無人機系統(tǒng)自主控制技術(shù)及應(yīng)用研究（下）

張健，郭潤兆，丁興志

航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院

本文結(jié)合自主控制技術(shù)在無人加受油、艦載無人機自主起降、自主空戰(zhàn)系統(tǒng)和無人機集群等領(lǐng)域的應(yīng)用，指明自主控制技術(shù)未來發(fā)展方向。

自主化無人機系統(tǒng)在很多應(yīng)用場景優(yōu)勢發(fā)揮明顯，在需要迅速做出決策時，自主化系統(tǒng)將顯著縮短決策時間；在處理海量信息和數(shù)據(jù)時，自主化系統(tǒng)在計算速度和容量方面具有明顯優(yōu)勢；在系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，自主化系統(tǒng)能夠緊急應(yīng)對；面對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境或多種任務(wù)，自主化系統(tǒng)不需要人員指揮；執(zhí)行危險任務(wù)時，自主化系統(tǒng)可以降低人員傷亡風(fēng)險；執(zhí)行枯燥、持久任務(wù)時，自主化系統(tǒng)能有效延長任務(wù)時間。

無人機自主加受油

無人機自主空中加受油是未來發(fā)展方向，可以增加無人機作戰(zhàn)使用半徑和留空時間，減少作戰(zhàn)部署和反應(yīng)所需要的時間，降低對前線機場的依賴。無人機自主空中加受油需要突破無人加受油機氣動干擾分析及試驗、加油錐套識別及相對位姿精確獲取、無人加受油自主會合/編隊/精確對接控制、加受油機對接過程軟管-錐套動態(tài)特性分析、加油過程的飛行控制等關(guān)鍵技術(shù)。

由于無人機操控指令主要通過視距數(shù)據(jù)鏈路和衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸，某些遠程飛行任務(wù)則必須依靠衛(wèi)星通信，由此產(chǎn)生的時延問題無法解決，使無人機空中加受油操作不能由操控員在地面完成，于是全自主無人空中加受油技術(shù)便成為關(guān)鍵。與有人加受油技術(shù)相比，無人加受油技術(shù)在整個加受油過程中不需要機上人員直接操作，加油機與受油機可自動完成由會合至脫離的整個加受油過程。該技術(shù)完全擺脫了對人員的依賴，可以實現(xiàn)無人加油機與無人受油機的空中加受油。

2012年10月23日，美國國防預(yù)研局（DARPA）啟動了KQ-X無人機高空自主加油項目。按計劃，兩架“全球鷹”利用GPS和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)受油探頭與加油錐套的對接，并將燃油從一架無人機輸送給另一架無人機。2011年初，兩架無人機進行了會合飛行試驗見圖1，前后相距僅12.2m，該試驗評估了加油機尾部流場對受油機的潛在影響。2012年8月空中加受油超密集編隊和接近預(yù)對接位置編隊飛行模擬演示完成。

圖1 DARPA 開展無人機自主加受油技術(shù)飛行驗證。

無人加受油技術(shù)同樣適用于有人機與有人機、有人機與無人機之間的加受油，大幅拓展了加受油技術(shù)的使用范圍。2015年4月，美國進行了X-47B無人機與KC-707加油機之間的空中加受油飛行驗證，共進行了5次對接，并在最后一次完成加受油任務(wù)，KC-707在近7min的時間內(nèi)輸油約1.8t。此外，X-47B無人機還與KC-707加油機完成了2次邊轉(zhuǎn)彎邊受油的飛行試驗。這些飛行試驗綜合驗證了無人機空中受油所必須具備的超密集編隊飛行、多模式精確導(dǎo)航、復(fù)雜氣動干擾、自主飛行控制、加油對接與脫開、燃油系統(tǒng)綜合化管理等多項關(guān)鍵技術(shù)。

