國(guó)外艦載無人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

李 強(qiáng)，張淑麗，蒙文鞏

（1.中國(guó)人民解放軍海裝艦船辦航空系統(tǒng)處，北京 100071；2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院五所，北京 100094）

1 引 言

無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、隱身性能好，可借助其上的偵察、干擾、通信等設(shè)備大大延伸艦船的作戰(zhàn)范圍。因此，相關(guān)國(guó)家都在大力推廣艦載無人機(jī)。然而，由于受到海浪、艦船、無人機(jī)性能、艦上著艦區(qū)氣流等因素的影響，艦載無人機(jī)起降極其復(fù)雜，如何引導(dǎo)其按要求的航跡飛行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起降是艦載無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是各國(guó)發(fā)展艦載無人機(jī)需要考慮的重點(diǎn)之一。

目前，艦載無人機(jī)的回收著艦方式主要有撞網(wǎng)回收[1]、自動(dòng)著艦[2，3]等方式。隨著無人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)能力要求的提高，無人機(jī)的質(zhì)量也越來越大，撞網(wǎng)回收已無法滿足中大型無人機(jī)的著艦需求。因此，自動(dòng)著艦已成為無人機(jī)回收的重要方式。艦載無人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展比較成熟的國(guó)家有美國(guó)、法國(guó)、奧地利等，采用的技術(shù)手段主要有雷達(dá)、光電和衛(wèi)星等。

雷達(dá)著艦引導(dǎo)是利用艦上安裝的雷達(dá)，測(cè)量無人機(jī)的高度、方位、速度等參數(shù)，通過解算處理，產(chǎn)生與理想著艦軌跡的誤差信息，并發(fā)送給無人機(jī)，控制無人機(jī)按預(yù)定軌跡下滑著艦。目前，采用雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)體制的無人機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要有美國(guó)Sierra Nevada公司的無人機(jī)通用自動(dòng)回收系統(tǒng)（UAV Common Automatic Recovery System，UCARS）[4，5]和法國(guó)DNCS公司開發(fā)的一種艦載無人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)D2AD。

光電著艦引導(dǎo)是以光電傳感器為基礎(chǔ)的著艦引導(dǎo)體制。由于光電具有分辨率高、抗電磁干擾、多徑效應(yīng)能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等一系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這種技術(shù)一出現(xiàn)就引起世界各國(guó)的關(guān)注，并表現(xiàn)出良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。目前采用光電引導(dǎo)技術(shù)體制的無人機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要是法國(guó)DNCS公司研制的SADA[6]自動(dòng)甲板起降系統(tǒng)、美國(guó)DRS公司研制的進(jìn)近著艦虛擬成像系統(tǒng)（Virtual Imaging System For Approach and Landing，VISUAL）[7]。

利用衛(wèi)星信號(hào)作為引導(dǎo)手段，是艦載無人機(jī)自動(dòng)起降技術(shù)的重要發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。作為一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS自建立以來給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來了巨大改變，它從根本上解決了各類導(dǎo)航和定位問題。其接收設(shè)備簡(jiǎn)單，無需龐大的地面設(shè)備，又可全球覆蓋。將GPS用于艦載機(jī)全自動(dòng)著艦引導(dǎo)，可降低著艦系統(tǒng)對(duì)艦島安裝尺寸和母艦電磁輻射特性的需求；可發(fā)揮GPS精確測(cè)量相對(duì)位置的優(yōu)勢(shì)，有效提高導(dǎo)航和定位精度，特別適合近距離的相對(duì)定位。因此，GPS在艦載無人機(jī)自動(dòng)著艦方面的應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。目前，采用衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)體制的無人機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要有法國(guó)SIREHNA公司研制的自主著艦系統(tǒng)（Automatic Decking System，ADS）[8]、美國(guó)的聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）[9，10]、奧地利S100型艦載無人機(jī)上使用的基于GPS自動(dòng)著艦系統(tǒng)[10]。

2 美國(guó)著艦引導(dǎo)技術(shù)

艦載無人機(jī)已成為美國(guó)海軍裝備的重要組成部分，其正在研制的火力偵察兵代表了艦載無人機(jī)的發(fā)展方向之一。艦載無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了美國(guó)無人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，且其技術(shù)最為成熟，可采用的技術(shù)手段包括雷達(dá)、光電、衛(wèi)星等。

