沈林成，孔維瑋，牛軼峰，*

（1.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長沙410073； 2.中國人民解放軍92942部隊，北京100161）

隨著無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）關(guān)鍵技術(shù)的突破與快速發(fā)展，無人機逐步適用于越來越多的應(yīng)用場景。為滿足無人機高頻次、大范圍的使用需要，確保使用全流程安全高效，無人機自主安全降落技術(shù)成為民用和軍用領(lǐng)域的關(guān)注重點。近年來，國內(nèi)外研究機構(gòu)提出了多種解決方案，涌現(xiàn)出機載與岸基/艦基兩大類引導(dǎo)方式。其中，機載方式受限于載荷能力和計算資源約束，存在作用距離近、實時性差、精度不足等缺點，為彌補上述短板，岸基/艦基類引導(dǎo)方式持續(xù)得到行業(yè)關(guān)注［1-2］。

本文系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外典型地基/艦基無人機自主降落引導(dǎo)系統(tǒng)，對各系統(tǒng)基本組成和主要特點進行了介紹，分析提出了地基/艦基無人機自主降落主要關(guān)鍵技術(shù)，為未來開展自主降落關(guān)鍵技術(shù)研究、牽引突破重點難點問題提供參考依據(jù)。

1 無人機自主降落與著艦環(huán)節(jié)

回顧歷史，自1918年3月6日第一架現(xiàn)代無人機（“柯蒂斯”N-9）的出現(xiàn)距今已有百年歷史，但在實際應(yīng)用過程中，無人機有效導(dǎo)航方式始終是人們關(guān)注的重點。無人機的飛行控制系統(tǒng)在選用高精度慣性導(dǎo)航設(shè)備的基礎(chǔ)上，廣泛安裝全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）設(shè)備，通過將衛(wèi)星導(dǎo)航信息與機載數(shù)據(jù)進一步融合，不斷提高綜合導(dǎo)航精度。但由于天氣因素及降落區(qū)域多波效應(yīng)等影響，當(dāng)GNSS信號偶發(fā)中斷或受到持續(xù)干擾時，無人機的安全降落事故風(fēng)險顯著提升。每年世界各地均會發(fā)生多起無人機因失去導(dǎo)航信息而墜毀的事件，造成了人員與經(jīng)濟損失，也導(dǎo)致世界多地設(shè)置不同級別的禁飛區(qū)和禁飛事件，抑制了無人機的快速發(fā)展。與此同時，固定翼無人機由于其飛行速度快，雖然導(dǎo)航系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的定位信息，但因為受到操作人員熟練程度及觀察視角等約束，誤操作導(dǎo)致無人機降落過程中受損的情況也愈發(fā)突出。據(jù)統(tǒng)計，在所有事故中，因操作員失誤導(dǎo)致的事故率高達60%［3］；特別在無人機起飛和降落階段，人為因素的影響更是高達50%［4］。因此，為無人機提供自動化程度高、導(dǎo)航定位精度可靠的系統(tǒng)性引導(dǎo)降落方案將有助于進一步推廣其應(yīng)用場景，降低人員操作負擔(dān)。下面針對自主降落技術(shù)的共性需求與降落主要環(huán)節(jié)進行分析。

1.1 自主降落共性需求分析

近年來，隨著國內(nèi)民航機場的大量建設(shè)，民航成為人們出行的重要手段，各大機場的航班密度顯著增加。經(jīng)綜合統(tǒng)計，導(dǎo)致晚點的主要原因與氣候密切相關(guān)，民航數(shù)據(jù)（Civil Aviation Data Analysis，CADA）［5］對2012—2014年春運期間晚點情況進行了分析，氣候因素（主要為雨、雪和霾）導(dǎo)致航班延誤或取消的比例高達29.09%。

不良氣候及空氣污染對航空器降落帶來最大的影響就是能見度降低。在飛行降落能見度衡量方面，國際民航通則規(guī)定的3個類別應(yīng)用最為廣泛，其分類依據(jù)為：對決斷高度（Decision Height，DH）和跑道視距（Runway Visual Range，RVR）2個指標(biāo)的劃分，具體要求為：CAT I類，DH最低要求為60m，RVR最低要求為550m；CAT II類，DH最低要求為30m，RVR最低要求為330m；CAT III類中，對DH和RVR的要求均為0 m。按照上述要求，通常意義上所理解的真實盲降實際上是CAT III類。在國內(nèi)各大機場中，具備CAT III類進近系統(tǒng)的機場僅北京首都國際機場、上海浦東國際機場、成都雙流國際機場、南京祿口國際機場、廣州白云國際機場、香港國際機場和澳門國際機場等少量機場配備CAT II類系統(tǒng)，絕大多數(shù)機場為CAT I類。此外，國內(nèi)大多數(shù)航空公司飛行員只有CAT I類降落資格，因此當(dāng)氣象條件低于CAT I類時，若機組不具備降落資格則只能選擇轉(zhuǎn)場備降或返航。這種情況進一步影響了國內(nèi)航班在夏天雷雨季節(jié)和冬季雨雪天氣下的正點率。因此，若能夠通過輔助手段提高和拓展飛行員“可見度”，為飛機提供精確的相對位置信息，則可以顯著降低現(xiàn)有航班延誤比例，整體上提高民航準(zhǔn)點率。

