無(wú)人機(jī)空基回收技術(shù)研究

蜂群無(wú)人機(jī)是指能夠在有人操控或自主協(xié)同下開(kāi)展偵察、干擾和攻擊的無(wú)人機(jī)集群，其可以通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換信息，并根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際情況自主或接受外部指令確定作戰(zhàn)行動(dòng)。執(zhí)行的作戰(zhàn)任務(wù)主要包括壓制/摧毀敵防空系統(tǒng)、超視距作戰(zhàn)、協(xié)同偵察與打擊、棲息和凝視作戰(zhàn)、傳感器空中投放、反無(wú)人系統(tǒng)、機(jī)載分層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、武器系統(tǒng)作戰(zhàn)支持以及持續(xù)信息優(yōu)勢(shì)作戰(zhàn)等。

蜂群無(wú)人機(jī)一般采用空基集群發(fā)射和回收的方式，由運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)或轟炸機(jī)，將蜂群無(wú)人機(jī)帶到任務(wù)區(qū)域上，然后進(jìn)行空中集群投放，利用無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行偵察、干擾或打擊，任務(wù)結(jié)束后母機(jī)（一般由改裝后的運(yùn)輸機(jī)擔(dān)當(dāng)）對(duì)蜂群無(wú)人機(jī)進(jìn)行快速而又精準(zhǔn)的空基集群回收。無(wú)人機(jī)空基回收技術(shù)可以有效解決中小型無(wú)人機(jī)航程有限的固有劣勢(shì)，使其可以執(zhí)行較遠(yuǎn)距離的任務(wù)，發(fā)揮蜂群無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)。所以，無(wú)人機(jī)的空基回收技術(shù)是無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)實(shí)用化的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)。

空基回收發(fā)展歷程

空基回收的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段有人機(jī)空基回收，利用飛艇或者大型運(yùn)輸機(jī)轟炸機(jī)為母機(jī)，對(duì)有人機(jī)進(jìn)行空中回收；第二階段單架無(wú)人機(jī)空基回收；第三階段無(wú)人機(jī)集群空基回收。

有人機(jī)空基回收階段

為了給飛艇或者轟炸機(jī)護(hù)航，解決戰(zhàn)斗機(jī)由于航程短，無(wú)法執(zhí)行遠(yuǎn)程護(hù)航任務(wù)的問(wèn)題，早在一戰(zhàn)時(shí)期就開(kāi)發(fā)出了飛艇或者轟戰(zhàn)機(jī)作為母機(jī)，小型戰(zhàn)斗機(jī)作為子機(jī)的子母機(jī)組合，典型代表有美國(guó)在冷戰(zhàn)時(shí)期為了給遠(yuǎn)程轟炸機(jī)護(hù)航而研發(fā)的可掛載在B-29和B-36轟炸機(jī)上的XF-85“哥布林”戰(zhàn)斗機(jī)。戰(zhàn)斗機(jī)是由母機(jī)機(jī)腹下的伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)投放和回收，戰(zhàn)斗機(jī)的座艙前方安裝了一個(gè)可伸縮的鉤子用于回收?；厥者^(guò)程中，戰(zhàn)斗機(jī)從母機(jī)后下方接近，通過(guò)伸縮鉤勾住從母機(jī)機(jī)腹伸出的吊桿，隨后飛機(jī)被拉入母機(jī)機(jī)腹內(nèi)。

