龔朝輝(海軍裝備部裝備采購中心，北京100071)

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美國航母儀表著艦系統(tǒng)和微波著陸(艦)系統(tǒng)研究

龔朝輝
(海軍裝備部裝備采購中心，北京100071)

摘要:概述了儀表著艦(陸)系統(tǒng)的發(fā)展情況，著重分析了美國AN/SPN-41儀表著艦系統(tǒng)和微波著陸(艦)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成和性能以及兩個系統(tǒng)的主要區(qū)別和特點。

關鍵詞:航母;儀表;微波;著艦

0　引言

目前，世界上飛機著艦(陸)引導設備有雷達著艦系統(tǒng)(GCA)、儀表著艦系統(tǒng)(ILS)、微波著陸(艦)系統(tǒng)(MLS)和差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(DGPS)4類設備。這其中AN/SPN-42和46(V)雷達著艦系統(tǒng)、AN/SPN-41儀表著艦系統(tǒng)及差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)均已在美國航母上得到成功應用。

儀表著艦系統(tǒng)和微波著陸(艦)系統(tǒng)的工作原理基本相同。它是利用微波波束掃描技術，在空中由飛機上的接收機/譯碼器從艦面發(fā)射的連續(xù)掃描波束中推導出飛機在空間的角度位置數(shù)據(jù)，并由飛機上的詢問器測量艦面應答脈沖延遲時間的方法導出距離數(shù)據(jù)，因而稱為空中導出數(shù)據(jù)系統(tǒng)。而在雷達著艦系統(tǒng)中，著艦飛機的角度和距離數(shù)據(jù)直接由艦面上的精密跟蹤雷達測量而導出的，所以稱為艦面導出數(shù)據(jù)系統(tǒng)。由此可見，儀表和微波著艦(陸)系統(tǒng)與雷達著艦系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成和特點顯然不同。本文重點介紹和分析儀表著艦系統(tǒng)和微波著陸(艦)系統(tǒng)。

儀表著陸系統(tǒng)起源于1929年采用的雙信標著陸系統(tǒng)，1949年被國際民航組織正式確定為標準的國際民航著陸系統(tǒng)。20世紀70年代中期，根據(jù)航母飛機著艦引導的需求，美國研發(fā)了航母儀表著艦系統(tǒng)，并一直沿用至今，即美國現(xiàn)役的航母均裝備了該系統(tǒng)。隨著電子技術及微波著陸需求的提高，儀表著陸系統(tǒng)后來演變?yōu)槲⒉ㄖ懴到y(tǒng)，1978年4月國際民航組織又選定微波著陸系統(tǒng)為新一代國際標準著陸系統(tǒng)。20世紀90年代中期隨著GPS系統(tǒng)的發(fā)展和推廣應用，美國成功研發(fā)了差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(DGPS)并開始應用于航母上。由于美國選用了DGPS系統(tǒng)，因此微波著陸(艦)系統(tǒng)尚未在航母上得到應用，正處于開發(fā)研究階段。目前，仍使用儀表著艦系統(tǒng)［1-2］。

1　AN/SPN-41儀表著統(tǒng)

AN/SPN-41儀表著艦系統(tǒng)使用了類似微波掃描技術，可在20 km的工作范圍內(nèi)給飛機提供引導信息。20世紀70年代初配裝于美國航母。該系統(tǒng)也應用于雷達自動著艦系統(tǒng)中引導駕駛員到AN/SPN-42雷達的捕獲窗口。如果SPN-42雷達著艦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，SPN-41系統(tǒng)也可用于半自動進近。AN/SPN-41儀表著艦系統(tǒng)主要由兩部獨立的發(fā)射機及天線組成，其中一部為方位角數(shù)據(jù)發(fā)射機及其天線，另一部為仰角數(shù)據(jù)發(fā)射機及其天線。方位發(fā)射機及其天線位于母艦甲板尾端下面，備有穩(wěn)定裝置以防橫搖和偏航。仰角發(fā)射機及其天線位于母艦甲板跑道一側(cè)光學著艦系統(tǒng)后面約100 ft，也有防橫搖和升沉的穩(wěn)定裝置。

