無人直升機著艦引導技術

藍啟誠，賴水清

(1.海軍裝備部航空局，北京 100071；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

無人直升機著艦引導技術

藍啟誠1，賴水清2

(1.海軍裝備部航空局，北京 100071；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

論述了無人機著艦引導的方式、技術發展及優缺點，重點對各種引導方式在無人直升機著艦上的應用進行了闡述，并對無人直升機著艦引導的關鍵技術進行了分析。

無人直升機；著艦引導

0 引言

無人直升機具有垂直起降能力，不需要專用跑道及發射回收裝置，可擺脫地形和天然、人工障礙的限制，在艦船上使用具有獨特優勢。另外，由于無人直升機低空低速的飛行特性，可接近或停留在其他常規平臺難以接近和進入的區域，是水面艦艇編隊低空偵察和打擊的主要手段之一。因此，艦載無人直升機是我軍水面艦艇作戰系統必不可少的組成部分，可執行海戰場偵察監視、目標指示、電子對抗、通信中繼、運輸補給、反潛反艦等任務，用途極廣。

艦載無人直升機飛行過程可分為三個階段：起飛、空中飛行和著艦。無人直升機著艦階段的時間雖然只占整個飛行任務的5%左右，但許多飛行事故都是發生在著艦過程中。艦載無人直升機著艦過程中存在艦艇運動、甲板晃動、場地狹小、氣象條件復雜多變等情況，如果無人直升機著艦引導與控制失誤，將造成安全事故。有統計資料表明，無人直升機著艦過程的事故數占無人直升機任務飛行事故總數的80%以上。無人直升機要實現裝艦并形成戰斗力，需要解決其安全著艦問題，包括著艦引導和控制兩個方面，即能在復雜海況下引導無人直升機飛臨艦艇甲板上方并實現安全著艦。因此，無人直升機著艦引導技術已成為影響艦載無人直升機上艦使用的關鍵之一，能否安全可靠地實現無人直升機著艦也成為評價艦載無人直升機系統性能好壞的重要指標[1]。

無人直升機著艦引導技術是在固定翼機自動著艦引導技術的基礎上發展而來的，隨著艦載無人直升機的發展，無人直升機著艦引導技術發展迅速，目前國外采用的著艦引導方式可以分為三類，即雷達引導、衛星引導和光電引導。

1 雷達引導

雷達引導是利用艦上的著艦引導雷達測出機艦相對位置，將信息數據傳送給無人直升機進行著艦引導。雷達導引設備主要由艦載應答式雷達和機載二次應答機組成，該方式具有全天候對目標進行搜索、截獲和跟蹤的能力，且因發射功率低和無線波束窄而不易被敵截獲、發現和干擾。

雷達引導技術從20世紀50年代開始發展，目前已比較成熟，其中美國的雷達引導技術最先進。美國海軍于1948年提出了艦載機全自動著艦的軍事需求，隨后開始了基于雷達引導的自動著艦技術研究。20世紀50年代研制了基于模擬計算機雷達引導的AN/SPN-10自動著艦引導系統，名義上是自動著艦系統，但不具備全自動著艦功能。20世紀60年代未，美國研制了基于數字計算機雷達引導的AN/SPN-42自動著艦引導系統，并在1970年至1982年間進行了4000余次飛行試驗，大大提高了艦載機在航母上的著艦成功率。20世紀80年代初，美國在AN/SPN-42的基礎上，又研制了改進型號，即AN/SPN-46，AN/SPN—46系統具有雙波段自動捕獲和精密跟蹤能力，并在1984年由FA-18飛機進行了全自動著艦引導性能的驗證試驗。此后，以引導雷達為核心的全自動著艦引導系統在美國航母上廣泛裝備。

典型的無人直升機著艦雷達引導系統有美國Sierra Nevada公司的UCARS(UAV Common Automatic Recovery System)(圖1-圖5)和法國THALES公司的MAGIC ATOLS系統。UCARS系統采用高性能毫米波雷達作為測量設備，引導計算機作為解算控制設備，通過無線數據鏈引導無人直升機進行著艦。法國MAGIC ATOLS系統與UCARS系統類似，但采用不同的雷達設計。2006年1月，“火力偵察兵”無人直升機首次利用UCARS系統提供的精確定位信息在納什維爾號上成功著艦[2]。

