無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)

藍(lán)啟誠(chéng)，賴水清

(1.海軍裝備部航空局，北京 100071；2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)

藍(lán)啟誠(chéng)1，賴水清2

(1.海軍裝備部航空局，北京 100071；2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

論述了無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)的方式、技術(shù)發(fā)展及優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)各種引導(dǎo)方式在無(wú)人直升機(jī)著艦上的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并對(duì)無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

無(wú)人直升機(jī)；著艦引導(dǎo)

0 引言

無(wú)人直升機(jī)具有垂直起降能力，不需要專用跑道及發(fā)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。另外，由于無(wú)人直升機(jī)低空低速的飛行特性，可接近或停留在其他常規(guī)平臺(tái)難以接近和進(jìn)入的區(qū)域，是水面艦艇編隊(duì)低空偵察和打擊的主要手段之一。因此，艦載無(wú)人直升機(jī)是我軍水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)必不可少的組成部分，可執(zhí)行海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視、目標(biāo)指示、電子對(duì)抗、通信中繼、運(yùn)輸補(bǔ)給、反潛反艦等任務(wù)，用途極廣。

艦載無(wú)人直升機(jī)飛行過(guò)程可分為三個(gè)階段：起飛、空中飛行和著艦。無(wú)人直升機(jī)著艦階段的時(shí)間雖然只占整個(gè)飛行任務(wù)的5%左右，但許多飛行事故都是發(fā)生在著艦過(guò)程中。艦載無(wú)人直升機(jī)著艦過(guò)程中存在艦艇運(yùn)動(dòng)、甲板晃動(dòng)、場(chǎng)地狹小、氣象條件復(fù)雜多變等情況，如果無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)與控制失誤，將造成安全事故。有統(tǒng)計(jì)資料表明，無(wú)人直升機(jī)著艦過(guò)程的事故數(shù)占無(wú)人直升機(jī)任務(wù)飛行事故總數(shù)的80%以上。無(wú)人直升機(jī)要實(shí)現(xiàn)裝艦并形成戰(zhàn)斗力，需要解決其安全著艦問(wèn)題，包括著艦引導(dǎo)和控制兩個(gè)方面，即能在復(fù)雜海況下引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)飛臨艦艇甲板上方并實(shí)現(xiàn)安全著艦。因此，無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)已成為影響艦載無(wú)人直升機(jī)上艦使用的關(guān)鍵之一，能否安全可靠地實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)著艦也成為評(píng)價(jià)艦載無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)[1]。

無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)是在固定翼機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，隨著艦載無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展迅速，目前國(guó)外采用的著艦引導(dǎo)方式可以分為三類，即雷達(dá)引導(dǎo)、衛(wèi)星引導(dǎo)和光電引導(dǎo)。

1 雷達(dá)引導(dǎo)

雷達(dá)引導(dǎo)是利用艦上的著艦引導(dǎo)雷達(dá)測(cè)出機(jī)艦相對(duì)位置，將信息數(shù)據(jù)傳送給無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行著艦引導(dǎo)。雷達(dá)導(dǎo)引設(shè)備主要由艦載應(yīng)答式雷達(dá)和機(jī)載二次應(yīng)答機(jī)組成，該方式具有全天候?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行搜索、截獲和跟蹤的能力，且因發(fā)射功率低和無(wú)線波束窄而不易被敵截獲、發(fā)現(xiàn)和干擾。

雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展，目前已比較成熟，其中美國(guó)的雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)最先進(jìn)。美國(guó)海軍于1948年提出了艦載機(jī)全自動(dòng)著艦的軍事需求，隨后開始了基于雷達(dá)引導(dǎo)的自動(dòng)著艦技術(shù)研究。20世紀(jì)50年代研制了基于模擬計(jì)算機(jī)雷達(dá)引導(dǎo)的AN/SPN-10自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，名義上是自動(dòng)著艦系統(tǒng)，但不具備全自動(dòng)著艦功能。20世紀(jì)60年代未，美國(guó)研制了基于數(shù)字計(jì)算機(jī)雷達(dá)引導(dǎo)的AN/SPN-42自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，并在1970年至1982年間進(jìn)行了4000余次飛行試驗(yàn)，大大提高了艦載機(jī)在航母上的著艦成功率。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)在AN/SPN-42的基礎(chǔ)上，又研制了改進(jìn)型號(hào)，即AN/SPN-46，AN/SPN—46系統(tǒng)具有雙波段自動(dòng)捕獲和精密跟蹤能力，并在1984年由FA-18飛機(jī)進(jìn)行了全自動(dòng)著艦引導(dǎo)性能的驗(yàn)證試驗(yàn)。此后，以引導(dǎo)雷達(dá)為核心的全自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)在美國(guó)航母上廣泛裝備。

