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导航的军事分类与应用
时间:2019-09-22 23:10    来源:未知    作者:admin

  指塔康(TACAN),精密雷达(PAR),仪表着陆系统(ILS),微波着陆系统(MLS),罗兰C(Loran C),无线电信标(Radio Beacon)等系统。它们都是在陆上(有时也在舰上)设置一些导航台,发射无线电信号,当装有相应机载或舰载导航设备的飞机或舰船进入其覆盖区后,便能确定自己的实时位置。

  这些系统除了无线电信标是更早的系统之外,基本上是在二次世界大战期间或基于大战中发展起来的军事技术在战后建立起来的。至今,各种导航台已遍布全球,形成一套颇为完备的体系,仍在为飞机和舰船的各航行阶段提供航行引导服务。

  卫星导航系统现在有美国的GPS,俄罗斯的Glonass,它们都是在上世纪90年代中期正式投入运行的。欧洲正在发展Gelileo系统,计划于2008年开始工作。卫星导航是基于航天技术、精密时间技术、微电子技术、计算机技术和电子信息技术发展起来的。它由空间段(卫星星座),地面段(分布在全球的主控站、监视站,上行注入站)和用户设备组成。卫星向地面发射无线电导航信号。地面段用以支持空间段,使之维持系统正常、高精度地运行。大致可以说卫星导航系统是把陆基无线电导航的导航台放到了人造卫星上。由于卫星可以看到地球表面,又发射高频率信号,因此既可利用由多颗卫星组成的星座覆盖全球,又有高的精度。这就消除了陆基无线电导航的缺点,卫星导航不仅能连续提供三维位置信息,而且能够提供准确的速度与时间信息。系统设计的思路是把技术复杂性集中在地面支持设施和卫星上,使用户设备体积小、重量轻、功耗省、价格低、使用方便。因此卫星导航为导航技术带来的是性的变化,它不但有潜力取代所有的陆基无线电导航系统的航行引导功能,而且从1991年的海湾战争开始,作为军事装备,渗透到了历次高技术局部战争的各阶段,各种级别的武器平台和军事信息系统中,成为战争机器的重要基础设施。

  GPS和Glonass都是军事系统。由军方研制和运行,同时也提供民用。卫星发射两种信号,即军用信号和民用信号。民用信号是公开的。军用信号是保密的,其抗干扰能力和精度都比民用高一些。这样,一般用户,尤其是敌对方,不能利用军用信号,也不容易模仿军用信号而进行欺骗干扰。

  GPS从1993年达到初始工作能力,1995年达到全工作能力之后,运行一直正常。Glonass由于俄罗斯的经济情况的原因,在1995年布满星座之后,由于失效的卫星得不到及时补充,因此至今运行不正常。在全球范围内GPS的实际定位精度民用大致在20m左右,军用可能优于10m。利用差分技术可以使局部区域的精度明显提高。另外利用载波相位测量技术,可以使一定区域内的定位精度达到厘米甚至毫米级,还能产生平台的航向和姿态测量信息。GPS提供的时间精度军用是40ns,利用GPS实现远距离同步时精度可优于10ns。

  卫星导航最主要的弱点是,卫星发射的信号要经过20000公里左右的距离才能传播到地面,因此信号太弱,容易受到干扰,也容易受到树荫房屋的遮挡。经过10多年来的军用和民用,美国从2000年起正在实施为期10年的GPS 现代化计划。从军用的角度来看,这项计划的主要目标是:把定位精度提高到1m,使用新的军用信号和加大卫星发射功率,以提高抗干扰能力和保密性。另外还要提高完好性。

  一些战术无线移动通信系统的结构是,把用户设备组织成网络,用户之间除了能够作一对一的通信之外,还可以作一对多或多对一的通信,还可以经过不同的路由中继。其中有一种网络采用同步时分多址(TDMA)接入方式。

  基于无线网络的导航的优点是信号采用跳频、直接序列扩频、纠检错编码等方式和多重保密措施,通信距离近,因而抗干扰和保密能力都很强。

  惯性导航系统普遍装在飞机、军舰、导弹、战车上。惯性导航系统有两种,最先出现的是平台式惯性。它以陀螺为基础构筑一个不随运载体(飞机、舰船和导弹等)姿态和载体在地球上的位置变化影响的稳定平台,保持着指向东、北、天三个方向的坐标系。固定在稳定平台上的加速度计分别测量出载体在这三个方向上的加速度。分别对这些加速度在时间上作一次和二次积分,便能导出载体的速度和所经过的距离。载体的航向与姿态信息由稳定平台感知。

