王鑫，陳欣，李繼廣

　?。暇┖娇蘸教齑髮W(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211106）

       摘要：艦載機(jī)的著艦過程被認(rèn)為是艦載機(jī)事故率最高的階段，因此，如何引導(dǎo)與控制艦載機(jī)特別是無(wú)人機(jī)艦載機(jī)實(shí)現(xiàn)精確著艦，一直是國(guó)內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)。對(duì)無(wú)人艦載機(jī)所采用的氣動(dòng)布局和研制無(wú)人艦載機(jī)的迫切性、必要性進(jìn)行了描述，對(duì)國(guó)內(nèi)外飛翼布局無(wú)人機(jī)的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究, 對(duì)自主著陸和著艦技術(shù)進(jìn)行了比對(duì)分析, 并且指出了自主航母著艦控制技術(shù)的特殊性。針對(duì)無(wú)人艦載機(jī)在自主著艦過程中遇到的復(fù)雜風(fēng)擾動(dòng)、甲板運(yùn)動(dòng)和航母條件限制,分析了艦載機(jī)著艦過程中的控制與導(dǎo)引技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)自主著艦控制的關(guān)鍵技術(shù)和解決方法的發(fā)展過程和現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述和總結(jié), 并就自主著艦技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞：飛翼無(wú)人機(jī)；自主著艦；甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)；軌跡生成技術(shù)；抗干擾技術(shù)

　　中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.003

　　引用格式：王鑫，陳欣，李繼廣.飛翼無(wú)人機(jī)自主著艦控制技術(shù)的綜述［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（4）：7-9，13.

0引言

　　美國(guó)和歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家一直致力于具備攻擊和隱形優(yōu)勢(shì)的飛翼式無(wú)人機(jī)的技術(shù)研究，無(wú)人機(jī)的飛翼布局適合航母上對(duì)空間要求小的特點(diǎn)，有效載荷大與滯空時(shí)間長(zhǎng)，得益于翼身融合飛機(jī)布局氣動(dòng)效率，無(wú)垂尾阻力小，所以艦載無(wú)人機(jī)多以此布局。目前，諾斯羅普·格魯門公司研制的X47B型無(wú)人機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)完成了岸基攔阻降落試驗(yàn)、艦上彈射起飛、“觸艦復(fù)飛”試驗(yàn)以及海上攔阻著艦試驗(yàn),這標(biāo)志著美國(guó)海軍艦載無(wú)人攻擊機(jī)演示驗(yàn)證項(xiàng)目(UCASD)計(jì)劃的成功。X47B 作為美國(guó)海軍重點(diǎn)發(fā)展的未來(lái)航空兵力和“空海一體戰(zhàn)”的重要支撐平臺(tái)， 憑借其超遠(yuǎn)的航程、強(qiáng)大的自持力和高度的隱身性,將大大推動(dòng)航母艦載航空兵的歷史性變革, 甚至?xí)氐最嵏参磥?lái)?？兆鲬?zhàn)模式。

1飛翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　美國(guó)的X45A是由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局及空軍聯(lián)合與波音公司簽訂的合同, 作為Joint Unmanned Combat Air systems (JUCAS)項(xiàng)目的一部分， 波音公司的“鬼怪”團(tuán)隊(duì)共生產(chǎn)了兩架X45A型無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，并在2002年5月完成首次飛行。

　　格魯門公司的X47B方案進(jìn)行海軍無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)航空系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)(UCASD)計(jì)劃的競(jìng)爭(zhēng), 海軍最終選擇了X47B方案。2011年5月，美國(guó)海軍NUCAS項(xiàng)目進(jìn)入第二階段，波音公司正是利用“鬼怪鰩”的方案積極參與競(jìng)標(biāo)［1］。

　　諾斯羅普·格魯門公司展示自籌資金的X47A項(xiàng)目，2002年7月進(jìn)行了首次滑行試驗(yàn)，該項(xiàng)目被合并入國(guó)防部的JUCAS項(xiàng)目計(jì)劃。2004年8月美國(guó)國(guó)防技術(shù)研究局授權(quán)三架無(wú)人機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)演示和操作評(píng)估。2005年6月X47B項(xiàng)目成立。在2007年8月X47B從海軍無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)航空系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)(UCASD)計(jì)劃的競(jìng)爭(zhēng)中勝出。 X47B共進(jìn)行了4次試驗(yàn)，其中2次是成功的［2］。