加拿大CL-227/327無人直升機采用應答式3毫米波雷達導引實現了自動著艦(圖6)。

2 衛星引導

衛星引導是利用衛星全天候、高精度的三維定位與導航能力測量機艦相對位置，計算產生飛行控制所需的信息數據，實現著艦導引。衛星引導設備主要由機載衛星接收設備和艦載基準站組成，具有精度高，使用簡單，成本低，不受時間、地點的制約等優點，但易受復雜電磁環境影響，戰時使用不可靠。

美國GPS技術成熟，應用廣泛，正在發展的基于GPS/INS組合導航的著艦引導系統，將成為美軍下一代的著艦導引主要方式。1996年，美國國防部提出了“聯合精密進近著陸系統”JPALS(Joint Precision-Approach and Landing System)研究計劃，JPALS系統的目標是建設一個精確的、可快速部署的、抗天氣和地形影響、易存活、易維護、具有互操作性的差分GPS著陸系統，支持陸基著陸階段和艦基全飛行階段運行，支持CAT I/II/III精密進近(圖7)。JPALS將使飛機能夠在世界上任何適當的陸地或海基表面降落，降低空間和能見度受限條件對著陸/著艦的影響。JPALS作為下一代進近和著陸系統，將為美軍提供聯合運行能力，以在任何環境下完成指定的常規和特殊任務[3]。

JPALS是一個以網絡為中心的系統概念，支持陸地環境下著陸階段和艦基條件下全飛行階段的運行。JPALS將為軍用和民用飛機提供精確導航數據，改善終端區域(包括進入、著陸、起飛、誤失進場程序)飛行的安全性。應空軍和海軍的不同需求，JPALS發展了陸基(Land-based)和海基(Sea-based)兩個不同的系統。海基JPALS系統通過雙向數據通信實現在任何條件下覆蓋370km范圍，370km內的水平引導精度為5m；通過增補雷達和敵我識別系統數據實現93km的航母控制區域覆蓋，93km內的水平引導精度為2m；在18.5km范圍內提供精度達到15cm的360°全方位精密導航，為艦載機提供精度為10cm的著艦末端引導。歷經18年，2014年完成了艦載JPALS系統的開發和演示驗證，具備初始運行能力。

基于差分GPS和GBAS(Ground-Based Augmentation System)的無人直升機著艦引導方法在歐美廣泛應用，以德國ASRTRIUM公司研制的DeckFinder無人直升機著艦引導系統為例，系統在甲板上安裝6個艦面模擬“GPS衛星”信號發射器，在無人直升機上的GPS系統接受艦面GPS信號，為無人直升機提供精確位置和姿態信息，引導無人直升機著艦(圖8)。

奧地利S100無人直升機采用基于差分GPS的衛星導引方式，在許多國家海軍艦艇上實現了自動著艦(圖9)。

GPS容易被干擾的特性，使得在戰爭時期存在不能使用的隱患，試驗表明一臺功率為30W的干擾機，即可使半徑為150km范圍內的GPS接收機受到干擾。在戰爭時期美國有可能關閉敏感地區的GPS衛星，或發射欺騙信號，從而使GPS接收機不能正常使用。同時民用型GPS接收機數據更新率為1s，不能滿足數據更新速率10Hz以上的要求。

由于戰時可能受到美國限制的巨大風險，對我國艦載無人直升機來說，GPS不適宜作為主要的著艦引導手段。我國的北斗定位系統也存在衛星信號易受干擾的問題，另外北斗最快數據更新速率為1s，同樣不能滿足10Hz以上的數據更新要求。待將來我國北斗衛星定位系統性能提升并廣泛應用后，才有可能成為我國艦載無人直升機的主要著艦引導手段。

3 光電引導

光電導引是利用光電測量設備測量機艦相對位置，計算產生飛行控制所需的信息數據，實現著艦導引。該方式抗電磁干擾性強，可在無線電靜默時工作，但其作用距離較近，一般用在無人機近艦精確測量與指示，或將其作為無人機備用著艦導引方式。

