梁 磊，肖 靜，鄧揚晨

(沈陽飛機設(shè)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(diào)整和海上作戰(zhàn)需求考慮，美國率先將大型軍用無人機應(yīng)用于海軍，實現(xiàn)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(shù)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(gòu)成，各國海軍不斷提出對無人機作戰(zhàn)能力的需求，其中關(guān)鍵要求是艦載無人機具有安全著艦的能力。本文在對國內(nèi)外無人機著艦的發(fā)展情況以及無人機著艦相關(guān)技術(shù)進行研究之后，明確了艦載無人機著艦的技術(shù)難點，剖析了著艦技術(shù)的發(fā)展趨勢，對我國發(fā)展類似技術(shù)具有重要借鑒意義。

1 無人機著艦技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)給予艦載機實時定位信息，根據(jù)引導(dǎo)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(shù)據(jù)鏈完成機艦信息交互后，生成飛機控制指令，不斷調(diào)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(jīng)歷并使用了進場軌跡規(guī)劃、著艦控制、著艦引導(dǎo)、著艦數(shù)據(jù)鏈通訊和無人機著艦自主安全等技術(shù)，本文從這幾方面開展對無人機著艦技術(shù)的分析研究。

1.1 進場軌跡規(guī)劃技術(shù)

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(shù)難點主要體現(xiàn)在著艦最佳適配參數(shù)的選取、著艦軌跡生成的設(shè)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(shù)的選取

著艦參數(shù)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(shù)。

目前國內(nèi)外在著艦適配參數(shù)的選取研究主要體現(xiàn)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?qū)崪y[4]研究，分析這些因素對著艦適配參數(shù)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(shù)的選取[5-6]。

1.1.2 著艦軌跡設(shè)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(diào)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(shè)計，實現(xiàn)軌跡最優(yōu)控制方式。

目前國內(nèi)外針對艦載機著艦軌跡生成技術(shù)的研究，主要出現(xiàn)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(yù)測無人機著艦點，來生成高精度的縱向軌跡路線和橫側(cè)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(xiàn)在縱向和側(cè)向兩個方面：縱向運動使艦體起伏導(dǎo)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(cè)向運動使艦體側(cè)偏導(dǎo)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(nèi)外學(xué)者對甲板運動預(yù)估和甲板運動補償進行了研究，主要體現(xiàn)在兩方面：一是對航母運動及相關(guān)擾動情況進行實測數(shù)據(jù)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(jīng)典或先進控制理論設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(nèi)外在艦尾流的研究主要體現(xiàn)在兩個方面：一是對甲板風、艦尾流流場進行實測數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)

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(zhì)，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(tǒng)要求極高，其飛控系統(tǒng)需要實時處理大量位置和運動信息，使飛機具備在復(fù)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(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在飛行控制律的設(shè)計上，設(shè)計方法主要應(yīng)用的理論包括經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論等。

1.2.1 經(jīng)典控制理論

經(jīng)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(jīng)典控制方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代復(fù)雜飛機的控制需求，一般采用經(jīng)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(jīng)典控制方法，如北京航空航天大學(xué)的王立新等通過舵面的控制分配產(chǎn)生解耦的直接升力來實現(xiàn)對于陣風的減緩[18]；二是通過對經(jīng)典控制理論改造使其成為新型實用控制技術(shù)，如中國科學(xué)院韓京清設(shè)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(shè)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(xiàn)代控制理論

現(xiàn)代控制理論研究的主要內(nèi)容包括三部分：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識理論以及最優(yōu)控制理論。現(xiàn)代控制理論應(yīng)用的系統(tǒng)和使用方法較廣，國外在大型無人機控制律的設(shè)計方面，基礎(chǔ)理論研究與試飛驗證均取得了較高水平的成果。國內(nèi)針對大型艦載無人機控制律的設(shè)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(yīng)控制方法設(shè)計了一套基于GPS引導(dǎo)的高精度自動起降系統(tǒng)，通過固定翼無人機模擬著艦過程，驗證了該控制系統(tǒng)的可靠性[21]；波音公司對X-45無人機控制系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)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(shù)的動態(tài)品質(zhì)。

(2)國內(nèi)的研究情況：南京航空航天大學(xué)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(yīng)模糊網(wǎng)絡(luò)，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(xué)甄子洋等利用預(yù)見控制理論設(shè)計了自動著艦控制系統(tǒng)，使控制信號根據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)外對有人/無人飛機著艦控制器的研究有：采用SHL神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)逆控制方法[28-29]和基于遺傳算法的PID引導(dǎo)律控制器參數(shù)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(dǎo)技術(shù)

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(dǎo)系統(tǒng)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(shù)等信息，技術(shù)難點主要集中在高動態(tài)復(fù)雜海況下動平臺相對定位引導(dǎo)，通常采用的自動著艦引導(dǎo)技術(shù)的手段有雷達、光電和衛(wèi)星等。

1.3.1 雷達定位引導(dǎo)技術(shù)

雷達引導(dǎo)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(chǎn)生誤差結(jié)果，艦載機通過自動修正誤差來實現(xiàn)準確著艦。

依靠雷達引導(dǎo)技術(shù)，對艦載無人機著艦引導(dǎo)系統(tǒng)進行的研究主要表現(xiàn)在無人直升機方面。美國的無人機通用自動回收系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)答式3 mm波雷達導(dǎo)引實現(xiàn)了CL-227/327艦載無人直升機自動著艦。

