舰载无人机自主协同起降航线研究_李婧婷.pdf
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1、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
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
3、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,F
4、udan 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 ro
5、ute 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 carri
6、er-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 an
7、d 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。
8、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,
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、。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
16、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
17、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。
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