水陸兩棲飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)水面對準(zhǔn)工作場景分析

張宏志

摘要：本文主要介紹了水陸兩棲飛機(jī)配備的慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)在水面情況下需具備水面對準(zhǔn)的能力，并據(jù)此對水陸兩棲飛機(jī)的近岸系留、水面錨泊及水上救援等任務(wù)場景下采取用例圖的形式闡述分析水面對準(zhǔn)的工作場景，為后續(xù)水陸兩棲飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計需求分析提供指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲飛機(jī);慣性基準(zhǔn)系統(tǒng);水面錨泊

1 水陸兩棲飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)對準(zhǔn)分析

1.1 慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)簡介

水陸兩棲飛機(jī)裝備兩套慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)，作為飛機(jī)重要飛行數(shù)據(jù)姿態(tài)、航向的數(shù)據(jù)源和地理位置的備用數(shù)據(jù)源。慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)接收大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的大氣數(shù)據(jù)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSU）的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過導(dǎo)航方式控制組件控制系統(tǒng)工作方式，包括純慣和組合導(dǎo)航。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上電后，進(jìn)入正常導(dǎo)航工作狀態(tài)，需先進(jìn)行接收衛(wèi)星信號，整個過程預(yù)計60s。由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全天候，且慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)接收了兩套衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可確保慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)水上對準(zhǔn)期間衛(wèi)星信號的有效性和連續(xù)性。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)包括：

a）位置數(shù)據(jù)：緯度、緯度、高度;

b）速度數(shù)據(jù)：東向速度、北向速度、垂直速度、地速;

c）導(dǎo)航性能參數(shù)：HDOP值、VDOP值、自主水平完好性界限、自主垂直完好性界限、垂直定位品質(zhì)因數(shù);

d）時間信息：日期和UTC時間。

1.2 必要性分析

根據(jù)慣性原理，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的正常工作需要完成初始化對準(zhǔn)，否則系統(tǒng)無法工作。慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)初始化對準(zhǔn)一般有兩種：地面對準(zhǔn)和空中對準(zhǔn)。地面對準(zhǔn)要求飛機(jī)靜止在地面，一旦飛機(jī)出現(xiàn)較大幅度晃動，有可能導(dǎo)致對準(zhǔn)性能降低，甚至導(dǎo)致對準(zhǔn)失敗;空中對準(zhǔn)是在系統(tǒng)空中掉電的情況下使用。飛機(jī)在水面時，尤其是在惡劣海況下，其運動特性與飛機(jī)地面靜止和空中飛行的運動特性均不同，導(dǎo)致飛機(jī)在水面時上述兩種對準(zhǔn)方式均不能使用。

如果慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)無法水面對準(zhǔn)，就需增加飛機(jī)的使用限制，要求飛機(jī)在海面降落后不能關(guān)閉慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)電源。水陸兩棲飛機(jī)海上救援時，一般保持發(fā)動機(jī)慢車狀態(tài)，尤其是在風(fēng)浪大的海況下為了操縱飛機(jī)保持飛機(jī)的穩(wěn)定性，此時慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)正常供電，只有在慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)意外掉電情況下才需要使用水上對準(zhǔn)。但是，在風(fēng)浪很小的情況下，為保證救援的安全性，允許飛機(jī)關(guān)閉發(fā)動機(jī)。雖然此時可以通過應(yīng)急電源或蓄電池給慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)繼續(xù)提供電源，但由于容量、成本的限制，應(yīng)急電源或蓄電池?zé)o法長時間工作，這將限制飛機(jī)水面關(guān)車停留時間。

飛機(jī)水面停留時慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)一旦斷電，飛機(jī)姿態(tài)、航向數(shù)據(jù)將丟失，這要求飛機(jī)重新上岸后對準(zhǔn)，這對于海上救援是根本無法保證的。即使在滿足條件的水上機(jī)場，上岸對準(zhǔn)也增加了工作量，延緩了起飛時間，影響了執(zhí)行任務(wù)的進(jìn)度，降低了飛機(jī)的出勤率。

