无人直升机着舰引导技术

蓝启诚，赖水清

(1.海军装备部航空局，北京 100071；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

无人直升机着舰引导技术

蓝启诚1，赖水清2

(1.海军装备部航空局，北京 100071；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

论述了无人机着舰引导的方式、技术发展及优缺点，重点对各种引导方式在无人直升机着舰上的应用进行了阐述，并对无人直升机着舰引导的关键技术进行了分析。

无人直升机；着舰引导

0 引言

无人直升机具有垂直起降能力，不需要专用跑道及发射回收装置，可摆脱地形和天然、人工障碍的限制，在舰船上使用具有独特优势。另外，由于无人直升机低空低速的飞行特性，可接近或停留在其他常规平台难以接近和进入的区域，是水面舰艇编队低空侦察和打击的主要手段之一。因此，舰载无人直升机是我军水面舰艇作战系统必不可少的组成部分，可执行海战场侦察监视、目标指示、电子对抗、通信中继、运输补给、反潜反舰等任务，用途极广。

舰载无人直升机飞行过程可分为三个阶段：起飞、空中飞行和着舰。无人直升机着舰阶段的时间虽然只占整个飞行任务的5%左右，但许多飞行事故都是发生在着舰过程中。舰载无人直升机着舰过程中存在舰艇运动、甲板晃动、场地狭小、气象条件复杂多变等情况，如果无人直升机着舰引导与控制失误，将造成安全事故。有统计资料表明，无人直升机着舰过程的事故数占无人直升机任务飞行事故总数的80%以上。无人直升机要实现装舰并形成战斗力，需要解决其安全着舰问题，包括着舰引导和控制两个方面，即能在复杂海况下引导无人直升机飞临舰艇甲板上方并实现安全着舰。因此，无人直升机着舰引导技术已成为影响舰载无人直升机上舰使用的关键之一，能否安全可靠地实现无人直升机着舰也成为评价舰载无人直升机系统性能好坏的重要指标[1]。

无人直升机着舰引导技术是在固定翼机自动着舰引导技术的基础上发展而来的，随着舰载无人直升机的发展，无人直升机着舰引导技术发展迅速，目前国外采用的着舰引导方式可以分为三类，即雷达引导、卫星引导和光电引导。

1 雷达引导

雷达引导是利用舰上的着舰引导雷达测出机舰相对位置，将信息数据传送给无人直升机进行着舰引导。雷达导引设备主要由舰载应答式雷达和机载二次应答机组成，该方式具有全天候对目标进行搜索、截获和跟踪的能力，且因发射功率低和无线波束窄而不易被敌截获、发现和干扰。

雷达引导技术从20世纪50年代开始发展，目前已比较成熟，其中美国的雷达引导技术最先进。美国海军于1948年提出了舰载机全自动着舰的军事需求，随后开始了基于雷达引导的自动着舰技术研究。20世纪50年代研制了基于模拟计算机雷达引导的AN/SPN-10自动着舰引导系统，名义上是自动着舰系统，但不具备全自动着舰功能。20世纪60年代未，美国研制了基于数字计算机雷达引导的AN/SPN-42自动着舰引导系统，并在1970年至1982年间进行了4000余次飞行试验，大大提高了舰载机在航母上的着舰成功率。20世纪80年代初，美国在AN/SPN-42的基础上，又研制了改进型号，即AN/SPN-46，AN/SPN—46系统具有双波段自动捕获和精密跟踪能力，并在1984年由FA-18飞机进行了全自动着舰引导性能的验证试验。此后，以引导雷达为核心的全自动着舰引导系统在美国航母上广泛装备。

典型的无人直升机着舰雷达引导系统有美国Sierra Nevada公司的UCARS(UAV Common Automatic Recovery System)(图1-图5)和法国THALES公司的MAGIC ATOLS系统。UCARS系统采用高性能毫米波雷达作为测量设备，引导计算机作为解算控制设备，通过无线数据链引导无人直升机进行着舰。法国MAGIC ATOLS系统与UCARS系统类似，但采用不同的雷达设计。2006年1月，“火力侦察兵”无人直升机首次利用UCARS系统提供的精确定位信息在纳什维尔号上成功着舰[2]。

