舰载无人机自主协同起降航线研究_李婧婷.pdf

引用格式:李婧婷，邢振林，张雷，等 舰载无人机自主协同起降航线研究J 电光与控制，2023，30(7):40-45 LI J T,XING Z L,ZHANG L,etal esearch on autonomous cooperative take-off and landing route of carrier-based unmanned aerial vehiclesJ Electronics Optics Control,2023,30(7):40-45舰载无人机自主协同起降航线研究李婧婷1，邢振林2，张雷3，董一群2，艾剑良2(1 上海航天设备制造总厂有限公司，上海200000;2 复旦大学航空航天系，上海200000;3 沈阳飞机设计研究所，沈阳110000)摘要:针对舰载机无人机协同起降场景给出了舰载无人机编队起飞、返航过程中的任务剖面。提出了各飞行阶段的航线设计要求，对起飞等待阶段、进近等待阶段、下滑着舰阶段以及复飞等待阶段的舰载无人机飞行航线分别进行了设计，得到舰载无人机编队自主协同起降的全过程飞行航线及其相应的飞行关键点。最终，通过 Matlab 对所设计的航线进行了仿真验证，仿真结果验证了所设计的飞行航线符合相应的设计要求。关键词:舰载无人机;编队起降;航线设计;马歇尔等待航线中图分类号:V249文献标志码:Adoi:10 3969/j issn 1671 637X 2023 07 007esearch on Autonomous Cooperative Take-Off andLanding oute of Carrier-Based Unmanned Aerial VehiclesLI Jingting1,XING Zhenlin2,ZHANG Lei3,DONG Yiqun2,AI Jianliang2(1 Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co,Ltd Shanghai 200000,China;2 Department of Aeronautics and Astronautics,Fudan University,Shanghai 200000,China;3 Shenyang Aircraft Design and esearch Institute,AVIC,Shenyang 110000,China)Abstract:Aiming at the cooperative take-off and landing scenarios of carrier-based UAV,the missionprofile of carrier-based UAV formation during take-off and return is given The flight route designrequirements of each flight stage are put forward,and the flight routes of carrier-based UAVs in take-offwaiting stage,approach waiting stage,landing stage and wave-off waiting stage are designed respectively,andthe whole flight route of autonomous cooperative take-off and landing of carrier-based UAV formation and itscorresponding flight key points are obtained Finally,the designed flight route is simulated and verified byMatlab,and the simulation results verify that the designed flight route meets the corresponding designrequirementsKey words:carrier-based UAV;formation take-off and landing;route design;Marshall waiting route0引言在未来的海上攻防作战中，舰载无人机将成为航母编队的重要组成部分，而舰载无人机编队将是未来海洋战争的重要作战形式。