王小陽，張國強

(陸裝航空軍代局駐西安地區(qū)航空軍代室，陜西 西安 710061)

0 引言

直升機具有懸停、垂直起降、低空低速等特殊的飛行特性，是現(xiàn)代戰(zhàn)場力量不可或缺的組成部分。且隨著戰(zhàn)爭形態(tài)從機械化戰(zhàn)爭向信息化戰(zhàn)爭的轉變，直升機在作戰(zhàn)體系中的定位，也在悄然發(fā)生著深刻的變化：直升機在機械化戰(zhàn)爭時代所承擔的傳統(tǒng)的反裝甲作戰(zhàn)、近距離火力支援、偵察、通訊以及實施戰(zhàn)場救護等相關后勤保障任務，在信息化戰(zhàn)爭時代繼續(xù)構成其戰(zhàn)場職能的基礎部分；而且在信息化戰(zhàn)爭時代，根據(jù)不同的任務需要，通過加裝各種先進的偵察探測設備和電子對抗設備，直升機具備遂行信息戰(zhàn)的能力，即在獲取信息和電子對抗等方面，將發(fā)揮重要的作用，如圖1。

圖1 直升機在軍事領域的應用示意

作為機載航電系統(tǒng)的重要組成部分，直升機導航系統(tǒng)主要用于確定直升機的即時位置、速度、姿態(tài)/航向，并引導直升機安全、準確地沿著預定的路線或軌跡，準時到達目的地；同時，導航系統(tǒng)也向直升機控制系統(tǒng)及相應的任務載荷提供其所需的加速度、角速度、姿態(tài)/航向等運動信息，引導載機安全飛行、低空突防及完成各項預定的作戰(zhàn)任務并安全著陸/艦。。

1 直升機對導航信息的應用需求

直升機導航系統(tǒng)最基本的功能是精確導航定位，即連續(xù)、實時地提供直升機的位置、速度、姿態(tài)/航向、加速度、角速度等導航參數(shù)和運動參數(shù)，并使其能按預定航線飛行；在近地飛行階段，導航系統(tǒng)還能夠提供高精度的相對高度信息和防撞告警提示等信息。上述功能是提高直升機的全天候、全天時作戰(zhàn)能力和生存能力的關鍵所在，也是直升機導航系統(tǒng)的核心價值所在。

直升機上常采用的導航系統(tǒng)一般包括慣性導航系統(tǒng)(INS)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)和多普勒導航系統(tǒng)(Doppler)等，它們以單獨或組合導航的形式為直升機提供導航定位信息。其中，慣導系統(tǒng)因具備完全自主、輸出參數(shù)全面等獨特優(yōu)勢，通常作為直升機的核心導航設備。表1給出了國外典型直升機的導航系統(tǒng)配置，其中AH-64E還采用了改進的數(shù)字網絡通信系統(tǒng)，新增了“聯(lián)合戰(zhàn)術信息分發(fā)”(JTIDS)數(shù)據(jù)鏈，可遠程遙控包括MQ-1C“灰鷹”在內的多種無人機進行偵察及協(xié)同作戰(zhàn)?？梢灶A見，隨著未來直升機任務使命的不斷拓展，導航系統(tǒng)將會不斷面臨新的挑戰(zhàn)。