兩部天線都是采用機械掃描方式工作，方位天線產(chǎn)生一個2°的波束，在著艦甲板跑道中線±10°范圍內(nèi)掃描。仰角天線產(chǎn)生1.3°的波束，在水平面上0°～10°范圍內(nèi)掃描。發(fā)射機通過天線向空中發(fā)射一雙編碼脈沖，脈沖對的間隔用于區(qū)分方位、仰角以及方位角的正負。連續(xù)的兩個脈沖對之間的間隔按方位角或仰角角度編碼。向母艦進近的飛機上裝有AN/ARN-63接收機/譯碼器，它所接收的微波信號上調(diào)制有脈沖對，角度數(shù)據(jù)含在其中。譯碼器對脈沖進行譯碼，產(chǎn)生的角度偏差數(shù)據(jù)在飛機的雙針指示器上顯示出來，為飛機著艦提供引導數(shù)據(jù)。

仰角天線僅在水平面上0°～10°的范圍內(nèi)發(fā)射，但實際掃描通過20°圓弧(水平面上15°和水平面下5°)。同樣，方位天線也僅在30°掃描的中間20°時發(fā)射(跑道中心線每邊15°)。再次掃描末端的“停滯時間”允許天線倒置回掃行程的方向。但是，每個天線僅在一個掃描方向輻射。這樣，通過分開天線異相的180°，一個天線將在另一個天線返掃時輻射并且所有信號發(fā)射通過一個無線電信道。然后，機載設備上的角度譯碼器在方位和仰角信號間分時，每次方位角和仰角的單個存儲器更新，接收到并譯碼一個合適的波束。

方位和仰角掃描波束在航母艦尾20 km處形成一個大約7 km寬、3.5 km高的SPN-41系統(tǒng)的捕獲窗口。一旦進近飛機通過這個窗口，它就捕獲目標并將飛機引入SPN-42雷達的波束中。為了安全起見，作為一種理想方式，當SPN-41將飛機引入SPN-42雷達窗口時，也同時引入菲涅爾透鏡光學著艦系統(tǒng)范圍內(nèi)。每次掃描波束掠過進近飛機時，飛機上的設備接收并處理編碼信號，提供數(shù)據(jù)給儀表顯示。因為每個波束每秒完成3.3次掃描，則飛機可以連續(xù)接收這個飛行路線，使飛機返航時保持進近路徑的正確方向。因為引導信息直接發(fā)送到飛機上使用，所以不需要數(shù)據(jù)鏈和航母的話音通信，這樣就可以減輕飛行員、航母空中交通管制中心已經(jīng)很繁忙的通信信道的工作量。AN/SPN-41儀表著艦系統(tǒng)的主要性能指標如下:

·作用距離:40 km(有報導為93km)

·工作頻率:15412～15688 MHz(含10個頻率)

·峰值功率:2.2 kW，發(fā)射形式:脈沖位置調(diào)制

·天線形式:方位角天線為拋物面反射體仰角天線為拋物柱面反射體

·波束寬度:方位天線:水平2°，垂直10°仰角天線:水平40°，垂直1.3°

2　微波著陸(艦)系統(tǒng)

微波著陸(艦)系統(tǒng)是在儀表著艦系統(tǒng)基礎上發(fā)展的新型著陸(艦)系統(tǒng)，是利用“往”、“返”掃描波束到達的時間差來進行角度計算的。由于系統(tǒng)工作在微波頻段，又采用了波束掃描技術，因此該系統(tǒng)稱為時間基準波束掃描微波掃描著陸系統(tǒng)，通常稱為微波著陸(艦)系統(tǒng)［3］。

2.1系統(tǒng)組成及功能

微波著陸(艦)系統(tǒng)主要包括地面(艦面)設備和機載設備。地(艦)面設備主要包括方位引導設備、仰角引導設備以及精密測距設備。機載設備主要由接收機、精密測距設備和天線組成，其中方位引導設備主要由掃描天線、數(shù)據(jù)天線、發(fā)射機、系統(tǒng)接口單元、天線穩(wěn)定裝置以及控制機柜等組成。仰角引導設備在組成上除天線(含穩(wěn)定裝置)不同外，其余均在硬件上可以做到與方位引導設備互換。