總之，在水陸兩棲飛機(jī)各種工作任務(wù)和運行場景下，必然會遇到水上起動發(fā)動機(jī)的情況，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)必須在水面完成對準(zhǔn)，為飛機(jī)提供必要的姿態(tài)、航向及位置等基本飛行參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 對準(zhǔn)要求

慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)對準(zhǔn)的目的，是輸出姿態(tài)、航向和位置信息。相比完成姿態(tài)、航向數(shù)據(jù)的對準(zhǔn)，完成位置的對準(zhǔn)，不僅需要更多的對準(zhǔn)時間，還需要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供實時的位置信息。

對于飛機(jī)而言，姿態(tài)、航向信息作為重要飛行數(shù)據(jù)，是飛行安全的基本保證。根據(jù)飛機(jī)功能危險性安全評估分析，當(dāng)飛機(jī)喪失姿態(tài)、航向會引發(fā)災(zāi)難性的事件。位置信息主要作為飛機(jī)遠(yuǎn)程導(dǎo)航數(shù)據(jù)源，目前的飛機(jī)都裝備全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)同時提供飛機(jī)的位置。根據(jù)飛機(jī)功能危險性安全評估分析，位置信息失效等級狀態(tài)為III類，當(dāng)飛機(jī)位置信息缺失，飛機(jī)可以根據(jù)地面指揮中心的指引和利用地面臺站（NDB、VOR和DME）導(dǎo)航引導(dǎo)，從而實現(xiàn)安全、可靠飛行。因此，當(dāng)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)有在水面對準(zhǔn)的使用場景時，必須完成姿態(tài)、航向的對準(zhǔn)，位置的對準(zhǔn)完成可以根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)狀態(tài)和起飛緊迫度決定，也可以在空中繼續(xù)完成位置的對準(zhǔn)。

2 水上對準(zhǔn)場景分析

2.1 近岸系留

水陸兩棲飛機(jī)的優(yōu)良兩棲能力，它既可與其它飛機(jī)共用機(jī)場也可在無機(jī)場的水域起降。結(jié)合地理環(huán)境，我國地表水資源總面積約有四億畝，居世界第三位，僅次于美國和巴西。全國江河水系東西為主，縱橫交錯，湖泊水庫星羅棋布，大多數(shù)水域皆可用于水陸兩棲飛機(jī)起降，也可以在陸上機(jī)場起降。因此，水陸兩棲飛機(jī)對降落場地適應(yīng)廣泛，具有機(jī)動性強(qiáng)的優(yōu)良特點。

水上機(jī)場建設(shè)較陸上機(jī)場建設(shè)成本低、周期快，還可為國家節(jié)省大量土地面積，因此，水陸兩棲飛機(jī)又成為最經(jīng)濟(jì)實用的一種飛機(jī)。目前，美國已有516個水上機(jī)場獲得FAA認(rèn)證，而中國的水上機(jī)場運營才剛剛起步，遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)通航發(fā)展的需求。

水陸兩棲飛機(jī)資源占用率低、運營方便、易于普及，尤其是在通航業(yè)發(fā)展早期機(jī)場資源缺乏的條件下更能彰顯其優(yōu)勢。建設(shè)水上機(jī)場、發(fā)展水陸兩棲飛機(jī)對提升我國沿海地區(qū)島際交通運輸品質(zhì)，促進(jìn)地區(qū)旅游發(fā)展等方面具有重要意義。隨著低空開放政策的逐步推進(jìn)，我國水上機(jī)場將不斷涌現(xiàn)。

