繆 欣，張德斌，宋余華，張新興，梅揚(yáng)妮，楊文然，熊金飛，邵海軍

(江蘇曙光光電有限公司，揚(yáng)州 225009)

引 言

最近10年間，不管是民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)[1]都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)呈現(xiàn)出小型化、輕量化及智能化的發(fā)展趨勢(shì)[2]。無(wú)人機(jī)具有許多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的力量倍增器，與飛行員所能做到的相比，執(zhí)行同樣的任務(wù)其具有風(fēng)險(xiǎn)更低、成本更低的優(yōu)勢(shì)[3]。而無(wú)人機(jī)精確回收技術(shù)一直是其發(fā)展的困難所在，回收技術(shù)也是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，良好的回收方案對(duì)于提高系統(tǒng)使用性能、降低無(wú)人機(jī)使用成本具有重要意義[4]。現(xiàn)有回收著陸通常包括：滑跑回收、迫降回收、傘降回收、撞網(wǎng)回收、繩鉤、風(fēng)向袋回收等多種方式[5]，如何高效和精準(zhǔn)地進(jìn)行無(wú)人機(jī)回收一直令人棘手?；芑厥胀ㄟ^(guò)無(wú)人機(jī)自身攜帶的起落架在跑道上滑行，使無(wú)人機(jī)減速至停止，操控方式與傳統(tǒng)有人機(jī)相似，但該方式需要一定長(zhǎng)度的平整跑道，這在野外機(jī)動(dòng)環(huán)境中難以滿足；迫降回收是指無(wú)人機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后在平坦、開(kāi)闊的松軟空地或密實(shí)地面區(qū)域上方，通過(guò)飛機(jī)機(jī)腹擦地滑行減速至停止，該方式對(duì)地面有一定要求，且容易對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)體造成損傷，有一定風(fēng)險(xiǎn)性，通常只在緊急情況時(shí)采用；傘降回收是無(wú)人機(jī)通過(guò)在回收區(qū)上方時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)并打開(kāi)自帶的降落傘減速，著陸至指定區(qū)域內(nèi)的回收方式，該回收方式容易受環(huán)境和氣象條件的影響，導(dǎo)致落點(diǎn)的偏差較大；撞網(wǎng)回收是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的解決方案，該技術(shù)是有一個(gè)垂直安裝網(wǎng)供無(wú)人機(jī)快速著陸，簡(jiǎn)單而可靠，不涉及復(fù)雜組件,但它的缺點(diǎn)是復(fù)雜并且勞動(dòng)密集，需要在兩者之間建立和取消行動(dòng)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)海軍的無(wú)人機(jī)在被捕獲時(shí)經(jīng)常被損壞[6]；繩鉤回收是利用一根或幾根懸掛在吊桿上的繩索捕獲無(wú)人機(jī)上(如機(jī)翼位置)安裝的小鉤的回收方式，該裝置與撞網(wǎng)回收類(lèi)似，但對(duì)機(jī)翼或機(jī)身強(qiáng)度要求較高，操控難度較大，一般艦載使用[7]；風(fēng)向袋回收裝置具有低恢復(fù)時(shí)間和低復(fù)雜度，但它不能裝置在前方用于推進(jìn)，因?yàn)檫@存在損壞無(wú)人機(jī)和風(fēng)向袋的風(fēng)險(xiǎn)[8]。

根據(jù)上述幾種無(wú)人機(jī)回收方式的比較分析可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于野外復(fù)雜環(huán)境條件下的無(wú)人機(jī)回收，滑跑方式需要滑行跑道，傘降方式在回收過(guò)程中降落傘不受控制，受外界環(huán)境條件(如風(fēng)力)影響，在野外環(huán)境下適應(yīng)性差；撞網(wǎng)、繩鉤、迫降、風(fēng)向袋等回收方式適應(yīng)野外環(huán)境性較好，但需要無(wú)人機(jī)在著陸段有較高的引導(dǎo)精度，同時(shí)容易損壞無(wú)人機(jī)。因此，如何提高無(wú)人機(jī)著陸階段的引導(dǎo)控制精度，對(duì)無(wú)人機(jī)的精確、可靠回收至關(guān)重要。由于激光制導(dǎo)具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)和可與其它尋的器復(fù)合使用等優(yōu)點(diǎn)，因而受到高度重視，應(yīng)用得越來(lái)越廣泛[9]。

