艦載機(jī)全自動著艦系統(tǒng)頂層架構(gòu)研究

耿延升 羅來彬 劉希美 王偉

摘要：以全自動著艦技術(shù)為研究對象，本文分析了著艦引導(dǎo)技術(shù)原理以及實現(xiàn)雷達(dá)引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)和差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)的主要功能單元和要素，并基于差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)，發(fā)展出兩種多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)，以彌補(bǔ)差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)抗干擾能力弱、且高度對抗戰(zhàn)場環(huán)境下可能喪失關(guān)鍵功能的缺點(diǎn)。對所發(fā)展出的基于差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)的兩種架構(gòu)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，多模式引導(dǎo)架構(gòu)1具有系統(tǒng)簡單、兼容性好的特點(diǎn)。研究工作對艦載機(jī)的全自動著艦系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計以及實現(xiàn)艦載機(jī)在航母上安全、有序、高效著艦具有一定的工程指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞：艦載機(jī)；全自動著艦；頂層架構(gòu)；多模式引導(dǎo)；差分衛(wèi)星定位

中圖分類號：V271.492文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.001

艦載機(jī)是航母成為海軍重要作戰(zhàn)力量所依賴的主要裝備。然而完成艦載機(jī)在航母上的起降任務(wù)卻非常困難，而且極具風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計，艦載機(jī)起飛、著艦階段是事故率最高的階段，起飛、進(jìn)近、著艦階段時間僅占艦載機(jī)執(zhí)行任務(wù)周期時間的4%，而發(fā)生的事故卻占整體事故數(shù)量的60%以上[1]。因此，實現(xiàn)艦載機(jī)和航母的匹配以及艦載機(jī)安全著艦一直是設(shè)計師們正在解決的問題。其中，全自動著艦技術(shù)最具代表性，并取得了一系列研究成果[2-12]。

全自動著艦技術(shù)是機(jī)載系統(tǒng)根據(jù)航跡偏差生成飛行控制指令，和飛機(jī)上的自動飛行控制系統(tǒng)以及油門機(jī)構(gòu)聯(lián)合工作，在無須人工操縱的情況下，實現(xiàn)艦載機(jī)安全、有序、高效地著艦[13-14]。學(xué)者們針對全自動著艦技術(shù)現(xiàn)狀[6-11]、光電引導(dǎo)自動著艦[15]、返航著艦[16]、著艦縱向控制[17]、著艦系統(tǒng)建模與仿真[18]和著艦系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則[19]等進(jìn)行了研究，對全自動著艦技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究相對較少。

1著艦引導(dǎo)技術(shù)原理

著艦引導(dǎo)技術(shù)從基本原理上可以分為以下4類。

（1）由航空母艦上的設(shè)備發(fā)射生成可被感知的基準(zhǔn)下滑道，如艦基微波著陸系統(tǒng)（MLS）、光學(xué)助降系統(tǒng)，原理上類似于陸基的儀表著陸系統(tǒng)（ILS）。飛機(jī)配備相應(yīng)的設(shè)備，測量相對該“基準(zhǔn)下滑道”的上下、左右偏差，實現(xiàn)最終進(jìn)近的精確引導(dǎo)。

（2）航空母艦采用某種探測技術(shù)“觀測”艦載機(jī)，如著艦引導(dǎo)雷達(dá)、攝像/光電探測、激光探測等，原理上與陸基精密進(jìn)近雷達(dá)類似。飛機(jī)上需安裝與探測器相協(xié)同的信標(biāo)，由艦載探測設(shè)備對飛機(jī)（信標(biāo)）進(jìn)行相對位置探測，然后計算（包括坐標(biāo)變換）求得飛機(jī)（攔阻鉤）相對于基準(zhǔn)下滑道的偏差，實現(xiàn)著艦引導(dǎo)。此類著艦引導(dǎo)技術(shù)精度高于第一類，基本滿足最終進(jìn)近全段精確引導(dǎo)的需要。當(dāng)飛機(jī)距離甲板的高度低于探測器（如著艦雷達(dá)等）距離甲板的高度時，飛機(jī)上信標(biāo)的高度低于探測器，導(dǎo)致探測器無法精確探測到飛機(jī)上信標(biāo)的信號，不能對飛機(jī)實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

