低空突防技術是指飛行器利用地球曲率和地形起伏造成的低空雷達盲區以及地雜波對雷達的干擾作用作為掩護，快速地進入敵區進行突然襲擊的一種飛行控制技術。綜合地形跟蹤/地形迴避(TF/TA)是新一代低空突防技術，能使飛行器緊貼地形輪廓飛行，充分利用地形掩蔽提高飛行器生存能力，主要包括地形跟隨和地形迴避兩種基本形式。 地形跟隨指保持飛行器的航向不變，靠縱向機動能力隨地形起伏改變高度，使其儘量貼近地面飛行;地形迴避則是指保持飛行器離地高度不變，通過改變航向，使其繞過山峰等地面障礙。 實戰中，飛行器依靠機載地形雷達為其提供可靠的地形數據，與機載數字地圖進行比較，找出最佳飛行路線，避免因飛行過低而撞山或飛行過高而被敵方雷達發現，這樣極大的提高了飛行器的生存能力。因此，地形雷達與其他雷達作用不同，它的主要功能是獲取飛行前方精確的地形數據。
基本介紹
- 中文名：地形跟隨迴避系統
- 外文名：Terrain following avoidance system
- 主要包括：地形跟隨和地形迴避
歷史簡介,基本原理,地形跟隨技術,地形跟隨原理,地形迴避技術,組成和發展,綜合地形跟隨/迴避技術,地形儲存技術,最優突防路線的自動規劃,新型前視地形探測器,被動地形跟隨系統,地形匹配技術,干擾,抗偵察干擾優勢,
歷史簡介
由於防空武器日臻完善，中、高空突防已不可取。但超低空突防，則因地形遮斷，地雜波影響，地面雷達很難發現超低空目標。又由於目標太近太快，很難跟蹤瞄準，生存率很高。因之，最近二十年來，超低空突防技術日益得到重視和發展。目前已有地形跟隨（TF.Terrain.Following)、地形迴避（Terrain Avoidance)、地形匹配（Terrain Matching)、障礙迴避（Obstacle Clearance)等技術。地形迴避是不改變飛行高度靠左右轉彎從前方障礙中的空檔穿插過去的飛行技術。地形跟隨是不改變航向靠縱向機動隨地形起伏飛越障礙的飛行技術。地形匹配主要用於巡航飛彈，依靠儲存的地形和探察到的沿途地形互相配合，從而保持正確的航線的技術。
障礙迴避是敵火力點和突起的高建築物等作出反應並及時迴避的技術。這些技術從四十年代末出現的雷達防撞技術，經歷了五十年代的人工地形迴避技術、六十年代的自動地形跟隨技術，到七十年代末地形跟隨已成為普遍採用、行之有效的超低空突防技術。依靠自動控制、計算機和微電子技術的迅速進步，八十年代正在發展綜合的超低空突防技術。本文主要論述地形跟隨原理及超低空突防技術的新發展。
基本原理
實際飛行中實時圖地形數據來源於安裝在飛行器前端的前視地形雷達，而仿真飛行中實時圖地形數據完全依賴於雷達模型從基準圖地形數據中獲取。為真實地模擬出實際飛行中地形匹配算法的運算過程，要求雷達模型逼真、形象，能夠獲得與真實數據相似的地形數據。通常的雷達模型建立在對其原理和傳遞函式的分析之上，建模過程非常複雜。信號由角度間隔均勻的一系列雷達波束組成，機理類似於陰極射線管的電子槍發射電子束一樣，區別只是電子槍只發射一束電子流，掃描整個區域，而雷達波束則同時發射，覆蓋整個有效範圍。一束雷達波直線前進，直至遇到障礙物(與地面相交)，該雷達波束投影到地面坐標系水平面X-O-Y 上，根據該雷達波與飛行器機體坐標系的夾角，利用歐美坐標系機體坐標--地面坐標變換矩陣，則可以求出該雷達波束在地面坐標系的夾角;當雷達波束所經過的距離已知時，就可以得到該雷達波束的末端高程，即雷達探測到的地形數據。當然，如果雷達波束經過的距離大於雷達的可探測距離，該波束就沒有信息返回，也就得不到地形數據，遂將其跳過，進行下一波束的探測。
地形跟隨技術
1，超低空突防系統的組成
（1）提供信息部分—前視雷達、無線電高度表、地形儲存器，大氣數據計算機、慣性導航等。
（2）信息處理和推算制導指令部分—超低空突防計算機。
（3）執行指令部分—飛行控制系統。
（4）供飛行員監控的人機接口—顯示和操縱。