基于全球战略调整和海上作战需求考虑，世界各国竞相研发具有综合智能制导控制能力的大型舰载无人机。舰载无人机也逐步走向发展体系化、多任务化的作战方式，利用协同作战、电子对抗等手段形成新型战术体系，作战模式从单机模收稿日期:2022-05-19修回日期:2023-03-22作者简介:李婧婷(1997)，女，江苏常州人，硕士，助工。通讯作者:董一群(1990)，男，江苏宿迁人，博士，副教授，博导。式走向多机“集群”作战1。一方面，面对不确定的未来战场，多机协同作战可互相弥补，增强任务执行的多样性和复杂性，着力提高任务的整体执行效率;另一方面，多机协同也可以实现自组网，单机各自完成对任务环境的感知并进行信息交互，同时多机协同时，在突发情况下，即使出现个体的损伤甚至摧毁，整个舰载无人机集群仍能执行作战任务。无人机需要多机协同控制才能实现集群，多机协同控制既可以发挥单机灵动性，又可以实现整体的效率性，进而实现预定任务的达成。目前，国内外学者们针对舰载无人机编队的研究大多集中在任务规划与决策2 4、航迹规划5 7、编队控制8 9 等领域，针对舰载无人机起飞和进近着舰相关研究也仅集中在单机领域，而面向舰载无人机编队Vol 30No 7July 2023第 30 卷第 7 期2023 年 7 月电光与控制Electronics Optics Control李婧婷等:舰载无人机自主协同起降航线研究这种多机协同自主起降策略及全过程起降航线设计的研究存在一定空白。本文首先对通常情况下舰载机起飞、返航的过程开展研究，并对起降过程中各航线的设计思路进行了详细介绍，其中包括起飞等待航线、进近等待航线、下滑着舰航线、复飞航线的设计，同时将各过程航线形成整体，并分析了舰载机协同自主起降过程的关键点。最后利用 Matlab 进行了各航线的数值仿真，验证了所设计航线的可行性。1舰载无人机自主协同起降过程飞行策略1 1舰载无人机编队起飞过程飞行策略舰载无人机编队起飞是指各舰载无人机从甲板出动后起飞形成编队的全过程。对于单架舰载无人机的起飞，包含了出动集结过程和起飞离舰过程。出动集结指舰载无人机在甲板上从停机位转移至起飞位的过程。当开始执行出动任务时，各舰载无人机要求在满足移动安全的前提下，由各自的停机位分别移至对应起飞位，并进行起飞前准备。在起飞离舰过程中，舰载无人机从起飞位开始进行加速滑跑，采用滑跃起飞或弹射起飞等方式爬升至规定高度。对于多架舰载无人机起飞并形成编队的情形，由于各架舰载无人机起飞存在时间差且处于不同起飞位起飞的舰载无人机飞行航向有所偏差，不利于后续队形集结，在此基础上还需要加入编队集合过程。在编队集合过程中，通过控制各机沿规定航线飞行，可以做到各机之间保持合适距离，并且最终航向保持一致，方便后续形成编队时的队形变换过程。1 2舰载无人机编队返航降落过程飞行策略在舰载无人机编队返航降落过程中，一般将舰载无人机返航分为引导、等待及进近着舰 3 个阶段，这3 个阶段的划分由舰载无人机和航母之间的相对距离确定。当舰载无人机编队进行返航任务时，首先由预警机进行导航至距航母约 200 n mile(1 n mile1 852km)处的进近管制移交点。由于着舰过程中存在空域冲突、跑道占用等情形，舰载无人机需要在航母外围上空等待区等待着舰，直至收到着舰命令时才脱离等待航线。舰载无人机编队排队等待过程中的飞行航线即为马歇尔等待航线10，此时舰载无人机编队距离航母约 25 n mile。同时，在此过程中，舰载无人机需与指挥中心交互，通过高度、速度、方位及飞机状态参数确定着舰顺序，直至收到允许着舰指令后依次进行着舰，进入进近阶段。图 1 展现了舰载无人机进近着舰过程的各个阶段与几处关键点。在进近过程中，舰载无人机从马歇尔点开始以一定的下沉率下滑至平台点，在到达距航母12 n mile 的着舰构型点之前减小下沉率，并下降至规定高度。随后进入最后进近阶段，此过程舰载无人机沿着舰航向平飞，到达距航母 3 n mile 的标准下滑点后进入着舰阶段，等角等速下滑直至着舰成功。在下滑着舰过程中，若舰载无人机着舰风险过大则转入复飞航线，且复飞等待航线高度与下滑点高度保持一致。图 1舰载无人机着舰过程任务剖面Fig 1Mission profile of carrier-based UAVformation during landing2舰载无人机自主协同起降航线设计2 1起飞等待航线起飞等待航线的设计目标是调整各舰载无人机之间的间距，并使其最终航向保持一致。设计的起飞等待航线形状为田径圆，分为直线段和圆弧段。舰载无人机起飞飞行一段距离后转弯，通过半圆弧航线转向180继续直飞，此后转入不同的半圆弧航线，以此保证编队内各架舰载无人机的间距达到编队集结要求。