段國強

摘 要：針對無人直升機自主著艦引導(dǎo)過程的特點和需求，分析比較目前常見的著艦引導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)缺點，給出引導(dǎo)過程不同階段使用的引導(dǎo)系統(tǒng)方案，并結(jié)合成本和機載重量，給出了一套著艦引導(dǎo)系統(tǒng)組合方案。

關(guān)鍵詞：無人直升機;著艦引導(dǎo)系統(tǒng);比較

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0027-04

Abstract： Aiming at the characteristics and requirements of autonomous landing guidance process of unmanned helicopter， this paper analysed and compared the advantages and disadvantages of the common landing guidance system at present， gave the guidance system schemes used in different stages of the guidance process， and gave a set of combination schemes of landing guidance system combined with cost and airborne weight.

Keywords： unmanned helicopter;automatic guidance and carrier landing system;compare

1 研究背景

近年來，隨著無人直升機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴展，應(yīng)用前景十分廣闊。艦載無人直升機是其較為重要的一項應(yīng)用領(lǐng)域，標(biāo)志著無人直升機從陸基延伸至艦基。而掌握無人直升機自主著艦引導(dǎo)技術(shù)是實現(xiàn)艦載無人直升機技術(shù)的關(guān)鍵。

無人直升機自主著艦引導(dǎo)關(guān)系到無人直升機的著艦安全。受天氣變化、艦面紊流、甲板運動等的影響，其是一個復(fù)雜且危險的過程[1]。

國外對艦載無人直升機的研制，已經(jīng)取得了一定的成就。目前，公開的主要有“火力偵察兵”“S-100”“QH-50”和“CL-327”等，其中艦載應(yīng)用最為成功的是“火力偵察兵”和“S-100” [2]，如圖1所示。

國內(nèi)對艦載無人直升機也展開了一系列研究。我國自主研發(fā)的無人直升機在軍用及民用上均取得了一定的成效，主要有“V750”無人直升機“WZ-6B”無人直升機等[3]，如圖2所示。

本文比較各引導(dǎo)方式的優(yōu)缺點，結(jié)合將引導(dǎo)過程劃分的三個階段，并綜合考慮引導(dǎo)系統(tǒng)成本和機載設(shè)備重量，給出一套自主著艦引導(dǎo)系統(tǒng)組合配置方案。

2 引導(dǎo)過程

無人直升機自主著艦引導(dǎo)的過程通常是：引導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)探測到的機艦位置信息，實時生成一條理想飛行軌跡，導(dǎo)航系統(tǒng)按照一定的制導(dǎo)律計算得到引導(dǎo)指令并傳送給飛控系統(tǒng)，經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化得到位置、速度、姿態(tài)控制指令，控制無人直升機跟蹤這一理想軌跡，從而實現(xiàn)無人直升機自主返航、進(jìn)場、著艦。

本文通過分析整個著艦引導(dǎo)過程，按照引導(dǎo)距離的不同，將無人直升機自主著艦引導(dǎo)過程劃分為三個階段[4]。

①無人直升機遠(yuǎn)程引導(dǎo)階段。該階段，無人直升機距離艦船較遠(yuǎn)，其目的主要是調(diào)整無人直升機航向?qū)?zhǔn)艦船前進(jìn)方向進(jìn)行快速追擊，到達(dá)近程階段。

②無人直升機近程進(jìn)場控制階段。該階段的主要目的是調(diào)整無人直升機飛行至甲板正上方一定高度處懸停跟進(jìn)，為自主著艦做好準(zhǔn)備。

③無人直升機自主著艦控制階段。該階段的主要目的是判斷靜息期并實現(xiàn)無人直升機自主快速著艦。

具體引導(dǎo)過程分段如圖3所示。

3 引導(dǎo)方式及其比較

目前，常見的無人直升機著艦引導(dǎo)方式包括光電著艦引導(dǎo)、機載視覺引導(dǎo)、衛(wèi)星引導(dǎo)、雷達(dá)引導(dǎo)、紫外成像引導(dǎo)等[5]。具體引導(dǎo)方式分析如下。

3.1 引導(dǎo)方式

3.1.1 光電著艦引導(dǎo)。光電著艦引導(dǎo)系統(tǒng)是集可見、中波、測距功能于一體的光電跟蹤精密測量設(shè)備，具有隨動跟蹤、單站定位的功能。其采用自動目標(biāo)識別和光電跟蹤技術(shù)對著艦飛行器進(jìn)行精密跟蹤，高精度獲取飛行器的下滑航跡角信息及姿態(tài)數(shù)據(jù)。

