無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行研究

馬文良

中國(guó)人民解放軍92419 部隊(duì)

無(wú)人機(jī)在軍民各領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，隨著任務(wù)中目標(biāo)的增多，僅依靠單架無(wú)人機(jī)已無(wú)法滿足任務(wù)需求，與單架無(wú)人機(jī)相比，無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行不僅可以有效降低成本，還可以提高無(wú)人機(jī)的利用率及執(zhí)行任務(wù)的成功率，因此無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行已經(jīng)成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用的熱點(diǎn)研究方向。本文對(duì)影響無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行的因素進(jìn)行分析，提出無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行的計(jì)算方法，仿真計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行及時(shí)有效的控制，可以保證集群無(wú)人機(jī)完成編隊(duì)飛行任務(wù)。

無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行，即多架無(wú)人機(jī)進(jìn)行某種隊(duì)形排列進(jìn)而滿足任務(wù)要求的飛行方式。隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)任務(wù)及電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，僅僅依靠單架無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的缺陷越發(fā)突出，無(wú)法保證執(zhí)行任務(wù)的成功率，因此利用無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行來(lái)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的需求越來(lái)越大。

從經(jīng)濟(jì)層面看，無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行可極大提高復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行成功率，進(jìn)而有效降低成本；從利用率層面看，無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行可以在一次飛行中完成多個(gè)任務(wù)目標(biāo)，極大提升無(wú)人機(jī)的利用率。

但在實(shí)際飛行中，很多因素都將對(duì)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行造成影響，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)任務(wù)執(zhí)行情況造成影響。本文對(duì)影響無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行的因素進(jìn)行分析，通過(guò)仿真計(jì)算，探尋如何在實(shí)際飛行中對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)整，使無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行能完成任務(wù)要求。

影響無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行的因素

單架無(wú)人機(jī)從起飛到空中飛行，會(huì)受到多種因素的影響，進(jìn)而對(duì)集群編隊(duì)飛行造成影響。在此主要從無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式、無(wú)人機(jī)外形結(jié)構(gòu)、飛行控制器、飛行過(guò)程中環(huán)境因素及通信鏈路5方面，對(duì)影響無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行的因素進(jìn)行分析。

無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式

無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有電啟動(dòng)、吹氣啟動(dòng)等啟動(dòng)方式，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式所使用的配套設(shè)備不同，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需的時(shí)間及成功率也不同。例如，當(dāng)兩架無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)分別采用電啟動(dòng)與吹氣啟動(dòng)方式時(shí)，由于吹氣啟動(dòng)過(guò)程多了高壓氣瓶吹氣中間環(huán)節(jié)，所以與電啟動(dòng)方式相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)受到吹氣設(shè)備可靠性的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功率要低，進(jìn)而會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行造成較大影響。

無(wú)人機(jī)外形結(jié)構(gòu)

采用不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)組成集群編隊(duì)飛行時(shí)，由于無(wú)人機(jī)型號(hào)不同，外形尺寸與各型無(wú)人機(jī)的自身特性都會(huì)有較大差異。在執(zhí)行任務(wù)前，技術(shù)人員根據(jù)任務(wù)要求對(duì)集群無(wú)人機(jī)的起飛方向進(jìn)行合理規(guī)劃，且在集群無(wú)人機(jī)起飛前，還需要考慮外界環(huán)境中的風(fēng)以及不同型號(hào)集群無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)能力對(duì)起飛所產(chǎn)生的影響。當(dāng)風(fēng)速較大且超過(guò)集群無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)指標(biāo)時(shí)，飛行任務(wù)會(huì)被取消；當(dāng)風(fēng)速較大且未超過(guò)集群無(wú)人機(jī)抗風(fēng)指標(biāo)，需要根據(jù)風(fēng)向?qū)簾o(wú)人機(jī)的起飛方向進(jìn)行調(diào)整，這可能導(dǎo)致集群無(wú)人機(jī)偏離預(yù)定的起飛方向，進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行造成影響，如圖1所示。

