張潤哲，劉雪嬌，王全喜

基于方位導引的無人僚機著艦進近引導技術(shù)研究

張潤哲，劉雪嬌，王全喜

（海軍研究院，北京 100036）

提出了一種由光電載荷、信息發(fā)送設備、信息接收設備和信息處理設備等組成的無人僚機著艦進近引導系統(tǒng)（CAGS），利用方位導引方法實現(xiàn)長機對無人僚機的著艦進近引導。該系統(tǒng)擺脫了對衛(wèi)星導航技術(shù)的依賴，且無人僚機無需額外搭載用于進近引導的雷達或光電設備。

著艦引導；方位導引；無人僚機

0 引言

早在2015年，美軍便提出“忠誠僚機”概念并不斷完善，此后包括我國在內(nèi)的多個國家持續(xù)對此開展作戰(zhàn)概念研究?！爸艺\僚機”旨在打造一系列與有人駕駛飛機相比性價比更高，與現(xiàn)有無人機相比功能性能更加出色的無人僚機系統(tǒng)，目前“忠誠僚機”尚停留在作戰(zhàn)概念或初步試驗階段，暫未有成熟裝備誕生[1]。無人僚機具有一定的人工智能水平，參考美國的“小精靈”無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），其巡航速度為0.9 Mh，可以無人機集群方式組網(wǎng)作戰(zhàn)，也可與有人駕駛飛機密集編隊、高效協(xié)同，執(zhí)行協(xié)同偵察、制空作戰(zhàn)和對陸攻擊等任務，可使用多種平臺發(fā)射和回收[2]。無人僚機可采用通用平臺，根據(jù)任務需要靈活配置載荷，多架無人僚機可與一架或多架有人駕駛飛機組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)。在可預見的未來，無人僚機可部署在航空母艦或兩棲攻擊艦等艦艇，可與陸基或艦載作戰(zhàn)飛機進行編隊作戰(zhàn)，作戰(zhàn)任務開始前，引導無人僚機起飛，抵近有人駕駛飛機并組網(wǎng)編隊；任務結(jié)束后，引導無人僚機返回母艦[3]。

現(xiàn)有無人機著艦引導的一般流程為：

1）通過衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈向無人機發(fā)送返回指令，使其保持一定飛行高度并飛行至母艦視距范圍內(nèi)；

2）母艦通過無人機起降引導數(shù)據(jù)鏈與無人機建立聯(lián)系，獲取無人機位置、航向、航速和高度等狀態(tài)信息；

3）編隊批準無人機著艦進近后，通過無人機起降引導數(shù)據(jù)鏈以較低數(shù)據(jù)率引導無人機飛向母艦進行著艦進近；

4）無人機距母艦距離、高度和速度等滿足著艦最終階段要求時，通過無人機起降引導數(shù)據(jù)鏈以較高數(shù)據(jù)率引導無人機最終著艦[4]?，F(xiàn)有無人機著艦引導全程需要通過衛(wèi)星導航獲取母艦和無人機平臺位置信息，尤其是最終著艦階段[5]，更是需要通過實時差分定位（Real-Time Kinematic，RTK）衛(wèi)導技術(shù)獲取母艦和無人機平臺極高的定位精度（≤1 m）。

現(xiàn)有無人機著艦對衛(wèi)星導航技術(shù)的依賴，決定了在戰(zhàn)時一旦遭遇衛(wèi)導拒止，無人機將無法完成著艦，因此亟需發(fā)展衛(wèi)導拒止條件下的無人機高精度著艦引導技術(shù)。

1 無人僚機著艦進近引導系統(tǒng)組成

基于方位導引的無人僚機著艦進近引導系統(tǒng)如圖1所示，包括長機和無人僚機。

2 無人僚機著艦進近引導系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)準備時需將光電載荷中的光電探測設備和測距設備一并安裝于同一伺服機構(gòu)，將以上設備基準線標校一致并與伺服機構(gòu)的方位零位與俯仰零位保持一致，將光電載荷安裝于長機平臺，確保伺服機構(gòu)的零位線方向與長機平臺基準線方向一致。如圖2所示。

圖2 無人僚機著艦進近引導系統(tǒng)示意圖

1）長機與伴飛僚機前往母艦附近區(qū)域

2）長機引導僚機飛向母艦，準備著艦進近

式中，為的輻角。

長機載機坐標系復平面中位置量的定義如圖4所示，在長機載機坐標系的復平面中，母艦的位置矢量，如式（2）所示

式中，為的輻角。

光電載荷將以上信息輸出至信息發(fā)送設備，信息發(fā)送設備將以上信息作為著艦進近引導指令信息發(fā)送至無人僚機的信息接收設備，引導無人僚機飛向母艦。信息發(fā)送設備在每個著艦進近引導指令周期末將著艦進近引導指令發(fā)送至信息接收設備。