如图 2 所示，不同起飞架次的舰载无人机对应航线的直线段长度不同，目的是在不同的起飞间隔下协调各机间距保持一致。图 2舰载无人机编队起飞阶段航线示意图Fig 2Schematic diagram of the take-off routeof carrier-based UAV formation参考库兹涅佐夫号航母的技术要求，起飞架次间隔 30 60 s。为保证各架次舰载无人机之间保持足够的安全距离，设计直线段的长度应不少于舰载无人机120 s 直线飞行的距离。由此得出直线段长度算式为Ltake-off=120+(k 1)(i 1)2V(1)式中:V 为各舰载无人机的飞行速率;k 为起飞时间间隔;i 为编队的起飞架次。其中，为了给舰载无人机后14第 7 期续转弯留下足够的调整时间，相邻两架次之间直线段长度差设为起飞时间间隔减 1 s 所飞行的距离的 1/2。圆弧段航线受时间和飞行速度约束，转弯半径与速度的关系为=Vt(2)式中，t 为设定的圆弧段飞行时间，为方便对整体航段的时间控制，设置为整数时间，此处时间设置为60 s11。2 2进近等待航线舰载无人机飞至进近管制移交点后，需要飞入马歇尔等待航线进行排队着舰，因此需要对返航段的航线进行规划。马歇尔等待航线整体方向与航母降落跑道方向一致。单机的马歇尔等待航线与起飞等待航线类似，呈现田径圆形状，由直线段和圆弧段组成。各田径圆的终点为舰载无人机开始着舰的下滑起始点，称为马歇尔点。舰载机在到达马歇尔点后，若无着舰许可，需要按照规定转弯半径进行 180转弯，然后向与航母相反方向直线飞行，再次进行 180转弯后直线飞行回到马歇尔点，直至允许着舰。对于马歇尔等待航线的设计，主要考虑因素就是飞行时间。目前先进的舰载机着舰系统允许的着舰时间间隔可达 45 s/架，考虑到航母甲板的清场时间，同时为了协调舰载机起飞造成的空域管制，设定 2 架舰载无人机最小着舰的时间间隔为 60 s，即要求保证每60 s 有一架舰载无人机位于马歇尔点并准备着舰。基于此，设计圆弧段与起飞等待航线相同，2 处圆弧各需飞行 1 min。对于直线段，同样可考虑着舰航段的时间控制，设计直线段航线各需飞行 2 min。整体的进近等待航线由多个处于不同高度的田径圆组成，每个田径圆的马歇尔点之间需要保持一定的水平距离和高度差，可最多容纳 15 架飞机同时飞行。最终设计的马歇尔等待航线如图 3 所示。第 1 架舰载无人机飞抵其马歇尔等待航线的位置为 S1点，M1为其航线对应的马歇尔点，而此时第 2 架舰载无人机飞抵 S2点，M2为其对应的马歇尔点，M1，M2之间存在2000 m 的水平距离和 300 m 的高度差，以此类推。舰载无人机自主协同着舰时，存在舰载无人机数量较多或异构等情形，可设定各舰载无人机进入马歇尔等待航线时速度一致，以确保着舰安全，同时这样也便于各机着舰顺序的决策与管理。舰载无人机在马歇尔等待航线进行等待飞行时，若收到航母管制中心的允许着舰指令，则经由马歇尔点离开等待航线，向航母舰尾方向飞行，进入起始进近阶段，此阶段舰载无人机需向航母再次确认自身编号，同时以 20 m/s 的下沉率飞至离舰 38 km 处的平台点，高度降至 1500 m。接着进入中间进近阶段，以 10 m/s的下沉率飞至着舰构型点，此处距舰 23 km，高度降至400 m，并放下尾钩和起落架转为着舰构型。此后进入最后进近阶段，舰载机沿航母斜跑道方向直飞并调整飞行速度至着舰速度，在离舰 12 km 处进行着舰检查，同时接通自动着舰控制系统，在离舰 6 km 处捕获到下滑点后进行下滑着舰。图 3马歇尔等待航线示意图Fig 3Schematic diagram of Marshall waiting route2 3下滑着舰航线舰载无人机下滑着舰过程是舰载无人机进入下滑道自动着舰时，舰载机下滑着舰采用等角等速的撞击式着舰技术，即保持恒定的姿态和速度，沿固定的下滑道飞行直至着舰啮合，因此设计下滑着舰航线的关键参数是下滑角。美国海军资料12 显示，基准下滑道的范围为25 5，在此范围内可以以025的间隔进行调整。本文设定舰载无人机在航母斜向甲板上以 3 5的定常下滑道，以无平飘且固定下滑角的着舰方式来完成着舰任务。航母甲板上理想着舰点的基准高度为191 m。舰载无人机的着舰下滑航线需要在进入下滑道之前预算出来，作为后续静态航迹跟踪的基础。舰载机在进行下滑着舰时，为使其与甲板更加精准啮合，还需考虑航母甲板的运动情况。因此一般在着舰前13 s 左右时，着舰下滑航线需要加入对航母甲板运动的跟踪。