單架無(wú)人機(jī)空基回收階段

在20世紀(jì)60年代，為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、航天器返回艙和無(wú)人機(jī)快速、精確、可靠性的空中回收，發(fā)展了空中鉤取傘回收技術(shù)?？罩秀^取傘回收技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期，最早的空中鉤取傘回收一般由回收機(jī)、絞盤(pán)、鉤掛裝置、圓形降落傘系統(tǒng)組成，后來(lái)經(jīng)歷了滑翔翼傘、智能鉤爪兩次技術(shù)變革。由美國(guó)Vertigo公司和洛克希德·馬丁公司聯(lián)合研制了第三代的空基回收系統(tǒng)，其典型特征是采用智能鉤爪（如圖2所示），基本不需要對(duì)直升機(jī)進(jìn)行專門(mén)改裝。典型回收流程如下：（1）直升機(jī)低速靠近回收傘；（2）鉤爪靠近引導(dǎo)傘傘繩；（3）鉤爪感知到傘繩并自動(dòng)閉合，完成鉤掛工作；（4）直升機(jī)上升，收口裝置工作，翼傘排氣；（5）翼傘的收口排氣完成，直升機(jī)拖帶貨物運(yùn)輸至目的地。

無(wú)人機(jī)集群空基回收階段

隨著蜂群無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，無(wú)人機(jī)空基集群回收的需求變得十分迫切，典型的回收方式有撞網(wǎng)式回收、機(jī)械臂回收、穩(wěn)定拖靶回收、機(jī)械臂+穩(wěn)定拖靶回收。其中，機(jī)械臂+穩(wěn)定拖靶回收方式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)空基回收（“小精靈”空基發(fā)射/回收無(wú)人機(jī)項(xiàng)目），其他方式大部分處于概念設(shè)計(jì)和仿真階段。

現(xiàn)有無(wú)人機(jī)空基回收技術(shù)對(duì)比

蜂群無(wú)人機(jī)空基集群回收與普通的無(wú)人機(jī)空基回收相比，除了同樣要面對(duì)空中紊流、母機(jī)流場(chǎng)和自身性能等影響因素，最關(guān)鍵的不同點(diǎn)在于蜂群無(wú)人機(jī)空基回收需要解決“大量”的無(wú)人機(jī)在短時(shí)間內(nèi)快速回收的問(wèn)題（中小型無(wú)人機(jī)在回收階段剩余的航程航時(shí)有限）。因此，蜂群無(wú)人機(jī)空基回收還需要滿足快速、精準(zhǔn)、高效的要求。根據(jù)蜂群無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)對(duì)空基回收要求對(duì)以上回收方式進(jìn)行了梳理、總結(jié)和分析對(duì)比（見(jiàn)表1）。

蜂群無(wú)人機(jī)空基回收關(guān)鍵技術(shù)

回收裝置設(shè)計(jì)從上文中可以看出，每種回收方式都需要與其配套的回收裝置，回收裝置不但需要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的回收，還需要使回收區(qū)域盡量遠(yuǎn)離母機(jī)，在保證母機(jī)安全的同時(shí)，減小回收過(guò)程中母機(jī)流場(chǎng)的影響。回收裝置還需要克服引導(dǎo)信息誤差、大氣紊流和回收碰撞時(shí)產(chǎn)生的過(guò)載等問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高效、安全的回收無(wú)人機(jī)。目前典型的無(wú)人機(jī)空基回收裝置可以分為以下幾類(lèi)：使用橫桿/繩索的阻攔式回收；基于空中加油技術(shù)的穩(wěn)定錐套式（穩(wěn)定拖靶）回收；撞網(wǎng)式回收；使用氣壓或者電

磁的吸盤(pán)式回收。

回收過(guò)程航跡規(guī)劃

無(wú)人機(jī)空基回收航跡規(guī)劃需要考慮環(huán)境因素（各種威脅因素，禁飛因素，風(fēng)場(chǎng)大氣因素）和自身性能因素（末端精確引導(dǎo)方式，母機(jī)和無(wú)人機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑、俯仰角、飛行高度、飛行速度等）。在綜合考慮以上影響因素的基礎(chǔ)上建立合理的模型，使用最優(yōu)規(guī)劃算法，使得空間分布的蜂群無(wú)人機(jī)以最短的時(shí)間或最短的距離與母機(jī)匯合回收。