光電著艦引導(dǎo)系統(tǒng)由光電跟蹤轉(zhuǎn)臺和機下控制臺組成。其中，光電跟蹤轉(zhuǎn)臺上安裝了激光測距機、變焦距可見電視和中波紅外三個傳感器系統(tǒng)。變焦距可見電視焦距變化范圍大，可實現(xiàn)對近距離目標(biāo)的捕獲、跟蹤;中波紅外系統(tǒng)探測器的波長為3～5μm，主要實現(xiàn)低能見度時對目標(biāo)的捕獲、跟蹤和測量;激光測距系統(tǒng)的激光波長為1.57μm，為人眼安全的激光波長，可實現(xiàn)對目標(biāo)距離的測量，實現(xiàn)光電跟蹤測量系統(tǒng)單站定位的功能。

而作為一種光學(xué)測量設(shè)備，艦體在海浪的作用下產(chǎn)生的隨機搖擺對設(shè)備的跟蹤性能和測量精度都會產(chǎn)生較大影響。

3.1.2 機載視覺引導(dǎo)。機載視覺引導(dǎo)系統(tǒng)是基于采集的目標(biāo)圖像采用中值濾波和二值化閾值分割技術(shù)對其進(jìn)行預(yù)處理。對于分割出待處理的著艦?zāi)繕?biāo)區(qū)域，采用基于SURF和FLANN等方法融合的目標(biāo)識別技術(shù)解決復(fù)雜背景和部分遮擋下著艦?zāi)繕?biāo)識別困難的問題，并對著艦?zāi)繕?biāo)進(jìn)行跟蹤。在三維空間里，通過位姿估計算法估計無人直升機相對艦船的位姿參數(shù)信息，利用位姿信息引導(dǎo)無人直升機自主著艦。

同樣作為一種光學(xué)測量設(shè)備，艦體在海浪的作用下產(chǎn)生的隨機搖擺以及惡劣的氣象條件，都會對測量精度產(chǎn)生很大的影響。

3.1.3 衛(wèi)星引導(dǎo)。衛(wèi)星引導(dǎo)是基于衛(wèi)星傳感器信息，如GPS、北斗、伽利略等。艦載信息解算設(shè)備將解算得到的機艦相對位置、高度、速度等信息傳送給機載衛(wèi)星傳感器設(shè)備，再傳送給飛控系統(tǒng)，由飛控系統(tǒng)完成引導(dǎo)。

其艦載基站相當(dāng)于導(dǎo)航信號源，機載設(shè)備通過濾波相位跟蹤和擴頻碼跟蹤的組合方式，實現(xiàn)艦載機的相對定位。

基于衛(wèi)星信號的解算方式，本身存在一定的誤差，在衛(wèi)星信號受干擾的情況下，引導(dǎo)信息解算會產(chǎn)生較明顯的誤差。

3.1.4 雷達(dá)引導(dǎo)。雷達(dá)引導(dǎo)是通過艦載精密進(jìn)場雷達(dá)發(fā)現(xiàn)并測定無人直升機的位置、距離、運動速率和方向。然后，向無人直升機發(fā)送引導(dǎo)指令信息，包括下降速率、偏航角等，引導(dǎo)無人直升機進(jìn)行著艦引導(dǎo)飛行。其可用于能見度差、云底較低的復(fù)雜氣象條件下。美軍已研制的用于主戰(zhàn)的全天候著艦系統(tǒng)的核心是一部AN/SPN-XX精確跟蹤雷達(dá)，該系統(tǒng)性能良好，可確保艦載機在惡劣天氣下安全著艦。

雷達(dá)引導(dǎo)是利用無線電波測定的，所以容易受外界電磁環(huán)境干擾，從而影響引導(dǎo)精度。此外，其成本較高，在一定程度上限制了推廣應(yīng)用。

3.1.5 紫外成像引導(dǎo)。紫外成像引導(dǎo)是通過將人造紫外光源布置于艦船上，機載成像設(shè)備通過掃描、發(fā)現(xiàn)、鎖定光源，并通過一定的算法處理采集到的圖像信息，將解算得到的機艦相對位置、高度、速度、姿態(tài)等測量信息直接發(fā)送給飛控系統(tǒng)，由飛控系統(tǒng)完成自主著艦引導(dǎo)飛行控制。

紫外成像引導(dǎo)避開了地球表面其他光源的波長，不易受環(huán)境影響，但其引導(dǎo)方式?jīng)Q定了其作用距離不能很遠(yuǎn)。

3.2 優(yōu)缺點比較

根據(jù)各引導(dǎo)方式的原理及所使用引導(dǎo)設(shè)備，結(jié)合工程實際使用情況，可以得出各引導(dǎo)方式的優(yōu)缺點，如表1所示[6]。

