軍用無人機(jī)飛控技術(shù)發(fā)展簡述

蔣超 趙娜 聞子俠

摘要：為了促進(jìn)軍用無人機(jī)飛控技術(shù)的發(fā)展，本文對(duì)軍用無人機(jī)飛控技術(shù)進(jìn)行梳理簡述。首先針對(duì)軍用無人機(jī)平臺(tái)發(fā)展兩極化、任務(wù)領(lǐng)域拓展多樣化、控制自主化智能化的現(xiàn)狀進(jìn)行梳理分析；其次針對(duì)無人機(jī)發(fā)展趨勢現(xiàn)狀，對(duì)軍用無人機(jī)未來飛控技術(shù)的需求進(jìn)行了分類梳理，即高性能運(yùn)算與控制能力、高帶寬互聯(lián)互操作能力、高容錯(cuò)與環(huán)境適應(yīng)能力并對(duì)其中典型的飛控子技術(shù)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：軍用無人機(jī)；飛控技術(shù)；發(fā)展趨勢；能力需求；

引言

無人機(jī)制導(dǎo)控制技術(shù)發(fā)展總結(jié)為三大領(lǐng)域的發(fā)展：物理域、信息域、認(rèn)知域，三個(gè)領(lǐng)域通過OODA環(huán)緊密連接。物理域向信息域提供感知數(shù)據(jù)，信息域?qū)Ω兄獢?shù)據(jù)進(jìn)行判斷，認(rèn)知域?qū)ε袛噙M(jìn)行決策形成動(dòng)作指令發(fā)送給物理域的外部設(shè)備。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是以精確打擊為主要作戰(zhàn)手段的信息化戰(zhàn)爭，對(duì)情報(bào)信息高度依賴。而無人機(jī)在執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視、偵察任務(wù)時(shí)具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢：與有人機(jī)相比，無人機(jī)隱身性能好、續(xù)航時(shí)間長、無人員傷亡危險(xiǎn)；與衛(wèi)星相比，無人機(jī)時(shí)效性、針對(duì)性和靈活性更強(qiáng)、分辨率高、預(yù)警時(shí)間短、成本費(fèi)用低。因此，傳統(tǒng)的情報(bào)、監(jiān)視、偵察任務(wù)目前仍是其應(yīng)用最廣泛、最成熟的領(lǐng)域，情報(bào)、監(jiān)視、偵察無人機(jī)也是各國現(xiàn)役無人機(jī)中數(shù)量最大、型號(hào)最多、使用最頻繁的一種。根據(jù)科技水平的發(fā)展和國際環(huán)境的變化對(duì)軍用無人機(jī)的發(fā)展特別是飛控技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。

1軍用無人機(jī)發(fā)展趨勢分析

1.1 無人機(jī)平臺(tái)發(fā)展兩極化

近幾年來，軍用無人機(jī)的作戰(zhàn)平臺(tái)朝著高空長航時(shí)大型化和微小型使用靈活化兩極發(fā)展。

軍用無人機(jī)為了偵察以及監(jiān)視更廣闊的地域并獲得盡可能完整、無盲區(qū)的情報(bào)信息，就必須進(jìn)一步提升自身的飛行高度、以及延長自身的續(xù)航時(shí)間。因此，新一代高空長航時(shí)大型無人機(jī)的研究成了目前世界軍事強(qiáng)國的研究熱點(diǎn)，也是軍用無人機(jī)平臺(tái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

與此同時(shí)，由于微小型無人機(jī)具有重量輕、體積小、造價(jià)低、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，其能夠監(jiān)視普通偵察機(jī)探測不到的死角，因此非常適合在現(xiàn)代城市、叢林以及山地等復(fù)雜環(huán)境以及特殊條件下的特種部隊(duì)和小分隊(duì)作戰(zhàn)，因而微小型化是軍用無人機(jī)平臺(tái)發(fā)展的另一重要趨勢。

