無人機自主降落地基/艦基引導方法綜述

沈林成，孔維瑋，牛軼峰，*

（1.國防科技大學 智能科學學院，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）關鍵技術的突破與快速發展，無人機逐步適用于越來越多的應用場景。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成為民用和軍用領域的關注重點。近年來，國內外研究機構提出了多種解決方案，涌現出機載與岸基/艦基兩大類引導方式。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/艦基類引導方式持續得到行業關注［1-2］。

本文系統梳理了國內外典型地基/艦基無人機自主降落引導系統，對各系統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鍵技術，為未來開展自主降落關鍵技術研究、牽引突破重點難點問題提供參考依據。

1 無人機自主降落與著艦環節

回顧歷史，自1918年3月6日第一架現代無人機（“柯蒂斯”N-9）的出現距今已有百年歷史，但在實際應用過程中，無人機有效導航方式始終是人們關注的重點。無人機的飛行控制系統在選用高精度慣性導航設備的基礎上，廣泛安裝全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）設備，通過將衛星導航信息與機載數據進一步融合，不斷提高綜合導航精度。但由于天氣因素及降落區域多波效應等影響，當GNSS信號偶發中斷或受到持續干擾時，無人機的安全降落事故風險顯著提升。每年世界各地均會發生多起無人機因失去導航信息而墜毀的事件，造成了人員與經濟損失，也導致世界多地設置不同級別的禁飛區和禁飛事件，抑制了無人機的快速發展。與此同時，固定翼無人機由于其飛行速度快，雖然導航系統提供了準確的定位信息，但因為受到操作人員熟練程度及觀察視角等約束，誤操作導致無人機降落過程中受損的情況也愈發突出。據統計，在所有事故中，因操作員失誤導致的事故率高達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、導航定位精度可靠的系統性引導降落方案將有助于進一步推廣其應用場景，降低人員操作負擔。下面針對自主降落技術的共性需求與降落主要環節進行分析。

1.1 自主降落共性需求分析

近年來，隨著國內民航機場的大量建設，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。經綜合統計，導致晚點的主要原因與氣候密切相關，民航數據（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，國際民航通則規定的3個類別應用最為廣泛，其分類依據為：對決斷高度（Decision Height，DH）和跑道視距（Runway Visual Range，RVR）2個指標的劃分，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。在國內各大機場中，具備CAT III類進近系統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，絕大多數機場為CAT I類。此外，國內大多數航空公司飛行員只有CAT I類降落資格，因此當氣象條件低于CAT I類時，若機組不具備降落資格則只能選擇轉場備降或返航。這種情況進一步影響了國內航班在夏天雷雨季節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，則可以顯著降低現有航班延誤比例，整體上提高民航準點率。

例如，2015年3月16日18時，上海浦東國際機場上空開始出現低云天氣，能見度持續降低，直至17日清晨8時能見度恢復正常。在此期間，因為機場能見度低于CAT I類落地標準，導致飛往機場的25個航班備降其他機場，47個航班被取消，進而導致后續大量航班出現延誤。但是，由于使用飛機平視顯示器（Head Up Display，HUD）技術讓飛行員可視范圍達到CAT II類標準，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著陸，旅客行程未受影響，接續航班也準點運行。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類標準民航客機著陸流程。

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

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

1.2 航空器自主著艦主要環節

在軍事領域，由于戰場環境復雜和多變，對在艦船上有人機和無人機的自主起降需求則更為迫切，呈現出電磁環境復雜、平臺高動態運動等特點。世界強國海軍為了實現艦載機的正確返航與著艦，現代航母均配有中空交通管制系統、戰術空中導航系統（Tactical Air Navigation system，TACAN，俗稱塔康）和著艦引導系統。著艦過程的基本流程為接力導航過程，主要包含以下環節：

1）艦載機距離航母300 km時，該階段導航定位信息由戰術空中導航系統提供。

2）艦載機距離航母100 km時，該階段導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，戰術空中導航系統再次接手該階段導航定位信息的提供。

4）艦載機距離航母10 km時，該階段導航定位信息由著艦引導系統提供。

5）在著艦最后3 km時，艦載光學助降系統穩定捕捉艦載機，持續提供導航定位信息，引導其完成著艦。

在最后一個環節使用的光學輔助設施一般是指“菲涅爾透鏡”光學助降系統，該系統不僅為有人艦載機提供相對位置的導引，也應用于無人艦載機的導引過程，如圖1所示。

圖1 “菲涅爾透鏡”光學助降系統Fig.1 Fresnel lens optical landing system

在有人艦載機引導降落過程中，為提供更多信息給艦載機飛行員，在美國航母上，通常設置了著艦引導小組（Landing Signal Officer，LSO）。該小組工作區域為航母著艦區域左舷，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期及其正常高空飛行階段?？紤]未來無人裝備大量上艦，現有人員數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“無人空戰系統驗證機”（Unmanned Combat Air System carrier Demonstration，UCAS-D）技術驗證項目，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，經過招標，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）。