  另一种是捷联式惯导。它的陀螺和加速度计均直接固连在运载体上。实质上是用数学平台取代了机电平台。捷联式惯导是随计算机技术和光学陀螺的出现而发展起来的,体积重量都比平台式惯导小,可靠性明显提高。

  惯性导航有许多优点。它不依赖于外界的导航台,是一种自主工作的系统。没有电波传播,可用于海、陆、空、天及水下环境,隐蔽性好,不可能被干扰,无法反利用,生存能力强。能同时提供载体的位置、速度和航向姿态信息。因此在军事上有重要意义。

  惯性导航的主要缺点是位置误差随工作时间而增加,因此一般要和卫星导航相组合使用,以把两种系统的优点结合起来。卫星导航/惯导组合是当今军事导航的主要系统。

  多卜勒导航是一种飞机导航系统。机载多卜勒雷达斜向对地面发射电波。因飞机在运动,地面的漫反射回波中带有多卜勒频移,根据这种频移可以算出飞机的三维速度,经过对时间的一次积分,便可以算出飞机的已飞距离。

  由于不依赖于地面导航台,多卜勒导航也是一种自主式系统。与惯导相比,由于位置也是由出发点加上积分运算而求出,因而也是一种推算导航系统,误差也随工作时间而积累。而它的精度比航空惯导低,不能用于地面和海上,导出的参数只有位置,还要发射电波,因此不如惯导意义大。但设备比较便宜,在直升飞机和一些轰炸机上有较多应用。

  地形辅助导航是低空突防飞机和低飞的巡航导弹采用的导航系统。它的原理是,在运载平台中存储所要飞越地区的三维数字地图。在飞行过程中,系统将运载体上的气压高度表产生的海拔高度与由雷达高度表产生的相对高度相减,得出飞过的地形剖面图。将这一剖面图与所存储的数字地图相比较,当达到匹配时,便求出了飞机所在点的位置。由地形匹配所得到的更新率不高的定位信息,采用卡尔曼滤波法,与机载惯导相组合,产生出连续、高精度的三维位置、速度和航向姿态信息。

  由于雷达高度表在高空工作时精度不够,在海上和平原上时地形信息太少,因此地形辅助导航只适合在不平地形上低空使用。

  1993年11月30日美国国会要求在2000年9月30日之前美军的所有这些平台都必须用GPS装备起来。

  美军的主要军事飞机,包括战斗机,轰炸机,预警机、侦察机、电子战飞机,大型无人机都装备了GPS/惯导组合系统。这些飞机中,较老式的由于先装了惯导,后才装GPS,因而用的是松耦合组合形式。较新的则用紧耦合组合。组合系统为飞机提供连续精确的位置、速度、航向姿态与时间信息。这些信息除了作航行引导之外,主要是支持飞机作战,比如在战斗机和轰炸机中作精确打击空地导弹和炸弹的初始化,在预警机中作机载雷达的原点和波束指向基准。

  现在美国和北大西洋公约组织各国的军用飞机正在加紧装备MIDS,提高其C4KISR功能。低空突防飞机装有地形辅助导航系统。这些系统许多都要用惯导,有一种发展趋势是把GPS 、惯导、MIDS或地形辅助用联邦卡尔曼滤波器进一步组合起来。实质上是要用多种手段校正惯导的积累误差。飞机惯导早期是机电陀螺平台式惯导,80年代以后逐渐换成了激光陀螺捷联式。

  军事飞机上还载有塔康和仪表着陆系统(北大西洋公约组织的飞机着陆和美军飞机航母着舰用精密进近雷达来引导),与GPS/INS配合作航行引导。美国正在发展联合 精密进近与着陆系统(JPALS),打算取代ILS和现行的航母飞机着舰系统。JPALS实际上是一种差分GPS系统。

  海上军事平台和航空母舰,巡洋舰、驱逐舰装有GPS和惯导组合系统,这种惯导的精度一般较高。这种系统除了用于保障军事航行之外,还为舰载机的惯导提供初始对准信息,为舰载机着舰提供航空母舰纵横摇信息。为舰炮和舰载雷达提供位置和姿态基准信息,为舰对岸导弹提供初始化信息。海上军事平台和海军航空兵飞机已经大量装备JTIDS,以实现海空配合作战。大型军舰都装有塔康导航台,使飞机能随时掌握相对于军舰的距离和方位。还装有罗兰C,作岸区航行引导。航母上装有精密进近雷达,以引导飞机着舰。海军在海上布雷扫雷中大量使用GPS。

