摘 要:對(duì)國(guó)外艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)這一熱門(mén)領(lǐng)域的發(fā)展情況進(jìn)行了綜合評(píng)述。首先,總體概括了國(guó)外艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)的技術(shù)手段;隨后,討論了美國(guó)、法國(guó)、奧地利等國(guó)著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、無(wú)人機(jī)著艦回收特點(diǎn)、系統(tǒng)組成及使用范圍;最后,分析了艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。綜述表明,國(guó)外艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)相對(duì)成熟,對(duì)我國(guó)發(fā)展類(lèi)似技術(shù)具有重要借鑒意義;并應(yīng)考慮陸基及艦基技術(shù)的通用化。
1 引 言
無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、隱身性能好,可借助其上的偵察、干擾、通信等設(shè)備大大延伸艦船的作戰(zhàn)范圍。因此,相關(guān)國(guó)家都在大力推廣艦載無(wú)人機(jī)。然而,由于受到海浪、艦船、無(wú)人機(jī)性能、艦上著艦區(qū)氣流等因素的影響,艦載無(wú)人機(jī)起降極其復(fù)雜,如何引導(dǎo)其按要求的航跡飛行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起降是艦載無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是各國(guó)發(fā)展艦載無(wú)人機(jī)需要考慮的重點(diǎn)之一。
目前,艦載無(wú)人機(jī)的回收著艦方式主要有撞網(wǎng)回收[1]、自動(dòng)著艦[2,3]等方式。隨著無(wú)人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)能力要求的提高,無(wú)人機(jī)的質(zhì)量也越來(lái)越大,撞網(wǎng)回收已無(wú)法滿(mǎn)足中大型無(wú)人機(jī)的著艦需求。因此,自動(dòng)著艦已成為無(wú)人機(jī)回收的重要方式。艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展比較成熟的國(guó)家有美國(guó)、法國(guó)、奧地利等,采用的技術(shù)手段主要有雷達(dá)、光電和衛(wèi)星等。
雷達(dá)著艦引導(dǎo)是利用艦上安裝的雷達(dá),測(cè)量無(wú)人機(jī)的高度、方位、速度等參數(shù),通過(guò)解算處理,產(chǎn)生與理想著艦軌跡的誤差信息,并發(fā)送給無(wú)人機(jī),控制無(wú)人機(jī)按預(yù)定軌跡下滑著艦。目前,采用雷達(dá)引導(dǎo)技術(shù)體制的無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要有美國(guó)Sierra Nevada公司的無(wú)人機(jī)通用自動(dòng)回收系統(tǒng)(UAV Common Automatic Recovery System,UCARS)[4,5]和法國(guó)DNCS公司開(kāi)發(fā)的一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)D2AD。
光電著艦引導(dǎo)是以光電傳感器為基礎(chǔ)的著艦引導(dǎo)體制。由于光電具有分辨率高、抗電磁干擾、多徑效應(yīng)能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等一系列技術(shù)優(yōu)勢(shì),這種技術(shù)一出現(xiàn)就引起世界各國(guó)的關(guān)注,并表現(xiàn)出良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。目前采用光電引導(dǎo)技術(shù)體制的無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要是法國(guó)DNCS公司研制的SADA[6]自動(dòng)甲板起降系統(tǒng)、美國(guó)DRS公司研制的進(jìn)近著艦虛擬成像系統(tǒng)(Virtual Imaging System For Approach and Landing,VISUAL)[7]。