無(wú)人機(jī)空基回收航跡規(guī)劃可分為匯合階段和對(duì)接階段，其中無(wú)人機(jī)與母機(jī)的對(duì)接階段是一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，這是因?yàn)樽鳛槟笝C(jī)的運(yùn)輸機(jī)，比如C-130運(yùn)輸機(jī)最小平飛速度在270km/h左右，而旋槳式的小型無(wú)人機(jī)飛行速度最大約在170km/h左右。因此，當(dāng)蜂群無(wú)人機(jī)是螺旋槳式無(wú)人機(jī)時(shí)，母機(jī)和無(wú)人機(jī)速度是無(wú)法匹配。目前可行的辦法是Sun L ， Beard R W ， Colton M B等人提出了一種基于穩(wěn)定拖靶式空基回收的軌跡規(guī)劃方法，通過(guò)設(shè)置合適的纜繩長(zhǎng)度，母機(jī)盤(pán)旋半徑和飛行速度，使得回收對(duì)接拖靶在滿足需要的盤(pán)旋半徑和速度下穩(wěn)定飛行，便于無(wú)人機(jī)在輔助引導(dǎo)系統(tǒng)的幫助下與其對(duì)接。

回收引導(dǎo)技術(shù)

無(wú)人機(jī)空基回收需要克服大氣紊流、母機(jī)流場(chǎng)和母機(jī)無(wú)人機(jī)飛行性能的不利影響，需要高精度的引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)輔助引導(dǎo)。典型的無(wú)人機(jī)引導(dǎo)技術(shù)主要有：雷達(dá)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、差分GPS引導(dǎo)和視覺(jué)跟蹤引導(dǎo)等。在母機(jī)和無(wú)人機(jī)向指定空域匯合階段，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度要求不高，只需要工作范圍廣的引導(dǎo)方式（如差分GPS引導(dǎo)）使無(wú)人機(jī)按照預(yù)定航跡到達(dá)回收空域。在進(jìn)入對(duì)接階段后，需要高精度的引導(dǎo)方式（如激光、雷達(dá)、視覺(jué)跟蹤引導(dǎo)）引導(dǎo)無(wú)人機(jī)與回收裝置對(duì)接。因此，無(wú)人機(jī)空基回收一般使用的是組合式引導(dǎo)技術(shù)，數(shù)據(jù)處理方面一般采用多路（如GPS+視覺(jué)跟蹤兩路數(shù)據(jù)）多源（無(wú)人機(jī)、母機(jī)多路數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)融合的方式。

無(wú)人機(jī)回收控制方法

無(wú)人機(jī)空基回收的控制方法需要在外界強(qiáng)干擾條件下實(shí)現(xiàn)母機(jī)與無(wú)人機(jī)的精確對(duì)接，因此需要控制方法具有良好的抗干擾能力、魯棒性和閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性。由于無(wú)人機(jī)空基回收過(guò)程與無(wú)人機(jī)自主空中加油的匯合階段、跟蹤對(duì)接階段高度相似，因此可以借鑒無(wú)人機(jī)空中加油的控制方法。國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)人機(jī)空中自主加油對(duì)接控制的研究也比較多，比如Jiang Wang等人的基于L1神經(jīng)的新型自適應(yīng)控制方法，李大偉等人的基于粒子群算法的PID整定方法和Campa等人的基于GPS、圖像傳感器融合處理信息的一種魯棒控制器。

結(jié)束語(yǔ)

從文獻(xiàn)資料可以看出，目前國(guó)內(nèi)對(duì)蜂群無(wú)人機(jī)空基回收處在起步階段，但回收裝置的設(shè)計(jì)、回收航跡規(guī)劃、回收引導(dǎo)技術(shù)和無(wú)人機(jī)回收控制方法等關(guān)鍵技術(shù)飛速發(fā)展。特別是無(wú)人機(jī)空基回收技術(shù)和無(wú)人機(jī)空中加油技術(shù)有很多相似性，可以相互借鑒，相信不久的將來(lái)我國(guó)也能夠?qū)崿F(xiàn)蜂群無(wú)人機(jī)空基回收。