典型的無(wú)人直升機(jī)著艦雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)有美國(guó)Sierra Nevada公司的UCARS(UAV Common Automatic Recovery System)(圖1-圖5)和法國(guó)THALES公司的MAGIC ATOLS系統(tǒng)。UCARS系統(tǒng)采用高性能毫米波雷達(dá)作為測(cè)量設(shè)備，引導(dǎo)計(jì)算機(jī)作為解算控制設(shè)備，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行著艦。法國(guó)MAGIC ATOLS系統(tǒng)與UCARS系統(tǒng)類似，但采用不同的雷達(dá)設(shè)計(jì)。2006年1月，“火力偵察兵”無(wú)人直升機(jī)首次利用UCARS系統(tǒng)提供的精確定位信息在納什維爾號(hào)上成功著艦[2]。

加拿大CL-227/327無(wú)人直升機(jī)采用應(yīng)答式3毫米波雷達(dá)導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)著艦(圖6)。

2 衛(wèi)星引導(dǎo)

衛(wèi)星引導(dǎo)是利用衛(wèi)星全天候、高精度的三維定位與導(dǎo)航能力測(cè)量機(jī)艦相對(duì)位置，計(jì)算產(chǎn)生飛行控制所需的信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)著艦導(dǎo)引。衛(wèi)星引導(dǎo)設(shè)備主要由機(jī)載衛(wèi)星接收設(shè)備和艦載基準(zhǔn)站組成，具有精度高，使用簡(jiǎn)單，成本低，不受時(shí)間、地點(diǎn)的制約等優(yōu)點(diǎn)，但易受復(fù)雜電磁環(huán)境影響，戰(zhàn)時(shí)使用不可靠。

美國(guó)GPS技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，正在發(fā)展的基于GPS/INS組合導(dǎo)航的著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，將成為美軍下一代的著艦導(dǎo)引主要方式。1996年，美國(guó)國(guó)防部提出了“聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)”JPALS(Joint Precision-Approach and Landing System)研究計(jì)劃，JPALS系統(tǒng)的目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)精確的、可快速部署的、抗天氣和地形影響、易存活、易維護(hù)、具有互操作性的差分GPS著陸系統(tǒng)，支持陸基著陸階段和艦基全飛行階段運(yùn)行，支持CAT I/II/III精密進(jìn)近(圖7)。JPALS將使飛機(jī)能夠在世界上任何適當(dāng)?shù)年懙鼗蚝；砻娼德?，降低空間和能見度受限條件對(duì)著陸/著艦的影響。JPALS作為下一代進(jìn)近和著陸系統(tǒng)，將為美軍提供聯(lián)合運(yùn)行能力，以在任何環(huán)境下完成指定的常規(guī)和特殊任務(wù)[3]。

JPALS是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)概念，支持陸地環(huán)境下著陸階段和艦基條件下全飛行階段的運(yùn)行。JPALS將為軍用和民用飛機(jī)提供精確導(dǎo)航數(shù)據(jù)，改善終端區(qū)域(包括進(jìn)入、著陸、起飛、誤失進(jìn)場(chǎng)程序)飛行的安全性。應(yīng)空軍和海軍的不同需求，JPALS發(fā)展了陸基(Land-based)和海基(Sea-based)兩個(gè)不同的系統(tǒng)。?；鵍PALS系統(tǒng)通過(guò)雙向數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)在任何條件下覆蓋370km范圍，370km內(nèi)的水平引導(dǎo)精度為5m；通過(guò)增補(bǔ)雷達(dá)和敵我識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)93km的航母控制區(qū)域覆蓋，93km內(nèi)的水平引導(dǎo)精度為2m；在18.5km范圍內(nèi)提供精度達(dá)到15cm的360°全方位精密導(dǎo)航，為艦載機(jī)提供精度為10cm的著艦?zāi)┒艘龑?dǎo)。歷經(jīng)18年，2014年完成了艦載JPALS系統(tǒng)的開發(fā)和演示驗(yàn)證，具備初始運(yùn)行能力。

