無(wú)人機(jī)空中編隊(duì)集結(jié)就位方法

李紅泉

中國(guó)人民解放軍92419 部隊(duì)，遼寧 興城市 125106

無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行可以彌補(bǔ)單機(jī)的不足，好的隊(duì)形編排能提高飛機(jī)的戰(zhàn)斗力和生存力，編隊(duì)成敗的關(guān)鍵在于內(nèi)各飛行單元能否在有限時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)時(shí)到達(dá)預(yù)定位置。目前，測(cè)控技術(shù)的發(fā)展使無(wú)人機(jī)具備了參加編隊(duì)的能力，增加了混合編隊(duì)的復(fù)雜性，但降低了人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

編隊(duì)是個(gè)廣泛概念，應(yīng)用在艦船、車輛、飛行器和衛(wèi)星等諸多領(lǐng)域，涵蓋了海陸空天立體空間，比如航母編隊(duì)、推進(jìn)式掃雷、衛(wèi)星組網(wǎng)定位、飛船與空間站精準(zhǔn)對(duì)接都是大家熟知的編隊(duì)實(shí)現(xiàn)方式。只是飛行編隊(duì)影響力更大，人們習(xí)慣上把飛行器編隊(duì)簡(jiǎn)化稱編隊(duì)，本文也是這樣。但經(jīng)過(guò)技術(shù)發(fā)展，十五年后的編隊(duì)組合不僅是飛機(jī)，可能包括無(wú)人車、無(wú)人船、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等空間立體的協(xié)同模式，編隊(duì)的概念會(huì)繼續(xù)變化。

圖1 第二次世界大戰(zhàn)的機(jī)群

編隊(duì)的基本情況

有兩架以上飛機(jī)，保持規(guī)定的距離、間隔和高度差，組成一定隊(duì)形，帶有指揮協(xié)同關(guān)系的飛行活動(dòng)叫編隊(duì)，是空中兵力部署的重要戰(zhàn)術(shù)。編隊(duì)飛行最早起源于第一次世界大戰(zhàn)，那時(shí)的飛機(jī)編隊(duì)只能叫“空中群架”，空中安全性基本靠飛行員目視觀察、控制躲避；二戰(zhàn)時(shí)盛行大規(guī)模編隊(duì)，動(dòng)輒上百架飛機(jī)協(xié)同飛行，形成了多種偵察、防御和進(jìn)攻方法；越戰(zhàn)之后大規(guī)?？諔?zhàn)趨于停止，戰(zhàn)爭(zhēng)轉(zhuǎn)向局部短時(shí)，編隊(duì)呈現(xiàn)快速突防、不糾纏、打完就走的特點(diǎn)，以三四架飛機(jī)混編協(xié)同作戰(zhàn)為主要模式；現(xiàn)在編隊(duì)多是在飛行表演中，以展示飛行技術(shù)和飛機(jī)性能。

圖2 飛行表演中的密集編隊(duì)

隨著自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線電傳輸技術(shù)、傳感器測(cè)量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，無(wú)人機(jī) 進(jìn)入精準(zhǔn)飛行時(shí)代，無(wú)人機(jī)具備了參加編隊(duì)的能力，編隊(duì)就不再局限于有人駕駛飛機(jī)，出現(xiàn)了各式各樣的編隊(duì)形式。通過(guò)總結(jié)以往規(guī)?？諔?zhàn)的經(jīng)驗(yàn)，人們已開始研究無(wú)人機(jī)替代有人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)問(wèn)題，盡管現(xiàn)在應(yīng)用多的是戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)，但研究多的卻是無(wú)人機(jī)編隊(duì)。在無(wú)人機(jī)編隊(duì)方面，不斷突破關(guān)鍵技術(shù)，取得實(shí)用性成果。2014年4月12日，歐洲“神經(jīng)元”無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)在地中海上空與1架“陣風(fēng)”多功能戰(zhàn)斗機(jī)、1架“獵鷹”（Fakon）7X公務(wù)機(jī)進(jìn)行1h50min編隊(duì)測(cè)試，探索了無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)和有人機(jī)混合編隊(duì)，形成真假目標(biāo)的戰(zhàn)斗模式。2015年4月22日，美國(guó)完成K-707加油機(jī)對(duì)X-47B自主空中加油，把無(wú)人機(jī)密集編隊(duì)間距縮小至米級(jí)。

