席 龍， 周慧楠， 湯恒仁， 李 靖

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院航電所，西安 710089)

0 引言

無(wú)人機(jī)具有長(zhǎng)航時(shí)、低成本等優(yōu)勢(shì)，直升機(jī)具有良好隱蔽能力和態(tài)勢(shì)感知能力，二者混合編隊(duì)可以大大提高作戰(zhàn)能力，互為守望。目前，地面站對(duì)無(wú)人機(jī)的操控能力分為五級(jí)，直升機(jī)與無(wú)人機(jī)的協(xié)同等級(jí)也按照同樣的標(biāo)準(zhǔn)劃分：第Ⅰ級(jí)協(xié)同定義為接收和發(fā)送二次圖像和數(shù)據(jù)；第Ⅱ級(jí)協(xié)同定義為直接接收無(wú)人機(jī)的圖像或數(shù)據(jù)；第Ⅲ級(jí)協(xié)同定義為控制無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷；第Ⅳ級(jí)協(xié)同定義為控制無(wú)人機(jī)飛行；第Ⅴ級(jí)協(xié)同定義為控制無(wú)人機(jī)發(fā)射與回收[1]。美國(guó)陸軍已經(jīng)使用基奧瓦勇士直升機(jī)和阿帕奇直升機(jī)與多種無(wú)人機(jī)完成了Ⅳ級(jí)協(xié)同；美國(guó)海軍也成立了直升機(jī)和無(wú)人機(jī)組成的混合飛行中隊(duì)，提高作戰(zhàn)效率，提升生存能力，增加縱深作戰(zhàn)距離[2]。目前，我國(guó)直升機(jī)和無(wú)人機(jī)的研制能力和水平取得了很大提高，試驗(yàn)技術(shù)也在快速發(fā)展，但由于多方面原因，直升機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)還處于技術(shù)論證階段，雖然在理論研究方面取得了較大突破，卻未開展相關(guān)的飛行試驗(yàn)和作戰(zhàn)演練，無(wú)法形成直升機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)體系。本文選擇直升機(jī)和無(wú)人機(jī)中繼通信作為典型任務(wù)開展相關(guān)技術(shù)研究和試飛演示驗(yàn)證，評(píng)估直升機(jī)直接接收無(wú)人機(jī)圖像或數(shù)據(jù)的能力。

1 中繼通信試飛剖面

武裝直升機(jī)通常超低空飛行，利用地形隱蔽機(jī)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后突然發(fā)起攻擊，因此具有隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活、生存力強(qiáng)等特點(diǎn)。武裝直升機(jī)作為一種超低空火力平臺(tái)，往往由于地形遮擋等原因無(wú)法與地面指揮所建立聯(lián)系，成為影響戰(zhàn)斗力的一項(xiàng)重要因素。使用無(wú)人機(jī)和直升機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)可解決單兵種作戰(zhàn)的局限性，無(wú)人機(jī)高空飛行，地面指揮所和直升機(jī)通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行信息交換。無(wú)人機(jī)作為空中基站既可解決直升機(jī)超低空飛行的通信問(wèn)題，又具有成本和代價(jià)最小化的優(yōu)點(diǎn)。圖1為直升機(jī)和無(wú)人機(jī)中繼通信試飛剖面，試驗(yàn)過(guò)程中，直升機(jī)和地面指揮所通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行超短波話音和數(shù)據(jù)通信，評(píng)估中繼通信試飛能力，完成直升機(jī)與無(wú)人機(jī)第Ⅱ級(jí)協(xié)同能力演示驗(yàn)證。

圖1 直升機(jī)和無(wú)人機(jī)中繼通信試飛剖面Fig.1 Flight test profiles for helicopter and UAV relay communication

2 中繼通信試飛關(guān)鍵問(wèn)題分析

2.1 態(tài)勢(shì)構(gòu)建

中繼無(wú)人機(jī)可以作為空中基站，其作戰(zhàn)想定為：在整個(gè)中部區(qū)域內(nèi)合理布置無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)該作戰(zhàn)區(qū)域通信的無(wú)縫覆蓋。作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)如圖2所示，環(huán)境設(shè)置包括1架直升機(jī)、4架無(wú)人機(jī)、1個(gè)地面指揮所和1輛無(wú)人機(jī)指揮車[3]。具體占位如下：直升機(jī)飛行高度100 m，無(wú)人機(jī)指揮車和地面指揮中心布置在同一個(gè)區(qū)域，在地面指揮中心的正北、正南、正東和正西4個(gè)方位各發(fā)射1架無(wú)人機(jī)，以5 km的高度，1 km的半徑盤旋，距離指揮中心200 km。

圖2 無(wú)人機(jī)中繼態(tài)勢(shì)構(gòu)建Fig.2 Situation construction of UAV relay communication

無(wú)人機(jī)飛行時(shí)中繼通信覆蓋區(qū)域幾何簡(jiǎn)化模型如圖3所示，無(wú)人機(jī)天線安裝在機(jī)腹，并向下全向輻射，飛行高度為H，地球半徑為R，中繼通信距離為d，則通信覆蓋區(qū)域DPE的面積可表示為