方位和仰角掃描天線均采用相控陣(電子掃描)天線，其基本單元由輻射陣元、功率分配器和移相器以及監(jiān)測裝置組成。方位和仰角天線均安裝在穩(wěn)定平臺上，以保證在航母縱橫搖時方位和仰角天線在規(guī)定的范圍內(nèi)穩(wěn)定掃描。方位天線發(fā)射一個水平面窄、垂直面寬的扇形波束，仰角天線發(fā)射一個水平面寬、垂直面窄的扇形波束。方位數(shù)據(jù)天線和仰角數(shù)據(jù)天線在功能、性能以及安裝形式等方面都是相同的，即在方位天線輻射陣面左右各再增加一個輻射縱列單元實行數(shù)據(jù)天線的功能。它的水平面覆蓋可達到±20°，垂直面方向圖是余割平方，主要用來向覆蓋區(qū)內(nèi)播發(fā)方位/仰角前導碼、基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字等數(shù)據(jù)信息。

發(fā)射機主要由頻率合成器、DPSK調(diào)制/解調(diào)器、功率放大器及電源組成，可工作在工作頻段內(nèi)波道中的任何一個波道上。精密測距設備主要由發(fā)射機、接收機、天線及控制與監(jiān)測單元組成，工作在962～1213 MHz頻段。它與機載設備采用詢問和應答方式，為著艦飛機提供距離信息。

微波著陸系統(tǒng)工作在5 GHz頻段，作用距離為40 km，方位和仰角的測角精度為±0.06°，方位角覆蓋范圍為80°，仰角覆蓋范圍為15°。

2.2系統(tǒng)基本工作原理

系統(tǒng)工作時，方位引導設備提供飛機進場方位和基本數(shù)據(jù);仰角引導設備提供仰角引導信息，其信號在時間上與方位引導設備同步，保證分時工作時序;精密測距設備提供連續(xù)的距離信息。方位引導設備向指定方位±40°范圍的空域發(fā)送方位掃描波束;仰角引導設備向該空域－1°～15°范圍發(fā)送仰角掃描波束。機載接收處理器單元接收每一個信號，并結(jié)合地面發(fā)送來的基本數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)和距離信息，基于“往”、“返”掃描波束到達的時間差，計算出方位角和仰角以求得飛機相對跑道中心線某點的位置。由于飛機進場的數(shù)據(jù)由機上導出的，所以亦稱為“機上導出數(shù)據(jù)”系統(tǒng)。

微波著陸(艦)系統(tǒng)的測角原理如圖1所示。由此圖可導出測角的基本計算公式為

式中，T0為零度時間的往返掃描脈沖的時間間隔(單位為μs)，V為天線波束掃描速度(單位為°/μs)。上述參數(shù)中，T0為常數(shù)，V為已知數(shù)(設計指標)。由此可見，只要測量出往返掃描脈沖時間差t，即可求解出θ值(角度值)。

圖1　微波著陸(艦)系統(tǒng)的測角原理

微波著(艦)陸系統(tǒng)采用時間基準掃描波束信號格式，利用時分多路傳輸特點，對一個功能(仰角、方位、反方位、數(shù)據(jù)等)提供一個獨立的時間間隔，并在C頻段同一頻率上發(fā)送。在信號格式的前導碼中，設置相應的功能識別碼，以告訴接收機后續(xù)信息的類型。前導碼發(fā)向指定的覆蓋區(qū)，包括一段未被調(diào)制的射頻載波捕獲周期，接收同步碼(巴克碼)和功能識別碼。接收機檢測同步碼和功能識別碼來設置電路，正確處理其后的信息。角度功能時，其后的信息是提供接收機計算方位角和仰角的高方向性的連續(xù)掃描的扇形波束;數(shù)據(jù)功能時，其后的信息是用差分相移鍵控方式調(diào)制的數(shù)字信息流。以此描述特定的微波著艦設備或進場程序。當一個功能處理完畢，接收機就等待下一個前導碼，加以重復進行。