隨著光電技術的發展，光電引導技術在著艦引導中逐漸得到應用，光電著艦引導主要有激光、紅外和電視等引導方式，如美國正在研制的基于光電的進近著艦虛擬成像系統(VISUAL)，法國SADA無人機著艦引導系統等。除了激光、紅外和電視等光電引導方式外，紫外引導作為一種新的引導方式正在得到發展和應用。

3.1 激光引導

激光引導采用激光照射無人機，由無人機上設定的標志將激光反射回來，通過返回時間測量無人機到系統的距離。激光引導設備主要由指向器(含激光測量部件)、輔助指向器、伺服機構等組成，可以提供精確的飛行器與著艦點相對位置信息，著艦導引精度高。

該方式的代表是瑞士RUAG公司研制的“目標定位跟蹤系統”OPTAS(Object Position and Tracking System)，它是一套用于無人機的自動著陸/著艦系統，可對目標無人機的動態位置進行連續測量跟蹤(圖10)。位置測量數據傳輸到無人機控制系統后，用于速度或位置控制環路的反饋控制[4]。

激光引導最大的缺點是對天氣的適應性不高，對于復雜天氣環境(雨、霧、雪天)的使用限制比較大。同時由于激光的光束很窄，因此在測量時對跟蹤系統的要求比較高，當同時處理多個目標時往往會造成混亂。

3.2 紅外引導

紅外引導是利用紅外成像技術，由艦載紅外成像系統對進入母艦一定區域內的無人機進行感應成像，通過圖像處理解算出無人機的速度、姿態和位置等參數，反饋給機載飛控計算機實現著艦引導。

該方式的典型系統是法國DCNS公司的SADA自主甲板起降引導系統(圖11)。系統主要由一對紅外相機組成的雙目視覺系統以及搭載相機轉動的雙自由度轉臺組成。系統通過觀測無人機兩側的紅外熱源來捕獲無人機，并計算無人機的三維空間位置和姿態，將其發送給機載飛控計算機。SADA具有開放式體系結構，通用性較強，引導精度為30cm，引導時間小于2min，能夠引導各類無人機在任意艦船上著陸。據報道這也是世界上第一個通過雙目視覺的方法來引導無人機著落的裝置[5]。

SADA系統不但可以獲取無人機的位置信息，還可以得到相應的姿態信息，這些信息可以在引導過程中幫助無人機在各種海況下平穩著艦。在2008年10月于法國Brest的測試中，該系統實現了引導S-100無人直升機在5級海況下于海軍驅逐艦“蒙特卡姆”號上成功著艦(圖12)。

紅外引導的優點是安全可靠，不易暴露位置；缺點是紅外成像系統在惡劣天氣條件下，可能無法正常工作，且作用距離較近。

3.3 電視引導

電視引導是通過機載電視成像設備，掃描著艦點的“特定圖形”，以電視視覺的方式分辨出“特定圖形”，并計算出無人機與著艦點之間的相對坐標信息，以此完成著艦導引。該方式具有較強的抗電磁干擾性，隱蔽性強，但也存在導引距離短，受天氣影響較大等缺點。

國外已經有許多科研機構從事無人機視覺引導技術的研究。美國加州大學伯克利分校研究的無人直升機視覺引導著陸系統，可使無人直升機的著陸精度達到軸向定位精度5cm，姿態角精度5°。美國南加州大學機器人嵌入式系統研究室研究開發的AVATAR微型無人直升機自主跟蹤著陸系統，采用GPS與視覺引導相結合的方法，飛行試驗表明，該視覺引導系統可使無人機的著陸平均定位精度達到40cm，方向角誤差精度7°[6]。

視覺傳感器具有輕便、低功耗、體積小等優點，此外，視覺引導系統的工作波段遠離當前電磁對抗的頻率范圍，且精度適中，成本低。然而視覺引導系統還處于理論研究和工程實踐階段，目前還未有列裝的報道。另外，視覺引導系統易受氣象條件的影響，且工作于近艦距離，在遠方必須依靠衛星定位或者雷達導航系統進行引導，不能單獨完成無人機著艦任務。

