[科普中国]-地形跟随回避系统

历史简介

由于防空武器日臻完善，中、高空突防已不可取。但超低空突防，则因地形遮断，地杂波影响，地面雷达很难发现超低空目标。又由于目标太近太快，很难跟踪瞄准，生存率很高。因之，最近二十年来，超低空突防技术日益得到重视和发展。目前已有地形跟随（TF.Terrain.Following)、地形回避（Terrain Avoidance)、地形匹配（Terrain Matching)、障碍回避（Obstacle Clearance)等技术。地形回避是不改变飞行高度靠左右转弯从前方障碍中的空档穿插过去的飞行技术。地形跟随是不改变航向靠纵向机动随地形起伏飞越障碍的飞行技术。地形匹配主要用于巡航导弹，依靠储存的地形和探察到的沿途地形互相配合，从而保持正确的航线的技术。

障碍回避是敌火力点和突起的高建筑物等作出反应并及时回避的技术。这些技术从四十年代末出现的雷达防撞技术，经历了五十年代的人工地形回避技术、六十年代的自动地形跟随技术，到七十年代末地形跟随已成为普遍采用、行之有效的超低空突防技术。依靠自动控制、计算机和微电子技术的迅速进步，八十年代正在发展综合的超低空突防技术。本文主要论述地形跟随原理及超低空突防技术的新发展。3

基本原理实际飞行中实时图地形数据来源于安装在飞行器前端的前视地形雷达，而仿真飞行中实时图地形数据完全依赖于雷达模型从基准图地形数据中获取。为真实地模拟出实际飞行中地形匹配算法的运算过程，要求雷达模型逼真、形象，能够获得与真实数据相似的地形数据。通常的雷达模型建立在对其原理和传递函数的分析之上，建模过程非常复杂。信号由角度间隔均匀的一系列雷达波束组成，机理类似于阴极射线管的电子枪发射电子束一样，区别只是电子枪只发射一束电子流，扫描整个区域，而雷达波束则同时发射，覆盖整个有效范围。一束雷达波直线前进，直至遇到障碍物(与地面相交)，该雷达波束投影到地面坐标系水平面X-O-Y 上，根据该雷达波与飞行器机体坐标系的夹角，利用欧美坐标系机体坐标--地面坐标变换矩阵，则可以求出该雷达波束在地面坐标系的夹角;当雷达波束所经过的距离已知时，就可以得到该雷达波束的末端高程，即雷达探测到的地形数据。当然，如果雷达波束经过的距离大于雷达的可探测距离，该波束就没有信息返回，也就得不到地形数据，遂将其跳过，进行下一波束的探测。45

地形跟随技术1，超低空突防系统的组成

超低空突防系统的组成，不论是TF、TA、TM、OA或其综合系统，其组成都相似，它一般由四部分组成：

（1）提供信息部分—前视雷达、无线电高度表、地形储存器，大气数据计算机、惯性导航等。

（2）信息处理和推算制导指令部分—超低空突防计算机。

（3）执行指令部分—飞行控制系统。

（4）供飞行员监控的人机接口—显示和操纵。

系统工作过程为：前视雷达不停地自上而下扫描，逐点测定前方地形地视角λ和斜距R，送入计算机，无线电高度表送入离地面高度H和其速率H，其它敏感部件送入空速V、攻角α、飞机的姿态角 δ γ、航向角ψ、爬高角θ和飞机位置，地形储存器送入三自由度地形数据及敌火力点位置。

超低空突防计算机根据这些数据按控制理论算出符合飞行任务和飞行性能以及乘座品质要求的制导指令给飞控系统，操纵飞机舵面和发动机油门，实施对飞机的航迹控制。飞行员处于监控地位，一般不介入。

地形跟随原理地形跟随要达到的目的是尽可能隐蔽而安全地在纵向平面内贴地飞行。地形跟随（TF）计算机根据前视雷达测得的前方地形数据，如视角λ和斜距R，结合考虑爬高角、最大下滑角、过载等飞机性能、乘座品质限制以及发动机寿命、武器投放的要求，给出指令给飞行控制系统对飞行器的航迹控制。

