導(dǎo)航的軍事分類與應(yīng)用

2004年4月A版

軍事導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

　　陸基無線電導(dǎo)航指塔康(TACAN)，精密雷達(dá)(PAR)，儀表著陸系統(tǒng)(ILS)，微波著陸系統(tǒng)(MLS)，羅蘭C(Loran C)，無線電信標(biāo)(Radio Beacon)等系統(tǒng)。它們都是在陸上(有時(shí)也在艦上)設(shè)置一些導(dǎo)航臺(tái)，發(fā)射無線電信號，當(dāng)裝有相應(yīng)機(jī)載或艦載導(dǎo)航設(shè)備的飛機(jī)或艦船進(jìn)入其覆蓋區(qū)后，便能確定自己的實(shí)時(shí)位置。

　　這些系統(tǒng)除了無線電信標(biāo)是更早的系統(tǒng)之外，基本上是在二次世界大戰(zhàn)期間或基于大戰(zhàn)中發(fā)展起來的軍事技術(shù)在戰(zhàn)后建立起來的。至今，各種導(dǎo)航臺(tái)已遍布全球，形成一套頗為完備的體系，仍在為飛機(jī)和艦船的各航行階段提供航行引導(dǎo)服務(wù)。

　　陸基無線電導(dǎo)航的主要缺點(diǎn)是，一種系統(tǒng)不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)大的覆蓋范圍和高的導(dǎo)航精度兩項(xiàng)要求。

衛(wèi)星導(dǎo)航

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)在有美國的GPS，俄羅斯的Glonass，它們都是在上世紀(jì)90年代中期正式投入運(yùn)行的。歐洲正在發(fā)展Gelileo系統(tǒng)，計(jì)劃于2008年開始工作。衛(wèi)星導(dǎo)航是基于航天技術(shù)、精密時(shí)間技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子信息技術(shù)發(fā)展起來的。它由空間段(衛(wèi)星星座)，地面段(分布在全球的主控站、監(jiān)視站，上行注入站)和用戶設(shè)備組成。衛(wèi)星向地面發(fā)射無線電導(dǎo)航信號。地面段用以支持空間段，使之維持系統(tǒng)正常、高精度地運(yùn)行。大致可以說衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是把陸基無線電導(dǎo)航的導(dǎo)航臺(tái)放到了人造衛(wèi)星上。由于衛(wèi)星可以看到大片地球表面，又發(fā)射高頻率信號，因此既可利用由多顆衛(wèi)星組成的星座覆蓋全球，又有高的精度。這就消除了陸基無線電導(dǎo)航的缺點(diǎn)，衛(wèi)星導(dǎo)航不僅能連續(xù)提供三維位置信息，而且能夠提供準(zhǔn)確的速度與時(shí)間信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是把技術(shù)復(fù)雜性集中在地面支持設(shè)施和衛(wèi)星上，使用戶設(shè)備體積小、重量輕、功耗省、價(jià)格低、使用方便。因此衛(wèi)星導(dǎo)航為導(dǎo)航技術(shù)帶來的是革命性的變化，它不但有潛力取代所有的陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的航行引導(dǎo)功能，而且從1991年的海灣戰(zhàn)爭開始，作為軍事裝備，滲透到了歷次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的各階段，各種級別的武器平臺(tái)和軍事信息系統(tǒng)中，成為戰(zhàn)爭機(jī)器的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

　　GPS和Glonass都是軍事系統(tǒng)。由軍方研制和運(yùn)行，同時(shí)也提供民用。衛(wèi)星發(fā)射兩種信號，即軍用信號和民用信號。民用信號是公開的。軍用信號是保密的，其抗干擾能力和精度都比民用高一些。這樣，一般用戶，尤其是敵對方，不能利用軍用信號，也不容易模仿軍用信號而進(jìn)行欺騙干擾。