系統工作過程為：前視雷達不停地自上而下掃描，逐點測定前方地形地視角λ和斜距R，送入計算機，無線電高度表送入離地面高度H和其速率H，其它敏感部件送入空速V、攻角α、飛機的姿態角 δ γ、航向角ψ、爬高角θ和飛機位置，地形儲存器送入三自由度地形數據及敵火力點位置。
超低空突防計算機根據這些數據按控制理論算出符合飛行任務和飛行性能以及乘座品質要求的制導指令給飛控系統，操縱飛機舵面和發動機油門，實施對飛機的航跡控制。飛行員處於監控地位，一般不介入。
地形跟隨原理
地形跟隨要達到的目的是儘可能隱蔽而安全地在縱向平面內貼地飛行。地形跟隨（TF）計算機根據前視雷達測得的前方地形數據，如視角λ和斜距R，結合考慮爬高角、最大下滑角、過載等飛機性能、乘座品質限制以及發動機壽命、武器投放的要求，給出指令給飛行控制系統對飛行器的航跡控制。
TF計算機根據什麼原理去處理這些數據給出控制指令，這就是TF計算機的算法，是地形跟隨技術的核心問題，關係到貼地航跡的優劣。二十多年來，圍繞著跟隨計算方法的開發與提高，提出了很多方案，歸納起來可分為六種。
地形迴避技術
地形迴避通過繞過山峰，有效降低了飛行高度 ， 但遇到山峰較多的地形時，飛機需要連續改變航向， 這會增加飛行時的安全隱患。同時 ，對所有 的障礙進 行 迴避往往會增加飛機的飛行總航程 ，效果不如直接，飛越山峰 ，此時採用地形跟蹤是更好的選擇 。
組成和發展
綜合地形跟隨/迴避技術
在超低空突防中，遇前方孤立高峰，採用地形迴避比徑直飛越高峰更隱蔽，又如為逃避敵攻擊，採用突然的急轉彎明顯提高生存率，所以現有的地形跟隨系統向著綜合的地形跟隨/迴避系統發展。
（1）低空導航火控紅外吊艙LANTIRN
它是一個綜合用途的電子吊艙，其前視雷達由德克薩斯公司研製，具有綜合地形跟隨/迴避的能力。其縱向掃描的方位可以改變，每次向左或右偏出3.9°，每8次掃描後再行重複，探測前方二側的地形進行地形迴避。LANTIRN還具有地形儲存能力，雷達間隙工作，不易被敵探測到。
（2）強擊機的地形跟隨/迴避系統
為保證強擊機A-10在夜間和惡劣天氣下出擊的需要，美國正在發展一種雷達和紅外成象儀綜合探視的綜合地形跟隨/迴避系統。機上裝備二個WX-50前視雷達、一個前視紅外成像儀，在平視顯示儀上綜合顯示三種圖像，表示1海里、2海里外的地形輪廓線以及地形跟隨
應取的俯仰角和實際的俯仰角。飛行員觀察地形的起伏，進行跟隨及迴避。
（3）可行方向算法（FDM）
它是美國空軍與麥 道公司開發的先進自動地形跟隨/迴避算法，是先進戰鬥機技術綜合計畫AFTI的一部分。它採用非線性模型，秩代法求最優控制的解。同時
核算高度和二側飛行間隙，考慮到法向加速度、坡度、偏航等限制得出跟隨和迴避的綜合解，能同時進行地形跟隨/迴避。該算法能與導航系統配合，地形迴避中不迷航。
地形儲存技術
突防路線沿途地形信息的儲存需要大容量的存儲器件，在今天這已是可能的。它的套用能大大加強低空突防的能力。它可以提供前方地形的信息，幫助進行地形迴避或跟隨的決策；它可以提供前視雷達難以探測到的敵火力點、高壓導線的信息；它可以使雷達間隙工作，補充停機時的信息，增強自身的隱蔽性（如LANTIRN);
它可以和前視雷達同時顯示，提高可靠性。有了儲存的地形，可以採用近距離探測感測器代替前視雷達，不易被敵發現。而在巡航飛彈中，地形儲存技術是必不可少的。
最優突防路線的自動規劃
從基地到目標，隔著各種不同的地形，可能有多重防線，如何找到一個生存率最高的突防線是出擊時要仔細規劃的問題。在情況複雜時不能靠經驗去判斷，國外正在開發軟體，利用計算機和控制理論來解決這個問題。如Denton R.V.等人開發的AUTO—Path能解決突防路線的自動規劃問題。它十分靈活，綜合考慮地形跟隨和迴避、敵火力威脅、飛機性能限制和燃油量限制，迅速算出從出發點到目標的最優的、次優的、能對幾個目標依次攻擊的三自由度空間的突防路線。這種軟體適於地面和空中使用，容易改變，計算很快。