3.4 紫外引導

與激光、紅外和電視引導相比，紫外引導作為一種新型光電著艦引導技術，引導精度高，目標特征明顯，抗干擾能力強，選擇性好，正在逐漸得到重視和開發應用。

紫外引導是利用波長范圍大約為200nm～285nm的紫外光信號進行成像，通過圖像處理解算機艦相對位置用于著艦引導。來自太陽的該波段紫外光在穿越大氣層過程中被臭氧層徹底吸收，在地面附近完全探測不到該波段光信號，即所謂的“日全盲”紫外光。正是由于“日全盲”的特性，自然界中沒有該波段光源，使用該波段紫外光作為探測手段，與可見光、紅外光相比，具有選擇性好、隱蔽性強、抗干擾能力高的特點，可更好地用于復雜氣象條件下的著艦引導，是一種新型有效的無人機著艦引導手段[7]。

紫外導引系統主要由機載紫外成像設備與艦面紫外光源組成。紫外光源信標布置于艦艇甲板，其發出的紫外光信號被無人機上的置于吊艙中的紫外成像設備捕捉，經圖像處理得出機載相對位置與姿態數據，通過鏈路傳遞給機載飛控系統進行著艦引導(圖13)。

4 無人直升機著艦引導關鍵技術

無人直升機著艦引導方式有多種，每種著艦引導方式都具有相應的獨特關鍵技術，如雷達技術、衛星技術、光電測量技術、光電成像與解算技術等，除此之外，還存在一些共性的關鍵技術，如著艦引導過程仿真分析、引導信息處理、多目標著艦引導等技術。

1) 著艦引導過程仿真分析

無人直升機著艦引導是否安全可靠，需要進行精確的著艦引導過程動態仿真分析，驗證引導信息的精度、更新率等是否滿足要求，以保證實際著艦飛行的安全。精確的著艦引導過程動態仿真需要建立準確的艦船運動模型。艦船的運動包括三個自由度的進動、三個自由度的繞動，不同自由度上的運動方式對著艦的影響程度并不相同，例如艦面的升沉運動對近距離著艦目標的影響較大，對升沉的幅度估計錯誤會導致無人直升機撞擊到艦船尾部或飛越著艦點，導致著艦失敗。另外還需要建立合理的飛行控制模型，利用該模型可以獲得引導信息輸入與位置運動參數之間的關系。

艦載無人直升機著艦的過程可以劃分為遠距著艦進近與近距著艦引導兩個階段，當目標距離著艦點較遠時，主要目的是將無人直升機引導到一個合適的著艦窗口內，而無需過于精確的艦面位置信息。而對于近距著艦引導過程，需要深入分析引導信息的精確性、更新率、可靠性等對著艦過程的影響。

艦載無人直升機著艦引導區劃分如圖14所示，著艦引導區應該是一個以著艦點為頂點的橢圓錐區域，錐形軸向就是理想下滑線，錐形區域張角與著艦引導誤差、無人直升機著艦指標相關，張角越小，對著艦引導系統的要求就越高。從圖中可以看出，隨著無人直升機逐步靠近著艦點，其引導區間逐步縮小，或者說隨著無人直升機靠近著艦點，要逐步提高著艦引導系統的引導精度才能滿足要求。

圖15給出了下滑面內下滑線誤差示意圖，假定AB為著艦平面，而理想著艦點為C點，理想下滑角度為θ0，理想下滑線為CM。然而由于艦面AB的運動以及引導系統的誤差，實際的下滑角在[θmin,θmax]區間內，并且著陸點也可能偏離了C點，那么真實的著陸點位置可能位于Δx范圍以內的某一點，因此可以定義一個虛擬點O，只要將無人直升機下滑面引導至OL和OH之間的范圍，就可以滿足下滑要求。對于航向面的誤差分析類似。

2) 引導信息處理

引導信息包括測量得到的目標位置、速度信息以及艦面運動參數等，這些信息并不能直接上傳到無人直升機進行引導，而應該進行適當的處理，一方面可以減小某些測量誤差，另一方面可以減輕機載飛控計算機負荷。

引導信息處理的目的是讓無人直升機獲取偏離理想航道的位置偏差信息，使得無人直升機能夠適當地調整，并逐步靠近理想下滑線。然而由于艦面運動，理想下滑線也會發生變動。當無人直升機距離著艦點較遠時，理想下滑線跟隨艦面運動的幅度會發生放大效應，即在遠距離下滑區間內，理想下滑線的運動幅度較大，那么無人直升機位置與理想下滑線的誤差幅度將非常之大，甚至會導致無人直升機飛控系統無法工作。當無人直升機處于遠距離下滑區間時，主要關心的是著艦點的大致位置，此時的主要目的是將無人直升機逐步引導到近距離引導區內。因此可以對理想下滑線基準信號進行平滑處理。而當無人直升機進入近距離引導區時，引導信息應提供足夠高的導航精度，甚至還需要對艦面運動進行預測。