（3）艦載機(jī)“觀測”航空母艦。飛機(jī)上配備探測器，進(jìn)近時探測航母并識別著艦點(diǎn)、下滑道，求取縱向、橫向偏差。該技術(shù)已應(yīng)用于無人機(jī)自動著陸。但是因航母是運(yùn)動平臺，該技術(shù)無法從探測結(jié)果中剔除航母縱搖、橫搖造成的下滑道不穩(wěn)定，故不能應(yīng)用于引導(dǎo)艦載機(jī)著艦。

（4）航空母艦、艦載機(jī)在同一廣域坐標(biāo)系下各自完成定位，再通過求矢量差得到二者的精確相對位置。在不局限于特定區(qū)域的茫茫大海上，該方法可用的廣域坐標(biāo)系只能是大地坐標(biāo)系，可用的定位方法只有衛(wèi)星定位。為了引導(dǎo)飛機(jī)精密進(jìn)近著艦，需要采用動態(tài)載波相位跟蹤技術(shù)的差分衛(wèi)星定位技術(shù)。另外，為了滿足數(shù)據(jù)更新率要求，必須與慣導(dǎo)技術(shù)綜合應(yīng)用。在求得精確相對位置的基礎(chǔ)上，計算得到飛機(jī)（攔阻鉤）相對于理想下滑道的偏差。

2全自動著艦引導(dǎo)技術(shù)

參考國內(nèi)外研究、應(yīng)用情況，達(dá)到基本成熟或初步驗證可行的全自動著艦引導(dǎo)技術(shù)包括：屬于第二類著艦引導(dǎo)技術(shù)的著艦雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)、綜合光電引導(dǎo)技術(shù)，以及屬于第四類著艦引導(dǎo)技術(shù)的動態(tài)載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位技術(shù)。

從功能和能力方面分析，著艦雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)和綜合光電引導(dǎo)技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)、工作模式、功能和能力相當(dāng)。二者的差異主要來自所采用的主傳感器：綜合光電引導(dǎo)使用的傳感器隱蔽性優(yōu)于著艦雷達(dá)引導(dǎo)，但由于光學(xué)傳感器更易受環(huán)境影響和被污染，從而降低其有效作用距離，其環(huán)境適應(yīng)性低于著艦雷達(dá)。此外，著艦雷達(dá)采用二次雷達(dá)體制，其輻射的電磁波信號能量不大、作用范圍很?。ㄓ行ё饔镁嚯x約18km），隱蔽性并不構(gòu)成問題。而且，在成熟并裝備應(yīng)用的著艦雷達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增綜合光電引導(dǎo)并不會帶來顯著的收益。因此，本文在第二類著艦引導(dǎo)技術(shù)中只討論著艦雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)。

（1）著艦雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)

著艦雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)屬于第二類著艦引導(dǎo)技術(shù)。它是使用著艦雷達(dá)測定飛機(jī)與航母的相對位置。為了精確定位飛機(jī)攔阻鉤相對理想下滑道的位置，采用雷達(dá)信標(biāo)實現(xiàn)二次雷達(dá)技術(shù)以使著艦雷達(dá)鎖定飛機(jī)上的一個確定點(diǎn)。在原始雷達(dá)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定處理、航母坐標(biāo)變換、飛機(jī)坐標(biāo)變換，求解飛機(jī)（攔阻鉤）相對于理想下滑道的偏差，進(jìn)行甲板運(yùn)動補(bǔ)償，生成引導(dǎo)數(shù)據(jù)傳送至軌跡引導(dǎo)律，生成引導(dǎo)操縱指令傳送至著艦飛行控制律，控制飛機(jī)作動裝置/舵面的運(yùn)動，實現(xiàn)全自動著艦閉環(huán)控制。

（2）差分衛(wèi)星定位技術(shù)

差分衛(wèi)星定位技術(shù)屬于第四類著艦引導(dǎo)技術(shù)?；谛l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，使用“動態(tài)載波相位跟蹤”差分衛(wèi)星定位技術(shù)。系統(tǒng)工作時，航母、飛機(jī)兩個動平臺分別進(jìn)行衛(wèi)星定位，并獲得來自多個衛(wèi)星的偽距、載波相位數(shù)據(jù)，以及各自的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，然后將二者的數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行“動態(tài)載波相位跟蹤”差分衛(wèi)星定位，得到航母（衛(wèi)星天線）、飛機(jī)（衛(wèi)星天線）的原始相對定位數(shù)據(jù)，定位精度可以達(dá)到厘米級。

