導航的軍事分類(lèi)與應用

2004年4月A版

軍事導航系統的分類(lèi)

陸基無(wú)線(xiàn)電導航系統

　　陸基無(wú)線(xiàn)電導航指塔康(TACAN)，精密雷達(PAR)，儀表著(zhù)陸系統(ILS)，微波著(zhù)陸系統(MLS)，羅蘭C(Loran C)，無(wú)線(xiàn)電信標(Radio Beacon)等系統。它們都是在陸上(有時(shí)也在艦上)設置一些導航臺，發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號，當裝有相應機載或艦載導航設備的飛機或艦船進(jìn)入其覆蓋區后，便能確定自己的實(shí)時(shí)位置。

　　這些系統除了無(wú)線(xiàn)電信標是更早的系統之外，基本上是在二次世界大戰期間或基于大戰中發(fā)展起來(lái)的軍事技術(shù)在戰后建立起來(lái)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(wù)。

　　陸基無(wú)線(xiàn)電導航的主要缺點(diǎn)是，一種系統不能同時(shí)實(shí)現大的覆蓋范圍和高的導航精度兩項要求。

衛星導航

　　衛星導航系統現在有美國的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，計劃于2008年開(kāi)始工作。衛星導航是基于航天技術(shù)、精密時(shí)間技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和電子信息技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。它由空間段(衛星星座)，地面段(分布在全球的主控站、監視站，上行注入站)和用戶(hù)設備組成。衛星向地面發(fā)射無(wú)線(xiàn)電導航信號。地面段用以支持空間段，使之維持系統正常、高精度地運行。大致可以說(shuō)衛星導航系統是把陸基無(wú)線(xiàn)電導航的導航臺放到了人造衛星上。由于衛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星組成的星座覆蓋全球，又有高的精度。這就消除了陸基無(wú)線(xiàn)電導航的缺點(diǎn)，衛星導航不僅能連續提供三維位置信息，而且能夠提供準確的速度與時(shí)間信息。系統設計的思路是把技術(shù)復雜性集中在地面支持設施和衛星上，使用戶(hù)設備體積小、重量輕、功耗省、價(jià)格低、使用方便。因此衛星導航為導航技術(shù)帶來(lái)的是革命性的變化，它不但有潛力取代所有的陸基無(wú)線(xiàn)電導航系統的航行引導功能，而且從1991年的海灣戰爭開(kāi)始，作為軍事裝備，滲透到了歷次高技術(shù)局部戰爭的各階段，各種級別的武器平臺和軍事信息系統中，成為戰爭機器的重要基礎設施。

　　GPS和Glonass都是軍事系統。由軍方研制和運行，同時(shí)也提供民用。衛星發(fā)射兩種信號，即軍用信號和民用信號。民用信號是公開(kāi)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(hù)，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(mǎn)星座之后，由于失效的衛星得不到及時(shí)補充，因此至今運行不正常。在全球范圍內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)，可以使一定區域內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(shí)間精度軍用是40ns，利用GPS實(shí)現遠距離同步時(shí)精度可優(yōu)于10ns。

　　衛星導航最主要的弱點(diǎn)是，衛星發(fā)射的信號要經(jīng)過(guò)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(shù)蔭房屋的遮擋。經(jīng)過(guò)10多年來(lái)的軍用和民用，美國從2000年起正在實(shí)施為期10年的GPS 現代化計劃。從軍用的角度來(lái)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系統的完好性還需要提高，這就是現時(shí)航行引導還不能完全依靠GPS的原因。

基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的導航

　　一些戰術(shù)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統的結構是，把用戶(hù)設備組織成網(wǎng)絡(luò )，用戶(hù)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(guò)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的導航的優(yōu)點(diǎn)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

　　慣性導航系統普遍裝在飛機、軍艦、導彈、戰車(chē)上。慣性導航系統有兩種，最先出現的是平臺式慣性。它以陀螺為基礎構筑一個(gè)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定平臺，保持著(zhù)指向東、北、天三個(gè)方向的坐標系。固定在穩定平臺上的加速度計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，便能導出載體的速度和所經(jīng)過(guò)的距離。載體的航向與姿態(tài)信息由穩定平臺感知。

　　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(shí)質(zhì)上是用數學(xué)平臺取代了機電平臺。捷聯(lián)式慣導是隨計算機技術(shù)和光學(xué)陀螺的出現而發(fā)展起來(lái)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(diǎn)。它不依賴(lài)于外界的導航臺，是一種自主工作的系統。沒(méi)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(wú)法反利用，生存能力強。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，因此一般要和衛星導航相組合使用，以把兩種系統的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)。衛星導航/慣導組合是當今軍事導航的主要系統。

多卜勒導航

　　多卜勒導航是一種飛機導航系統。機載多卜勒雷達斜向對地面發(fā)射電波。因飛機在運動(dòng)，地面的漫反射回波中帶有多卜勒頻移，根據這種頻移可以算出飛機的三維速度，經(jīng)過(guò)對時(shí)間的一次積分，便可以算出飛機的已飛距離。