為配合相關試驗，美軍專門在帕塔克森特河（Patuxent River）試驗基地建設了配套試驗條件，優先選用地面跑道來進行路上模擬測試（見圖2），經全流程仿真、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飛試驗和首次著艦降落，這些細節體現了美國軍方對這項技術的重視程度。

與此同時，無人作戰是美軍投入巨資開展的重要研究。其中，“艦載監視與攻擊無人機系統”（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飛機計劃，于2013年公開招標。該計劃目標是在2020年前后部署在現役航母上，支持具備獨立執行任務的無人機自主起降，并能夠與有人機協同飛行，形成航母艦載機力量群。UCLASS項目除提高無人機本體的作戰能力外，還特別強調無人機的航母自主起降能力、有人-無人機的協同能力和空中自主加油能力，從而形成對中國沿海地區進行戰略偵察、監控和打擊。

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發展現狀

2.1 民用領域

2.1.1 儀表著陸系統

在民航領域起步階段，儀表著陸系統（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信息。該系統于1919年通過了美國國家標準局組織的試驗，并在第二次世界大戰期間發揮了重要作用，從而進一步得到了推廣應用。1949年，儀表著陸系統被國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）作為國際標準向世界各國推廣使用。該系統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和下滑信標所產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。航向信標臺一般工作在超高頻（UHF）頻段，負責提供飛行器與跑道中心線的偏移程度；下滑信標臺一般工作在甚高頻（VHF）頻段，負責提供與理想下滑面（2.5°～3.5°）的偏移情況。該系統是目前應用最為廣泛的引導系統，具有較好的魯棒性和適配性，導航定位精度在5～20m之間，但隨著近年來機場附近電磁頻譜環境的日益復雜，該系統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的精度需求。

2.1.2 雷達著陸系統

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

2.1.3 微波著陸系統

1978年，為進一步提高引導降落精度，國際民航組織認可了時間基準波束掃描（Time Reference Scanning Beam，TRSB）技術的著陸系統，該技術是典型的應用微波手段實現相對位置測量的解決方案。該系統由機載接收機、地面方位測量設備、仰角測量設備和測距儀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備和仰角測量設備的周期性信號進行位置解算，根據同一個設備2次波束信號的時間間隔，可以準確得到飛行器所處的空間位置與速度，但該系統費用相對昂貴，校準周期及校準操作的復雜性導致該系統在民用領域應用推廣較為緩慢。

2.2 軍用領域

2.2.1 聯合精密進近和著陸系統

美軍在導航領域主要依賴全球定位系統（Global Positioning System，GPS），同時為滿足其海上平臺引導降落需求，啟動了名為聯合精密進近和著陸系統（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）的研究［6］。其中，艦機同步技術與高速傳輸技術是該系統的2項關鍵基礎，該系統于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，實現對F-35B的引導降落，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體系相互集成，并獲取相關信息向飛行員提供數據顯示和操作建議。該系統硬件設備主要包括GPS傳感器、導航數據鏈、船舶運動測量傳感器、維護保障系統和船舶信息接口等。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，該系統采用超高頻UHF雙向數據鏈，將艦船本體GPS位置及其搖擺、俯仰、偏航和航向運動數據融合計算后，上傳至飛行器控制系統。與此同時，飛行器控制系統也將其自身融合得到的位置信息回傳至艦船引導系統，2個平臺的相互連通提高了定位精度。未來，該系統還將支持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，經試驗測試該系統縱向和橫向精度控制在1m之內，滿足CAT III級別降落要求。從2005年開始，美軍已開始推廣JPALS，逐步替換現有的以AN/SPN-46雷達為主要手段的艦載精密進場著陸系統，如圖3所示（https：//en.wikipedia.org/wiki/AN/SPN-46（V）/1？oldformat=true）。根據其試驗進展，在2019年，該系統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，FOC），提供更高精度的引導定位數據。

圖3 AN/SPN-46雷達Fig.3 AN/SPN-46 radar

2.2.2 目標定位與跟蹤系統

1999年，瑞士RUAG宇航公司開發研制了目標定位與跟蹤系統（Object Position and Tracking System，OPATS），該系統通過應用激光測量技術，實現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。地面系統在完成角度和位置結算后，通過數據鏈回傳引導信息至飛行控制器，實現對無人機的引導控制，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，該系統的目標檢測范圍為35～4000m，精度控制在±1.5m。

