即根據(jù)告警內(nèi)容執(zhí)行操縱響應(yīng)。

表2 近地與前視告警

1.4 協(xié)同導(dǎo)航需求

多機(jī)協(xié)同是空中作戰(zhàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。協(xié)同導(dǎo)航是利用直升機(jī)之間(或直升機(jī)與無人機(jī)、預(yù)警機(jī)等)的信息交互，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的共享與協(xié)同，并對(duì)可能出現(xiàn)的導(dǎo)航系統(tǒng)故障進(jìn)行識(shí)別、隔離和重構(gòu)，提高其導(dǎo)航定位的精度和可靠性，從而保障直升機(jī)的飛行安全和任務(wù)協(xié)同的執(zhí)行效能，如圖4。相較于單架直升機(jī)的導(dǎo)航，協(xié)同導(dǎo)航涉及的實(shí)體類型更多，決策空間更大，復(fù)雜程度更高。處理好多實(shí)體間復(fù)雜的協(xié)作關(guān)系，從而有效地實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航的智能決策，是亟待解決的問題。

圖4 協(xié)同導(dǎo)航需求

1.5 航路規(guī)劃需求

為了使直升機(jī)能夠在低空、復(fù)雜地形、復(fù)雜氣象環(huán)境下執(zhí)行避障、突防、搜救等任務(wù)，需要根據(jù)直升機(jī)周圍態(tài)勢(shì)，規(guī)劃安全、高效的飛行路徑，規(guī)避障礙物和威脅區(qū)，保證直升機(jī)安全飛行。航路規(guī)劃本質(zhì)上是一個(gè)實(shí)時(shí)在線航跡規(guī)劃系統(tǒng)，利用地形數(shù)字高程圖、障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及機(jī)載傳感器實(shí)時(shí)獲取的環(huán)境信息等信息，通過構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，實(shí)時(shí)產(chǎn)生最優(yōu)航跡，見圖5。

圖5 航路規(guī)劃需求

1.6 可視化導(dǎo)航需求

為了實(shí)現(xiàn)在霧霾、沙塵等惡劣環(huán)境和復(fù)雜地形、強(qiáng)電磁對(duì)抗條件下的安全飛行，需要將當(dāng)前地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、威脅數(shù)據(jù)、機(jī)載雷達(dá)等實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)融合到虛擬場(chǎng)景中，生成類似白天晴朗天氣窗口的視覺畫面，顯示當(dāng)前視野范圍內(nèi)可以觀察到的所有事物，并疊加安全飛行管道、飛行引導(dǎo)符號(hào)、地形、障礙物符號(hào)等，以直觀的形式展示以飛行員為中心的飛行環(huán)境信息，提高飛行員的空間環(huán)境/戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力以及安全飛行及著陸/著艦?zāi)芰?，如圖6。

圖6 可視化導(dǎo)航需求

針對(duì)直升機(jī)低空飛行的上述實(shí)際應(yīng)用需求，在導(dǎo)航領(lǐng)域需要提升水平定位精度和高度方向測(cè)量精度，并通過綜合機(jī)載導(dǎo)航定位、高精度地圖(地形高程數(shù)據(jù)庫(kù)和障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)等，同時(shí)針對(duì)地形數(shù)據(jù)庫(kù)不準(zhǔn)確或者缺少的區(qū)域或者地形發(fā)生了變化的區(qū)域，還需實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)的支撐)、機(jī)載毫米波雷達(dá)等多傳感器的實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)、協(xié)同探測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)將高置信度的導(dǎo)航結(jié)果與機(jī)載高精度數(shù)字地圖數(shù)據(jù)及機(jī)艙外部環(huán)境的完美匹配，對(duì)艙外環(huán)境的實(shí)時(shí)精確感知及提前獲得“下一步行動(dòng)”計(jì)劃的能力，最終形成載機(jī)安全飛行和執(zhí)行任務(wù)所必須的態(tài)勢(shì)感知信息和告警信息，并通過安全飛行管道的生成與顯示、載機(jī)周邊地形地物的圖形化顯示等可視化導(dǎo)航技術(shù)，保證“所見即所在”，從而為飛行員提供直觀、可信的情境認(rèn)知信息，降低機(jī)組的工作量并提高機(jī)組操作的便利性，如圖7所示。