微波系統(tǒng)數(shù)據(jù)又分為基本數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)兩種。基本數(shù)據(jù)功能為機載系統(tǒng)的基本角度處理過程提供用于直線進場所需的微波著陸系統(tǒng)比例覆蓋范圍、最低下滑道、天線波束寬度、天線位置及其他項目等數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)功能為機載系統(tǒng)和機組人員提供執(zhí)行高級進場程序所需的數(shù)據(jù)，如跑道狀態(tài)、氣象及其他補充信息等，它又具有數(shù)字和字符兩種形式。

2.3微波著陸系統(tǒng)上艦需解決的關鍵技術

針對航母的特點，微波著陸系統(tǒng)上艦應用于航母著艦系統(tǒng)時，需首先解決微波系統(tǒng)集中配置、天線小型化、母艦運動的補償?shù)汝P鍵技術。

2.3.1集中配置技術

由于航母甲板狹窄，因此不可能像陸地機場那樣采用分散配置方位、仰角引導設備和測距臺，必須將這些設備集中配置在甲板跑道的一側(cè)。采用集中配置會帶來兩個問題:一是坐標變換問題，二是集中配置引入的誤差問題。

坐標轉(zhuǎn)換能解決將飛機相對于方位天線相位中心的方位角，相對于仰角天線的仰角和相對于測距天線相位中心的斜距換算到相對于著艦點的方位角、仰角和斜距問題。坐標轉(zhuǎn)換技術的核心是找到一種算法建立數(shù)學模型，并進行仿真計算，以保證算法的精度和在全覆蓋范圍內(nèi)的快速收斂性。集中配置時方位、仰角和測距天線的位置數(shù)據(jù)的精度對微波著艦系統(tǒng)的精度會帶來影響，則需研究配置位置的誤差和傳送位置的方法給系統(tǒng)帶來的影響。

2.3.2天線小型化技術

微波著陸系統(tǒng)的天線上一維相掃的相控陣天線，陸上采用的方位和仰角天線由60單元組成。尺寸分別是2 m和4 m。當該系統(tǒng)應用于航母飛機著艦時，由于航母空間尺寸的限制，要求盡可能縮小天線尺寸，以求安裝和選址的方便。但是，天線口徑尺寸的縮小會引起系統(tǒng)性能(主要是測量精度)的降低。因此，需要進行專題研究，在確保微波著艦系統(tǒng)性能滿足航母著艦要求的前提下進行天線小型化設計，以滿足安裝要求。

2.3.3航母運動補償技術

相對飛機著陸而言，飛機著艦的最大區(qū)別在于飛機將降落在運動平臺上。由于航母甲板在飛機著艦的過程中是不停地運動，因此微波著艦系統(tǒng)的方位和仰角也隨之產(chǎn)生側(cè)傾、俯仰、偏離的運動，同時天線的相位中心隨著甲板運動面產(chǎn)生位移。由此可見，航母甲板的運動給微波著艦系統(tǒng)帶來了附加的方位和仰角誤差。根據(jù)計算機仿真計算分析，母艦橫搖將產(chǎn)生方位誤差±0.18°，仰角誤差±0.1°;母艦縱搖將產(chǎn)生仰角誤差±1.0°(縱搖不會產(chǎn)生方位的附加誤差)，此誤差值將引起微波著艦系統(tǒng)的總誤差值超出著艦引導精度要求。為了消除航母甲板運動對著艦精度的影響，目前最直接和方便的方法就是采用天線穩(wěn)定裝置。天線穩(wěn)定裝置可采用兩軸機械穩(wěn)定平臺，它是根據(jù)敏感的船體搖擺角速度信號、角信號對船搖進行有效隔離，保證方位、俯仰掃描天線安裝位置水平。兩軸穩(wěn)定平臺采用的直接驅(qū)動和角位置測量技術，減去了驅(qū)動齒輪鏈和角度測量齒輪鏈，消除了機械回差，保證了伺服系統(tǒng)低速平穩(wěn)和高精度性能。

