國(guó)外艦載無人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)淺析

張茂 宋平

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)逐漸呈現(xiàn)無人化作戰(zhàn)趨勢(shì)，以及海上綜合作戰(zhàn)能力不斷提高，艦載無人機(jī)已成為一種必須發(fā)展的裝備。艦載無人機(jī)部署在航空母艦、驅(qū)護(hù)艦、兩棲艦等艦艇上，搭載不同的任務(wù)載荷執(zhí)行監(jiān)視、偵察、目標(biāo)指示、通信中繼、戰(zhàn)場(chǎng)毀傷效果評(píng)估、輔助探潛等任務(wù)，能夠有效提升海軍艦艇編隊(duì)的作戰(zhàn)能力。

在著艦過程中，艦載無人機(jī)會(huì)面臨艦面湍流、甲板晃動(dòng)等復(fù)雜多變的環(huán)境，雖然著艦用時(shí)較短，但著艦過程發(fā)生的事故卻占飛行任務(wù)總事故的 80%左右，而精確著艦引導(dǎo)技術(shù)可極大提升無人機(jī)在著艦過程中的安全性，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)上艦的關(guān)鍵技術(shù)，也是艦載無人機(jī)發(fā)展需要重點(diǎn)研究的技術(shù)。由于技術(shù)門檻高，目前世界上裝備艦載無人機(jī)的國(guó)家僅有美國(guó)、法國(guó)、奧地利等國(guó)家，美國(guó)X-47B艦載無人機(jī)在航母上實(shí)現(xiàn)了自主著艦，突顯了成熟的著艦引導(dǎo)技術(shù)，美國(guó)“火力偵察兵”系列、奧地利“坎姆考普特”系列等艦載無人直升機(jī)也成功運(yùn)用了著艦引導(dǎo)技術(shù)。國(guó)外著艦引導(dǎo)技術(shù)對(duì)我國(guó)艦載無人機(jī)的發(fā)展具有重要的參考意義。

著艦引導(dǎo)技術(shù)

著艦引導(dǎo)技術(shù)可以持續(xù)提供精確的機(jī)艦相對(duì)位置、姿態(tài)參數(shù)等信息，生成基準(zhǔn)下滑軌跡，測(cè)量或計(jì)算軌跡跟蹤誤差等數(shù)據(jù)，引導(dǎo)無人機(jī)準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。國(guó)外艦載無人機(jī)主要使用雷達(dá)、衛(wèi)星、光電、視覺等著艦引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行著艦。

雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)

國(guó)外雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)相對(duì)成熟。美國(guó)內(nèi)華達(dá)山脈公司（Sierra Nevada）研制的“無人機(jī)通用自動(dòng)回收系統(tǒng)”（UCARS）已成功引導(dǎo)“火力偵察兵”無人直升機(jī)自主著艦（見圖1）。法國(guó)DNCS公司采用雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)成功研發(fā)了D2AD艦載無人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在“拉斐特”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦上已完成著艦引導(dǎo)試驗(yàn)。加拿大CL-227/327無人機(jī)采用應(yīng)答式3毫米波雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)著艦。

雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)采用二次雷達(dá)機(jī)制，由艦載雷達(dá)和機(jī)載二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量無人機(jī)與艦船的相對(duì)位置。艦載系統(tǒng)獲得雷達(dá)原始數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)穩(wěn)定處理、坐標(biāo)變換等方法，得到準(zhǔn)確的機(jī)艦相對(duì)位置信息，雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)依據(jù)機(jī)艦相對(duì)位置信息，實(shí)時(shí)規(guī)劃一條理想下滑軌跡，并算出無人機(jī)位置與理想下滑軌跡之間的偏差，結(jié)合艦船甲板的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，然后通過數(shù)據(jù)鏈將補(bǔ)償后的偏差數(shù)據(jù)上傳至機(jī)載飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)的軌跡引導(dǎo)律對(duì)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到引導(dǎo)指令，該引導(dǎo)指令通過飛行控制律計(jì)算后，轉(zhuǎn)化為位置、速度、姿態(tài)控制指令，控制指令被輸入舵機(jī)，舵機(jī)控制無人機(jī)完成自動(dòng)近艦與著艦。

雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)可在云層較低、能見度較差的環(huán)境下使用，具備較強(qiáng)的目標(biāo)探測(cè)跟蹤能力和較好的隱蔽性，不易被敵方干擾，作用距離可達(dá)數(shù)十千米。但是，雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)也有缺點(diǎn)，即定位精度不高。受限于雷達(dá)的安裝位置，在近距離引導(dǎo)無人機(jī)著艦時(shí)，雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)常存在盲區(qū)，全過程引導(dǎo)效果欠佳。此外，雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)的價(jià)格較高。

光電引導(dǎo)技術(shù)