例如，2015年3月16日18時，上海浦東國際機場上空開始出現(xiàn)低云天氣，能見度持續(xù)降低，直至17日清晨8時能見度恢復(fù)正常。在此期間，因為機場能見度低于CAT I類落地標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致飛往機場的25個航班備降其他機場，47個航班被取消，進而導(dǎo)致后續(xù)大量航班出現(xiàn)延誤。但是，由于使用飛機平視顯示器（Head Up Display，HUD）技術(shù)讓飛行員可視范圍達到CAT II類標(biāo)準(zhǔn)，從青島飛往上海的SC4603和SC4671兩個航班在上海浦東國際機場安全平穩(wěn)著陸，旅客行程未受影響，接續(xù)航班也準(zhǔn)點運行。這2次降落具有里程碑意義，是中國民航首次使用HUD輔助下的CAT II類標(biāo)準(zhǔn)民航客機著陸流程。

HUD是一種機載光學(xué)顯示系統(tǒng)，能夠利用計算機和光學(xué)顯示技術(shù)，將地面導(dǎo)航信息及航空器自身測量到的飛行姿態(tài)信息直接顯示在飛行員視野正前方。因此，只要地面導(dǎo)航系統(tǒng)和飛機自身能夠在足夠遠的距離提供精確的位置和姿態(tài)信息，飛行員則可以借助HUD 技術(shù)實現(xiàn)飛機的盲降。

由此可見，在沒有儀器儀表的輔助下，飛行器的降落標(biāo)準(zhǔn)受制于氣象條件，隨著飛行器應(yīng)用更為廣泛，因缺少有效安全降落手段導(dǎo)致的經(jīng)濟損失將進一步擴大。

1.2 航空器自主著艦主要環(huán)節(jié)

在軍事領(lǐng)域，由于戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜和多變，對在艦船上有人機和無人機的自主起降需求則更為迫切，呈現(xiàn)出電磁環(huán)境復(fù)雜、平臺高動態(tài)運動等特點。世界強國海軍為了實現(xiàn)艦載機的正確返航與著艦，現(xiàn)代航母均配有中空交通管制系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)（Tactical Air Navigation system，TACAN，俗稱塔康）和著艦引導(dǎo)系統(tǒng)。著艦過程的基本流程為接力導(dǎo)航過程，主要包含以下環(huán)節(jié)：

1）艦載機距離航母300 km時，該階段導(dǎo)航定位信息由戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)提供。

2）艦載機距離航母100 km時，該階段導(dǎo)航定位信息由空管雷達接力提供。

3）艦載機距離航母30 km時，戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)再次接手該階段導(dǎo)航定位信息的提供。

4）艦載機距離航母10 km時，該階段導(dǎo)航定位信息由著艦引導(dǎo)系統(tǒng)提供。

5）在著艦最后3 km時，艦載光學(xué)助降系統(tǒng)穩(wěn)定捕捉艦載機，持續(xù)提供導(dǎo)航定位信息，引導(dǎo)其完成著艦。

在最后一個環(huán)節(jié)使用的光學(xué)輔助設(shè)施一般是指“菲涅爾透鏡”光學(xué)助降系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅為有人艦載機提供相對位置的導(dǎo)引，也應(yīng)用于無人艦載機的導(dǎo)引過程，如圖1所示。

圖1 “菲涅爾透鏡”光學(xué)助降系統(tǒng)Fig.1 Fresnel lens optical landing system

在有人艦載機引導(dǎo)降落過程中，為提供更多信息給艦載機飛行員，在美國航母上，通常設(shè)置了著艦引導(dǎo)小組（Landing Signal Officer，LSO）。該小組工作區(qū)域為航母著艦區(qū)域左舷，6名小組成員分別利用航母上的多類傳感器及信息化設(shè)備，通過多種方式（如燈光、手勢、無線電和語音等）向艦載機飛行員提供下滑修正指令和其余輔助信息。