加拿大CL-227/327无人直升机采用应答式3毫米波雷达导引实现了自动着舰(图6)。

2 卫星引导

卫星引导是利用卫星全天候、高精度的三维定位与导航能力测量机舰相对位置，计算产生飞行控制所需的信息数据，实现着舰导引。卫星引导设备主要由机载卫星接收设备和舰载基准站组成，具有精度高，使用简单，成本低，不受时间、地点的制约等优点，但易受复杂电磁环境影响，战时使用不可靠。

美国GPS技术成熟，应用广泛，正在发展的基于GPS/INS组合导航的着舰引导系统，将成为美军下一代的着舰导引主要方式。1996年，美国国防部提出了“联合精密进近着陆系统”JPALS(Joint Precision-Approach and Landing System)研究计划，JPALS系统的目标是建设一个精确的、可快速部署的、抗天气和地形影响、易存活、易维护、具有互操作性的差分GPS着陆系统，支持陆基着陆阶段和舰基全飞行阶段运行，支持CAT I/II/III精密进近(图7)。JPALS将使飞机能够在世界上任何适当的陆地或海基表面降落，降低空间和能见度受限条件对着陆/着舰的影响。JPALS作为下一代进近和着陆系统，将为美军提供联合运行能力，以在任何环境下完成指定的常规和特殊任务[3]。

JPALS是一个以网络为中心的系统概念，支持陆地环境下着陆阶段和舰基条件下全飞行阶段的运行。JPALS将为军用和民用飞机提供精确导航数据，改善终端区域(包括进入、着陆、起飞、误失进场程序)飞行的安全性。应空军和海军的不同需求，JPALS发展了陆基(Land-based)和海基(Sea-based)两个不同的系统。海基JPALS系统通过双向数据通信实现在任何条件下覆盖370km范围，370km内的水平引导精度为5m；通过增补雷达和敌我识别系统数据实现93km的航母控制区域覆盖，93km内的水平引导精度为2m；在18.5km范围内提供精度达到15cm的360°全方位精密导航，为舰载机提供精度为10cm的着舰末端引导。历经18年，2014年完成了舰载JPALS系统的开发和演示验证，具备初始运行能力。

基于差分GPS和GBAS(Ground-Based Augmentation System)的无人直升机着舰引导方法在欧美广泛应用，以德国ASRTRIUM公司研制的DeckFinder无人直升机着舰引导系统为例，系统在甲板上安装6个舰面模拟“GPS卫星”信号发射器，在无人直升机上的GPS系统接受舰面GPS信号，为无人直升机提供精确位置和姿态信息，引导无人直升机着舰(图8)。

奥地利S100无人直升机采用基于差分GPS的卫星导引方式，在许多国家海军舰艇上实现了自动着舰(图9)。

GPS容易被干扰的特性，使得在战争时期存在不能使用的隐患，试验表明一台功率为30W的干扰机，即可使半径为150km范围内的GPS接收机受到干扰。在战争时期美国有可能关闭敏感地区的GPS卫星，或发射欺骗信号，从而使GPS接收机不能正常使用。同时民用型GPS接收机数据更新率为1s，不能满足数据更新速率10Hz以上的要求。

由于战时可能受到美国限制的巨大风险，对我国舰载无人直升机来说，GPS不适宜作为主要的着舰引导手段。我国的北斗定位系统也存在卫星信号易受干扰的问题，另外北斗最快数据更新速率为1s，同样不能满足10Hz以上的数据更新要求。待将来我国北斗卫星定位系统性能提升并广泛应用后，才有可能成为我国舰载无人直升机的主要着舰引导手段。

3 光电引导

光电导引是利用光电测量设备测量机舰相对位置，计算产生飞行控制所需的信息数据，实现着舰导引。该方式抗电磁干扰性强，可在无线电静默时工作，但其作用距离较近，一般用在无人机近舰精确测量与指示，或将其作为无人机备用着舰导引方式。

