梁 磊，肖 靜，鄧揚晨

(沈陽飛機設計研究所 無人機部，沈陽 110035)

0 引言

二十一世紀以來，世界各國加快了對無人戰(zhàn)斗機的研發(fā)進程，基于全球戰(zhàn)略調整和海上作戰(zhàn)需求考慮，美國率先將大型軍用無人機應用于海軍，實現了X-47B無人機[1]在“喬治·布什” 號航空母艦上成功著艦，標志著航母艦載無人機著艦技術發(fā)展的成熟。

為提高航母作戰(zhàn)能力、豐富海上作戰(zhàn)手段和完善空海力量構成，各國海軍不斷提出對無人機作戰(zhàn)能力的需求，其中關鍵要求是艦載無人機具有安全著艦的能力。本文在對國內外無人機著艦的發(fā)展情況以及無人機著艦相關技術進行研究之后，明確了艦載無人機著艦的技術難點，剖析了著艦技術的發(fā)展趨勢，對我國發(fā)展類似技術具有重要借鑒意義。

1 無人機著艦技術及發(fā)展現狀

艦載機無人機著艦外界干擾因素多、軌跡跟蹤精度要求高、自動控制難度大，是艦載機無人機使用的核心難點。艦載無人機著艦流程是艦載機穿過待機區(qū)、進近區(qū)、著艦引導區(qū)，在最后階段完成等角下滑著艦，著艦全過程都需要著艦引導系統給予艦載機實時定位信息，根據引導定位及環(huán)境信息，生成進場著艦軌跡，艦載機沿著軌跡飛行，在通過數據鏈完成機艦信息交互后，生成飛機控制指令，不斷調整飛機的位置和狀態(tài)，最終完成無人機的安全著艦。通過上述著艦流程可以看出，艦載無人機著艦主要經歷并使用了進場軌跡規(guī)劃、著艦控制、著艦引導、著艦數據鏈通訊和無人機著艦自主安全等技術，本文從這幾方面開展對無人機著艦技術的分析研究。

1.1 進場軌跡規(guī)劃技術

艦載機著艦進場受到艦尾氣流場、甲板運動的干擾以及起落架強度、攔阻索使用條件的限制，在進場軌跡規(guī)劃時，需要綜合考慮各個約束條件和影響情況，其技術難點主要體現在著艦最佳適配參數的選取、著艦軌跡生成的設計方法、甲板運動干擾以及艦尾流擾動影響等方面。

1.1.1 著艦適配參數的選取

著艦參數的選取依靠外界對艦載機的約束條件，主要包括對下沉速度、進場速度、下滑角、攔阻速度等影響因素進行性能分析，得到最佳適配性參數。

目前國內外在著艦適配參數的選取研究主要體現在兩方面：一是對著艦下沉速度、進場速度、攔阻速度、下滑角等因素進行建模[2-3]或實測[4]研究，分析這些因素對著艦適配參數選取的直接影響；二是對外界約束條件之間的相互影響來分析研究著艦適配參數的選取[5-6]。

1.1.2 著艦軌跡設計方法

飛機著艦區(qū)別于著陸，著艦時甲板沒有足夠的拉平調整長度，且受限于甲板不斷運動，所以需要對著艦軌跡進行設計，實現軌跡最優(yōu)控制方式。

目前國內外針對艦載機著艦軌跡生成技術的研究，主要出現以下三種典型方法：一是利用固定下滑角和航向角兩個變量，生成無人機的運動軌跡[7]；二是利用無人機與航空母艦的相對位置，預測無人機著艦點，來生成高精度的縱向軌跡路線和橫側向軌跡路線[8]；三是采用3D算法生成直線航跡[9]。

1.1.3 甲板運動干擾的分析

在著艦的最后階段，甲板運動對著艦的影響主要體現在縱向和側向兩個方面：縱向運動使艦體起伏導致艦載機理想著艦點高度發(fā)生變化，飛機有掛攔阻鉤失敗的風險；側向運動使艦體側偏導致艦載機偏離甲板跑道中心線，飛機有沖出甲板跑道的風險。

