无人直升机自主着舰引导系统分析比较

段国强

摘 要：针对无人直升机自主着舰引导过程的特点和需求，分析比较目前常见的着舰引导系统优缺点，给出引导过程不同阶段使用的引导系统方案，并结合成本和机载重量，给出了一套着舰引导系统组合方案。

关键词：无人直升机;着舰引导系统;比较

中图分类号：V279 文献标识碼：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0027-04

Abstract： Aiming at the characteristics and requirements of autonomous landing guidance process of unmanned helicopter， this paper analysed and compared the advantages and disadvantages of the common landing guidance system at present， gave the guidance system schemes used in different stages of the guidance process， and gave a set of combination schemes of landing guidance system combined with cost and airborne weight.

Keywords： unmanned helicopter;automatic guidance and carrier landing system;compare

1 研究背景

近年来，随着无人直升机技术的蓬勃发展，其应用领域迅速扩展，应用前景十分广阔。舰载无人直升机是其较为重要的一项应用领域，标志着无人直升机从陆基延伸至舰基。而掌握无人直升机自主着舰引导技术是实现舰载无人直升机技术的关键。

无人直升机自主着舰引导关系到无人直升机的着舰安全。受天气变化、舰面紊流、甲板运动等的影响，其是一个复杂且危险的过程[1]。

国外对舰载无人直升机的研制，已经取得了一定的成就。目前，公开的主要有“火力侦察兵”“S-100”“QH-50”和“CL-327”等，其中舰载应用最为成功的是“火力侦察兵”和“S-100” [2]，如图1所示。

国内对舰载无人直升机也展开了一系列研究。我国自主研发的无人直升机在军用及民用上均取得了一定的成效，主要有“V750”无人直升机“WZ-6B”无人直升机等[3]，如图2所示。

本文比较各引导方式的优缺点，结合将引导过程划分的三个阶段，并综合考虑引导系统成本和机载设备重量，给出一套自主着舰引导系统组合配置方案。

2 引导过程

无人直升机自主着舰引导的过程通常是：引导系统根据探测到的机舰位置信息，实时生成一条理想飞行轨迹，导航系统按照一定的制导律计算得到引导指令并传送给飞控系统，经过计算转化得到位置、速度、姿态控制指令，控制无人直升机跟踪这一理想轨迹，从而实现无人直升机自主返航、进场、着舰。

本文通过分析整个着舰引导过程，按照引导距离的不同，将无人直升机自主着舰引导过程划分为三个阶段[4]。

①无人直升机远程引导阶段。该阶段，无人直升机距离舰船较远，其目的主要是调整无人直升机航向对准舰船前进方向进行快速追击，到达近程阶段。

②无人直升机近程进场控制阶段。该阶段的主要目的是调整无人直升机飞行至甲板正上方一定高度处悬停跟进，为自主着舰做好准备。

③无人直升机自主着舰控制阶段。该阶段的主要目的是判断静息期并实现无人直升机自主快速着舰。

具体引导过程分段如图3所示。

3 引导方式及其比较

目前，常见的无人直升机着舰引导方式包括光电着舰引导、机载视觉引导、卫星引导、雷达引导、紫外成像引导等[5]。具体引导方式分析如下。

3.1 引导方式

3.1.1 光电着舰引导。光电着舰引导系统是集可见、中波、测距功能于一体的光电跟踪精密测量设备，具有随动跟踪、单站定位的功能。其采用自动目标识别和光电跟踪技术对着舰飞行器进行精密跟踪，高精度获取飞行器的下滑航迹角信息及姿态数据。

光电着舰引导系统由光电跟踪转台和机下控制台组成。其中，光电跟踪转台上安装了激光测距机、变焦距可见电视和中波红外三个传感器系统。变焦距可见电视焦距变化范围大，可实现对近距离目标的捕获、跟踪;中波红外系统探测器的波长为3～5μm，主要实现低能见度时对目标的捕获、跟踪和测量;激光测距系统的激光波长为1.57μm，为人眼安全的激光波长，可实现对目标距离的测量，实现光电跟踪测量系统单站定位的功能。

而作为一种光学测量设备，舰体在海浪的作用下产生的随机摇摆对设备的跟踪性能和测量精度都会产生较大影响。

3.1.2 机载视觉引导。机载视觉引导系统是基于采集的目标图像采用中值滤波和二值化阈值分割技术对其进行预处理。对于分割出待处理的着舰目标区域，采用基于SURF和FLANN等方法融合的目标识别技术解决复杂背景和部分遮挡下着舰目标识别困难的问题，并对着舰目标进行跟踪。在三维空间里，通过位姿估计算法估计无人直升机相对舰船的位姿参数信息，利用位姿信息引导无人直升机自主着舰。

同样作为一种光学测量设备，舰体在海浪的作用下产生的随机摇摆以及恶劣的气象条件，都会对测量精度产生很大的影响。

3.1.3 卫星引导。卫星引导是基于卫星传感器信息，如GPS、北斗、伽利略等。舰载信息解算设备将解算得到的机舰相对位置、高度、速度等信息传送给机载卫星传感器设备，再传送给飞控系统，由飞控系统完成引导。