　　歐洲在無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展上試圖跟上美國(guó)， 但是由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力的限制，采用多國(guó)合作共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的合作模式。 神經(jīng)元無(wú)人機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)(Neuron UCAV)是法國(guó)武器裝備總署發(fā)起的4.05億歐元預(yù)期2年的研制計(jì)劃， 由歐洲六國(guó)共同組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)。德國(guó)一方面以國(guó)防開支緊縮為由沒有參加Neuron UCAV無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)， 另一方面自己?jiǎn)?dòng)研制“梭魚”無(wú)人機(jī)， 直接和Neuron UCAV競(jìng)爭(zhēng)， 并試圖把薩博和阿萊尼亞拉入自己的陣營(yíng)， 薩博通過SHARC和FILUR無(wú)人技術(shù)驗(yàn)證機(jī)掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)。由于德國(guó)不肯出資， 瑞典無(wú)力負(fù)擔(dān)下一代戰(zhàn)斗機(jī)的研制才加入合作， 法國(guó)正深陷二戰(zhàn)以來(lái)最為深重的經(jīng)濟(jì)危機(jī)， 意大利則幾乎被開除發(fā)達(dá)國(guó)家的行列， 因此Neuron UCAV的前景并不樂觀， 對(duì)達(dá)索未來(lái)的影響值得關(guān)注［3］。

　　雷神無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)(Taranis UCAV)是2006年9月英國(guó)國(guó)防部和BAE系統(tǒng)公司簽署的1.4億英鎊、為期4年的研制合同。

　　以英國(guó)BAE和法國(guó)的達(dá)索公司為首研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，對(duì)雷神和神經(jīng)元無(wú)人機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)的開發(fā)進(jìn)行共享，并已經(jīng)啟動(dòng)未來(lái)作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)項(xiàng)目第一階段的論證驗(yàn)證，預(yù)計(jì)在2016年結(jié)束后進(jìn)行項(xiàng)目發(fā)展決策［4］。

　　我國(guó)在飛翼布局的無(wú)人機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)的實(shí)際工程控制技術(shù)研究方面， 由中航工業(yè)設(shè)計(jì)和制造了國(guó)內(nèi)第一架飛翼布局的隱身無(wú)人攻擊機(jī)“利劍”， 已經(jīng)在2013年11月12日在西南某飛行路基基地完成了首飛，飛行時(shí)間20分鐘［5］。

2自主著艦控制技術(shù)難點(diǎn)

　　目前在陸基著陸方面, 無(wú)人機(jī)的自主著陸方式主要有輪式起降和彈射起飛、傘降回收兩種方式。相對(duì)輪式起降，彈射起飛、傘降回收對(duì)場(chǎng)地沒有太高的要求。在輪式著陸方面,以色列的蒼鷺無(wú)人機(jī)采用輪式著陸的方式，相比于無(wú)人機(jī)在陸基的自主著陸,航母自主著艦有著其自身的特殊之處：

　　（1）著艦平臺(tái)不同。航母的甲板與海平面有高度差, 甲板是運(yùn)動(dòng)的，并且在艦載機(jī)著落接近甲板的時(shí)候，氣流環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜。

　?。?）著艦的精度要求比在陸地上高。艦載滑軌跡和陸地著陸都是3.5°，在接近著陸點(diǎn)200~300 m左右的時(shí)候，飛機(jī)逐漸被拉平，著陸時(shí)的下沉率為0。艦載機(jī)著陸，下降的過程中始終要保持3.5°，艦載著陸的這個(gè)區(qū)域四道攔阻索，在著艦區(qū)域的四道攔阻索之中，最安全的著艦是第二道攔阻和第三道攔阻索之間的區(qū)域，其著艦區(qū)域的范圍大概是42 m左右，也就是±20 m這個(gè)誤差，比陸地的著艦±100 m的精度標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)苛得多。

　　(3)著艦過程中低速狀態(tài)下的可操縱性弱；飛機(jī)的下滑速度要比在陸地上下滑的速度低50~80 km/h，盡管艦載機(jī)的機(jī)翼面積比較大、翼載荷比較小、相對(duì)安全的迎角和速度范圍更寬，但在整個(gè)下降過程中，依然處于一種亞安全狀態(tài)，一旦飛機(jī)出現(xiàn)偏差，可供修正的操縱權(quán)限非常小。

　　F/A18艦載機(jī)完整的自主著艦過程為：(1)在接到著艦許可之前，著艦機(jī)在距航空母艦27.8 km處按照設(shè)定的馬歇爾航線飛行等待；(2)接到著艦指示后， 艦載機(jī)從進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)開始一邊降低飛行高度，一邊左盤旋飛行， 在距航母艦尾15 km處時(shí)，高度降到 360 m；(3)保持飛行高度到距艦尾9.25 km時(shí)，放下尾鉤， 并進(jìn)入著艦航線，飛過航空母艦上空后，左轉(zhuǎn)180°，降低飛行高度速度；（4）在距艦尾5.6 km時(shí)進(jìn)入自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)（ACLS）下滑引導(dǎo)段，如圖1所示。如果需要復(fù)飛， 著艦機(jī)需先上升到360 m高度后，再次進(jìn)入著艦航線［6］。

