舰载机着舰导航与定位技术郝帅，程咏梅，马旭，王小旭（西北工业大学自动化学院，陕西西安710072）摘要：首先介绍了舰载机的重要性及舰载机安全着舰的困难性、复杂性，并详细论述了早期舰载机所使用的着舰技术，其中包括人工着舰引导和光学助降技术。

然后对舰载机安全着舰的关键技术——舰载机导航和定位技术进行了分析，其中主要包括舰载机捷联惯导传递对准、组合导航，以及舰载机相对航母雷达的跟踪定位、视觉辅助定位等技术，并总结了目前国内外对舰载机导航和定位技术的研究成果及动态。

最后，指出了舰载机着舰导航与定位技术未来的研究方向。

关键词：舰载机；着舰技术；导航与定位；视觉导航；组合导航中途分类号：U666.1 文献标识码：A Carrier-based Aircraft Landing Navigation and Positioning TechnologyHAO Shuai，CHENG Yong-mei，MA Xu，W ANG Xiao-xu (College of Automation, Northwestern Polytechnical University, 710072, Xi’an, China) ABSTRACT:First, the importance of carrier-based aircraft and difficulty, complexity of safe landing technology are introduced and the early landing technique is introduced in detail, including artificial landing guidance and optical auxiliary landing technology. Then carrier-based aircraft safe landing key technology is analyzed which includes carrier-based aircraft landing navigation and positioning technology. The research content mainly includes the strapdown inertial navigation transfer alignment technology of carrier-based aircraft, integrated navigation, tracking and location of carrier-based aircraft relative to aircraft carrier radar and visual auxiliary positioning. And research result and status of carrier-based aircraft navigation and positioning are concluded. Finally, carrier-based aircraft landing navigation and positioning technology in the future is pointed out.KEYWORDS:carrier-based aircraft; landing technology; navigation and positioning; vision-based navigation; integrated navigation1 引言航空母舰是当今世界上拥有最强大综合战斗力的海上“钢铁堡垒”，拥有全面的作战打击能力，凭借舰载机的强大作战能力可以使舰队的作战半径扩大到数百公里，对压制敌方空中和海上力量有着重要意义。

舰载机飞行员被认为是从事世界上最危险的职业，当舰载机执行完作战、训练、侦查等任务后，安全顺利着舰是件惊心动魄的工作，在广袤无垠的大海上航空母舰犹如一片树叶，所以想在有限的空间内安全着舰对飞行员个人技术及生命都是巨大的挑战。

与陆基飞机着陆相比，舰载飞机在甲板上着舰更为困难，这是因为航空母舰是一个长度有限的海上浮动平台，当舰载机下滑着舰时，对垂直平面内下滑航迹控制要求很高，而气流、海面状况等一些客观不确定因素，以及航母着舰引导、飞行员驾驶等也存在主观不确定因素，这些都可能导致航迹控制不当而未能在预定着舰点着舰，最终导致着舰失败，甚至引发严重事故。

舰载机着舰过程如图1所示。

图中的着舰方式为目视着舰，能见度超过5千米以上。

当舰载机进行着舰时，在航母上空按长方形航线进行左回旋飞行，此时的航母位于长方形的右边线的中心，记为PL1；第二、三、四个边线中心分别记为PL2、PL3和PL4。

图1 舰载机着舰示意图基金项目：研究得到航空科学基金资助(项目编号：20100853010)。

据统计，舰载机飞行员的飞行事故是宇航员的5倍，是喷气式轰炸机飞行员的10倍。

美国在实现舰载机着舰过程付出了巨大代价，摔掉了近百架飞机。

为降低舰载机着舰事故率，提高着舰安全性及可靠性，人们不断研制各种舰载机着舰导航设备以增加舰载机着舰的安全性，因此，舰载机着舰导航与定位技术也一直是国内外研究的重点[1,2,3]。

2 早期舰载机着舰技术2.1 人工着舰引导最初的舰载机主要螺旋桨飞机，体积小，重量轻，速度低，因此着舰滑行距离不长。

1911年1月18日，美国飞行员伊利在“宾夕法尼亚”号巡洋舰上完成固定翼飞机的首次着舰时，所使用的着舰甲板为一个长36米、宽9.6米的木质倾斜平台。

由于着舰速度低（111-167km/h），留给舰载机飞行员的反应时间就相对比较长，凭借高超的驾驶技术再辅以拦阻索制动，飞行员们可以安全着舰。

直到20世纪50年代为止，美国海军一直采用“示牌进场”技术。

由站在飞行甲板尾部左侧的着舰指挥官（LSO），用显眼的彩色信号牌，向进舰的舰载机发出信息，告知其进舰的好坏和偏差。

当舰载机接近舰尾时，LSO向飞行员发出信号，指示飞行员关闭发动机并引导飞机着舰。

2.2 光学助降技术由于海上环境复杂多变，当遇到阴天雷雨或是大雾等恶劣的气象条件，即使是经验丰富的LSO也很难胜任舰载机的指降工作，如何使舰载机安全着舰成为一个难题。

