光學助降引導系統在艦船上的發展與應用

1 人工著艦引導

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艦載機著艦[1]，這要求LSO的眼力和經驗極好，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

2.1 鏡面光學助降系統（MOLS）

1952年，英國研制了MOLS，解決了高速艦載機著艦引導的難題。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基座采用慣性穩定控制系統，使下滑光波束在慣性空間中保持穩定，但是該系統提供的下降坡面光柱容易發散，大氣能見度低時不能發揮太多作用。

2.2 菲涅爾透鏡助降系統（FLOLS）

60代初，英國在MOLS基礎上研發了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，飛行員目視燈箱發出的“肉球”與基準燈之間的相對位置調整下滑高度。美軍首次將其應用于“富蘭克林號”航母上，在很大程度上降低了著艦事故?！叭馇颉?、對中和攻角已經成為著艦時必須要考慮的關鍵詞。但是在短距離內完成高速對中下滑在的任務很容易出現偏差，FLOLS顯然不能滿足著艦需求。

3 光電技術發展

七十到八十年代末，微波、雷達等無線電引導技術得到快速發展和廣泛應用，激光、紅外線、電視等光電引導技術趨向成熟。美國海軍研制了“全天候電子助降系統（AWCLS）”，利用艦上雷達跟蹤飛機并進行信號修正，引導艦載機實現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（AVCARS）。燈陣分布在菲涅爾透鏡燈箱兩側，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，FLOLS不再配備該燈陣。九十年代后，衛星導航著艦引導技術快速發展。光學助降系統逐漸完善，光學引導逐漸發展成為集無線電、光電于一體的復雜體系。

4 光學引導現狀

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

4.1 近程指示系統

常規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（簡稱IFLOLS），工作方式與FLOLS相同，但是IFLOLS采用的是激光發射器產生的激光束，具有功率高、發散小、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，瞄準燈燈室變為12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]。美軍現役菲涅爾系統有艦基AN/SPN-41、MK 14等。

4.2 中程對甲板中線引導系統

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，左側為5個紅色燈，右側為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的引導更加精確。

（3）首尾下滑頻閃指示器（ForeAft）。安裝在母艦左側甲板上，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[2]。

4.3 遠程激光對中引導系統

ICOLS光學引導系統最大的特點就是增加了遠程激光引導系統（LVLA），解決了常規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]。該系統提供7種指示模式：紅燈快閃-紅燈慢閃-穩定紅燈-穩定黃燈-穩定綠燈-綠燈慢閃-綠燈快閃。當飛機在中心區域時黃色燈亮起，稍偏左時變為紅色燈，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，能夠發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，穩定紅燈-偏低，琥珀色-在下滑航線上，穩定紅燈-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，被LSO稱為最重要的引導系統。著艦時，飛行員到達10海里左右處時可根據LVLA的遠程引導，控制飛行方位在橫向偏差6°，縱向偏差5°的范圍內。進入4海里區域內，中程對中下滑引導開始工作。飛至1.25海里內，IFLOLS可以提供精確的下滑斜率信息。

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

參考文獻

[1]胡恩勇.光波束著艦引導系統研究[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.