GNSS制导的V字型野外火扑救弹的应用

邹积斌

（大连理工大学 能源与动力学院，辽宁 大连 116024）

虽然，当今已为野外火扑救方面提供了许多先进的扑救手段和技术条件的支持，但是能够快速有效和安全地控制及扑灭森林、草原由于人为、雷击和“飞火”所引发的新火点，并且能够更为有效地阻隔与控制林区大火的蔓延，至今仍然是世界上一个大的难题。

通过积极开发与应用精确制导下的野外火扑救技术,以此推动林火扑救技术手段从数量优势向质量优势的转化。将遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）有机地结合在一起，并在先进的集成“3S”技术的森林防火决策系统[1]平台的支持下，发挥飞机携带的空中优势，当机载GNSS（Global Navigation Satellite System）制导的野外火扑救工具进入林区火场的“可命中投弹区”时，实施空中投放命中精度可达1～3 m。以此突破时间和空间的局限，实施打早，打小，打了的灭火基本原则，以此避免森林、草原大火与特大火灾的发生和发展以及“人海战术”的灭火大战。

1 GNSS制导的野外火扑救技术

以固定翼飞机携带和空投的GNSS制导的野外火扑救工具[2]包括两种类型，每种类型主要由三个部分组成：（1）制导与控制系统；（2）无动力载体；（3）可以分别挂接爆炸、化学、冷激波灭火弹。

第一种类型：GNSS制导的野外火扑救弹[3]，它主要适用于扑救森林，草原由于人为、雷击、“飞火”所引发的新火点。

第二种类型：GNSS制导的V字型野外火扑救弹,它主要适用于阻隔与扑救森林、草原大火和特大火灾。在林区火场周围爆炸形成具有一定长度、宽度和深度的防火隔离带，以此达到有效隔离和扑灭林区大火目的。

1.1 无动力载体与组合制导

1.1.1 无动力载体

以一种GNSS制导的V字型野外火扑救弹为例，它的单个无动力载体如图1所示。从载体尾部向首部看，它的“+”字型的尾舵是安装在载体尾部轴向的两对互相垂直对称的尾翼上。当“+”字型尾翼的升降舵（俯仰舵）面由舵机操纵绕轴向下同向偏转时，载体低头向下飞行，反之载体抬头向上飞行。当“+”字型尾翼的方向舵（偏航舵）由舵机操纵绕轴同向偏转时，则将改变载体运动的航向。

图1 GNSS制导的野外火扑救工具的无动力载体

对GNSS制导的野外火扑救工具的制导系统基本要求是制导准确度高、扑救反应时间短、可靠性好、抗干扰能力强和低成本等。

1.1.2 GPS+GALILEO组合优势[4]

GPS与Galileo组合技术，就是用一台接收机同时能够接收GPS和Galileo两种卫星信号，实现在世界的任何地方、任何时间都能精确地测出三维位置、三维速度、时间等运动姿态参数。目前，组合制导已经成为导航研究的重点，因此，组合技术的应用将对制导的野外火扑救工具有着很好的使用价值。

由于GPS和Galileo两个系统的相似性，就存在利用一个接收机同时接收和测量GPS和Galileo两种卫星信号的可能性，而在两个系统单独工作时，可能存在难于覆盖的空白带，并且还会受制于人。但是，如果两个系统的组合使用，就能够使可用星数目的增多，不仅填补了单一系统存在的空白带，而且使系统精度显著提高，尤其是Galileo系统更具有先进性（相互独立性、完全兼容性、完好性）的特点。

Galileo系统[5]是一个公开民用的面向全球导航卫星系统，与GPS完全兼容，又必须独立于GPS。它的主要信号将用于提高质量的公开服务，其性能相当于GPSⅡF/Ⅲ,这就意味着要尽可能增加信号的频带宽度和码率。

