无人自主空中加油相对引导技术提升战斗机飞行能力

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中国航空报讯:当今航空领域,空中加油是提升飞行器平台能力的倍增器。在军事领域,空中加油可显著提高战斗机的续航与挂载能力;在民用领域,空中加油可显著增加飞行器经济性与安全性。现有的空中加油方式主要可分为硬管式空中加油和软管式空中加油两种形式。这两者加油方式对飞行员的操纵技术和心理均提出了极高要求。例如软管式空中加油,由受油机飞行员通过手动操纵受油机,来完成受油机与加油机加油锥套之间精确对接与保持。而对硬管式加油而言,虽然受油机飞行员无需完成对加油锥管的对接机动,但由于受油插口多位于驾驶舱后方,飞行员无法目视确认机身与硬管的相对关系,却需保持与加油机的相对关系,心理压力也极大。需要明确的是,软管式和硬管式无人自主空中加油其基本导航引导技术相同,区别仅在软管式无人自主空中加油需要额外识别加油锥套的位置,由受油机实现对接机动。

因此,为了减轻飞行员空中加油时的压力负荷,有必要以高安全和高可靠的方式实现飞行器空中加油任务的自主化和自动化,而高精度导航引导是实现自主空中加油最重要的关键能力之一。

2000年,NASA启动了自主编队飞行(AFF)计划,该计划的成功让美军方意识到无人自主空中加油的可行性。于是在2002年相继启动了包括UCAS-D,AARD(自主空中加油验证)等在内的多项自主空中加油相关项目。2004年前NASA德莱顿飞行研究中心完成以F/A-18为载机的视觉引导下伙伴加油对接,紧接着2006年完成了F/A-18与KC-707的软管式对接。2008年,诺格公司完成了“里尔喷气”与KC-135R的紧密编队,验证了GPS/INS捷连导航的可用性,并与2015年4月成功完成了X-47B无人机与KC-707的自主空中受油试飞验证,标志着美军掌握了无人自主空中加油技术。

自主空中加油的基本定义

空中加油是指一架航空器(加油机)在空中给另一架或数架航空器(受油机)加注燃油的技术,而自主空中加油一般是指受油机自主完成空中加油任务,包括汇合、编队、对接、加油和退出等过程的技术。硬管式空中加油和软管式空中加油仅在对接过程中有所不同,加油机操纵手操纵受油硬管完成对受油机的主动对接工作。本文将对空中加油导航引导过程的应用场景、特点及其各种约束条件进行阐述和分析。

自主空中加油导航引导技术

国内外针对自主空中加油导航引导技术各条技术路线展开了多种研究,如PSD导航引导技术,视觉导航引导技术,卫星导航引导技术,光场导航引导技术和激光导航引导技术等,下文将对重点技术发展现状展开简要介绍。

基于卫星的导航引导技术

基于卫星的导航引导技术主要采用载波相位差分技术。是指基于载波相位测量值的精密相对定位,它是差分定位的另一种形式。在精密相对定位系统中,加油机直接播发它的GNSS测量值,然后受油机将这些测量值与自身对卫星的测量值经差分运算组合起来,最后利用组合后的测量值求解出基线向量而完成相对定位。

这种观测具有很高的精度,可实时给出厘米级的定位结果。基于载波相位测量值的精密相对定位是GNSS定位中精度最高的一种定位方式。这种定位方式具有明显的距离优势,在远超视觉范围外即可开展相对定位,卫星相对定位支持受油机与加油锥套对接的导航引导需求,因此在AARD试验中同时使用了基于卫星和视觉的相对定位技术,以完成自主空中加油试验,如图1所示。

卫星导航引导技术在AARD中应用

但是基于卫星的导航引导技术仍面临着精度与完好性问题。因此,包括美国空军实验室在内的国内外机构一直在寻找GPS不可用/拒止环境下的导航引导备选方案。

基于视觉的导航引导技术

近年来,随着计算机视觉理论的日益成熟及模式识别与图像处理技术的迅速发展,基于视觉的导航引导技术被广泛运用于航空、航天等工程应用中。它使用机载摄像机从拍摄的图像中提取有价值的信息,进行处理和识别并用于导航,具有信息量大、自主性强以及无源性的特点。国内外也开展了关于视觉的导航引导技术研究。如布里斯托大学的Martínez等人针对基于视觉的导航引导技术利用锥套本身的特征进行目标检测、目标视觉跟踪及三维位置视觉估计,并且在实验室条件下利用六自由度机械臂进行了基于视觉的导航引导仿真实验,如图2所示。实验表明,该视觉导航系统具有鲁棒性好、计算量小等优点。

视觉导航引导试验平台

从视觉的图像采集方法和处理手段区分,基于视觉的自主空中加油导航引导技术主要可分为单目视觉导航引导技术和双目视觉导航引导技术。

双目视觉导航引导技术。2005年DAPRA和NASA共同牵头发起了AARD验证关键技术。NASA德莱顿飞行研究中心的自主空中加油计划,采用了GPS和视觉相结合的技术在2005年完成了飞行验证。

责任编辑:臧航

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