航母着舰引导系统概述＊

周 煜 伍逸夫 赵 峰

（海军驻上海地区军事代表室1） 上海 200233）（武汉市长虹桥37－12） 武汉 430064）

（海军航空军械修理所3） 上海 200436）

1 引言

在新军事革命条件下，各航母国家的军事战略中仍将航母视为海军的核心力量，并把航母的更新换代列为军事技术发展和战略转型中的重要内容之一，正在发展的航母技术亦包括如何改进和提高着舰引导系统在夜间和恶劣天气的作业能力[1]。

事实上，现有的基于雷达技术的舰载机引导系统仍是机械化时代的技术装备，信息化时代的技术发展迫切需要进一步探索能以较为先进的技术理论，相对更简单的技术方法和更经济的方式实现航母着舰的测控引导，以进一步提高航母的作战能力。

国内从上世纪80年代起已开始着手研究航母着舰技术，并陆续发表了一些文章[2～3]。但从总体来看，资料仍相对较少，特别是若干关键技术都没有公开说明，且现有的研究都仅侧重于雷达引导技术，而对于飞机着舰引导系统和机－舰战术信息传输系统的研究，仍处于起步状态。

2 国外航母着舰引导技术的状况

目前国外的着舰引导体制主要是基于雷达技术和GPS技术[4]。国外舰载机引导系统的发展主要经历了三个阶段，先是上世纪五十年代的“助降镜”，再到六十年代的“菲涅尔透镜光学助降系统”，目前使用的是基于时基波速扫描技术的第三代“全天候电子助降系统”，进入21世纪后，基于导航卫星的着舰引导系统开始投入使用。

2.1 雷达引导系统

基于时基波速扫描技术的雷达系统是美军最早研制使用的引导着陆方式，是美军在第二次世界大战时为解决空军作战飞机在能见度很低的情况下能使飞机进场着陆而研制的，并最终被应用到航母着舰引导系统中。它采用极薄的扇形波束在既定的空间区域内来回扫描，从而实现对出现在这一区域的飞机进行精确的角度测量。为了实现定向扫描，通常利用两个正交的波束分别在水平面和垂直面内进行制导[5]。

美军已研制的用于主战的全天候着舰系统的核心是一部AN／SPN－XX精确跟踪雷达，采用Ka／X双频段，Ka频段雷达频率为（30.2±0.2）GHz，利用1.22m抛物面（双频共用）实现单脉冲卡塞格伦天线，X频段雷达的工作频率为（9310±35）MHz，MW雷达进行自动搜索和捕获目标，毫米波雷达实现精确跟踪和引导[5]。该系统性能良好，可确保舰载机在恶劣天气下安全着舰。从原理上推测，精密引导雷达应是一种能同时实现正交波束角度测量和径向距离测量的系统。

2.2 基于卫星导航的相对定位引导系统

舰载机着舰引导是空间相对运动动力学和控制技术的一种应用，在引导过程中，要求有大量准确的测量信息，其中包括目标舰载机与追踪航母间的相对距离、相对距离变化率、量移动物体间的视线角及其变化率等。

当把卫星导航系统用于相对差分模型时，它可以提供足够精确的相对定位信息。现有的研究结果表明，可以应用纯载波相位平滑的相对定位测量模式与其它测量设备组合形式完成近距离精密导引的任务。据了解，英国最近已经利用相对定位技术研制成真正意义上的、具有自主性能的全自动着舰系统。美国的Navsys公司已经研发出基于GPS的相对导航精密着舰系统，其舰载基站相当于导航信号源，机载设备通过滤波相位跟踪和扩频码跟踪的组合方式，实现舰载机的相对定位，其机载接收机采用了一个七单元的圆天线阵列，具有较高的抗干扰能力[6～7]。

3 未来的基本战术需求

根据美军的规划，第四代航母将装备无人战机。初步研究的结果表明，舰载无人战机在着舰时将有如下战术要求：

1）触舰定位精度要求高。由于是无人操控，为保证准确触舰，引导定位精度，特别是触舰阶段的测量精度将有较高的要求。目前，美国海军要求舰载机在水平和垂直面上的测量误差小于15cm[8]。