1.1.3 利用载波相位测量载体的姿态

载体姿态是飞行器坐标系（BFS），相对于当地水平坐标系（LLS）的三个姿态角即：航向角、俯仰角、横滚角。载体姿态角的确定问题，归结到精确确定载体上3点相对于当地水平坐标系的位置，通过不共线3点的坐标，可以计算出载体姿态角。通 过 GNSS接 收 机（GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou组合接收机）确定载体的姿态，就是在载体上配置多根天线，利用各天线测量的GNSS载波相位信号的相位差，来实时确定运动载体坐标系相对于当地水平坐标系的三个姿态角，以完成GNSS的测姿任务。

从GNSS测姿原理可知，当采用3根天线时，其作业方式是组成2条正交的基线，则可测得3个三个姿态角。但是在一般情况下，基线没有安设成为正交形式，以V字型野外火扑救弹的载体而言，可以设计该载体的姿态测定方案。基线1、2用于测定航向角和俯仰角，基线1、3用于测定横滚角，天线1、2、3在 xoy平面内，基线 1、2和基线 1、3的夹角为，α=90°它是精确测定的已知量，由两天线的测姿公式得，航向角：αyaw和俯仰角：αpit。

在GPS/Galileo/BeiDou组合系统的实时引导控制下，依照该方案弹道，通过对V字型野外火扑救弹（爆炸阻隔与灭火）的三个载体的航向角和俯仰角实时有效控制，即在飞行控制中的纵向通道对其俯仰角按着控制律：δz=K1ωz+K2Δθ+K3ΔH+进行控制，使该弹在空中滑翔增程的飞行。

1.2 方案弹道与制导飞行

1.2.1 方案弹道控制策略

GNSS制导的野外火扑救工具装有引导和控制系统，它是一个能够作短暂滑翔增程飞行的无动力载体。它在沿着方案弹道的飞行空间运动可以分解为：铅垂平面内的纵向运动和水平面内的侧向运动，为了使制导下的灭火隔离弹准确命中着火点，必须通过纵向，侧向控制系统，其中对该弹在纵向运动的俯仰姿态角和飞行高度加以控制，使其在铅垂平面内按预定的弹道飞行，而控制系统的任务目标就是要跟踪这个方案弹道，则该方案弹道的二次多项式为[6]：

方案弹道高度变化率为：

方案弹道航迹角为：

1.2.1.1 控制系统功能

引导系统任务之一就是测出载体是否飞得高或低，偏左或偏右。在测出这些偏差后，将其送到控制系统中，敏感元件把测量到的载体参数变化信号与给定信号（目标）进行比较，得出偏差信号经放大后送至舵机控制舵面的偏转，控制着载体在空中飞行的姿态，即通过控制系统的作用把这些误差减小到零，从而使载体的质心向着预定的方案弹道逼近飞行。为了改善舵机的性能需要引入内反馈，形成随动系统（伺服回路）的舵回路，由敏感元件、放大计算装置和舵机回路组成了载体控制系统的核心，它们与载体组成新的回路构成稳定回路。

1.2.1.2 双通道与气动力控制

根据跟踪装置测量出载体和目标在测量坐标系的运动参数，并按着引导规律分别形成俯仰和偏航两个通道的控制指令，其中包括引导规律计算、动态误差和重力误差补偿计算及滤波校正等。控制系统将两个通道控制信号传送到执行坐标系的两对舵面上，以此来控制载体向减小误差信号的方向运动。

1.2.2 空投与制导飞行

当固定翼飞机携带GNSS制导的V字型野外火扑救弹起飞后，通过卫星导航仪沿预定航线飞行，并将目标位置、弹道方案、跟踪卫星以及备份卫星的序号等任务数据传送到载体制导部分的任务计算机中。在飞机到达了预定投弹点的经、纬度和高度区域时，机上投弹系统提醒飞行员投放。当该弹从机内或机翼下外挂的储运体中投放时，首先将固定翼飞机沿着纵向，即绕着轴抬头仰起一个约30°～45°的倾角，再打开储运体后部门实施投放。精确制导下的野外火扑救工具在空投后的飞行制导过程分为三个阶段：（1）投放展开段；（2）滑翔增程飞行段；（3）末段俯冲击中段。