基于差分GPS和GBAS(Ground-Based Augmentation System)的無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)方法在歐美廣泛應(yīng)用，以德國(guó)ASRTRIUM公司研制的DeckFinder無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)在甲板上安裝6個(gè)艦面模擬“GPS衛(wèi)星”信號(hào)發(fā)射器，在無(wú)人直升機(jī)上的GPS系統(tǒng)接受艦面GPS信號(hào)，為無(wú)人直升機(jī)提供精確位置和姿態(tài)信息，引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)著艦(圖8)。

奧地利S100無(wú)人直升機(jī)采用基于差分GPS的衛(wèi)星導(dǎo)引方式，在許多國(guó)家海軍艦艇上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)著艦(圖9)。

GPS容易被干擾的特性，使得在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期存在不能使用的隱患，試驗(yàn)表明一臺(tái)功率為30W的干擾機(jī)，即可使半徑為150km范圍內(nèi)的GPS接收機(jī)受到干擾。在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期美國(guó)有可能關(guān)閉敏感地區(qū)的GPS衛(wèi)星，或發(fā)射欺騙信號(hào)，從而使GPS接收機(jī)不能正常使用。同時(shí)民用型GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)更新率為1s，不能滿足數(shù)據(jù)更新速率10Hz以上的要求。

由于戰(zhàn)時(shí)可能受到美國(guó)限制的巨大風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)我國(guó)艦載無(wú)人直升機(jī)來(lái)說(shuō)，GPS不適宜作為主要的著艦引導(dǎo)手段。我國(guó)的北斗定位系統(tǒng)也存在衛(wèi)星信號(hào)易受干擾的問(wèn)題，另外北斗最快數(shù)據(jù)更新速率為1s，同樣不能滿足10Hz以上的數(shù)據(jù)更新要求。待將來(lái)我國(guó)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)性能提升并廣泛應(yīng)用后，才有可能成為我國(guó)艦載無(wú)人直升機(jī)的主要著艦引導(dǎo)手段。

3 光電引導(dǎo)

光電導(dǎo)引是利用光電測(cè)量設(shè)備測(cè)量機(jī)艦相對(duì)位置，計(jì)算產(chǎn)生飛行控制所需的信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)著艦導(dǎo)引。該方式抗電磁干擾性強(qiáng)，可在無(wú)線電靜默時(shí)工作，但其作用距離較近，一般用在無(wú)人機(jī)近艦精確測(cè)量與指示，或?qū)⑵渥鳛闊o(wú)人機(jī)備用著艦導(dǎo)引方式。

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電引導(dǎo)技術(shù)在著艦引導(dǎo)中逐漸得到應(yīng)用，光電著艦引導(dǎo)主要有激光、紅外和電視等引導(dǎo)方式，如美國(guó)正在研制的基于光電的進(jìn)近著艦虛擬成像系統(tǒng)(VISUAL)，法國(guó)SADA無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)等。除了激光、紅外和電視等光電引導(dǎo)方式外，紫外引導(dǎo)作為一種新的引導(dǎo)方式正在得到發(fā)展和應(yīng)用。

3.1 激光引導(dǎo)

激光引導(dǎo)采用激光照射無(wú)人機(jī)，由無(wú)人機(jī)上設(shè)定的標(biāo)志將激光反射回來(lái)，通過(guò)返回時(shí)間測(cè)量無(wú)人機(jī)到系統(tǒng)的距離。激光引導(dǎo)設(shè)備主要由指向器(含激光測(cè)量部件)、輔助指向器、伺服機(jī)構(gòu)等組成，可以提供精確的飛行器與著艦點(diǎn)相對(duì)位置信息，著艦導(dǎo)引精度高。