艦載無人機自主起降

自主起降技術(shù)是艦載無人機使用過程中面臨的難度最大、最富挑戰(zhàn)性的技術(shù)。X-47B是諾斯羅普-格魯門公司根據(jù)美國海軍“無人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)驗證”（UCAS-D）項目研制的技術(shù)驗證機，主要演示并驗證無人戰(zhàn)斗機在航空母艦上使用所涉及的艦上自主起降、機艦適配性等關(guān)鍵技術(shù)。X-47B相繼完成了艦載彈射起飛、觸艦復(fù)飛和攔阻著艦試驗，創(chuàng)造了多項紀(jì)錄。

2013年5月14日，X-47B從“布什”號航母上成功完成首次艦上彈射起飛，美國海軍首次實現(xiàn)大型無人戰(zhàn)斗機從航母上彈射起飛。試飛中，X-47B是在操控員遙控下，依靠自身動力在甲板上滑行并到達彈射起飛位置，因而意義非常重大，美國海軍官員稱其是“美國海軍航空史上一次具有分水嶺意義的事件”。2013年5月17日，X-47B在“布什”號航母實現(xiàn)觸艦復(fù)飛見圖2和攔阻著艦，隨后又成功完成8次彈射起飛、30次觸艦復(fù)飛和7次阻攔著艦。

圖2 X-47B正在演示觸艦復(fù)飛技術(shù)。

2014年8月17日，在美國海軍“羅斯?！碧柡藙恿侥干?，X-47B艦載無人戰(zhàn)斗機技術(shù)驗證機與艦載有人駕駛戰(zhàn)斗機完成了首次協(xié)同飛行演示。驗證了艦載無人機與艦載有人機安全、協(xié)同操作能力。在測試中，X-47B位于一架F/A-18戰(zhàn)斗機的一側(cè)，完成兩次成功彈射起飛-攔阻著艦過程。測試內(nèi)容包括在著艦?zāi)Ｊ较?，X-47B在366m高度以193km/h的飛行速度與F/A-18同時進場。在整個過程中，“羅斯福”號航母上的操控員在飛行機動期間，對X-47B保持了控制，這是艦載有人機和艦載無人機首次在同一艘航母上，以受控的著艦?zāi)Ｊ酵瑫r使用，美國海軍和諾格公司因此積累了更多的試驗數(shù)據(jù)，進一步降低了艦載無人機與艦載有人機在航母上使用的風(fēng)險。

自主空對空作戰(zhàn)系統(tǒng)

自主空戰(zhàn)系統(tǒng)由受雇于美國空軍研究試驗室的皮西波尼提克斯（Psibernetix）公司于2015年5月開發(fā)，同年11月該系統(tǒng)在一些領(lǐng)域使用取得成功。“阿爾法狗斗”（AlphaDogfight）空戰(zhàn)系統(tǒng)是一種人工智能系統(tǒng)，可在高保真模擬環(huán)境中控制無人戰(zhàn)斗機執(zhí)行空戰(zhàn)任務(wù)。

2018年美國辛辛那提大學(xué)官方網(wǎng)站消息稱，該校開發(fā)的人工智能空戰(zhàn)系統(tǒng)通過了專家評估，并在空戰(zhàn)模擬器中擊敗了經(jīng)驗豐富的美國退役上校基恩·李。在模擬空戰(zhàn)中落敗的基恩上校表示，這是他見過的最具侵略性、敏捷性、變化性和可靠性的AI。“阿爾法狗斗”之所以表現(xiàn)出眾，是因為其作為紅方，在模擬空戰(zhàn)中用第三代戰(zhàn)斗機成功擊退了有預(yù)警機支持的第四代戰(zhàn)斗機。

美國國防預(yù)研局“阿爾法狗斗”試驗的最后一戰(zhàn)于2020年8月20日在馬里蘭州約翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室完成，在模擬空戰(zhàn)中，人工智能“阿爾法狗斗”見圖3以5：0擊敗了F-16戰(zhàn)斗機優(yōu)秀飛行員。