在無人機降落階段，所耗費的人力資源遠大于最初預(yù)期及其正常高空飛行階段?？紤]未來無人裝備大量上艦，現(xiàn)有人員數(shù)量無法滿足高頻次無人機起降需求。2007年8月，美軍啟動了名為“無人空戰(zhàn)系統(tǒng)驗證機”（Unmanned Combat Air System carrier Demonstration，UCAS-D）技術(shù)驗證項目，意圖提高無人機自主能力水平，減少對地面或艦上操作人員的依賴，經(jīng)過招標(biāo)，最終選定X-47B無人機作為該項目的工程試驗樣機（該型無人機由美國諾斯魯普·格魯曼公司研發(fā)）。

為配合相關(guān)試驗，美軍專門在帕塔克森特河（Patuxent River）試驗基地建設(shè)了配套試驗條件，優(yōu)先選用地面跑道來進行路上模擬測試（見圖2），經(jīng)全流程仿真、硬件試驗和陸地模擬測試后，于2013年5月14日和17日，先后成功實施了海上復(fù)飛試驗和首次著艦降落，這些細節(jié)體現(xiàn)了美國軍方對這項技術(shù)的重視程度。

與此同時，無人作戰(zhàn)是美軍投入巨資開展的重要研究。其中，“艦載監(jiān)視與攻擊無人機系統(tǒng)”（Unmanned Carrier-Launched Airborne Surveillance and Strike，UCLASS）是美國海軍在UCAS-D之后的下一代無人作戰(zhàn)飛機計劃，于2013年公開招標(biāo)。該計劃目標(biāo)是在2020年前后部署在現(xiàn)役航母上，支持具備獨立執(zhí)行任務(wù)的無人機自主起降，并能夠與有人機協(xié)同飛行，形成航母艦載機力量群。UCLASS項目除提高無人機本體的作戰(zhàn)能力外，還特別強調(diào)無人機的航母自主起降能力、有人-無人機的協(xié)同能力和空中自主加油能力，從而形成對中國沿海地區(qū)進行戰(zhàn)略偵察、監(jiān)控和打擊。

圖2 無人機美軍帕塔克森特河著陸驗證基地Fig.2 UAV verifies base station during landing at Patuxent River

2 無人機自主降落系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 民用領(lǐng)域

2.1.1 儀表著陸系統(tǒng)

在民航領(lǐng)域起步階段，儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）安裝在地面機場跑道周邊，在民用航空器進近和著陸階段向飛行員提供降落引導(dǎo)信息。該系統(tǒng)于1919年通過了美國國家標(biāo)準(zhǔn)局組織的試驗，并在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)揮了重要作用，從而進一步得到了推廣應(yīng)用。1949年，儀表著陸系統(tǒng)被國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）作為國際標(biāo)準(zhǔn)向世界各國推廣使用。該系統(tǒng)能夠為飛行器提供方位角、仰角和距離信息，上述信息的解算通過地面站和機載設(shè)備配合完成。在飛行器進近過程中，機載接收機實時解算地面航向信標(biāo)和下滑信標(biāo)所產(chǎn)生的頻率不同的波束，通過對水平和垂直方向波束的解算得到相對定位信息。航向信標(biāo)臺一般工作在超高頻（UHF）頻段，負責(zé)提供飛行器與跑道中心線的偏移程度；下滑信標(biāo)臺一般工作在甚高頻（VHF）頻段，負責(zé)提供與理想下滑面（2.5°～3.5°）的偏移情況。該系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的引導(dǎo)系統(tǒng)，具有較好的魯棒性和適配性，導(dǎo)航定位精度在5～20m之間，但隨著近年來機場附近電磁頻譜環(huán)境的日益復(fù)雜，該系統(tǒng)的解算精度受到一定干擾，且定位精度與更新頻率難以滿足無人機控制系統(tǒng)的精度需求。

2.1.2 雷達著陸系統(tǒng)

1943年，美軍將雷達技術(shù)應(yīng)用到地面控制進近（Ground Control Approach，GCA）系統(tǒng)，并逐漸推廣至民用航空領(lǐng)域；1947年，美國西南航空公司一架DC-3型飛機，在雷達著陸系統(tǒng)與儀表著陸系統(tǒng)的引導(dǎo)下，實現(xiàn)了世界上第一次真正意義上的商業(yè)航班盲降。該系統(tǒng)提供的信息主要依托雷達設(shè)備，在獲取相對位置信息后，由于最初數(shù)據(jù)鏈不具備回傳條件，飛行員通常通過語音形式與塔臺領(lǐng)航員對話，通過語音報送，飛行員獲取下滑路徑偏差數(shù)據(jù)，彌補其視覺觀察產(chǎn)生的測量誤差，最終完成安全降落過程。近年來，隨著數(shù)據(jù)鏈、飛行控制器和數(shù)據(jù)融合算法的發(fā)展與成熟，這種引導(dǎo)降落方式演變?yōu)椤皵?shù)據(jù)鏈+雷達”形式，即地面或艦基雷達系統(tǒng)在解算出偏差后，通過高速數(shù)據(jù)鏈將信息回傳至機載設(shè)備，飛行控制器根據(jù)飛機運動學(xué)與動力學(xué)特點，實時解算相對值位置并作出預(yù)報，同步更新引導(dǎo)率與控制策略，最終實現(xiàn)半自主或自主降落。

