無人直升機自主著艦引導系統分析比較

段國強

摘 要：針對無人直升機自主著艦引導過程的特點和需求，分析比較目前常見的著艦引導系統優缺點，給出引導過程不同階段使用的引導系統方案，并結合成本和機載重量，給出了一套著艦引導系統組合方案。

關鍵詞：無人直升機;著艦引導系統;比較

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0027-04

Abstract： Aiming at the characteristics and requirements of autonomous landing guidance process of unmanned helicopter， this paper analysed and compared the advantages and disadvantages of the common landing guidance system at present， gave the guidance system schemes used in different stages of the guidance process， and gave a set of combination schemes of landing guidance system combined with cost and airborne weight.

Keywords： unmanned helicopter;automatic guidance and carrier landing system;compare

1 研究背景

近年來，隨著無人直升機技術的蓬勃發展，其應用領域迅速擴展，應用前景十分廣闊。艦載無人直升機是其較為重要的一項應用領域，標志著無人直升機從陸基延伸至艦基。而掌握無人直升機自主著艦引導技術是實現艦載無人直升機技術的關鍵。

無人直升機自主著艦引導關系到無人直升機的著艦安全。受天氣變化、艦面紊流、甲板運動等的影響，其是一個復雜且危險的過程[1]。

國外對艦載無人直升機的研制，已經取得了一定的成就。目前，公開的主要有“火力偵察兵”“S-100”“QH-50”和“CL-327”等，其中艦載應用最為成功的是“火力偵察兵”和“S-100” [2]，如圖1所示。

國內對艦載無人直升機也展開了一系列研究。我國自主研發的無人直升機在軍用及民用上均取得了一定的成效，主要有“V750”無人直升機“WZ-6B”無人直升機等[3]，如圖2所示。

本文比較各引導方式的優缺點，結合將引導過程劃分的三個階段，并綜合考慮引導系統成本和機載設備重量，給出一套自主著艦引導系統組合配置方案。

2 引導過程

無人直升機自主著艦引導的過程通常是：引導系統根據探測到的機艦位置信息，實時生成一條理想飛行軌跡，導航系統按照一定的制導律計算得到引導指令并傳送給飛控系統，經過計算轉化得到位置、速度、姿態控制指令，控制無人直升機跟蹤這一理想軌跡，從而實現無人直升機自主返航、進場、著艦。

本文通過分析整個著艦引導過程，按照引導距離的不同，將無人直升機自主著艦引導過程劃分為三個階段[4]。

①無人直升機遠程引導階段。該階段，無人直升機距離艦船較遠，其目的主要是調整無人直升機航向對準艦船前進方向進行快速追擊，到達近程階段。

②無人直升機近程進場控制階段。該階段的主要目的是調整無人直升機飛行至甲板正上方一定高度處懸停跟進，為自主著艦做好準備。

③無人直升機自主著艦控制階段。該階段的主要目的是判斷靜息期并實現無人直升機自主快速著艦。

具體引導過程分段如圖3所示。

3 引導方式及其比較

目前，常見的無人直升機著艦引導方式包括光電著艦引導、機載視覺引導、衛星引導、雷達引導、紫外成像引導等[5]。具體引導方式分析如下。

3.1 引導方式

3.1.1 光電著艦引導。光電著艦引導系統是集可見、中波、測距功能于一體的光電跟蹤精密測量設備，具有隨動跟蹤、單站定位的功能。其采用自動目標識別和光電跟蹤技術對著艦飛行器進行精密跟蹤，高精度獲取飛行器的下滑航跡角信息及姿態數據。

光電著艦引導系統由光電跟蹤轉臺和機下控制臺組成。其中，光電跟蹤轉臺上安裝了激光測距機、變焦距可見電視和中波紅外三個傳感器系統。變焦距可見電視焦距變化范圍大，可實現對近距離目標的捕獲、跟蹤;中波紅外系統探測器的波長為3～5μm，主要實現低能見度時對目標的捕獲、跟蹤和測量;激光測距系統的激光波長為1.57μm，為人眼安全的激光波長，可實現對目標距離的測量，實現光電跟蹤測量系統單站定位的功能。

而作為一種光學測量設備，艦體在海浪的作用下產生的隨機搖擺對設備的跟蹤性能和測量精度都會產生較大影響。

3.1.2 機載視覺引導。機載視覺引導系統是基于采集的目標圖像采用中值濾波和二值化閾值分割技術對其進行預處理。對于分割出待處理的著艦目標區域，采用基于SURF和FLANN等方法融合的目標識別技術解決復雜背景和部分遮擋下著艦目標識別困難的問題，并對著艦目標進行跟蹤。在三維空間里，通過位姿估計算法估計無人直升機相對艦船的位姿參數信息，利用位姿信息引導無人直升機自主著艦。

同樣作為一種光學測量設備，艦體在海浪的作用下產生的隨機搖擺以及惡劣的氣象條件，都會對測量精度產生很大的影響。

3.1.3 衛星引導。衛星引導是基于衛星傳感器信息，如GPS、北斗、伽利略等。艦載信息解算設備將解算得到的機艦相對位置、高度、速度等信息傳送給機載衛星傳感器設備，再傳送給飛控系統，由飛控系統完成引導。