為了解決甲板運動對著艦的影響，國內外學者對甲板運動預估和甲板運動補償進行了研究，主要體現在兩方面：一是對航母運動及相關擾動情況進行實測數據分析和建模研究，分析甲板運動對著艦精度、安全的影響[10]；二是基于經典或先進控制理論設計甲板運動補償器，分析使用補償器后對著艦精度的影響[11]。

1.1.4 艦尾流擾動影響的分析

著艦時，艦體運動所造成的艦尾氣流擾動會導致飛機著艦誤差超出允許范圍。艦尾氣流可分解成穩(wěn)態(tài)尾流、縱搖誘導尾流和隨機紊流三種分量，它們不僅影響艦載機的下滑軌跡控制，還會增加艦載機迎角超過允許范圍的可能。

目前國內外在艦尾流的研究主要體現在兩個方面：一是對甲板風、艦尾流流場進行實測數據和建模研究，建立精度較高的艦尾流模型，并分析艦尾流對飛機姿態(tài)以及著艦精度的影響[12-15]；二是采用非線性控制方法設計艦尾流抑制控制器，通過仿真試驗證明艦尾流抑制控制器的有效性[16-17]。

1.2 著艦控制技術

艦載無人機著艦時要求飛機在低速飛行中具有良好的飛行品質，必須精確控制航跡，保持合適的速度、姿態(tài)，飛機對準航母甲板中心線，在理想著艦點嚙合，才能實施攔阻著艦。因此，艦載無人機對著艦控制系統要求極高，其飛控系統需要實時處理大量位置和運動信息，使飛機具備在復雜氣流環(huán)境和高海況條件下精確跟蹤飛行軌跡的能力。

針對以上著艦控制的要求和難點，艦載無人機著艦控制技術的發(fā)展主要體現在飛行控制律的設計上，設計方法主要應用的理論包括經典控制理論、現代控制理論和智能控制理論等。

1.2.1 經典控制理論

經典控制理論包括PID控制、Smith控制、解耦控制、Dalin控制和串級控制等。

單獨使用經典控制方法已經很難滿足現代復雜飛機的控制需求，一般采用經典控制理論的方式有兩種：一是飛機的某一部位或模塊使用經典控制方法，如北京航空航天大學的王立新等通過舵面的控制分配產生解耦的直接升力來實現對于陣風的減緩[18]；二是通過對經典控制理論改造使其成為新型實用控制技術，如中國科學院韓京清設計了新的自抗擾控制器[19]，西工大張波等基于線性自抗擾控制理論設計了全包線飛行控制器[20]，控制器能夠使無人機克服干擾。

1.2.2 現代控制理論

現代控制理論研究的主要內容包括三部分：線性系統理論、最優(yōu)估計與系統辨識理論以及最優(yōu)控制理論。現代控制理論應用的系統和使用方法較廣，國外在大型無人機控制律的設計方面，基礎理論研究與試飛驗證均取得了較高水平的成果。國內針對大型艦載無人機控制律的設計方面，以理論研究為主，暫未進行試飛驗證的深入研究。

(1)國外的研究情況：韓國的SHIM D H教授利用L1自適應控制方法設計了一套基于GPS引導的高精度自動起降系統，通過固定翼無人機模擬著艦過程，驗證了該控制系統的可靠性[21]；波音公司對X-45無人機控制系統采用了一種LQR控制方法[22]，并對該控制算法進行改進，通過仿真分析發(fā)現其幅值和相角具有更好的裕度[23]； X-36[24]和X-47B[25]采用了非線性動態(tài)逆控制律設計方法，該方法解決大迎角/過失速狀態(tài)下的飛機控制問題，改善了非線性度和飛行參數的動態(tài)品質。

(2)國內的研究情況：南京航空航天大學鄭峰嬰等針對無人機著艦環(huán)境的特殊性，提出了積分滑膜著艦控制方法，并入了自適應模糊網絡，克服了各種環(huán)境干擾因素的不良影響，降低了舵面的抖動程度[26]；南京航空航天大學甄子洋等利用預見控制理論設計了自動著艦控制系統，使控制信號根據未來目標值變化提前對飛機實施操作[27]。