2.1.3 微波著陸系統(tǒng)

1978年，為進一步提高引導(dǎo)降落精度，國際民航組織認可了時間基準(zhǔn)波束掃描（Time Reference Scanning Beam，TRSB）技術(shù)的著陸系統(tǒng)，該技術(shù)是典型的應(yīng)用微波手段實現(xiàn)相對位置測量的解決方案。該系統(tǒng)由機載接收機、地面方位測量設(shè)備、仰角測量設(shè)備和測距儀4個主要部分組成。其中，機載接收機通過接收地面方位測量設(shè)備和仰角測量設(shè)備的周期性信號進行位置解算，根據(jù)同一個設(shè)備2次波束信號的時間間隔，可以準(zhǔn)確得到飛行器所處的空間位置與速度，但該系統(tǒng)費用相對昂貴，校準(zhǔn)周期及校準(zhǔn)操作的復(fù)雜性導(dǎo)致該系統(tǒng)在民用領(lǐng)域應(yīng)用推廣較為緩慢。

2.2 軍用領(lǐng)域

2.2.1 聯(lián)合精密進近和著陸系統(tǒng)

美軍在導(dǎo)航領(lǐng)域主要依賴全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），同時為滿足其海上平臺引導(dǎo)降落需求，啟動了名為聯(lián)合精密進近和著陸系統(tǒng)（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）的研究［6］。其中，艦機同步技術(shù)與高速傳輸技術(shù)是該系統(tǒng)的2項關(guān)鍵基礎(chǔ)，該系統(tǒng)于2000年完成試驗測試，2017年10月至2019年3月在兩棲登陸艦上部署，實現(xiàn)對F-35B的引導(dǎo)降落，2019年4月完成了在艾森豪威爾號航母（CVN-69）上的適配測試。

JPALS由模塊化開放式系統(tǒng)硬件與軟件單元模塊組成，能夠與艦載空中交通管制和著陸系統(tǒng)體系相互集成，并獲取相關(guān)信息向飛行員提供數(shù)據(jù)顯示和操作建議。該系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括GPS傳感器、導(dǎo)航數(shù)據(jù)鏈、船舶運動測量傳感器、維護保障系統(tǒng)和船舶信息接口等。在降落過程中，由于艦船船體和飛機均處在同時運動過程中，為滿足信息的雙向傳遞，該系統(tǒng)采用超高頻UHF雙向數(shù)據(jù)鏈，將艦船本體GPS位置及其搖擺、俯仰、偏航和航向運動數(shù)據(jù)融合計算后，上傳至飛行器控制系統(tǒng)。與此同時，飛行器控制系統(tǒng)也將其自身融合得到的位置信息回傳至艦船引導(dǎo)系統(tǒng)，2個平臺的相互連通提高了定位精度。未來，該系統(tǒng)還將支持F-35B/C和MQ-25A在航母等大型艦船的自主降落。

在艦載JPALS提供的引導(dǎo)信息中，融合算法重點提升了對艦船與飛機之間相對位置的解算精度，經(jīng)試驗測試該系統(tǒng)縱向和橫向精度控制在1m之內(nèi)，滿足CAT III級別降落要求。從2005年開始，美軍已開始推廣JPALS，逐步替換現(xiàn)有的以AN/SPN-46雷達為主要手段的艦載精密進場著陸系統(tǒng)，如圖3所示（https：//en.wikipedia.org/wiki/AN/SPN-46（V）/1？oldformat=true）。根據(jù)其試驗進展，在2019年，該系統(tǒng)已具備初始運行能力（Initial Operating Capability，IOC），到2030年將具備完全運行能力（Full Operating Capability，F(xiàn)OC），提供更高精度的引導(dǎo)定位數(shù)據(jù)。

圖3 AN/SPN-46雷達Fig.3 AN/SPN-46 radar

2.2.2 目標(biāo)定位與跟蹤系統(tǒng)

1999年，瑞士RUAG宇航公司開發(fā)研制了目標(biāo)定位與跟蹤系統(tǒng)（Object Position and Tracking System，OPATS），該系統(tǒng)通過應(yīng)用激光測量技術(shù)，實現(xiàn)了對無人機位置與角度的測量，能夠支持瑞士空軍“巡邏兵”無人機的引導(dǎo)降落。