利用衛(wèi)星信號(hào)作為引導(dǎo)手段,是艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)起降技術(shù)的重要發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。作為一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS自建立以來(lái)給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來(lái)了巨大改變,它從根本上解決了各類(lèi)導(dǎo)航和定位問(wèn)題。其接收設(shè)備簡(jiǎn)單,無(wú)需龐大的地面設(shè)備,又可全球覆蓋。將GPS用于艦載機(jī)全自動(dòng)著艦引導(dǎo),可降低著艦系統(tǒng)對(duì)艦島安裝尺寸和母艦電磁輻射特性的需求;可發(fā)揮GPS精確測(cè)量相對(duì)位置的優(yōu)勢(shì),有效提高導(dǎo)航和定位精度,特別適合近距離的相對(duì)定位。因此,GPS在艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦方面的應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。目前,采用衛(wèi)星引導(dǎo)技術(shù)體制的無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要有法國(guó)SIREHNA公司研制的自主著艦系統(tǒng)(Automatic Decking System,ADS)[8]、美國(guó)的聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)(Joint Precision Approach and Landing System,JPALS)[9,10]、奧地利S100型艦載無(wú)人機(jī)上使用的基于GPS自動(dòng)著艦系統(tǒng)[10]。
2 美國(guó)著艦引導(dǎo)技術(shù)
艦載無(wú)人機(jī)已成為美國(guó)海軍裝備的重要組成部分,其正在研制的火力偵察兵代表了艦載無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向之一。艦載無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用,促進(jìn)了美國(guó)無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,且其技術(shù)最為成熟,可采用的技術(shù)手段包括雷達(dá)、光電、衛(wèi)星等。
2.1 UCARS無(wú)人機(jī)自動(dòng)回收系統(tǒng)
UCARS是美國(guó)Sierra Nevada公司研制的一種雷達(dá)引導(dǎo)體制無(wú)人機(jī)自動(dòng)起降系統(tǒng),由艦載系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)兩部分組成。其中艦載系統(tǒng)用于定位并精確跟蹤無(wú)人機(jī),提供無(wú)人機(jī)相對(duì)理想著艦點(diǎn)的相對(duì)位置。其雷達(dá)天線能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰和方位兩個(gè)方向上的跟蹤,具有較大的運(yùn)動(dòng)范圍,這樣可以在高海況下保障無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦。
艦載系統(tǒng)布置在飛行甲板上,或通過(guò)基座安裝在船上,如圖2所示。
缺錳:番茄缺錳時(shí),葉片脈間失綠,距主脈較遠(yuǎn)的地方先發(fā)黃,葉脈保持綠色。以后葉片上出現(xiàn)花斑,最后葉片變黃,很多情況下,先在黃斑出現(xiàn)前出現(xiàn)褐色小斑點(diǎn)。
圖1 UCARS艦載系統(tǒng)
圖2 UCARS在艦上的安裝方式
圖3 UCARS機(jī)載設(shè)備
機(jī)載系統(tǒng)主要部件為異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī),如圖3所示。
1885年,尼爾斯·波爾出生在丹麥的哥本哈根,父親是哥本哈根大學(xué)的心理學(xué)教授,外祖父是富有的商人兼銀行家,家庭條件十分優(yōu)越,無(wú)論什么時(shí)候,小波爾都活潑、健康、穿戴整齊。
UCARS可在明朗天氣、霧、雨、夜間和多數(shù)海況下實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的起飛和回收;易與任意艦船和陸基無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成,可以應(yīng)用到幾乎所有的無(wú)人機(jī);不需要外部額外的位置信息就能夠滿(mǎn)足甲板運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性要求,具有廣泛的應(yīng)用潛力。
圖4 火力偵察兵艦載無(wú)人直升機(jī)