随着光电技术的发展，光电引导技术在着舰引导中逐渐得到应用，光电着舰引导主要有激光、红外和电视等引导方式，如美国正在研制的基于光电的进近着舰虚拟成像系统(VISUAL)，法国SADA无人机着舰引导系统等。除了激光、红外和电视等光电引导方式外，紫外引导作为一种新的引导方式正在得到发展和应用。

3.1 激光引导

激光引导采用激光照射无人机，由无人机上设定的标志将激光反射回来，通过返回时间测量无人机到系统的距离。激光引导设备主要由指向器(含激光测量部件)、辅助指向器、伺服机构等组成，可以提供精确的飞行器与着舰点相对位置信息，着舰导引精度高。

该方式的代表是瑞士RUAG公司研制的“目标定位跟踪系统”OPTAS(Object Position and Tracking System)，它是一套用于无人机的自动着陆/着舰系统，可对目标无人机的动态位置进行连续测量跟踪(图10)。位置测量数据传输到无人机控制系统后，用于速度或位置控制环路的反馈控制[4]。

激光引导最大的缺点是对天气的适应性不高，对于复杂天气环境(雨、雾、雪天)的使用限制比较大。同时由于激光的光束很窄，因此在测量时对跟踪系统的要求比较高，当同时处理多个目标时往往会造成混乱。

3.2 红外引导

红外引导是利用红外成像技术，由舰载红外成像系统对进入母舰一定区域内的无人机进行感应成像，通过图像处理解算出无人机的速度、姿态和位置等参数，反馈给机载飞控计算机实现着舰引导。

该方式的典型系统是法国DCNS公司的SADA自主甲板起降引导系统(图11)。系统主要由一对红外相机组成的双目视觉系统以及搭载相机转动的双自由度转台组成。系统通过观测无人机两侧的红外热源来捕获无人机，并计算无人机的三维空间位置和姿态，将其发送给机载飞控计算机。SADA具有开放式体系结构，通用性较强，引导精度为30cm，引导时间小于2min，能够引导各类无人机在任意舰船上着陆。据报道这也是世界上第一个通过双目视觉的方法来引导无人机着落的装置[5]。

SADA系统不但可以获取无人机的位置信息，还可以得到相应的姿态信息，这些信息可以在引导过程中帮助无人机在各种海况下平稳着舰。在2008年10月于法国Brest的测试中，该系统实现了引导S-100无人直升机在5级海况下于海军驱逐舰“蒙特卡姆”号上成功着舰(图12)。

红外引导的优点是安全可靠，不易暴露位置；缺点是红外成像系统在恶劣天气条件下，可能无法正常工作，且作用距离较近。

3.3 电视引导

电视引导是通过机载电视成像设备，扫描着舰点的“特定图形”，以电视视觉的方式分辨出“特定图形”，并计算出无人机与着舰点之间的相对坐标信息，以此完成着舰导引。该方式具有较强的抗电磁干扰性，隐蔽性强，但也存在导引距离短，受天气影响较大等缺点。

国外已经有许多科研机构从事无人机视觉引导技术的研究。美国加州大学伯克利分校研究的无人直升机视觉引导着陆系统，可使无人直升机的着陆精度达到轴向定位精度5cm，姿态角精度5°。美国南加州大学机器人嵌入式系统研究室研究开发的AVATAR微型无人直升机自主跟踪着陆系统，采用GPS与视觉引导相结合的方法，飞行试验表明，该视觉引导系统可使无人机的着陆平均定位精度达到40cm，方向角误差精度7°[6]。

视觉传感器具有轻便、低功耗、体积小等优点，此外，视觉引导系统的工作波段远离当前电磁对抗的频率范围，且精度适中，成本低。然而视觉引导系统还处于理论研究和工程实践阶段，目前还未有列装的报道。另外，视觉引导系统易受气象条件的影响，且工作于近舰距离，在远方必须依靠卫星定位或者雷达导航系统进行引导，不能单独完成无人机着舰任务。