2.2.3 無人機通用自動回收系統

1996年開始，美國內華達山脈公司（SNC）開始為美國軍方設計無人機通用自動回收系統（UAV Common Automatic Recovery System，UCARS），先后研發了V1和V2兩個版本。該系統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。美國海軍陸戰隊應用該系統，實現在戰場完成對“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Fig.4 Swiss OPATS

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

該系統采用的測量方式為毫米波雷達。由于毫米波自身物理特性，相較微波導航定位設備，毫米波設備的波束更窄、質量更輕、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，具備良好的氣象環境適應性，是野外機場和海上實現對無人機引導定位的理想手段。

UCARS的第二代系統（V2）由艦載或陸基跟蹤子系統和機載應答器2部分組成。艦載或陸基跟蹤傳感器可實現對飛機運動的測量及相對位置的估算，并能夠輸出穩定的位置和移動數據解算結果，供無人機自控設備定位使用。此外，該系統配備了一個平行對準照相機，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備。美國海軍科技網站（Naval Technology）披露［7］，該無人機導航系統除應用傳統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/岸基引導系統相互配合，可進一步提高導航定位精度與預報準確性，降低安全降落風險，如圖6所示。

2.2.4 SADA甲板自動起降引導系統

在自主起降研究領域，法國DCNS公司開發了SADA自動甲板起降系統［8］。該系統的主要傳感器為紅外傳感器，相較可見光設備可以更遠距離精確跟蹤無人機，同時向飛行控制器發出控制指令，引導無人機穩定靠近，最終利用“魚叉”式裝置完成對準與降落。2008年10月9日，SADA甲板自動起降引導系統實現了對S-100型旋翼無人機（奧地利西貝爾公司研制）的引導降落。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逐艦“蒙特卡姆”號（Montcalm）周邊，在完成系統握手、引導進近等一系列動作后，安全降落在該艦后甲板上。該系統引導控制精度約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甲板自動起降引導系統

除采用光學類引導設備之外，法國DCNS公司和Thales公司探索使用無線電測距設備來輔助完成無人機自主甲板降落（D2AD）。2012年，該系統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”級護衛艦上，完成了遠距離對準、運動平臺相互測量等一系列技術驗證［9］。無人機模塊和艦基模塊是D2AD甲板自動起降引導系統的2項重要組成，無人機模塊是指安裝在無人機上的引導信標設備，艦基模塊是飛行甲板面上安裝的信標傳感器及測量艦艇運動狀態的傳感器。該系統能夠在不依賴任何衛星定位系統條件下正常工作，海況適應性可以達到五級。

2.2.6 DeckFinder降落系統

“甲板發現者”（DeckFinder）降落系統由歐洲航宇防務集團（EADS）阿斯特里姆公司開發，目標是提高著艦區域的相對定位精度。該系統利用多個信標進行定位，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備信標，完成了在GNSS受干擾環境下的自主起飛與回收能力綜合測試。該系統由位于地面的6臺射頻發射機和1臺機載接收機組成。地面部分按照設定的幾何構型，安裝在甲板降落區域，通過計算不同射頻發射機的時間長度，解算得到相對位置。該系統對飛行器的測距測量不需GNSS系統支持，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，相對定位精度優于20 cm。

2.2.7 MagicCarpet降落系統

“魔毯”（MagicCarpet）降落系統是美國海軍近年來研制的新型精密著艦先進控制與現實技術，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。該系統重點對飛行控制器算法中升力控制技術部分進行了改進提升，實現下滑軌跡規劃與著艦階段姿態的解耦控制，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系統重點提供岸基和航母甲板著艦區域的經緯度坐標信息，MagicCarpet降落系統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發展現狀

在無人機自主降落領域，機載視覺技術是發展較早、解決方案眾多且對降落區域硬件設備無硬性要求的通用關鍵技術，通過機載視覺系統對降落區域或特定目標進行探測、識別和定位，實現相對位置的估計。地基引導和運動平臺姿態估計技術是近年來為滿足降落過程中相對定位精度、預報運動平臺位置等需求發展起來的專用關鍵技術。

3.1 機載視覺引導降落技術

韓國航天工程部提出一種基于機載視覺的引導著陸方案，該方案在降落區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學的圖像處理算法，在機載視覺設備上對撞網區域圖像特征進行識別，完成了對小型固定翼無人機的引導回收。該視覺算法重點對預知的幾何圖形進行分析，反向解算得到無人機當前方位信息，在降落過程中實施修正引導率和控制率；地面控制系統實施檢測無人機飛行狀態，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型合作目標進行了修改，將傳統H型目標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域H型目標過程中，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 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實現相對位置估計。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情況，為無人機飛行控制系統有效產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°，較好地實現了精確定位與準確降落。但由于合作標識不適用于多數無人機場景，該算法遷移至對非合作目標的識別及位置姿態估計具有一定難度。