在原始相對定位數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，與采用著艦雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)相似，進(jìn)行航母坐標(biāo)變換、飛機(jī)坐標(biāo)變換，然后求解飛機(jī)（攔阻鉤）相對于理想下滑道的偏差，進(jìn)行甲板運(yùn)動補(bǔ)償，生成引導(dǎo)數(shù)據(jù)傳送至軌跡引導(dǎo)律，生成引導(dǎo)操縱指令傳送至著艦飛行控制律，控制飛機(jī)作動裝置/舵面的運(yùn)動，實現(xiàn)全自動著艦閉環(huán)控制。F28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94

2.1雷達(dá)引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)

雷達(dá)引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。圖1中的主要功能單元和要素定義如下。

（1）航母運(yùn)動狀態(tài)獲取。一般由艦載多套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)責(zé)，為自動著艦的重要交聯(lián)系統(tǒng)，不直接屬于自動著艦系統(tǒng)。為自動著艦系統(tǒng)提供航母運(yùn)動參數(shù)（航行運(yùn)動、浮沉、縱搖和橫搖等），有兩方面用途：一是對著艦雷達(dá)測得的飛機(jī)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行慣性穩(wěn)定處理，隔離航母平臺的運(yùn)動；二是用于甲板運(yùn)動補(bǔ)償。

（2）著艦雷達(dá)是自動著艦系統(tǒng)的主要傳感器，搜索、跟蹤目標(biāo)飛機(jī)，獲得在雷達(dá)傳感器坐標(biāo)系下的初始相對位置參數(shù)。

（3）理想軌跡偏差計算。由艦載的計算機(jī)實現(xiàn)，利用艦載慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得的航母運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，對著艦雷達(dá)測得的初始相對位置參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定處理、航母坐標(biāo)變換（由探測器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為理想著艦點(diǎn)坐標(biāo)系）、飛機(jī)坐標(biāo)變換（由傳感器信標(biāo)轉(zhuǎn)換為攔阻鉤，需要輸入飛行型號），并計算求得飛機(jī)攔阻鉤相對于理想下滑軌跡的偏差，用于引導(dǎo)飛機(jī)自動進(jìn)近和在顯控臺/飛機(jī)駕駛艙顯示。

（4）甲板運(yùn)動補(bǔ)償。由艦載部分實現(xiàn)，在飛機(jī)即將著艦前引入著艦引導(dǎo)控制回路，利用艦載慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得的航母運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，對理想軌跡偏差進(jìn)行甲板運(yùn)動補(bǔ)償，輸出經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠顢?shù)據(jù)，引導(dǎo)飛機(jī)的進(jìn)近下滑與甲板運(yùn)動實現(xiàn)同步。

（5）數(shù)據(jù)鏈。在航母、飛機(jī)之間建立信息傳輸鏈路，可不專屬于自動著艦系統(tǒng)。自動著艦系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)鏈由航母向飛機(jī)傳送軌跡偏差，用于引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近，并傳輸系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、飛機(jī)飛行狀態(tài)、指令等信息，用于最終進(jìn)近管制員、LSO和飛行員進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和控制。

（6）軌跡引導(dǎo)律。由機(jī)載自動飛行計算機(jī)（或功能軟件）實現(xiàn)，采用系統(tǒng)艦載部分經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳來的軌跡偏差作為輸入，通過采用高度變化率、橫向位置變化率的引導(dǎo)律軟件（具有艦尾流抑制能力），生成飛行引導(dǎo)指令，用于飛機(jī)的飛行控制。

（7）著艦飛行控制律。由機(jī)載飛行控制計算機(jī)實現(xiàn)，采用來自軌跡引導(dǎo)律的引導(dǎo)指令，生成作動控制指令，控制飛機(jī)各飛行作動器-作動面運(yùn)動，從而控制飛機(jī)運(yùn)動，消除飛機(jī)相對于下滑道的偏差。

（8）艦載部分人機(jī)接口。包括艦載的最終進(jìn)近管制員、LSO接口。

（9）飛機(jī)人機(jī)接口。

2.2差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)