3.4 紫外引导

与激光、红外和电视引导相比，紫外引导作为一种新型光电着舰引导技术，引导精度高，目标特征明显，抗干扰能力强，选择性好，正在逐渐得到重视和开发应用。

紫外引导是利用波长范围大约为200nm～285nm的紫外光信号进行成像，通过图像处理解算机舰相对位置用于着舰引导。来自太阳的该波段紫外光在穿越大气层过程中被臭氧层彻底吸收，在地面附近完全探测不到该波段光信号，即所谓的“日全盲”紫外光。正是由于“日全盲”的特性，自然界中没有该波段光源，使用该波段紫外光作为探测手段，与可见光、红外光相比，具有选择性好、隐蔽性强、抗干扰能力高的特点，可更好地用于复杂气象条件下的着舰引导，是一种新型有效的无人机着舰引导手段[7]。

紫外导引系统主要由机载紫外成像设备与舰面紫外光源组成。紫外光源信标布置于舰艇甲板，其发出的紫外光信号被无人机上的置于吊舱中的紫外成像设备捕捉，经图像处理得出机载相对位置与姿态数据，通过链路传递给机载飞控系统进行着舰引导(图13)。

4 无人直升机着舰引导关键技术

无人直升机着舰引导方式有多种，每种着舰引导方式都具有相应的独特关键技术，如雷达技术、卫星技术、光电测量技术、光电成像与解算技术等，除此之外，还存在一些共性的关键技术，如着舰引导过程仿真分析、引导信息处理、多目标着舰引导等技术。

1) 着舰引导过程仿真分析

无人直升机着舰引导是否安全可靠，需要进行精确的着舰引导过程动态仿真分析，验证引导信息的精度、更新率等是否满足要求，以保证实际着舰飞行的安全。精确的着舰引导过程动态仿真需要建立准确的舰船运动模型。舰船的运动包括三个自由度的进动、三个自由度的绕动，不同自由度上的运动方式对着舰的影响程度并不相同，例如舰面的升沉运动对近距离着舰目标的影响较大，对升沉的幅度估计错误会导致无人直升机撞击到舰船尾部或飞越着舰点，导致着舰失败。另外还需要建立合理的飞行控制模型，利用该模型可以获得引导信息输入与位置运动参数之间的关系。

舰载无人直升机着舰的过程可以划分为远距着舰进近与近距着舰引导两个阶段，当目标距离着舰点较远时，主要目的是将无人直升机引导到一个合适的着舰窗口内，而无需过于精确的舰面位置信息。而对于近距着舰引导过程，需要深入分析引导信息的精确性、更新率、可靠性等对着舰过程的影响。

舰载无人直升机着舰引导区划分如图14所示，着舰引导区应该是一个以着舰点为顶点的椭圆锥区域，锥形轴向就是理想下滑线，锥形区域张角与着舰引导误差、无人直升机着舰指标相关，张角越小，对着舰引导系统的要求就越高。从图中可以看出，随着无人直升机逐步靠近着舰点，其引导区间逐步缩小，或者说随着无人直升机靠近着舰点，要逐步提高着舰引导系统的引导精度才能满足要求。

图15给出了下滑面内下滑线误差示意图，假定AB为着舰平面，而理想着舰点为C点，理想下滑角度为θ0，理想下滑线为CM。然而由于舰面AB的运动以及引导系统的误差，实际的下滑角在[θmin,θmax]区间内，并且着陆点也可能偏离了C点，那么真实的着陆点位置可能位于Δx范围以内的某一点，因此可以定义一个虚拟点O，只要将无人直升机下滑面引导至OL和OH之间的范围，就可以满足下滑要求。对于航向面的误差分析类似。

2) 引导信息处理

引导信息包括测量得到的目标位置、速度信息以及舰面运动参数等，这些信息并不能直接上传到无人直升机进行引导，而应该进行适当的处理，一方面可以减小某些测量误差，另一方面可以减轻机载飞控计算机负荷。