其艦載基站相當于導航信號源，機載設備通過濾波相位跟蹤和擴頻碼跟蹤的組合方式，實現艦載機的相對定位。

基于衛星信號的解算方式，本身存在一定的誤差，在衛星信號受干擾的情況下，引導信息解算會產生較明顯的誤差。

3.1.4 雷達引導。雷達引導是通過艦載精密進場雷達發現并測定無人直升機的位置、距離、運動速率和方向。然后，向無人直升機發送引導指令信息，包括下降速率、偏航角等，引導無人直升機進行著艦引導飛行。其可用于能見度差、云底較低的復雜氣象條件下。美軍已研制的用于主戰的全天候著艦系統的核心是一部AN/SPN-XX精確跟蹤雷達，該系統性能良好，可確保艦載機在惡劣天氣下安全著艦。

雷達引導是利用無線電波測定的，所以容易受外界電磁環境干擾，從而影響引導精度。此外，其成本較高，在一定程度上限制了推廣應用。

3.1.5 紫外成像引導。紫外成像引導是通過將人造紫外光源布置于艦船上，機載成像設備通過掃描、發現、鎖定光源，并通過一定的算法處理采集到的圖像信息，將解算得到的機艦相對位置、高度、速度、姿態等測量信息直接發送給飛控系統，由飛控系統完成自主著艦引導飛行控制。

紫外成像引導避開了地球表面其他光源的波長，不易受環境影響，但其引導方式決定了其作用距離不能很遠。

3.2 優缺點比較

根據各引導方式的原理及所使用引導設備，結合工程實際使用情況，可以得出各引導方式的優缺點，如表1所示[6]。

4 引導方案

按照本文第2節將著艦引導過程分為三大階段，即遠程引導階段、近程引導階段和著艦階段，結合各引導階段的主要目的及引導方式的優缺點比較，給出各個階段的引導方式。

4.1 各階段引導方式選擇

4.1.1 遠程引導階段。該階段機艦相對距離較遠，且主要目的是實現航向對準，所以精度要求并不高。從表1可以看出，符合這一階段的引導方式有衛星引導、雷達引導。

4.1.2 近程引導階段。該階段機艦相對距離較近，且主要目的是實現將無人直升機引導至艦船正上方一定高度處跟隨艦船運動，所以精度要求較高。從表1可以看出，符合這一階段的引導方式有光電著艦引導、機載視覺引導和紫外成像引導。

4.1.3 著艦階段。該階段機艦位置相對靜止，高度不一致，且主要目的是實現靜息期判斷和快速著艦，所以精度很高。從表1可以看出，符合這一階段的引導方式有光電著艦引導、機載視覺引導。

4.2 引導方案設計

為確保整個引導過程的飛行安全，引導方式選擇應該是越全面越好。但考慮到引導系統的成本、機載設備的重量等問題，應該是取二者之間的平衡，以制訂最優的解決方案。具體設計方案如下：衛星/紫外/機載視覺組合引導方式[7]。遠程引導階段選用衛星引導，因為考慮雷達的成本和重量相比衛星沒有優勢，且精度要求不高，無備份需求;近程引導階段選用紫外引導，因為考慮其不易受干擾;著艦階段選用機載視覺，主要是考慮其可以和紫外成像設備共用一套圖像采集設備，能節約成本，且能變相地為飛機減重[8]。

而衛星和紫外在近程引導階段可以作為相互備份，紫外和機載視覺在近程末端及自主著艦過程中又可以作為相互備份。

5 結語

通過對引導過程的階段劃分，結合各引導方式的優缺點，本文給出了一套自主著艦引導組合系統，綜合考慮了引導系統成本和機載設備重量，除第一階段遠程引導外，其他不同階段引導方式均有備份。該引導方案有較好的理論基礎，且容易實現，可作為試驗方案進行試驗試飛驗證。

參考文獻：

[1] Pachter M，Chandler P R. Challenges of autonomous control[J]. Control Systems IEEE，1998（4）：92-97.

[2] Xu G， Chen X， Wang B， et al. A search strategy of UAV's automatic landing on ship in all weathe[C]// International Conference on Electrical & Control Engineering. 2011.

[3]Ludington，Johnson，Vachtsevanos. Vision Based Navigation and Target Tracking for Autonomous Landing of an Unanned Aerial Vehicle[J].Advances in Unmanned Aerial Vehicles，2012（4）：245-266.

[4] Saripalli S，Montgomery J F，Sukhatme G S . Visually guided landing of an unmanned aerial vehicle[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2003（3）：371-380.

[5]王曉劍，潘順良，宋子善，等.無人直升機自主著艦的計算機視覺技術[J].北京航空航天大學學報，2007（6）：686-689.

[6]楊一棟.光學著艦助降系統[M].北京：國防工業出版社，2008.

[7]徐貴力，程月華，沈春林.基于激光掃描和計算機視覺的無人機全天候自主著陸導引技術[J].航空學報，2004（5）：499-503.

[8]鄭峰嬰.艦載機著艦引導技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.