圖1 集群無(wú)人機(jī)起飛段航跡。

飛行控制器

在集群無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中，由于不同型號(hào)的集群無(wú)人機(jī)飛行控制器存在能力差異，需要人工對(duì)集群無(wú)人機(jī)進(jìn)行不同程度控制，任務(wù)執(zhí)行情況也存在較大差別。如圖2所示，當(dāng)外界產(chǎn)生某種擾動(dòng)時(shí)，如果集群無(wú)人機(jī)飛行控制器能力較強(qiáng)，自身可以及時(shí)對(duì)航線進(jìn)行修正，進(jìn)而快速回到任務(wù)規(guī)劃的航線上；而如果集群無(wú)人機(jī)飛行控制器的控制能力較弱，就需要人工對(duì)集群無(wú)人機(jī)航線進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，這樣就會(huì)大大增加集群無(wú)人機(jī)的調(diào)整時(shí)間，進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行造成較大影響。

圖2 集群無(wú)人機(jī)受擾動(dòng)后飛行航跡。

飛行過(guò)程中環(huán)境因素

集群無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，環(huán)境大氣密度的實(shí)際值與理論值之間存在的差異，會(huì)對(duì)集群無(wú)人機(jī)所受到的升力與阻力產(chǎn)生影響，同時(shí)會(huì)影響集群無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，可能會(huì)使集群無(wú)人機(jī)偏離規(guī)劃航線，從而對(duì)整體無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)的飛行造成影響。另外，由于環(huán)境中風(fēng)速變化較大，可能會(huì)使集群無(wú)人機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)無(wú)法按照預(yù)設(shè)航線進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致集群無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎偏離航線見(jiàn)圖3，集群無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行航程增大，進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行造成干擾。

圖3 集群無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎航跡。

通信鏈路

在實(shí)際飛行過(guò)程中，受外界電磁環(huán)境影響，集群無(wú)人機(jī)可能會(huì)發(fā)生短時(shí)通信中斷的情況。此時(shí)不但無(wú)法顯示集群無(wú)人機(jī)的位置，同時(shí)也無(wú)法對(duì)集群無(wú)人機(jī)進(jìn)行有效控制，若集群無(wú)人機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)受到擾動(dòng)，會(huì)對(duì)集群無(wú)人機(jī)自身飛行造成影響，進(jìn)而影響整體的集群編隊(duì)飛行。隨著集群編隊(duì)中無(wú)人機(jī)數(shù)量的增多，對(duì)集群無(wú)人機(jī)通信鏈路的要求也越高，以減輕通信鏈路帶寬不足可能帶來(lái)的影響。

集群編隊(duì)飛行的計(jì)算方法

無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)起飛后，經(jīng)過(guò)爬升飛行到任務(wù)高度并進(jìn)行一定調(diào)整后，開(kāi)始進(jìn)行無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)計(jì)算，流程如圖4所示。具體計(jì)算方法，首先使用公式（1）計(jì)算長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)之間的距離，然后與規(guī)定值進(jìn)行比較，對(duì)僚機(jī)飛行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到長(zhǎng)機(jī)與僚機(jī)之間的距離滿足約束條件。

圖4 無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行控制流程圖。

計(jì)算兩架集群無(wú)人機(jī)之間的距離：

其中，R為地球半徑，（α1，β1）為長(zhǎng)機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)，（α2，β2）為僚機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)。

假設(shè)在某次集群編隊(duì)飛行任務(wù)中，長(zhǎng)機(jī)A的當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)為（α1，β1），僚機(jī)B的當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)為（α2，β2），現(xiàn)要求長(zhǎng)機(jī)A與僚機(jī)B之間的距離為2km，誤差范圍為0.1km （見(jiàn)圖5）。

圖5 無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行。

保持長(zhǎng)機(jī)A的飛行速度不變，對(duì)僚機(jī)B的飛行速度進(jìn)行調(diào)整，利用上述計(jì)算步驟進(jìn)行仿真計(jì)算，得出的仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。最終兩架集群無(wú)人機(jī)間距為2.004km，誤差為4m，滿足要求。

圖6 兩架集群無(wú)人機(jī)間距曲線。

圖7 兩架集群無(wú)人機(jī)間距與約束條件差值曲線。

通過(guò)分析影響無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行的5種因素，提出無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行計(jì)算方法，并通過(guò)仿真計(jì)算證明，該方法能及時(shí)有效調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行速度，在保證無(wú)人機(jī)成功執(zhí)行集群編隊(duì)飛行任務(wù)中發(fā)揮作用。