表1 國外典型直升機導航系統(tǒng)配置

整體上看，軍用直升機導航系統(tǒng)正不斷向著更精確、更可靠、抗干擾和不易被截獲的方向發(fā)展。軍用直升機在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時通常在5 m～50 m的超低空飛行，即所講的“一樹之高”，復雜地形或高層建筑、高壓線、通信塔等障礙物將會對直升機飛行安全產生重大的影響；此外，由于飛行高度低，直升機與地面相對速度較快，飛行員視野狹小，對飛行狀態(tài)的變化判斷也容易產生較大的誤差，易造成飛行事故；同時，直升機常常工作于雨、霧、沙塵等惡劣氣象條件下，嚴重影響著飛行員的目視能力，無法準確判斷當前位置及周邊情況，很容易發(fā)生迷航或與障礙物碰撞；在強電磁對抗戰(zhàn)場環(huán)境下，衛(wèi)星信號等無線電信號可能會受到干擾或壓制而無法使用。綜上原因，直升機導航與傳統(tǒng)的航空導航需求具有顯著的差異。在上述條件下實現(xiàn)高精度、高可靠的導航將是軍用直升機機載導航系統(tǒng)所面臨的一項重要技術挑戰(zhàn)。因此，導航系統(tǒng)設計人員的研制思路也需發(fā)生相應的改變，應從“我們能提供什么導航能力”轉向“飛機和操作員需要什么導航能力”，通過綜合機上所有可用的傳感器信息以及機間的交互信息，提供高精度、高可靠的導航信息和態(tài)勢感知信息，以滿足軍用直升機的實際應用需求。

直升機在飛行過程中，需要實時辨識自身的位置/姿態(tài)等信息以及周邊的環(huán)境信息，以便為其后續(xù)的行為決策提供信息支持。針對前述需求，圖2梳理出了直升機導航的一般總體框架。

圖2 直升機導航總體框架

直升機對導航信息的應用需求主要體現(xiàn)在實時環(huán)境感知、高精度導航定位、近地與前視告警、協(xié)同導航、航路規(guī)劃、可視化導航等六個方面。

1.1 實時環(huán)境感知需求

在霧霾、沙塵等低能見度環(huán)境和復雜地形、強電磁對抗條件下執(zhí)行飛行任務時，各種環(huán)境因素都將對直升機安全飛行和著陸/著艦等構成嚴重威脅，飛行員可能會突然失去準確的環(huán)境信息和視覺線索，增加與其他飛行器或地形、障礙物等相撞的風險。同時，復雜的地形和氣象條件將直接影響機組的心理狀態(tài)，這也是一個不容忽視的危險因素。因此，機組需要準確掌握周邊環(huán)境信息以及本機相對地形/障礙物/威脅目標等的態(tài)勢信息，以便留有足夠裕度，避開地形/障礙物/威脅目標，實現(xiàn)安全飛行。另外，不同傳感器對于環(huán)境條件的適配性、檢測能力等存在較大差異，通過多源異構傳感器的測量信息，提高障礙物目標的識別準確率也是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

1.2 高精度導航定位需求

為使直升機在惡劣天氣、復雜地形、強電磁對抗戰(zhàn)場環(huán)境下仍能保持預定的生存能力和任務能力，要求機載導航系統(tǒng)具備高精度導航定位的能力。高精度定位既包括對己方的高精度絕對定位，也包括對敵方的精確探測，所用的傳感器信息包括機載慣導、衛(wèi)星導航、多普勒導航、地圖、雷達、光電和紅外等信息。目前直升機普遍采用慣性/衛(wèi)星/多普勒三組合系統(tǒng)方案，其中純慣性定位精度已由早期的1.5 n mile/h(CEP)逐步提升到0.8 n mile/h(CEP)。此方案基本能夠滿足10 m或0.5%～2%已飛距離的位置精度要求以及0.05°～0.3°的姿態(tài)精度要求和0.1°～0.4°的航向精度要求。近年來，為了提升導航系統(tǒng)的自主導航能力和定位精度，地形匹配和圖像匹配等自主導航方式也在逐漸被引入直升機導航系統(tǒng)。

1.3 近地與前視告警需求

近地與前視告警是根據(jù)直升機當前狀態(tài)、地形數(shù)據(jù)庫信息,與機載毫米波雷達等多傳感器的實時探測數(shù)據(jù)、機間協(xié)同探測數(shù)據(jù)等進行信息綜合處理，當直升機現(xiàn)時的飛行軌跡和位置相對于當前地形/障礙物等存在不安全因素時，提供“注意，地形”，“地形，拉起”等告警信號，以提示飛行員注意障礙物威脅，或者拉起直升機改出危險狀態(tài)，如圖3。目前在直升機應用方面參考較多的是美國Honeywell公司的MK XXII型HTAWS產品規(guī)范。對于環(huán)境條件不太好的區(qū)域以及貼地飛行等實際應用場景，需要對告警方式邊界進行必要的修正，以改善警戒/警告的保護作用，同時減少不必要的虛警。