與上述第二類著艦引導(dǎo)技術(shù)不同，差分衛(wèi)星定位技術(shù)不受艦載主傳感器的作用距離限制，系統(tǒng)作用范圍主要取決于數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。由于數(shù)據(jù)鏈的作用距離較大，差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)可以覆蓋整個航母管制空域。通過增加作用距離更遠(yuǎn)的歸航數(shù)據(jù)鏈，衛(wèi)星定位還可以滿足飛機(jī)歸航的引導(dǎo)需要。

差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)有兩種可選的總體架構(gòu)。架構(gòu)1是將差分衛(wèi)星定位、理想軌跡偏差計算功能由艦載部分實現(xiàn)，以簡化系統(tǒng)、提高可靠性、降低費(fèi)用和研制風(fēng)險，但需要較高帶寬的數(shù)據(jù)鏈。架構(gòu)2是把差分衛(wèi)星定位、理想軌跡偏差計算功能在每架飛機(jī)上實現(xiàn)，這導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性提高、可靠性下降，且研制費(fèi)用和風(fēng)險均增大，并增大了飛機(jī)質(zhì)量、空間、改裝工作量等方面的壓力。

差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)1如圖2所示。架構(gòu)1中主要功能單元和要素定義如下。

（1）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)（艦載）是差分衛(wèi)星定位的航母端傳感器，慣性導(dǎo)航與導(dǎo)航衛(wèi)星組合獲得連續(xù)的高質(zhì)量位置信息，同時由衛(wèi)星接收機(jī)輸出多衛(wèi)星偽距、載波相位信息，用于載波相位差分衛(wèi)星定位。輸出甲板運(yùn)動參數(shù)用于甲板運(yùn)動補(bǔ)償和軌跡偏差計算。輸出的高質(zhì)量位置信息和航行參數(shù)還用于歸航數(shù)據(jù)鏈發(fā)送。

（2）甲板運(yùn)動補(bǔ)償（同雷達(dá)引導(dǎo)）。由艦載部分實現(xiàn)，在飛機(jī)即將著艦前引入著艦引導(dǎo)控制回路，利用艦載慣導(dǎo)系統(tǒng)獲得的航母運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，對理想軌跡偏差進(jìn)行甲板運(yùn)動補(bǔ)償，輸出經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠顢?shù)據(jù)，引導(dǎo)飛機(jī)的進(jìn)近下滑與甲板運(yùn)動實現(xiàn)同步。

（3）載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位。由艦載系統(tǒng)實現(xiàn)，接收航母端衛(wèi)星數(shù)據(jù)、經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳來的飛機(jī)端衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)行載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位處理計算，輸出母艦（衛(wèi)星天線）與飛機(jī)（衛(wèi)星天線）的精確相對位置，這是機(jī)-艦原始相對定位數(shù)據(jù)。

（4）理想軌跡偏差計算（同雷達(dá)引導(dǎo)）。由艦載系統(tǒng)實現(xiàn)，綜合航母運(yùn)動參數(shù)，對差分衛(wèi)星定位得到的原始相對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行航母坐標(biāo)變換（由衛(wèi)星天線坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為理想著艦點(diǎn)坐標(biāo)系）、飛機(jī)坐標(biāo)變換（由衛(wèi)星天線位置轉(zhuǎn)換為攔阻鉤位置），求得飛機(jī)攔阻鉤相對于理想下滑軌跡的偏差，經(jīng)數(shù)據(jù)鏈發(fā)送至飛機(jī)用于進(jìn)近引導(dǎo)，并在航母進(jìn)近管制臺、LSO顯控臺和飛機(jī)駕駛艙顯示。

（5）著艦數(shù)據(jù)鏈。在航母、待回收飛機(jī)之間的信息傳輸鏈路，可覆蓋整個航母管制空域。經(jīng)由該數(shù)據(jù)鏈，飛機(jī)向航母傳送衛(wèi)星信息、航行信息用于衛(wèi)星差分定位運(yùn)算，航母向飛機(jī)傳送經(jīng)計算得到的下滑軌跡偏差。該數(shù)據(jù)鏈還傳送艦、機(jī)航行參數(shù)、自動著艦系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，用于最終進(jìn)近管制員、LSO和飛行員進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和控制。