引导信息处理的目的是让无人直升机获取偏离理想航道的位置偏差信息，使得无人直升机能够适当地调整，并逐步靠近理想下滑线。然而由于舰面运动，理想下滑线也会发生变动。当无人直升机距离着舰点较远时，理想下滑线跟随舰面运动的幅度会发生放大效应，即在远距离下滑区间内，理想下滑线的运动幅度较大，那么无人直升机位置与理想下滑线的误差幅度将非常之大，甚至会导致无人直升机飞控系统无法工作。当无人直升机处于远距离下滑区间时，主要关心的是着舰点的大致位置，此时的主要目的是将无人直升机逐步引导到近距离引导区内。因此可以对理想下滑线基准信号进行平滑处理。而当无人直升机进入近距离引导区时，引导信息应提供足够高的导航精度，甚至还需要对舰面运动进行预测。

引导信息的处理方式与目标距离有关，如图16所示(字母的定义参见图15)。由于舰面的运动，着舰窗口中心位置可能会随着舰过程而发生变化，而且距离着舰点越远，其动态范围越大。让机载飞控系统跟踪着舰窗口中心是实现着舰引导的最直接方式，但是由于在远距离着舰窗口中心的运动范围较大，如图16虚线所示，可能会导致无人直升机飞控系统无法跟踪，但在此时无人直升机对窗口中心的位置误差大小并不敏感，因此可以在此时适当降低引导信息的精确度。而当无人机进入近距离引导区时，就应该提高引导精确度。但此时由于飞机距着舰点较近，因此着舰窗口中心的变化幅度较小，机载飞控系统可以跟踪这种变化。

3) 多目标着舰引导

在具体的使用过程中，还需考虑引导多个批次的无人直升机着舰的问题。当着陆区域存在多个待着舰的无人直升机时，首要问题是舰面系统能够将测量得到的距离、方位信息与各无人直升机一一对应。为此考虑伪随机编码方式，保证多个应答信号之间的正交性，即当获知某个无人直升机进入了着陆区间，舰面询问脉冲就给其分配一个编号，这种编号是动态分配的，即一旦无人直升机完成着舰过程，该编号自动失效，从而可以分配给其他的无人直升机使用。无人直升机接收到该编号信息，就可以此编号生成一个伪随机编码作为无人直升机应答信号的特征信息，舰面引导系统通过分析这个伪随机编码特征来唯一指定无人直升机。

5 结束语

随着舰载无人直升机的发展，无人直升机着舰引导技术也在同步发展，在雷达、卫星、光电引导技术的基础上，一些新的着舰引导手段，如各种不同光电的组合引导手段不断出现，特别是基于雷达/卫星/光电多手段融合的着舰引导技术正在趋于成熟，逐渐形成雷达、卫星、光电等多种手段融合的着舰引导能力，这些新着舰引导技术的发展，必将大大增强无人直升机的着舰引导能力，提高着舰安全可靠性，这也是无人直升机着舰引导技术的发展方向。

[1] 肖旷明，于鹏宇．舰载无人机作战使用及关键技术[J]．飞航导弹，2008(3)：7-9.

[2] 徐产兴．舰载机着舰引导雷达系统[J]．现代舰船，2003(4)：36-38.

[3] 黄士飞，钟兴泉．全自动着舰引导系统展望[J]．现代导航，2014(1)：74-78

[4] 拜 斌，吴文海，曲志刚．光电着舰引导设备激光单元作用距离研究[J]．应用光学，2013(1)：178-183

[5] 杜 晶，雷士辉，周 翔．基于红外探测技术的无人机视觉引导助降系统[J]．计算机工程，2013(7)：243-247.

[6] 陈 杰，王日胜，蒋玉峰．基于ARM的小型电视引导察打一体无人机任务控制系统设计与实现[J]．科技导报，2013(1)：29-34

[7] 丁宸聪．基于紫外成像引导技术的无人机自主着舰研究[J]．光电技术应用，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

蓝启诚(1981-)，男，福建上杭人，硕士，工程师，主要研究方向：舰船航空工程。

1673-1220(2017)01-059-07

V249.3； V279

A