國外艦載無人機著艦引導技術發(fā)展現(xiàn)狀

李 強，張淑麗，蒙文鞏

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

1 引 言

無人機機動靈活、隱身性能好，可借助其上的偵察、干擾、通信等設備大大延伸艦船的作戰(zhàn)范圍。因此，相關國家都在大力推廣艦載無人機。然而，由于受到海浪、艦船、無人機性能、艦上著艦區(qū)氣流等因素的影響，艦載無人機起降極其復雜，如何引導其按要求的航跡飛行實現(xiàn)自動起降是艦載無人機的關鍵技術之一，也是各國發(fā)展艦載無人機需要考慮的重點之一。

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

雷達著艦引導是利用艦上安裝的雷達，測量無人機的高度、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，控制無人機按預定軌跡下滑著艦。目前，采用雷達引導技術體制的無人機著艦引導系統(tǒng)主要有美國Sierra Nevada公司的無人機通用自動回收系統(tǒng)（UAV Common Automatic Recovery System，UCARS）[4，5]和法國DNCS公司開發(fā)的一種艦載無人機自動著艦系統(tǒng)D2AD。

光電著艦引導是以光電傳感器為基礎的著艦引導體制。由于光電具有分辨率高、抗電磁干擾、多徑效應能力強、體積小、質(zhì)量輕等一系列技術優(yōu)勢，這種技術一出現(xiàn)就引起世界各國的關注，并表現(xiàn)出良好的應用和發(fā)展前景。目前采用光電引導技術體制的無人機著艦引導系統(tǒng)主要是法國DNCS公司研制的SADA[6]自動甲板起降系統(tǒng)、美國DRS公司研制的進近著艦虛擬成像系統(tǒng)（Virtual Imaging System For Approach and Landing，VISUAL）[7]。

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

2 美國著艦引導技術

艦載無人機已成為美國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的發(fā)展方向之一。艦載無人機的廣泛應用，促進了美國無人機自動著艦引導技術的發(fā)展，且其技術最為成熟，可采用的技術手段包括雷達、光電、衛(wèi)星等。

2.1 UCARS無人機自動回收系統(tǒng)

UCARS是美國Sierra Nevada公司研制的一種雷達引導體制無人機自動起降系統(tǒng)，由艦載系統(tǒng)和機載系統(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，提供無人機相對理想著艦點的相對位置。其雷達天線能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰和方位兩個方向上的跟蹤，具有較大的運動范圍，這樣可以在高海況下保障無人機自動著艦。

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機載設備

機載系統(tǒng)主要部件為異頻雷達收發(fā)機，如圖3所示。

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

圖4 火力偵察兵艦載無人直升機

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

2.2 VISUAL進近著艦虛擬成像系統(tǒng)

為提高艦載機在復雜電磁環(huán)境、無線電靜默條件下的使用率，美國提出了對光電著艦引導技術的軍事需求。在此需求牽引下，20世紀80年代中后期，DRS公司為美國海軍研制了VISUAL光電著艦引導設備。該設備利用人眼安全激光測距、雙頻紅外輔助監(jiān)視等技術，提供艦載機的著艦信息。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著艦使用。

2.3 JPALS聯(lián)合精密進近著陸系統(tǒng)

1996年5月，美國國防部提出基于衛(wèi)星導航的聯(lián)合精密進近著陸系統(tǒng)（JPALS）研制計劃，以期實現(xiàn)三軍聯(lián)合、軍民融合，雷神公司負責具體技術開發(fā)。美軍對其使用的需求如下：

（1）可在現(xiàn)有軍事基地進行精密進近著陸；

圖5 美國VISUAL系統(tǒng)示意圖

（2）可在簡易機場快速部署，如伊拉克巴格達機場；

（3）可針對特殊軍事任務，如精確兵力投送；

（4）可引導有人艦載機和無人艦載機自動著艦。

圖6 JPALS任務需求

2013年，美國X-47B艦載無人驗證機在JPALS支持下，完成了首次著艦回收。

美國原規(guī)劃JPALS 2016年形成初始運行能力（IOC），并裝備美軍艦母、兩棲攻擊艦、瀕海戰(zhàn)斗艦等。但根據(jù)最新掌握的情況，目前JPALS仍在測試中，還沒實現(xiàn)初始運行能力的目標。