1.2 無人機(jī)任務(wù)領(lǐng)域拓展多樣化

由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)和戰(zhàn)場多變復(fù)雜需求的牽引這兩方面因素，軍用無人機(jī)的任務(wù)領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展。各類針對(duì)任務(wù)的軍用無人機(jī)層出不窮：在對(duì)地作戰(zhàn)任務(wù)方面主要有防空壓制、近距空中支援、縱深目標(biāo)打擊等等；在對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)方面主要有針對(duì)反水面艦艇、潛艇作戰(zhàn)；在對(duì)空作戰(zhàn)任務(wù)方面主要有打擊高價(jià)值空中目標(biāo)、中遠(yuǎn)距攔截和近距格斗空戰(zhàn)、導(dǎo)彈防御（攔截彈道導(dǎo)彈）等多個(gè)領(lǐng)域。

1.3 無人機(jī)控制更加自主智能化

控制水平是無人機(jī)區(qū)別于有人裝備，實(shí)現(xiàn)無人操控和執(zhí)行各種任務(wù)的關(guān)鍵。目前，無人機(jī)的智能化水平還比較低，平臺(tái)控制方式主要以簡單遙控和預(yù)編程控制為主。但隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的飛躍式發(fā)展，以及相關(guān)的軟件、容錯(cuò)、模式識(shí)別和自適應(yīng)推理等技術(shù)的巨大進(jìn)步，軍用無人機(jī)智能化水平正不斷提高，人機(jī)智能融合的交互控制方式將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，今后將進(jìn)一步向全自主控制方向發(fā)展。

2飛控關(guān)鍵技術(shù)及能力要求

2.1 高性能運(yùn)算與控制能力

2.1.1 自主飛行航跡規(guī)劃技術(shù)

自主飛行航跡規(guī)劃技術(shù)要求在減少人為干預(yù)的情況下，無人機(jī)根據(jù)任務(wù)目標(biāo)自主完成任務(wù)或航路重規(guī)劃，提高指揮的高效性和無人機(jī)作戰(zhàn)的靈活性。自主飛行航跡規(guī)劃技術(shù)實(shí)現(xiàn)在機(jī)載計(jì)算資源支持的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)短延遲，甚至實(shí)時(shí)重規(guī)劃。該技術(shù)的發(fā)展一方面在于對(duì)任務(wù)相關(guān)高效控制算法的開發(fā)，另一方面也可以借助于機(jī)載高性能計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，提高相同復(fù)雜度下規(guī)劃算法的運(yùn)行速度。相關(guān)子技術(shù)包括飛機(jī)性能管理、航跡類型建立，規(guī)劃空間建模，約束條件分析，目標(biāo)函數(shù)確定，規(guī)劃算法選取以及仿真評(píng)估。

2.1.2 智能輔助駕駛技術(shù)

數(shù)字飛行員技術(shù)是通過在飛機(jī)駕駛艙中安裝集成飛行知識(shí)圖譜的全時(shí)飛行輔助駕駛系統(tǒng)，輔助飛行員完成起飛、巡航、避障、降落等飛行操作，協(xié)助飛行員完成典型的飛行任務(wù)及應(yīng)急狀況的處理。該系統(tǒng)具備通用性和適配性，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)役飛機(jī)的快速改裝。相關(guān)子技術(shù)包括數(shù)字飛行員系統(tǒng)總體技術(shù)、飛行知識(shí)形式化表達(dá)技術(shù)、復(fù)雜場景下的人機(jī)最優(yōu)協(xié)作技術(shù)以及高可靠機(jī)器手眼協(xié)調(diào)技術(shù)等。

2.1.3 空戰(zhàn)決策技術(shù)

空戰(zhàn)決策技術(shù)研究空戰(zhàn)背景下的自主空戰(zhàn)決策與控制技術(shù)，有利于發(fā)揮無人機(jī)飛行機(jī)動(dòng)潛能，提高無人機(jī)個(gè)體作戰(zhàn)效能。將空戰(zhàn)決策與控制技術(shù)與“觀察—指引—決策—行動(dòng)”（OODA）循環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在實(shí)時(shí)或者近實(shí)時(shí)條件下達(dá)成空戰(zhàn)決策與控制目標(biāo)。相關(guān)子技術(shù)包括空戰(zhàn)態(tài)勢構(gòu)建與理解、飛行控制指令自動(dòng)生成及仿真評(píng)估。

2.1.4 變體控制技術(shù)