該方式的代表是瑞士RUAG公司研制的“目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)”O(jiān)PTAS(Object Position and Tracking System)，它是一套用于無(wú)人機(jī)的自動(dòng)著陸/著艦系統(tǒng)，可對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)位置進(jìn)行連續(xù)測(cè)量跟蹤(圖10)。位置測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)后，用于速度或位置控制環(huán)路的反饋控制[4]。

激光引導(dǎo)最大的缺點(diǎn)是對(duì)天氣的適應(yīng)性不高，對(duì)于復(fù)雜天氣環(huán)境(雨、霧、雪天)的使用限制比較大。同時(shí)由于激光的光束很窄，因此在測(cè)量時(shí)對(duì)跟蹤系統(tǒng)的要求比較高，當(dāng)同時(shí)處理多個(gè)目標(biāo)時(shí)往往會(huì)造成混亂。

3.2 紅外引導(dǎo)

紅外引導(dǎo)是利用紅外成像技術(shù)，由艦載紅外成像系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入母艦一定區(qū)域內(nèi)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行感應(yīng)成像，通過(guò)圖像處理解算出無(wú)人機(jī)的速度、姿態(tài)和位置等參數(shù)，反饋給機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)著艦引導(dǎo)。

該方式的典型系統(tǒng)是法國(guó)DCNS公司的SADA自主甲板起降引導(dǎo)系統(tǒng)(圖11)。系統(tǒng)主要由一對(duì)紅外相機(jī)組成的雙目視覺(jué)系統(tǒng)以及搭載相機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的雙自由度轉(zhuǎn)臺(tái)組成。系統(tǒng)通過(guò)觀測(cè)無(wú)人機(jī)兩側(cè)的紅外熱源來(lái)捕獲無(wú)人機(jī)，并計(jì)算無(wú)人機(jī)的三維空間位置和姿態(tài)，將其發(fā)送給機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)。SADA具有開放式體系結(jié)構(gòu)，通用性較強(qiáng)，引導(dǎo)精度為30cm，引導(dǎo)時(shí)間小于2min，能夠引導(dǎo)各類無(wú)人機(jī)在任意艦船上著陸。據(jù)報(bào)道這也是世界上第一個(gè)通過(guò)雙目視覺(jué)的方法來(lái)引導(dǎo)無(wú)人機(jī)著落的裝置[5]。

SADA系統(tǒng)不但可以獲取無(wú)人機(jī)的位置信息，還可以得到相應(yīng)的姿態(tài)信息，這些信息可以在引導(dǎo)過(guò)程中幫助無(wú)人機(jī)在各種海況下平穩(wěn)著艦。在2008年10月于法國(guó)Brest的測(cè)試中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)S-100無(wú)人直升機(jī)在5級(jí)海況下于海軍驅(qū)逐艦“蒙特卡姆”號(hào)上成功著艦(圖12)。

紅外引導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，不易暴露位置；缺點(diǎn)是紅外成像系統(tǒng)在惡劣天氣條件下，可能無(wú)法正常工作，且作用距離較近。

3.3 電視引導(dǎo)

電視引導(dǎo)是通過(guò)機(jī)載電視成像設(shè)備，掃描著艦點(diǎn)的“特定圖形”，以電視視覺(jué)的方式分辨出“特定圖形”，并計(jì)算出無(wú)人機(jī)與著艦點(diǎn)之間的相對(duì)坐標(biāo)信息，以此完成著艦導(dǎo)引。該方式具有較強(qiáng)的抗電磁干擾性，隱蔽性強(qiáng)，但也存在導(dǎo)引距離短，受天氣影響較大等缺點(diǎn)。

