直升機和無人機通信中繼試飛技術研究

席 龍， 周慧楠， 湯恒仁， 李 靖

(中國飛行試驗研究院航電所，西安 710089)

0 引言

無人機具有長航時、低成本等優(yōu)勢，直升機具有良好隱蔽能力和態(tài)勢感知能力，二者混合編隊可以大大提高作戰(zhàn)能力，互為守望。目前，地面站對無人機的操控能力分為五級，直升機與無人機的協(xié)同等級也按照同樣的標準劃分：第Ⅰ級協(xié)同定義為接收和發(fā)送二次圖像和數(shù)據(jù)；第Ⅱ級協(xié)同定義為直接接收無人機的圖像或數(shù)據(jù)；第Ⅲ級協(xié)同定義為控制無人機的任務載荷；第Ⅳ級協(xié)同定義為控制無人機飛行；第Ⅴ級協(xié)同定義為控制無人機發(fā)射與回收[1]。美國陸軍已經(jīng)使用基奧瓦勇士直升機和阿帕奇直升機與多種無人機完成了Ⅳ級協(xié)同；美國海軍也成立了直升機和無人機組成的混合飛行中隊，提高作戰(zhàn)效率，提升生存能力，增加縱深作戰(zhàn)距離[2]。目前，我國直升機和無人機的研制能力和水平取得了很大提高，試驗技術也在快速發(fā)展，但由于多方面原因，直升機和無人機協(xié)同作戰(zhàn)還處于技術論證階段，雖然在理論研究方面取得了較大突破，卻未開展相關的飛行試驗和作戰(zhàn)演練，無法形成直升機和無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系。本文選擇直升機和無人機中繼通信作為典型任務開展相關技術研究和試飛演示驗證，評估直升機直接接收無人機圖像或數(shù)據(jù)的能力。

1 中繼通信試飛剖面

武裝直升機通常超低空飛行，利用地形隱蔽機動，發(fā)現(xiàn)目標后突然發(fā)起攻擊，因此具有隱蔽性好、機動靈活、生存力強等特點。武裝直升機作為一種超低空火力平臺，往往由于地形遮擋等原因無法與地面指揮所建立聯(lián)系，成為影響戰(zhàn)斗力的一項重要因素。使用無人機和直升機編隊作戰(zhàn)可解決單兵種作戰(zhàn)的局限性，無人機高空飛行，地面指揮所和直升機通過無人機進行信息交換。無人機作為空中基站既可解決直升機超低空飛行的通信問題，又具有成本和代價最小化的優(yōu)點。圖1為直升機和無人機中繼通信試飛剖面，試驗過程中，直升機和地面指揮所通過無人機進行超短波話音和數(shù)據(jù)通信，評估中繼通信試飛能力，完成直升機與無人機第Ⅱ級協(xié)同能力演示驗證。

圖1 直升機和無人機中繼通信試飛剖面Fig.1 Flight test profiles for helicopter and UAV relay communication

2 中繼通信試飛關鍵問題分析

2.1 態(tài)勢構建

中繼無人機可以作為空中基站，其作戰(zhàn)想定為：在整個中部區(qū)域內(nèi)合理布置無人機，實現(xiàn)該作戰(zhàn)區(qū)域通信的無縫覆蓋。作戰(zhàn)態(tài)勢如圖2所示，環(huán)境設置包括1架直升機、4架無人機、1個地面指揮所和1輛無人機指揮車[3]。具體占位如下：直升機飛行高度100 m，無人機指揮車和地面指揮中心布置在同一個區(qū)域，在地面指揮中心的正北、正南、正東和正西4個方位各發(fā)射1架無人機，以5 km的高度，1 km的半徑盤旋，距離指揮中心200 km。

圖2 無人機中繼態(tài)勢構建Fig.2 Situation construction of UAV relay communication

無人機飛行時中繼通信覆蓋區(qū)域幾何簡化模型如圖3所示，無人機天線安裝在機腹，并向下全向輻射，飛行高度為H，地球半徑為R，中繼通信距離為d，則通信覆蓋區(qū)域DPE的面積可表示為