  潜艇的主要导航手段是惯导。由于需要长期在水下工作,因此许多都装备了静电陀螺惯导,这种惯导精度很高,但不适于高动态。B52飞机也装有这种惯导,以便于长途奔袭。潜艇上还装备有GPS和罗兰C。GPS信号不能入水,罗兰C信号入水深度也很浅,因此它们或者借助于漂浮天线,或者在潜艇上浮后,用以校准艇上的惯导。潜艇导航主要作航行引导,也对水下发射导弹作初始化。

  在1991年的海湾战争中GPS对陆军作战发挥了巨大的作用,在没有地形可作参考的大沙漠中,它引导装甲部队穿越伊拉克西部大沙漠完成了对共和国卫队的战略包围。GPS使部队能够在需要的时候出现在需要的地方,执行任务后撤离到指定的地方。GPS除了单兵使用之外,还用于特种部队侦察,火炮阵地布列,近空支援,布雷扫雷等一系列战术操作。基于GPS载波相位测量的寻北装置用于火炮与雷达指引。坦克用GPS/惯导组合作导航和火炮指引。值得一提的是所谓GPS引导组件(GGP),它是为坦克开发的GPS/惯导系统。GGP用光纤陀螺以降低价格,GGP还可以用于战术导弹制导。PLRS和EPLRS用于为师或旅一级指挥员提供下属的步兵、战车、陆军航空兵在战场上的实时分布,也作航行引导。陆军还正在将GPS/INS装在增程炮弹内,以提高其远程命中的精度。

  GPS在精确打击武器中的应用是最引人注目的。其中主要是海射和空射巡航导弹和由飞机投放的由GPS/INS制导的普通炸弹(如JDAM),滑翔炸弹(JSOW)和空地导弹(JASSM)等。对于有末制导的巡航导弹,GPS/INS作中段制导。GPS/INS制导炸弹的特点是飞行员只根据事前已知的目标坐标发动攻击,不用看见目标,炸弹打了之后不管,而且命中精度很高,因此飞机可以在高空远离目标投弹,而且可以一次投放多枚炸弹攻击多个目标。这就减小了气象和能见度对作战的影响,降低了飞行员的风险和导致的附带损伤,减轻后勤负担。所谓“无接触战争”的概念即因此产生。

  陆基洲际弹道导弹用高精度惯导制导(战略级),潜射洲际导弹也用惯导制导,同时用天文导航校正惯导。炸弹用的是低精度的惯导(战术级)。巡航导弹和飞机用的惯导其精度处于二者之间(导航级)。早期的战斧式导弹用地形辅助作中段制导,因为所需要的任务规划时间太长,现在已完全由GPS/INS取代。GPS和基于GPS的寻北装置还用于导弹发射架定位和指向,作导弹初始化。

  GPS/INS制导的前提是目标位置准确已知,因此精确的目标侦察十分重要,由于GPS精度很高,广泛用于侦察平台本身的定位。例如侦察卫星、高空侦察机和无人侦察机的定位。只有平台定位很准,目标侦察精度才高。一个把侦察和打击结合起来的典型的例子是许多对地攻击机和无人机所用的GPS辅助目标定位系统(GATS)。在这种系统中,飞机上载有合成孔径雷达(SAR)和GPS。SAR定出目标相对于飞机的位置,GATS利用由GPS产生的飞机位置数据把目标位置变换到WGS-84测地坐标系中,飞机的投弹系统再把目标坐标装订入飞机所载的GPS/INS制导炸弹中,然后对目标发动攻击。

  在军事靶场中广泛用GPS,差分GPS和载波相位跟踪作系统时间同步、武器系统威力测试、导弹真实轨迹测量、位置标定等。GPS在气象探测和海洋监视中也有重要应用。

  GPS在后勤支持中也发挥着重要作用。比如重要军事装备的运输因有GPS而准确和准时,同时后勤指挥机构可随时监视各种后勤支持单位的移动情况,从而及时加以调度。借助于GPS,飞机坦克能够准确掌握与补给基地的距离,因而可以少留剩余油量,从而加长执行任务的时间等。■

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