國(guó)外已經(jīng)有許多科研機(jī)構(gòu)從事無(wú)人機(jī)視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)的研究。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研究的無(wú)人直升機(jī)視覺(jué)引導(dǎo)著陸系統(tǒng)，可使無(wú)人直升機(jī)的著陸精度達(dá)到軸向定位精度5cm，姿態(tài)角精度5°。美國(guó)南加州大學(xué)機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)研究室研究開發(fā)的AVATAR微型無(wú)人直升機(jī)自主跟蹤著陸系統(tǒng)，采用GPS與視覺(jué)引導(dǎo)相結(jié)合的方法，飛行試驗(yàn)表明，該視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)可使無(wú)人機(jī)的著陸平均定位精度達(dá)到40cm，方向角誤差精度7°[6]。

視覺(jué)傳感器具有輕便、低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)，此外，視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)的工作波段遠(yuǎn)離當(dāng)前電磁對(duì)抗的頻率范圍，且精度適中，成本低。然而視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)還處于理論研究和工程實(shí)踐階段，目前還未有列裝的報(bào)道。另外，視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)易受氣象條件的影響，且工作于近艦距離，在遠(yuǎn)方必須依靠衛(wèi)星定位或者雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)，不能單獨(dú)完成無(wú)人機(jī)著艦任務(wù)。

3.4 紫外引導(dǎo)

與激光、紅外和電視引導(dǎo)相比，紫外引導(dǎo)作為一種新型光電著艦引導(dǎo)技術(shù)，引導(dǎo)精度高，目標(biāo)特征明顯，抗干擾能力強(qiáng)，選擇性好，正在逐漸得到重視和開發(fā)應(yīng)用。

紫外引導(dǎo)是利用波長(zhǎng)范圍大約為200nm～285nm的紫外光信號(hào)進(jìn)行成像，通過(guò)圖像處理解算機(jī)艦相對(duì)位置用于著艦引導(dǎo)。來(lái)自太陽(yáng)的該波段紫外光在穿越大氣層過(guò)程中被臭氧層徹底吸收，在地面附近完全探測(cè)不到該波段光信號(hào)，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(méi)有該波段光源，使用該波段紫外光作為探測(cè)手段，與可見光、紅外光相比，具有選擇性好、隱蔽性強(qiáng)、抗干擾能力高的特點(diǎn)，可更好地用于復(fù)雜氣象條件下的著艦引導(dǎo)，是一種新型有效的無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)手段[7]。

紫外導(dǎo)引系統(tǒng)主要由機(jī)載紫外成像設(shè)備與艦面紫外光源組成。紫外光源信標(biāo)布置于艦艇甲板，其發(fā)出的紫外光信號(hào)被無(wú)人機(jī)上的置于吊艙中的紫外成像設(shè)備捕捉，經(jīng)圖像處理得出機(jī)載相對(duì)位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)鏈路傳遞給機(jī)載飛控系統(tǒng)進(jìn)行著艦引導(dǎo)(圖13)。

4 無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)方式有多種，每種著艦引導(dǎo)方式都具有相應(yīng)的獨(dú)特關(guān)鍵技術(shù)，如雷達(dá)技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)、光電測(cè)量技術(shù)、光電成像與解算技術(shù)等，除此之外，還存在一些共性的關(guān)鍵技術(shù)，如著艦引導(dǎo)過(guò)程仿真分析、引導(dǎo)信息處理、多目標(biāo)著艦引導(dǎo)等技術(shù)。

1) 著艦引導(dǎo)過(guò)程仿真分析

無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)是否安全可靠，需要進(jìn)行精確的著艦引導(dǎo)過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真分析，驗(yàn)證引導(dǎo)信息的精度、更新率等是否滿足要求，以保證實(shí)際著艦飛行的安全。精確的著艦引導(dǎo)過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真需要建立準(zhǔn)確的艦船運(yùn)動(dòng)模型。艦船的運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)自由度的進(jìn)動(dòng)、三個(gè)自由度的繞動(dòng)，不同自由度上的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)著艦的影響程度并不相同，例如艦面的升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)近距離著艦?zāi)繕?biāo)的影響較大，對(duì)升沉的幅度估計(jì)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致無(wú)人直升機(jī)撞擊到艦船尾部或飛越著艦點(diǎn)，導(dǎo)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(dǎo)信息輸入與位置運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。