OPATS需要在無人機首部安裝專用反射體，以此增強激光的反射效果，滿足遠距離探測需要。地面系統(tǒng)在完成角度和位置結(jié)算后，通過數(shù)據(jù)鏈回傳引導(dǎo)信息至飛行控制器，實現(xiàn)對無人機的引導(dǎo)控制，如圖4所示（https：//www.uasvision.com/2012/03/02/ruags-laser-based-automatic-uas-landingsystem/）。在氣象條件良好的情況下，該系統(tǒng)的目標(biāo)檢測范圍為35～4000m，精度控制在±1.5m。

2.2.3 無人機通用自動回收系統(tǒng)

1996年開始，美國內(nèi)華達山脈公司（SNC）開始為美國軍方設(shè)計無人機通用自動回收系統(tǒng)（UAV Common Automatic Recovery System，UCARS），先后研發(fā)了V1和V2兩個版本。該系統(tǒng)能夠為無人機提供相對定位，滿足MQ-8B和MQ-8C火力偵察兵旋翼無人機的降落需求，并能夠模塊化換裝至其他無人機平臺兼容適配。美國海軍陸戰(zhàn)隊?wèi)?yīng)用該系統(tǒng)，實現(xiàn)在戰(zhàn)場完成對“先鋒”無人機的自主降落，如圖5所示（https：//www.sncorp.com/media/1998/ucars-v2 product-sheet.pdf）。2006年，完成了對RQ-8A活力偵察兵的著艦試驗。

圖4 瑞士OPATS系統(tǒng)Fig.4 Swiss OPATS

圖5 無人機通用自動回收系統(tǒng)Fig.5 UAV common automatic recovery system

該系統(tǒng)采用的測量方式為毫米波雷達。由于毫米波自身物理特性，相較微波導(dǎo)航定位設(shè)備，毫米波設(shè)備的波束更窄、質(zhì)量更輕、帶寬更大，抗干擾能力也得到進一步提升，特別是毫米波能夠有效穿透霧、雨、濃煙和塵埃，具備良好的氣象環(huán)境適應(yīng)性，是野外機場和海上實現(xiàn)對無人機引導(dǎo)定位的理想手段。

UCARS的第二代系統(tǒng)（V2）由艦載或陸基跟蹤子系統(tǒng)和機載應(yīng)答器2部分組成。艦載或陸基跟蹤傳感器可實現(xiàn)對飛機運動的測量及相對位置的估算，并能夠輸出穩(wěn)定的位置和移動數(shù)據(jù)解算結(jié)果，供無人機自控設(shè)備定位使用。此外，該系統(tǒng)配備了一個平行對準(zhǔn)照相機，可以為無人機的操作員提供實時視頻反饋信息。

與此同時，在增強艦基/岸基探測定位手段之外，X-47B無人機自身也配備了更強的傳感器設(shè)備。美國海軍科技網(wǎng)站（Naval Technology）披露［7］，該無人機導(dǎo)航系統(tǒng)除應(yīng)用傳統(tǒng)GNSS和視覺信息之外，還具備融合Inverse SAR雷達、SAR雷達等信息的能力。上述傳感器與地基/岸基引導(dǎo)系統(tǒng)相互配合，可進一步提高導(dǎo)航定位精度與預(yù)報準(zhǔn)確性，降低安全降落風(fēng)險，如圖6所示。

2.2.4 SADA甲板自動起降引導(dǎo)系統(tǒng)

在自主起降研究領(lǐng)域，法國DCNS公司開發(fā)了SADA自動甲板起降系統(tǒng)［8］。該系統(tǒng)的主要傳感器為紅外傳感器，相較可見光設(shè)備可以更遠距離精確跟蹤無人機，同時向飛行控制器發(fā)出控制指令，引導(dǎo)無人機穩(wěn)定靠近，最終利用“魚叉”式裝置完成對準(zhǔn)與降落。2008年10月9日，SADA甲板自動起降引導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)了對S-100型旋翼無人機（奧地利西貝爾公司研制）的引導(dǎo)降落。該無人機以自主模式飛行至航行在地中海上的法國海軍驅(qū)逐艦“蒙特卡姆”號（Montcalm）周邊，在完成系統(tǒng)握手、引導(dǎo)進近等一系列動作后，安全降落在該艦后甲板上。該系統(tǒng)引導(dǎo)控制精度約30 cm，可以在五級海況條件下正常工作。

圖6 X-47B降落過程［7］Fig.6 X-47B landing process［7］

2.2.5 D2AD甲板自動起降引導(dǎo)系統(tǒng)

除采用光學(xué)類引導(dǎo)設(shè)備之外，法國DCNS公司和Thales公司探索使用無線電測距設(shè)備來輔助完成無人機自主甲板降落（D2AD）。2012年，該系統(tǒng)分別部署在一架波音H-6U“小鳥”旋翼無人機和一艘法國海軍“拉斐爾”級護衛(wèi)艦上，完成了遠距離對準(zhǔn)、運動平臺相互測量等一系列技術(shù)驗證［9］。無人機模塊和艦基模塊是D2AD甲板自動起降引導(dǎo)系統(tǒng)的2項重要組成，無人機模塊是指安裝在無人機上的引導(dǎo)信標(biāo)設(shè)備，艦基模塊是飛行甲板面上安裝的信標(biāo)傳感器及測量艦艇運動狀態(tài)的傳感器。該系統(tǒng)能夠在不依賴任何衛(wèi)星定位系統(tǒng)條件下正常工作，海況適應(yīng)性可以達到五級。

