军用直升机导航技术

王小阳，张国强

(陆装航空军代局驻西安地区航空军代室，陕西 西安 710061)

0 引言

直升机具有悬停、垂直起降、低空低速等特殊的飞行特性，是现代战场力量不可或缺的组成部分。且随着战争形态从机械化战争向信息化战争的转变，直升机在作战体系中的定位，也在悄然发生着深刻的变化：直升机在机械化战争时代所承担的传统的反装甲作战、近距离火力支援、侦察、通讯以及实施战场救护等相关后勤保障任务，在信息化战争时代继续构成其战场职能的基础部分；而且在信息化战争时代，根据不同的任务需要，通过加装各种先进的侦察探测设备和电子对抗设备，直升机具备遂行信息战的能力，即在获取信息和电子对抗等方面，将发挥重要的作用，如图1。

图1 直升机在军事领域的应用示意

作为机载航电系统的重要组成部分，直升机导航系统主要用于确定直升机的即时位置、速度、姿态/航向，并引导直升机安全、准确地沿着预定的路线或轨迹，准时到达目的地；同时，导航系统也向直升机控制系统及相应的任务载荷提供其所需的加速度、角速度、姿态/航向等运动信息，引导载机安全飞行、低空突防及完成各项预定的作战任务并安全着陆/舰。。

1 直升机对导航信息的应用需求

直升机导航系统最基本的功能是精确导航定位，即连续、实时地提供直升机的位置、速度、姿态/航向、加速度、角速度等导航参数和运动参数，并使其能按预定航线飞行；在近地飞行阶段，导航系统还能够提供高精度的相对高度信息和防撞告警提示等信息。上述功能是提高直升机的全天候、全天时作战能力和生存能力的关键所在，也是直升机导航系统的核心价值所在。

直升机上常采用的导航系统一般包括惯性导航系统(INS)、卫星导航系统(GNSS)和多普勒导航系统(Doppler)等，它们以单独或组合导航的形式为直升机提供导航定位信息。其中，惯导系统因具备完全自主、输出参数全面等独特优势，通常作为直升机的核心导航设备。表1给出了国外典型直升机的导航系统配置，其中AH-64E还采用了改进的数字网络通信系统，新增了“联合战术信息分发”(JTIDS)数据链，可远程遥控包括MQ-1C“灰鹰”在内的多种无人机进行侦察及协同作战。可以预见，随着未来直升机任务使命的不断拓展，导航系统将会不断面临新的挑战。

表1 国外典型直升机导航系统配置

整体上看，军用直升机导航系统正不断向着更精确、更可靠、抗干扰和不易被截获的方向发展。军用直升机在执行作战任务时通常在5 m～50 m的超低空飞行，即所讲的“一树之高”，复杂地形或高层建筑、高压线、通信塔等障碍物将会对直升机飞行安全产生重大的影响；此外，由于飞行高度低，直升机与地面相对速度较快，飞行员视野狭小，对飞行状态的变化判断也容易产生较大的误差，易造成飞行事故；同时，直升机常常工作于雨、雾、沙尘等恶劣气象条件下，严重影响着飞行员的目视能力，无法准确判断当前位置及周边情况，很容易发生迷航或与障碍物碰撞；在强电磁对抗战场环境下，卫星信号等无线电信号可能会受到干扰或压制而无法使用。综上原因，直升机导航与传统的航空导航需求具有显著的差异。在上述条件下实现高精度、高可靠的导航将是军用直升机机载导航系统所面临的一项重要技术挑战。因此，导航系统设计人员的研制思路也需发生相应的改变，应从“我们能提供什么导航能力”转向“飞机和操作员需要什么导航能力”，通过综合机上所有可用的传感器信息以及机间的交互信息，提供高精度、高可靠的导航信息和态势感知信息，以满足军用直升机的实际应用需求。

直升机在飞行过程中，需要实时辨识自身的位置/姿态等信息以及周边的环境信息，以便为其后续的行为决策提供信息支持。针对前述需求，图2梳理出了直升机导航的一般总体框架。