艦載無(wú)人直升機(jī)著艦的過(guò)程可以劃分為遠(yuǎn)距著艦進(jìn)近與近距著艦引導(dǎo)兩個(gè)階段，當(dāng)目標(biāo)距離著艦點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，主要目的是將無(wú)人直升機(jī)引導(dǎo)到一個(gè)合適的著艦窗口內(nèi)，而無(wú)需過(guò)于精確的艦面位置信息。而對(duì)于近距著艦引導(dǎo)過(guò)程，需要深入分析引導(dǎo)信息的精確性、更新率、可靠性等對(duì)著艦過(guò)程的影響。

艦載無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)區(qū)劃分如圖14所示，著艦引導(dǎo)區(qū)應(yīng)該是一個(gè)以著艦點(diǎn)為頂點(diǎn)的橢圓錐區(qū)域，錐形軸向就是理想下滑線，錐形區(qū)域張角與著艦引導(dǎo)誤差、無(wú)人直升機(jī)著艦指標(biāo)相關(guān)，張角越小，對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的要求就越高。從圖中可以看出，隨著無(wú)人直升機(jī)逐步靠近著艦點(diǎn)，其引導(dǎo)區(qū)間逐步縮小，或者說(shuō)隨著無(wú)人直升機(jī)靠近著艦點(diǎn)，要逐步提高著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的引導(dǎo)精度才能滿足要求。

圖15給出了下滑面內(nèi)下滑線誤差示意圖，假定AB為著艦平面，而理想著艦點(diǎn)為C點(diǎn)，理想下滑角度為θ0，理想下滑線為CM。然而由于艦面AB的運(yùn)動(dòng)以及引導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，實(shí)際的下滑角在[θmin,θmax]區(qū)間內(nèi)，并且著陸點(diǎn)也可能偏離了C點(diǎn)，那么真實(shí)的著陸點(diǎn)位置可能位于Δx范圍以內(nèi)的某一點(diǎn)，因此可以定義一個(gè)虛擬點(diǎn)O，只要將無(wú)人直升機(jī)下滑面引導(dǎo)至OL和OH之間的范圍，就可以滿足下滑要求。對(duì)于航向面的誤差分析類似。

2) 引導(dǎo)信息處理

引導(dǎo)信息包括測(cè)量得到的目標(biāo)位置、速度信息以及艦面運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，這些信息并不能直接上傳到無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)，而應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，一方面可以減小某些測(cè)量誤差，另一方面可以減輕機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)負(fù)荷。

引導(dǎo)信息處理的目的是讓無(wú)人直升機(jī)獲取偏離理想航道的位置偏差信息，使得無(wú)人直升機(jī)能夠適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，并逐步靠近理想下滑線。然而由于艦面運(yùn)動(dòng)，理想下滑線也會(huì)發(fā)生變動(dòng)。當(dāng)無(wú)人直升機(jī)距離著艦點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，理想下滑線跟隨艦面運(yùn)動(dòng)的幅度會(huì)發(fā)生放大效應(yīng)，即在遠(yuǎn)距離下滑區(qū)間內(nèi)，理想下滑線的運(yùn)動(dòng)幅度較大，那么無(wú)人直升機(jī)位置與理想下滑線的誤差幅度將非常之大，甚至?xí)?dǎo)致無(wú)人直升機(jī)飛控系統(tǒng)無(wú)法工作。當(dāng)無(wú)人直升機(jī)處于遠(yuǎn)距離下滑區(qū)間時(shí)，主要關(guān)心的是著艦點(diǎn)的大致位置，此時(shí)的主要目的是將無(wú)人直升機(jī)逐步引導(dǎo)到近距離引導(dǎo)區(qū)內(nèi)。因此可以對(duì)理想下滑線基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行平滑處理。而當(dāng)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)入近距離引導(dǎo)區(qū)時(shí)，引導(dǎo)信息應(yīng)提供足夠高的導(dǎo)航精度，甚至還需要對(duì)艦面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