3 法國著艦引導技術

法國在艦載無人機自動著艦技術方面的研究走在世界前列，技術手段包括光電、雷達和衛(wèi)星等。

3.1 SADA自動甲板起降系統(tǒng)

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

SADA能夠在5級海況下，在移動的飛行甲板上保障無人機垂直起降，所需時間不到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在海上進行艦船回收面臨的技術難題，擴大了無人機的部署。同時，SADA具有開放式體系結構，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以自動模式在一艘正在地中海航行的法國海軍驅(qū)逐艦蒙特卡姆號（Montcalm）上完成降落。由于這項創(chuàng)新，DCNS能夠向海軍提供部署艦載無人機的綜合解決方案，包括任務規(guī)劃、發(fā)射、任務執(zhí)行和回收。因此該部分可用于垂直起降無人機與海軍艦船的使用集成。

3.2 D2AD無人機自動著艦系統(tǒng)

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

D2AD包括機上和艦面兩部分。機上部分是無人機的指引標，艦面部分在飛行甲板上使用傳感器進行船體運動預報，是無人機的導航站，主要由雷達傳感器、魚叉系統(tǒng)、著艦管理操縱臺、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)無人機的自動著艦引導。

目前，法國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真實海洋環(huán)境下30次成功起降試驗，并在拉斐特級護衛(wèi)艦上完成了海試，試驗標志著D2AD項目的技術驗證成果。

圖7 D2AD艦面設備

圖8 D2AD海上試驗情況

3.3 ADS自主著艦系統(tǒng)

目前，SIREHNA公司完成了一個為期三年的垂直起降無人機自動著艦系統(tǒng)的演示驗證項目。項目的主要目標是實現(xiàn)無人機在5級海況下的自主著艦。ADS自主著艦系統(tǒng)就是該項目的產(chǎn)物。

ADS由分別安裝在艦上和機上的GPS/慣性導航組合導航系統(tǒng)提供連續(xù)并準確的艦機相對位置信息，通過數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)艦機的信息傳輸，從而實現(xiàn)對無人機的著艦引導。

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

4 奧地利著艦引導技術

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

當控制站處在一個固定位置時，GPS基準模塊提供坐標信息使飛機導航更加精確，在移動操作期間，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)展趨勢分析

著艦引導技術需要同時保障不同類型無人機的著艦使用。目前，艦載無人機由旋翼飛機向大型高速固定翼無人機發(fā)展，滿足不同的作戰(zhàn)使用需求。美國發(fā)展旋翼艦載無人機火力偵察兵，并同步開展X-47B艦載無人驗證機項目，目前調(diào)整為MQ-25黃貂魚艦載無人加油機項目，這對著艦引導技術提出了更高通用化的要求。基于衛(wèi)星的著艦引導技術已應用于美國大型高速固定翼艦載無人機X-47B和奧地利旋翼艦載無人機的著艦回收。

多手段融合是艦載無人機著艦引導技術的發(fā)展方向。雷達、光電、衛(wèi)星是艦載無人機著艦引導技術的三種主要手段，各有特點。雷達技術相對成熟，但在無線電干擾、靜默情況下著艦引導使用受到限制；光電技術應用普遍，但環(huán)境要求較高，在低能見度下著艦引導使用效果不佳；衛(wèi)星技術設備相對簡單，但嚴重依賴天基衛(wèi)星，信號完好性差，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技術，形成技術體系，滿足不同的使用環(huán)境要求。

圖9 ADS功能及組成

多領域通用是艦載無人機著艦引導技術發(fā)展的重要途徑。無人機在各領域的作用越發(fā)重要，如何形成通用的無人機優(yōu)勢以便快速部署，是當前無人機發(fā)展的關注點之一。為此，陸基與艦載無人機的通用化、快速銜接成為衡量其生命力的標準之一。與之對應的著艦引導技術也要求具有較強的通用化，以降低成本和技術難度。美國JPALS同時發(fā)展了陸基和艦基兩個通用化版本。

圖10 S-100地面設備

6 結束語

隨著科技、經(jīng)濟、政治的發(fā)展，艦載無人機在維護海洋主權、發(fā)展海上經(jīng)濟、反恐等領域的作用越發(fā)重要。與陸基無人機著陸不同，艦載無人機需要在狹小、運動的艦船環(huán)境下完成著艦。如何安全、可靠著艦回收是發(fā)展艦載無人機的關鍵技術，應重點予以突破。

美、法等國對艦載無人機著艦引導技術的研究相對深入，技術成熟，設備齊全，手段多樣，代表了世界先進水平，對發(fā)展艦載無人機具有重要借鑒意義。

海陸通用、海空通用是艦載無人機著艦引導技術發(fā)展的重要方向，可同時滿足多種無人機自動著艦、著陸使用需求。