導航的軍事分類與應用

2004年4月A版

軍事導航系統(tǒng)的分類

陸基無線電導航系統(tǒng)

　　陸基無線電導航指塔康(TACAN)，精密雷達(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(Radio Beacon)等系統(tǒng)。它們都是在陸上(有時也在艦上)設置一些導航臺，發(fā)射無線電信號，當裝有相應機載或艦載導航設備的飛機或艦船進入其覆蓋區(qū)后，便能確定自己的實時位置。

　　這些系統(tǒng)除了無線電信標是更早的系統(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)展起來的軍事技術在戰(zhàn)后建立起來的。至今，各種導航臺已遍布全球，形成一套頗為完備的體系，仍在為飛機和艦船的各航行階段提供航行引導服務。

　　陸基無線電導航的主要缺點是，一種系統(tǒng)不能同時實現(xiàn)大的覆蓋范圍和高的導航精度兩項要求。

衛(wèi)星導航

　　衛(wèi)星導航系統(tǒng)現(xiàn)在有美國的GPS，俄羅斯的Glonass，它們都是在上世紀90年代中期正式投入運行的。歐洲正在發(fā)展Gelileo系統(tǒng)，計劃于2008年開始工作。衛(wèi)星導航是基于航天技術、精密時間技術、微電子技術、計算機技術和電子信息技術發(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)和用戶設備組成。衛(wèi)星向地面發(fā)射無線電導航信號。地面段用以支持空間段，使之維持系統(tǒng)正常、高精度地運行。大致可以說衛(wèi)星導航系統(tǒng)是把陸基無線電導航的導航臺放到了人造衛(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航的缺點，衛(wèi)星導航不僅能連續(xù)提供三維位置信息，而且能夠提供準確的速度與時間信息。系統(tǒng)設計的思路是把技術復雜性集中在地面支持設施和衛(wèi)星上，使用戶設備體積小、重量輕、功耗省、價格低、使用方便。因此衛(wèi)星導航為導航技術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航系統(tǒng)的航行引導功能，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局部戰(zhàn)爭的各階段，各種級別的武器平臺和軍事信息系統(tǒng)中，成為戰(zhàn)爭機器的重要基礎設施。

　　GPS和Glonass都是軍事系統(tǒng)。由軍方研制和運行，同時也提供民用。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行欺騙干擾。

　　GPS從1993年達到初始工作能力，1995年達到全工作能力之后，運行一直正常。Glonass由于俄羅斯的經(jīng)濟情況的原因，在1995年布滿星座之后，由于失效的衛(wèi)星得不到及時補充，因此至今運行不正常。在全球范圍內(nèi)GPS的實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，可以使一定區(qū)域內(nèi)的定位精度達到厘米甚至毫米級，還能產(chǎn)生平臺的航向和姿態(tài)測量信息。GPS提供的時間精度軍用是40ns，利用GPS實現(xiàn)遠距離同步時精度可優(yōu)于10ns。

　　衛(wèi)星導航最主要的弱點是，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年起正在實施為期10年的GPS 現(xiàn)代化計劃。從軍用的角度來看，這項計劃的主要目標是：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)時航行引導還不能完全依靠GPS的原因。

基于無線網(wǎng)絡的導航

　　一些戰(zhàn)術無線移動通信系統(tǒng)的結構是，把用戶設備組織成網(wǎng)絡，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)絡采用同步時分多址(TDMA)接入方式。

　　基于無線網(wǎng)絡的導航的優(yōu)點是信號采用跳頻、直接序列擴頻、糾檢錯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。

慣性導航

　　慣性導航系統(tǒng)普遍裝在飛機、軍艦、導彈、戰(zhàn)車上。慣性導航系統(tǒng)有兩種，最先出現(xiàn)的是平臺式慣性。它以陀螺為基礎構筑一個不隨運載體(飛機、艦船和導彈等)姿態(tài)和載體在地球上的位置變化影響的穩(wěn)定平臺，保持著指向東、北、天三個方向的坐標系。固定在穩(wěn)定平臺上的加速度計分別測量出載體在這三個方向上的加速度。分別對這些加速度在時間上作一次和二次積分，便能導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)定平臺感知。

　　另一種是捷聯(lián)式慣導。它的陀螺和加速度計均直接固連在運載體上。實質上是用數(shù)學平臺取代了機電平臺。捷聯(lián)式慣導是隨計算機技術和光學陀螺的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，體積重量都比平臺式慣導小，可靠性明顯提高。

　　慣性導航有許多優(yōu)點。它不依賴于外界的導航臺，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。能同時提供載體的位置、速度和航向姿態(tài)信息。因此在軍事上有重要意義。

　　慣性導航的主要缺點是位置誤差隨工作時間而增加，因此一般要和衛(wèi)星導航相組合使用，以把兩種系統(tǒng)的優(yōu)點結合起來。衛(wèi)星導航/慣導組合是當今軍事導航的主要系統(tǒng)。

多卜勒導航

　　多卜勒導航是一種飛機導航系統(tǒng)。機載多卜勒雷達斜向對地面發(fā)射電波。因飛機在運動，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的三維速度，經(jīng)過對時間的一次積分，便可以算出飛機的已飛距離。