TF计算机根据什么原理去处理这些数据给出控制指令，这就是TF计算机的算法，是地形跟随技术的核心问题，关系到贴地航迹的优劣。二十多年来，围绕着跟随计算方法的开发与提高，提出了很多方案，归纳起来可分为六种。

地形回避技术地形回避通过绕过山峰，有效降低了飞行高度 ， 但遇到山峰较多的地形时，飞机需要连续改变航向， 这会增加飞行时的安全隐患。同时 ，对所有 的障碍进 行 回避往往会增加飞机的飞行总航程 ，效果不如直接，飞越山峰 ，此时采用地形跟踪是更好的选择 。6

组成和发展综合地形跟随/回避技术在超低空突防中，遇前方孤立高峰，采用地形回避比径直飞越高峰更隐蔽，又如为逃避敌攻击，采用突然的急转弯明显提高生存率，所以现有的地形跟随系统向着综合的地形跟随/回避系统发展。

（1）低空导航火控红外吊舱LANTIRN

它是一个综合用途的电子吊舱，其前视雷达由德克萨斯公司研制，具有综合地形跟随/回避的能力。其纵向扫描的方位可以改变，每次向左或右偏出3.9°，每8次扫描后再行重复，探测前方二侧的地形进行地形回避。LANTIRN还具有地形储存能力，雷达间隙工作，不易被敌探测到。

（2）强击机的地形跟随/回避系统

为保证强击机A-10在夜间和恶劣天气下出击的需要，美国正在发展一种雷达和红外成象仪综合探视的综合地形跟随/回避系统。机上装备二个WX-50前视雷达、一个前视红外成像仪，在平视显示仪上综合显示三种图像，表示1海里、2海里外的地形轮廓线以及地形跟随

应取的俯仰角和实际的俯仰角。飞行员观察地形的起伏，进行跟随及回避。

（3）可行方向算法（FDM）

它是美国空军与麦 道公司开发的先进自动地形跟随/回避算法，是先进战斗机技术综合计划AFTI的一部分。它采用非线性模型，秩代法求最优控制的解。同时

核算高度和二侧飞行间隙，考虑到法向加速度、坡度、偏航等限制得出跟随和回避的综合解，能同时进行地形跟随/回避。该算法能与导航系统配合，地形回避中不迷航。

地形储存技术突防路线沿途地形信息的储存需要大容量的存储器件，在今天这已是可能的。它的应用能大大加强低空突防的能力。它可以提供前方地形的信息，帮助进行地形回避或跟随的决策；它可以提供前视雷达难以探测到的敌火力点、高压导线的信息；它可以使雷达间隙工作，补充停机时的信息，增强自身的隐蔽性（如LANTIRN);

它可以和前视雷达同时显示，提高可靠性。有了储存的地形，可以采用近距离探测传感器代替前视雷达，不易被敌发现。而在巡航导弹中，地形储存技术是必不可少的。

最优突防路线的自动规划从基地到目标，隔着各种不同的地形，可能有多重防线，如何找到一个生存率最高的突防线是出击时要仔细规划的问题。在情况复杂时不能靠经验去判断，国外正在开发软件，利用计算机和控制理论来解决这个问题。如Denton R.V.等人开发的AUTO—Path能解决突防路线的自动规划问题。它十分灵活，综合考虑地形跟随和回避、敌火力威胁、飞机性能限制和燃油量限制，迅速算出从出发点到目标的最优的、次优的、能对几个目标依次攻击的三自由度空间的突防路线。这种软件适于地面和空中使用，容易改变，计算很快。

地形跟随/地形回避航迹规划技术：低空突防主要包括地形跟随与地形回避 2 种基本形式: 地形跟随(TF)是指飞机在航向不变的情况下，依靠纵向机动 能力随地形高度起伏改变飞行高度，从而尽量贴近地面飞行 以躲避敌方雷达的技术;地形回避(TA)是指飞机在离地高度 不变的情况下，通过改变航向，做绕过山峰等地面障碍物的 飞行。航迹规划技术就是在给定数字地图、飞行器特性参数、 飞行任务情况下，按照某种性能指标，要求规划器能够在数 字地图上方的某个离地高度上规划出一条性能最优的三维航 迹。规划出来的航迹作为飞行器飞行的参考航线，引导着飞 行器在控制律的作用下完成飞行任务。