　　GPS從1993年達(dá)到初始工作能力，1995年達(dá)到全工作能力之后，運(yùn)行一直正常。Glonass由于俄羅斯的經(jīng)濟(jì)情況的原因，在1995年布滿星座之后，由于失效的衛(wèi)星得不到及時(shí)補(bǔ)充，因此至今運(yùn)行不正常。在全球范圍內(nèi)GPS的實(shí)際定位精度民用大致在20m左右，軍用可能優(yōu)于10m。利用差分技術(shù)可以使局部區(qū)域的精度明顯提高。另外利用載波相位測量技術(shù)，可以使一定區(qū)域內(nèi)的定位精度達(dá)到厘米甚至毫米級，還能產(chǎn)生平臺(tái)的航向和姿態(tài)測量信息。GPS提供的時(shí)間精度軍用是40ns，利用GPS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離同步時(shí)精度可優(yōu)于10ns。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航最主要的弱點(diǎn)是，衛(wèi)星發(fā)射的信號要經(jīng)過20000公里左右的距離才能傳播到地面，因此信號太弱，容易受到干擾，也容易受到樹蔭房屋的遮擋。經(jīng)過10多年來的軍用和民用，美國從2000年起正在實(shí)施為期10年的GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃。從軍用的角度來看，這項(xiàng)計(jì)劃的主要目標(biāo)是：把定位精度提高到1m，使用新的軍用信號和加大衛(wèi)星發(fā)射功率，以提高抗干擾能力和保密性。另外還要提高完好性。

　　另外GPS系統(tǒng)的完好性還需要提高，這就是現(xiàn)時(shí)航行引導(dǎo)還不能完全依靠GPS的原因。

基于無線網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航

　　一些戰(zhàn)術(shù)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是，把用戶設(shè)備組織成網(wǎng)絡(luò)，用戶之間除了能夠作一對一的通信之外，還可以作一對多或多對一的通信，還可以經(jīng)過不同的路由中繼。其中有一種網(wǎng)絡(luò)采用同步時(shí)分多址(TDMA)接入方式。

　　基于無線網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是信號采用跳頻、直接序列擴(kuò)頻、糾檢錯(cuò)編碼等方式和多重保密措施，通信距離近，因而抗干擾和保密能力都很強(qiáng)。

慣性導(dǎo)航

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)普遍裝在飛機(jī)、軍艦、導(dǎo)彈、戰(zhàn)車上。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有兩種，最先出現(xiàn)的是平臺(tái)式慣性。它以陀螺為基礎(chǔ)構(gòu)筑一個(gè)不隨運(yùn)載體(飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈等)姿態(tài)和載體在地球上的位置變化影響的穩(wěn)定平臺(tái)，保持著指向東、北、天三個(gè)方向的坐標(biāo)系。固定在穩(wěn)定平臺(tái)上的加速度計(jì)分別測量出載體在這三個(gè)方向上的加速度。分別對這些加速度在時(shí)間上作一次和二次積分，便能導(dǎo)出載體的速度和所經(jīng)過的距離。載體的航向與姿態(tài)信息由穩(wěn)定平臺(tái)感知。

　　另一種是捷聯(lián)式慣導(dǎo)。它的陀螺和加速度計(jì)均直接固連在運(yùn)載體上。實(shí)質(zhì)上是用數(shù)學(xué)平臺(tái)取代了機(jī)電平臺(tái)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)是隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)陀螺的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，體積重量都比平臺(tái)式慣導(dǎo)小，可靠性明顯提高。

　　慣性導(dǎo)航有許多優(yōu)點(diǎn)。它不依賴于外界的導(dǎo)航臺(tái)，是一種自主工作的系統(tǒng)。沒有電波傳播，可用于海、陸、空、天及水下環(huán)境，隱蔽性好，不可能被干擾，無法反利用，生存能力強(qiáng)。能同時(shí)提供載體的位置、速度和航向姿態(tài)信息。因此在軍事上有重要意義。

　　慣性導(dǎo)航的主要缺點(diǎn)是位置誤差隨工作時(shí)間而增加，因此一般要和衛(wèi)星導(dǎo)航相組合使用，以把兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。衛(wèi)星導(dǎo)航/慣導(dǎo)組合是當(dāng)今軍事導(dǎo)航的主要系統(tǒng)。