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

地形輔助導航

　　地形輔助導航是低空突防飛機和低飛的巡航導彈采用的導航系統(tǒng)。它的原理是，在運載平臺中存儲所要飛越地區(qū)的三維數(shù)字地圖。在飛行過程中，系統(tǒng)將運載體上的氣壓高度表產(chǎn)生的海拔高度與由雷達高度表產(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的數(shù)字地圖相比較，當達到匹配時，便求出了飛機所在點的位置。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，與機載慣導相組合，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。

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

導航系統(tǒng)的軍事應用

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

　　美軍的主要軍事飛機，包括戰(zhàn)斗機，轟炸機，預警機、偵察機、電子戰(zhàn)飛機，大型無人機都裝備了GPS/慣導組合系統(tǒng)。這些飛機中，較老式的由于先裝了慣導，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)為飛機提供連續(xù)精確的位置、速度、航向姿態(tài)與時間信息。這些信息除了作航行引導之外，主要是支持飛機作戰(zhàn)，比如在戰(zhàn)斗機和轟炸機中作精確打擊空地導彈和炸彈的初始化，在預警機中作機載雷達的原點和波束指向基準。

　　現(xiàn)在美國和北大西洋公約組織各國的軍用飛機正在加緊裝備MIDS，提高其C4KISR功能。低空突防飛機裝有地形輔助導航系統(tǒng)。這些系統(tǒng)許多都要用慣導，有一種發(fā)展趨勢是把GPS 、慣導、MIDS或地形輔助用聯(lián)邦卡爾曼濾波器進一步組合起來。實質上是要用多種手段校正慣導的積累誤差。飛機慣導早期是機電陀螺平臺式慣導，80年代以后逐漸換成了激光陀螺捷聯(lián)式。

　　軍事飛機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著陸和美軍飛機航母著艦用精密進近雷達來引導)，與GPS/INS配合作航行引導。美國正在發(fā)展聯(lián)合 精密進近與著陸系統(tǒng)(JPALS)，打算取代ILS和現(xiàn)行的航母飛機著艦系統(tǒng)。JPALS實際上是一種差分GPS系統(tǒng)。

　　海上軍事平臺和航空母艦，巡洋艦、驅逐艦裝有GPS和慣導組合系統(tǒng)，這種慣導的精度一般較高。這種系統(tǒng)除了用于保障軍事航行之外，還為艦載機的慣導提供初始對準信息，為艦載機著艦提供航空母艦縱橫搖信息。為艦炮和艦載雷達提供位置和姿態(tài)基準信息，為艦對岸導彈提供初始化信息。海上軍事平臺和海軍航空兵飛機已經(jīng)大量裝備JTIDS，以實現(xiàn)?？张浜献鲬?zhàn)。大型軍艦都裝有塔康導航臺，使飛機能隨時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。航母上裝有精密進近雷達，以引導飛機著艦。海軍在海上布雷掃雷中大量使用GPS。

　　潛艇的主要導航手段是慣導。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，這種慣導精度很高，但不適于高動態(tài)。B52飛機也裝有這種慣導，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，用以校準艇上的慣導。潛艇導航主要作航行引導，也對水下發(fā)射導彈作初始化。

　　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，它引導裝甲部隊穿越伊拉克西部大沙漠完成了對共和國衛(wèi)隊的戰(zhàn)略包圍。GPS使部隊能夠在需要的時候出現(xiàn)在需要的地方，執(zhí)行任務后撤離到指定的地方。GPS除了單兵使用之外，還用于特種部隊偵察，火炮陣地布列，近空支援，布雷掃雷等一系列戰(zhàn)術操作?；贕PS載波相位測量的尋北裝置用于火炮與雷達指引。坦克用GPS/慣導組合作導航和火炮指引。值得一提的是所謂GPS引導組件(GGP)，它是為坦克開發(fā)的GPS/慣導系統(tǒng)。GGP用光纖陀螺以降低價格，GGP還可以用于戰(zhàn)術導彈制導。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)場上的實時分布，也作航行引導。陸軍還正在將GPS/INS裝在增程炮彈內(nèi)，以提高其遠程命中的精度。

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

　　陸基洲際彈道導彈用高精度慣導制導(戰(zhàn)略級)，潛射洲際導彈也用慣導制導，同時用天文導航校正慣導。炸彈用的是低精度的慣導(戰(zhàn)術級)。巡航導彈和飛機用的慣導其精度處于二者之間(導航級)。早期的戰(zhàn)斧式導彈用地形輔助作中段制導，因為所需要的任務規(guī)劃時間太長，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彈發(fā)射架定位和指向，作導彈初始化。

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

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

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

　　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)時間同步、武器系統(tǒng)威力測試、導彈真實軌跡測量、位置標定等。GPS在氣象探測和海洋監(jiān)視中也有重要應用。

　　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輸因有GPS而準確和準時，同時后勤指揮機構可隨時監(jiān)視各種后勤支持單位的移動情況，從而及時加以調度。借助于GPS，飛機坦克能夠準確掌握與補給基地的距離，因而可以少留剩余油量，從而加長執(zhí)行任務的時間等。■