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【摘 要】通过对国外舰载机传统光学助降系统和雷达全自动盲降系统发展现状的分析，提出了基于舰载光电跟踪技术的助降系统的组成、配置、技术原理、技术指标，对光电助降系统中光电测量坐标系到甲板坐标系进行转换，对光电助降系统的测量误差和定位误差进行建模，结合我国现有技术基础，分析摇摆姿态角误差、距离误差、跟踪测角误差对光电助降系统定位精度的影响并进行仿真实验，给出舰载机距着舰点距离大于1km和小于1km时光电助降系统的定位误差。
【关键词】光电跟踪；光电助降系统；定位精度
引言
舰载机是航空母舰最具威慑力的重要载体，承担着舰队远程侦察、打击、防护、拦截、反潜、电子对抗等诸多任务。舰载机要在移动的、空间受限的航母飞行甲板上降落，难度是非常大的。为了保证飞机安全降落在短而窄的航空母舰的斜角甲板上，并准确地着舰，必须采取一些技术措施帮助飞行员观察和降落。根据已装备航母的技术特性、舰载机的技术要求，以及舰载无人作战飞机未来上舰对全自动盲降的要求，本文在分析国外着舰成熟经验和技术的基础上，开展高性能光电助降系统设备技术的研究。
1国外舰载机着舰引导装备的发展现状
国外航母舰载机助降系统的现役装备以美国为代表，存在着传统光学助降系统、雷达全自动盲降系统等共存现象。
最初飞机降落设立了专门引导飞机着舰的引导官。然而，引导官引导飞机着舰时，引导官需要具有丰富的目测经验和敏捷的素质。于是，人们开始寻找有效的引导飞机着舰的办法，使用光学助降镜。随着舰载机的速度逐渐加快，反射式助降镜越来越难以适应飞机着舰的需要。很快，英国研制成功了安放在航空母舰飞行甲板中部靠左舷“菲涅耳”透镜式光学助降镜。但是，它却有个最大的缺点，即遇到阴雨雾云，常常显得“力不从心”。为此，美国海军不断地改进完善传统“尔科尔斯”光学助降系统，增加激光航向对中仪和下滑角指示器以改善不良天气的影响，增加光学助降系统引导作用距离。另外，美国海军又开始在航母上安装雷达助降系统，即全天候自动着舰系统。不过，雷达助降系统还是有与生惧来的缺点———易受电子干扰。
到20世纪80年代中期，法国利用其成熟的舰载光电火控技术，率先研制出以激光跟踪/测距仪，红外摄像仪和电视摄像仪为主体的“甲板进场着陆激光系统”（DALLAS）并装备于“福熙”号航母。
1997年，美国海军提出并实施了“进近着舰视频成像系统”（VISUAL）计划，旨在升级美国航母舰载机着舰引导、监控和显示系统。VISUAL传统的舰载机光学助降系统经过60年的发展与完善，无论从技术还是应用管理层面都已形成成熟、完整的体系，成为航母的标准配置。
通过对法国和美国的飞机着舰光电引导系统的分析可以看出，未来的发展趋势主要表现在实现多功能一体化，远距离、高精度、高分辨率，采用多传感器一体化，引导/监视结构集成和眼睛安全激光。将光电着舰引导系统纳入着舰引导体系并和起降综合电视监视系统相结合，反映了当前航母舰载机着舰引导和起降监视系统向光频段发展的趋势。
第一章
2光电助降系统技术方案
2.1系统组成及配置
光电助降系统由光电指向器和显控台两部分组成。
显示控制台安装在舱内。光电指向器安装在航母甲板上，与舰载飞机理想着舰点（甲板坐标原点）的距离不小于50m，安装部位如图1所示。
2.2工作原理
光电助降系统在同步于时统设备提供的时间基准下，完成对舰载飞机的捕获、跟踪、测量定位、数据处理，向指挥控制系统输出舰载飞机的实际位置等参数。通过显控台上操控单元实现对光电助降系统的参数输入和操作，显示单元提供场景内的综合图像显示、下滑线显示、数据信息显示等，实时地掌握飞机进近着舰的状况。