多卜勒導(dǎo)航

　　多卜勒導(dǎo)航是一種飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。機(jī)載多卜勒雷達(dá)斜向?qū)Φ孛姘l(fā)射電波。因飛機(jī)在運(yùn)動(dòng)，地面的漫反射回波中帶有多卜勒頻移，根據(jù)這種頻移可以算出飛機(jī)的三維速度，經(jīng)過對時(shí)間的一次積分，便可以算出飛機(jī)的已飛距離。

　　由于不依賴于地面導(dǎo)航臺(tái)，多卜勒導(dǎo)航也是一種自主式系統(tǒng)。與慣導(dǎo)相比，由于位置也是由出發(fā)點(diǎn)加上積分運(yùn)算而求出，因而也是一種推算導(dǎo)航系統(tǒng)，誤差也隨工作時(shí)間而積累。而它的精度比航空慣導(dǎo)低，不能用于地面和海上，導(dǎo)出的參數(shù)只有位置，還要發(fā)射電波，因此不如慣導(dǎo)意義大。但設(shè)備比較便宜，在直升飛機(jī)和一些轟炸機(jī)上有較多應(yīng)用。

地形輔助導(dǎo)航

　　地形輔助導(dǎo)航是低空突防飛機(jī)和低飛的巡航導(dǎo)彈采用的導(dǎo)航系統(tǒng)。它的原理是，在運(yùn)載平臺(tái)中存儲(chǔ)所要飛越地區(qū)的三維數(shù)字地圖。在飛行過程中，系統(tǒng)將運(yùn)載體上的氣壓高度表產(chǎn)生的海拔高度與由雷達(dá)高度表產(chǎn)生的相對高度相減，得出飛過的地形剖面圖。將這一剖面圖與所存儲(chǔ)的數(shù)字地圖相比較，當(dāng)達(dá)到匹配時(shí)，便求出了飛機(jī)所在點(diǎn)的位置。由地形匹配所得到的更新率不高的定位信息，采用卡爾曼濾波法，與機(jī)載慣導(dǎo)相組合，產(chǎn)生出連續(xù)、高精度的三維位置、速度和航向姿態(tài)信息。

　　由于雷達(dá)高度表在高空工作時(shí)精度不夠，在海上和平原上時(shí)地形信息太少，因此地形輔助導(dǎo)航只適合在不平地形上低空使用。

導(dǎo)航系統(tǒng)的軍事應(yīng)用

　　1993年11月30日美國國會(huì)要求在2000年9月30日之前美軍的所有這些平臺(tái)都必須用GPS裝備起來。

　　美軍的主要軍事飛機(jī)，包括戰(zhàn)斗機(jī)，轟炸機(jī)，預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)，大型無人機(jī)都裝備了GPS/慣導(dǎo)組合系統(tǒng)。這些飛機(jī)中，較老式的由于先裝了慣導(dǎo)，后才裝GPS，因而用的是松耦合組合形式。較新的則用緊耦合組合。組合系統(tǒng)為飛機(jī)提供連續(xù)精確的位置、速度、航向姿態(tài)與時(shí)間信息。這些信息除了作航行引導(dǎo)之外，主要是支持飛機(jī)作戰(zhàn)，比如在戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中作精確打擊空地導(dǎo)彈和炸彈的初始化，在預(yù)警機(jī)中作機(jī)載雷達(dá)的原點(diǎn)和波束指向基準(zhǔn)。

　　現(xiàn)在美國和北大西洋公約組織各國的軍用飛機(jī)正在加緊裝備MIDS，提高其C4KISR功能。低空突防飛機(jī)裝有地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。這些系統(tǒng)許多都要用慣導(dǎo)，有一種發(fā)展趨勢是把GPS 、慣導(dǎo)、MIDS或地形輔助用聯(lián)邦卡爾曼濾波器進(jìn)一步組合起來。實(shí)質(zhì)上是要用多種手段校正慣導(dǎo)的積累誤差。飛機(jī)慣導(dǎo)早期是機(jī)電陀螺平臺(tái)式慣導(dǎo)，80年代以后逐漸換成了激光陀螺捷聯(lián)式。