在图2中，它是一个空投后使用3个GNSS制导的实时控制的载体，并挂接了4个“锁链”式的爆炸灭火隔离弹体，构成了一个实用的V字形状的扑救隔离带，并依据无动力载体方案弹道滑翔增程飞行。

图2 GNSS制导的V字型野外火扑救弹示意图

2 GNSS制导的扑救优势

在林火的扑救效能、时间和费用的约束下，在系统寿命周期的各阶段积极广泛应用高新技术和科学管理准则，从而使野外火扑救技术手段具有快速性，准确性，高效性和安全性。

2.1 快速性

森林火灾突发性强，多数发生在人员和物资难以抵达的林区，有些山区又缺少水源，同时也受到地形的限制，复杂地形给林火扑救造成很大的困难，并往往发生扑火人员的严重伤亡。而飞机具有显著的快速与机动性能，是不受地面限制的远距离作战的现代化运载工具。当携带着精确制导下高效灭火工具时，能够对林区进行大范围的快速穿插，并对其林火进行连续有效的阻隔与扑救，以突破时间和空间的局限进行连续空中监视和实施轮番扑救，直至完全扑灭和消除火灾隐患。

2.2 准确性

GPS+Galileo组合引导系统的各项技术指标能够达到其先进性，其中的Galileo系统采用了当代最先进、最精密的技术，该系统具有相对于GPS/GLONASS的兼容性、独立性、连续性和廉价性特点。

因为Galileo系统的码长是GPS C/A码的10倍，是GLONASS民用码的20倍，这表明它在仅发I通道信号的情况下也比GPS和GLONASS民用信号的抗干扰性能提高10倍。

Galileo系统的数据率与GPS，GLONASS相比也有大幅度提高（提高了5至30倍），因而可以在较短的时间内接收完星历数据，它的用户接收机可以更快地实现冷启动。

为了保证Galileo与GPS/GLONASS的兼容性、独立性和提高定位精度，简化GPS/Galileo和GLONASS/Galileo组合接收机的设计，采取（1）Galileo的E2-L1-E1频段和GPS的L1频段重合；（2）Galileo的 E5a频段和 GPS的 L5频段重合；（3）Galileo的 E5b频段和 GLONASS的 L3频段重合。

Galileo系统的码速率是GPS的3至15倍，根据现在GPS/GLONASS运行实测值，在无SA情况下两维定位精度可达5 m，而两维定位误差可控制在1 m以内，这表明无须进行差分处理就可以完全满足野外火扑救方面的技术要求。

例如:在高空13.5 km，风速达160 km/h时,可使空投下的GNSS制导的野外火扑救弹的圆概率误差（CEP）的命中精度为1～3 m,滑翔航程可达20 km。并且它具有全天候，不受烟火、云雾和风等气候影响的三维实时连续导航定位功能。

2.3 高效性

2.3.1 爆炸冲击波

爆炸的一个重要特征是在爆炸点周围介质中发生急剧的压力突跃，这种压力突跃造成对周围介质的破坏。当炸药在接触地面爆炸时，冲击波具有半球面的形状，而影响冲击波阵面上压力的主要量有：药量（空中爆炸药量），炸药密度；爆速，介质初始状态、；冲击波传播的距离；其中超压是随距离的变化而变化，则超压关系可表示为[7]：

要想高效开设足够宽的林火阻隔带，可以对炸药、消焰剂、织带（或软塑管）等进行改进。当采用不同种类和配方的炸药（TNT，硝酸铵，硝酸钠，黑索金）或使用威力更强大的烈性炸药（C4，奥克托金等）时，爆炸隔离与扑救林火效果将会更好。