最初使用的是光学助降镜。

它实际上是一面巨大反射镜，设在斜角甲板着舰点的一侧，舰尾有专门的光源。

光发射到反射镜上，通过反射镜再反射到空中，给飞行员提供了一个光的下滑坡面。

飞行员操纵飞机降落时，就沿着这个光的下滑坡面下滑，并根据飞机在反射镜光束中的位置来修正误差，从而引导飞机准确地降落在甲板上。

目前，引导用的光学助降系统包括菲涅尔透镜光学助降系统、远程激光助降系统。

菲涅尔透镜光学助降系统目前被各国广泛采用[4,5]。

菲涅尔透镜光学助降系统的最大缺点是作用距离近，容易受到大雾等不良天气的影响。

随着光电技术的发展，80年代后期，西方国家海军开始发展采用激光、红外线和数据处理技术的着舰引导系统。

1996年9月，位于马里兰（Maryland）的美国航空作战中心飞机部门NAWCAD完成了对改进型菲涅尔IFLOLS的技术评估，IFLOLS采用激光发射器发出光束，具有功率高、发散角小、单色性好以及作用距离远等优点，大大提高了整个导航系统的可靠性和可维护性。

3 舰载机着舰导航技术研究动态舰载机是否能够安全着舰与自身导航系统的导航精度息息相关。

为了提高舰载机导航精度，目前国内外主要研究方向包括以下两部分内容。

3.1舰载机捷联惯导传递对准技术目前，舰载机所使用的导航系统一般都包含有惯导系统，而惯导系统在进入正常导航前必须经过初始对准，可以说对准的精度直接关系到舰载机导航和定位的精度，直接影响着舰载机是否能安全、准确的着舰。

舰载机所处的环境复杂，可能存在各种干扰，使得舰载机惯导的动基座初始对准问题变得困难，因此动基座传递对准技术成为近年来一个研究热点。

文献[6]提出了一种线性化方法来解决舰载机惯导系统在大方位失准角条件下快速传递对准问题。

文献[7]提出了利用惯性空间中地球重力加速度信息的捷联惯导自主粗对准方法以及基于模糊自适应卡尔曼滤波的自主精对准方法。

仿真结果表明，该运动基座上捷联惯导自对准方法能有效地解决舰船系泊和等速航行状态下舰载机的初始对准问题。

文献[8]根据加速度计扰动的高频特性和重力矢量低频特性的关系，通过引入低通滤波器使得重力矢量从加速度计量测中分离，来进行捷联惯导传递自对准。

该方法无需小失准角这个假设条件，不需粗对准和精对准两个过程，只需文中提出的对准方法一个过程即可。

仿真结果表明，该方法收敛速度快，但是对准精度没有明显的提高。

文献[9]基于小波和人工智能方法对舰载机捷联惯导动基座对准进行了研究，仿真结果表明，利用小波和人工智能方法进行对准有着很好的鲁棒性以及较高的精度。

文献[10]利用速度和姿态快速传递对准方法对舰载捷联惯导设备动基座对准系统进行了仿真和实验，结果表明该方法具有较好的推广性。

文献[11]针对舰船在等速航行中受海况的影响使得舰载机惯导系统对准时量测噪声统计特性时变的特点，设计了一种基于模糊逻辑控制的自适应卡尔曼滤波初始对准算法，仿真结果表明该算法在时变量测噪声条件下精度高于常规的卡尔曼滤波。

文献[12]采用RBF神经网络对惯导系统进行初始传递对准，仿真结果表明，该方法在保持精度不变的同时，可以有效的降低系统的解算时间，提高了系统的实时性。

3.2舰载机组合导航技术组合导航是近代导航理论和技术发展的结果。

每种单一导航系统都有各自的独特性能和局限性。

把几种不同的单一系统组合在一起，就能利用多种信息源，互相补充，构成一种有冗余度和导航准确度更高的多功能系统。

目前研究比较多的方式有惯性/卫星组合导航系统、惯性/多普勒组合导航系统、惯性/侧向测距导航系统以及惯性/天文导航系统[13]。

近些年来，视觉导航方法由于其自主性、廉价性和可靠性成为导航策略领域的研究热点，出现了不少以视觉导航为辅助导航的组合导航方法。

文献[14]提出了一种基于联邦滤波器的INS/GPS/CNS组合导航算法，仿真结果表明该算法可以大大提高系统的导航精度。

文献[15]提出了视觉/INS组合导航方法，针对无人机着陆过程中的图像识别问题，重点研究了无人机目标识别过程中的目标特征提取技术，选取了三种比较有效的特征提取方法，并建立图像坐标和经纬仪转角的数学联系，最后经过实验验证得到了满意的结果。

文献[16]提出以GPS/捷联惯导结合高度表为无人机主导航系统，以基于舰船跑道上自控发射红外辐射合作目标的计算机视觉/捷联惯导结合高度表为辅的无人机自主着舰导引方案，实现了无人机自主精确着舰导航。