0 引　言

全自动着舰是通过着舰引导系统、机载飞行控制系统和着舰引导数据链之间的协同工作，在无需飞行员人工操纵的情况下，实现飞机自动着舰^[1]。全自动着舰技术是无人机上舰的瓶颈技术，是未来无人舰载航空发展的必要支撑^[2]。

2013年5月4日，美X-47B无人机验证机^{[3 - 5]}从帕特森河海军航空站起飞，飞抵“布什”号航母上空，按照航母着舰信号官（LSO）的指令顺利钩住了第3根拦阻索^[6]，标志着美军基本掌握了无人机全自主着舰的核心关键技术，成为全球唯一具备无人机上舰使用能力的国家。作为X-47B验证机的技术继承者，MQ-25A无人机^[7]在2021年度成功开展了空中加油试验，并在“布什”号航母上进行了T1样机的首次测试^[8]。

梳理舰载机着舰特点与无人机全自动着舰流程，分析其技术特点，对于顺应未来武器装备无人化趋势，加快海军无人智能作战力量发展，抢占未来海战战略制高点具有重要意义^[9-15]。

1 航母舰载机着舰特点

1） 航母甲板更短更窄，飞机下滑轨迹由陆基的平飘软着陆变更为等角硬着陆。着陆过程中，飞机一般分为下滑、拉开、平飘、接地等4个阶段，着陆过程比较平缓，有利于飞行员决策判断，并可以减小对飞机器件的冲击（见图1）。而现代航母通常采用斜直两段式飞行甲板，着舰的斜角甲板设在主甲板左侧，长220～270 m，宽27～30 m。舰载机着舰时，飞机必须落在指定的3道或4道拦阻索区域内，接舰的前后距离较短，需在约50 m内，不能采用拉平后平飘方式进场，通常采用等角下滑方式^[16]（见图2）。因此，着舰时冲击力远大于着陆时采用的拉平、飘落滑行的方式，对着舰相关设备的强度和动态性能提出了更高要求。此外，由于甲板跑道更窄、更短，垂直/水平精度等要求更高，决断高度更低，对引导系统的精度、完整性、连续性和可靠性要求更高^{[17 - 18]}。

2） 甲板运动产生的舰尾流、甲板变形和杆臂效应，增加了引导误差^{[19 - 20]}。航母在海上行驶时是一个三轴六自由度运动，包括三维摇摆（纵摇、横摇、艏摇）以及三向振荡（垂荡、横荡、纵荡）。其俯仰运动会导致空气的紊流扰动，可能造成飞机的迎角、空速和高度误差，如果不加修正，可导致近40 m的纵向着舰误差。同时，航母运动将造成其主惯导与子惯导间速度不一致（杆臂效应）和甲板的挠曲变形，包括永久变形和瞬时变形，将直接影响着舰引导过程中的相对定位结果，造成引导误差^{[21 - 23]}。为此，需要实时求解舰机相对位置，并建立数学多项式拟合的舰尾流模型，优化设计纵向控制律，快速修正航迹误差，并对杆臂效应和挠曲变形造成的误差进行补偿，实时生成精确的杆臂转换矩阵，保证相对定位结果的正确性。

3） 航母搭载的电子设备多、密度大，电磁环境复杂，产生更多的无意干扰^{[24 - 25]}。航母作为移动的海上堡垒，不仅具备陆上机场的起降引导能力，还需具备远程警戒、防御、攻击等作战能力，以及对编队内部空海作战单元的保障和指挥能力，搭载了包含通信、电子战、雷达、导航等多种电磁辐射源，其电磁环境在空域上纵横交错、时域上持续不断、频域上密集重叠。由此将产生大量的邻频干扰和谐波干扰，此外航母上舰桥高大、桅杆、设备及天线随处可见，将反射、折射产生大量的多径干扰。上述无意干扰将对引导系统的信号接收质量产生重要影响，为保障引导质量，需具备比陆基系统更强的抗干扰能力。

2 航母舰载无人机着舰流程

航母舰载无人机着舰包括进场、进近、下滑着舰、复飞逃逸等阶段。无人机返航至距母舰37～100 km处，进入等待航线。根据进场管制信息，无人机操控人员发送进场指令，无人机离开等待航线进入起始进近航段，以一定下降率逐步下滑。在距舰18～20 km、飞行高度400 m处，无人机进入中间进近航段，转为平飞，改为着舰构型（放起落架和拦阻钩）。平飞至距舰8～15 km，进入着舰引导雷达截获窗口。被雷达稳定捕获后进入最后进近航段，继续平飞至距舰约6 km处的下降转折点，利用雷达、卫星等高精度相对定位信息，自主跟踪理想下滑道，以3.5°～4°的下滑角下滑。触舰前约12.5 s，接入甲板运动补偿，降低母舰运动引起的着舰偏差，直至飞至触舰点。拦阻钩和起落架相继触舰时，自动将发动机油门调整到最大功率位置。无人机在舰上滑跑，自主判断拦阻钩是否挂上阻拦索，若钩索成功，自动收油门，减速至停止；若钩索失败，则控制侧偏，沿甲板跑道加速实施逃逸。舰载机返航着舰过程划分及着舰流程分别如图3和图4所示。

