光電技術在艦載助降系統中的應用

張悅

【摘 要】通過對國外艦載機傳統光學助降系統和雷達全自動盲降系統發展現狀的分析，提出了基于艦載光電跟蹤技術的助降系統的組成、配置、技術原理、技術指標，對光電助降系統中光電測量坐標系到甲板坐標系進行轉換，對光電助降系統的測量誤差和定位誤差進行建模，結合我國現有技術基礎，分析搖擺姿態角誤差、距離誤差、跟蹤測角誤差對光電助降系統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時光電助降系統的定位誤差。

【關鍵詞】光電跟蹤；光電助降系統；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驗和技術的基礎上，開展高性能光電助降系統設備技術的研究。

1國外艦載機著艦引導裝備的發展現狀

國外航母艦載機助降系統的現役裝備以美國為代表，存在著傳統光學助降系統、雷達全自動盲降系統等共存現象。

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驗和敏捷的素質。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“爾科爾斯”光學助降系統，增加激光航向對中儀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，即全天候自動著艦系統。不過，雷達助降系統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”（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”（VISUAL）計劃，旨在升級美國航母艦載機著艦引導、監控和顯示系統。VISUAL傳統的艦載機光學助降系統經過60年的發展與完善，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的分析可以看出，未來的發展趨勢主要表現在實現多功能一體化，遠距離、高精度、高分辨率，采用多傳感器一體化，引導/監視結構集成和眼睛安全激光。將光電著艦引導系統納入著艦引導體系并和起降綜合電視監視系統相結合，反映了當前航母艦載機著艦引導和起降監視系統向光頻段發展的趨勢。

第一章

2光電助降系統技術方案

2.1系統組成及配置

光電助降系統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。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

光電助降系統在同步于時統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、數據處理，向指揮控制系統輸出艦載飛機的實際位置等參數。通過顯控臺上操控單元實現對光電助降系統的參數輸入和操作，顯示單元提供場景內的綜合圖像顯示、下滑線顯示、數據信息顯示等，實時地掌握飛機進近著艦的狀況。

當艦載飛機進場時，助降系統首先要對飛機進行搜索和捕獲。當目標在視場中出現后，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，進行數據處理，求取目標在光電助降系統坐標系中的直角坐標（x，y，z），完成定位，經坐標轉換，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，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，將該數據信息發送給艦船指揮系統，作為飛機駕駛員進場著艦的引導信息。

2.3光電助降系統功能

光電助降系統主要功能有：

1）接收指揮控制系統指令信息、時統信息、艦體姿態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）向指揮控制系統發送助降系統狀態信息；

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，數據處理，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，并將測量數據實時上報艦船指揮控制系統；

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光電助降系統技術指標

光電助降系統技術指標如下：

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光電助降系統精度分析

3.1測量原理

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

3.3誤差主要來源

光電助降系統的主要誤差源包括：

1）船搖數據誤差。由于風、浪、涌等的綜合影響，艦體處于搖擺狀態之中。搖擺姿態數據是通過慣導測量得到，由于慣導設備本身存在測量誤，同時數據是以捷聯方式獲得，船體又不是剛體，故因扭轉繞曲產生的變形誤差也會體現在船搖數據誤差內。船搖數據誤差既有系統分量，又有隨機分量，將引起光電助降系統定位誤差。

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

4結論

國外為航空母艦艦載機著艦引導的光電助降系統的研制日益受到關注，美國、法國等國家已經有相關裝備，國內也開展了相關研究工作。本文在分析國內外發展現狀和趨勢的基礎上，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）