S=2πRh

(1)

式中：h為PF的長度，其算式為

h=(d2-H2)/(2H+2R) 。

(2)

天線輻射最小波束寬度可表示為

(3)

式中：

(4)

根據(jù)電磁波自由空間傳播經(jīng)驗模型可知

(5)

式中：h1為無人機飛行高度；h2為直升機飛行高度。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(5)可計算單架無人機的中繼覆蓋面積可達到345 000 km2，圖2所示的陰影區(qū)域通信面積可達644 348 km2。作戰(zhàn)態(tài)勢投影剖面如圖4所示，以O點為中心，1,2,3和4點布置無人機，則在ABCDEFGH圍成的區(qū)域內(nèi)，指揮中心都可以通過中繼無人機對直升機進行指揮，從投影剖面圖可以看出，通信距離覆蓋了中部戰(zhàn)區(qū)[4-8]。

圖3 無人機中繼幾何關系Fig.3 Geometric relation in UAV relay communication

由于4架無人機對稱占位，僅需對單架無人機和直升機的通信中繼能力進行驗證，如圖4綠色區(qū)域所示，從而推斷直升機和無人機態(tài)勢想定的合理性和可行性。

圖4 作戰(zhàn)態(tài)勢投影剖面圖Fig.4 Projection profile of operational situation

2.2 試驗安全分析

直升機和無人機在同一個試驗場進行試飛演示驗證，雖然不在同一個高度層上，但存在水平危險接近的情況。無人機在起飛、著陸及平飛過程中可能出現(xiàn)發(fā)動機空中停車，飛控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、通信鏈路失效等現(xiàn)象，存在墜落的可能性，對直升機造成安全威脅。圖5為直升機與無人機通信中繼試飛安全分析剖面圖，其中，x軸表示東向距離，y軸表示北向距離，z軸表示飛行高度，包含了無人機所有可能出現(xiàn)的故障情況[9]。

圖5 直升機與無人機飛行試驗安全分析Fig.5 Safety analysis of helicopter and UAV flight test

假設無人機在待戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)以O點為圓心，高度3 km，半徑1 km盤旋飛行。黑色實線表示無人機規(guī)劃的運動軌跡，紅色區(qū)域為無人機盤旋水平位置±50 m的偏差。

若此時飛控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)或舵機系統(tǒng)失效，無人機關閉發(fā)動機，應急開傘，無人機會降落在藍色圓環(huán)內(nèi)，該區(qū)域的內(nèi)半徑為1 km，外半徑為1.2 km。

若無人機盤旋期間發(fā)動機空中停車，則進行下述操作。

1) 如果通信鏈路正常，可操控無人機滑翔軌跡，無人機的滑翔比為8～10，下降3 km時，水平滑翔距離可達24 km，無人機最遠降落在灰色的區(qū)域內(nèi)；

2) 若通信鏈路失效：

① 若此時飛機姿態(tài)過大，俯仰角大于50°，無人機會應急開傘，降落在藍色區(qū)域；

② 若無人機姿態(tài)變化達不到開傘條件，會平穩(wěn)向下滑翔，此時需要考慮2個極端情況：將無人機視為一個質(zhì)點，它將會做平拋運動，根據(jù)運動學方程可計算出無人機會降落在紫色的區(qū)域，距離O點1.5 km；若無人機在理想情況下平穩(wěn)滑翔，它將會降落在灰色區(qū)域。綜上無人機將會降落在橘黃色區(qū)域內(nèi)。

由圖5可以看出，綠色區(qū)域為相對安全區(qū)，直升機可在該區(qū)域內(nèi)與無人機進行近距通信中繼試驗?？紤]風向時，無人機的盤旋選擇修風模式，出現(xiàn)發(fā)動機空中停車，飛控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、通信鏈路故障后，無人機運動方式需要x和y方向上加入風力的分量，使藍色、綠色、紫色、橘黃色和灰色區(qū)域同時移動，則直升機的飛行區(qū)域也需按照風向移動。

