國外艦載無人機著艦引導(dǎo)技術(shù)淺析

張茂 宋平

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭逐漸呈現(xiàn)無人化作戰(zhàn)趨勢，以及海上綜合作戰(zhàn)能力不斷提高，艦載無人機已成為一種必須發(fā)展的裝備。艦載無人機部署在航空母艦、驅(qū)護艦、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)場毀傷效果評估、輔助探潛等任務(wù)，能夠有效提升海軍艦艇編隊的作戰(zhàn)能力。

在著艦過程中，艦載無人機會面臨艦面湍流、甲板晃動等復(fù)雜多變的環(huán)境，雖然著艦用時較短，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)可極大提升無人機在著艦過程中的安全性，是實現(xiàn)無人機上艦的關(guān)鍵技術(shù)，也是艦載無人機發(fā)展需要重點研究的技術(shù)。由于技術(shù)門檻高，目前世界上裝備艦載無人機的國家僅有美國、法國、奧地利等國家，美國X-47B艦載無人機在航母上實現(xiàn)了自主著艦，突顯了成熟的著艦引導(dǎo)技術(shù)，美國“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也成功運用了著艦引導(dǎo)技術(shù)。國外著艦引導(dǎo)技術(shù)對我國艦載無人機的發(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)提供精確的機艦相對位置、姿態(tài)參數(shù)等信息，生成基準(zhǔn)下滑軌跡，測量或計算軌跡跟蹤誤差等數(shù)據(jù)，引導(dǎo)無人機準(zhǔn)確到達指定位置。國外艦載無人機主要使用雷達、衛(wèi)星、光電、視覺等著艦引導(dǎo)系統(tǒng)進行著艦。

雷達引導(dǎo)技術(shù)

國外雷達引導(dǎo)技術(shù)相對成熟。美國內(nèi)華達山脈公司（Sierra Nevada）研制的“無人機通用自動回收系統(tǒng)”（UCARS）已成功引導(dǎo)“火力偵察兵”無人直升機自主著艦（見圖1）。法國DNCS公司采用雷達引導(dǎo)技術(shù)成功研發(fā)了D2AD艦載無人機自動著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在“拉斐特”級護衛(wèi)艦上已完成著艦引導(dǎo)試驗。加拿大CL-227/327無人機采用應(yīng)答式3毫米波雷達引導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)了自動著艦。

雷達引導(dǎo)系統(tǒng)采用二次雷達機制，由艦載雷達和機載二次雷達應(yīng)答機組成，可實時測量無人機與艦船的相對位置。艦載系統(tǒng)獲得雷達原始數(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)確的機艦相對位置信息，雷達引導(dǎo)系統(tǒng)依據(jù)機艦相對位置信息，實時規(guī)劃一條理想下滑軌跡，并算出無人機位置與理想下滑軌跡之間的偏差，結(jié)合艦船甲板的運動數(shù)據(jù)，對偏差數(shù)據(jù)進行補償，然后通過數(shù)據(jù)鏈將補償后的偏差數(shù)據(jù)上傳至機載飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)的軌跡引導(dǎo)律對偏差數(shù)據(jù)進行解算，得到引導(dǎo)指令，該引導(dǎo)指令通過飛行控制律計算后，轉(zhuǎn)化為位置、速度、姿態(tài)控制指令，控制指令被輸入舵機，舵機控制無人機完成自動近艦與著艦。

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

光電引導(dǎo)技術(shù)

目前，國外艦載無人機著艦所采用的光電引導(dǎo)系統(tǒng)主要有法國DNCS公司研制的SADA甲板自主引導(dǎo)系統(tǒng)、美國DRS公司研制的基于光電引導(dǎo)技術(shù)的進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等設(shè)備，完成偏差數(shù)據(jù)測量，系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制能力可消除偏差，實現(xiàn)無人機安全著艦。在光電引導(dǎo)系統(tǒng)中，激光跟蹤測距單元跟蹤艦載無人機，實時測量無人機的飛行速度、方位角、高低角、機艦距離等信息，紅外熱成像單元和高分辨率電視攝像機獲取無人機的圖像和影像信息。