本文中提出的激光末端引導(dǎo)無(wú)人機(jī)精確回收技術(shù)基于激光末端引導(dǎo)原理，是目前激光制導(dǎo)彈藥武器系統(tǒng)中，相對(duì)于紅外、電視、無(wú)線電等制導(dǎo)方式中引導(dǎo)精度最高的[10]，將該方案應(yīng)用到無(wú)人機(jī)的回收系統(tǒng)中，可以顯著提高無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的回收精度。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

激光末端引導(dǎo)無(wú)人機(jī)精確回收方案，基于現(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)架(無(wú)人機(jī)機(jī)體、飛行管理與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)等)，最大限度地利用已有資源，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，效費(fèi)比高。

在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成狀態(tài)下，增加地面激光引導(dǎo)裝置和機(jī)上激光接收裝置，實(shí)現(xiàn)著陸段激光精確引導(dǎo)。其中激光引導(dǎo)裝置設(shè)置在著陸點(diǎn)，用于發(fā)射編碼激光光束，在空間形成引導(dǎo)無(wú)人機(jī)著陸引導(dǎo)光場(chǎng)；激光接收裝置安裝在無(wú)人機(jī)頭部位置，接收地面引導(dǎo)裝置發(fā)出的激光信號(hào)，處理得到無(wú)人機(jī)與引導(dǎo)基準(zhǔn)航線的飛行偏差；飛控系統(tǒng)控制無(wú)人機(jī)飛行，實(shí)現(xiàn)精確引導(dǎo)回收。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

Fig.1 Composition diagram of an accurate laser terminal guided UAV recycling system

激光末端引導(dǎo)裝置用于發(fā)射編碼激光光束，在空間形成引導(dǎo)無(wú)人機(jī)著陸的輻射光場(chǎng)。激光引導(dǎo)裝置采用脈沖固體激光器作為光源，以提升激光作用距離，激光引導(dǎo)裝置由激光輻射器、激光電源、激光光束控制系統(tǒng)、控制與接口電路等組成。激光接收裝置安裝在無(wú)人機(jī)頭部位置，激光接收光軸與無(wú)人機(jī)機(jī)身軸線一致，激光接收裝置測(cè)量的偏差信號(hào)就是無(wú)人機(jī)在航向和俯仰兩個(gè)方向上飛行角偏差。

激光接收裝置由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、放大電路、信號(hào)處理電路、電源電路和殼體等組成。激光引導(dǎo)裝置發(fā)出的激光信號(hào)經(jīng)整流罩，由接收光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚到光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大電路將電信號(hào)放大后，送信號(hào)處理電路，進(jìn)行編碼識(shí)別和解算處理，輸出目標(biāo)(即著陸點(diǎn))相對(duì)光軸(即飛機(jī)機(jī)身軸線)角偏差，送飛控系統(tǒng)處理。

1.2 工作原理

激光末端引導(dǎo)無(wú)人機(jī)精確回收技術(shù)方案基于激光半主動(dòng)制導(dǎo)工作原理，按照本技術(shù)方案，采用激光將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)至著陸點(diǎn)的過(guò)程，類(lèi)似于用激光將激光制導(dǎo)導(dǎo)彈引導(dǎo)至攻擊目標(biāo)實(shí)施精確打擊的過(guò)程，因此采用激光末端引導(dǎo)，能顯著地提高無(wú)人機(jī)回收的成功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)精確回收。

通常，無(wú)人機(jī)完成航線任務(wù)返航著陸前，無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)接收來(lái)自地面控制站或衛(wèi)星等其它系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信息，控制無(wú)人機(jī)按照預(yù)定的航路飛行。無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)如位置、姿態(tài)、高度、速度、角速度等，以及大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集的大氣數(shù)據(jù)(如風(fēng)速等)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口采集接收，經(jīng)數(shù)據(jù)濾波等預(yù)處理，反饋至飛控系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)；此時(shí)操作人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注監(jiān)視器的狀況，根據(jù)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置、速度等，操控修正無(wú)人機(jī)飛行路線和姿態(tài)(“人在回路”工作狀態(tài))，使無(wú)人機(jī)對(duì)準(zhǔn)著陸場(chǎng)的引導(dǎo)標(biāo)志或地面攝像機(jī)瞄準(zhǔn)線等，操控飛機(jī)逐漸飛抵著陸點(diǎn)[11]。在上述過(guò)程中，操作人員的操控水平起到關(guān)鍵作用，一旦操作失誤，就會(huì)導(dǎo)致回收失敗。