引導(dǎo)信息的處理方式與目標(biāo)距離有關(guān)，如圖16所示(字母的定義參見圖15)。由于艦面的運(yùn)動(dòng)，著艦窗口中心位置可能會(huì)隨著艦過(guò)程而發(fā)生變化，而且距離著艦點(diǎn)越遠(yuǎn)，其動(dòng)態(tài)范圍越大。讓機(jī)載飛控系統(tǒng)跟蹤著艦窗口中心是實(shí)現(xiàn)著艦引導(dǎo)的最直接方式，但是由于在遠(yuǎn)距離著艦窗口中心的運(yùn)動(dòng)范圍較大，如圖16虛線所示，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人直升機(jī)飛控系統(tǒng)無(wú)法跟蹤，但在此時(shí)無(wú)人直升機(jī)對(duì)窗口中心的位置誤差大小并不敏感，因此可以在此時(shí)適當(dāng)降低引導(dǎo)信息的精確度。而當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入近距離引導(dǎo)區(qū)時(shí)，就應(yīng)該提高引導(dǎo)精確度。但此時(shí)由于飛機(jī)距著艦點(diǎn)較近，因此著艦窗口中心的變化幅度較小，機(jī)載飛控系統(tǒng)可以跟蹤這種變化。

3) 多目標(biāo)著艦引導(dǎo)

在具體的使用過(guò)程中，還需考慮引導(dǎo)多個(gè)批次的無(wú)人直升機(jī)著艦的問(wèn)題。當(dāng)著陸區(qū)域存在多個(gè)待著艦的無(wú)人直升機(jī)時(shí)，首要問(wèn)題是艦面系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量得到的距離、方位信息與各無(wú)人直升機(jī)一一對(duì)應(yīng)。為此考慮偽隨機(jī)編碼方式，保證多個(gè)應(yīng)答信號(hào)之間的正交性，即當(dāng)獲知某個(gè)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)入了著陸區(qū)間，艦面詢問(wèn)脈沖就給其分配一個(gè)編號(hào)，這種編號(hào)是動(dòng)態(tài)分配的，即一旦無(wú)人直升機(jī)完成著艦過(guò)程，該編號(hào)自動(dòng)失效，從而可以分配給其他的無(wú)人直升機(jī)使用。無(wú)人直升機(jī)接收到該編號(hào)信息，就可以此編號(hào)生成一個(gè)偽隨機(jī)編碼作為無(wú)人直升機(jī)應(yīng)答信號(hào)的特征信息，艦面引導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)分析這個(gè)偽隨機(jī)編碼特征來(lái)唯一指定無(wú)人直升機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著艦載無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展，無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)也在同步發(fā)展，在雷達(dá)、衛(wèi)星、光電引導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)上，一些新的著艦引導(dǎo)手段，如各種不同光電的組合引導(dǎo)手段不斷出現(xiàn)，特別是基于雷達(dá)/衛(wèi)星/光電多手段融合的著艦引導(dǎo)技術(shù)正在趨于成熟，逐漸形成雷達(dá)、衛(wèi)星、光電等多種手段融合的著艦引導(dǎo)能力，這些新著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，必將大大增強(qiáng)無(wú)人直升機(jī)的著艦引導(dǎo)能力，提高著艦安全可靠性，這也是無(wú)人直升機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展方向。

[1] 肖曠明，于鵬宇．艦載無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)使用及關(guān)鍵技術(shù)[J]．飛航導(dǎo)彈，2008(3)：7-9.

[2] 徐產(chǎn)興．艦載機(jī)著艦引導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)[J]．現(xiàn)代艦船，2003(4)：36-38.

[3] 黃士飛，鐘興泉．全自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)展望[J]．現(xiàn)代導(dǎo)航，2014(1)：74-78

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

[5] 杜 晶，雷士輝，周 翔．基于紅外探測(cè)技術(shù)的無(wú)人機(jī)視覺(jué)引導(dǎo)助降系統(tǒng)[J]．計(jì)算機(jī)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(dǎo)察打一體無(wú)人機(jī)任務(wù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．科技導(dǎo)報(bào)，2013(1)：29-34

[7] 丁宸聰．基于紫外成像引導(dǎo)技術(shù)的無(wú)人機(jī)自主著艦研究[J]．光電技術(shù)應(yīng)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(lán)啟誠(chéng)(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