当舰载飞机进场时，助降系统首先要对飞机进行搜索和捕获。当目标在视场中出现后，通过红外跟踪器对目标进行捕获跟踪，将目标与红外探测器十字中心的偏差量输出给系统跟踪控制单元。当光电瞄准线精确跟踪目标后，自动启动激光测距仪测距，实现对舰载飞机的角跟踪测量，获得目标的方位角、高低角和斜距，进行数据处理，求取目标在光电助降系统坐标系中的直角坐标（x，y，z），完成定位，经坐标转换，计算出飞机在甲板坐标系中的实际位置和飞机的航线，并与理想的航线相比（接收舰体的姿态，纵摇、横摇、升沉、速率和航向信息等），得出与理想下滑线的偏差，将该数据信息发送给舰船指挥系统，作为飞机驾驶员进场着舰的引导信息。
2.3光电助降系统功能
光电助降系统主要功能有：
1）接收指挥控制系统指令信息、时统信息、舰体姿态信息和雷达的引导信息等；
2）自动同步绝对时，高精度时基对准；
3）向指挥控制系统发送助降系统状态信息；
4）自动跟踪，测距；
5）红外和电视捕获、跟踪，目标图像的场景显示以及目标实际下滑线与理想下滑线显示，数据处理，存储；
6）实时测量舰载机距离、高度、方位角、俯仰角以及与理想下滑线的位置偏差等参数，并将测量数据实时上报舰船指挥控制系统；
7）BITE功能，具有自动化功能检测及故障定位到可更换单元能力。
2.4光电助降系统技术指标
光电助降系统技术指标如下：
a）在甲板坐标系中，舰载机距着舰点距离不大于1km时艏艉线方向定位精度：≤±5m（1σ）；垂直于艏艉线方向（水平）定位精度：≤±1m（1σ）。
b）在甲板坐标系中，舰载机距着舰点距离大于1km时艏艉线方向定位精度：≤±5m（1σ）；垂直于艏艉线方向（水平）定位精度：≤±3m（1σ）。
3光电助降系统精度分析
3.1測量原理 光电助降系统是在自身的测量坐标系下进行测量，向舰船指挥系统发送的下滑线航迹数据是以舰载飞机理想着舰点为坐标原点的甲板坐标系数据，如图1所示。图2为光电助降系统测量坐标系定义。需要将其在光电测量坐标系下测得的数据平移转换到甲板坐标系，坐标系的定义如图3所示。
3.3误差主要来源
光电助降系统的主要误差源包括：
1）船摇数据误差。由于风、浪、涌等的综合影响，舰体处于摇摆状态之中。摇摆姿态数据是通过惯导测量得到，由于惯导设备本身存在测量误，同时数据是以捷联方式获得，船体又不是刚体，故因扭转绕曲产生的变形误差也会体现在船摇数据误差内。船摇数据误差既有系统分量，又有随机分量，将引起光电助降系统定位误差。
2）光电跟踪测量误差。此项误差取决于光电系统自身性能，主要有距离测量误差和角度测量误差两部分。
4结论
国外为航空母舰舰载机着舰引导的光电助降系统的研制日益受到关注，美国、法国等国家已经有相关装备，国内也开展了相关研究工作。本文在分析国内外发展现状和趋势的基础上，对基于光电跟踪技术装备的光电助降设备系统的组成、技术原理、技术指标及影响定位精度的因素进行分析，并给出了影响定位精度的关键因素及需要改进的方向。
参考文献：
[1]青骅.助隼归巢：航母助降系统[EB/OL].[2012-01-30].
[2]LAWRENCET.Milestones and developments in US naval carrier aviation，atmospheric flight mechanics conference and exhibit [J].AIAA，2003，5554：11.
[3]陳彩辉，周荣坤.基于机舰协同的舰载机着舰过程分析[J].电脑与信息技术，2010，18（4）：8-11.
[4]飞行课堂：舰载飞机的着舰（图）[EB/OL].[2005-03-24].
[5]彭秀艳，赵希人.舰载机起降指导技术研究现状及发展趋势[J].机电设备，2005，23（2）：12-15.