（6）軌跡引導(dǎo)律（同雷達(dá)引導(dǎo)）。由機(jī)載自動飛行計算機(jī)實現(xiàn)，采用軌跡偏差作為輸入，通過采用高度變化率、橫向位置變化率的引導(dǎo)律軟件（具有艦尾流抑制能力），生成飛行引導(dǎo)指令，用于飛機(jī)的飛行控制。

（7）著艦飛行控制律（同雷達(dá)引導(dǎo)）。由機(jī)載飛行控制計算機(jī)實現(xiàn)，采用來自軌跡引導(dǎo)律的引導(dǎo)指令，生成作動控制指令，控制飛機(jī)各飛行作動器-作動面運(yùn)動，從而控制飛機(jī)運(yùn)動，消除飛機(jī)相對于下滑道的偏差。

（8）歸航數(shù)據(jù)鏈。是一個單通道廣播式低截獲概率數(shù)據(jù)鏈，可向370km外飛機(jī)提供基于衛(wèi)星定位的母艦位置，用于引導(dǎo)飛機(jī)歸航，不直接用于自動著艦。F28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94

（9）飛行/任務(wù)管理。由飛機(jī)飛行管理或任務(wù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)，在經(jīng)歸航數(shù)據(jù)鏈獲得航母位置、航行參數(shù)之后，進(jìn)行歸航規(guī)劃、計算，生成自動駕駛指令，引導(dǎo)飛機(jī)歸航。

（10）艦載部分人機(jī)接口（同雷達(dá)引導(dǎo)）。包括艦載的最終進(jìn)近管制員、LSO接口。

（11）飛機(jī)人機(jī)接口（同雷達(dá)引導(dǎo)）。

差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)2如圖3所示。架構(gòu)2中主要功能單元和要素定義如下。

（1）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)（艦載），與架構(gòu)1相同。

（2）甲板運(yùn)動補(bǔ)償。由艦載系統(tǒng)實現(xiàn)，與架構(gòu)1相同。但輸出的對理想軌跡偏差的補(bǔ)償數(shù)據(jù)需經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳送至飛機(jī)端，由飛機(jī)端控制其接入。

（3）載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位。由機(jī)載系統(tǒng)實現(xiàn)，這是與架構(gòu)1的一個主要區(qū)別。接收來自數(shù)據(jù)鏈的母艦衛(wèi)星數(shù)據(jù)、來自機(jī)載系統(tǒng)的飛機(jī)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)行載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位，輸出母艦（衛(wèi)星天線）與飛機(jī)（衛(wèi)星天線）的精確相對位置，這是自動著艦系統(tǒng)的相對定位原始數(shù)據(jù)。

（4）理想軌跡偏差計算。由機(jī)載系統(tǒng)實現(xiàn)，這是與架構(gòu)1的又一個主要區(qū)別。求得的飛機(jī)攔阻鉤相對于理想下滑軌跡的偏差，直接在機(jī)上用于自動著艦控制和駕駛艙監(jiān)控顯示，并經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳送至航母用于進(jìn)近管制和LSO監(jiān)控。

（5）著艦數(shù)據(jù)鏈。在航母、飛機(jī)之間傳輸著艦信息。因系統(tǒng)功能劃分和架構(gòu)不同，架構(gòu)1和架構(gòu)2在著艦數(shù)據(jù)鏈上傳輸?shù)男畔⒂酗@著不同，這是兩種架構(gòu)的核心區(qū)別所在。

（6）軌跡引導(dǎo)律（同雷達(dá)引導(dǎo)），與架構(gòu)1相同。

（7）著艦飛行控制律（同雷達(dá)引導(dǎo)），與架構(gòu)1相同。

（8）歸航數(shù)據(jù)鏈。與架構(gòu)1相同。

（9）飛行/任務(wù)管理：與架構(gòu)1相同。

3多模式引導(dǎo)全自動著艦系統(tǒng)頂層架構(gòu)