S=2πRh

(1)

式中：h為PF的長(zhǎng)度，其算式為

h=(d2-H2)/(2H+2R) 。

(2)

天線輻射最小波束寬度可表示為

(3)

式中：

(4)

根據(jù)電磁波自由空間傳播經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂芍?/p>

(5)

式中：h1為無(wú)人機(jī)飛行高度；h2為直升機(jī)飛行高度。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(5)可計(jì)算單架無(wú)人機(jī)的中繼覆蓋面積可達(dá)到345 000 km2，圖2所示的陰影區(qū)域通信面積可達(dá)644 348 km2。作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)投影剖面如圖4所示，以O(shè)點(diǎn)為中心，1,2,3和4點(diǎn)布置無(wú)人機(jī)，則在ABCDEFGH圍成的區(qū)域內(nèi)，指揮中心都可以通過(guò)中繼無(wú)人機(jī)對(duì)直升機(jī)進(jìn)行指揮，從投影剖面圖可以看出，通信距離覆蓋了中部戰(zhàn)區(qū)[4-8]。

圖3 無(wú)人機(jī)中繼幾何關(guān)系Fig.3 Geometric relation in UAV relay communication

由于4架無(wú)人機(jī)對(duì)稱占位，僅需對(duì)單架無(wú)人機(jī)和直升機(jī)的通信中繼能力進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4綠色區(qū)域所示，從而推斷直升機(jī)和無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)想定的合理性和可行性。

圖4 作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)投影剖面圖Fig.4 Projection profile of operational situation

2.2 試驗(yàn)安全分析

直升機(jī)和無(wú)人機(jī)在同一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試飛演示驗(yàn)證，雖然不在同一個(gè)高度層上，但存在水平危險(xiǎn)接近的情況。無(wú)人機(jī)在起飛、著陸及平飛過(guò)程中可能出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信鏈路失效等現(xiàn)象，存在墜落的可能性，對(duì)直升機(jī)造成安全威脅。圖5為直升機(jī)與無(wú)人機(jī)通信中繼試飛安全分析剖面圖，其中，x軸表示東向距離，y軸表示北向距離，z軸表示飛行高度，包含了無(wú)人機(jī)所有可能出現(xiàn)的故障情況[9]。

圖5 直升機(jī)與無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)安全分析Fig.5 Safety analysis of helicopter and UAV flight test

假設(shè)無(wú)人機(jī)在待戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)以O(shè)點(diǎn)為圓心，高度3 km，半徑1 km盤旋飛行。黑色實(shí)線表示無(wú)人機(jī)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡，紅色區(qū)域?yàn)闊o(wú)人機(jī)盤旋水平位置±50 m的偏差。

若此時(shí)飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)或舵機(jī)系統(tǒng)失效，無(wú)人機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)急開傘，無(wú)人機(jī)會(huì)降落在藍(lán)色圓環(huán)內(nèi)，該區(qū)域的內(nèi)半徑為1 km，外半徑為1.2 km。

若無(wú)人機(jī)盤旋期間發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，則進(jìn)行下述操作。

1) 如果通信鏈路正常，可操控?zé)o人機(jī)滑翔軌跡，無(wú)人機(jī)的滑翔比為8～10，下降3 km時(shí)，水平滑翔距離可達(dá)24 km，無(wú)人機(jī)最遠(yuǎn)降落在灰色的區(qū)域內(nèi)；

2) 若通信鏈路失效：

① 若此時(shí)飛機(jī)姿態(tài)過(guò)大，俯仰角大于50°，無(wú)人機(jī)會(huì)應(yīng)急開傘，降落在藍(lán)色區(qū)域；

② 若無(wú)人機(jī)姿態(tài)變化達(dá)不到開傘條件，會(huì)平穩(wěn)向下滑翔，此時(shí)需要考慮2個(gè)極端情況：將無(wú)人機(jī)視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，它將會(huì)做平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可計(jì)算出無(wú)人機(jī)會(huì)降落在紫色的區(qū)域，距離O點(diǎn)1.5 km；若無(wú)人機(jī)在理想情況下平穩(wěn)滑翔，它將會(huì)降落在灰色區(qū)域。綜上無(wú)人機(jī)將會(huì)降落在橘黃色區(qū)域內(nèi)。

由圖5可以看出，綠色區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)安全區(qū)，直升機(jī)可在該區(qū)域內(nèi)與無(wú)人機(jī)進(jìn)行近距通信中繼試驗(yàn)。考慮風(fēng)向時(shí)，無(wú)人機(jī)的盤旋選擇修風(fēng)模式，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信鏈路故障后，無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方式需要x和y方向上加入風(fēng)力的分量，使藍(lán)色、綠色、紫色、橘黃色和灰色區(qū)域同時(shí)移動(dòng)，則直升機(jī)的飛行區(qū)域也需按照風(fēng)向移動(dòng)。