由式（1）和式（3），可獲取無人僚機在長機載機坐標系中的速度矢量如式（4）所示

幅角

3）長機對無人僚機進行著艦進近引導直至無人僚機由母艦接管

由式（1）和式（9），有

此時長機載機坐標系復平面中母艦位置矢量和母艦相對無人僚機位置矢量如式（12）和式（13）所示。

此時，

（3）將步驟（2）反復迭代，無人僚機接收若干批次著艦進近引導指令，直至無人僚機飛抵母艦附近，無人僚機至母艦距離和高度滿足最終著艦階段要求，如圖5所示。

圖5 長機載機坐標系中著艦進近引導工作流程示意圖

4）著艦進近引導階段結(jié)束，無人僚機由母艦接管

3 無人僚機著艦進近引導仿真分析

設定仿真的想定如下：首先在大地坐標系中設定長機平臺和母艦的初始位置和狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 大地坐標系中航跡示意圖

1）長機

2）母艦

3）無人僚機

σ=602.77 s (RMS)，1 000次獨立重復試驗中σmax=620.24 s，σmin=589.33 s；

ΔR=246.71 m (RMS)，1 000次獨立重復試驗中ΔRmax=446.33 m，ΔRmin=3.87 m。

圖7 長機載機坐標系中航跡示意圖

圖8 長機向無人僚機發(fā)送著艦進近引導指令周期總數(shù)統(tǒng)計示意圖

圖9 無人僚機由母艦接管時刻統(tǒng)計示意圖

圖10 無人僚機由母艦接管時系統(tǒng)定位精度統(tǒng)計示意圖

4 結(jié)語

本文提出了一種基于方位導引的無人僚機著艦進近引導系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過長機搭載的光電載荷探測航行中的母艦，形成無人僚機的方位導引信息，引導無人僚機飛近母艦完成進近。該系統(tǒng)擺脫了無人機著艦進近引導對衛(wèi)星導航技術(shù)的依賴，全程無需獲取長機平臺和無人僚機的精確地理坐標，在衛(wèi)導拒止條件下依然能夠抵近母艦；并且無人僚機進近全程接收長機發(fā)送的著艦進近引導指令，無需自行對母艦方位、俯仰和距離等信息進行探測，可節(jié)約無人僚機有限的載重量，以便增加其它有效任務載荷。

[1] 羅伯特肖. 戰(zhàn)斗機空戰(zhàn)：戰(zhàn)術(shù)與機動（下）[M]. 北京：中國市場出版社，2018.

[2] Major Paul Calhoun． DAＲPA emerging technologies[J]. Air & Space Power Journal，2016（12）.

[3] JOHN W．Configuration design development of the navy UCAS-D X47-B[J]. Bulletin of the World Health Organizatoin，2015，87（11）：824-832.

[4] Ferrier，Bernard. Fire scout UAV launch and recovery system performance improvement[C]. AUVSI Unmanned Systems，2014，1106-1128.

[5] Wasson J P，Moresve J. Automatic decking of UAV helicopters on a ship [J]. Navigation，2009，57（228）：19-44.

[6] Baeriswyl P， Schildknecht T，Springer T，et al．Time Transfer with Geodetic GPS Receivers Using Code and Phase Observations [C]// 10th International Conference on European Frequency and Time． Brighton: IET，1996：430-435．

[7] 毛虎，吳德偉，閆占杰. 針對GPS接收機性能的壓制干擾區(qū)域分析[J]. 宇航學報，2014，35（9）：1078-1086.

[8] René Jr Landry，Boutin P，Constantinescu A. New anti-jamming technique for GPS and GALILEO receivers using adaptive FADP filter [J]. Digital Signal Processing，2006，16（3）：255-274.

[9] 趙丹寧，雷雨. GLONASS 星載原子鐘的長期特性分析[J]. 武漢大學學報（信息科學版），2021，46（6）： 895-904.

[10]Ai Q，Yuan Y，Xu T，et al. Time and frequency characterization of GLONASS and Galileo on-board clocks[J]. Measurement Science and Technology，2020，31（6）：065003.

Carrier Approach Guidance Technology Based on Azimuthal Guiding Technique

ZHANG Runzhe, LIU Xuejiao, WANG Quanxi

An airborne Carrier Approach Guidance System (CAGS) is proposed which consists of photoelectric load, transmitting device, receiving device, data processing device, etc. CAGS implemented the leader-wingman azimuthal guiding technique for Unmanned Aerial Vehicle wingman carrier approach. CAGS is a satellite-free system that doesn’t rely on landing approach devices such as radar or photoelectric device carried by UAV.

Carrier Approach; Azimuthal Guiding; Unmanned Aerial Vehicle Wingman

V279

A

1674-7976-(2023)-06-416-06

2023-09-20。

張潤哲（1990.02—），山東蓬萊人，碩士，主要研究方向為雷達領域研究。