3 航母舰载无人机全自动着舰技术特点分析 3.1 地位作用

有人机采用全自动着舰主要是为了提高有人机复杂气象环境下的可用度、减轻飞行员的工作负荷，从而更好地保障舰载机着舰。无人机“机上无人”，必须依靠舰载、机载相关引导与控制系统协调工作，完成自动着舰。在着舰过程中，无人机操作员主要起到监控和应急处置决策的作用。可见，全自动着舰技术对于有人机而言是“增效”，对于无人机而言是“必需”的。

有人机全自动着舰本质上属于自动着舰，使用自动控制系统。从其主要起“辅助”和“增效”作用分析，有人机全自动着舰系统属于任务级系统。由于机上有人，其系统设计必须考虑飞行员的心理或生理限制；但飞行员在机上，可对该系统进行实时监控，基于人的实时观察与判断作出决策，针对特情及时实施应急处置，从而在全自动着舰过程中一旦出现系统故障时，可降级为人工着舰。无人机全自动着舰本质上属于自主着舰，使用的是自主控制系统。由于“机上无人”，无人机全自动着舰系统设计无需考虑飞行员的心理或生理限制，系统设计自由度相对较大；但操作员在舰上，不能直观感知飞机状态，其判断、决策和操作受传感器信息传输延时影响大，无法降级为人工着舰，无人机“机上无人”缺少对应的监控回路如图5所示。因此，其全自动着舰系统属于飞行安全级系统，需要对其可靠性提出更高要求。

3.2 工作范围

舰载机返航着舰过程可分为引导（距母舰90～370 km）、待机（距母舰35～90 km）、进近（距母舰5～35 km）、着舰（距母舰5 km以内）和触舰（理想着舰点附近）等阶段。

1）物理空间方面

有人机在进近和着舰2个阶段，可利用全自动着舰系统，完成自动着舰。而无人机在返航着舰全过程中，包括引导、待机、进近、着舰和触舰所有阶段，依靠其自动飞行控制系统和全自动着舰系统，以自动方式完成着舰。

2）时间跨度方面

有人机自待飞区起，接收到指令后进入全自动着舰模式（触舰前15 s），直到触舰前1.5 s冻结控制指令，保持飞机以固定的姿态下滑和触舰；在触舰阶段的末端，则转入人工模式完成停机终止或逃逸复飞。而无人机全自动着舰除了上述时间段外，还必须包括触舰阶段挂索拦阻、停机终止的过程（约3 s）和逃逸复飞过程（约1 s）。

3）工作状态方面

正常状态下有人机与无人机基本相同，皆采用全自动着舰模式。但在非正常情况下，如2 s内全自动着舰指令未更新、舰载全自动着舰引导系统发生故障、飞机超出着舰引导航迹包络或者着舰指挥官认为不可能完成着舰任务等情况时，有人机飞行员将自动飞控系统解耦，跳出全自动着舰模式，转为飞行员操控，以人工方式完成着舰或终止着舰。对无人机而言，如出现异常状态，只能由无人机通过全自动着舰系统自动响应并执行程序完成相应操作：在着舰阶段，需自主判断飞行状态，或者接收LSO或舰上操作员发出的“复飞”指令执行预定复飞程序；在触舰阶段，只能自动检测尾钩是否挂上阻拦索，若挂索失败则自动执行预定逃逸复飞程序。

3.3 系统构架

从全自动着舰系统工作原理来看，有人机与无人机基本类似：都是由相关的舰载、机载系统协同工作，依靠机载系统自动控制舰载机完成着舰，舰载着舰引导系统通过对舰载机进行空间位置实时测量，并进行数据解算、状态预估和故障监控，通过数传设备向舰载机发送着舰引导信息；舰载机以舰载着舰引导系统发送的信息为输入，通过机上系统自动控制舰载机完成着舰飞行。