2.1 UCARS無人機(jī)自動(dòng)回收系統(tǒng)

UCARS是美國(guó)Sierra Nevada公司研制的一種雷達(dá)引導(dǎo)體制無人機(jī)自動(dòng)起降系統(tǒng)，由艦載系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)兩部分組成。其中艦載系統(tǒng)用于定位并精確跟蹤無人機(jī)，提供無人機(jī)相對(duì)理想著艦點(diǎn)的相對(duì)位置。其雷達(dá)天線能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰和方位兩個(gè)方向上的跟蹤，具有較大的運(yùn)動(dòng)范圍，這樣可以在高海況下保障無人機(jī)自動(dòng)著艦。

艦載系統(tǒng)布置在飛行甲板上，或通過基座安裝在船上，如圖2所示。

圖1 UCARS艦載系統(tǒng)

圖2 UCARS在艦上的安裝方式

圖3 UCARS機(jī)載設(shè)備

機(jī)載系統(tǒng)主要部件為異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)，如圖3所示。

UCARS可在明朗天氣、霧、雨、夜間和多數(shù)海況下實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的起飛和回收；易與任意艦船和陸基無人機(jī)系統(tǒng)集成，可以應(yīng)用到幾乎所有的無人機(jī)；不需要外部額外的位置信息就能夠滿足甲板運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性要求，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

圖4 火力偵察兵艦載無人直升機(jī)

UCARS前后發(fā)展了UCARS-V1和UCARS-V2兩個(gè)版本。UCARS-V2是為保障諾·格公司RQ-8A火力偵察兵無人機(jī)的自動(dòng)著艦回收開發(fā)的。1996年9月開始，美國(guó)在馬里蘭州利用VC-6先鋒無人機(jī)成功完成了UCARS的地面和飛行試驗(yàn)；1997年1月在Shreveport上完成了UCARS的海上試驗(yàn)。UCARS與先驅(qū)者無人機(jī)的集成始于1997年，與掠奪者無人機(jī)的集成始于1998年。之后，UCARS完成了岸上和海洋環(huán)境下的20000次自動(dòng)著陸/著艦試驗(yàn)，包括在龐巴迪CL-227無人機(jī)上進(jìn)行的8次自動(dòng)起降試驗(yàn)。2006年1月，SNC宣稱在Nashville號(hào)軍艦上利用RQ-8A火力偵察兵完成了UCARS-V2的第一次自動(dòng)著艦試驗(yàn)。

2.2 VISUAL進(jìn)近著艦虛擬成像系統(tǒng)

為提高艦載機(jī)在復(fù)雜電磁環(huán)境、無線電靜默條件下的使用率，美國(guó)提出了對(duì)光電著艦引導(dǎo)技術(shù)的軍事需求。在此需求牽引下，20世紀(jì)80年代中后期，DRS公司為美國(guó)海軍研制了VISUAL光電著艦引導(dǎo)設(shè)備。該設(shè)備利用人眼安全激光測(cè)距、雙頻紅外輔助監(jiān)視等技術(shù)，提供艦載機(jī)的著艦信息。VISUAL已廣泛裝備于美軍現(xiàn)役航母上，還可在LHA/LHD兩棲攻擊艦上保障無人機(jī)著艦使用。

2.3 JPALS聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)

1996年5月，美國(guó)國(guó)防部提出基于衛(wèi)星導(dǎo)航的聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)（JPALS）研制計(jì)劃，以期實(shí)現(xiàn)三軍聯(lián)合、軍民融合，雷神公司負(fù)責(zé)具體技術(shù)開發(fā)。美軍對(duì)其使用的需求如下：

（1）可在現(xiàn)有軍事基地進(jìn)行精密進(jìn)近著陸；

圖5 美國(guó)VISUAL系統(tǒng)示意圖

（2）可在簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)快速部署，如伊拉克巴格達(dá)機(jī)場(chǎng)；