根據(jù)執(zhí)行的不同任務(wù)，可以形成楔隊(duì)、梯隊(duì)、橫隊(duì)、縱隊(duì)、菱形和V字等編隊(duì)形式，每一種隊(duì)形，都有其適用范圍，比如橫隊(duì)形可以擴(kuò)大掃掠面積，適合于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的協(xié)同偵察、搜救、測(cè)繪等情況；V字隊(duì)形利用前機(jī)氣流，可節(jié)省燃料，延長(zhǎng)飛行距離；長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)雙機(jī)編隊(duì)，若僚機(jī)在長(zhǎng)機(jī)的前15°到后20°區(qū)域形成一字編隊(duì)隊(duì)形時(shí)，具有良好的攻擊性和防御性，適合于高空作戰(zhàn)；僚機(jī)在長(zhǎng)機(jī)后30°～60°的區(qū)域時(shí)，整體操縱性良好，適合于低空作戰(zhàn)；楔形適合小規(guī)模編隊(duì)，兼顧掩護(hù)和支援，現(xiàn)在應(yīng)用較多。

編隊(duì)的歷程和控制方法

編隊(duì)飛行生命歷程可分為6個(gè)階段，即各參加飛機(jī)在規(guī)定的時(shí)間到達(dá)預(yù)定位置的集結(jié)、形成并保持編隊(duì)隊(duì)形、飛行過(guò)程中的編隊(duì)調(diào)整與重構(gòu)、飛機(jī)執(zhí)行各自的任務(wù)、編隊(duì)返回、編隊(duì)解散及歸航降落。也有的只是強(qiáng)調(diào)前三個(gè)階段。

圖3 混合機(jī)型編隊(duì)作戰(zhàn)

圖4 無(wú)人機(jī)空中加油

圖5 楔形編隊(duì)

圖6 有人機(jī)楔形編隊(duì)間距

編隊(duì)集結(jié)是指所有無(wú)人機(jī)升空后，依據(jù)各機(jī)性能指標(biāo)和環(huán)境約束條件，按照預(yù)設(shè)航路規(guī)劃，通過(guò)調(diào)整單機(jī)的飛行參數(shù)，最終使編隊(duì)中的所有無(wú)人機(jī)能夠同時(shí)達(dá)到指定位置點(diǎn)，形成隊(duì)形，強(qiáng)調(diào)在時(shí)間一致性。編隊(duì)集結(jié)需要解決航路規(guī)劃和軌跡控制兩個(gè)問(wèn)題，航路規(guī)劃是在考慮環(huán)境因素和與其他無(wú)人機(jī)協(xié)同因素條件下如何為每個(gè)無(wú)人機(jī)規(guī)劃其飛行的航路，軌跡控制是在每個(gè)無(wú)人機(jī)沿其規(guī)劃航路飛行的過(guò)程中，如何調(diào)整其速度、高度、航向等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，來(lái)保證最終多個(gè)無(wú)人機(jī)同時(shí)到達(dá)預(yù)定的地點(diǎn)。由于航路規(guī)劃的費(fèi)時(shí)耗力，而無(wú)人機(jī)飛行的速度很快，對(duì)實(shí)時(shí)性要求又高，所以不允許頻繁地進(jìn)行航路規(guī)劃。

