無人機自動著陸技術淺析

傅 飛，汪 海

（航空工業洪都，江西 南昌， 330024）

0 引言

無人機作為多次使用的作戰平臺，必須具備可多次完成自主起飛/著陸的任務，同時為了適應未來復雜戰場環境，如：復雜氣象條件、簡易機場設施、電磁干擾、夜航等，無人機應具有全天候、自動起飛和自動進場著陸的能力。

相對起飛而言，無人機著陸是一個更為復雜的飛行過程，它要求在低空、低速、大迎角的情況下，精確控制無人機的姿態和軌跡，尤其是在終端著陸時，無人機的所有狀態都必須保持高度精確，直到無偏差地在一個規定的點上接地。

由于無人機在著陸時，操縱復雜，地面干擾因素多，發生事故的概率比正常飛行時高出好幾倍。 所以，具有自動著陸能力的無人機比普通的無人機更能夠適應作戰環境的要求。尤其在作戰環境下，機場設施遭受毀壞或受到干擾時，更能體現自動著陸的重要意義。

1 自動著陸技術的發展

自動著陸技術發展源自20 世紀50 年代英、美等國開展的全天候著陸技術研究，英國多霧的天氣促使這項技術首先在英國受到重視。 當時，以英國皇家飛機公司的盲降實驗機構為代表，進行了自動著陸基本原理方案的探討， 并開展了上萬次的自動著陸試驗，目的是改善自動駕駛儀與儀表著陸系統耦合器、無線電高度表及方位引導系統。

20 世紀60 年代，英美航空公司先后為他們的民航運輸機研制了全天候著陸系統，并開始逐漸付諸實際應用。在這一時期，研究人員將儀表著陸系統（ILS）作為標準的進場和著陸設備，集中考慮多重系統的研制，提升系統的可靠性，側重解決了以下幾個方面的問題①儀表著陸系統作為進場導引系統的合理性及生命力；②低能見度環境下系統工作安全性要求的定量化；③外界干擾(無線電干擾、各種風干擾)的限制等。 之后，儀表著陸系統有了明顯的改進，事實上，今天的儀表著陸系統在可靠性和完善性等方面， 都已達到了完全允許進行Ⅲ自動著陸的水平。

然而，ILS 所能提供的服務能力，在一定程度上取決于外部因素如臺站附近的建筑物、樹木、起伏不平的地形以及低空飛行的飛機等干擾的影響，使其發射的波束產生強烈的噪聲電平或波束彎曲。這種系統只能提供單一而又固定的進場航線，從根本上限制了諸如曲線進近、分段進近和大下滑角進近等多種靈活的進近方式的使用。

針對ILS 的不足，人們開始探尋新的進場著陸設備，1972 年，ICAO （國際民航組織，International Civil Aviation Organization）提出了關于新型非目視精密進場和著陸系統的技術要求。 1978 年，ICAO 全天候運行專家小組決定采納美國/澳大利亞的時基掃描波束技術作為進場和著陸的新標準設備，這就是微波著陸系統(MLS)。 與ILS 相比，MLS 具有很多優越性，例如準確的進場和精密的著陸能力、分段和曲線進近能力，性能穩定，易于維護保養等。

然而，由于研制和推廣MLS 所造成的延誤以及新的替代技術的出現，MLS 未能取代ILS 獲得大規模應用。 2000 年后，全球導航衛星系統（GNSS）技術的發展迅速，在導航領域發揮著越來越重要的作用，它將空中交通管理、導航、監視系統綜合起來，發展出新型的先進飛行管理系統， 充分利用衛星資源， 建立空地數據鏈，依靠衛星導航實現區域導航和飛機進場著陸。這就是衛星著陸系統（GLS），它的優點有①系統設備簡單，對地面場站無特殊要求；②導航數據來自飛機自身，主動進場著陸， 其工作容限僅受著陸飛機最小間距的限制；③工作覆蓋區大，能引導飛機沿曲線，分段和全方位進場；④它可提供多種下滑道，適合各種機型以不同的下滑角度著陸，并可同時導引多架飛機著陸；⑤它與儀表著陸系統和微波著陸系統兼容，互不干擾。

GLS 與其他著陸系統兼容、互不干擾的優點，使得各國對其開展了廣泛的研究，結合其他著陸引導系統采用多傳感器數據融合技術，組成多模式著陸系統已是發展必然。

無人機設計基本要求就是具備自主導航控制能力，因此，無人機在GLS 方面具有天然的優勢。 國外典型的無人機基本都采用了GLS 著陸技術， 一些對著陸點要求較高的無人機還組合了光學導引系統、地面控制進場（GCA）等技術。國外典型無人機的起飛著陸方式及導引體制如表1 所示。