由于作用距離較短，光電引導(dǎo)系統(tǒng)適用于艦載無人機精確進近及最后著艦階段。它具有定位精度高、抗電磁干擾性強、隱蔽性強，可在無線電靜默條件下工作等優(yōu)點，主要利用光電設(shè)備引導(dǎo)無人機著艦，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)主要采用實時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)對機艦相對位置進行解算，解算精度可達厘米級。國外艦載無人機衛(wèi)星著艦引導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，例如美國JPALS聯(lián)合精密進近著陸系統(tǒng)，X-47B艦載無人機在該系統(tǒng)引導(dǎo)下，已完成自主著艦；法國希瑞納公司（SIREHNA）ADS自主著艦系統(tǒng)實現(xiàn)了5級海況下的無人機自主著艦；奧地利S-100“坎姆考普特”無人直升機使用基于差分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)站和機載移動站構(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；機載移動站主要由衛(wèi)星接收天線和衛(wèi)星接收機組成。當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)無人機著艦時，艦載衛(wèi)星接收機通過艦載衛(wèi)星接收天線接收衛(wèi)星信號，并將多個衛(wèi)星的偽距、載波相位等測量信息通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送至無人機機載移動站，機載移動站的數(shù)據(jù)處理模塊將收到的艦載測量數(shù)據(jù)和機載衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)構(gòu)建差分觀測方程，然后數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)差分觀測方程，解算出無人機與艦船的原始相對位置數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)變換后，得到準(zhǔn)確的機艦相對位置數(shù)據(jù)，衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)機艦相對位置信息，實時規(guī)劃一條理想下滑軌跡，并算出無人機位置與理想下滑軌跡的偏差，結(jié)合甲板運動補償數(shù)據(jù)，生成著艦引導(dǎo)參數(shù)，從而引導(dǎo)無人機自動著艦。

衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)具有組成相對簡單、尺寸小、成本低、使用不受時間地點限制等優(yōu)點，定位精度比雷達高，對近距離目標(biāo)的定位具有更為明顯的優(yōu)勢。但是，它易受電磁干擾，不適合戰(zhàn)時使用，在引導(dǎo)過程中，接收衛(wèi)星數(shù)量的變化有時會導(dǎo)致位置解算值出現(xiàn)一定程度的波動，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)通過視覺傳感器實時搜索并獲取位于艦船甲板上的合作目標(biāo)圖像信息，利用圖像實時處理技術(shù)對合作目標(biāo)的特征信息進行提取和匹配，完成位置和姿態(tài)解算，從而獲得無人機相對于艦船甲板的位置和姿態(tài)，通過數(shù)據(jù)鏈，將機艦相對位姿信息發(fā)送給機載飛控系統(tǒng)，以引導(dǎo)無人機精準(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)送給機載飛控系統(tǒng)，以引導(dǎo)無人機著艦，但圖像處理器性能會受機載設(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)鏈傳送至機載飛控系統(tǒng)，以引導(dǎo)無人機著艦，采用該架構(gòu)的系統(tǒng)利用性能強大的艦載圖像處理器對復(fù)雜圖像進行處理，但無線數(shù)據(jù)傳輸會有一定的時延。

圖像處理算法的實時性和準(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。由于艦載無人機視覺引導(dǎo)系統(tǒng)對圖像處理技術(shù)要求非常高，目前仍處于理論研究和工程試驗階段。艦載無人機視覺引導(dǎo)技術(shù)無疑是新興技術(shù)，具有抗電磁干擾性強、隱蔽性高、使用靈活等諸多優(yōu)點，在引導(dǎo)無人機著艦時，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精確自主著艦的需求。在著艦引導(dǎo)過程中，艦載無人機經(jīng)歷不同的階段，艦載固定翼無人機著艦引導(dǎo)過程可細(xì)分為平飛、下俯、下滑、進入和著艦五個階段；而艦載旋翼無人機具有空中懸停、低速飛行、無需在起降場地滑跑等特征，其著艦引導(dǎo)過程與固定翼無人機有所不同，大致分為進場下滑、懸停跟進和快速下降著艦三個階段。雖然兩者著艦引導(dǎo)過程中的各個階段截然不同，但兩者的著艦引導(dǎo)全過程可分為兩個階段，即遠(yuǎn)距著艦進近引導(dǎo)階段和近距著艦引導(dǎo)階段，詳見圖2。

遠(yuǎn)距著艦進近引導(dǎo)旨在將艦載無人機引導(dǎo)至合適的著艦區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，無人機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艦位姿信息，適合使用雷達或衛(wèi)星等遠(yuǎn)距著艦引導(dǎo)方法。

近距著艦引導(dǎo)的目的是，把艦載無人機精準(zhǔn)地引導(dǎo)至艦船甲板的著艦區(qū)域，實現(xiàn)無人機的成功降落。因此，該階段需要實時、精確的機艦位姿信息，且對引導(dǎo)信息的精確度、可靠性、實時性等指標(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。

因此，著艦引導(dǎo)工作應(yīng)分析每個著艦階段的特征和每種著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，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)是保障艦載無人機安全著艦的關(guān)鍵技術(shù)。本文對多種著艦引導(dǎo)技術(shù)進行展望。

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)階段的特點以及各引導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，不同引導(dǎo)技術(shù)合理組合與使用，可對無人機進行逐段引導(dǎo)，這是一種實用性強、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會受到美國的限制，在戰(zhàn)時不宜使用，只有當(dāng)我國北斗衛(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，因此我國應(yīng)大力發(fā)展高效的圖像實時處理技術(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)的不斷進步，未來著艦引導(dǎo)技術(shù)將會向多源信息融合引導(dǎo)技術(shù)方向發(fā)展，艦載無人機全自主著艦的安全性和可靠性有望大幅度提高。