无人机自动着陆技术浅析

傅 飞，汪 海

（航空工业洪都，江西 南昌， 330024）

0 引言

无人机作为多次使用的作战平台，必须具备可多次完成自主起飞/着陆的任务，同时为了适应未来复杂战场环境，如：复杂气象条件、简易机场设施、电磁干扰、夜航等，无人机应具有全天候、自动起飞和自动进场着陆的能力。

相对起飞而言，无人机着陆是一个更为复杂的飞行过程，它要求在低空、低速、大迎角的情况下，精确控制无人机的姿态和轨迹，尤其是在终端着陆时，无人机的所有状态都必须保持高度精确，直到无偏差地在一个规定的点上接地。

由于无人机在着陆时，操纵复杂，地面干扰因素多，发生事故的概率比正常飞行时高出好几倍。 所以，具有自动着陆能力的无人机比普通的无人机更能够适应作战环境的要求。尤其在作战环境下，机场设施遭受毁坏或受到干扰时，更能体现自动着陆的重要意义。

1 自动着陆技术的发展

自动着陆技术发展源自20 世纪50 年代英、美等国开展的全天候着陆技术研究，英国多雾的天气促使这项技术首先在英国受到重视。 当时，以英国皇家飞机公司的盲降实验机构为代表，进行了自动着陆基本原理方案的探讨， 并开展了上万次的自动着陆试验，目的是改善自动驾驶仪与仪表着陆系统耦合器、无线电高度表及方位引导系统。

20 世纪60 年代，英美航空公司先后为他们的民航运输机研制了全天候着陆系统，并开始逐渐付诸实际应用。在这一时期，研究人员将仪表着陆系统（ILS）作为标准的进场和着陆设备，集中考虑多重系统的研制，提升系统的可靠性，侧重解决了以下几个方面的问题①仪表着陆系统作为进场导引系统的合理性及生命力；②低能见度环境下系统工作安全性要求的定量化；③外界干扰(无线电干扰、各种风干扰)的限制等。 之后，仪表着陆系统有了明显的改进，事实上，今天的仪表着陆系统在可靠性和完善性等方面， 都已达到了完全允许进行Ⅲ自动着陆的水平。

然而，ILS 所能提供的服务能力，在一定程度上取决于外部因素如台站附近的建筑物、树木、起伏不平的地形以及低空飞行的飞机等干扰的影响，使其发射的波束产生强烈的噪声电平或波束弯曲。这种系统只能提供单一而又固定的进场航线，从根本上限制了诸如曲线进近、分段进近和大下滑角进近等多种灵活的进近方式的使用。

针对ILS 的不足，人们开始探寻新的进场着陆设备，1972 年，ICAO （国际民航组织，International Civil Aviation Organization）提出了关于新型非目视精密进场和着陆系统的技术要求。 1978 年，ICAO 全天候运行专家小组决定采纳美国/澳大利亚的时基扫描波束技术作为进场和着陆的新标准设备，这就是微波着陆系统(MLS)。 与ILS 相比，MLS 具有很多优越性，例如准确的进场和精密的着陆能力、分段和曲线进近能力，性能稳定，易于维护保养等。

然而，由于研制和推广MLS 所造成的延误以及新的替代技术的出现，MLS 未能取代ILS 获得大规模应用。 2000 年后，全球导航卫星系统（GNSS）技术的发展迅速，在导航领域发挥着越来越重要的作用，它将空中交通管理、导航、监视系统综合起来，发展出新型的先进飞行管理系统， 充分利用卫星资源， 建立空地数据链，依靠卫星导航实现区域导航和飞机进场着陆。这就是卫星着陆系统（GLS），它的优点有①系统设备简单，对地面场站无特殊要求；②导航数据来自飞机自身，主动进场着陆， 其工作容限仅受着陆飞机最小间距的限制；③工作覆盖区大，能引导飞机沿曲线，分段和全方位进场；④它可提供多种下滑道，适合各种机型以不同的下滑角度着陆，并可同时导引多架飞机着陆；⑤它与仪表着陆系统和微波着陆系统兼容，互不干扰。

GLS 与其他着陆系统兼容、互不干扰的优点，使得各国对其开展了广泛的研究，结合其他着陆引导系统采用多传感器数据融合技术，组成多模式着陆系统已是发展必然。

无人机设计基本要求就是具备自主导航控制能力，因此，无人机在GLS 方面具有天然的优势。 国外典型的无人机基本都采用了GLS 着陆技术， 一些对着陆点要求较高的无人机还组合了光学导引系统、地面控制进场（GCA）等技术。国外典型无人机的起飞着陆方式及导引体制如表1 所示。

