國外艦載無人機著艦引導技術淺析

張茂 宋平

隨著現代戰爭逐漸呈現無人化作戰趨勢，以及海上綜合作戰能力不斷提高，艦載無人機已成為一種必須發展的裝備。艦載無人機部署在航空母艦、驅護艦、兩棲艦等艦艇上，搭載不同的任務載荷執行監視、偵察、目標指示、通信中繼、戰場毀傷效果評估、輔助探潛等任務，能夠有效提升海軍艦艇編隊的作戰能力。

在著艦過程中，艦載無人機會面臨艦面湍流、甲板晃動等復雜多變的環境，雖然著艦用時較短，但著艦過程發生的事故卻占飛行任務總事故的 80%左右，而精確著艦引導技術可極大提升無人機在著艦過程中的安全性，是實現無人機上艦的關鍵技術，也是艦載無人機發展需要重點研究的技術。由于技術門檻高，目前世界上裝備艦載無人機的國家僅有美國、法國、奧地利等國家，美國X-47B艦載無人機在航母上實現了自主著艦，突顯了成熟的著艦引導技術，美國“火力偵察兵”系列、奧地利“坎姆考普特”系列等艦載無人直升機也成功運用了著艦引導技術。國外著艦引導技術對我國艦載無人機的發展具有重要的參考意義。

著艦引導技術

著艦引導技術可以持續提供精確的機艦相對位置、姿態參數等信息，生成基準下滑軌跡，測量或計算軌跡跟蹤誤差等數據，引導無人機準確到達指定位置。國外艦載無人機主要使用雷達、衛星、光電、視覺等著艦引導系統進行著艦。

雷達引導技術

國外雷達引導技術相對成熟。美國內華達山脈公司（Sierra Nevada）研制的“無人機通用自動回收系統”（UCARS）已成功引導“火力偵察兵”無人直升機自主著艦（見圖1）。法國DNCS公司采用雷達引導技術成功研發了D2AD艦載無人機自動著艦引導系統，該系統在“拉斐特”級護衛艦上已完成著艦引導試驗。加拿大CL-227/327無人機采用應答式3毫米波雷達引導技術實現了自動著艦。

雷達引導系統采用二次雷達機制，由艦載雷達和機載二次雷達應答機組成，可實時測量無人機與艦船的相對位置。艦載系統獲得雷達原始數據后，通過數據穩定處理、坐標變換等方法，得到準確的機艦相對位置信息，雷達引導系統依據機艦相對位置信息，實時規劃一條理想下滑軌跡，并算出無人機位置與理想下滑軌跡之間的偏差，結合艦船甲板的運動數據，對偏差數據進行補償，然后通過數據鏈將補償后的偏差數據上傳至機載飛控系統，飛控系統的軌跡引導律對偏差數據進行解算，得到引導指令，該引導指令通過飛行控制律計算后，轉化為位置、速度、姿態控制指令，控制指令被輸入舵機，舵機控制無人機完成自動近艦與著艦。

雷達引導系統可在云層較低、能見度較差的環境下使用，具備較強的目標探測跟蹤能力和較好的隱蔽性，不易被敵方干擾，作用距離可達數十千米。但是，雷達引導技術也有缺點，即定位精度不高。受限于雷達的安裝位置，在近距離引導無人機著艦時，雷達引導系統常存在盲區，全過程引導效果欠佳。此外，雷達引導系統的價格較高。

光電引導技術

目前，國外艦載無人機著艦所采用的光電引導系統主要有法國DNCS公司研制的SADA甲板自主引導系統、美國DRS公司研制的基于光電引導技術的進近著艦虛擬成像系統，這兩種系統均已成功引導艦載無人機自主著艦。光電引導系統是一種基于多源光電傳感器技術的引導系統，綜合使用高精度激光跟蹤測距單元、高靈敏度紅外熱成像單元以及高分辨率電視攝像機等設備，完成偏差數據測量，系統的精準控制能力可消除偏差，實現無人機安全著艦。在光電引導系統中，激光跟蹤測距單元跟蹤艦載無人機，實時測量無人機的飛行速度、方位角、高低角、機艦距離等信息，紅外熱成像單元和高分辨率電視攝像機獲取無人機的圖像和影像信息。

由于作用距離較短，光電引導系統適用于艦載無人機精確進近及最后著艦階段。它具有定位精度高、抗電磁干擾性強、隱蔽性強，可在無線電靜默條件下工作等優點，主要利用光電設備引導無人機著艦，因此天氣適應性不高，在惡劣天氣條件下可能無法正常工作，因此通常與其他引導系統結合使用。

衛星引導技術

衛星引導系統主要采用實時動態載波相位差分定位技術對機艦相對位置進行解算，解算精度可達厘米級。國外艦載無人機衛星著艦引導系統已廣泛應用，例如美國JPALS聯合精密進近著陸系統，X-47B艦載無人機在該系統引導下，已完成自主著艦；法國希瑞納公司（SIREHNA）ADS自主著艦系統實現了5級海況下的無人機自主著艦；奧地利S-100“坎姆考普特”無人直升機使用基于差分GPS的衛星引導系統完成了自主著艦。