編隊(duì)集結(jié)的控制方法有集中式控制和分布式協(xié)同控制兩種。集中式控制可以掌控全局，適用于小規(guī)模編隊(duì)；分布式協(xié)同控制不需要長(zhǎng)機(jī)，只需和自己周圍的無(wú)人機(jī)交互信息，適用于大機(jī)群編隊(duì)。有人駕駛飛機(jī)的編隊(duì)一般有由某架飛機(jī)擔(dān)當(dāng)指揮調(diào)度中樞，其他飛機(jī)依靠飛行員的操控水平向其靠攏，完成預(yù)定的隊(duì)形排列；現(xiàn)在密集編隊(duì)的飛機(jī)間距已經(jīng)小于5m，對(duì)飛行員的能力要求較高，但當(dāng)編隊(duì)進(jìn)行整體轉(zhuǎn)彎、翻滾等特技時(shí)，隊(duì)形則疏開。無(wú)人機(jī)編隊(duì)沿用了傳統(tǒng)隊(duì)形方式，大量工作是飛行前充分設(shè)計(jì)航路規(guī)劃和協(xié)同策略，飛行過(guò)程中各機(jī)之間、機(jī)地之間通過(guò)數(shù)據(jù)鏈交互信息，但無(wú)論是直接控制還是轉(zhuǎn)發(fā)式控制，指控中心都在地面；受定位精度、傳感器測(cè)量水平、舵面響應(yīng)速度的限制，無(wú)人機(jī)編隊(duì)間距要大一些。

由于實(shí)際飛行中環(huán)境條件復(fù)雜多變，不可預(yù)見因素影響，前期設(shè)計(jì)的航路規(guī)劃可能達(dá)不到預(yù)期效果或不切實(shí)際，使集結(jié)失敗，此時(shí)需要重構(gòu)編隊(duì)。編隊(duì)重構(gòu)問(wèn)題也指編隊(duì)在飛行過(guò)程中，遇到障礙物或敵方目標(biāo)，或某個(gè)體退出等突發(fā)情況，需要及時(shí)改變編隊(duì)結(jié)構(gòu)，以完成新的任務(wù)，編隊(duì)重構(gòu)需要考慮重構(gòu)時(shí)間、能量消耗、避撞避障、通信中斷等約束條件，由于編隊(duì)重構(gòu)的技術(shù)難度大，目前研究的各種自適應(yīng)算法都不能解決三維空間內(nèi)的隨機(jī)性問(wèn)題。這種情況的重構(gòu)方法基本上還是依靠地面控制中心介入調(diào)整，將人在回路外復(fù)原到人在回路中，編隊(duì)再次演變?yōu)闇?zhǔn)時(shí)到達(dá)問(wèn)題。

準(zhǔn)時(shí)集結(jié)就位的調(diào)整方法

為統(tǒng)一概念，本文定義飛機(jī)全部就位的時(shí)刻為零點(diǎn)時(shí)刻，零點(diǎn)之前是集結(jié)規(guī)劃，之后是協(xié)同規(guī)劃。

各個(gè)飛機(jī)準(zhǔn)時(shí)到達(dá)預(yù)定位置是保證整個(gè)編隊(duì)協(xié)同完成任務(wù)的基礎(chǔ)，在集結(jié)點(diǎn)就位時(shí)刻由起飛零點(diǎn)和途中時(shí)間消耗決定，受風(fēng)速風(fēng)向等空中氣象影響，對(duì)地速度會(huì)產(chǎn)生變化，因此在起飛點(diǎn)至集結(jié)點(diǎn)之間設(shè)立一個(gè)或幾個(gè)檢查點(diǎn)，根據(jù)到達(dá)檢查點(diǎn)時(shí)間計(jì)算早到或晚到集合點(diǎn)時(shí)間，通過(guò)調(diào)整飛行速度或改變飛行航線縮短或延長(zhǎng)后面飛行時(shí)間，不斷進(jìn)行集結(jié)規(guī)劃，從而準(zhǔn)時(shí)到達(dá)預(yù)定位置。對(duì)無(wú)人機(jī)來(lái)講，基于衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展增加了編隊(duì)飛行的精準(zhǔn)度，使遠(yuǎn)程控制和全局態(tài)勢(shì)監(jiān)察成為可能，到達(dá)檢查點(diǎn)時(shí)間計(jì)算可以在地面控制中心完成，也可以由無(wú)人機(jī)自主完成。