2.3.2 挂接林火阻隔索状炸药

使用GNSS制导下的无动力载体直接挂接林火阻隔索状炸药[8]，实施对林火进行有效的阻隔与扑救。索状炸药通过爆破所产生的强大冲击波可形成生土带，同时掀起的沙、土向两侧飞溅覆盖在地表可燃物上，也破坏可燃物连续性的作用。阻隔索状炸药对林火阻隔与扑救所能够达到目的和效果分别为：（1）足够宽度的阻隔带可以直接隔离林火的蔓延；（2）较窄的阻隔带可以作为以火灭火的点烧依托控制线；（3）由于索状炸药爆破时大量吸收氧气，致使爆炸附近区域形成真空，同时强大的冲击波将高压风压向林火，可以直接用于灭火。

例如：在GNSS制导下的三个无动力载体上，挂接着新型的索状炸药系列产品[9]中型号8的软塑管节状炸药，利用载波相位测量确定三个载体的姿态，以组成一个实用的GNSS制导的V字型爆炸灭火隔离弹。该弹的索状炸药设计长度为200 m，直径 60 mm，药量4000/g·m-1，主要成分是TNT，硝酸铵（或使用RDX，HMX等以减少体积和重量，提高对林火的扑救能力）。

要求GNSS制导下的V字型索状爆炸灭火隔离弹机载空投后，在位于林区火场的火头前方合适的地形和地貌区域开设一个防火隔离带，其长度为200 m，夹角α=90°，爆炸后地被物宽度1.00～1.20 m；土沙覆盖宽度2.50～3.50 m；深度0.40～0.70 m，如图2所示，以此用于有效阻隔和扑救林区大火。

2.4 安全性

在野外火扑救过程中,消防队员和公众的生命安全是第一重要的，现行传统的灭火方式由于直接接触火场很容易造成扑救人员的严重伤亡，使用飞机空中喷洒水和化学药剂进行灭火其有效性又很有限，并且大量地运输水又是一项不易的任务。应用GNSS制导下的野外火扑救工具居高临下，能够使扑救人员置于林区火海危险之外，可以客观和最大限度保障扑救人员的生命安全及最有效地扑救森林火灾。

3 扑救林区大火例证

3.1 “5·6”大兴安岭特大火灾简况

以1987年“5·6”大兴安岭特大火灾为例。据悉这场大火在大兴安岭漠河县最早有5个起火点,其中4个起火点时间都在14～14：30之间，并分布在如图3所示的一个四边形顶点上，它们的地面坐标分别为：

图3 1987年“5·6”大兴安岭森林大火5个

第一个起火点：5月6日14：08，位于东经122°22′北纬 52°56′；

第二个起火点：5月6日14：30，位于东经122°21′北纬 53°11′；

第三个起火点：5月6日14：00，位于东经123°15′北纬 53°05′；

第四个起火点：5月6日14：30，位于东经123°44′北纬 52°45′；

第五个起火点：5月7日12：30，位于东经123°48′北纬 53°23′。

5月7日傍晚，由于大风聚起情况突变，在19时左右，西、北线的大火（第一，二起火点）仅10分钟时间，就把总面积为2 km2、2万多人口的西林吉变成了一个大火场。

在19：20分时大火吞没了西林吉以后，又转向育英林场。19:30分左右，毁灭了育英林场，19:50分大火到达图强。当大火烧过图强后，随着气象条件的转变，火势的蔓延速度放慢了，至23:10分到达阿木尔。与此同时，东线的火势也在逞凶（第三，四，五起火点），22时大火到达盘古，并且迅速扑向盘中，23:10分大火又席卷了马林地区。

3.2 实现融合技术扑救

根据森林防火指挥中心的命令和所提供的该林区着火点的地面坐标，使正在空中执行灭火巡航任务的机组迅速到达该林区着火点位置的上空。当飞机进入林区火场的“可命中投弹区”时，根据该林区火情、火险等级及地形地貌特征，并依据空中扑救技术[10]和GNSS制导的野外火扑救工具的应用特点，实施对林区火灾扑救的最佳方案（直接扑救，间接扑救和平行扑救）。即在大火爆发初期或初步蔓延中的一些重要地段，对扑火全局起着至关重要作用的区域实施最有效的阻隔与扑救。