[6]陆培国，寿少峻.舰载光电系统高精度跟踪控制技术[J].应用光学，2006，27（6）：480-483.
[7]刘利生.外测数据事后处理[M].北京：国防工业出版社，2000.
（作者单位：91550部队）
【关键词】光电跟踪；光电助降系统；定位精度
引言
舰载机是航空母舰最具威慑力的重要载体，承担着舰队远程侦察、打击、防护、拦截、反潜、电子对抗等诸多任务。舰载机要在移动的、空间受限的航母飞行甲板上降落，难度是非常大的。为了保证飞机安全降落在短而窄的航空母舰的斜角甲板上，并准确地着舰，必须采取一些技术措施帮助飞行员观察和降落。根据已装备航母的技术特性、舰载机的技术要求，以及舰载无人作战飞机未来上舰对全自动盲降的要求，本文在分析国外着舰成熟经验和技术的基础上，开展高性能光电助降系统设备技术的研究。
1国外舰载机着舰引导装备的发展现状
国外航母舰载机助降系统的现役装备以美国为代表，存在着传统光学助降系统、雷达全自动盲降系统等共存现象。
最初飞机降落设立了专门引导飞机着舰的引导官。然而，引导官引导飞机着舰时，引导官需要具有丰富的目测经验和敏捷的素质。于是，人们开始寻找有效的引导飞机着舰的办法，使用光学助降镜。随着舰载机的速度逐渐加快，反射式助降镜越来越难以适应飞机着舰的需要。很快，英国研制成功了安放在航空母舰飞行甲板中部靠左舷“菲涅耳”透镜式光学助降镜。但是，它却有个最大的缺点，即遇到阴雨雾云，常常显得“力不从心”。为此，美国海军不断地改进完善传统“尔科尔斯”光学助降系统，增加激光航向对中仪和下滑角指示器以改善不良天气的影响，增加光学助降系统引导作用距离。另外，美国海军又开始在航母上安装雷达助降系统，即全天候自动着舰系统。不过，雷达助降系统还是有与生惧来的缺点———易受电子干扰。
到20世纪80年代中期，法国利用其成熟的舰载光电火控技术，率先研制出以激光跟踪/测距仪，红外摄像仪和电视摄像仪为主体的“甲板进场着陆激光系统”（DALLAS）并装备于“福熙”号航母。
1997年，美国海军提出并实施了“进近着舰视频成像系统”（VISUAL）计划，旨在升级美国航母舰载机着舰引导、监控和显示系统。VISUAL传统的舰载机光学助降系统经过60年的发展与完善，无论从技术还是应用管理层面都已形成成熟、完整的体系，成为航母的标准配置。
通过对法国和美国的飞机着舰光电引导系统的分析可以看出，未来的发展趋势主要表现在实现多功能一体化，远距离、高精度、高分辨率，采用多传感器一体化，引导/监视结构集成和眼睛安全激光。将光电着舰引导系统纳入着舰引导体系并和起降综合电视监视系统相结合，反映了当前航母舰载机着舰引导和起降监视系统向光频段发展的趋势。
第一章
2光电助降系统技术方案
2.1系统组成及配置
光电助降系统由光电指向器和显控台两部分组成。
显示控制台安装在舱内。光电指向器安装在航母甲板上，与舰载飞机理想着舰点（甲板坐标原点）的距离不小于50m，安装部位如图1所示。
2.2工作原理
光电助降系统在同步于时统设备提供的时间基准下，完成对舰载飞机的捕获、跟踪、测量定位、数据处理，向指挥控制系统输出舰载飞机的实际位置等参数。通过显控台上操控单元实现对光电助降系统的参数输入和操作，显示单元提供场景内的综合图像显示、下滑线显示、数据信息显示等，实时地掌握飞机进近着舰的状况。
当舰载飞机进场时，助降系统首先要对飞机进行搜索和捕获。当目标在视场中出现后，通过红外跟踪器对目标进行捕获跟踪，将目标与红外探测器十字中心的偏差量输出给系统跟踪控制单元。当光电瞄准线精确跟踪目标后，自动启动激光测距仪测距，实现对舰载飞机的角跟踪测量，获得目标的方位角、高低角和斜距，进行数据处理，求取目标在光电助降系统坐标系中的直角坐标（x，y，z），完成定位，经坐标转换，计算出飞机在甲板坐标系中的实际位置和飞机的航线，并与理想的航线相比（接收舰体的姿态，纵摇、横摇、升沉、速率和航向信息等），得出与理想下滑线的偏差，将该数据信息发送给舰船指挥系统，作为飞机驾驶员进场着舰的引导信息。