2）待机管制与进场耦合两阶段的衔接过程要连续。与有人驾驶战机的着舰过程不同，无人机从空管区待管制阶段的航迹跟踪到进入下滑窗口实现进场耦合时的航迹控制的过渡过程必须是连续的，这就要求着舰引导系统既能实施进场耦合控制，又能完成待机航线跟踪引导。

3）进近下滑引导跟踪过程要平滑。由于用于航母着舰的飞行甲板与航母轴线间有一个向外的夹角，随着航母的不断前进，造成待降的甲板跑道随着航母的运动不断向右前方平移[6]。如舰载机在进行追尾着舰时，仅在垂直平面内进行跟踪引导，即直接沿着航母航行的方向下滑运动，就使得自动操作指令的设计十分复杂，甚至是极其困难的。

与现有的技术发展水平和第四代航母的战术需求相比，目前基于雷达技术的舰载机着舰引导体制存在如下缺陷：

1）测控过程复杂。整个着舰引导过程是一个多系统的协同测控过程，需先由空管雷达将舰载机引导到下滑窗口，然后由仪表着陆系统实施进场耦合。再由精密引导雷达做下滑引导，最终在触舰阶段由激光测量等装置做精密测量[9～10]。

2）定位精度有限。在着舰引导的触舰阶段，不仅要修正因舰体运动所引起的位移，还需要克服舰尾气流对下滑轨迹所产生的扰动影响，因此触舰阶段的精确测量能力是极为重要的。而基于波束扫描技术的下滑引导雷达系统，不可能在数据终结点之后进行任何有意义的测量，因此需配置激光测距仪等精密测量装置，并且由于存在天线本身的扫描运动，对甲板运动补偿及预估相对复杂。

3）无法实现多机同时测控。现有的舰载雷达引导系统是基于舰面导出数据方式工作的，而在舰面导出方式下，定位测量数据必须通过可靠的编码数据链传送给机载设备。已有的美军研究报告表明，舰船到飞机信号的传输延时会造成稳定度的降低，这就给多机同时测控带来了困难[11]。

当前正在发展的另一种以GPS和数据链为基础的综合化着舰引导系统将导航、防撞、通信、进近、着舰、复飞等一系列功能融为一体，已被认为是引导技术的发展方向。但是基于导航卫星的引导体制易受攻击，抗毁性差，现军事大国均已具备使用陆基导弹直接摧毁天基卫星的能力。因此，卫星导航系统的相对定位系统仅能作为一种非独立的定位引导系统使用。

4 新一代多站定位引导系统

4.1 一体化测控能力

从目前的技术发展水平来看，以多站定位技术构造的自动着舰引导系统应比现有的时基波束扫描微波着陆系统等更为先进和全面，GPS定位系统的广泛应用从原理上说明现在已经处于可直接利用多站组合定位系统实现舰载机自动着舰的时代[12]。

由于多站定位的固有构造使其使用时比雷达系统更为灵活，从而能实现更多的功能。因此基于多站组合定位技术的舰载机自动着舰引导系统将既能基于单系统完成连续一体化的测控引导管理，又能实现对高速移动目标的精确测量，其最大特点就是当舰载机回归进入空管区后，自动着舰引导系统即能实施跟踪引导舰载机直接触舰，可实现终端区管制、进入下滑窗口、进场耦合和进近下滑引导，这是目前为止其它引导系统无法实现的。

同时，多站定位技术和雷达引导相比更具有实现精密测量战机触舰阶段坐标位置的能力，而且多系统的自动控制协调能力显然无法和单系统的自适应控制协调能力相比拟，且单系统测控更易采用在垂直面和水平面内同时实施下滑引导控制率的技术方案，使舰载机能在三维空间内连续平滑进近下滑，从而完全避免及消除在着舰下滑过程中自动驾驶系统必须不断地向右调整控制修正飞机航向的现象。因此基于多站组合定位技术的舰载机着舰引导系统更适合未来使用无人作战舰载飞机的第四代航母。

4.2 若干相对优点

1）空中导出数据

和现有的采用引导雷达的舰面导出方式不同，用于着舰引导的多站定位系统是一种主动有源定位测量系统，其工作方式是由舰载定位传感器主动发射信标信号，机载接收并给出测量结果，它能使舰载机更快地完成定位分析。而在舰面导出方式下，例如雷达引导系统，定位测量数据必须通过可靠的编码数据链传送给机载设备。已有的美军研究报告表明，舰船到飞机的信号传输延时会造成稳定度降低[6]。