圖3 AI“阿爾法狗斗”成功擊敗經(jīng)驗豐富的F-16戰(zhàn)斗機飛行員。

從長遠看，融合人工智能技術(shù)將使空戰(zhàn)模式發(fā)生革命性飛躍，畢竟飛行員在敵情瞬息萬變的戰(zhàn)場上，犯錯的概率很高，“阿爾法狗斗”空戰(zhàn)系統(tǒng)可以增加容錯率，并能在動態(tài)環(huán)境中考慮和協(xié)調(diào)最佳戰(zhàn)術(shù)計劃，并做出精確響應(yīng)，響應(yīng)速度比飛行員快數(shù)百倍。根據(jù)目前的判斷，在未來空戰(zhàn)中，需要反應(yīng)時間之短將超出人類飛行員的極限，而具有自主能力的空戰(zhàn)系統(tǒng)能夠同時處理態(tài)勢感知、反應(yīng)判斷、戰(zhàn)術(shù)選擇、武器管理和戰(zhàn)術(shù)使用等場景，同時躲避來自不同方向的攻擊，并且可以找準(zhǔn)時機實施進攻，并能協(xié)調(diào)已方力量，學(xué)習(xí)敵方戰(zhàn)術(shù)。

無人機集群作戰(zhàn)

圖4 美軍正在開發(fā)AI自主空戰(zhàn)系統(tǒng)。

圖5 “灰山鶉”無人機集群具有集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊飛行能力。

圖6 無人機集群作戰(zhàn)對自主性提出了更高要求。

2017年1月9日美國防部披露，國防部長辦公廳戰(zhàn)略能力辦公室完成了一次無人機集群演示，創(chuàng)下最大規(guī)模軍用無人機集群飛行紀(jì)錄。“無人機集群”項目于2014年啟動，旨在驗證先進無人機群體行為，如集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊飛行。機型選用了麻省理工學(xué)院全復(fù)合材料機身、以鋰電池為動力的“灰山鶉”（Perdix）一次性微型無人機。無人機零部件全部采用貨架產(chǎn)品，“灰山鶉”機長約16.5cm，機寬30cm，投射重量約0.3kg，續(xù)航時間大于20min，飛行速度75～110km/h。自2014年9月首次由F-16戰(zhàn)斗機試投以來，“灰山鶉”共進行了500多次飛行試驗。2016年10月25日，在美國海軍航空系統(tǒng)司令部設(shè)在加利福尼亞的中國湖試驗場，3架F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機以Ma0.6飛行速度，連續(xù)投射103架“灰山鶉”無人機，在地面控制站的指揮下，集群無人機通過機間通信和協(xié)同，成功完成設(shè)定的4項任務(wù)。試驗中，“灰山鶉”集群未預(yù)設(shè)飛行程序，而是在地面控制站指揮下實現(xiàn)自主協(xié)同，展現(xiàn)了集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊飛行能力。

此項目表現(xiàn)出4個特點，一是微型無人機技術(shù)成熟度很高且成本低；二是已創(chuàng)造性解決了微型無人機運載綜合問題；三是完成作戰(zhàn)演習(xí)和編隊投送演示；四是演示了大規(guī)模無人機集群依托云處理技術(shù)實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)協(xié)同。試驗的成功表明，美軍空射無人機集群正朝實戰(zhàn)化方向穩(wěn)步邁進。該項目后期將進一步聚焦復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，解決有人機對集群進行指揮，進一步提高集群自主性等問題。

無人機集群對協(xié)同控制技術(shù)及自主性提出了更高要求，需要建立管理大規(guī)模集群的指揮控制模式，因此需要攻克協(xié)同作戰(zhàn)算法、集群個體間通信、遠程指揮控制、空中發(fā)射與回收、低成本設(shè)計與制造及小型動力系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

自主化是無人機系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，通過提高系統(tǒng)自主控制等級，以先進無人機系統(tǒng)替代人員執(zhí)行任務(wù)，將人類從繁雜工作中解放出來。自主控制技術(shù)正成為影響未來裝備發(fā)展的顛覆性技術(shù)，將推動無人機系統(tǒng)進一步向智能化方向發(fā)展。