但在全自动着舰过程中，有人机与无人机的人工介入方式不完全一致：有人机飞行员可依据空管中心、LSO等指令以及自身监控飞机着舰状态，判断决策是否降级转入人工着舰方式完成着舰。无人机只能通过自身各种传感数据信息，以及接收空管中心、LSO和舰上操作员明确指令信息，完成着舰或者复飞/逃逸。这使得有人机与无人机在全自动着舰系统构架上存在差异：1） 有人机需在座舱显示控制系统上实时显示全自动着舰状态和模态供飞行员监控使用；无人机则需将相关数据信息回传并显示给舰上无人机操作员。2） 有人机飞行控制系统具备权限管理模块，以便机上飞行员随时通过操纵装置（如驾驶盘、驾驶柱和脚蹬等）接管飞控系统，将其降级到人工着舰方式；无人机只有自动飞行控制系统，其通过与数据链端机交联，正确接收和有效响应外部信息，特别是空管中心、LSO和舰上操作员的相应指令（如复飞指令）。3） 无人机为实现自主着舰控制，需充分发挥机上各种传感器的作用，对接入飞控系统的信息交换种类将更多。4） 为提高无人机全自动着舰系统可靠性，在引导、控制和信息传输等方面将采用更多的余度设计。

3.4 系统要求

1）着舰引导方面

无人机全自动着舰只能依赖于传感器（包括机载和舰载引导设备）信息来完成决策和飞行控制，传感器的数据要足以支撑下滑道跟踪、着舰判断、复飞/逃逸判断等。因此，无人机全自动着舰引导信息需要综合多种传感器（包括自身平台多套冗余备份的高度表、大气数据机、主/备惯导等）信息、全程覆盖、无盲区（含触舰阶段，以支持自动逃逸复飞或松油门停机）。

2）信息传输方面

考虑到无人机着舰引导信息目前只能依靠舰-机配合完成；同时，为了提高引导信息的有效性，通常采用多种引导手段（包括雷达、卫星、光电等）组合使用，需传输更多的引导数据；为此，无人机全自动着舰引导信息传输系统在抗干扰、可靠性、带宽和时延等方面需求更高。

3）着舰控制方面

①飞控计算机作为无人机上唯一操纵节点，只能依靠引导信息和飞控程序的判断，正确生成和响应飞行控制指令，因此其控制系统的鲁棒性要求更高。②无人机着舰控制无需考虑飞行员的心理和生理承受能力，可以较大的机动、更短的反应与执行周期、更宽的理想着舰轨迹包线，对平台实施可预见、可重复、高精度的飞行控制完成着舰。③无人机必须具备接收指令自动改为着舰构型、完成着舰检查的功能；以及自主判断决策和实现全自动着舰、复飞/逃逸、松油门停机的功能

3.5 实现手段

在着舰引导方面，无人机需采用多种引导手段，强调非相似余度备份。在信息传输方面，无人机需同时具备测控信息传输和全自动着舰数据传输2种手段。在着舰控制方面，无人机要以自主控制为主、LSO/无人机操作员指令控制为辅。

3.6 系统组成

舰载部分包括着舰引导指挥设施、无人机舰基控制站、着舰引导雷达、舰载差分卫星引导设备、微波着舰引导设备、着舰引导数据链终端等。着舰引导指挥设施主要包括空中交通管制中心、主飞行控制工作台、LSO指挥席。与有人机相比，多了无人机舰基控制站，其主要用于监视控制无人机的起降，通过舰船接口与舰上指挥控制系统进行信息交互，并传输舰船对无人机的指挥控制指令；需在LSO指挥席增加下达“复飞”指令设备。

机载部分包括飞管计算机、任务计算机、惯导、航管设备、着舰引导设备（包含机载差分卫星引导设备、雷达应答天线、微波引导设备和机器视觉导航设备）、链路（卫通、视距、着舰引导数据链终端）。各种引导信息由惯导及飞管计算机综合处理，飞管计算机进行控制率解算。与有人机相比，硬件上少了人工操作机构和显控系统，但在各组件中需新增余度设计；软件上需增加自动复飞/逃逸、松油门停机、故障诊断与处置等的特情感知、决策与控制程序。

3.7 关键技术

舰载机全自动着舰关键技术主要涉及总体顶层设计、着舰引导、着舰控制、着舰引导数据链、综合试验/试飞验证等方面。根据上述特点分析，无人机全自动着舰还应包括自主逃逸复飞决策与控制、自主着舰特情处置、着舰控制机/站/舰权限分配、着舰进场轨迹规划等关键技术。

4 结　语

无人机上舰是今后舰载机发展的重要趋势，尤其是各类舰载察打无人机、无人作战飞机等，与有人舰载战斗机、舰载预警机协同，形成未来航母新的作战力量。与有人舰载机不同，舰载无人机由于“机上无人”，无法采用仪表或目视着舰方式，必须依赖全自动着舰技术实现全程自主的进场和着舰。无人机自主着舰是无外界控制干涉情况下系统在线对环境态势的感知、信息处理、控制决策并执行的过程，舰面控制站主要用于实时监控和应急处置决策，因此无人机除需具备与有人机一样的全自动着舰能力外，还应具有自主复飞、自主逃逸等能力，同时对全自动着舰系统的可靠性、完好性等也提出了更高的要求，需要给予足够的重视。