图2 直升机导航总体框架

直升机对导航信息的应用需求主要体现在实时环境感知、高精度导航定位、近地与前视告警、协同导航、航路规划、可视化导航等六个方面。

1.1 实时环境感知需求

在雾霾、沙尘等低能见度环境和复杂地形、强电磁对抗条件下执行飞行任务时，各种环境因素都将对直升机安全飞行和着陆/着舰等构成严重威胁，飞行员可能会突然失去准确的环境信息和视觉线索，增加与其他飞行器或地形、障碍物等相撞的风险。同时，复杂的地形和气象条件将直接影响机组的心理状态，这也是一个不容忽视的危险因素。因此，机组需要准确掌握周边环境信息以及本机相对地形/障碍物/威胁目标等的态势信息，以便留有足够裕度，避开地形/障碍物/威胁目标，实现安全飞行。另外，不同传感器对于环境条件的适配性、检测能力等存在较大差异，通过多源异构传感器的测量信息，提高障碍物目标的识别准确率也是一项具有挑战性的工作。

1.2 高精度导航定位需求

为使直升机在恶劣天气、复杂地形、强电磁对抗战场环境下仍能保持预定的生存能力和任务能力，要求机载导航系统具备高精度导航定位的能力。高精度定位既包括对己方的高精度绝对定位，也包括对敌方的精确探测，所用的传感器信息包括机载惯导、卫星导航、多普勒导航、地图、雷达、光电和红外等信息。目前直升机普遍采用惯性/卫星/多普勒三组合系统方案，其中纯惯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)。此方案基本能够满足10 m或0.5%～2%已飞距离的位置精度要求以及0.05°～0.3°的姿态精度要求和0.1°～0.4°的航向精度要求。近年来，为了提升导航系统的自主导航能力和定位精度，地形匹配和图像匹配等自主导航方式也在逐渐被引入直升机导航系统。

1.3 近地与前视告警需求

近地与前视告警是根据直升机当前状态、地形数据库信息,与机载毫米波雷达等多传感器的实时探测数据、机间协同探测数据等进行信息综合处理，当直升机现时的飞行轨迹和位置相对于当前地形/障碍物等存在不安全因素时，提供“注意，地形”，“地形，拉起”等告警信号，以提示飞行员注意障碍物威胁，或者拉起直升机改出危险状态，如图3。目前在直升机应用方面参考较多的是美国Honeywell公司的MK XXII型HTAWS产品规范。对于环境条件不太好的区域以及贴地飞行等实际应用场景，需要对告警方式边界进行必要的修正，以改善警戒/警告的保护作用，同时减少不必要的虚警。

图3 近地与前视告警需求

近地告警模式分为基本型近地告警和增强型近地告警两类，见表2。其中，基本型告警模式涵盖下降率过大、地形接近率过大、起飞或复飞掉高、不安全的地形净空、下滑道偏离、高度呼叫、过大倾斜角、尾部过低等八种模式；增强型告警模式还涵盖地形提示和前视地形告警。告警信号输出可分为提示级、注意级、警告级告警。其中，高度呼叫和地形提示可触发提示级告警，提醒飞行员当前飞行高度或地形、障碍物，此时飞行员可根据提示信息，结合飞行任务情况综合考量，执行操纵响应；其他告警模式可触发注意或警告级告警，飞行员应立即根据告警内容执行操纵响应。

表2 近地与前视告警

1.4 协同导航需求

多机协同是空中作战的关键环节。协同导航是利用直升机之间(或直升机与无人机、预警机等)的信息交互，实现导航信息的共享与协同，并对可能出现的导航系统故障进行识别、隔离和重构，提高其导航定位的精度和可靠性，从而保障直升机的飞行安全和任务协同的执行效能，如图4。相较于单架直升机的导航，协同导航涉及的实体类型更多，决策空间更大，复杂程度更高。处理好多实体间复杂的协作关系，从而有效地实现多机协同导航的智能决策，是亟待解决的问题。

图4 协同导航需求

1.5 航路规划需求

为了使直升机能够在低空、复杂地形、复杂气象环境下执行避障、突防、搜救等任务，需要根据直升机周围态势，规划安全、高效的飞行路径，规避障碍物和威胁区，保证直升机安全飞行。航路规划本质上是一个实时在线航迹规划系统，利用地形数字高程图、障碍物数据库、机载导航系统数据以及机载传感器实时获取的环境信息等信息，通过构造代价函数，实时产生最优航迹，见图5。

