基于激光末端引導的無人機精確回收技術

繆 欣，張德斌，宋余華，張新興，梅揚妮，楊文然，熊金飛，邵海軍

(江蘇曙光光電有限公司，揚州 225009)

引 言

最近10年間，不管是民用領域還是軍用領域，無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)[1]都發揮著越來越重要的作用，無人機系統呈現出小型化、輕量化及智能化的發展趨勢[2]。無人機具有許多優勢，被認為是一種強大的力量倍增器，與飛行員所能做到的相比，執行同樣的任務其具有風險更低、成本更低的優勢[3]。而無人機精確回收技術一直是其發展的困難所在，回收技術也是無人機系統設計的重點和難點，良好的回收方案對于提高系統使用性能、降低無人機使用成本具有重要意義[4]。現有回收著陸通常包括：滑跑回收、迫降回收、傘降回收、撞網回收、繩鉤、風向袋回收等多種方式[5]，如何高效和精準地進行無人機回收一直令人棘手。滑跑回收通過無人機自身攜帶的起落架在跑道上滑行，使無人機減速至停止，操控方式與傳統有人機相似，但該方式需要一定長度的平整跑道，這在野外機動環境中難以滿足；迫降回收是指無人機關閉發動機后在平坦、開闊的松軟空地或密實地面區域上方，通過飛機機腹擦地滑行減速至停止，該方式對地面有一定要求，且容易對無人機機體造成損傷，有一定風險性，通常只在緊急情況時采用；傘降回收是無人機通過在回收區上方時，發動機停車并打開自帶的降落傘減速，著陸至指定區域內的回收方式，該回收方式容易受環境和氣象條件的影響，導致落點的偏差較大；撞網回收是一個非常簡單的解決方案，該技術是有一個垂直安裝網供無人機快速著陸，簡單而可靠，不涉及復雜組件,但它的缺點是復雜并且勞動密集，需要在兩者之間建立和取消行動。海灣戰爭期間，美國海軍的無人機在被捕獲時經常被損壞[6]；繩鉤回收是利用一根或幾根懸掛在吊桿上的繩索捕獲無人機上(如機翼位置)安裝的小鉤的回收方式，該裝置與撞網回收類似，但對機翼或機身強度要求較高，操控難度較大，一般艦載使用[7]；風向袋回收裝置具有低恢復時間和低復雜度，但它不能裝置在前方用于推進，因為這存在損壞無人機和風向袋的風險[8]。

根據上述幾種無人機回收方式的比較分析可以發現：對于野外復雜環境條件下的無人機回收，滑跑方式需要滑行跑道，傘降方式在回收過程中降落傘不受控制，受外界環境條件(如風力)影響，在野外環境下適應性差；撞網、繩鉤、迫降、風向袋等回收方式適應野外環境性較好，但需要無人機在著陸段有較高的引導精度，同時容易損壞無人機。因此，如何提高無人機著陸階段的引導控制精度，對無人機的精確、可靠回收至關重要。由于激光制導具有制導精度高、抗干擾能力強和可與其它尋的器復合使用等優點，因而受到高度重視，應用得越來越廣泛[9]。

本文中提出的激光末端引導無人機精確回收技術基于激光末端引導原理，是目前激光制導彈藥武器系統中，相對于紅外、電視、無線電等制導方式中引導精度最高的[10]，將該方案應用到無人機的回收系統中，可以顯著提高無人機在復雜環境下的回收精度。

1 系統組成及原理

1.1 系統組成

激光末端引導無人機精確回收方案，基于現有無人機系統構架(無人機機體、飛行管理與控制系統、數據鏈系統、電源系統、地面控制系統等)，最大限度地利用已有資源，系統簡單，效費比高。

在現有無人機系統組成狀態下，增加地面激光引導裝置和機上激光接收裝置，實現著陸段激光精確引導。其中激光引導裝置設置在著陸點，用于發射編碼激光光束，在空間形成引導無人機著陸引導光場；激光接收裝置安裝在無人機頭部位置，接收地面引導裝置發出的激光信號，處理得到無人機與引導基準航線的飛行偏差；飛控系統控制無人機飛行，實現精確引導回收。系統組成框圖如圖1所示。