目前，國(guó)外艦載無人機(jī)著艦所采用的光電引導(dǎo)系統(tǒng)主要有法國(guó)DNCS公司研制的SADA甲板自主引導(dǎo)系統(tǒng)、美國(guó)DRS公司研制的基于光電引導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)近著艦虛擬成像系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)均已成功引導(dǎo)艦載無人機(jī)自主著艦。光電引導(dǎo)系統(tǒng)是一種基于多源光電傳感器技術(shù)的引導(dǎo)系統(tǒng)，綜合使用高精度激光跟蹤測(cè)距單元、高靈敏度紅外熱成像單元以及高分辨率電視攝像機(jī)等設(shè)備，完成偏差數(shù)據(jù)測(cè)量，系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制能力可消除偏差，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)安全著艦。在光電引導(dǎo)系統(tǒng)中，激光跟蹤測(cè)距單元跟蹤艦載無人機(jī)，實(shí)時(shí)測(cè)量無人機(jī)的飛行速度、方位角、高低角、機(jī)艦距離等信息，紅外熱成像單元和高分辨率電視攝像機(jī)獲取無人機(jī)的圖像和影像信息。

由于作用距離較短，光電引導(dǎo)系統(tǒng)適用于艦載無人機(jī)精確進(jìn)近及最后著艦階段。它具有定位精度高、抗電磁干擾性強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)，可在無線電靜默條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，主要利用光電設(shè)備引導(dǎo)無人機(jī)著艦，因此天氣適應(yīng)性不高，在惡劣天氣條件下可能無法正常工作，因此通常與其他引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合使用。

衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)

衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)主要采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位技術(shù)對(duì)機(jī)艦相對(duì)位置進(jìn)行解算，解算精度可達(dá)厘米級(jí)。國(guó)外艦載無人機(jī)衛(wèi)星著艦引導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，例如美國(guó)JPALS聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)，X-47B艦載無人機(jī)在該系統(tǒng)引導(dǎo)下，已完成自主著艦；法國(guó)希瑞納公司（SIREHNA）ADS自主著艦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了5級(jí)海況下的無人機(jī)自主著艦；奧地利S-100“坎姆考普特”無人直升機(jī)使用基于差分GPS的衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)完成了自主著艦。

衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)由艦載基準(zhǔn)站和機(jī)載移動(dòng)站構(gòu)成。其中，艦載基準(zhǔn)站包括衛(wèi)星接收天線和衛(wèi)星接收機(jī)；機(jī)載移動(dòng)站主要由衛(wèi)星接收天線和衛(wèi)星接收機(jī)組成。當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)無人機(jī)著艦時(shí)，艦載衛(wèi)星接收機(jī)通過艦載衛(wèi)星接收天線接收衛(wèi)星信號(hào)，并將多個(gè)衛(wèi)星的偽距、載波相位等測(cè)量信息通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送至無人機(jī)機(jī)載移動(dòng)站，機(jī)載移動(dòng)站的數(shù)據(jù)處理模塊將收到的艦載測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)載衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建差分觀測(cè)方程，然后數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)差分觀測(cè)方程，解算出無人機(jī)與艦船的原始相對(duì)位置數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)變換后，得到準(zhǔn)確的機(jī)艦相對(duì)位置數(shù)據(jù)，衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)機(jī)艦相對(duì)位置信息，實(shí)時(shí)規(guī)劃一條理想下滑軌跡，并算出無人機(jī)位置與理想下滑軌跡的偏差，結(jié)合甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償數(shù)據(jù)，生成著艦引導(dǎo)參數(shù)，從而引導(dǎo)無人機(jī)自動(dòng)著艦。

衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)具有組成相對(duì)簡(jiǎn)單、尺寸小、成本低、使用不受時(shí)間地點(diǎn)限制等優(yōu)點(diǎn)，定位精度比雷達(dá)高，對(duì)近距離目標(biāo)的定位具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，它易受電磁干擾，不適合戰(zhàn)時(shí)使用，在引導(dǎo)過程中，接收衛(wèi)星數(shù)量的變化有時(shí)會(huì)導(dǎo)致位置解算值出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，所以通常與慣導(dǎo)系統(tǒng)組合使用。

視覺引導(dǎo)技術(shù)

視覺引導(dǎo)是系統(tǒng)通過視覺傳感器實(shí)時(shí)搜索并獲取位于艦船甲板上的合作目標(biāo)圖像信息，利用圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)對(duì)合作目標(biāo)的特征信息進(jìn)行提取和匹配，完成位置和姿態(tài)解算，從而獲得無人機(jī)相對(duì)于艦船甲板的位置和姿態(tài)，通過數(shù)據(jù)鏈，將機(jī)艦相對(duì)位姿信息發(fā)送給機(jī)載飛控系統(tǒng)，以引導(dǎo)無人機(jī)精準(zhǔn)著艦。視覺引導(dǎo)系統(tǒng)有兩種架構(gòu)，一種是視覺傳感器和圖像處理器等設(shè)備安裝在無人機(jī)上，采用該架構(gòu)的系統(tǒng)可將處理后的著艦參數(shù)直接發(fā)送給機(jī)載飛控系統(tǒng)，以引導(dǎo)無人機(jī)著艦，但圖像處理器性能會(huì)受機(jī)載設(shè)備重量的限制；另一種是視覺引導(dǎo)系統(tǒng)安裝在艦上，艦載視覺引導(dǎo)系統(tǒng)將處理后的著艦參數(shù)信息通過無線數(shù)據(jù)鏈傳送至機(jī)載飛控系統(tǒng)，以引導(dǎo)無人機(jī)著艦，采用該架構(gòu)的系統(tǒng)利用性能強(qiáng)大的艦載圖像處理器對(duì)復(fù)雜圖像進(jìn)行處理，但無線數(shù)據(jù)傳輸會(huì)有一定的時(shí)延。