UCARS前后發(fā)展了UCARS-V1和UCARS-V2兩個(gè)版本。UCARS-V2是為保障諾·格公司RQ-8A火力偵察兵無(wú)人機(jī)的自動(dòng)著艦回收開(kāi)發(fā)的。1996年9月開(kāi)始,美國(guó)在馬里蘭州利用VC-6先鋒無(wú)人機(jī)成功完成了UCARS的地面和飛行試驗(yàn);1997年1月在Shreveport上完成了UCARS的海上試驗(yàn)。UCARS與先驅(qū)者無(wú)人機(jī)的集成始于1997年,與掠奪者無(wú)人機(jī)的集成始于1998年。之后,UCARS完成了岸上和海洋環(huán)境下的20000次自動(dòng)著陸/著艦試驗(yàn),包括在龐巴迪CL-227無(wú)人機(jī)上進(jìn)行的8次自動(dòng)起降試驗(yàn)。2006年1月,SNC宣稱(chēng)在Nashville號(hào)軍艦上利用RQ-8A火力偵察兵完成了UCARS-V2的第一次自動(dòng)著艦試驗(yàn)。
2.2 VISUAL進(jìn)近著艦虛擬成像系統(tǒng)
為提高艦載機(jī)在復(fù)雜電磁環(huán)境、無(wú)線電靜默條件下的使用率,美國(guó)提出了對(duì)光電著艦引導(dǎo)技術(shù)的軍事需求。在此需求牽引下,20世紀(jì)80年代中后期,DRS公司為美國(guó)海軍研制了VISUAL光電著艦引導(dǎo)設(shè)備。該設(shè)備利用人眼安全激光測(cè)距、雙頻紅外輔助監(jiān)視等技術(shù),提供艦載機(jī)的著艦信息。VISUAL已廣泛裝備于美軍現(xiàn)役航母上,還可在LHA/LHD兩棲攻擊艦上保障無(wú)人機(jī)著艦使用。
2.3 JPALS聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)
1996年5月,美國(guó)國(guó)防部提出基于衛(wèi)星導(dǎo)航的聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)(JPALS)研制計(jì)劃,以期實(shí)現(xiàn)三軍聯(lián)合、軍民融合,雷神公司負(fù)責(zé)具體技術(shù)開(kāi)發(fā)。美軍對(duì)其使用的需求如下:
(1)可在現(xiàn)有軍事基地進(jìn)行精密進(jìn)近著陸;
圖5 美國(guó)VISUAL系統(tǒng)示意圖
(2)可在簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)快速部署,如伊拉克巴格達(dá)機(jī)場(chǎng);
1.開(kāi)發(fā)環(huán)保能源,提供創(chuàng)業(yè)新動(dòng)力。在能源緊缺、環(huán)境污染嚴(yán)重的今天,開(kāi)發(fā)新型環(huán)保替代能源至關(guān)重要。作為大學(xué)生創(chuàng)業(yè)者,要以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為中心,在發(fā)展自己事業(yè)的同時(shí)著重保護(hù)環(huán)境,積極尋找和開(kāi)發(fā)環(huán)保能源,不斷創(chuàng)新,要致力于打造零污染,零排放的安全放心企業(yè)。在開(kāi)發(fā)尋找環(huán)保能源的同時(shí),不斷引入高科技手段,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代互聯(lián)模式,為創(chuàng)業(yè)提供新途徑,新思路,也為國(guó)家環(huán)境的保護(hù)做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。
為驗(yàn)證本文導(dǎo)出公式的正確性并獲得有設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義的結(jié)論,取若干組mb和ma值,按節(jié)7的步驟做計(jì)算繪圖,得從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)線圖(見(jiàn)圖2,其中ψ的單位為弧度,ψ9、ψ、ψ、ψ、μ、μ9均無(wú)量綱)以及圖1所示機(jī)構(gòu)的特性值(見(jiàn)表1,其中Γm、Λm、Σ:m、Tm均無(wú)量綱)。
(3)可針對(duì)特殊軍事任務(wù),如精確兵力投送;
(4)可引導(dǎo)有人艦載機(jī)和無(wú)人艦載機(jī)自動(dòng)著艦。
圖6 JPALS任務(wù)需求
2013年,美國(guó)X-47B艦載無(wú)人驗(yàn)證機(jī)在JPALS支持下,完成了首次著艦回收。
美國(guó)原規(guī)劃JPALS 2016年形成初始運(yùn)行能力(IOC),并裝備美軍艦?zāi)?、兩棲攻擊艦、瀕海戰(zhàn)斗艦等。但根據(jù)最新掌握的情況,目前JPALS仍在測(cè)試中,還沒(méi)實(shí)現(xiàn)初始運(yùn)行能力的目標(biāo)。
3 法國(guó)著艦引導(dǎo)技術(shù)