表1 國外典型無人機的起飛著陸方式及導引體制

2 無人機自動著陸技術簡析

2.1 無人機理想著陸方式

無人機著陸要考慮到跑道、速度以及自身的位置和姿態，任何一項要素的誤差都有可能使飛機著陸發生事故，從而導致著陸失敗。 為了保證飛機的理想著陸，需要滿足以下幾點：

1） 地速與跑道中心線方向一致， 航跡方位角為零，保證飛機著陸接地的時候可以沿著跑道中心線滑行，防止飛機因速度方向偏離而劃出跑道。

2） 機體軸與跑道中心線方向一致，偏航角為零。如果無人機著陸時存在一定的偏航角，那么接地之前就要進行反偏航機動。

3） 機翼處于水平位置，飛機滾轉角為零，避免飛機翼尖觸地。

4） 無人機對于跑道中心線的側偏為零。 因為機場跑道的寬度是有限的，如果無人機的位置相對于跑道中心線存在一定的側偏，而且這個側偏超過一定的數值，那么無人機在著陸的時候就有可能不能落在跑道上。

對于無人機的理想著陸方式來說，上述四點都是必須滿足的。 但對于有側風的情況，這四點就不能全部滿足了，除非改變無人機的氣動布局，如加入垂直鴨翼等直接側力控制面。

2.2 無人機理想著陸過程

無人機在完成飛行任務之后，將進入進場著陸過程。 無人機將切入下滑軌跡，沿軌跡剖面飛行直至觸地。全部過程可以分為進場飛行段、直線下滑段、末端拉平段和地面滑跑段四個階段。無人機進場著陸軌跡如圖1 所示，具體過程如下。

圖1 著陸過程軌跡圖

1） 進場飛行段

在收到遙控回收指令或者航路預設的回收指令后，無人機將根據當前飛行狀態來調整飛行高度。 當達到預先設定的進場高度后， 無人機將保持平飛，并修正對跑道中心線的誤差，直到進入軌跡捕獲區。 無人機在進入軌跡捕獲區后切換到直線下滑段， 這時高度保持系統將自動斷開，無人機進入直線下滑段。

2） 直線下滑段

無人機直線下滑過程中，主要跟蹤軌跡曲線，使無人機按照設定的軌跡角下滑。與此同時，控制系統要修正無人機的側滑角和側風干擾引起的軌跡偏差，使無人機對準跑道中心線。

在直線下滑段要注意以下幾點：

（1）無人機由水平飛行過渡到沿下滑線進場，首先要控制飛機斷開高度保持系統，并以固定的下滑角下滑。

（2）當飛行在下滑線上，可以通過微量調節發動機推力來保持速度。

（3）在拉平期間，飛行軌跡向上偏，這時升降舵上偏，迎角增大，升力增大，航跡傾斜角亦增加，速度的垂直分量變小。最后無人機才可以合適的垂直速度接地。

由于下滑軌跡線是相對于機場跑道的，無人機在著陸過程中，其高度的控制與無人機到跑道的距離是密切相關的，無人機只有很好地跟蹤下滑軌跡線所規定的高度剖面，才能實現成功著陸。

3） 末端拉平段

為了減小接地速度，當飛行高度降低到接近地面時，必須在一定高度上減小航跡傾斜角，使飛機沿曲線運動拉起，此階段稱為“拉平”。 拉平軌跡是一段比較平滑的曲線。這一段飛行的目的是使無人機從低頭下滑狀態逐漸變成平飛狀態，在拉平段要使無人機不斷減速。拉平段主要是控制無人機的縱向姿態角和飛行高度。

目前常用的拉平軌跡主要有以下幾種：

（1）下降速率是時間的函數

這種控制律方案在拉平時需要進行一些調整，以獲得需要的初始下降速率或飛行的地速。同時采用這種控制律方案需要無人機在特定的高度開始拉平才能工作。 此外，由于拉平開始階段初始高度和下降速率的獲得都需要無線電高度表， 因此設備簡單時，這種方案不能使用。 并且，采用這種控制方案著陸精度比較差，所以隨著對飛機著陸精度要求的提高，這種方法已經很少采用。

（2）指數拉平軌跡

目前在自動著陸中最常用的就是這種指數拉平軌跡，指數拉平的設計思想是使飛機的垂直下降速率隨著高度的下降而相應減小，它反映了高度和下降速率之間一種固定比例關系。因此，在接地時，飛機有固定的下降速率。如果飛機的下降速率指令能夠被實時跟蹤，則拉平高度和下降速率在時間上成指數規律減小。采用這種方案，隨著飛機速度的不同，拉平初始高度也不同。 另外，風的擾動經常會造成下降速率的變化，從而造成拉平初始高度的變化，使得拉平的距離發生變化，難以實現定點著陸。 但是這種控制律方案較易實現，且精度較高。