表1 国外典型无人机的起飞着陆方式及导引体制

2 无人机自动着陆技术简析

2.1 无人机理想着陆方式

无人机着陆要考虑到跑道、速度以及自身的位置和姿态，任何一项要素的误差都有可能使飞机着陆发生事故，从而导致着陆失败。 为了保证飞机的理想着陆，需要满足以下几点：

1） 地速与跑道中心线方向一致， 航迹方位角为零，保证飞机着陆接地的时候可以沿着跑道中心线滑行，防止飞机因速度方向偏离而划出跑道。

2） 机体轴与跑道中心线方向一致，偏航角为零。如果无人机着陆时存在一定的偏航角，那么接地之前就要进行反偏航机动。

3） 机翼处于水平位置，飞机滚转角为零，避免飞机翼尖触地。

4） 无人机对于跑道中心线的侧偏为零。 因为机场跑道的宽度是有限的，如果无人机的位置相对于跑道中心线存在一定的侧偏，而且这个侧偏超过一定的数值，那么无人机在着陆的时候就有可能不能落在跑道上。

对于无人机的理想着陆方式来说，上述四点都是必须满足的。 但对于有侧风的情况，这四点就不能全部满足了，除非改变无人机的气动布局，如加入垂直鸭翼等直接侧力控制面。

2.2 无人机理想着陆过程

无人机在完成飞行任务之后，将进入进场着陆过程。 无人机将切入下滑轨迹，沿轨迹剖面飞行直至触地。全部过程可以分为进场飞行段、直线下滑段、末端拉平段和地面滑跑段四个阶段。无人机进场着陆轨迹如图1 所示，具体过程如下。

图1 着陆过程轨迹图

1） 进场飞行段

在收到遥控回收指令或者航路预设的回收指令后，无人机将根据当前飞行状态来调整飞行高度。 当达到预先设定的进场高度后， 无人机将保持平飞，并修正对跑道中心线的误差，直到进入轨迹捕获区。 无人机在进入轨迹捕获区后切换到直线下滑段， 这时高度保持系统将自动断开，无人机进入直线下滑段。

2） 直线下滑段

无人机直线下滑过程中，主要跟踪轨迹曲线，使无人机按照设定的轨迹角下滑。与此同时，控制系统要修正无人机的侧滑角和侧风干扰引起的轨迹偏差，使无人机对准跑道中心线。

在直线下滑段要注意以下几点：

（1）无人机由水平飞行过渡到沿下滑线进场，首先要控制飞机断开高度保持系统，并以固定的下滑角下滑。

（2）当飞行在下滑线上，可以通过微量调节发动机推力来保持速度。

（3）在拉平期间，飞行轨迹向上偏，这时升降舵上偏，迎角增大，升力增大，航迹倾斜角亦增加，速度的垂直分量变小。最后无人机才可以合适的垂直速度接地。

由于下滑轨迹线是相对于机场跑道的，无人机在着陆过程中，其高度的控制与无人机到跑道的距离是密切相关的，无人机只有很好地跟踪下滑轨迹线所规定的高度剖面，才能实现成功着陆。

3） 末端拉平段

为了减小接地速度，当飞行高度降低到接近地面时，必须在一定高度上减小航迹倾斜角，使飞机沿曲线运动拉起，此阶段称为“拉平”。 拉平轨迹是一段比较平滑的曲线。这一段飞行的目的是使无人机从低头下滑状态逐渐变成平飞状态，在拉平段要使无人机不断减速。拉平段主要是控制无人机的纵向姿态角和飞行高度。

目前常用的拉平轨迹主要有以下几种：

（1）下降速率是时间的函数

这种控制律方案在拉平时需要进行一些调整，以获得需要的初始下降速率或飞行的地速。同时采用这种控制律方案需要无人机在特定的高度开始拉平才能工作。 此外，由于拉平开始阶段初始高度和下降速率的获得都需要无线电高度表， 因此设备简单时，这种方案不能使用。 并且，采用这种控制方案着陆精度比较差，所以随着对飞机着陆精度要求的提高，这种方法已经很少采用。

（2）指数拉平轨迹

目前在自动着陆中最常用的就是这种指数拉平轨迹，指数拉平的设计思想是使飞机的垂直下降速率随着高度的下降而相应减小，它反映了高度和下降速率之间一种固定比例关系。因此，在接地时，飞机有固定的下降速率。如果飞机的下降速率指令能够被实时跟踪，则拉平高度和下降速率在时间上成指数规律减小。采用这种方案，随着飞机速度的不同，拉平初始高度也不同。 另外，风的扰动经常会造成下降速率的变化，从而造成拉平初始高度的变化，使得拉平的距离发生变化，难以实现定点着陆。 但是这种控制律方案较易实现，且精度较高。