與雷達(dá)引導(dǎo)自動著艦技術(shù)相比，差分衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)具有精度高、覆蓋范圍大、容量大、能夠為飛機(jī)回收各管制崗位提供透明的進(jìn)近態(tài)勢等優(yōu)勢。但是差分衛(wèi)星作為技術(shù)基礎(chǔ)衛(wèi)星，也存在定位易受干擾以及數(shù)據(jù)鏈技術(shù)具有開放性等特征，導(dǎo)致其抗干擾能力不足。在數(shù)據(jù)鏈故障情況下，系統(tǒng)不能完成差分衛(wèi)星定位。這決定了僅采用差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)艦載機(jī)回收，在高強(qiáng)度戰(zhàn)場對抗環(huán)境中，可能會發(fā)生嚴(yán)重故障，喪失關(guān)鍵功能，導(dǎo)致系統(tǒng)完全不可用。

然而，考慮到著艦雷達(dá)的工作局限在航母鄰近的很小局部空間內(nèi)，不像差分衛(wèi)星定位那樣整個完整功能系統(tǒng)擴(kuò)展到了包含衛(wèi)星的外部空間，在高威脅強(qiáng)度環(huán)境中具有更強(qiáng)的生存性、適用性。而且著艦雷達(dá)可以獨(dú)自完成艦機(jī)的相對定位，不需要數(shù)據(jù)鏈的支持?？梢酝ㄟ^著艦雷達(dá)彌補(bǔ)差分衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)的不足。

因此，基于雷達(dá)引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)和差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展了以差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)為主的多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)。將雷達(dá)引導(dǎo)、差分衛(wèi)星引導(dǎo)的系統(tǒng)架構(gòu)相綜合，以差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)為主用、以著陸雷達(dá)引導(dǎo)為備用，形成多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)。

本節(jié)所討論的全自動著艦系統(tǒng)頂層架構(gòu)基于以下配置，包括主用的基于導(dǎo)航衛(wèi)星定位的歸航數(shù)據(jù)鏈（引導(dǎo)飛機(jī)歸航）和差分衛(wèi)導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)（引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場、進(jìn)近和自動著艦），以及備用的塔康（引導(dǎo)飛機(jī)歸航、進(jìn)場、進(jìn)近）和雷達(dá)引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)（引導(dǎo)飛機(jī)自動著艦）。

3.1以差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)為主的多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)

在對上述基于不同引導(dǎo)技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中進(jìn)行單元/元素的艦載、機(jī)載劃分時，已初步考慮了同時采用兩種引導(dǎo)模式的需求，軌跡引導(dǎo)律、著艦飛行控制律均由機(jī)載部分實現(xiàn)。按照差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)主用、著陸雷達(dá)引導(dǎo)備用進(jìn)行多模式引導(dǎo)綜合，基于差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1得到多模式引導(dǎo)全自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)1（簡稱多模式引導(dǎo)架構(gòu)1），如圖4所示。在多模式引導(dǎo)架構(gòu)1中，主要功能單元與圖1、圖2中基本相同，補(bǔ)充定義如下。

（1）雷達(dá)信標(biāo)（機(jī)載）/著艦雷達(dá)+雷達(dá)數(shù)據(jù)穩(wěn)定處理（艦載）。同雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)。其中，數(shù)據(jù)穩(wěn)定處理屬于常規(guī)的雷達(dá)功能，故由著艦雷達(dá)單元綜合實現(xiàn)。所需航母平臺運(yùn)動參數(shù)由艦載慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供。

（2）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)+導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)。同差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2。采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，航母、艦載機(jī)需分別配備，并進(jìn)行慣性/衛(wèi)星相組合，以利于進(jìn)行載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位的信號處理計算和提供連續(xù)的高精度差分定位。

（3）載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位。同差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1，由艦載系統(tǒng)實現(xiàn)。

（4）理想軌跡偏差計算。它是雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)、差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1中相應(yīng)單元的綜合，由艦載系統(tǒng)實現(xiàn)。該單元是多模式引導(dǎo)的核心，主要完成航母坐標(biāo)變換、飛機(jī)坐標(biāo)變換、軌跡偏差計算、引導(dǎo)技術(shù)模式選擇邏輯等功能。

（5）甲板運(yùn)動補(bǔ)償。同雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)、差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2。由艦載部分實現(xiàn)，同時負(fù)責(zé)適時在引導(dǎo)控制回路中引入甲板運(yùn)動補(bǔ)償。

（6）數(shù)據(jù)鏈。著艦數(shù)據(jù)鏈同差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1，傳輸內(nèi)容可涵蓋雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈。歸航數(shù)據(jù)鏈同差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2。