（3）可針對(duì)特殊軍事任務(wù)，如精確兵力投送；

（4）可引導(dǎo)有人艦載機(jī)和無人艦載機(jī)自動(dòng)著艦。

圖6 JPALS任務(wù)需求

2013年，美國(guó)X-47B艦載無人驗(yàn)證機(jī)在JPALS支持下，完成了首次著艦回收。

美國(guó)原規(guī)劃JPALS 2016年形成初始運(yùn)行能力（IOC），并裝備美軍艦?zāi)浮蓷襞?、瀕海戰(zhàn)斗艦等。但根據(jù)最新掌握的情況，目前JPALS仍在測(cè)試中，還沒實(shí)現(xiàn)初始運(yùn)行能力的目標(biāo)。

3 法國(guó)著艦引導(dǎo)技術(shù)

法國(guó)在艦載無人機(jī)自動(dòng)著艦技術(shù)方面的研究走在世界前列，技術(shù)手段包括光電、雷達(dá)和衛(wèi)星等。

3.1 SADA自動(dòng)甲板起降系統(tǒng)

SADA是法國(guó)DNCS公司開發(fā)的一種艦載無人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用紅外傳感器精確跟蹤無人機(jī)，同時(shí)發(fā)出飛行指令調(diào)整航線直到確保無人機(jī)的“魚叉”式著艦裝置對(duì)準(zhǔn)降落格柵的中心。

SADA能夠在5級(jí)海況下，在移動(dòng)的飛行甲板上保障無人機(jī)垂直起降，所需時(shí)間不到2分鐘。SADA的跟蹤精度為30cm，比僅使用GPS定位的系統(tǒng)精確很多，因此總的安全性和可靠性更有保障，從而克服目前無人機(jī)在海上進(jìn)行艦船回收面臨的技術(shù)難題，擴(kuò)大了無人機(jī)的部署。同時(shí)，SADA具有開放式體系結(jié)構(gòu)，能很容易地、不引起沖突地與任何垂直起降UAV和任意類型的艦船集成在一起。

2008年10月9日和10日，DCNS公司依靠SADA成功地使一架無人機(jī)以自動(dòng)模式在一艘正在地中海航行的法國(guó)海軍驅(qū)逐艦蒙特卡姆號(hào)（Montcalm）上完成降落。由于這項(xiàng)創(chuàng)新，DCNS能夠向海軍提供部署艦載無人機(jī)的綜合解決方案，包括任務(wù)規(guī)劃、發(fā)射、任務(wù)執(zhí)行和回收。因此該部分可用于垂直起降無人機(jī)與海軍艦船的使用集成。

3.2 D2AD無人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)

D2AD是法國(guó)DNCS公司開發(fā)的一種艦載無人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)，于2008年啟動(dòng)，致力于降低自動(dòng)起降系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，且能夠保證垂直起降無人機(jī)在艦上的安全使用。

D2AD包括機(jī)上和艦面兩部分。機(jī)上部分是無人機(jī)的指引標(biāo)，艦面部分在飛行甲板上使用傳感器進(jìn)行船體運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，是無人機(jī)的導(dǎo)航站，主要由雷達(dá)傳感器、魚叉系統(tǒng)、著艦管理操縱臺(tái)、D2AD模擬器組成。D2AD不依賴任何衛(wèi)星定位系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)著艦引導(dǎo)。

目前，法國(guó)武器裝備采辦總署及其工業(yè)合作伙伴DCNS公司和泰勒斯公司已經(jīng)完成了D2AD真實(shí)海洋環(huán)境下30次成功起降試驗(yàn)，并在拉斐特級(jí)護(hù)衛(wèi)艦上完成了海試，試驗(yàn)標(biāo)志著D2AD項(xiàng)目的技術(shù)驗(yàn)證成果。

圖7 D2AD艦面設(shè)備

圖8 D2AD海上試驗(yàn)情況

3.3 ADS自主著艦系統(tǒng)

目前，SIREHNA公司完成了一個(gè)為期三年的垂直起降無人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的演示驗(yàn)證項(xiàng)目。項(xiàng)目的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在5級(jí)海況下的自主著艦。ADS自主著艦系統(tǒng)就是該項(xiàng)目的產(chǎn)物。

ADS由分別安裝在艦上和機(jī)上的GPS/慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供連續(xù)并準(zhǔn)確的艦機(jī)相對(duì)位置信息，通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)艦機(jī)的信息傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的著艦引導(dǎo)。