空中导出数据方式的最大优点之一是能实现多机同时测控，这也是单系统一体化测控得以实现的原因之一。由于定位结果主要是由舰载机自身产生并精确跟踪控制过程，由此还节省了舰面到飞机的上行链路的传送开销。

2）构造简单

多站定位系统体系配置极为简单，这主要体现在无需复杂的天馈控制系统。在扇形波束扫描的引导雷达系统中，为实现精确引导，天线的波束必须在某一平面内设计的很窄，这就对天线的设计提出了较高的要求。同时为测定角度必须使天线快速的重复摆动，对伺服系统的设计也提出了较高的要求，并且为了满足工程所需要的刷新率的要求，还必须在垂直面上采用电扫描天线，提高了产品成本。

在多站定位系统中，对舰载机轨迹的偏差角度不是通过扫描获得的，而是通过路程测量直接得到的，因此不需要将天线波束设计的很窄，整个系统仅需几个波束恰当的定向或全向天线即可。并且在同样的情况下，同步信标定位与周期扫描相比具有更快的刷新率，从而为数据处理系统提供了更佳的分析基础。

3）有利于捕捉最佳触舰时机

与采用扇形波束扫描的引导雷达不同，由多站定位技术组成的测量系统不存在天线本身的扫描运动，因此在修正船体运动误差上具有较多的优越性，基本上通过集合修正就能实现对船体运动的补偿，从而更有利于捕捉最佳触舰时机。

4）触舰阶段的精密测量能力

多站定位系统可实现在最后触舰阶段对飞行高度的精密测量。由于在触舰阶段不仅要修正因舰体运动所引起的位移，还需要克服舰尾气流对下滑轨迹所产生的扰动影响，因此触舰阶段的精密测量能力是极为重要的。

从终结点开始，舰载机将在几秒内触舰，与先前的概念有所不同，本测量系统在终结点处仍将精密地测定飞机下部挂钩与甲板平面的相对高度，并作微小的调整，直至飞机被伴索挂住，这也是多站定位系统与雷达引导系统间的差异及优点。由于进入盲区，现有的雷达系统是不可能在数据终结点之后进行任何有意义的测量，因此需配置激光测距仪等精密测量装置。

5 结语

舰载无人机的发展将对着舰引导系统提出更高的测控需求，而基于多站组合测量定位技术的引导系统极具发展潜力，不仅能对舰载机进行快速精确的定位测量，而且可实现从终端区到触舰的单系统一体化自主定位测控，从而将导航、防撞、通信、进近、着舰、复飞等一系列功能融为一体，并为在垂直面内和水平面内同时实施跟踪引导控制，使舰载机在三位平面内连续平滑的追尾触舰提供技术保障。

[1]肖旷明，于鹏宇.舰载无人机作战使用及关键技术[J].飞航导弹，2008（3）：7～9

[2]韦秀光，贾光沿.现役航母载雷达系统[J].外军信息载，2007（4）：42～47

[3]赵涛.舰载无人机的发展[J].舰船电子工程，2010，30（4）：21～24

[4]陈书海，张正满.航空母舰－海军史上的里程碑[M].北京：国防工业出版社，2007：318～320

[5]潘镜芙.国外航空母舰的发展和展望[J].自然杂志，2007，29（6）：315～321

[6]张云雯，姚景顺，沈振华，等.美国航母雷达的配置及特点分析[J].舰船科学技术，2011，33（2）：135～137

[7]杨运桃，李开生.舰载无人机战术控制系统[J].舰船电子工程，2006，26（2）：5～7

[8]欧汛.航母舰载机着舰助降装置[J].现代舰船，2005（8）：44～46

[9]李杰，于川.航空母舰的舰载机着舰装备[J].现代军事，2006（10）：56～58

[10]马世强.舰载机降落技术探讨[J].舰载武器，2007（11）：70～72

[11]徐产兴.舰载机着舰引导雷达系统[J].现代舰船，2003（4）：34～35

[12]贾新强，林鹏，王敏文，等.舰载机着舰甲板运动误差及其补偿仿真研究[J].舰空计算技术，2010，40（1）：114～116