南加州大學設計了基于H型著陸標志，通過計算Hu不變矩進行著陸定位，該系統目前的精度為：位置誤差小于0.4m，角度誤差小于0.7°。

3.2 地基多模式引導降落技術

3.2.1 基于GNSS的引導降落技術

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

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

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

3.2.2 基于視覺的引導降落技術

在地基視覺引導方面，采用部署多臺固定焦距相機［15］進行接力測量、分區引導無人機降落過程是近年來的一種新思路。國防科技大學空天科學學院提出的系統方案如圖8所示，該系統視覺引導部分由6臺選定不同焦距和視場角的工業高速攝像機與服務器組成。6臺攝像機分為3組，分別部署在跑道兩側，按照遠場、中場和近場測量需要進行標定調試。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域。這種解決方案設計思路簡單，多種焦距組合彌補了單個視覺系統視場角受限的不足，但該系統整體架構復雜，戶外部署位置誤差對解算精度影響大，且視覺系統在標定過程中步驟復雜，部署靈活性需進一步增強。

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

為進一步探索地基視覺系統的應用，2012年國防科技大學智能科學學院首先提出了基于遠紅外相機的短基線引導裝置［16］，該系統方案如圖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降落需求。此外，由于遠紅外傳感器的成像特性，在出現低空云層時，系統所采用的Meanshift方法魯棒性不強，容易出現跟蹤丟失情況，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年該團隊設計提出了基線長度約10m的綜合引導系統［17］，如圖10所示。該系統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，同時位于跑道兩側的可見光與紅外攝像機分別安裝在雙自由度轉臺上，以此實現對降落空域的大范圍搜索。經外場試驗驗證，該系統能夠在800～1 000m距離自主實現對翼展為3m的固定翼無人機的探測和識別，在引導降落過程中，水平和豎直方向引導精度約為0.8m左右，高度精度約為1.2m。

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

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

3.2.3 其他地基/艦基引導方式

Yang等［19］提出了利用地基陣列魚眼鏡頭實現對旋翼無人機的引導降落，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，可實現對各個角度旋翼機的引導。此外，通過在旋翼機上安裝近紅外發射二極管，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 未來發展重點

綜上所述，無人機與降落區域之間相對位置的測量精度與預測準確性是提高自主降落安全性與成功率的關鍵。在降落引導系統設計過程中，應充分考慮在機載、艦基/岸基2個位置配置合適的傳感器，充分發揮不同位置信息的采集優勢，通過數據融合，實現平臺間相對位置的測量與預報。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技術

隨著機載傳感器的小型化與集成化，以及計算機視覺技術的快速發展，機載視覺任務載荷將在引導降落過程中發揮更為重要的作用。一是充分利用無人機在空中探測范圍開闊的優勢，提高對著艦/著陸區域態勢構建的速度，降低降落過程中的安全風險；二是有效發揮視覺信息相對定位特點，在拒止環境或電磁環境干擾較強時，視覺信息仍具備對無人機與降落區域相對位置與姿態的測量能力；三是針對不同載荷狀態條件下的無人機特性，機載引導系統算法應具備自適應參數調節與場景匹配能力，降低人員遙控介入時的誤操作風險。此外，還要充分發揮仿真試驗［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/艦載主動引導技術

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

4.3 艦艇運動估計與無人機飛控一體化技術

考慮無人機平臺著艦的本質是動平臺之間相互穩定測量問題，因此艦船在高海況下的運動狀態與估計對提高降落安全性至關重要。艦船控制系統應具備較為準確的平臺運動姿態估計與預報能力，并將上述信息準確反饋至無人機飛行控制器。無人機飛行控制系統同時具備應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，降低設備損傷［22］。

5 結束語

無人機自主技術的快速發展，加快了無人機走向復雜戰場環境的腳步，也催生了新型的作戰樣式。艦載無人機的類型也在逐漸從早期的旋翼機向復合翼發展，艦載機的數量也將進一步提升，對無人機在降落階段的安全性及艦載引導降落系統的通用性提出更高要求。未來一段時間，以岸基/艦載多型傳感器設備、多類數據相互融合為主要手段的一體化引導技術將進一步快速發展，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，充分發揮無人系統作戰優勢。本文梳理了當前國內外研究現狀并進行分析與評述，為進一步開展無人機自主降落關鍵技術的研究提供參考。