3　儀表著艦系統(tǒng)與微波著陸(艦)系統(tǒng)的主要區(qū)別及特點

儀表著艦系統(tǒng)與微波著陸(艦)系統(tǒng)基本工作原理相同，均是機上導出數(shù)據(jù)系統(tǒng)，即飛行員根據(jù)機上導出的數(shù)據(jù)自主控制飛機著艦。兩個系統(tǒng)的主要區(qū)別為:儀表著艦系統(tǒng)是采用機械掃描天線技術，而微波掃描系統(tǒng)則采用了電子掃描天線技術;儀表系統(tǒng)是艦面直接發(fā)送角度編碼脈沖，飛機上譯碼導出角度數(shù)據(jù)。而微波系統(tǒng)是利用“往”、“返”掃描波束到達的時間差，由機上導出角度數(shù)據(jù);儀表系統(tǒng)工作頻率為15412 ～15688 MHz(Ku波段)，而微波系統(tǒng)工作頻率為5031 ～5090 MHz(C波段)。

儀表著艦系統(tǒng)的特點是著艦精度較高，設備簡單成本低;其缺點是對機場安裝地敏感，覆蓋區(qū)狹窄，僅能提供單一的直線進場引導，易受調(diào)頻廣播干擾。該系統(tǒng)的典型代表為美國的AN/SPN-41儀表著艦系統(tǒng)，目前已大量裝備美國航母。微波著陸(艦)系統(tǒng)的特點是引導容量大、精度高，并可實行計算中心進場、折線進場和曲線進場;其缺點是設備量大，安裝場地要求嚴。該系統(tǒng)已在陸地機楊上得到廣泛應用，但目前美國航母上還尚未裝備，正處于研究開發(fā)階段。

4　結(jié)束語

飛機著艦是一個緊張、復雜、危險大的高風險過程。為了確保飛機安全著艦，航母著艦系統(tǒng)應同時實現(xiàn)飛機上主動和艦面監(jiān)視控制兩大功能，即飛行員利用儀表或微波著艦系統(tǒng)，在飛機進近的過程中做到飛行員主動掌握飛機偏離標準下滑線的情況，自主地操縱飛機到正確下滑路徑上來;同時，艦面引導官利用雷達著艦系統(tǒng)，及時掌握飛機的位置、偏差和姿態(tài)以及著艦速度，以便指揮飛行員減少失誤，并最終決斷是否放棄著艦、拉起復飛。由于儀表或微波著艦系統(tǒng)與雷達著艦系統(tǒng)的聯(lián)合使用，既能實行機上主動又能保證艦面主動指揮引導，則大大提高了飛機著艦的可靠性和安全性，因此兩種著艦系統(tǒng)的聯(lián)合使用為發(fā)展航母著艦系統(tǒng)提供了值得借鑒的良好技術途徑。

參考文獻:

［1］鄭德芳.航空母艦艦載機著艦文集［C］.西安:中國電子科技集團公司第二十研究所，2004.

［2］王建農(nóng).世界艦船雷達手冊［M］.南京:南京船舶雷達研究所，1991.

［3］張寶會.微波著陸系統(tǒng)簡介［M］.寶雞:陜西長嶺電子科技有限責任公司，2004.

Research on ILS and MLS of a US aircraft carrier

GONG Zhao-hui
(Equipment Procurement Center of Navy Armament Department，Beijing 100071)

Abstract:The development of the instrument landing system(ILS)is discussed，and the working principles，the system composition，the performances as well as the main differences and features of the ILS and the microwave landing system(MLS)of the US AN/SPN-41 are emphatically analyzed.

Keywords:aircraft carrier; instrument; microwave; landing

作者簡介:龔朝輝(1971-)，男，高級工程師，研究方向:雷達總體技術。

收稿日期:2014-12-14

文章編號:1009-0401(2015)01－0007－04

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN959.2