　　由于不依賴(lài)于地面導航臺，多卜勒導航也是一種自主式系統。與慣導相比，由于位置也是由出發(fā)點(diǎn)加上積分運算而求出，因而也是一種推算導航系統，誤差也隨工作時(shí)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。它的原理是，在運載平臺中存儲所要飛越地區的三維數字地圖。在飛行過(guò)程中，系統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(guò)的地形剖面圖。將這一剖面圖與所存儲的數字地圖相比較，當達到匹配時(shí)，便求出了飛機所在點(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，與機載慣導相組合，產(chǎn)生出連續、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(shí)精度不夠，在海上和平原上時(shí)地形信息太少，因此地形輔助導航只適合在不平地形上低空使用。

導航系統的軍事應用

　　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都必須用GPS裝備起來(lái)。

　　美軍的主要軍事飛機，包括戰斗機，轟炸機，預警機、偵察機、電子戰飛機，大型無(wú)人機都裝備了GPS/慣導組合系統。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。組合系統為飛機提供連續精確的位置、速度、航向姿態(tài)與時(shí)間信息。這些信息除了作航行引導之外，主要是支持飛機作戰，比如在戰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(diǎn)和波束指向基準。

　　現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。這些系統許多都要用慣導，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(jìn)一步組合起來(lái)。實(shí)質(zhì)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(zhù)陸系統(北大西洋公約組織的飛機著(zhù)陸和美軍飛機航母著(zhù)艦用精密進(jìn)近雷達來(lái)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(jìn)近與著(zhù)陸系統(JPALS)，打算取代ILS和現行的航母飛機著(zhù)艦系統。JPALS實(shí)際上是一種差分GPS系統。

　　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，這種慣導的精度一般較高。這種系統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(zhù)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(shí)現?？张浜献鲬?。大型軍艦都裝有塔康導航臺，使飛機能隨時(shí)掌握相對于軍艦的距離和方位。還裝有羅蘭C，作岸區航行引導。航母上裝有精密進(jìn)近雷達，以引導飛機著(zhù)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(cháng)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(dòng)態(tài)。B52飛機也裝有這種慣導，以便于長(cháng)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(xiàn)，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年的海灣戰爭中GPS對陸軍作戰發(fā)揮了巨大的作用，在沒(méi)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隊的戰略包圍。GPS使部隊能夠在需要的時(shí)候出現在需要的地方，執行任務(wù)后撤離到指定的地方。GPS除了單兵使用之外，還用于特種部隊偵察，火炮陣地布列，近空支援，布雷掃雷等一系列戰術(shù)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(kāi)發(fā)的GPS/慣導系統。GGP用光纖陀螺以降低價(jià)格，GGP還可以用于戰術(shù)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、戰車(chē)、陸軍航空兵在戰場(chǎng)上的實(shí)時(shí)分布，也作航行引導。陸軍還正在將GPS/INS裝在增程炮彈內，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(diǎn)是飛行員只根據事前已知的目標坐標發(fā)動(dòng)攻擊，不用看見(jiàn)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(gè)目標。這就減小了氣象和能見(jiàn)度對作戰的影響，降低了飛行員的風(fēng)險和導致的附帶損傷，減輕后勤負擔。所謂“無(wú)接觸戰爭”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(戰略級)，潛射洲際導彈也用慣導制導，同時(shí)用天文導航校正慣導。炸彈用的是低精度的慣導(戰術(shù)級)。巡航導彈和飛機用的慣導其精度處于二者之間(導航級)。早期的戰斧式導彈用地形輔助作中段制導，因為所需要的任務(wù)規劃時(shí)間太長(cháng)，現在已完全由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。例如偵察衛星、高空偵察機和無(wú)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(gè)把偵察和打擊結合起來(lái)的典型的例子是許多對地攻擊機和無(wú)人機所用的GPS輔助目標定位系統(GATS)。在這種系統中，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)生的飛機位置數據把目標位置變換到WGS-84測地坐標系中，飛機的投彈系統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(dòng)攻擊。

　　監視衛星、遙感衛星、航天機等都用GPS/INS定軌。

　　通信衛星、各種軍事通信網(wǎng)，C4KISR系統都由GPS實(shí)現精確的時(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(chǎng)中廣泛用GPS，差分GPS和載波相位跟蹤作系統時(shí)間同步、武器系統威力測試、導彈真實(shí)軌跡測量、位置標定等。GPS在氣象探測和海洋監視中也有重要應用。

　　GPS在后勤支持中也發(fā)揮著(zhù)重要作用。比如重要軍事裝備的運輸因有GPS而準確和準時(shí)，同時(shí)后勤指揮機構可隨時(shí)監視各種后勤支持單位的移動(dòng)情況，從而及時(shí)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(cháng)執行任務(wù)的時(shí)間等?！?BR>