2.2.6 DeckFinder降落系統(tǒng)

“甲板發(fā)現(xiàn)者”（DeckFinder）降落系統(tǒng)由歐洲航宇防務(wù)集團（EADS）阿斯特里姆公司開發(fā)，目標(biāo)是提高著艦區(qū)域的相對定位精度。該系統(tǒng)利用多個信標(biāo)進行定位，完成對旋翼飛行器的助降。2013年6月，S-100型無人直升機配裝該設(shè)備信標(biāo)，完成了在GNSS受干擾環(huán)境下的自主起飛與回收能力綜合測試。該系統(tǒng)由位于地面的6臺射頻發(fā)射機和1臺機載接收機組成。地面部分按照設(shè)定的幾何構(gòu)型，安裝在甲板降落區(qū)域，通過計算不同射頻發(fā)射機的時間長度，解算得到相對位置。該系統(tǒng)對飛行器的測距測量不需GNSS系統(tǒng)支持，可為飛行器提供高精度的三維位置信息，工作范圍約為1.1 km，工作頻率不小于15 Hz，相對定位精度優(yōu)于20 cm。

2.2.7 MagicCarpet降落系統(tǒng)

“魔毯”（MagicCarpet）降落系統(tǒng)是美國海軍近年來研制的新型精密著艦先進控制與現(xiàn)實技術(shù)，于2015年4月完成首次海上試驗，2016年完成F/A-18E/F配套測試。該系統(tǒng)重點對飛行控制器算法中升力控制技術(shù)部分進行了改進提升，實現(xiàn)下滑軌跡規(guī)劃與著艦階段姿態(tài)的解耦控制，并將下滑軌道誤差、對中誤差、指令幅值等信息提供給飛行員，進一步優(yōu)化著艦流程，簡化飛行員操作負荷，著艦成功率與安全性得到顯著提升。

JPALS系統(tǒng)重點提供岸基和航母甲板著艦區(qū)域的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，MagicCarpet降落系統(tǒng)更加注重提升無人機/有人機在降落過程中的平滑程度。

3 無人機自主降落技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在無人機自主降落領(lǐng)域，機載視覺技術(shù)是發(fā)展較早、解決方案眾多且對降落區(qū)域硬件設(shè)備無硬性要求的通用關(guān)鍵技術(shù)，通過機載視覺系統(tǒng)對降落區(qū)域或特定目標(biāo)進行探測、識別和定位，實現(xiàn)相對位置的估計。地基引導(dǎo)和運動平臺姿態(tài)估計技術(shù)是近年來為滿足降落過程中相對定位精度、預(yù)報運動平臺位置等需求發(fā)展起來的專用關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 機載視覺引導(dǎo)降落技術(shù)

韓國航天工程部提出一種基于機載視覺的引導(dǎo)著陸方案，該方案在降落區(qū)域放置紅色圓拱型安全氣囊，小型無人機上視覺傳感器自主識別紅色目標(biāo)及尺度，完成相對定位和無人機回收［10］。

Kim等［11］提出了一種基于顏色分割與形態(tài)學(xué)的圖像處理算法，在機載視覺設(shè)備上對撞網(wǎng)區(qū)域圖像特征進行識別，完成了對小型固定翼無人機的引導(dǎo)回收。該視覺算法重點對預(yù)知的幾何圖形進行分析，反向解算得到無人機當(dāng)前方位信息，在降落過程中實施修正引導(dǎo)率和控制率；地面控制系統(tǒng)實施檢測無人機飛行狀態(tài)，必要時進行人工介入，提高降落過程安全性和可靠性。

朱建明［12］對H型合作目標(biāo)進行了修改，將傳統(tǒng)H型目標(biāo)的上端開口進行封閉，提升了新圖形的方向性特征。在從空中識別降落區(qū)域H型目標(biāo)過程中，采用了基于灰度變化的角點檢測方法，通過對特征點的解算，獲取無人機的相對位置。