Fig.2 Diagram of data interface of an UAV landing guidance system

采用激光末端引導(dǎo)技術(shù)回收時(shí)，無(wú)人機(jī)一旦被引導(dǎo)進(jìn)入引導(dǎo)窗口，機(jī)上激光接收裝置將會(huì)接收到激光引導(dǎo)裝置發(fā)射的引導(dǎo)激光信號(hào)，經(jīng)解碼、處理、解算，得到無(wú)人機(jī)在側(cè)向和垂向方向的偏差角信號(hào)，由于激光接收裝置光軸與無(wú)人機(jī)機(jī)身軸線一致，因此，激光接收裝置探測(cè)到的兩個(gè)方向的角偏差信號(hào)直接反映了無(wú)人機(jī)的飛行偏差，將兩個(gè)方向的偏差信號(hào)送飛控系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，就可以直接引導(dǎo)飛機(jī)逐漸飛向著陸點(diǎn)(“自主工作”狀態(tài))，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)回收。在此過(guò)程中，如有異常情況發(fā)生，方案設(shè)計(jì)仍保留了地面操控人員進(jìn)行干預(yù)的人工通道[12]。

采用四象限光電器件的探測(cè)方案(見(jiàn)圖3)，采用寬帶多通道接收器、數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)的解碼與處理。測(cè)角方法如下：激光信號(hào)經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)，成像光斑落在四象限探測(cè)器的光敏面上，每個(gè)象限分別產(chǎn)生光電壓信號(hào)V1,V2,V3,V4，分別對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行和差運(yùn)算，即可得到在x和y兩個(gè)垂直方向上的偏差信號(hào)，工程應(yīng)用中通常對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，得到Δx,Δy[13]。根據(jù)Δx,Δy得到飛行角偏差，控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行航跡修正。

(1)

(2)

式中，V1為第一象限的光電信號(hào)幅度；V2為第二象限的光電信號(hào)幅度；V3為第三象限的光電信號(hào)幅度；V4為第四象限的光電信號(hào)幅度?；厥者^(guò)程中，無(wú)人機(jī)一直處于激光引導(dǎo)裝置發(fā)射的大波束激光引導(dǎo)輻射場(chǎng)范圍內(nèi)，機(jī)上的激光接收裝置探測(cè)到激光信號(hào)進(jìn)行解碼識(shí)別，確認(rèn)是有效輻射信號(hào)后，通過(guò)激光接收裝置測(cè)量得到無(wú)人機(jī)著陸段飛行航跡與基準(zhǔn)航線的偏差，飛控系統(tǒng)修正飛行偏差，調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，降低飛行速度，控制無(wú)人機(jī)向地面激光引導(dǎo)裝置前的阻攔網(wǎng)飛去，最后撞入阻攔網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)精確回收。激光引導(dǎo)裝置發(fā)射的激光信號(hào)為編碼信息，可以提高抗干擾性能[14-15]。

Fig.3 Angle measurement by means of a four-quadrant photoelectric detector

2 系統(tǒng)工作流程

機(jī)上激光接收裝置將接收到激光引導(dǎo)裝置發(fā)出的激光信號(hào)，并解碼捕獲(調(diào)整段)。如果無(wú)人機(jī)不能捕獲到激光信號(hào)，則需操控?zé)o人機(jī)盤(pán)旋后，再次進(jìn)入。確保無(wú)人機(jī)可靠進(jìn)入激光引導(dǎo)光場(chǎng)，并逐漸飛抵著陸點(diǎn)(激光引導(dǎo)段)。引導(dǎo)過(guò)程如圖4所示。

Fig.4 Diagram of UAV landing guide process

工作流程如下：(1)激光引導(dǎo)無(wú)人機(jī)著陸時(shí)，將激光引導(dǎo)裝置設(shè)置在攔阻網(wǎng)后方，調(diào)整激光引導(dǎo)裝置將激光發(fā)射光軸穿過(guò)攔阻網(wǎng)中心，并與設(shè)定的無(wú)人機(jī)著陸下滑線一致，形成著陸引導(dǎo)基準(zhǔn)航線;(2)無(wú)人機(jī)著陸時(shí)，打開(kāi)激光引導(dǎo)裝置，發(fā)射編碼激光信號(hào)，在空間形成引導(dǎo)光場(chǎng)分布；(3)無(wú)人機(jī)在地面站的引導(dǎo)控制下，降低飛行高度、降低速度、調(diào)整飛行姿態(tài)，沿著預(yù)定的著陸基準(zhǔn)航線飛行，逐漸進(jìn)入引導(dǎo)窗口；(4)安裝在無(wú)人機(jī)頭部的激光接收裝置，接收到地面激光引導(dǎo)裝置發(fā)出的激光信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解碼識(shí)別和處理，得到無(wú)人機(jī)相對(duì)于引導(dǎo)基準(zhǔn)航線的飛行偏差角(側(cè)向、垂向兩個(gè)方向)；(5)飛控系統(tǒng)根據(jù)激光接收裝置探測(cè)的兩個(gè)方向偏差信號(hào)，控制修正飛機(jī)與基準(zhǔn)航線的飛行偏差，最終將無(wú)人機(jī)準(zhǔn)確地引導(dǎo)至攔阻網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)回收[16-18](見(jiàn)圖5)。