圖7 用速度調(diào)節(jié)到達(dá)時(shí)刻示意圖

圖8 用早晚轉(zhuǎn)彎調(diào)節(jié)到達(dá)時(shí)刻示意圖

多數(shù)情況下，編隊(duì)可以在自由空間（空域足夠大）飛行，只要單機(jī)的起飛零點(diǎn)不超過(guò)直線飛行速度調(diào)節(jié)范圍，就能夠保證準(zhǔn)時(shí)到達(dá)。常用的飛行中途調(diào)整方法有速度調(diào)節(jié)法、早晚轉(zhuǎn)彎法、環(huán)繞飛行法，見圖示。其中速度調(diào)節(jié)法適用于遠(yuǎn)距離簡(jiǎn)單航路中，不改變飛行航路，利用飛行包線調(diào)節(jié)速度，通過(guò)比對(duì)到達(dá)每一個(gè)檢查點(diǎn)與設(shè)計(jì)時(shí)間差，減少或延長(zhǎng)后面飛行時(shí)間，達(dá)到最后準(zhǔn)時(shí)到達(dá)集結(jié)點(diǎn)；但如果距離預(yù)定集合點(diǎn)太近，僅靠速度調(diào)節(jié)可能無(wú)法完成準(zhǔn)時(shí)就位。早晚轉(zhuǎn)彎法則是保持速度，改變航路上轉(zhuǎn)彎點(diǎn)位置，用增長(zhǎng)或縮短飛行距離的方法，達(dá)到準(zhǔn)時(shí)到達(dá)；提前轉(zhuǎn)彎或推遲轉(zhuǎn)彎后至預(yù)定集結(jié)點(diǎn)再次演變成速度調(diào)節(jié)法，此時(shí)也應(yīng)留有足夠長(zhǎng)的剩余航路。轉(zhuǎn)彎繞飛也是保持速度，用增長(zhǎng)航路消耗早到時(shí)間，根據(jù)應(yīng)消耗時(shí)間的多少，采取的方法有蛇形繞飛、V型繞飛和環(huán)形繞飛，繞飛可以在水平面內(nèi)進(jìn)行，也可以在垂直面內(nèi)進(jìn)行，視空域環(huán)境而定，對(duì)剩余航路距離沒要求；若剩余時(shí)間較多，可作連續(xù)繞飛。通常在編隊(duì)疏開和解散著陸時(shí)使用繞飛方法。

圖9 用轉(zhuǎn)彎繞飛調(diào)節(jié)到達(dá)時(shí)刻示意圖

當(dāng)遇到障礙物或空中威脅時(shí)，編隊(duì)被迫臨時(shí)解散，各單機(jī)通過(guò)障礙或威脅區(qū)域后，編隊(duì)進(jìn)入重構(gòu)階段，此時(shí)涉及到協(xié)同規(guī)劃問(wèn)題。協(xié)同規(guī)劃也是編隊(duì)飛行設(shè)計(jì)的一種應(yīng)急預(yù)案，若飛行現(xiàn)場(chǎng)和預(yù)想的有差異，則通過(guò)地面控制調(diào)整，調(diào)整的方法與集結(jié)就位方法相同。

結(jié)束語(yǔ)

編隊(duì)飛行不僅應(yīng)用在大規(guī)模對(duì)地攻擊、欺騙掩護(hù)、態(tài)勢(shì)偵察等軍事活動(dòng)中，還用于森林防火、農(nóng)作物防災(zāi)、飛行表演等民事活動(dòng)，前景廣泛。鑒于攻擊型無(wú)人機(jī)的活躍表現(xiàn)，人們的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)到無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行上。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四百多架旋翼無(wú)人機(jī)展示飛行，空中變換編隊(duì)形狀，呈現(xiàn)各種圖案，具備了控制雛形，為基于數(shù)據(jù)處理的空中智能編隊(duì)積累了策略算法。

由于環(huán)境條件復(fù)雜多變，形成預(yù)期的編隊(duì)隊(duì)形是一個(gè)比較困難的過(guò)程，可能需要多機(jī)協(xié)同調(diào)整。對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)而言，前期必須有航路模飛仿真環(huán)節(jié)，人為設(shè)置突發(fā)情況，先以集中式控制方式入手，逐漸加入定位、感知、避撞等手段，向分布式控制完善過(guò)渡，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化，取代有人機(jī)進(jìn)行高危飛行活動(dòng)?！?/p>