1.2.3 智能控制理論

智能控制理論主要研究專家智能控制、模糊智能控制和神經網絡智能控制等方面。基于智能控制理論的研究正在快速發(fā)展，國內外對有人/無人飛機著艦控制器的研究有：采用SHL神經網絡動態(tài)逆控制方法[28-29]和基于遺傳算法的PID引導律控制器參數整定方法[30]。這些都力爭使飛機控制更加智能化。

1.3 著艦引導技術

針對無人機在飛行中無人駕駛，需要具備自主起降能力，著艦引導系統必須為無人機提供穩(wěn)定、持續(xù)、精確的無人機與觸艦點相對位置、姿態(tài)參數等信息，技術難點主要集中在高動態(tài)復雜海況下動平臺相對定位引導，通常采用的自動著艦引導技術的手段有雷達、光電和衛(wèi)星等。

1.3.1 雷達定位引導技術

雷達引導是使用雷達測量艦載機在下滑過程中的實際位置、姿態(tài)信息和運動情況，計算機將飛機的實際情況與理想情況進行比較，產生誤差結果，艦載機通過自動修正誤差來實現準確著艦。

依靠雷達引導技術，對艦載無人機著艦引導系統進行的研究主要表現在無人直升機方面。美國的無人機通用自動回收系統完成“火力偵察兵”無人機在“納什維爾”號運輸艦上的自主降落[31]；法國的艦載無人機自動著艦系統完成H-6U“小鳥”旋翼無人機在“拉斐特”級護衛(wèi)艦上的自主降落[32]；加拿大采用應答式3 mm波雷達導引實現了CL-227/327艦載無人直升機自動著艦。

目前基于雷達技術的艦載機著艦引導體制存在一定缺陷：測控過程復雜、定位精度有限和無法實現多機同時測控，針對大型無人機著艦引導的完好性和全過程引導的需求尚無法滿足。

1.3.2 光電定位引導技術

光電導引是利用光電設備測量飛機艦體相對位置，計算產生著艦控制所需的引導數據，實現飛機著艦導引。

依靠光電引導技術，對艦載無人機著艦引導系統進行研發(fā)和使用的國家：法國DNCS 公司為了解決在晝夜及惡劣天氣條件下的艦載機著艦能力，研制了SADA自動甲板起降系統；美國DRS 公司為提高艦載機在復雜電磁環(huán)境、無線電靜默條件下的使用率，研制了進近著艦虛擬成像系統。

激光、紅外、紫外引導等光電技術雖然應用普遍，但對天氣環(huán)境要求嚴格，在能見度較低的情況下著艦引導效果不佳。

1.3.3 衛(wèi)星定位引導技術

衛(wèi)星引導是利用衛(wèi)星三維定位與引導能力測量飛機、艦體位置，計算產生著艦引導所需的信息數據，實現著艦引導。

依靠衛(wèi)星引導技術，對艦載無人機著艦引導系統進行研發(fā)和使用的國家：法國SIREHNA公司為了實現無人機在5級海況下的自主著艦，研制了自主著艦系統；美國使用JPALS系統實現了艦載無人機X-47B在“布什”號航母上自主著艦；奧地利S100 型艦載無人機上使用的基于GPS 自動著艦系統；國內主要集中在院所、高校[33-34]的技術探索，暫未達到無人機著艦技術驗證狀態(tài)。

與現有的技術水平和航母、艦載機的戰(zhàn)術需求相比，衛(wèi)星的著艦引導精度(PGPS)高于雷達的著艦引導精度(ACLS)[35]，且衛(wèi)星引導對著艦環(huán)境要求不高，當前發(fā)展的一種以GPS為基礎的綜合化著艦引導系統將導航、防撞、進近、著艦、復飛等一系列功能融為一體，已被認為是艦載無人機引導技術的發(fā)展方向。

1.4 著艦數據鏈技術

艦載無人機在進行著艦時，需要進行飛機與航空母艦著艦引導信息的交互傳輸，信息傳輸的形式以數據鏈為載體進行。艦載無人機著艦對數據鏈的要求主要體現在安全性、低時延和抗干擾等方面。