　　軍事飛機(jī)上還載有塔康和儀表著陸系統(tǒng)(北大西洋公約組織的飛機(jī)著陸和美軍飛機(jī)航母著艦用精密進(jìn)近雷達(dá)來引導(dǎo))，與GPS/INS配合作航行引導(dǎo)。美國正在發(fā)展聯(lián)合 精密進(jìn)近與著陸系統(tǒng)(JPALS)，打算取代ILS和現(xiàn)行的航母飛機(jī)著艦系統(tǒng)。JPALS實(shí)際上是一種差分GPS系統(tǒng)。

　　海上軍事平臺(tái)和航空母艦，巡洋艦、驅(qū)逐艦裝有GPS和慣導(dǎo)組合系統(tǒng)，這種慣導(dǎo)的精度一般較高。這種系統(tǒng)除了用于保障軍事航行之外，還為艦載機(jī)的慣導(dǎo)提供初始對準(zhǔn)信息，為艦載機(jī)著艦提供航空母艦縱橫搖信息。為艦炮和艦載雷達(dá)提供位置和姿態(tài)基準(zhǔn)信息，為艦對岸導(dǎo)彈提供初始化信息。海上軍事平臺(tái)和海軍航空兵飛機(jī)已經(jīng)大量裝備JTIDS，以實(shí)現(xiàn)海空配合作戰(zhàn)。大型軍艦都裝有塔康導(dǎo)航臺(tái)，使飛機(jī)能隨時(shí)掌握相對于軍艦的距離和方位。還裝有羅蘭C，作岸區(qū)航行引導(dǎo)。航母上裝有精密進(jìn)近雷達(dá)，以引導(dǎo)飛機(jī)著艦。海軍在海上布雷掃雷中大量使用GPS。

　　潛艇的主要導(dǎo)航手段是慣導(dǎo)。由于需要長期在水下工作，因此許多都裝備了靜電陀螺慣導(dǎo)，這種慣導(dǎo)精度很高，但不適于高動(dòng)態(tài)。B52飛機(jī)也裝有這種慣導(dǎo)，以便于長途奔襲。潛艇上還裝備有GPS和羅蘭C。GPS信號不能入水，羅蘭C信號入水深度也很淺，因此它們或者借助于漂浮天線，或者在潛艇上浮后，用以校準(zhǔn)艇上的慣導(dǎo)。潛艇導(dǎo)航主要作航行引導(dǎo)，也對水下發(fā)射導(dǎo)彈作初始化。

　　在1991年的海灣戰(zhàn)爭中GPS對陸軍作戰(zhàn)發(fā)揮了巨大的作用，在沒有地形可作參考的大沙漠中，它引導(dǎo)裝甲部隊(duì)穿越伊拉克西部大沙漠完成了對共和國衛(wèi)隊(duì)的戰(zhàn)略包圍。GPS使部隊(duì)能夠在需要的時(shí)候出現(xiàn)在需要的地方，執(zhí)行任務(wù)后撤離到指定的地方。GPS除了單兵使用之外，還用于特種部隊(duì)偵察，火炮陣地布列，近空支援，布雷掃雷等一系列戰(zhàn)術(shù)操作。基于GPS載波相位測量的尋北裝置用于火炮與雷達(dá)指引。坦克用GPS/慣導(dǎo)組合作導(dǎo)航和火炮指引。值得一提的是所謂GPS引導(dǎo)組件(GGP)，它是為坦克開發(fā)的GPS/慣導(dǎo)系統(tǒng)。GGP用光纖陀螺以降低價(jià)格，GGP還可以用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)。PLRS和EPLRS用于為師或旅一級指揮員提供下屬的步兵、戰(zhàn)車、陸軍航空兵在戰(zhàn)場上的實(shí)時(shí)分布，也作航行引導(dǎo)。陸軍還正在將GPS/INS裝在增程炮彈內(nèi)，以提高其遠(yuǎn)程命中的精度。