圖3 近地與前視告警需求

近地告警模式分為基本型近地告警和增強型近地告警兩類，見表2。其中，基本型告警模式涵蓋下降率過大、地形接近率過大、起飛或復飛掉高、不安全的地形凈空、下滑道偏離、高度呼叫、過大傾斜角、尾部過低等八種模式；增強型告警模式還涵蓋地形提示和前視地形告警。告警信號輸出可分為提示級、注意級、警告級告警。其中，高度呼叫和地形提示可觸發(fā)提示級告警，提醒飛行員當前飛行高度或地形、障礙物，此時飛行員可根據(jù)提示信息，結合飛行任務情況綜合考量，執(zhí)行操縱響應；其他告警模式可觸發(fā)注意或警告級告警，飛行員應立即根據(jù)告警內容執(zhí)行操縱響應。

表2 近地與前視告警

1.4 協(xié)同導航需求

多機協(xié)同是空中作戰(zhàn)的關鍵環(huán)節(jié)。協(xié)同導航是利用直升機之間(或直升機與無人機、預警機等)的信息交互，實現(xiàn)導航信息的共享與協(xié)同，并對可能出現(xiàn)的導航系統(tǒng)故障進行識別、隔離和重構，提高其導航定位的精度和可靠性，從而保障直升機的飛行安全和任務協(xié)同的執(zhí)行效能，如圖4。相較于單架直升機的導航，協(xié)同導航涉及的實體類型更多，決策空間更大，復雜程度更高。處理好多實體間復雜的協(xié)作關系，從而有效地實現(xiàn)多機協(xié)同導航的智能決策，是亟待解決的問題。

圖4 協(xié)同導航需求

1.5 航路規(guī)劃需求

為了使直升機能夠在低空、復雜地形、復雜氣象環(huán)境下執(zhí)行避障、突防、搜救等任務，需要根據(jù)直升機周圍態(tài)勢，規(guī)劃安全、高效的飛行路徑，規(guī)避障礙物和威脅區(qū)，保證直升機安全飛行。航路規(guī)劃本質上是一個實時在線航跡規(guī)劃系統(tǒng)，利用地形數(shù)字高程圖、障礙物數(shù)據(jù)庫、機載導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及機載傳感器實時獲取的環(huán)境信息等信息，通過構造代價函數(shù)，實時產生最優(yōu)航跡，見圖5。

圖5 航路規(guī)劃需求

1.6 可視化導航需求

為了實現(xiàn)在霧霾、沙塵等惡劣環(huán)境和復雜地形、強電磁對抗條件下的安全飛行，需要將當前地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、威脅數(shù)據(jù)、機載雷達等實時探測數(shù)據(jù)融合到虛擬場景中，生成類似白天晴朗天氣窗口的視覺畫面，顯示當前視野范圍內可以觀察到的所有事物，并疊加安全飛行管道、飛行引導符號、地形、障礙物符號等，以直觀的形式展示以飛行員為中心的飛行環(huán)境信息，提高飛行員的空間環(huán)境/戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力以及安全飛行及著陸/著艦能力，如圖6。

圖6 可視化導航需求

針對直升機低空飛行的上述實際應用需求，在導航領域需要提升水平定位精度和高度方向測量精度，并通過綜合機載導航定位、高精度地圖(地形高程數(shù)據(jù)庫和障礙物數(shù)據(jù)庫等，同時針對地形數(shù)據(jù)庫不準確或者缺少的區(qū)域或者地形發(fā)生了變化的區(qū)域，還需實時探測數(shù)據(jù)的支撐)、機載毫米波雷達等多傳感器的實時探測數(shù)據(jù)、協(xié)同探測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)將高置信度的導航結果與機載高精度數(shù)字地圖數(shù)據(jù)及機艙外部環(huán)境的完美匹配，對艙外環(huán)境的實時精確感知及提前獲得“下一步行動”計劃的能力，最終形成載機安全飛行和執(zhí)行任務所必須的態(tài)勢感知信息和告警信息，并通過安全飛行管道的生成與顯示、載機周邊地形地物的圖形化顯示等可視化導航技術，保證“所見即所在”，從而為飛行員提供直觀、可信的情境認知信息，降低機組的工作量并提高機組操作的便利性，如圖7所示。