圖像處理算法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性是視覺引導(dǎo)取得成功的關(guān)鍵要素，直接影響定位精度。由于艦載無人機(jī)視覺引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)圖像處理技術(shù)要求非常高，目前仍處于理論研究和工程試驗(yàn)階段。艦載無人機(jī)視覺引導(dǎo)技術(shù)無疑是新興技術(shù)，具有抗電磁干擾性強(qiáng)、隱蔽性高、使用靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在引導(dǎo)無人機(jī)著艦時(shí)，能獲取大量外界信息，擁有良好的發(fā)展前景。

各種著艦引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)比

通過上述著艦引導(dǎo)技術(shù)分析，本文總結(jié)各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，如表1所述。

由表1可知，單一著艦引導(dǎo)系統(tǒng)在使用中具有較大的局限性，全過程引導(dǎo)的適用性較差，不能充分滿足艦載無人機(jī)精確自主著艦的需求。在著艦引導(dǎo)過程中，艦載無人機(jī)經(jīng)歷不同的階段，艦載固定翼無人機(jī)著艦引導(dǎo)過程可細(xì)分為平飛、下俯、下滑、進(jìn)入和著艦五個(gè)階段；而艦載旋翼無人機(jī)具有空中懸停、低速飛行、無需在起降場(chǎng)地滑跑等特征，其著艦引導(dǎo)過程與固定翼無人機(jī)有所不同，大致分為進(jìn)場(chǎng)下滑、懸停跟進(jìn)和快速下降著艦三個(gè)階段。雖然兩者著艦引導(dǎo)過程中的各個(gè)階段截然不同，但兩者的著艦引導(dǎo)全過程可分為兩個(gè)階段，即遠(yuǎn)距著艦進(jìn)近引導(dǎo)階段和近距著艦引導(dǎo)階段，詳見圖2。

遠(yuǎn)距著艦進(jìn)近引導(dǎo)旨在將艦載無人機(jī)引導(dǎo)至合適的著艦區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，無人機(jī)飛行航向要與艦船航向保持一致，該階段并不需要十分精確的機(jī)艦位姿信息，適合使用雷達(dá)或衛(wèi)星等遠(yuǎn)距著艦引導(dǎo)方法。

近距著艦引導(dǎo)的目的是，把艦載無人機(jī)精準(zhǔn)地引導(dǎo)至艦船甲板的著艦區(qū)域，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的成功降落。因此，該階段需要實(shí)時(shí)、精確的機(jī)艦位姿信息，且對(duì)引導(dǎo)信息的精確度、可靠性、實(shí)時(shí)性等指標(biāo)提出了較高要求。視覺、光電、差分GPS衛(wèi)星等引導(dǎo)系統(tǒng)在該階段使用更具優(yōu)勢(shì)。

因此，著艦引導(dǎo)工作應(yīng)分析每個(gè)著艦階段的特征和每種著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，合理組合和應(yīng)用不同的引導(dǎo)系統(tǒng)，才能保證艦載無人機(jī)安全、自主著艦。

總結(jié)與展望

著艦引導(dǎo)技術(shù)是保障艦載無人機(jī)安全著艦的關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)多種著艦引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行展望。

單一著艦引導(dǎo)技術(shù)的引導(dǎo)效果較差，難以滿足高精度自主著艦的需求。而根據(jù)各引導(dǎo)階段的特點(diǎn)以及各引導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，不同引導(dǎo)技術(shù)合理組合與使用，可對(duì)無人機(jī)進(jìn)行逐段引導(dǎo)，這是一種實(shí)用性強(qiáng)、行之有效的引導(dǎo)方案。

差分GPS衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)在各引導(dǎo)階段的適用性較其他引導(dǎo)技術(shù)擁有較好的引導(dǎo)效果，但由于GPS會(huì)受到美國(guó)的限制，在戰(zhàn)時(shí)不宜使用，只有當(dāng)我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能大幅提升后，衛(wèi)星引導(dǎo)才可能成為主要的著艦引導(dǎo)手段。視覺引導(dǎo)技術(shù)是未來著艦引導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展方向，因此我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展高效的圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)。

隨著多源傳感器數(shù)據(jù)融合、基于深度學(xué)習(xí)的著艦環(huán)境感知等技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來著艦引導(dǎo)技術(shù)將會(huì)向多源信息融合引導(dǎo)技術(shù)方向發(fā)展，艦載無人機(jī)全自主著艦的安全性和可靠性有望大幅度提高。