3自主著艦控制技術(shù)現(xiàn)狀

　　3.1軌跡生成技術(shù)

　　由于在整個(gè)著艦過程中飛機(jī)受到復(fù)雜氣流、甲板運(yùn)動(dòng)、起落架和攔阻索的實(shí)際條件的限制，需要對(duì)進(jìn)場(chǎng)速度、下沉速度、攔阻速度等各個(gè)約束條件和影響情況進(jìn)行性能分析，找出最佳著艦的軌跡，用于艦載機(jī)著艦軌跡的生成。

　　艦載機(jī)進(jìn)場(chǎng)速度大小直接影響到飛機(jī)安全性，航母攔阻索對(duì)飛機(jī)的速度有限制，需要通過對(duì)不同攔阻索的試驗(yàn)，得到載荷與距離的測(cè)試數(shù)據(jù)，用于艦載機(jī)動(dòng)力學(xué)建模以及仿真的研究。艦載機(jī)的下沉速度是飛行控制目標(biāo)值、起落架載荷和飛機(jī)重量的綜合性設(shè)計(jì)輸入，在艦載機(jī)下沉速度上，美國(guó)根據(jù)海軍的使用情況，給出了艦載機(jī)下沉速度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。參考美軍標(biāo)準(zhǔn)，沈陽(yáng)飛行控制研究所研究了艦載機(jī)的下沉速度，并且根據(jù)美軍標(biāo)公式和國(guó)外型號(hào)艦載機(jī)的著艦速度性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)計(jì)算和著艦影響分析［7］。北京航空航天大學(xué)通過實(shí)際著艦試驗(yàn)得出不同狀態(tài)下多型艦載機(jī)的下沉速度、進(jìn)場(chǎng)速度等參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)艦載機(jī)的進(jìn)場(chǎng)速度約束分析，提出了參數(shù)適配性的概念，分析了艦載著陸的最大迎角、著艦下滑角和攔阻距離三種因素，得到質(zhì)量與速度的適配性曲線，研究結(jié)果表明通過增大預(yù)設(shè)攔阻力和提高飛機(jī)的低速氣動(dòng)特性可有效地增加飛機(jī)的最大著艦質(zhì)量，擴(kuò)展適配包線的范圍，從而提高飛機(jī)著艦的安全性，但是下滑角大小的改變對(duì)著艦最大質(zhì)量的影響不大［8］。

　　在軌跡在線生成方面，按照實(shí)現(xiàn)軌跡最優(yōu)控制的方式，可以分為間接和直接兩種方法。在間接法上，非線性模型預(yù)測(cè)的方法能夠解決軌跡高精度跟蹤［9］，但是間接法依賴于假設(shè)條件，需要對(duì)復(fù)雜環(huán)境、干擾和噪聲影響進(jìn)行假設(shè)。直接法的主要思想是通過對(duì)控制向量和狀態(tài)子集進(jìn)行離散化和參數(shù)化處理，從而實(shí)現(xiàn)控制問題的簡(jiǎn)化，主要包括：直接打靶法、直接多重打靶法、動(dòng)態(tài)逆法、配點(diǎn)法、微分包含法和偽普法。直接法雖然只能夠生成接近最優(yōu)控制的軌跡，但是該方法便于工程實(shí)現(xiàn)，比如移動(dòng)目標(biāo)優(yōu)化動(dòng)態(tài)軌跡生成和跟蹤問題。

　　3.2制導(dǎo)與控制技術(shù)

　　飛翼布局的無(wú)人機(jī)由于無(wú)垂尾、展弦比小，具有橫側(cè)向靜不穩(wěn)定和縱橫向耦合等特點(diǎn)，目前有兩種方式來(lái)改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，第一種方法是改變飛機(jī)整體氣動(dòng)外形，改變后掠角和展弦比來(lái)增穩(wěn)；第二種方法是增加系統(tǒng)的增穩(wěn)手段。在飛翼布局橫側(cè)向的增穩(wěn)方面，采用了三種不同的方法：（1）通過開裂式副翼生產(chǎn)不對(duì)稱阻力提供偏航力矩；（2）通過襟翼的上下差動(dòng)偏轉(zhuǎn)提供偏航力矩；（3）擾流片偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏航力矩，最后分別通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析偏轉(zhuǎn)對(duì)氣動(dòng)和穩(wěn)定的影響，并驗(yàn)證了氣動(dòng)布局構(gòu)型的可行性［10］。