3 通信中繼試驗(yàn)與評(píng)估

3.1 中繼通信試驗(yàn)設(shè)計(jì)

直升機(jī)和無(wú)人機(jī)中繼通信包括2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別為話音中繼通信和數(shù)據(jù)中繼通信，需要在覆蓋范圍內(nèi)驗(yàn)證直升機(jī)和無(wú)人機(jī)的中繼通信能力?？紤]無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行成本低的特點(diǎn)，采用等效替換的原則，直升機(jī)單區(qū)域飛行，無(wú)人機(jī)由近及遠(yuǎn)拉距試飛，又由于地面山脈建筑等遮擋，影響空地通信距離，則采用雙地面站進(jìn)行指揮，中繼通信試飛方案設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。

圖6 中繼通信試飛方案設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Schematic diagram of flight test scheme for relay communication

無(wú)人機(jī)先起飛，起飛后飛向A點(diǎn)盤旋等待，直升機(jī)到達(dá)指定的試飛區(qū)域H后與地面S指揮所進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。完成A點(diǎn)后，直升機(jī)盤旋等待，無(wú)人機(jī)飛向B點(diǎn)盤旋區(qū)，無(wú)人機(jī)到達(dá)試驗(yàn)區(qū)后，直升機(jī)和地面S指揮所繼續(xù)通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。完成B點(diǎn)后，直升機(jī)原地等待，無(wú)人機(jī)飛向C點(diǎn)盤旋區(qū)，直升機(jī)和地面W指揮所進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。完成C點(diǎn)后，直升機(jī)繼續(xù)盤旋等待，無(wú)人機(jī)飛向最后試驗(yàn)點(diǎn)D，直升機(jī)和地面W指揮所進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。完成D點(diǎn)后，直升機(jī)和無(wú)人機(jī)先后返回[10-11]。

3.2 中繼通信試飛驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)分別在試驗(yàn)點(diǎn)A,B,C,D占位時(shí)，地面指揮所通過(guò)話音指揮直升機(jī)完成相應(yīng)的操作，并向直升機(jī)發(fā)送指令。話音中繼通信演示驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明,直升機(jī)能夠接收到地面指揮所的指令并完成相應(yīng)動(dòng)作，常規(guī)和抗干擾模式功能正常，通話音量和音質(zhì)較好，無(wú)失真現(xiàn)象發(fā)生，直升機(jī)和無(wú)人機(jī)話音中繼通信功能性能滿足使用要求；數(shù)傳通信中繼演示驗(yàn)證結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，直升機(jī)和地面指揮所能夠接收到雙方發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，沒(méi)有丟包和誤碼現(xiàn)象發(fā)生，直升機(jī)和無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)通信功能的性能滿足使用要求，直升機(jī)與無(wú)人機(jī)具備Ⅱ級(jí)協(xié)同能力[12-13]。

表1 話音中繼通信演示驗(yàn)證結(jié)果

表2 數(shù)傳中繼通信演示驗(yàn)證結(jié)果

3.3 中繼通信試驗(yàn)評(píng)價(jià)

直升機(jī)和無(wú)人機(jī)Ⅱ級(jí)協(xié)同試驗(yàn)不只表現(xiàn)在提高通信能力，更多表現(xiàn)在對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的啟發(fā)和對(duì)后續(xù)協(xié)同路線圖的影響，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1) 解決了直升機(jī)超低空飛行無(wú)法遠(yuǎn)距通信的問(wèn)題，擴(kuò)大了直升機(jī)的作戰(zhàn)半徑，增加縱深作戰(zhàn)距離；

2) 通過(guò)分析海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究試驗(yàn)過(guò)程中通信時(shí)延、丟包率、誤碼率等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，評(píng)估了有人無(wú)人協(xié)同通信鏈路的可靠性，為實(shí)現(xiàn)直升機(jī)控制無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷(第Ⅲ級(jí))和控制無(wú)人機(jī)飛行(第Ⅳ級(jí))奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；

3) 積累了寶貴的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了有人無(wú)人同場(chǎng)次、同空域試飛安全體系，并形成了有人無(wú)人協(xié)同試飛的路線圖；

4) 衍生多種作戰(zhàn)想定，通過(guò)搭配使用不同型號(hào)的直升機(jī)和無(wú)人機(jī)，可使作戰(zhàn)剖面更加多元化，提高直升機(jī)和無(wú)人機(jī)混合編隊(duì)作戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，提升了直升機(jī)的打擊能力和生存能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)直升機(jī)和無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了直升機(jī)和無(wú)人機(jī)中繼通信試飛剖面，開展了多機(jī)編隊(duì)試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)雙機(jī)Ⅱ級(jí)協(xié)同試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)點(diǎn)分解，完成了直升機(jī)和無(wú)人機(jī)中繼通信試飛演示驗(yàn)證，具備Ⅱ級(jí)協(xié)同能力，對(duì)后續(xù)科研試飛具有指導(dǎo)和借鑒作用。

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