（7）飛行/任務(wù)管理。同差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2，基于接收到的航母位置和航行數(shù)據(jù)進(jìn)行水平導(dǎo)航，引導(dǎo)飛機(jī)歸航。

（8）軌跡引導(dǎo)律、著艦飛行控制律（含動力補(bǔ)償）。同雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)、差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2。屬于機(jī)載系統(tǒng)的軌跡控制。

基于差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)2得到多模式引導(dǎo)全自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)2（簡稱多模式引導(dǎo)架構(gòu)2），如圖5所示。87立在多模式引導(dǎo)架構(gòu)2中，主要功能單元與圖1、圖3中基本相同，補(bǔ)充定義如下。

（1）雷達(dá)信標(biāo)（機(jī)載）/著艦雷達(dá)（艦載）。同雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)。F28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94

（2）理想軌跡偏差計算（雷達(dá)）。同雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)。雷達(dá)數(shù)據(jù)穩(wěn)定處理作為一項計算機(jī)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，與理想軌跡偏差計算的其他單元一起，由同一臺計算機(jī)設(shè)備完成。所需航母平臺運(yùn)動參數(shù)由艦載慣性導(dǎo)航/導(dǎo)航衛(wèi)星的組合系統(tǒng)提供。

（3）雷達(dá)引導(dǎo)模式下的飛機(jī)坐標(biāo)變換、甲板運(yùn)動補(bǔ)償接入控制均由艦載部分實現(xiàn)。

（4）甲板運(yùn)動補(bǔ)償。同雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)，輸出直接用于對雷達(dá)引導(dǎo)理想軌跡偏差進(jìn)行修正，并經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳輸至飛機(jī)用于對差分衛(wèi)導(dǎo)理想軌跡偏差進(jìn)行修正。

（5）慣性導(dǎo)航/導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)。同多模式引導(dǎo)架構(gòu)1、差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2。航母、艦載機(jī)需分別配備。

（6）載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位。同差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)2，由機(jī)載系統(tǒng)實現(xiàn)。

（7）理想軌跡偏差計算（差分衛(wèi)星）。同差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)2，由機(jī)載系統(tǒng)實現(xiàn)。

（8）引導(dǎo)技術(shù)模式選擇邏輯。采用多模式引導(dǎo)后新增的邏輯功能單元，由機(jī)載系統(tǒng)實現(xiàn)。選擇邏輯功能主要包括：依據(jù)著艦雷達(dá)系統(tǒng)工作狀態(tài)和探測得到的目標(biāo)軌跡質(zhì)量，判斷雷達(dá)引導(dǎo)的可用性；依據(jù)航母和飛機(jī)導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用性、系統(tǒng)工作狀態(tài)和探測得到的目標(biāo)軌跡質(zhì)量，判斷差分衛(wèi)星引導(dǎo)的可用性；對兩種引導(dǎo)模式的軌跡偏差自動交叉檢查，進(jìn)行多模式運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。該邏輯判斷由機(jī)載系統(tǒng)自主、獨(dú)立完成，通過執(zhí)行設(shè)定的判斷邏輯，選定雷達(dá)引導(dǎo)軌跡偏差、差分衛(wèi)導(dǎo)軌跡偏差之一，用于引導(dǎo)艦載機(jī)自動著艦，并經(jīng)數(shù)據(jù)鏈向艦載系統(tǒng)報告。

（9）數(shù)據(jù)鏈包括著艦數(shù)據(jù)量和歸航數(shù)據(jù)鏈。

（10）飛行/任務(wù)管理。同多模式引導(dǎo)架構(gòu)1、差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2，基于接收到的航母位置和航行數(shù)據(jù)進(jìn)行水平導(dǎo)航，引導(dǎo)飛機(jī)歸航。

（11）軌跡引導(dǎo)律、著艦飛行控制律（含動力補(bǔ)償）。同多模式引導(dǎo)架構(gòu)1、差分雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)、差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1和架構(gòu)2。屬于機(jī)載系統(tǒng)的軌跡控制。

3.2多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)兩種架構(gòu)的比較

在3.1節(jié)兩種多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1、架構(gòu)2進(jìn)行了研究和對比，所得結(jié)果如下。