通常，公用水上機(jī)場是水陸兩棲飛機(jī)飛行的過渡點。過渡點可幫助水陸兩棲飛機(jī)在空中和水中往返，或作為在水中和陸地往返的一個中轉(zhuǎn)站，可使水陸兩棲飛機(jī)安全在水面起降、在碼頭或海濱之間往返滑水，到達(dá)陸地設(shè)施，便于乘客運輸、飛機(jī)維護(hù)及封存。一些公用水上機(jī)場可通過升降機(jī)或移動臺車拆卸，將水陸兩棲飛機(jī)從水上引導(dǎo)到陸上。

當(dāng)水陸兩棲飛機(jī)系留停泊在水上機(jī)場及其港口、碼頭的簡易系留點時，接收到任務(wù)后，需在水面起動發(fā)動機(jī)完成起飛。此時，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)將需要在水面完成對準(zhǔn)。近岸系留時，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)水上對準(zhǔn)的工作場景如圖1所示。

2.2 水面錨泊

我國南海島礁眾多，且生存條件惡劣，又經(jīng)常受到海洋災(zāi)害的眷顧，無法實現(xiàn)糧食、蔬菜、淡水等生活必需品的自給，只能依靠來自陸地物資的補(bǔ)充。同時，離島對于保衛(wèi)我國領(lǐng)海完整及增大戰(zhàn)略縱深又極其必要，必須有人駐守，因此離島補(bǔ)給非常必要。離島一般離岸較遠(yuǎn)，而補(bǔ)給量需求又比較零星分散，利用船舶運輸速度慢、時間長，運輸成本較高，受氣象影響也很大;而利用直升機(jī)，航程和速度都難以有效完成任務(wù);利用陸基飛機(jī)，低空低速性能不及水陸兩棲飛機(jī)，空投準(zhǔn)確性及環(huán)境適應(yīng)性較差，隱蔽性較低，物資損失較大。因此水陸兩棲飛機(jī)的特征適用于離島補(bǔ)給，具備很大的優(yōu)勢。

南?；疚词芪廴?，海水清澈湛藍(lán)。通過水陸兩棲飛機(jī)，旅客可在陸上機(jī)場起飛，降落海島附近，再乘坐輪船登島。這種方式不僅減少了旅客的旅途時間，還可節(jié)省海島開發(fā)成本，況且很多海島也不適于修建機(jī)場。可以預(yù)見的是，水陸兩棲飛機(jī)不但可促進(jìn)南海的開發(fā)和旅游，而且通過興建基礎(chǔ)設(shè)施和發(fā)展旅游業(yè)也能更好地宣示主權(quán)。

當(dāng)水陸兩棲飛機(jī)執(zhí)行海島物資運輸或海島旅游時，配備了鐵錨和錨索等設(shè)備的水陸兩棲飛機(jī)可以關(guān)閉發(fā)動機(jī)在海岸附近海域長時間錨泊，等待任務(wù)完成后重新起飛返航，此時慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)需在水面完成對準(zhǔn)。水陸兩棲飛機(jī)執(zhí)行海島物質(zhì)運輸和海島旅游時，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)需要面臨水上對準(zhǔn)的工作場景如圖2所示。

2.3 水上救援

相對于船只艦艇，水陸兩棲飛機(jī)速度快，可快速達(dá)到海上事故現(xiàn)場，這在分秒必爭的救援事件中具有不可替代的優(yōu)勢;相對于陸上起降的固定翼飛機(jī)而言，水陸兩棲飛機(jī)具有良好的超低空飛行、航程大的特性，可滿足海上大范圍的搜索。

水陸兩棲飛機(jī)一般可在3～4級海況下起降，如遇惡劣氣象條件，可選擇陸上起降，提高飛機(jī)使用率。日本US-2飛機(jī)是目前世界上最先進(jìn)的水陸兩棲飛機(jī)，它可在5級海況，3米浪高下起降，海上任務(wù)執(zhí)行率達(dá)到85～90%以上。我國正在研發(fā)的水陸兩棲飛機(jī)可在4級海況、2米浪高下起降，任務(wù)執(zhí)行率可達(dá)到75～80%以上。