　　GPS在精確打擊武器中的應(yīng)用是最引人注目的。其中主要是海射和空射巡航導(dǎo)彈和由飛機(jī)投放的由GPS/INS制導(dǎo)的普通炸彈(如JDAM)，滑翔炸彈(JSOW)和空地導(dǎo)彈(JASSM)等。對于有末制導(dǎo)的巡航導(dǎo)彈，GPS/INS作中段制導(dǎo)。GPS/INS制導(dǎo)炸彈的特點(diǎn)是飛行員只根據(jù)事前已知的目標(biāo)坐標(biāo)發(fā)動(dòng)攻擊，不用看見目標(biāo)，炸彈打了之后不管，而且命中精度很高，因此飛機(jī)可以在高空遠(yuǎn)離目標(biāo)投彈，而且可以一次投放多枚炸彈攻擊多個(gè)目標(biāo)。這就減小了氣象和能見度對作戰(zhàn)的影響，降低了飛行員的風(fēng)險(xiǎn)和導(dǎo)致的附帶損傷，減輕后勤負(fù)擔(dān)。所謂“無接觸戰(zhàn)爭”的概念即因此產(chǎn)生。

　　陸基洲際彈道導(dǎo)彈用高精度慣導(dǎo)制導(dǎo)(戰(zhàn)略級)，潛射洲際導(dǎo)彈也用慣導(dǎo)制導(dǎo)，同時(shí)用天文導(dǎo)航校正慣導(dǎo)。炸彈用的是低精度的慣導(dǎo)(戰(zhàn)術(shù)級)。巡航導(dǎo)彈和飛機(jī)用的慣導(dǎo)其精度處于二者之間(導(dǎo)航級)。早期的戰(zhàn)斧式導(dǎo)彈用地形輔助作中段制導(dǎo)，因?yàn)樗枰娜蝿?wù)規(guī)劃時(shí)間太長，現(xiàn)在已完全由GPS/INS取代。GPS和基于GPS的尋北裝置還用于導(dǎo)彈發(fā)射架定位和指向，作導(dǎo)彈初始化。

　　GPS/INS制導(dǎo)的前提是目標(biāo)位置準(zhǔn)確已知，因此精確的目標(biāo)偵察十分重要，由于GPS精度很高，廣泛用于偵察平臺(tái)本身的定位。例如偵察衛(wèi)星、高空偵察機(jī)和無人偵察機(jī)的定位。只有平臺(tái)定位很準(zhǔn)，目標(biāo)偵察精度才高。一個(gè)把偵察和打擊結(jié)合起來的典型的例子是許多對地攻擊機(jī)和無人機(jī)所用的GPS輔助目標(biāo)定位系統(tǒng)(GATS)。在這種系統(tǒng)中，飛機(jī)上載有合成孔徑雷達(dá)(SAR)和GPS。SAR定出目標(biāo)相對于飛機(jī)的位置，GATS利用由GPS產(chǎn)生的飛機(jī)位置數(shù)據(jù)把目標(biāo)位置變換到WGS-84測地坐標(biāo)系中，飛機(jī)的投彈系統(tǒng)再把目標(biāo)坐標(biāo)裝訂入飛機(jī)所載的GPS/INS制導(dǎo)炸彈中，然后對目標(biāo)發(fā)動(dòng)攻擊。

　　監(jiān)視衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、航天機(jī)等都用GPS/INS定軌。

　　通信衛(wèi)星、各種軍事通信網(wǎng)，C4KISR系統(tǒng)都由GPS實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步。

　　軍事測繪利用GPS載波相位跟蹤作快速測地。

　　在軍事靶場中廣泛用GPS，差分GPS和載波相位跟蹤作系統(tǒng)時(shí)間同步、武器系統(tǒng)威力測試、導(dǎo)彈真實(shí)軌跡測量、位置標(biāo)定等。GPS在氣象探測和海洋監(jiān)視中也有重要應(yīng)用。

　　GPS在后勤支持中也發(fā)揮著重要作用。比如重要軍事裝備的運(yùn)輸因有GPS而準(zhǔn)確和準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)后勤指揮機(jī)構(gòu)可隨時(shí)監(jiān)視各種后勤支持單位的移動(dòng)情況，從而及時(shí)加以調(diào)度。借助于GPS，飛機(jī)坦克能夠準(zhǔn)確掌握與補(bǔ)給基地的距離，因而可以少留剩余油量，從而加長執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間等。■