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

1.3.2 光電定位引導(dǎo)技術(shù)

光電導(dǎo)引是利用光電設(shè)備測量飛機艦體相對位置，計算產(chǎn)生著艦控制所需的引導(dǎo)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)飛機著艦導(dǎo)引。

依靠光電引導(dǎo)技術(shù)，對艦載無人機著艦引導(dǎo)系統(tǒng)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?zāi)芰?，研制了SADA自動甲板起降系統(tǒng)；美國DRS 公司為提高艦載機在復(fù)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(tǒng)。

激光、紅外、紫外引導(dǎo)等光電技術(shù)雖然應(yīng)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(dǎo)效果不佳。

1.3.3 衛(wèi)星定位引導(dǎo)技術(shù)

衛(wèi)星引導(dǎo)是利用衛(wèi)星三維定位與引導(dǎo)能力測量飛機、艦體位置，計算產(chǎn)生著艦引導(dǎo)所需的信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)著艦引導(dǎo)。

依靠衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)，對艦載無人機著艦引導(dǎo)系統(tǒng)進行研發(fā)和使用的國家：法國SIREHNA公司為了實現(xiàn)無人機在5級海況下的自主著艦，研制了自主著艦系統(tǒng)；美國使用JPALS系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)；國內(nèi)主要集中在院所、高校[33-34]的技術(shù)探索，暫未達到無人機著艦技術(shù)驗證狀態(tài)。

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

1.4 著艦數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

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(dǎo)信息的交互傳輸，信息傳輸?shù)男问揭詳?shù)據(jù)鏈為載體進行。艦載無人機著艦對數(shù)據(jù)鏈的要求主要體現(xiàn)在安全性、低時延和抗干擾等方面。

軍用領(lǐng)域的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈發(fā)展相對迅速，其國內(nèi)外研究情況為：國外針對無人機著艦系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的研究已在工程中應(yīng)用，以美國的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈使用最為廣泛，有應(yīng)用于自動艦載機著艦系統(tǒng)ACLS的Link-4A[36]，有應(yīng)用于有人機著艦聯(lián)合精確進近著艦系統(tǒng)的GMSK-25[37]，有應(yīng)用于無人機著艦聯(lián)合精確進近著艦系統(tǒng)的TTNT[38]，其中X-47B著艦使用的就是TTNT數(shù)據(jù)鏈。國內(nèi)針對無人機著艦系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的研究有待進一步的發(fā)展，國內(nèi)各種類型的數(shù)據(jù)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(wǎng)通信，實現(xiàn)艦艇對飛機的引導(dǎo)，能夠保障大部分數(shù)據(jù)通信功能。但是，針對無人機著艦數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的研究或研制，尚待發(fā)展。

1.5 著艦自主安全技術(shù)

相比較有人機，無人機缺乏機上駕駛員決策，現(xiàn)有的和正在研制的機載控制設(shè)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(shù)難題：全自主復(fù)飛決策、逃逸控制策略、系統(tǒng)故障特情應(yīng)急處置策略。

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

在解決逃逸控制策略技術(shù)方面的研究，主要集中在分析逃逸離艦的影響因素、設(shè)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(tǒng)，解決逃逸安全問題[41-42]。

在解決系統(tǒng)故障特情應(yīng)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(shù)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(shù)發(fā)展趨勢

針對以上艦載無人機著艦的技術(shù)問題，作者認為：其發(fā)展方向主要圍繞著艦時的系統(tǒng)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(wù)能力等方面。

著艦軌跡線設(shè)計的合理性直接關(guān)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(jù)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(shù)發(fā)展的理想方向。推力矢量控制技術(shù)是目前比較先進的飛行控制手段，其控制技術(shù)是較好的發(fā)展方向。智能控制理論在控制器設(shè)計與優(yōu)化中有獨特優(yōu)勢，待其工程應(yīng)用成熟后，可很好實現(xiàn)著艦智能化的愿景。

在著艦引導(dǎo)技術(shù)方面，需要朝著引導(dǎo)距離擴展化、引導(dǎo)手段多體制化等方向發(fā)展，引入多源信息融合技術(shù)，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合引導(dǎo)。

在著艦數(shù)據(jù)鏈技術(shù)方面，需要加強信息傳輸?shù)陌踩?、增強對環(huán)境適應(yīng)的智能化以及建立專用協(xié)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(shù)方面，其發(fā)展趨勢為：采用專家系統(tǒng)、智能手段等解決復(fù)飛、逃逸和特殊情況下飛行安全隱患難以排除的難題。

3 結(jié)論及展望

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

(1)艦載無人機著艦技術(shù)難點主要集中在進場軌跡規(guī)劃技術(shù)、著艦控制技術(shù)、著艦引導(dǎo)技術(shù)、著艦數(shù)據(jù)鏈技術(shù)和著艦自主安全技術(shù)等方面，解決這些技術(shù)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(tǒng)可靠性、安全性的基礎(chǔ)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(shù)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(dǎo)系統(tǒng)戰(zhàn)時的安全性和可靠性難以保證，需解決BD衛(wèi)星引導(dǎo)系統(tǒng)對艦載無人機的引導(dǎo)問題，通過該技術(shù)的研發(fā)，開創(chuàng)適合本國情況的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展思路。