變體控制技術(shù)使無人機(jī)在飛行任務(wù)過程中能夠根據(jù)飛行環(huán)境和飛行任務(wù)，利用變后掠、變展長、折疊機(jī)翼等方式局部或整體地改變自身的結(jié)構(gòu)適應(yīng)作戰(zhàn)環(huán)境和任務(wù)需要，獲得了全任務(wù)模式下的飛行性能提升，在不同飛行階段均有較好的飛行性能。相關(guān)子技術(shù)包括后掠折疊機(jī)翼變體飛行器動(dòng)力學(xué)模型建立、后掠折疊機(jī)翼變體飛行器機(jī)翼折疊過程控制、后掠折疊機(jī)翼變體飛行器非對(duì)稱變形模型評(píng)估及仿真評(píng)估。

2.1.5 高超聲速氣動(dòng)彈性抑制技術(shù)

高超聲速無人機(jī)由于其飛行任務(wù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的要求，出現(xiàn)了很多常規(guī)飛行器從未考慮的氣動(dòng)彈性問題。例如高超聲速情況下因而飛行燃料的損失質(zhì)量大幅變化將改變飛行器的顫振特性，這就需要具備高超聲速氣動(dòng)彈性抑制能力。相關(guān)子技術(shù)包括高超聲速非定常氣動(dòng)力計(jì)算、熱環(huán)境下的氣動(dòng)彈性建模、推力影響下的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定控制。

2.2 高帶寬互聯(lián)互操作能力

2.2.1 艦載機(jī)自主著艦導(dǎo)引與控制技術(shù)

艦載機(jī)著艦控制是艦載機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其將機(jī)載設(shè)備得到的信息通過一定的技術(shù)手段進(jìn)行綜合處理，使飛行器可以在沒有人為干預(yù)情況下自行完成著艦過程。艦載機(jī)自主著艦技術(shù)能夠降低著艦的危險(xiǎn)，有效減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)。相關(guān)子技術(shù)包括自動(dòng)著艦控制技術(shù)、自動(dòng)著艦導(dǎo)引技術(shù)、逃逸復(fù)飛控制技術(shù)、短距起降等控制技術(shù)。

2.2.2 自主空中加/受油引導(dǎo)與控制技術(shù)

自主空中加/受油引導(dǎo)與控制技術(shù)賦予無人機(jī)自動(dòng)完成空中加/受油操作的能力，擴(kuò)大無人機(jī)的續(xù)航能力，提高無人機(jī)的任務(wù)半徑，自主空中加/受油引導(dǎo)與控制技術(shù)解決加/受油機(jī)間復(fù)雜氣流環(huán)境下，高精度對(duì)接引導(dǎo)與控制問題。相關(guān)子技術(shù)包括加油流程規(guī)范制定、精確相對(duì)定位引導(dǎo)、緊密編隊(duì)抗擾控制、精密對(duì)接控制、防撞規(guī)避控制以及仿真評(píng)估技術(shù)。

2.2.3 有人/無人協(xié)同引導(dǎo)與控制技術(shù)

利用無人機(jī)“不怕犧牲”，廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，在有人機(jī)的指揮控制下，前往“危險(xiǎn)、臟、累、枯燥”環(huán)境下，執(zhí)行偵察打擊等作戰(zhàn)任務(wù)，有人無人協(xié)同既解決了有人裝備作戰(zhàn)易被伏擊殺傷的問題，同時(shí)將兩種作戰(zhàn)平臺(tái)融為一體最大化提升了體系化作戰(zhàn)效能。相關(guān)子技術(shù)包括離線航跡規(guī)劃技術(shù)、遠(yuǎn)距航跡機(jī)動(dòng)調(diào)整技術(shù)。

2.2.4 多無人機(jī)自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

多無人機(jī)自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)使無人機(jī)具備在線動(dòng)態(tài)規(guī)劃的功能，是無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。多無人機(jī)自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)有利于提高整個(gè)多無人機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)性與可靠性，保證遇到突發(fā)威脅時(shí)，無人機(jī)可進(jìn)行自主任務(wù)重分配與航線重規(guī)劃，進(jìn)而不影響整個(gè)任務(wù)的完成，能夠很好地體現(xiàn)出無人機(jī)群的自主性與協(xié)同性。相關(guān)子技術(shù)包括碰撞檢測與規(guī)避技術(shù)、以及最優(yōu)任務(wù)分配技術(shù)等。