2.3光电助降系统功能
光电助降系统主要功能有：
1）接收指挥控制系统指令信息、时统信息、舰体姿态信息和雷达的引导信息等；
2）自动同步绝对时，高精度时基对准；
3）向指挥控制系统发送助降系统状态信息；
4）自动跟踪，测距；
5）红外和电视捕获、跟踪，目标图像的场景显示以及目标实际下滑线与理想下滑线显示，数据处理，存储；
6）实时测量舰载机距离、高度、方位角、俯仰角以及与理想下滑线的位置偏差等参数，并将测量数据实时上报舰船指挥控制系统；
7）BITE功能，具有自动化功能检测及故障定位到可更换单元能力。
2.4光电助降系统技术指标
光电助降系统技术指标如下：
a）在甲板坐标系中，舰载机距着舰点距离不大于1km时艏艉线方向定位精度：≤±5m（1σ）；垂直于艏艉线方向（水平）定位精度：≤±1m（1σ）。
b）在甲板坐标系中，舰载机距着舰点距离大于1km时艏艉线方向定位精度：≤±5m（1σ）；垂直于艏艉线方向（水平）定位精度：≤±3m（1σ）。
3光电助降系统精度分析
3.1測量原理 光电助降系统是在自身的测量坐标系下进行测量，向舰船指挥系统发送的下滑线航迹数据是以舰载飞机理想着舰点为坐标原点的甲板坐标系数据，如图1所示。图2为光电助降系统测量坐标系定义。需要将其在光电测量坐标系下测得的数据平移转换到甲板坐标系，坐标系的定义如图3所示。
3.3误差主要来源
光电助降系统的主要误差源包括：
1）船摇数据误差。由于风、浪、涌等的综合影响，舰体处于摇摆状态之中。摇摆姿态数据是通过惯导测量得到，由于惯导设备本身存在测量误，同时数据是以捷联方式获得，船体又不是刚体，故因扭转绕曲产生的变形误差也会体现在船摇数据误差内。船摇数据误差既有系统分量，又有随机分量，将引起光电助降系统定位误差。
2）光电跟踪测量误差。此项误差取决于光电系统自身性能，主要有距离测量误差和角度测量误差两部分。
4结论
国外为航空母舰舰载机着舰引导的光电助降系统的研制日益受到关注，美国、法国等国家已经有相关装备，国内也开展了相关研究工作。本文在分析国内外发展现状和趋势的基础上，对基于光电跟踪技术装备的光电助降设备系统的组成、技术原理、技术指标及影响定位精度的因素进行分析，并给出了影响定位精度的关键因素及需要改进的方向。
参考文献：
[1]青骅.助隼归巢：航母助降系统[EB/OL].[2012-01-30].
[2]LAWRENCET.Milestones and developments in US naval carrier aviation，atmospheric flight mechanics conference and exhibit [J].AIAA，2003，5554：11.
[3]陳彩辉，周荣坤.基于机舰协同的舰载机着舰过程分析[J].电脑与信息技术，2010，18（4）：8-11.
[4]飞行课堂：舰载飞机的着舰（图）[EB/OL].[2005-03-24].
[5]彭秀艳，赵希人.舰载机起降指导技术研究现状及发展趋势[J].机电设备，2005，23（2）：12-15.
[6]陆培国，寿少峻.舰载光电系统高精度跟踪控制技术[J].应用光学，2006，27（6）：480-483.
[7]刘利生.外测数据事后处理[M].北京：国防工业出版社，2000.
（作者单位：91550部队）