新型前视地形探测器现有的地形跟随雷达和无线电高度表都存在很大缺点：（1）其辐射会暴露自己的位置。（2）敌人可用电子对抗技术引导前视雷达使飞机高飞而被捕获。因此国外目前正在大力开发研究LPI(Low probability of intercept)的地形探测器，如多束激光器、立体测距仪、毫米波雷达等。这方面的技术是低空突防的重要领悟，值得重视。详见文献〔16〕

被动地形跟随系统采用存储地图和环球定位系统的被动地形跟随系统

地形跟随需要三方面基本信息。（1）未来几秒钟内的地形俯仰剖面；（2）飞机相对于飞越地形的位置；(3)飞机飞行状态信息。由全球定位系统（如NAVSTAR）可以提供后二种信息，存储的地图可以提供前一种信息，因此飞行员、飞机、存储地图和全球定位系统形成一个闭环系统，可以完成地形跟踪功能，而不必采用如前视雷达这样的主动传感器，避免载机暴露。美国空军司令部正在进行这样一个被动系统的试验计划。进一步的发展还可以采用卫星地形探测能力来制导飞行器的飞行。7

地形匹配技术飞机在执行飞行任务之前一般会通过各 种手段获得飞行区域的数字地图，将该地图存储于计算机存储器当中，通常 称之为“基准图”。当飞机进行低空突防时机载雷达实时扫描 前方一定范围内的地形，记录当地的地形剖面，通常称之为 “实时图”。在基准图中搜索出与实时图尺寸、数据相同的部 分就可以确定飞机当前的位置，以及偏离预定位置的纵向、 横向偏差。地形匹配技术已经是当前应用较为广泛的辅助导航技术。

干扰对地形跟随回避雷达实施有效干扰, 应满足以下几个条件:

干扰实施时间和距离为实现对目标的掩护,

给予防空系统足够的反应时间,

必须确保在飞机开始爬升并发射导弹前,

提前对地形跟随回避雷达实施有效干扰, 迫使飞机升入中高空, 为地面雷达发现。提前的时间要稍长于地面雷达发现飞机的所需时间与防空系统的反应时间之和。8

抗侦察干扰优势一般而言, 防空系统的反应时间为分钟量级, 地面预警雷达发现、判断飞机目标性质的时间为秒量级。 因此, 设对地形跟随回避雷达干扰的距离应 为距掩护目标L 公里处, 则: 地形跟随回避雷达的抗侦察干扰具有一定优势

由于地形跟随回避雷达独特的工作原理和方 式, 其在抗侦察干扰方面具备较多的优势:

(1) 雷达工作的低高度 ( 一般为 60m 左右) , 决 定了其在空域上的低截获性。 此时电波受视距和地 形遮蔽影响大, 雷达对抗侦察装备固有的距离优势难以体现。

(2) 近的作用距离 ( 一般为几千米) 以及较大的 反射体 (反射体是地面或海面, R C S 极大) 可使雷达 辐射功率足够小, 并可采用连续波或高重频工作模 式, 更降低了对功率的要求, 进一步提高了其低截获 概率性能。如法国生产的ROM EO 雷达发射机以连 续波方式工作, 固态发射机的功率小于 1W , 美国工 作于脉冲方式的同类雷达A N ƒA PQ 2128, 其平均功 率也仅为几瓦到几十瓦。

(3) 波束为笔状窄波束, 宽度一般为 3°~ 8°, 扫 描速度快, 具有较低的旁瓣, 因此在其主瓣方向侦察 和干扰难度极大, 而在副瓣方向对侦察机灵敏度和 干扰机功率的要求将大大提高。

(4) 飞机高度低但水平速度快, 对地面侦察ƒ干 扰装备而言, 具有较大的角速度, 连续跟踪较为困 难。

(5) 工作频段宽, 工作模式多样, 且一般都采取 频率捷变等多种抗干扰措施。

(6) 随着数字地图的发展和飞机机动性能的提 高, 远距离地形可由数字地图提供, 雷达可进一步减 小探测距离 (可降至 3km 左右)、采用间歇工作方式 并进一步降低飞行高度 ( 15m~ 60m )9