圖7 綜合態(tài)勢感知示意

下一代智能駕駛艙將引入智能交互(觸摸屏、語音等)技術，采用大屏顯示，簡化人機交互流程及過程，專注于保障飛行安全和飛行員的決策，如圖8所示。

圖8 智能駕駛艙示意

2 開放式導航系統(tǒng)架構

航空導航方式歷經了目視導航、無線電導航，現(xiàn)已進入基于性能的導航(PBN)階段。PBN是以經、緯、高定義飛機的空間位置，導航形式更加虛擬化，對機載設備的性能和整體導航性能更加關注，如圖9所示。從某種程度上講，直升機導航系統(tǒng)的未來發(fā)展方向與PBN的關注點高度吻合，在研究過程中可借鑒PBN的相關思想。

圖9 導航方式的演變

從前述分析可以看出，軍用直升機對其導航系統(tǒng)既有傳統(tǒng)導航意義上的位置、速度和姿態(tài)/航向等方面的信息需求，也有相對于自身周邊環(huán)境、障礙物、友機、敵對目標等的相對導航信息的需求，同時還需兼顧近地告警、態(tài)勢感知等方面的需求。為了滿足現(xiàn)有直升機高精度導航定位和態(tài)勢感知方面的需求，同時兼顧未來功能擴展，本文提出一種開放式的導航系統(tǒng)功能實現(xiàn)架構(圖10)，可綜合實現(xiàn)機內外導航信息和態(tài)勢信息的獲取與綜合處理，能較好地滿足直升機安全飛行和執(zhí)行任務的需求。同時，該架構具有良好的系統(tǒng)彈性，也能滿足未來功能和任務擴展的要求。

圖10 導航系統(tǒng)功能實現(xiàn)架構

慣導可同時獲得絕對導航信息和相對導航信息，實際上是機上各傳感器、地形數(shù)據(jù)庫等信息關聯(lián)和轉換的紐帶。從技術發(fā)展現(xiàn)狀和可靠性角度考慮，直升機上一般配置雙慣導；從抗干擾角度考慮，配置抗干擾GNSS衛(wèi)星天線；從實時環(huán)境和態(tài)勢感知角度考慮，配置機載地形數(shù)據(jù)庫和激光雷達等實時探測設備；從提高水平定位精度和導航自主性方面考慮，提供地形匹配、地形跟隨及地形回避等能力；從安全性角度考慮，提供可視化導航和告警提示功能。此外，還需進一步提升導航系統(tǒng)的綜合化水平和使用的便捷性，使飛行員能夠將更多的精力集中于戰(zhàn)術運用上，從而增強直升機在威脅環(huán)境中的生存力和任務效能。這也是未來直升機導航應用的重點發(fā)展方向。

3 結論

作為直升機航電系統(tǒng)的重要組成部分，導航系統(tǒng)對于保證軍用直升機在各種惡劣環(huán)境、復雜地形和強電磁對抗條件下的飛行安全具有重要的作用。未來軍用直升機航電設備的多用途、多任務需求與能力將不斷提升，未來民用直升機遂行巡邏警戒、人道主義援助、農林植保等的任務也將更加繁重?？梢灶A見，直升機在未來軍、民領域均有著廣闊的應用空間，角色定位將會越來越重要；直升機導航系統(tǒng)必將在信息化戰(zhàn)爭環(huán)境下邁向網絡化、智能化、軍民兼容一體化。這就需要加快近地告警、可視化導航及態(tài)勢感知等方面的導航技術研究和技術升級，以提供性能優(yōu)異、使用便捷的直升機導航產品，從而滿足日益增長的直升機市場需求。