Fig.1 Composition diagram of an accurate laser terminal guided UAV recycling system

激光末端引導裝置用于發射編碼激光光束，在空間形成引導無人機著陸的輻射光場。激光引導裝置采用脈沖固體激光器作為光源，以提升激光作用距離，激光引導裝置由激光輻射器、激光電源、激光光束控制系統、控制與接口電路等組成。激光接收裝置安裝在無人機頭部位置，激光接收光軸與無人機機身軸線一致，激光接收裝置測量的偏差信號就是無人機在航向和俯仰兩個方向上飛行角偏差。

激光接收裝置由接收光學系統、光電探測器、放大電路、信號處理電路、電源電路和殼體等組成。激光引導裝置發出的激光信號經整流罩，由接收光學系統會聚到光電探測器上。光電探測器將激光信號轉換成電信號，放大電路將電信號放大后，送信號處理電路，進行編碼識別和解算處理，輸出目標(即著陸點)相對光軸(即飛機機身軸線)角偏差，送飛控系統處理。

1.2 工作原理

激光末端引導無人機精確回收技術方案基于激光半主動制導工作原理，按照本技術方案，采用激光將無人機引導至著陸點的過程，類似于用激光將激光制導導彈引導至攻擊目標實施精確打擊的過程，因此采用激光末端引導，能顯著地提高無人機回收的成功率，實現無人機精確回收。

通常，無人機完成航線任務返航著陸前，無人機導航系統接收來自地面控制站或衛星等其它系統提供的導航信息，控制無人機按照預定的航路飛行。無人機飛行數據如位置、姿態、高度、速度、角速度等，以及大氣數據系統采集的大氣數據(如風速等)，通過數據接口采集接收，經數據濾波等預處理，反饋至飛控系統(見圖2)；此時操作人員應時刻關注監視器的狀況，根據無人機的實時位置、速度等，操控修正無人機飛行路線和姿態(“人在回路”工作狀態)，使無人機對準著陸場的引導標志或地面攝像機瞄準線等，操控飛機逐漸飛抵著陸點[11]。在上述過程中，操作人員的操控水平起到關鍵作用，一旦操作失誤，就會導致回收失敗。

Fig.2 Diagram of data interface of an UAV landing guidance system

采用激光末端引導技術回收時，無人機一旦被引導進入引導窗口，機上激光接收裝置將會接收到激光引導裝置發射的引導激光信號，經解碼、處理、解算，得到無人機在側向和垂向方向的偏差角信號，由于激光接收裝置光軸與無人機機身軸線一致，因此，激光接收裝置探測到的兩個方向的角偏差信號直接反映了無人機的飛行偏差，將兩個方向的偏差信號送飛控系統進行信號處理，就可以直接引導飛機逐漸飛向著陸點(“自主工作”狀態)，實現無人機精準回收。在此過程中，如有異常情況發生，方案設計仍保留了地面操控人員進行干預的人工通道[12]。

采用四象限光電器件的探測方案(見圖3)，采用寬帶多通道接收器、數字信號處理器實現激光信號的解碼與處理。測角方法如下：激光信號經接收光學系統，成像光斑落在四象限探測器的光敏面上，每個象限分別產生光電壓信號V1,V2,V3,V4，分別對上述信號進行和差運算，即可得到在x和y兩個垂直方向上的偏差信號，工程應用中通常對偏差信號進行歸一化處理，得到Δx,Δy[13]。根據Δx,Δy得到飛行角偏差，控制無人機進行航跡修正。

(1)

(2)

式中，V1為第一象限的光電信號幅度；V2為第二象限的光電信號幅度；V3為第三象限的光電信號幅度；V4為第四象限的光電信號幅度。回收過程中，無人機一直處于激光引導裝置發射的大波束激光引導輻射場范圍內，機上的激光接收裝置探測到激光信號進行解碼識別，確認是有效輻射信號后，通過激光接收裝置測量得到無人機著陸段飛行航跡與基準航線的偏差，飛控系統修正飛行偏差，調整機身姿態，降低飛行速度，控制無人機向地面激光引導裝置前的阻攔網飛去，最后撞入阻攔網，實現精確回收。激光引導裝置發射的激光信號為編碼信息，可以提高抗干擾性能[14-15]。