（1）功能單元配置不同

在差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1中，載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位解算、理想軌跡偏差計算、甲板運(yùn)動補(bǔ)償接入控制由艦載系統(tǒng)實現(xiàn)，為所有艦載機(jī)的引導(dǎo)著艦所共用。

在架構(gòu)2中，載波相位跟蹤差分衛(wèi)星定位解算、理想軌跡偏差計算、甲板運(yùn)動補(bǔ)償接入控制由機(jī)載實現(xiàn)，為載機(jī)自身所用，在每架飛機(jī)上均需配置。

從整個航母以及多架艦載機(jī)的SOS視角來說，架構(gòu)1比架構(gòu)2簡單。相比架構(gòu)2，架構(gòu)1整個系統(tǒng)軟硬件配置數(shù)量少，系統(tǒng)簡單，整體可靠性高。

（2）著艦數(shù)據(jù)鏈傳輸能力需求不同

架構(gòu)1需向艦載系統(tǒng)傳輸所有進(jìn)場飛機(jī)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)（多衛(wèi)星偽距和載波相位），因衛(wèi)星數(shù)據(jù)量較大、批次回收艦載機(jī)數(shù)量較多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸需求較大。

架構(gòu)2需向所有進(jìn)場飛機(jī)同時傳輸航母的衛(wèi)星數(shù)據(jù)（多衛(wèi)星偽距和載波相位），可采用廣播方式傳輸，故數(shù)據(jù)傳輸需求較少。

（3）多模式引導(dǎo)兼容性不同

差分衛(wèi)導(dǎo)架構(gòu)1與雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)具有最大的相似性，具有更好的多模式兼容性，便于綜合實現(xiàn)多模式引導(dǎo)。架構(gòu)2與雷達(dá)引導(dǎo)架構(gòu)的艦-機(jī)相對精確定位、理想軌跡偏差計算、甲板運(yùn)動補(bǔ)償接入控制等核心單元的艦-機(jī)分配不同，綜合實現(xiàn)多模式引導(dǎo)的難度較大。另外，由于架構(gòu)1中兩種引導(dǎo)模式的核心和主要部分均在艦上，在不同引導(dǎo)模式的判斷選擇、備份、轉(zhuǎn)換方面，比架構(gòu)2更容易實現(xiàn)。

4結(jié)束語

雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)和差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)是目前已經(jīng)達(dá)到基本成熟或初步驗證可行的全自動著艦引導(dǎo)技術(shù)。本文基于雷達(dá)引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)和差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展了以差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)為主的多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)。對基于兩種差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)架構(gòu)為主的多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了比較。架構(gòu)1數(shù)據(jù)傳輸量更大，但整個系統(tǒng)軟硬件配置數(shù)量少，系統(tǒng)簡單，整體可靠性高，并且具有更好的多模式兼容性。綜合來看，以差分衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)架構(gòu)1為主的多模式引導(dǎo)自動著艦系統(tǒng)架構(gòu)更優(yōu)，可為全自動著艦技術(shù)的工程應(yīng)用提供參考。

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Research on the Top-Level Architecture of the Automatic Carrier Landing System for Carrier Aircraft

Geng Yansheng，Luo Laibin，Liu Ximei，Wang Wei AVIC The First Aircraft Design Institute，Xian 710089，China

Abstract： Taking the technology in automatic carrier landing as the research object， this paper analyzes the technical principle of the automatic carrier landing and the main functional units and elements of the architecture to achieve radar guidance automatic landing system and differential satellite positioning guidance automatic landing system. Then， based on differential positioning guide technology， this paper develops two kinds of multi-mode guidance automatic landing system architecture to make up the disadvantages of the differential satellite positioning guided automatic landing system with weak anti-interference ability and the possible loss of key functions in battlefield environment. The two architectures based on differential satellite positioning guidance technology are compared. The results show that multi-mode guidance architecture 1 has the characteristics of simpler system and better compatibility. The research work has certain engineering guidance value for the top-level architecture design of automatic landing system of carrier-based aircraft and the realization of safe， orderly and efficient landing of carrierbased aircraft on aircraft carrier.

Key Words： carrier aircraft； automatic carrier landing； top-level architecture； multi-mode guidance； differential satellite positioningF28D078E-4D12-408B-BC04-00A5C1D35B94