　　飛翼無(wú)人機(jī)飛控律的設(shè)計(jì)上，波音公司的鬼怪團(tuán)隊(duì)對(duì)X45飛翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)是，內(nèi)回路采用基于積分的魯棒伺服LQR線性控制算法，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。外回路控制主要基于增益調(diào)度的PID控制算法，橫側(cè)方向航跡控制器的設(shè)計(jì)具有抗側(cè)風(fēng)能力，控制變量是側(cè)向加速度，利用航線側(cè)向距離、航向角偏差和偏航角等變量得到側(cè)向加速度與航點(diǎn)實(shí)際加速度對(duì)比對(duì)無(wú)人機(jī)操縱面進(jìn)行控制?？v向方向高度控制器的設(shè)計(jì)、控制器的結(jié)構(gòu)分為兩種，分別對(duì)應(yīng)于飛行階段的起飛、著陸和空中飛行，在空中航線飛行階段，選用高度、高度微分和迎角等變量，經(jīng)過PID計(jì)算得到給定俯仰角速率，計(jì)算得到對(duì)無(wú)人機(jī)舵面給定值進(jìn)行控制。在著陸階段時(shí)，選擇高度和高度微分作為縱向回路的控制變量，迎角和加速度不再作為控制變量。鬼怪團(tuán)隊(duì)對(duì)X36型無(wú)尾驗(yàn)證戰(zhàn)斗機(jī)和本身的系統(tǒng)組成架構(gòu)以及其飛行試驗(yàn)的情況進(jìn)行了描述［11］，該型驗(yàn)證機(jī)采用飛翼布局、鴨翼方式和先進(jìn)的矢量推進(jìn)噴口控制技術(shù)增加了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，導(dǎo)致飛機(jī)的縱向和橫側(cè)向都不穩(wěn)定。針對(duì)X36型無(wú)人機(jī)的這種特性，采用動(dòng)態(tài)逆控制的算法，這種算法給出了固定增益調(diào)度的模式，改善了非線性度和飛行參數(shù)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。同時(shí)為提高系統(tǒng)的安全性，引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的控制算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行修正，主要是對(duì)模型的不確定性和舵機(jī)不可預(yù)測(cè)性故障的修正，動(dòng)態(tài)逆的控制方法依賴于氣動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，控制器的魯棒性較差［12］。

　　在復(fù)雜環(huán)境的干擾方面，自抗擾控制器不依賴于模型的準(zhǔn)確度，能更好地實(shí)現(xiàn)抗干擾，但是未考慮實(shí)際工程上的傳感器測(cè)量精度以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等延時(shí)影響，控制器魯棒性有限［13］。在抗風(fēng)擾動(dòng)方面，為解決飛翼布局在側(cè)風(fēng)和有限下沉風(fēng)干擾時(shí)的軌跡和姿態(tài)跟蹤問題，飛行控制器的設(shè)計(jì)必須具有較強(qiáng)的魯棒性。目前有三種著艦方式：（1）側(cè)航法；（2）側(cè)滑法；（3）直接側(cè)力法。在飛翼布局的無(wú)人機(jī)上，采用直接側(cè)力控制方法［14］，機(jī)頭鴨翼提供平衡側(cè)滑所需要的側(cè)力，同時(shí)利用開裂式副翼產(chǎn)生平衡偏航力矩，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)著艦。而對(duì)側(cè)航和側(cè)滑兩種著陸方式進(jìn)行了比較，由于飛翼布局無(wú)人機(jī)上橫側(cè)向的不穩(wěn)定性，當(dāng)飛機(jī)出現(xiàn)側(cè)滑時(shí)更容易產(chǎn)生較大的滾轉(zhuǎn)角,

　　為增加橫側(cè)向的阻尼，采用卡爾曼濾波算法對(duì)側(cè)滑角進(jìn)行估計(jì)，并將側(cè)滑角作為主控信號(hào)，分別采用H∞魯棒控制器和自適應(yīng)控制的方法，有效地解決了飛翼布局無(wú)人機(jī)在大迎角下機(jī)動(dòng)控制問題，為解決復(fù)雜環(huán)境下飛翼無(wú)人機(jī)的自主著艦提供了思路［15］。

4展望

　　隨著具有攻擊和隱形優(yōu)勢(shì)的需求發(fā)展，具有艦載起降功能的飛翼式布局的無(wú)人機(jī)將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。在飛翼布局無(wú)人機(jī)攻擊機(jī)的自主艦載著艦控制關(guān)鍵技術(shù)中，在艦載機(jī)的測(cè)量方面, 采用基于引導(dǎo)雷達(dá)、偽距差分定位和紅外探測(cè)融合的測(cè)量方法，將成為艦載機(jī)相對(duì)位置和姿態(tài)測(cè)量的重要手段；在制導(dǎo)與控制方面，在著艦低壓情況和艦尾復(fù)雜氣流下，通過發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，保持能量，平穩(wěn)著艦；采用基于魯棒伺服控制的進(jìn)行型自適應(yīng)控制算法，能夠有效抑制航母艦尾流，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)著艦過程中空速和下滑軌跡的制導(dǎo)與控制。

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