圖7 綜合態(tài)勢(shì)感知示意

下一代智能駕駛艙將引入智能交互(觸摸屏、語音等)技術(shù)，采用大屏顯示，簡(jiǎn)化人機(jī)交互流程及過程，專注于保障飛行安全和飛行員的決策，如圖8所示。

圖8 智能駕駛艙示意

2 開放式導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

航空導(dǎo)航方式歷經(jīng)了目視導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航，現(xiàn)已進(jìn)入基于性能的導(dǎo)航(PBN)階段。PBN是以經(jīng)、緯、高定義飛機(jī)的空間位置，導(dǎo)航形式更加虛擬化，對(duì)機(jī)載設(shè)備的性能和整體導(dǎo)航性能更加關(guān)注，如圖9所示。從某種程度上講，直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的未來發(fā)展方向與PBN的關(guān)注點(diǎn)高度吻合，在研究過程中可借鑒PBN的相關(guān)思想。

圖9 導(dǎo)航方式的演變

從前述分析可以看出，軍用直升機(jī)對(duì)其導(dǎo)航系統(tǒng)既有傳統(tǒng)導(dǎo)航意義上的位置、速度和姿態(tài)/航向等方面的信息需求，也有相對(duì)于自身周邊環(huán)境、障礙物、友機(jī)、敵對(duì)目標(biāo)等的相對(duì)導(dǎo)航信息的需求，同時(shí)還需兼顧近地告警、態(tài)勢(shì)感知等方面的需求。為了滿足現(xiàn)有直升機(jī)高精度導(dǎo)航定位和態(tài)勢(shì)感知方面的需求，同時(shí)兼顧未來功能擴(kuò)展，本文提出一種開放式的導(dǎo)航系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)架構(gòu)(圖10)，可綜合實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)外導(dǎo)航信息和態(tài)勢(shì)信息的獲取與綜合處理，能較好地滿足直升機(jī)安全飛行和執(zhí)行任務(wù)的需求。同時(shí)，該架構(gòu)具有良好的系統(tǒng)彈性，也能滿足未來功能和任務(wù)擴(kuò)展的要求。

圖10 導(dǎo)航系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

慣導(dǎo)可同時(shí)獲得絕對(duì)導(dǎo)航信息和相對(duì)導(dǎo)航信息，實(shí)際上是機(jī)上各傳感器、地形數(shù)據(jù)庫(kù)等信息關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換的紐帶。從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和可靠性角度考慮，直升機(jī)上一般配置雙慣導(dǎo)；從抗干擾角度考慮，配置抗干擾GNSS衛(wèi)星天線；從實(shí)時(shí)環(huán)境和態(tài)勢(shì)感知角度考慮，配置機(jī)載地形數(shù)據(jù)庫(kù)和激光雷達(dá)等實(shí)時(shí)探測(cè)設(shè)備；從提高水平定位精度和導(dǎo)航自主性方面考慮，提供地形匹配、地形跟隨及地形回避等能力；從安全性角度考慮，提供可視化導(dǎo)航和告警提示功能。此外，還需進(jìn)一步提升導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合化水平和使用的便捷性，使飛行員能夠?qū)⒏嗟木杏趹?zhàn)術(shù)運(yùn)用上，從而增強(qiáng)直升機(jī)在威脅環(huán)境中的生存力和任務(wù)效能。這也是未來直升機(jī)導(dǎo)航應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向。

3 結(jié)論

作為直升機(jī)航電系統(tǒng)的重要組成部分，導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于保證軍用直升機(jī)在各種惡劣環(huán)境、復(fù)雜地形和強(qiáng)電磁對(duì)抗條件下的飛行安全具有重要的作用。未來軍用直升機(jī)航電設(shè)備的多用途、多任務(wù)需求與能力將不斷提升，未來民用直升機(jī)遂行巡邏警戒、人道主義援助、農(nóng)林植保等的任務(wù)也將更加繁重。可以預(yù)見，直升機(jī)在未來軍、民領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用空間，角色定位將會(huì)越來越重要；直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)必將在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下邁向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、軍民兼容一體化。這就需要加快近地告警、可視化導(dǎo)航及態(tài)勢(shì)感知等方面的導(dǎo)航技術(shù)研究和技術(shù)升級(jí)，以提供性能優(yōu)異、使用便捷的直升機(jī)導(dǎo)航產(chǎn)品，從而滿足日益增長(zhǎng)的直升機(jī)市場(chǎng)需求。