2.2.5 集群控制

集群控制技術(shù)基于生物集群行為原理，通過多個(gè)體之間的協(xié)同合作，發(fā)揮各自優(yōu)勢，可以完成單體所難以完成的、復(fù)雜的任務(wù)。無人機(jī)集群作為一種“改變戰(zhàn)爭形態(tài)”的顛覆性技術(shù)，通過數(shù)量提升能力、成本創(chuàng)造優(yōu)勢的模式制勝。相關(guān)子技術(shù)包括信息感知融合技術(shù)、任務(wù)分配技術(shù)、航跡規(guī)劃技術(shù)、編隊(duì)控制技術(shù)（隊(duì)形設(shè)計(jì)、隊(duì)形調(diào)整和隊(duì)形重構(gòu)）等。

2.3 高容錯(cuò)與環(huán)境適應(yīng)能力

2.3.1 健康管理與故障預(yù)測技術(shù)

健康管理與故障預(yù)測技術(shù)通過對(duì)專家系統(tǒng)和監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)建模和主動(dòng)故障檢測，提高無人機(jī)的故障預(yù)測能力和任務(wù)可靠性，保證飛行安全，同時(shí)也有利于降低無人機(jī)的使用成本，合理安排維修計(jì)劃。相關(guān)子技術(shù)包括健康管理模型建立、故障預(yù)測對(duì)象分析、故障預(yù)測方法建立等。

2.3.2 碰撞檢測與規(guī)避技術(shù)

碰撞檢測與規(guī)避技術(shù)通過設(shè)計(jì)空中飛行交通告警和防撞系統(tǒng)，研究基于視覺、雷達(dá)的防撞探測，使無人機(jī)具備碰撞感知與規(guī)避能力，提升無人機(jī)使用的安全性。相關(guān)子技術(shù)主要包括碰撞威脅的探測模型建立、目標(biāo)飛機(jī)的監(jiān)視和跟蹤、無人機(jī)間的安全間距控制，無人機(jī)散布控制等。

2.3.3 容錯(cuò)控制與環(huán)境適應(yīng)

容錯(cuò)控制與環(huán)境適應(yīng)技術(shù)使無人機(jī)在發(fā)生故障的情況下，能夠自動(dòng)補(bǔ)償故障的影響以維護(hù)無人機(jī)的穩(wěn)定性和盡可能的恢復(fù)故障前的性能，從而保證運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高無人機(jī)任務(wù)成功率，提高系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和有效性。容錯(cuò)控制與環(huán)境適應(yīng)技術(shù)從重構(gòu)控制律設(shè)計(jì)、控制分配、操縱面損傷重構(gòu)、軟件容錯(cuò)、信息安全、自動(dòng)應(yīng)急處置等方面出發(fā)，形成一套無人機(jī)故障容錯(cuò)機(jī)制的整體設(shè)計(jì)方案。相關(guān)子技術(shù)包括基于模型的方法、基于數(shù)據(jù)的方法和基于知識(shí)的診斷方法、基于非線性觀測器的容錯(cuò)控制、基于H∞的魯棒容錯(cuò)控制等。

3結(jié)束語

通過國內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)研，結(jié)合軍用無人機(jī)特定作戰(zhàn)需求，從軍用無人機(jī)平臺(tái)能力出發(fā)，總結(jié)了軍用無人機(jī)飛行控制核心能力需求與關(guān)鍵技術(shù)特征，對(duì)新時(shí)代軍用無人機(jī)發(fā)展的新需求進(jìn)行梳理分析，提出了軍用無人機(jī)飛控技術(shù)發(fā)展所需的三大能力，即高性能運(yùn)算與控制能力、高帶寬互聯(lián)互操作能力、高容錯(cuò)與環(huán)境適應(yīng)能力，為后續(xù)軍用無人機(jī)飛控技術(shù)發(fā)展提供參考。

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（作者單位：蔣超、聞子俠，航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，蔣超研究方向：無人機(jī)控制；趙娜，中國國際工程咨詢有限公司，研究方向：無人機(jī)裝備應(yīng)用與管理）