4 引導(dǎo)方案

按照本文第2節(jié)將著艦引導(dǎo)過程分為三大階段，即遠(yuǎn)程引導(dǎo)階段、近程引導(dǎo)階段和著艦階段，結(jié)合各引導(dǎo)階段的主要目的及引導(dǎo)方式的優(yōu)缺點比較，給出各個階段的引導(dǎo)方式。

4.1 各階段引導(dǎo)方式選擇

4.1.1 遠(yuǎn)程引導(dǎo)階段。該階段機艦相對距離較遠(yuǎn)，且主要目的是實現(xiàn)航向?qū)?zhǔn)，所以精度要求并不高。從表1可以看出，符合這一階段的引導(dǎo)方式有衛(wèi)星引導(dǎo)、雷達(dá)引導(dǎo)。

4.1.2 近程引導(dǎo)階段。該階段機艦相對距離較近，且主要目的是實現(xiàn)將無人直升機引導(dǎo)至艦船正上方一定高度處跟隨艦船運動，所以精度要求較高。從表1可以看出，符合這一階段的引導(dǎo)方式有光電著艦引導(dǎo)、機載視覺引導(dǎo)和紫外成像引導(dǎo)。

4.1.3 著艦階段。該階段機艦位置相對靜止，高度不一致，且主要目的是實現(xiàn)靜息期判斷和快速著艦，所以精度很高。從表1可以看出，符合這一階段的引導(dǎo)方式有光電著艦引導(dǎo)、機載視覺引導(dǎo)。

4.2 引導(dǎo)方案設(shè)計

為確保整個引導(dǎo)過程的飛行安全，引導(dǎo)方式選擇應(yīng)該是越全面越好。但考慮到引導(dǎo)系統(tǒng)的成本、機載設(shè)備的重量等問題，應(yīng)該是取二者之間的平衡，以制訂最優(yōu)的解決方案。具體設(shè)計方案如下：衛(wèi)星/紫外/機載視覺組合引導(dǎo)方式[7]。遠(yuǎn)程引導(dǎo)階段選用衛(wèi)星引導(dǎo)，因為考慮雷達(dá)的成本和重量相比衛(wèi)星沒有優(yōu)勢，且精度要求不高，無備份需求;近程引導(dǎo)階段選用紫外引導(dǎo)，因為考慮其不易受干擾;著艦階段選用機載視覺，主要是考慮其可以和紫外成像設(shè)備共用一套圖像采集設(shè)備，能節(jié)約成本，且能變相地為飛機減重[8]。

而衛(wèi)星和紫外在近程引導(dǎo)階段可以作為相互備份，紫外和機載視覺在近程末端及自主著艦過程中又可以作為相互備份。

5 結(jié)語

通過對引導(dǎo)過程的階段劃分，結(jié)合各引導(dǎo)方式的優(yōu)缺點，本文給出了一套自主著艦引導(dǎo)組合系統(tǒng)，綜合考慮了引導(dǎo)系統(tǒng)成本和機載設(shè)備重量，除第一階段遠(yuǎn)程引導(dǎo)外，其他不同階段引導(dǎo)方式均有備份。該引導(dǎo)方案有較好的理論基礎(chǔ)，且容易實現(xiàn)，可作為試驗方案進(jìn)行試驗試飛驗證。

參考文獻(xiàn)：

[1] Pachter M，Chandler P R. Challenges of autonomous control[J]. Control Systems IEEE，1998（4）：92-97.

[2] Xu G， Chen X， Wang B， et al. A search strategy of UAV's automatic landing on ship in all weathe[C]// International Conference on Electrical & Control Engineering. 2011.

[3]Ludington，Johnson，Vachtsevanos. Vision Based Navigation and Target Tracking for Autonomous Landing of an Unanned Aerial Vehicle[J].Advances in Unmanned Aerial Vehicles，2012（4）：245-266.

[4] Saripalli S，Montgomery J F，Sukhatme G S . Visually guided landing of an unmanned aerial vehicle[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2003（3）：371-380.

[5]王曉劍，潘順良，宋子善，等.無人直升機自主著艦的計算機視覺技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2007（6）：686-689.

[6]楊一棟.光學(xué)著艦助降系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[7]徐貴力，程月華，沈春林.基于激光掃描和計算機視覺的無人機全天候自主著陸導(dǎo)引技術(shù)[J].航空學(xué)報，2004（5）：499-503.

[8]鄭峰嬰.艦載機著艦引導(dǎo)技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.