引導信息的處理方式與目標距離有關，如圖16所示(字母的定義參見圖15)。由于艦面的運動，著艦窗口中心位置可能會隨著艦過程而發生變化，而且距離著艦點越遠，其動態范圍越大。讓機載飛控系統跟蹤著艦窗口中心是實現著艦引導的最直接方式，但是由于在遠距離著艦窗口中心的運動范圍較大，如圖16虛線所示，可能會導致無人直升機飛控系統無法跟蹤，但在此時無人直升機對窗口中心的位置誤差大小并不敏感，因此可以在此時適當降低引導信息的精確度。而當無人機進入近距離引導區時，就應該提高引導精確度。但此時由于飛機距著艦點較近，因此著艦窗口中心的變化幅度較小，機載飛控系統可以跟蹤這種變化。

3) 多目標著艦引導

在具體的使用過程中，還需考慮引導多個批次的無人直升機著艦的問題。當著陸區域存在多個待著艦的無人直升機時，首要問題是艦面系統能夠將測量得到的距離、方位信息與各無人直升機一一對應。為此考慮偽隨機編碼方式，保證多個應答信號之間的正交性，即當獲知某個無人直升機進入了著陸區間，艦面詢問脈沖就給其分配一個編號，這種編號是動態分配的，即一旦無人直升機完成著艦過程，該編號自動失效，從而可以分配給其他的無人直升機使用。無人直升機接收到該編號信息，就可以此編號生成一個偽隨機編碼作為無人直升機應答信號的特征信息，艦面引導系統通過分析這個偽隨機編碼特征來唯一指定無人直升機。

5 結束語

隨著艦載無人直升機的發展，無人直升機著艦引導技術也在同步發展，在雷達、衛星、光電引導技術的基礎上，一些新的著艦引導手段，如各種不同光電的組合引導手段不斷出現，特別是基于雷達/衛星/光電多手段融合的著艦引導技術正在趨于成熟，逐漸形成雷達、衛星、光電等多種手段融合的著艦引導能力，這些新著艦引導技術的發展，必將大大增強無人直升機的著艦引導能力，提高著艦安全可靠性，這也是無人直升機著艦引導技術的發展方向。

[1] 肖曠明，于鵬宇．艦載無人機作戰使用及關鍵技術[J]．飛航導彈，2008(3)：7-9.

[2] 徐產興．艦載機著艦引導雷達系統[J]．現代艦船，2003(4)：36-38.

[3] 黃士飛，鐘興泉．全自動著艦引導系統展望[J]．現代導航，2014(1)：74-78

[4] 拜 斌，吳文海，曲志剛．光電著艦引導設備激光單元作用距離研究[J]．應用光學，2013(1)：178-183

[5] 杜 晶，雷士輝，周 翔．基于紅外探測技術的無人機視覺引導助降系統[J]．計算機工程，2013(7)：243-247.

[6] 陳 杰，王日勝，蔣玉峰．基于ARM的小型電視引導察打一體無人機任務控制系統設計與實現[J]．科技導報，2013(1)：29-34

[7] 丁宸聰．基于紫外成像引導技術的無人機自主著艦研究[J]．光電技術應用，2015(5)：83-85

Guidance Technology of Carrier Landing for the Unmanned Helicopter

LAN Qicheng1，LAI Shuiqing2

(1.Aviation Bureau of Naval Equipment Department, Beijing 100071, China；2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

This article discussed the way of the guidance of the UAV carrier landing, technology development and its advantages and disadvantages, focused on the application of a variety of guided modes in the unmanned helicopter landing, and analyzed the key technology of unmanned helicopter landing.

unmanned helicopter; carrier landing guidance.

2016-10-19

藍啟誠(1981-)，男，福建上杭人，碩士，工程師，主要研究方向：艦船航空工程。

1673-1220(2017)01-059-07

V249.3； V279

A