SIREHNA公司已經(jīng)完成數(shù)值仿真試驗(yàn)、甲板傳感器試驗(yàn)、硬件閉環(huán)仿真試驗(yàn)、縮比物理仿真試驗(yàn)、全尺寸物理仿真試驗(yàn)。

4 奧地利著艦引導(dǎo)技術(shù)

奧地利在S100型艦載無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)了依靠GPS自動(dòng)起降。S100的地面/艦上控制設(shè)備主要包括控制站部分、數(shù)據(jù)鏈模塊、支持設(shè)備（如可選的掩蔽部、發(fā)電機(jī)）及其它可選組件等，如圖10所示。

當(dāng)控制站處在一個(gè)固定位置時(shí)，GPS基準(zhǔn)模塊提供坐標(biāo)信息使飛機(jī)導(dǎo)航更加精確，在移動(dòng)操作期間，也能提供控制站的位置信息，從而確保系統(tǒng)的可用性。

5 發(fā)展趨勢(shì)分析

著艦引導(dǎo)技術(shù)需要同時(shí)保障不同類型無人機(jī)的著艦使用。目前，艦載無人機(jī)由旋翼飛機(jī)向大型高速固定翼無人機(jī)發(fā)展，滿足不同的作戰(zhàn)使用需求。美國(guó)發(fā)展旋翼艦載無人機(jī)火力偵察兵，并同步開展X-47B艦載無人驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，目前調(diào)整為MQ-25黃貂魚艦載無人加油機(jī)項(xiàng)目，這對(duì)著艦引導(dǎo)技術(shù)提出了更高通用化的要求。基于衛(wèi)星的著艦引導(dǎo)技術(shù)已應(yīng)用于美國(guó)大型高速固定翼艦載無人機(jī)X-47B和奧地利旋翼艦載無人機(jī)的著艦回收。

多手段融合是艦載無人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展方向。雷達(dá)、光電、衛(wèi)星是艦載無人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的三種主要手段，各有特點(diǎn)。雷達(dá)技術(shù)相對(duì)成熟，但在無線電干擾、靜默情況下著艦引導(dǎo)使用受到限制；光電技術(shù)應(yīng)用普遍，但環(huán)境要求較高，在低能見度下著艦引導(dǎo)使用效果不佳；衛(wèi)星技術(shù)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，但嚴(yán)重依賴天基衛(wèi)星，信號(hào)完好性差，且容易受到干擾。為此，需要發(fā)展多種手段融合的著艦引導(dǎo)技術(shù)，形成技術(shù)體系，滿足不同的使用環(huán)境要求。

圖9 ADS功能及組成

多領(lǐng)域通用是艦載無人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要途徑。無人機(jī)在各領(lǐng)域的作用越發(fā)重要，如何形成通用的無人機(jī)優(yōu)勢(shì)以便快速部署，是當(dāng)前無人機(jī)發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)之一。為此，陸基與艦載無人機(jī)的通用化、快速銜接成為衡量其生命力的標(biāo)準(zhǔn)之一。與之對(duì)應(yīng)的著艦引導(dǎo)技術(shù)也要求具有較強(qiáng)的通用化，以降低成本和技術(shù)難度。美國(guó)JPALS同時(shí)發(fā)展了陸基和艦基兩個(gè)通用化版本。

圖10 S-100地面設(shè)備

6 結(jié)束語

隨著科技、經(jīng)濟(jì)、政治的發(fā)展，艦載無人機(jī)在維護(hù)海洋主權(quán)、發(fā)展海上經(jīng)濟(jì)、反恐等領(lǐng)域的作用越發(fā)重要。與陸基無人機(jī)著陸不同，艦載無人機(jī)需要在狹小、運(yùn)動(dòng)的艦船環(huán)境下完成著艦。如何安全、可靠著艦回收是發(fā)展艦載無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)予以突破。

美、法等國(guó)對(duì)艦載無人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的研究相對(duì)深入，技術(shù)成熟，設(shè)備齊全，手段多樣，代表了世界先進(jìn)水平，對(duì)發(fā)展艦載無人機(jī)具有重要借鑒意義。

海陸通用、海空通用是艦載無人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要方向，可同時(shí)滿足多種無人機(jī)自動(dòng)著艦、著陸使用需求。