Fig.5 Scheme diagram for precise laser guided UAV recycling

4 仿真分析

無(wú)人機(jī)在平飛段和調(diào)整段采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，把多種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，獲取高精度的姿態(tài)、航向、速度和位置信息，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，在滿足一定的引導(dǎo)窗口直徑及航向偏差角的條件下，可以將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)使其進(jìn)入著陸引導(dǎo)窗口，仿真的重點(diǎn)工作是如何保證激光引導(dǎo)光場(chǎng)輻射范圍的動(dòng)態(tài)控制，使其與無(wú)人機(jī)著陸引導(dǎo)段飛行航跡保持適配，確保在著陸過(guò)程中激光信號(hào)的可靠接收。

Fig.6 Relationship between divergence angle, window size and guidance distance

根據(jù)無(wú)人機(jī)捕獲與控制要求，結(jié)合近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)的激光光場(chǎng)分布特性[19]，在對(duì)應(yīng)的引導(dǎo)距離段其輻射光場(chǎng)動(dòng)態(tài)控制特性仿真結(jié)果如圖6所示。在距離著落點(diǎn)1km～2km的粗引導(dǎo)距離段，保持恒定40m的激光引導(dǎo)光場(chǎng)輻射場(chǎng)，可以使無(wú)人機(jī)快速進(jìn)入激光輻射場(chǎng)調(diào)整偏航角度信息，提高回收的可靠性；中間距離段，激光輻射場(chǎng)與著落距離按線性關(guān)系變化，有利于粗引導(dǎo)轉(zhuǎn)入精確引導(dǎo)階段；在距離著落點(diǎn)500m以內(nèi)的精確引導(dǎo)距離段，保持20m的激光引導(dǎo)光場(chǎng)輻射場(chǎng)按照現(xiàn)有激光末制導(dǎo)武器系統(tǒng)達(dá)到的制導(dǎo)精度，可以實(shí)現(xiàn)較高的無(wú)人機(jī)回收精度。

5 結(jié) 論

作者所提出的激光末端引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)精確回收的技術(shù)方案，相比現(xiàn)有的衛(wèi)星、雷達(dá)、圖像等引導(dǎo)方案，具有下列優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

(1)引導(dǎo)精度高。激光末端引導(dǎo)無(wú)人機(jī)回收，其工作原理類(lèi)似于激光制導(dǎo)系統(tǒng)工作原理。從目前激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)的命中精度來(lái)看，通常圓概率誤差(circular error probable,CEP)在幾米以下，有些導(dǎo)彈已達(dá)零點(diǎn)幾米的CEP命中精度，因此采用激光末端引導(dǎo)精度高，可以提高無(wú)人機(jī)精確引導(dǎo)回收要求。

(2)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、易于集成到現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。激光引導(dǎo)無(wú)人機(jī)精確回收，依托現(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅需增加地面激光引導(dǎo)裝置、激光接收裝置，并升級(jí)相關(guān)控制軟件，即可實(shí)現(xiàn)激光末端精確引導(dǎo)，與現(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)兼容性好。

(3)自主工作、使用方便。激光末端引導(dǎo)裝置采用三腳架架設(shè)，展開(kāi)方便，便于尋找著陸場(chǎng)；激光接收裝置探測(cè)的飛行偏差可直接參與無(wú)人機(jī)飛控處理，實(shí)現(xiàn)自主工作，避免了地面操控人員人工干預(yù)存在的時(shí)間延時(shí)，提高了控制的實(shí)時(shí)性，降低了對(duì)地面人員的操控要求。

(4)抗干擾能力強(qiáng)。激光引導(dǎo)輻射光場(chǎng)采用近紅外不可見(jiàn)光源，激光輻射能量?jī)H包含在光束發(fā)散角范圍內(nèi)，不易被探測(cè)并受到敵方干擾。此外，激光引導(dǎo)裝置發(fā)射的激光信號(hào)為編碼信息，激光接收裝置探測(cè)的激光信號(hào)，只有在編碼匹配的情況下才能被識(shí)別和處理。