（3）拉平高度是沿跑道距離的函數

這種拉平控制律又分為兩種：一種是變時間常數的拉平控制律，另一種是固定軌跡的拉平控制律（四次拉平曲線拉平控制律）。 對于變時間常數的拉平控制律，它令高度增益正比于飛行速度，使得拉平時間常數反比于飛行速度，從而排除了無人機速度變化對拉平初始高度和接地位置的影響，使得飛機能沿著一條固定的軌跡著陸，對于固定軌跡拉平控制律，拉平軌跡是下滑線的延伸，包括拉平初始點在內的固定軌跡每一個點相對于計算著陸點有完全確定的位置。這種拉平方案的特點是所需拉平時間較短、容易較快達到所需接地速度。

4） 地面滑行段

無人機起落架主輪接觸地面，繼而前輪著地直到無人機靜止在跑道上就是滑跑階段，當機輪接觸地面后，可采用主輪剎車方法減少滑行距離。 在滑行過程中為了使無人機沿跑道中心線直線滑行，無人機可以采用左或右機輪點剎車的方法來修正滑行中對跑道中心線的偏差。

2.3 無人機著陸不確定因素

無人機在自動著陸過程中也存在很多不確定因素，從控制系統的角度來講，需要考慮氣動數據的不確定性、著陸質量的不確定性、發動機推力的不確定性、機體的不對稱性（附加滾轉力矩）、附加偏航力矩、定位誤差的不確定性、地面效應的影響以及風的影響等。 另外，從下滑軌跡剖面的設計角度也應該考慮這些不確定性因素的影響。

氣動數據的不確定性包括： 升力系數的不確定、阻力系數的不確定、俯仰力矩系數的不確定、側力系數的不確定、偏航力矩系數的不確定和滾轉力矩系數的不確定。 升力、阻力系數不僅影響控制系統的魯棒性，還影響了軌跡剖面軌跡傾斜角的范圍。

著陸質量的不確定性主要考慮不同時刻不同情形著陸時的質量不同。質量的不確定主要影響軌跡剖面的角度。

發動機推力的不確定性主要考慮推力的不確定對無人機速度和姿態的影響，以及對地面滑跑距離的影響。

無人機進入地效區后，低頭力矩增加，控制系統需克服地面效應的影響，保證無人機正常的著陸。

在著陸過程中主要考慮側風的影響，無人機控制系統需有一定的抗側風能力，保證無人機降落在跑道中心線附近。

機體的不對稱性（附加滾轉力矩）、附加偏航力矩和定位誤差的不確定性也會引起側偏的存在，這些都是高精度航跡控制所要考慮的問題。

3 無人機自動著陸的關鍵技術

安全性與精確性是無人機自動著陸追求的主要目標，飛行的安全性與控制的精確性是對控制系統最基本的要求， 是自動著陸控制律設計的基本出發點，是無人機能夠安全降落的基礎。

自動著陸段的控制技術可以分解為幾個關鍵技術：下滑軌跡線設計、下滑軌跡跟蹤控制、高精度的航跡控制。

下滑軌跡線設計是著陸段的一個關鍵環節。當無人機的質量和發動機推力固定后，軌跡傾斜角的大小就決定了速度和高度的變化趨勢，因此，直線下滑段軌跡傾斜角的設計是最關鍵的。當給出了下滑軌跡線的數學描述，飛行控制回路按照下滑軌跡線提供的高度剖面進行高度回路的跟蹤控制。 因此，在著陸過程中，下滑軌跡線設計就成了一項關鍵的技術。 下滑軌跡線設計的一個困難是接地速度是預先設定的，沿著下滑軌跡線飛行時，每一個下滑段的速度剖面如何分配和控制。 在速度進行分配過程中，又要與高度剖面相結合，共同協調完成對軌跡線的設計。

下滑軌跡跟蹤控制是保證無人機在安全著陸范圍內著陸的主要方式。飛行控制系統以相對較高的精度按照下滑軌跡剖面飛行，既可保證無人機進場著陸的安全性以及進場著陸接地時的位置、速度、下沉率等指標要求，又可達到速度控制的目的。

由于跑道寬度的限制，高精度的航跡控制是無人機著陸的關鍵技術之一，是確保無人機能夠著陸在跑道上的基本前提。高精度的航跡控制從控制策略上就要解決航跡控制的高精度問題，在控制結構實施過程中要對不同反饋信號對航跡控制精度的影響進行定量分析，并設計出無靜差、抗陣風的航跡控制器，該航跡控制器同時還具有對回路中其他反饋信號的不敏感性。

4 結語

著陸過程是無人機飛行的一個復雜階段，也是無人機研制的一個關鍵技術。研究無人機自動著陸技術最終目標是設計最優的無人機自動起飛著陸控制系統。 通過對無人機自動著陸技術分析，梳理出無人機著陸方式和過程需要關注的條件和影響因素，對無人機自動起飛著陸控制系統的設計具有指導意義。