参考文献 13 中所述甲板运动的变化规律，以传递函数形式模拟航母运动过程中受扰情况，并设定航母以5 3 kn(1 kn1 8521 km/h)的航速沿斜甲板方向直线形式，得到如图 4 所示的舰载无人机下滑轨迹。为方便展现加入了航母甲板运动补偿的航线变化，图 4中仅展示着舰最后 20 s 的航线。图 4考虑甲板运动的纵向着舰下滑航线Fig 4Longitudinal landing glide routeconsidering deck motion2 4复飞等待航线当舰载无人机着舰风险过大时，需要执行复飞操作。本文选取目前广泛采用的复飞技术，即舰载无人24第 30 卷电光与控制李婧婷等:舰载无人机自主协同起降航线研究机进行复飞操作时，切断原本航迹控制模式，仅推动油门至军用推力，迅速拉起机身飞至复飞航线高度，此后进入复飞等待阶段。舰载无人机在复飞等待阶段按要求向航母管制中心汇报自身状态，并与其匹配完成着舰检查后，重新调整飞行方向，获得着舰许可后再次进行着舰，因此需要设计复飞等待航线以完成复飞等待阶段任务。一般而言，舰载无人机航线设计为标准四边航向，其方向与航母航向或甲板斜向着舰跑道相同。因此，本文设计的复飞等待航线和马歇尔等待航线相似，也是由田径圆组成。同时，为方便与马歇尔等待航线对接，复飞等待航线整体方向与航母着舰跑道方向保持一致。最终设计的复飞等待航线如图 5 所示。图 5舰载无人机着舰复飞等待航线示意图Fig 5Schematic diagram of wave-off waitingroute of carrier-based UAVs图 5 中，处为着舰下滑点，舰载无人机在此处进行着舰下滑，若复飞决策系统认为此时着舰风险过大需要逃逸复飞时，控制系统切换至复飞模式，拉起机身飞至复飞等待航线高度，为了方便后续重新着舰，此高度与着舰下滑点高度相同。后续进入复飞等待阶段，舰载无人机首先沿航母斜甲板方向直飞至航母前方 8 km 处的处，执行转弯操作，参考有人机复飞航线，其转弯最大半径为 6 km。接着转向 180，与航母斜甲板反向直飞，直飞过程中与航母管制中心进行飞行状态汇报并完成着舰检查。若无着舰许可，则在处沿虚线所示航线飞行，再次进行着舰等待或转地面着陆;若收到着舰许可，则在处再次转弯 180，于航母理想着舰点后方 8 km 处重新加入着舰航线，执行着舰下滑直至成功着舰。3舰载机自主协同起降整体航线将前文设计的各起降航线串联起来，构成一个整体的起降航线，图 6 为整体的起降航线俯视图。图 6 中，下滑着舰航线与复飞等待航线部分重合，但由于在下滑点之后，着舰航线执行下滑飞行，而复飞等待航线则在其水平面上执行直飞，因此两者在空间上没有重合。图 6整体起降航线俯视图Fig 6Top view of overall take-off and landing route最终设计的舰载无人机自主协同起降整体航线如图 7 所示。图 7 中标出了起降过程中的各关键点及距航母重心距离。图 7舰载无人机自主协同起降全过程示意图Fig 7Schematic diagram of the whole process of autonomous cooperative take-off and landing of carrier-based UAVs34第 7 期舰载无人机编队在处呈一字型编队返航，最先飞至处的舰载无人机进入最低的马歇尔航线，其后各机根据自身在编队中所处顺序下滑至各自马歇尔等待航线高度，并在处进入等待阶段进行排队着舰。处为各机获得着舰许可后开始进近的起始点，为保证舰载机在着舰过程中的安全，并给甲板清场留下足够的时间，获得着舰许可的舰载无人机最多只有一架，因此在此处各机需要接受调度，以确定进近着舰顺序。在进近阶段，舰载无人机进行两次下滑并调整至着舰构型，接通自动着舰系统(ACLS)后，于处开始着舰下滑。下滑过程中为保证舰载无人机着舰安全，优化着舰效率，需要在处接通复飞决策系统，对舰载无人机着舰风险进行估算，若需要执行复飞则拉起至处，根据自身飞行状态等待再次着舰或转地面着陆，直至在处成功着舰。舰载无人机编队的起飞过程从?11处开始，首先各机在甲板进行出动集结，确认起飞顺序后，各机依次经过?12 处的起飞离舰过程加速拉起至起飞等待航线高度进行编队集合，最终形成“一”字型编队。4舰载无人机编队起降航线仿真为对前文设计的舰载无人机编队起降航线进行验证以确定航线的可行性，本文采用文献 14 15中所述的飞行控制系统，利用 Matlab 对其进行数值仿真验证。