軍用領域的戰(zhàn)術數據鏈發(fā)展相對迅速，其國內外研究情況為：國外針對無人機著艦系統數據鏈的研究已在工程中應用，以美國的戰(zhàn)術數據鏈使用最為廣泛，有應用于自動艦載機著艦系統ACLS的Link-4A[36]，有應用于有人機著艦聯合精確進近著艦系統的GMSK-25[37]，有應用于無人機著艦聯合精確進近著艦系統的TTNT[38]，其中X-47B著艦使用的就是TTNT數據鏈。國內針對無人機著艦系統數據鏈的研究有待進一步的發(fā)展，國內各種類型的數據鏈目前安裝在有人機和艦艇上，用于艦艇編隊、艦艇與飛機之間的組網通信，實現艦艇對飛機的引導，能夠保障大部分數據通信功能。但是，針對無人機著艦數據鏈技術的研究或研制，尚待發(fā)展。

1.5 著艦自主安全技術

相比較有人機，無人機缺乏機上駕駛員決策，現有的和正在研制的機載控制設備功能仍無法與駕駛員的能力相提并論，目前在解決無人機著艦問題時，必須要面對因缺乏機上駕駛員而帶來的著艦自主安全技術難題：全自主復飛決策、逃逸控制策略、系統故障特情應急處置策略。

在解決全自主復飛決策技術方面的研究，主要集中在設計復飛區(qū)域和復飛準則上，通過開發(fā)全自主復飛系統，解決復飛決策問題[39-40]。

在解決逃逸控制策略技術方面的研究，主要集中在分析逃逸離艦的影響因素、設計逃逸離艦安全準則和逃逸控制策略，開發(fā)逃逸控制系統，解決逃逸安全問題[41-42]。

在解決系統故障特情應急處置策略方面的研究，主要集中在采用故障診斷、傳感器融合、冗余配置等技術手段對特殊情況下的著艦安全隱患進行排除[43-44]。

2 無人機著艦技術發(fā)展趨勢

針對以上艦載無人機著艦的技術問題，作者認為：其發(fā)展方向主要圍繞著艦時的系統可靠性、安全性、著艦智能化以及成功上艦后提升執(zhí)行作戰(zhàn)任務能力等方面。

著艦軌跡線設計的合理性直接關系著艦載機著艦的成功率，需要深入分析軌跡規(guī)劃的約束條件和影響情況，根據外界因素和安全準則，實時在線生成軌跡是其重要發(fā)展方向。

一鍵式著艦是著艦控制技術發(fā)展的理想方向。推力矢量控制技術是目前比較先進的飛行控制手段，其控制技術是較好的發(fā)展方向。智能控制理論在控制器設計與優(yōu)化中有獨特優(yōu)勢，待其工程應用成熟后，可很好實現著艦智能化的愿景。

在著艦引導技術方面，需要朝著引導距離擴展化、引導手段多體制化等方向發(fā)展，引入多源信息融合技術，實現多系統聯合引導。

在著艦數據鏈技術方面，需要加強信息傳輸的安全性、增強對環(huán)境適應的智能化以及建立專用協同鏈路，提升艦載無人機著艦時信息交互的連通性和時效性。

在著艦自主安全技術方面，其發(fā)展趨勢為：采用專家系統、智能手段等解決復飛、逃逸和特殊情況下飛行安全隱患難以排除的難題。

3 結論及展望

本文針對國內外艦載無人機著艦技術和發(fā)展趨勢進行了分析和研究，主要結論及展望如下：

(1)艦載無人機著艦技術難點主要集中在進場軌跡規(guī)劃技術、著艦控制技術、著艦引導技術、著艦數據鏈技術和著艦自主安全技術等方面，解決這些技術難題，可有效化解無人機著艦的安全風險；

(2)艦載無人機在解決著艦系統可靠性、安全性的基礎之上，會不斷向一鍵式著艦、智能化著艦發(fā)展；

(3)目前美國已成功完成艦載無人機X-47B著艦，其技術攻克方法和發(fā)展路線值得我國借鑒，但不可完全照搬，如GPS衛(wèi)星引導系統戰(zhàn)時的安全性和可靠性難以保證，需解決BD衛(wèi)星引導系統對艦載無人機的引導問題，通過該技術的研發(fā)，開創(chuàng)適合本國情況的技術創(chuàng)新發(fā)展思路。