Fig.3 Angle measurement by means of a four-quadrant photoelectric detector

2 系統工作流程

機上激光接收裝置將接收到激光引導裝置發出的激光信號，并解碼捕獲(調整段)。如果無人機不能捕獲到激光信號，則需操控無人機盤旋后，再次進入。確保無人機可靠進入激光引導光場，并逐漸飛抵著陸點(激光引導段)。引導過程如圖4所示。

Fig.4 Diagram of UAV landing guide process

工作流程如下：(1)激光引導無人機著陸時，將激光引導裝置設置在攔阻網后方，調整激光引導裝置將激光發射光軸穿過攔阻網中心，并與設定的無人機著陸下滑線一致，形成著陸引導基準航線;(2)無人機著陸時，打開激光引導裝置，發射編碼激光信號，在空間形成引導光場分布；(3)無人機在地面站的引導控制下，降低飛行高度、降低速度、調整飛行姿態，沿著預定的著陸基準航線飛行，逐漸進入引導窗口；(4)安裝在無人機頭部的激光接收裝置，接收到地面激光引導裝置發出的激光信號，對該信號進行解碼識別和處理，得到無人機相對于引導基準航線的飛行偏差角(側向、垂向兩個方向)；(5)飛控系統根據激光接收裝置探測的兩個方向偏差信號，控制修正飛機與基準航線的飛行偏差，最終將無人機準確地引導至攔阻網上，實現精準回收[16-18](見圖5)。

Fig.5 Scheme diagram for precise laser guided UAV recycling

4 仿真分析

無人機在平飛段和調整段采用擴展卡爾曼濾波算法，把多種傳感器的數據進行深度融合，獲取高精度的姿態、航向、速度和位置信息，根據現有技術水平，在滿足一定的引導窗口直徑及航向偏差角的條件下，可以將無人機引導使其進入著陸引導窗口，仿真的重點工作是如何保證激光引導光場輻射范圍的動態控制，使其與無人機著陸引導段飛行航跡保持適配，確保在著陸過程中激光信號的可靠接收。

Fig.6 Relationship between divergence angle, window size and guidance distance

根據無人機捕獲與控制要求，結合近場及遠場的激光光場分布特性[19]，在對應的引導距離段其輻射光場動態控制特性仿真結果如圖6所示。在距離著落點1km～2km的粗引導距離段，保持恒定40m的激光引導光場輻射場，可以使無人機快速進入激光輻射場調整偏航角度信息，提高回收的可靠性；中間距離段，激光輻射場與著落距離按線性關系變化，有利于粗引導轉入精確引導階段；在距離著落點500m以內的精確引導距離段，保持20m的激光引導光場輻射場按照現有激光末制導武器系統達到的制導精度，可以實現較高的無人機回收精度。

5 結 論

作者所提出的激光末端引導實現無人機精確回收的技術方案，相比現有的衛星、雷達、圖像等引導方案，具有下列優勢和特點：

(1)引導精度高。激光末端引導無人機回收，其工作原理類似于激光制導系統工作原理。從目前激光制導武器系統的命中精度來看，通常圓概率誤差(circular error probable,CEP)在幾米以下，有些導彈已達零點幾米的CEP命中精度，因此采用激光末端引導精度高，可以提高無人機精確引導回收要求。

(2)系統組成簡單、易于集成到現有的無人機系統。激光引導無人機精確回收，依托現有無人機系統架構進行設計，僅需增加地面激光引導裝置、激光接收裝置，并升級相關控制軟件，即可實現激光末端精確引導，與現有無人機系統兼容性好。

(3)自主工作、使用方便。激光末端引導裝置采用三腳架架設，展開方便，便于尋找著陸場；激光接收裝置探測的飛行偏差可直接參與無人機飛控處理，實現自主工作，避免了地面操控人員人工干預存在的時間延時，提高了控制的實時性，降低了對地面人員的操控要求。

(4)抗干擾能力強。激光引導輻射光場采用近紅外不可見光源，激光輻射能量僅包含在光束發散角范圍內，不易被探測并受到敵方干擾。此外，激光引導裝置發射的激光信號為編碼信息，激光接收裝置探測的激光信號，只有在編碼匹配的情況下才能被識別和處理。