（3）拉平高度是沿跑道距离的函数

这种拉平控制律又分为两种：一种是变时间常数的拉平控制律，另一种是固定轨迹的拉平控制律（四次拉平曲线拉平控制律）。 对于变时间常数的拉平控制律，它令高度增益正比于飞行速度，使得拉平时间常数反比于飞行速度，从而排除了无人机速度变化对拉平初始高度和接地位置的影响，使得飞机能沿着一条固定的轨迹着陆，对于固定轨迹拉平控制律，拉平轨迹是下滑线的延伸，包括拉平初始点在内的固定轨迹每一个点相对于计算着陆点有完全确定的位置。这种拉平方案的特点是所需拉平时间较短、容易较快达到所需接地速度。

4） 地面滑行段

无人机起落架主轮接触地面，继而前轮着地直到无人机静止在跑道上就是滑跑阶段，当机轮接触地面后，可采用主轮刹车方法减少滑行距离。 在滑行过程中为了使无人机沿跑道中心线直线滑行，无人机可以采用左或右机轮点刹车的方法来修正滑行中对跑道中心线的偏差。

2.3 无人机着陆不确定因素

无人机在自动着陆过程中也存在很多不确定因素，从控制系统的角度来讲，需要考虑气动数据的不确定性、着陆质量的不确定性、发动机推力的不确定性、机体的不对称性（附加滚转力矩）、附加偏航力矩、定位误差的不确定性、地面效应的影响以及风的影响等。 另外，从下滑轨迹剖面的设计角度也应该考虑这些不确定性因素的影响。

气动数据的不确定性包括： 升力系数的不确定、阻力系数的不确定、俯仰力矩系数的不确定、侧力系数的不确定、偏航力矩系数的不确定和滚转力矩系数的不确定。 升力、阻力系数不仅影响控制系统的鲁棒性，还影响了轨迹剖面轨迹倾斜角的范围。

着陆质量的不确定性主要考虑不同时刻不同情形着陆时的质量不同。质量的不确定主要影响轨迹剖面的角度。

发动机推力的不确定性主要考虑推力的不确定对无人机速度和姿态的影响，以及对地面滑跑距离的影响。

无人机进入地效区后，低头力矩增加，控制系统需克服地面效应的影响，保证无人机正常的着陆。

在着陆过程中主要考虑侧风的影响，无人机控制系统需有一定的抗侧风能力，保证无人机降落在跑道中心线附近。

机体的不对称性（附加滚转力矩）、附加偏航力矩和定位误差的不确定性也会引起侧偏的存在，这些都是高精度航迹控制所要考虑的问题。

3 无人机自动着陆的关键技术

安全性与精确性是无人机自动着陆追求的主要目标，飞行的安全性与控制的精确性是对控制系统最基本的要求， 是自动着陆控制律设计的基本出发点，是无人机能够安全降落的基础。

自动着陆段的控制技术可以分解为几个关键技术：下滑轨迹线设计、下滑轨迹跟踪控制、高精度的航迹控制。

下滑轨迹线设计是着陆段的一个关键环节。当无人机的质量和发动机推力固定后，轨迹倾斜角的大小就决定了速度和高度的变化趋势，因此，直线下滑段轨迹倾斜角的设计是最关键的。当给出了下滑轨迹线的数学描述，飞行控制回路按照下滑轨迹线提供的高度剖面进行高度回路的跟踪控制。 因此，在着陆过程中，下滑轨迹线设计就成了一项关键的技术。 下滑轨迹线设计的一个困难是接地速度是预先设定的，沿着下滑轨迹线飞行时，每一个下滑段的速度剖面如何分配和控制。 在速度进行分配过程中，又要与高度剖面相结合，共同协调完成对轨迹线的设计。

下滑轨迹跟踪控制是保证无人机在安全着陆范围内着陆的主要方式。飞行控制系统以相对较高的精度按照下滑轨迹剖面飞行，既可保证无人机进场着陆的安全性以及进场着陆接地时的位置、速度、下沉率等指标要求，又可达到速度控制的目的。

由于跑道宽度的限制，高精度的航迹控制是无人机着陆的关键技术之一，是确保无人机能够着陆在跑道上的基本前提。高精度的航迹控制从控制策略上就要解决航迹控制的高精度问题，在控制结构实施过程中要对不同反馈信号对航迹控制精度的影响进行定量分析，并设计出无静差、抗阵风的航迹控制器，该航迹控制器同时还具有对回路中其他反馈信号的不敏感性。

4 结语

着陆过程是无人机飞行的一个复杂阶段，也是无人机研制的一个关键技术。研究无人机自动着陆技术最终目标是设计最优的无人机自动起飞着陆控制系统。 通过对无人机自动着陆技术分析，梳理出无人机着陆方式和过程需要关注的条件和影响因素，对无人机自动起飞着陆控制系统的设计具有指导意义。