4 1舰载无人机起飞航线仿真该段舰载机完成排序起飞并等待形成编队，设定3 架舰载无人机 F1，F2，F3 依次间隔 40 s 起飞，为便于形成编队队形，起飞到达 8000 m 高度后沿起飞等待航线飞行，理想航迹在前文已经给出，仿真得出的地面坐标系下的三维轨迹及水平面轨迹如图 8 所示。图 8起飞等待三维轨迹图Fig 83D trajectory diagram of take-off waiting各方向位移变化及速度变化曲线如图 9 所示。由图9 可以看出，在自动飞行控制系统的操纵下编队中的3 架舰载机依次起飞，高度到达 8000 m 左右进入起飞等待航线绕各自田径圆飞行，最终各机形成“一”字型队形，完成了前文设计航线的要求，且跟踪效果较好。图 9起飞等待位移量及速度随时间变化曲线Fig 9Time-dependent curve of take-off waitingdisplacement and velocity vector4 2进近等待阶段航线仿真该段舰载无人机编队内各机进入对应的等待航线进行排队着舰，该段航线由多个处于不同高度的田径圆组成，理想航迹在前文已给出，图 10 为仿真得出的地面坐标系下的三维轨迹及水平面轨迹图，其中，各机分别在高度为 1800 m，2100 m，2400 m 左右的水平田径圆飞行，航线跟踪效果较好，符合前文所设计的航线要求。图 10进近等待航线仿真航迹Fig10Simulation trajectory of approach waiting stage4 3着舰下滑阶段航线仿真设定舰载无人机按 69 96 m/s 的下滑速度、3 5下滑角进行等角等速下滑，航母沿斜甲板方向以1286m/s 的航速直线向前运动。在舰载无人机距航母初始位置为 960 m 时将前文设计的考虑甲板运动的着舰下滑段航线接入自动着舰控制系统，其在地面坐标系下的仿真轨迹见图 11。图 11 中舰载无人机按规定下滑角下滑，在北向距离为 227 9 m 处与航母啮合，飞行全程 17 32 s，实际着舰点与理想着舰点距离 5 16 m，按照美国海军规定的允许着舰范围 12 2 m 的标准，认为此次着舰情况较好，符合舰载机着舰下滑要求。44第 30 卷电光与控制李婧婷等:舰载无人机自主协同起降航线研究图 11着舰下滑航线纵向轨迹Fig11Longitudinal trajectory of landing gliding route4 4复飞等待航线仿真设定舰载无人机在复飞后拉起至 400 m 高度后直飞进入复飞等待航线，经过两次转弯在下滑点再次进行下滑，距理想着舰点960 m 左右接通自动着舰控制系统重新进行下滑着舰。图 12 所示为舰载无人机从进入复飞等待航线到接通自动着舰控制系统之前的仿真轨迹。图 12复飞航线三维轨迹Fig 123D trajectory of wave-off route5结论本文为保证舰载无人机编队可以快速完成协同起降任务，通过对舰载无人机自主协同起降各过程进行详细分析，根据起飞等待阶段、进近等待阶段、下滑着舰阶段以及复飞等待阶段的相关要求对舰载无人机编队进行了起降航线设计，完成了舰载无人机编队自主协同起降全过程流程构造。通过 Matlab 对所设计各航线及相应关键点的合理性进行验证，仿真结果显示所设计的各航线符合相关要求，为相关学者后续对舰载无人机协同起降流程的决策及管理研究奠定了一定的基础。参 考 文 献 1 都若尘，许江涛 多无人机协同编队控制研究现状及进展 J 高师理科学刊，2022，42(2):42-46 2SHEN L C,CHEN J,WANG N Overview of air vehiclemission planning techniques J Acta Aeronautica et As-tronautica Sinica,2014,35(3):539-606 3ALEMAYEHU T S,KIM J H Efficient nearest neighborheuristic TSP algorithms for reducing data acquisition la-tency of UAV relay WSN J Wireless Personal Communi-cations,2017,95(3):3271-3285 4 杜于飞，覃太贵，邓秀方，等 多无人机协同任务规划问题 J 数学的实践和认识，2017，47(14):52-62 5 钱宇，祝祯祎 基于改进动态规划的无人机搜寻航迹规划研究 J 计算机仿真，2021，38(1):32-36，75 6 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