法國(guó)在艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦技術(shù)方面的研究走在世界前列,技術(shù)手段包括光電、雷達(dá)和衛(wèi)星等。
3.1 SADA自動(dòng)甲板起降系統(tǒng)
SADA是法國(guó)DNCS公司開(kāi)發(fā)的一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用紅外傳感器精確跟蹤無(wú)人機(jī),同時(shí)發(fā)出飛行指令調(diào)整航線直到確保無(wú)人機(jī)的“魚(yú)叉”式著艦裝置對(duì)準(zhǔn)降落格柵的中心。
SADA能夠在5級(jí)海況下,在移動(dòng)的飛行甲板上保障無(wú)人機(jī)垂直起降,所需時(shí)間不到2分鐘。SADA的跟蹤精度為30cm,比僅使用GPS定位的系統(tǒng)精確很多,因此總的安全性和可靠性更有保障,從而克服目前無(wú)人機(jī)在海上進(jìn)行艦船回收面臨的技術(shù)難題,擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)的部署。同時(shí),SADA具有開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu),能很容易地、不引起沖突地與任何垂直起降UAV和任意類(lèi)型的艦船集成在一起。
2008年10月9日和10日,DCNS公司依靠SADA成功地使一架無(wú)人機(jī)以自動(dòng)模式在一艘正在地中海航行的法國(guó)海軍驅(qū)逐艦蒙特卡姆號(hào)(Montcalm)上完成降落。由于這項(xiàng)創(chuàng)新,DCNS能夠向海軍提供部署艦載無(wú)人機(jī)的綜合解決方案,包括任務(wù)規(guī)劃、發(fā)射、任務(wù)執(zhí)行和回收。因此該部分可用于垂直起降無(wú)人機(jī)與海軍艦船的使用集成。
3.2 D2AD無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)
D2AD是法國(guó)DNCS公司開(kāi)發(fā)的一種艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng),于2008年啟動(dòng),致力于降低自動(dòng)起降系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),且能夠保證垂直起降無(wú)人機(jī)在艦上的安全使用。
D2AD包括機(jī)上和艦面兩部分。機(jī)上部分是無(wú)人機(jī)的指引標(biāo),艦面部分在飛行甲板上使用傳感器進(jìn)行船體運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào),是無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航站,主要由雷達(dá)傳感器、魚(yú)叉系統(tǒng)、著艦管理操縱臺(tái)、D2AD模擬器組成。D2AD不依賴(lài)任何衛(wèi)星定位系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)著艦引導(dǎo)。
目前,法國(guó)武器裝備采辦總署及其工業(yè)合作伙伴DCNS公司和泰勒斯公司已經(jīng)完成了D2AD真實(shí)海洋環(huán)境下30次成功起降試驗(yàn),并在拉斐特級(jí)護(hù)衛(wèi)艦上完成了海試,試驗(yàn)標(biāo)志著D2AD項(xiàng)目的技術(shù)驗(yàn)證成果。
圖7 D2AD艦面設(shè)備
圖8 D2AD海上試驗(yàn)情況
3.3 ADS自主著艦系統(tǒng)
目前,SIREHNA公司完成了一個(gè)為期三年的垂直起降無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的演示驗(yàn)證項(xiàng)目。項(xiàng)目的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在5級(jí)海況下的自主著艦。ADS自主著艦系統(tǒng)就是該項(xiàng)目的產(chǎn)物。
ADS由分別安裝在艦上和機(jī)上的GPS/慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供連續(xù)并準(zhǔn)確的艦機(jī)相對(duì)位置信息,通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)艦機(jī)的信息傳輸,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的著艦引導(dǎo)。
SIREHNA公司已經(jīng)完成數(shù)值仿真試驗(yàn)、甲板傳感器試驗(yàn)、硬件閉環(huán)仿真試驗(yàn)、縮比物理仿真試驗(yàn)、全尺寸物理仿真試驗(yàn)。