地形跟隨/地形迴避航跡規劃技術：低空突防主要包括地形跟隨與地形迴避 2 種基本形式: 地形跟隨(TF)是指飛機在航向不變的情況下，依靠縱向機動 能力隨地形高度起伏改變飛行高度，從而儘量貼近地面飛行 以躲避敵方雷達的技術;地形迴避(TA)是指飛機在離地高度 不變的情況下，通過改變航向，做繞過山峰等地面障礙物的 飛行。航跡規劃技術就是在給定數字地圖、飛行器特性參數、 飛行任務情況下，按照某種性能指標，要求規劃器能夠在數 字地圖上方的某個離地高度上規劃出一條性能最優的三維航 跡。規劃出來的航跡作為飛行器飛行的參考航線，引導著飛 行器在控制律的作用下完成飛行任務。
新型前視地形探測器
現有的地形跟隨雷達和無線電高度表都存在很大缺點：（1）其輻射會暴露自己的位置。（2）敵人可用電子對抗技術引導前視雷達使飛機高飛而被捕獲。因此國外目前正在大力開發研究LPI(Low probability of intercept)的地形探測器，如多束雷射器、立體測距儀、毫米波雷達等。這方面的技術是低空突防的重要領悟，值得重視。詳見文獻〔16〕
被動地形跟隨系統
採用存儲地圖和環球定位系統的被動地形跟隨系統
地形跟隨需要三方面基本信息。（1）未來幾秒鐘內的地形俯仰剖面；（2）飛機相對於飛越地形的位置；(3)飛機飛行狀態信息。由全球定位系統（如NAVSTAR）可以提供後二種信息，存儲的地圖可以提供前一種信息，因此飛行員、飛機、存儲地圖和全球定位系統形成一個閉環系統，可以完成地形跟蹤功能，而不必採用如前視雷達這樣的主動感測器，避免載機暴露。美國空軍司令部正在進行這樣一個被動系統的試驗計畫。進一步的發展還可以採用衛星地形探測能力來制導飛行器的飛行。
地形匹配技術
飛機在執行飛行任務之前一般會通過各 種手段獲得飛行區域的數字地圖，將該地圖存儲於計算機存儲器當中，通常 稱之為“基準圖”。當飛機進行低空突防時機載雷達實時掃描 前方一定範圍內的地形，記錄當地的地形剖面，通常稱之為 “實時圖”。在基準圖中搜尋出與實時圖尺寸、數據相同的部 分就可以確定飛機當前的位置，以及偏離預定位置的縱向、 橫向偏差。地形匹配技術已經是當前套用較為廣泛的輔助導航技術。
干擾
對地形跟隨迴避雷達實施有效干擾, 應滿足以下幾個條件:
干擾實施時間和距離為實現對目標的掩護,
給予防空系統足夠的反應時間,
必須確保在飛機開始爬升並發射飛彈前,
提前對地形跟隨迴避雷達實施有效干擾, 迫使飛機升入中高空, 為地面雷達發現。提前的時間要稍長於地面雷達發現飛機的所需時間與防空系統的反應時間之和。
抗偵察干擾優勢
一般而言, 防空系統的反應時間為分鐘量級, 地面預警雷達發現、判斷飛機目標性質的時間為秒量級。 因此, 設對地形跟隨迴避雷達干擾的距離應 為距掩護目標L 公里處, 則: 地形跟隨迴避雷達的抗偵察干擾具有一定優勢
由於地形跟隨迴避雷達獨特的工作原理和方 式, 其在抗偵察干擾方面具備較多的優勢:
(1) 雷達工作的低高度 ( 一般為 60m 左右) , 決 定了其在空域上的低截獲性。 此時電波受視距和地 形遮蔽影響大, 雷達對抗偵察裝備固有的距離優勢難以體現。
(2) 近的作用距離 ( 一般為幾千米) 以及較大的 反射體 (反射體是地面或海面, R C S 極大) 可使雷達 輻射功率足夠小, 並可採用連續波或高重頻工作模 式, 更降低了對功率的要求, 進一步提高了其低截獲 機率性能。如法國生產的ROM EO 雷達發射機以連 續波方式工作, 固態發射機的功率小於 1W , 美國工 作於脈衝方式的同類雷達A N ƒA PQ 2128, 其平均功 率也僅為幾瓦到幾十瓦。
(3) 波束為筆狀窄波束, 寬度一般為 3°~ 8°, 掃 描速度快, 具有較低的旁瓣, 因此在其主瓣方向偵察 和干擾難度極大, 而在副瓣方向對偵察機靈敏度和 干擾機功率的要求將大大提高。
(4) 飛機高度低但水平速度快, 對地面偵察ƒ乾 擾裝備而言, 具有較大的角速度, 連續跟蹤較為困 難。
(5) 工作頻段寬, 工作模式多樣, 且一般都採取 頻率捷變等多種抗干擾措施。
(6) 隨著數字地圖的發展和飛機機動性能的提 高, 遠距離地形可由數字地圖提供, 雷達可進一步減 小探測距離 (可降至 3km 左右)、採用間歇工作方式 並進一步降低飛行高度 ( 15m~ 60m )