图5 航路规划需求

1.6 可视化导航需求

为了实现在雾霾、沙尘等恶劣环境和复杂地形、强电磁对抗条件下的安全飞行，需要将当前地形数据、障碍物数据、威胁数据、机载雷达等实时探测数据融合到虚拟场景中，生成类似白天晴朗天气窗口的视觉画面，显示当前视野范围内可以观察到的所有事物，并叠加安全飞行管道、飞行引导符号、地形、障碍物符号等，以直观的形式展示以飞行员为中心的飞行环境信息，提高飞行员的空间环境/战场态势感知能力以及安全飞行及着陆/着舰能力，如图6。

图6 可视化导航需求

针对直升机低空飞行的上述实际应用需求，在导航领域需要提升水平定位精度和高度方向测量精度，并通过综合机载导航定位、高精度地图(地形高程数据库和障碍物数据库等，同时针对地形数据库不准确或者缺少的区域或者地形发生了变化的区域，还需实时探测数据的支撑)、机载毫米波雷达等多传感器的实时探测数据、协同探测数据，实现将高置信度的导航结果与机载高精度数字地图数据及机舱外部环境的完美匹配，对舱外环境的实时精确感知及提前获得“下一步行动”计划的能力，最终形成载机安全飞行和执行任务所必须的态势感知信息和告警信息，并通过安全飞行管道的生成与显示、载机周边地形地物的图形化显示等可视化导航技术，保证“所见即所在”，从而为飞行员提供直观、可信的情境认知信息，降低机组的工作量并提高机组操作的便利性，如图7所示。

图7 综合态势感知示意

下一代智能驾驶舱将引入智能交互(触摸屏、语音等)技术，采用大屏显示，简化人机交互流程及过程，专注于保障飞行安全和飞行员的决策，如图8所示。

图8 智能驾驶舱示意

2 开放式导航系统架构

航空导航方式历经了目视导航、无线电导航，现已进入基于性能的导航(PBN)阶段。PBN是以经、纬、高定义飞机的空间位置，导航形式更加虚拟化，对机载设备的性能和整体导航性能更加关注，如图9所示。从某种程度上讲，直升机导航系统的未来发展方向与PBN的关注点高度吻合，在研究过程中可借鉴PBN的相关思想。

图9 导航方式的演变

从前述分析可以看出，军用直升机对其导航系统既有传统导航意义上的位置、速度和姿态/航向等方面的信息需求，也有相对于自身周边环境、障碍物、友机、敌对目标等的相对导航信息的需求，同时还需兼顾近地告警、态势感知等方面的需求。为了满足现有直升机高精度导航定位和态势感知方面的需求，同时兼顾未来功能扩展，本文提出一种开放式的导航系统功能实现架构(图10)，可综合实现机内外导航信息和态势信息的获取与综合处理，能较好地满足直升机安全飞行和执行任务的需求。同时，该架构具有良好的系统弹性，也能满足未来功能和任务扩展的要求。

图10 导航系统功能实现架构

惯导可同时获得绝对导航信息和相对导航信息，实际上是机上各传感器、地形数据库等信息关联和转换的纽带。从技术发展现状和可靠性角度考虑，直升机上一般配置双惯导；从抗干扰角度考虑，配置抗干扰GNSS卫星天线；从实时环境和态势感知角度考虑，配置机载地形数据库和激光雷达等实时探测设备；从提高水平定位精度和导航自主性方面考虑，提供地形匹配、地形跟随及地形回避等能力；从安全性角度考虑，提供可视化导航和告警提示功能。此外，还需进一步提升导航系统的综合化水平和使用的便捷性，使飞行员能够将更多的精力集中于战术运用上，从而增强直升机在威胁环境中的生存力和任务效能。这也是未来直升机导航应用的重点发展方向。

3 结论

作为直升机航电系统的重要组成部分，导航系统对于保证军用直升机在各种恶劣环境、复杂地形和强电磁对抗条件下的飞行安全具有重要的作用。未来军用直升机航电设备的多用途、多任务需求与能力将不断提升，未来民用直升机遂行巡逻警戒、人道主义援助、农林植保等的任务也将更加繁重。可以预见，直升机在未来军、民领域均有着广阔的应用空间，角色定位将会越来越重要；直升机导航系统必将在信息化战争环境下迈向网络化、智能化、军民兼容一体化。这就需要加快近地告警、可视化导航及态势感知等方面的导航技术研究和技术升级，以提供性能优异、使用便捷的直升机导航产品，从而满足日益增长的直升机市场需求。