Shakernia［13］在 博 士 論 文 中 提 出 了 應(yīng) 用 于Yamaha R-50型旋翼無人機視覺自主降落解決方案，該方案的核心思想也是利用合作目標(biāo)實現(xiàn)相對位置估計。與此同時，Shakernia還研究了線性/非線性雙視圖運動估計（Linear/Non-linear Two-view Motion Estimation）算法和多視圖平面算法（Multi-view Planar Algorithm），在得到相對位置信息之外，有效估計了無人機在降落過程中的姿態(tài)情況，為無人機飛行控制系統(tǒng)有效產(chǎn)生控制指令提供輔助信息。通過仿真與戶外綜合試驗，該方案位置偏差控制在0.05 m，角度偏差控制在0.5°，較好地實現(xiàn)了精確定位與準(zhǔn)確降落。但由于合作標(biāo)識不適用于多數(shù)無人機場景，該算法遷移至對非合作目標(biāo)的識別及位置姿態(tài)估計具有一定難度。

南加州大學(xué)設(shè)計了基于H型著陸標(biāo)志，通過計算Hu不變矩進行著陸定位，該系統(tǒng)目前的精度為：位置誤差小于0.4m，角度誤差小于0.7°。

3.2 地基多模式引導(dǎo)降落技術(shù)

3.2.1 基于GNSS的引導(dǎo)降落技術(shù)

文獻［14］在建立數(shù)字仿真環(huán)境的過程中，引用了WVU YF-22、NASA GTM、Pioneer、Tiger Shark和OX飛行器的動力學(xué)參數(shù)。其中，Pioneer和Tiger Shark兩種類型的無人機為中型無人機，與實驗室現(xiàn)有的設(shè)備類型相似，可以將動力學(xué)參數(shù)作為參考，進而建立更加真實的飛機模型，驗證引導(dǎo)系統(tǒng)的魯棒性。

在綜合測試方面（見圖7），可將2臺GPS天線按T型結(jié)構(gòu)安置，通過幾何關(guān)系得到船體的位置和姿態(tài)變化，從而評價多傳感器融合后的艦船位姿估計結(jié)果。

圖7 T型GPS天線［14］Fig.7 T-structure GPS antenna［14］

3.2.2 基于視覺的引導(dǎo)降落技術(shù)

在地基視覺引導(dǎo)方面，采用部署多臺固定焦距相機［15］進行接力測量、分區(qū)引導(dǎo)無人機降落過程是近年來的一種新思路。國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院提出的系統(tǒng)方案如圖8所示，該系統(tǒng)視覺引導(dǎo)部分由6臺選定不同焦距和視場角的工業(yè)高速攝像機與服務(wù)器組成。6臺攝像機分為3組，分別部署在跑道兩側(cè)，按照遠場、中場和近場測量需要進行標(biāo)定調(diào)試。一般情況下，各相機的視場范圍需要有一定的交叉重疊，形成的整體視場范圍覆蓋全部著陸區(qū)域。這種解決方案設(shè)計思路簡單，多種焦距組合彌補了單個視覺系統(tǒng)視場角受限的不足，但該系統(tǒng)整體架構(gòu)復(fù)雜，戶外部署位置誤差對解算精度影響大，且視覺系統(tǒng)在標(biāo)定過程中步驟復(fù)雜，部署靈活性需進一步增強。

圖8 多視角地基引導(dǎo)系統(tǒng)［15］Fig.8 Multi-view ground-based guidance system［15］

為進一步探索地基視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，2012年國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院首先提出了基于遠紅外相機的短基線引導(dǎo)裝置［16］，該系統(tǒng)方案如圖9所示。通過試驗驗證，利用紅外傳感器特性，該系統(tǒng)能夠識別MD4-200型四旋翼無人機，識別距離在100m左右，定位精度在20 cm，能夠滿足無人機的引導(dǎo)降落需求。但是，該方案由于受到紅外相機之間基線的限制，探測距離相對受限，不能滿足固定翼無人機的遠距離引導(dǎo)降落需求。此外，由于遠紅外傳感器的成像特性，在出現(xiàn)低空云層時，系統(tǒng)所采用的Meanshift方法魯棒性不強，容易出現(xiàn)跟蹤丟失情況，位置解算精度受到嚴重影響。隨后，為進一步拓展基線長度，滿足固定翼無人機降落需要，2013年該團隊設(shè)計提出了基線長度約10m的綜合引導(dǎo)系統(tǒng)［17］，如圖10所示。該系統(tǒng)由紅外攝像機和可見光攝像機組成，增強了對遠端無人機的探測和識別精度，同時位于跑道兩側(cè)的可見光與紅外攝像機分別安裝在雙自由度轉(zhuǎn)臺上，以此實現(xiàn)對降落空域的大范圍搜索。經(jīng)外場試驗驗證，該系統(tǒng)能夠在800～1 000m距離自主實現(xiàn)對翼展為3m的固定翼無人機的探測和識別，在引導(dǎo)降落過程中，水平和豎直方向引導(dǎo)精度約為0.8m左右，高度精度約為1.2m。