3 通信中繼試驗與評估

3.1 中繼通信試驗設計

直升機和無人機中繼通信包括2個試驗點，分別為話音中繼通信和數(shù)據(jù)中繼通信，需要在覆蓋范圍內(nèi)驗證直升機和無人機的中繼通信能力?？紤]無人機續(xù)航時間長、飛行成本低的特點，采用等效替換的原則，直升機單區(qū)域飛行，無人機由近及遠拉距試飛，又由于地面山脈建筑等遮擋，影響空地通信距離，則采用雙地面站進行指揮，中繼通信試飛方案設計示意圖如圖6所示。

圖6 中繼通信試飛方案設計示意圖Fig.6 Schematic diagram of flight test scheme for relay communication

無人機先起飛，起飛后飛向A點盤旋等待，直升機到達指定的試飛區(qū)域H后與地面S指揮所進行話音和數(shù)據(jù)通信。完成A點后，直升機盤旋等待，無人機飛向B點盤旋區(qū)，無人機到達試驗區(qū)后，直升機和地面S指揮所繼續(xù)通過無人機進行話音和數(shù)據(jù)通信。完成B點后，直升機原地等待，無人機飛向C點盤旋區(qū)，直升機和地面W指揮所進行話音和數(shù)據(jù)通信。完成C點后，直升機繼續(xù)盤旋等待，無人機飛向最后試驗點D，直升機和地面W指揮所進行話音和數(shù)據(jù)通信。完成D點后，直升機和無人機先后返回[10-11]。

3.2 中繼通信試飛驗證

無人機分別在試驗點A,B,C,D占位時，地面指揮所通過話音指揮直升機完成相應的操作，并向直升機發(fā)送指令。話音中繼通信演示驗證結果如表1所示，試驗結果表明,直升機能夠接收到地面指揮所的指令并完成相應動作，常規(guī)和抗干擾模式功能正常，通話音量和音質(zhì)較好，無失真現(xiàn)象發(fā)生，直升機和無人機話音中繼通信功能性能滿足使用要求；數(shù)傳通信中繼演示驗證結果如表2所示，試驗結果表明，直升機和地面指揮所能夠接收到雙方發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，沒有丟包和誤碼現(xiàn)象發(fā)生，直升機和無人機數(shù)據(jù)通信功能的性能滿足使用要求，直升機與無人機具備Ⅱ級協(xié)同能力[12-13]。

表1 話音中繼通信演示驗證結果

表2 數(shù)傳中繼通信演示驗證結果

3.3 中繼通信試驗評價

直升機和無人機Ⅱ級協(xié)同試驗不只表現(xiàn)在提高通信能力，更多表現(xiàn)在對作戰(zhàn)任務的啟發(fā)和對后續(xù)協(xié)同路線圖的影響，主要體現(xiàn)在以下幾點：

1) 解決了直升機超低空飛行無法遠距通信的問題，擴大了直升機的作戰(zhàn)半徑，增加縱深作戰(zhàn)距離；

2) 通過分析海量試驗數(shù)據(jù)，研究試驗過程中通信時延、丟包率、誤碼率等關鍵技術問題，評估了有人無人協(xié)同通信鏈路的可靠性，為實現(xiàn)直升機控制無人機的任務載荷(第Ⅲ級)和控制無人機飛行(第Ⅳ級)奠定了堅實的基礎；

3) 積累了寶貴的試驗經(jīng)驗，構建了有人無人同場次、同空域試飛安全體系，并形成了有人無人協(xié)同試飛的路線圖；

4) 衍生多種作戰(zhàn)想定，通過搭配使用不同型號的直升機和無人機，可使作戰(zhàn)剖面更加多元化，提高直升機和無人機混合編隊作戰(zhàn)的機動性和靈活性，提升了直升機的打擊能力和生存能力。

4 結束語

本文根據(jù)直升機和無人機的作戰(zhàn)特點，設計了直升機和無人機中繼通信試飛剖面，開展了多機編隊試驗的關鍵技術研究，對雙機Ⅱ級協(xié)同試驗進行了試驗點分解，完成了直升機和無人機中繼通信試飛演示驗證，具備Ⅱ級協(xié)同能力，對后續(xù)科研試飛具有指導和借鑒作用。

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