4 奧地利著艦引導(dǎo)技術(shù)
奧地利在S100型艦載無(wú)人機(jī)上實(shí)現(xiàn)了依靠GPS自動(dòng)起降。S100的地面/艦上控制設(shè)備主要包括控制站部分、數(shù)據(jù)鏈模塊、支持設(shè)備(如可選的掩蔽部、發(fā)電機(jī))及其它可選組件等,如圖10所示。
當(dāng)控制站處在一個(gè)固定位置時(shí),GPS基準(zhǔn)模塊提供坐標(biāo)信息使飛機(jī)導(dǎo)航更加精確,在移動(dòng)操作期間,也能提供控制站的位置信息,從而確保系統(tǒng)的可用性。
5 發(fā)展趨勢(shì)分析
著艦引導(dǎo)技術(shù)需要同時(shí)保障不同類(lèi)型無(wú)人機(jī)的著艦使用。目前,艦載無(wú)人機(jī)由旋翼飛機(jī)向大型高速固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)展,滿(mǎn)足不同的作戰(zhàn)使用需求。美國(guó)發(fā)展旋翼艦載無(wú)人機(jī)火力偵察兵,并同步開(kāi)展X-47B艦載無(wú)人驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目,目前調(diào)整為MQ-25黃貂魚(yú)艦載無(wú)人加油機(jī)項(xiàng)目,這對(duì)著艦引導(dǎo)技術(shù)提出了更高通用化的要求?;谛l(wèi)星的著艦引導(dǎo)技術(shù)已應(yīng)用于美國(guó)大型高速固定翼艦載無(wú)人機(jī)X-47B和奧地利旋翼艦載無(wú)人機(jī)的著艦回收。
多手段融合是艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展方向。雷達(dá)、光電、衛(wèi)星是艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的三種主要手段,各有特點(diǎn)。雷達(dá)技術(shù)相對(duì)成熟,但在無(wú)線電干擾、靜默情況下著艦引導(dǎo)使用受到限制;光電技術(shù)應(yīng)用普遍,但環(huán)境要求較高,在低能見(jiàn)度下著艦引導(dǎo)使用效果不佳;衛(wèi)星技術(shù)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單,但嚴(yán)重依賴(lài)天基衛(wèi)星,信號(hào)完好性差,且容易受到干擾。為此,需要發(fā)展多種手段融合的著艦引導(dǎo)技術(shù),形成技術(shù)體系,滿(mǎn)足不同的使用環(huán)境要求。
圖9 ADS功能及組成
多領(lǐng)域通用是艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要途徑。無(wú)人機(jī)在各領(lǐng)域的作用越發(fā)重要,如何形成通用的無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)以便快速部署,是當(dāng)前無(wú)人機(jī)發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)之一。為此,陸基與艦載無(wú)人機(jī)的通用化、快速銜接成為衡量其生命力的標(biāo)準(zhǔn)之一。與之對(duì)應(yīng)的著艦引導(dǎo)技術(shù)也要求具有較強(qiáng)的通用化,以降低成本和技術(shù)難度。美國(guó)JPALS同時(shí)發(fā)展了陸基和艦基兩個(gè)通用化版本。
圖10 S-100地面設(shè)備
6 結(jié)束語(yǔ)
隨著科技、經(jīng)濟(jì)、政治的發(fā)展,艦載無(wú)人機(jī)在維護(hù)海洋主權(quán)、發(fā)展海上經(jīng)濟(jì)、反恐等領(lǐng)域的作用越發(fā)重要。與陸基無(wú)人機(jī)著陸不同,艦載無(wú)人機(jī)需要在狹小、運(yùn)動(dòng)的艦船環(huán)境下完成著艦。如何安全、可靠著艦回收是發(fā)展艦載無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)重點(diǎn)予以突破。
美、法等國(guó)對(duì)艦載無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)的研究相對(duì)深入,技術(shù)成熟,設(shè)備齊全,手段多樣,代表了世界先進(jìn)水平,對(duì)發(fā)展艦載無(wú)人機(jī)具有重要借鑒意義。
海陸通用、??胀ㄓ檬桥炤d無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要方向,可同時(shí)滿(mǎn)足多種無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦、著陸使用需求。
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