超低空飛行特性好是水陸兩棲飛機(jī)的突出特點，最低飛行高度50米，最小平飛速度200km/h左右，航程在幾千km;例如日本US-2水陸兩棲飛機(jī)通過采用附面層控制技術(shù)，最小飛行速度190km/h，航程達(dá)到4700km， 可較好地滿足海上大范圍的搜索、遠(yuǎn)海救援任務(wù)。

當(dāng)水陸兩棲飛機(jī)接到救援任務(wù)時，到達(dá)事故現(xiàn)場可低空飛行尋找遇險人員。如果海況條件符合飛機(jī)的著水要求，飛機(jī)可直接降落在遇險人員側(cè)方500m～600m處，小速度滑行至遇險人員迎風(fēng)逆水方向100m～150m，飛機(jī)在水中漂移速度遠(yuǎn)大于水中遇險人員，所以飛機(jī)運行在下風(fēng)方向可避免漂移撞到水中遇險人員;迎風(fēng)逆水也有利于操縱保持飛機(jī)水面的姿態(tài)以及與水上遇險人員的適當(dāng)距離;迎風(fēng)逆水也可以減少飛機(jī)橫搖的幅度，有利于救生艇迎風(fēng)逆水靠近飛機(jī)，便于將遇險人員轉(zhuǎn)移至機(jī)上。

由于水面救援時間短，且為了對抗風(fēng)浪，穩(wěn)定飛機(jī)，飛機(jī)在水面時，保持內(nèi)發(fā)關(guān)車，外發(fā)慢車狀態(tài)。在有較大風(fēng)浪情況下，飛機(jī)開車的時候，要選擇適當(dāng)?shù)暮较蚝秃剿?，減輕飛機(jī)的搖蕩運動，緩和波浪對飛機(jī)的沖擊作用。當(dāng)波浪危及飛機(jī)安全時，橫浪、順浪或側(cè)順浪以及高速航行是非常危險的，以適當(dāng)?shù)氖紫蚱斃撕叫胁攀潜容^安全的。

當(dāng)風(fēng)浪惡劣的情況下，應(yīng)保持飛機(jī)處于緩行、停滯狀態(tài)，這樣可以有效的緩解飛機(jī)縱搖、橫搖等現(xiàn)象，使飛機(jī)安全渡過風(fēng)浪惡劣期。緩行或停滯狀態(tài)時，應(yīng)根據(jù)風(fēng)向的變化調(diào)節(jié)航向，保持最佳的風(fēng)浪舷角，并調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，利用發(fā)動機(jī)差動保持飛機(jī)姿態(tài)，避免被打橫。

在救援過程中風(fēng)浪突然加大，頂浪停滯航行難以承受風(fēng)浪沖擊時，如果下風(fēng)水域?qū)拸V，可以考慮改為機(jī)尾斜向順浪航行。順浪航行降低了波浪對飛機(jī)的相對速度，大大緩解了波浪的沖擊，盡快離開水面。

雖然水上救援期間飛機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，飛機(jī)系統(tǒng)可正常供電，但是由于水面救援時間最長可達(dá)1h，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)也有可能意外掉電，此時也將面臨水上對準(zhǔn)問題。水陸兩棲飛機(jī)執(zhí)行水上救援任務(wù)時，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)需要面臨水上對準(zhǔn)的工作場景如圖3所示。

3 總結(jié)

本文通過介紹水陸兩棲飛機(jī)的功能和作用，再深入分析水陸兩棲飛機(jī)各種任務(wù)的使用模式，得到慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)需要在水面進(jìn)行對準(zhǔn)的必然場景和潛在場景，為慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)水面對準(zhǔn)項目提供必要性依據(jù)，并為后續(xù)水陸兩棲飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計研制和需求分析工作提供指導(dǎo)和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]MOIRL，SEABRIDGEA.民用航空電子系統(tǒng)[M].范秋麗，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2009.

[2]金德琨，敬忠良，王國慶，等.民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司 廣東 珠海 519040