其舰载基站相当于导航信号源，机载设备通过滤波相位跟踪和扩频码跟踪的组合方式，实现舰载机的相对定位。

基于卫星信号的解算方式，本身存在一定的误差，在卫星信号受干扰的情况下，引导信息解算会产生较明显的误差。

3.1.4 雷达引导。雷达引导是通过舰载精密进场雷达发现并测定无人直升机的位置、距离、运动速率和方向。然后，向无人直升机发送引导指令信息，包括下降速率、偏航角等，引导无人直升机进行着舰引导飞行。其可用于能见度差、云底较低的复杂气象条件下。美军已研制的用于主战的全天候着舰系统的核心是一部AN/SPN-XX精确跟踪雷达，该系统性能良好，可确保舰载机在恶劣天气下安全着舰。

雷达引导是利用无线电波测定的，所以容易受外界电磁环境干扰，从而影响引导精度。此外，其成本较高，在一定程度上限制了推广应用。

3.1.5 紫外成像引导。紫外成像引导是通过将人造紫外光源布置于舰船上，机载成像设备通过扫描、发现、锁定光源，并通过一定的算法处理采集到的图像信息，将解算得到的机舰相对位置、高度、速度、姿态等测量信息直接发送给飞控系统，由飞控系统完成自主着舰引导飞行控制。

紫外成像引导避开了地球表面其他光源的波长，不易受环境影响，但其引导方式决定了其作用距离不能很远。

3.2 优缺点比较

根据各引导方式的原理及所使用引导设备，结合工程实际使用情况，可以得出各引导方式的优缺点，如表1所示[6]。

4 引导方案

按照本文第2节将着舰引导过程分为三大阶段，即远程引导阶段、近程引导阶段和着舰阶段，结合各引导阶段的主要目的及引导方式的优缺点比较，给出各个阶段的引导方式。

4.1 各阶段引导方式选择

4.1.1 远程引导阶段。该阶段机舰相对距离较远，且主要目的是实现航向对准，所以精度要求并不高。从表1可以看出，符合这一阶段的引导方式有卫星引导、雷达引导。

4.1.2 近程引导阶段。该阶段机舰相对距离较近，且主要目的是实现将无人直升机引导至舰船正上方一定高度处跟随舰船运动，所以精度要求较高。从表1可以看出，符合这一阶段的引导方式有光电着舰引导、机载视觉引导和紫外成像引导。

4.1.3 着舰阶段。该阶段机舰位置相对静止，高度不一致，且主要目的是实现静息期判断和快速着舰，所以精度很高。从表1可以看出，符合这一阶段的引导方式有光电着舰引导、机载视觉引导。

4.2 引导方案设计

为确保整个引导过程的飞行安全，引导方式选择应该是越全面越好。但考虑到引导系统的成本、机载设备的重量等问题，应该是取二者之间的平衡，以制订最优的解决方案。具体设计方案如下：卫星/紫外/机载视觉组合引导方式[7]。远程引导阶段选用卫星引导，因为考虑雷达的成本和重量相比卫星没有优势，且精度要求不高，无备份需求;近程引导阶段选用紫外引导，因为考虑其不易受干扰;着舰阶段选用机载视觉，主要是考虑其可以和紫外成像设备共用一套图像采集设备，能节约成本，且能变相地为飞机减重[8]。

而卫星和紫外在近程引导阶段可以作为相互备份，紫外和机载视觉在近程末端及自主着舰过程中又可以作为相互备份。

5 结语

通过对引导过程的阶段划分，结合各引导方式的优缺点，本文给出了一套自主着舰引导组合系统，综合考虑了引导系统成本和机载设备重量，除第一阶段远程引导外，其他不同阶段引导方式均有备份。该引导方案有较好的理论基础，且容易实现，可作为试验方案进行试验试飞验证。

参考文献：

[1] Pachter M，Chandler P R. Challenges of autonomous control[J]. Control Systems IEEE，1998（4）：92-97.

[2] Xu G， Chen X， Wang B， et al. A search strategy of UAV's automatic landing on ship in all weathe[C]// International Conference on Electrical & Control Engineering. 2011.

[3]Ludington，Johnson，Vachtsevanos. Vision Based Navigation and Target Tracking for Autonomous Landing of an Unanned Aerial Vehicle[J].Advances in Unmanned Aerial Vehicles，2012（4）：245-266.

[4] Saripalli S，Montgomery J F，Sukhatme G S . Visually guided landing of an unmanned aerial vehicle[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2003（3）：371-380.

[5]王曉剑，潘顺良，宋子善，等.无人直升机自主着舰的计算机视觉技术[J].北京航空航天大学学报，2007（6）：686-689.

[6]杨一栋.光学着舰助降系统[M].北京：国防工业出版社，2008.

[7]徐贵力，程月华，沈春林.基于激光扫描和计算机视觉的无人机全天候自主着陆导引技术[J].航空学报，2004（5）：499-503.

[8]郑峰婴.舰载机着舰引导技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.