衛星引導系統由艦載基準站和機載移動站構成。其中，艦載基準站包括衛星接收天線和衛星接收機；機載移動站主要由衛星接收天線和衛星接收機組成。當系統引導無人機著艦時，艦載衛星接收機通過艦載衛星接收天線接收衛星信號，并將多個衛星的偽距、載波相位等測量信息通過數據鏈發送至無人機機載移動站，機載移動站的數據處理模塊將收到的艦載測量數據和機載衛星測量數據構建差分觀測方程，然后數據處理模塊根據差分觀測方程，解算出無人機與艦船的原始相對位置數據，經坐標變換后，得到準確的機艦相對位置數據，衛星引導系統根據機艦相對位置信息，實時規劃一條理想下滑軌跡，并算出無人機位置與理想下滑軌跡的偏差，結合甲板運動補償數據，生成著艦引導參數，從而引導無人機自動著艦。

衛星引導系統具有組成相對簡單、尺寸小、成本低、使用不受時間地點限制等優點，定位精度比雷達高，對近距離目標的定位具有更為明顯的優勢。但是，它易受電磁干擾，不適合戰時使用，在引導過程中，接收衛星數量的變化有時會導致位置解算值出現一定程度的波動，所以通常與慣導系統組合使用。

視覺引導技術

視覺引導是系統通過視覺傳感器實時搜索并獲取位于艦船甲板上的合作目標圖像信息，利用圖像實時處理技術對合作目標的特征信息進行提取和匹配，完成位置和姿態解算，從而獲得無人機相對于艦船甲板的位置和姿態，通過數據鏈，將機艦相對位姿信息發送給機載飛控系統，以引導無人機精準著艦。視覺引導系統有兩種架構，一種是視覺傳感器和圖像處理器等設備安裝在無人機上，采用該架構的系統可將處理后的著艦參數直接發送給機載飛控系統，以引導無人機著艦，但圖像處理器性能會受機載設備重量的限制；另一種是視覺引導系統安裝在艦上，艦載視覺引導系統將處理后的著艦參數信息通過無線數據鏈傳送至機載飛控系統，以引導無人機著艦，采用該架構的系統利用性能強大的艦載圖像處理器對復雜圖像進行處理，但無線數據傳輸會有一定的時延。

圖像處理算法的實時性和準確性是視覺引導取得成功的關鍵要素，直接影響定位精度。由于艦載無人機視覺引導系統對圖像處理技術要求非常高，目前仍處于理論研究和工程試驗階段。艦載無人機視覺引導技術無疑是新興技術，具有抗電磁干擾性強、隱蔽性高、使用靈活等諸多優點，在引導無人機著艦時，能獲取大量外界信息，擁有良好的發展前景。

各種著艦引導系統對比

通過上述著艦引導技術分析，本文總結各種系統的優缺點和適用范圍，如表1所述。

由表1可知，單一著艦引導系統在使用中具有較大的局限性，全過程引導的適用性較差，不能充分滿足艦載無人機精確自主著艦的需求。在著艦引導過程中，艦載無人機經歷不同的階段，艦載固定翼無人機著艦引導過程可細分為平飛、下俯、下滑、進入和著艦五個階段；而艦載旋翼無人機具有空中懸停、低速飛行、無需在起降場地滑跑等特征，其著艦引導過程與固定翼無人機有所不同，大致分為進場下滑、懸停跟進和快速下降著艦三個階段。雖然兩者著艦引導過程中的各個階段截然不同，但兩者的著艦引導全過程可分為兩個階段，即遠距著艦進近引導階段和近距著艦引導階段，詳見圖2。

遠距著艦進近引導旨在將艦載無人機引導至合適的著艦區域，在該區域內，無人機飛行航向要與艦船航向保持一致，該階段并不需要十分精確的機艦位姿信息，適合使用雷達或衛星等遠距著艦引導方法。

近距著艦引導的目的是，把艦載無人機精準地引導至艦船甲板的著艦區域，實現無人機的成功降落。因此，該階段需要實時、精確的機艦位姿信息，且對引導信息的精確度、可靠性、實時性等指標提出了較高要求。視覺、光電、差分GPS衛星等引導系統在該階段使用更具優勢。

因此，著艦引導工作應分析每個著艦階段的特征和每種著艦引導系統的優缺點，合理組合和應用不同的引導系統，才能保證艦載無人機安全、自主著艦。

總結與展望

著艦引導技術是保障艦載無人機安全著艦的關鍵技術。本文對多種著艦引導技術進行展望。

單一著艦引導技術的引導效果較差，難以滿足高精度自主著艦的需求。而根據各引導階段的特點以及各引導系統的優缺點，不同引導技術合理組合與使用，可對無人機進行逐段引導，這是一種實用性強、行之有效的引導方案。

差分GPS衛星引導技術在各引導階段的適用性較其他引導技術擁有較好的引導效果，但由于GPS會受到美國的限制，在戰時不宜使用，只有當我國北斗衛星導航系統的性能大幅提升后，衛星引導才可能成為主要的著艦引導手段。視覺引導技術是未來著艦引導領域的發展方向，因此我國應大力發展高效的圖像實時處理技術。

隨著多源傳感器數據融合、基于深度學習的著艦環境感知等技術的不斷進步，未來著艦引導技術將會向多源信息融合引導技術方向發展，艦載無人機全自主著艦的安全性和可靠性有望大幅度提高。