圖9 短基線地基雙目引導(dǎo)系統(tǒng)［16］Fig.9 Short baseline ground-based binocular guidance system［16］

圖10 長基線地基引導(dǎo)系統(tǒng)［17］Fig.10 Long baseline ground-based guidance system［17］

3.2.3 其他地基/艦基引導(dǎo)方式

Yang等［19］提出了利用地基陣列魚眼鏡頭實現(xiàn)對旋翼無人機的引導(dǎo)降落，該方案提供了雙目、三目和四目3種解決方案。魚眼鏡頭的使用使視場角更為廣闊，可實現(xiàn)對各個角度旋翼機的引導(dǎo)。此外，通過在旋翼機上安裝近紅外發(fā)射二極管，進一步提高了對無人機的識別距離及精確度，最遠識別高度約200m。

4 未來發(fā)展重點

綜上所述，無人機與降落區(qū)域之間相對位置的測量精度與預(yù)測準(zhǔn)確性是提高自主降落安全性與成功率的關(guān)鍵。在降落引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮在機載、艦基/岸基2個位置配置合適的傳感器，充分發(fā)揮不同位置信息的采集優(yōu)勢，通過數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)平臺間相對位置的測量與預(yù)報。重點在以下3個方面開展研究。

4.1 惡劣氣象條件下機載自主引導(dǎo)技術(shù)

隨著機載傳感器的小型化與集成化，以及計算機視覺技術(shù)的快速發(fā)展，機載視覺任務(wù)載荷將在引導(dǎo)降落過程中發(fā)揮更為重要的作用。一是充分利用無人機在空中探測范圍開闊的優(yōu)勢，提高對著艦/著陸區(qū)域態(tài)勢構(gòu)建的速度，降低降落過程中的安全風(fēng)險；二是有效發(fā)揮視覺信息相對定位特點，在拒止環(huán)境或電磁環(huán)境干擾較強時，視覺信息仍具備對無人機與降落區(qū)域相對位置與姿態(tài)的測量能力；三是針對不同載荷狀態(tài)條件下的無人機特性，機載引導(dǎo)系統(tǒng)算法應(yīng)具備自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)與場景匹配能力，降低人員遙控介入時的誤操作風(fēng)險。此外，還要充分發(fā)揮仿真試驗［20］和集成演示驗證［21］手段對算法驗證的重要作用，確保實際飛行試驗驗證的綜合效益。

4.2 拒止條件下地面/艦載主動引導(dǎo)技術(shù)

除進一步完善機載引導(dǎo)系統(tǒng)研究之外，地面與艦船系統(tǒng)還需充分組合現(xiàn)有光學(xué)、雷達等各類引導(dǎo)降落手段，充分發(fā)揮地面或艦船系統(tǒng)運算能量強、傳感器種類豐富的優(yōu)勢，實現(xiàn)對無人機在降落過程中的穩(wěn)定捕獲、定位、測量與引導(dǎo)。此外，新型引導(dǎo)降落系統(tǒng)還需與現(xiàn)有艦船雷達電子設(shè)備相互匹配，滿足電磁兼容設(shè)計需要。

4.3 艦艇運動估計與無人機飛控一體化技術(shù)

考慮無人機平臺著艦的本質(zhì)是動平臺之間相互穩(wěn)定測量問題，因此艦船在高海況下的運動狀態(tài)與估計對提高降落安全性至關(guān)重要。艦船控制系統(tǒng)應(yīng)具備較為準(zhǔn)確的平臺運動姿態(tài)估計與預(yù)報能力，并將上述信息準(zhǔn)確反饋至無人機飛行控制器。無人機飛行控制系統(tǒng)同時具備應(yīng)用和融合機載與艦載回傳信息能力，提高在無人機進近階段的控制精度，有效控制著艦時的加速度沖擊，降低設(shè)備損傷［22］。

5 結(jié)束語

無人機自主技術(shù)的快速發(fā)展，加快了無人機走向復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的腳步，也催生了新型的作戰(zhàn)樣式。艦載無人機的類型也在逐漸從早期的旋翼機向復(fù)合翼發(fā)展，艦載機的數(shù)量也將進一步提升，對無人機在降落階段的安全性及艦載引導(dǎo)降落系統(tǒng)的通用性提出更高要求。未來一段時間，以岸基/艦載多型傳感器設(shè)備、多類數(shù)據(jù)相互融合為主要手段的一體化引導(dǎo)技術(shù)將進一步快速發(fā)展，逐步提高的自主降落能力，將顯著減少地面或艦艇操作人員的負擔(dān)，充分發(fā)揮無人系統(tǒng)作戰(zhàn)優(yōu)勢。本文梳理了當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并進行分析與評述，為進一步開展無人機自主降落關(guān)鍵技術(shù)的研究提供參考。