3.2.1 扑救策略

通过空中实施对林区火场的阻隔与扑救，并将空中扑救技术与地面最佳扑救方案及精确制导技术融合应用。以森林火灾地面扑救的最佳路线计算为参考，在初始火场边界上选择不同位置的起始扑救切入点（不同角），在火头位置α=0开始扑救时，过火面积最小，由0°增加和由360°减少时，过火面积迅速增大。

根据火场自然蔓延情况的数学描述[11]：r=r（θ，t），已知t时刻火场边境线在水平面上的投影。火线生产率s为：对间接扑救和平行扑救来说，就是开设阻隔带的速率；对于直接扑救来说，扑救人员在扑灭火焰时沿着火场边境的行进速率。

已知：r=r（θ，t）和s，求满足一定的扑救决策目标的最佳扑救路线P（θ）。扑救决策目标可以是火场的蔓延面积T最小，也可以是控制火场的时间最短。（1）对于直接扑救来说，可以具体化为r（θ，t）=P（θ）+e，其中 e 为一正的小量；（2）对于平行扑救来说，可以具体化为 r（θ，t）=P（θ）+C，其中 C 是为保证安全而和火场边境保持的一定距离。

因此，对于e，C的大小应根据林区火情、火险等级及森林地表火蔓延状况的特征量计算结果[12]情况而定，即视情况实施最为有效的阻隔与扑救策略。

3.2.2 最佳扑救方案

第一方案：首先使用多枚GNSS制导的野外火扑救弹（爆炸灭火）,对4个起火点，起火时间在14时～14：30之间，实施最有效的打早，打小，打了的灭火原则，彻底打掉这4个起火点。同时再使用多枚GNSS制导的V字型野外火扑救弹（爆炸阻隔），分别对4个起火点周围爆炸形成几个实际需要的长度、宽度和深度，其夹角为90°～120°的V字形防火隔离带，以最有效的隔离防止火势的蔓延。

第二方案：为了防止这4个起火点仍然存在火灾隐患，或者这4个火点已经蔓延，可以继续重复进行多次或重量级的第一方案的阻隔与扑救。例如：在对5月7日傍晚的大风聚起情况突变下，再次使用两种类型灭火弹分别对5个起火点进行有效的阻隔与扑救，其实施的方案次序分别为：

（1）在第一，第二个起火点与西林吉之间，即19点以前对林火进行有效的阻隔与扑救。

（2）在西线火场的西林吉与育英林场之间，即19：10分以前对林火进行有效阻隔与扑救。

（3）在育英林场与图强之间，即19：30分以前对林火进行有效阻隔与扑救。

（4）当大火烧过图强后，在随着气象条件的转变，火势的蔓延速度放慢时，即图强与阿木尔之间，时间在23时以前，对该林火进行多次阻隔与扑救。

（5）对于东线火场火势，在22时大火到达盘古以前进行最有效的阻隔与扑救。

（6）在盘古与马林之间，即23时以前进行最有效的林火阻隔与扑救。

经过以上多次使用或者交替使用两种类型的GNSS制导的野外火扑救弹与GNSS制导的V字型野外火扑救弹（爆炸阻隔）,并且可以同时应用三种灭火方式 (爆炸/化学/冷激波灭火)协同进行，从而实现对此次大火进行更为有效的阻隔和扑救。因此，就能够避免5月18日23时，东西两大火场在东经124°，北纬53°的地方汇合所形成的一个新的大火场，最终可以避免1987年“5·6”大兴安岭森林大火的发生与发展。

4 结论与展望

在大力提高林火扑救指挥水平和进一步完善集成“3S”技术的森林防火决策支持系统的同时，通过贯彻“积极预防”的原则，推广应用GNSS制导下的野外火扑救技术,必将能够在森林、草原快速、准确、高效、安全地扑灭由于人为、雷击和“飞火”所引发的新火点，并且能够更为有效地阻隔和控制林区大火的蔓延，以避免森林大火的发生和发展。再将该高科技扑救技术与现有的扑救技术有效协同地配合使用，就能够把世界森林火灾损失降到一个较低的程度，保护人类生命财产和世界森林资源。

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