面向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的IVMS架構(gòu)

胡嘉悅，李廣文,*，章衛(wèi)國(guó)，張超，賈乾磊

1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710072 2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089

鑒于軍事技術(shù)的快速發(fā)展，各國(guó)也在不斷發(fā)展全方位一體化防空與雷達(dá)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，這使得遠(yuǎn)距離突防與作戰(zhàn)任務(wù)更加難以完成。而且面對(duì)愈發(fā)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和任務(wù)需求，飛行員在操縱飛機(jī)的同時(shí)難以準(zhǔn)確高效地實(shí)施作戰(zhàn)規(guī)劃與決策。此外，隨著無(wú)人機(jī)和智能技術(shù)的發(fā)展，很多國(guó)家也著眼于有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的研究，以便在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)中以較低的經(jīng)濟(jì)消耗，取得更大的軍事效益，但是，這也對(duì)飛行員處理多種復(fù)雜信息的能力提出了更高的要求。

為了滿足這種需求，英國(guó)空軍在20世紀(jì)70年代首次提出飛行器管理系統(tǒng)(Vehicle Management System, VMS)的概念，主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)機(jī)內(nèi)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與資源共享提升全局飛行性能與作戰(zhàn)效能。1996年，北約航空發(fā)展和研究咨詢組織(AGARD)出版的綜合飛機(jī)管理系統(tǒng)研究報(bào)告，對(duì)綜合飛行器管理系統(tǒng)(Integrated Vehicle Management System, IVMS)總體研究進(jìn)行了論述。研究指出，IVMS通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能和物理綜合，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)機(jī)系統(tǒng)的綜合控制、決策管理、資源配置和診斷監(jiān)測(cè)等。正是因?yàn)镮VMS所具備的巨大優(yōu)勢(shì)，使其成功地應(yīng)用到了F-22、F-35、B777等型號(hào)。

除此之外，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)也對(duì)飛行器管理系統(tǒng)的總體發(fā)展進(jìn)行了分析論述。較早關(guān)注該領(lǐng)域的北京航空航天大學(xué)申功璋團(tuán)隊(duì)從對(duì)飛行器全系統(tǒng)物理與功能綜合和面向飛行能力優(yōu)化兩方面深入分析了VMS的設(shè)計(jì)，并提出了綜合飛/推控制、主動(dòng)重心控制、綜合熱管理以及綜合飛控/航電等關(guān)鍵問(wèn)題。陳琪和萬(wàn)劍鋒指出綜合戰(zhàn)術(shù)任務(wù)/飛行器管理系統(tǒng)技術(shù)是現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，但仍將任務(wù)管理和飛機(jī)子系統(tǒng)管理分別處理。張喜民和徐奡從具體型號(hào)出發(fā)，對(duì)比分析了F-22、EF-2000和F-35的IVMS體系架構(gòu)，指出高度的功能綜合、網(wǎng)絡(luò)化、分布式開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是IVMS顯著特征。吳文海等在近十年中進(jìn)行了多角度的分析，逐步完善了飛行器管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、基本功能和關(guān)鍵技術(shù)。此外，對(duì)于IVMS具體的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證主要體現(xiàn)在部分子系統(tǒng)的綜合上。在任務(wù)管理系統(tǒng)方面，有基于信念-愿望-意圖(Belief-Desire-Intention Theory, BDI)的自主任務(wù)管理系統(tǒng)，基于模型系統(tǒng)工程(Model Based on Systems Engineering，MBSE)方法論的無(wú)人機(jī)任務(wù)管理系統(tǒng)以及硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；能量管理方面，陸賓賓針對(duì)超聲速飛行器，設(shè)計(jì)了一種熱管理系統(tǒng)并進(jìn)行仿真計(jì)算，滿足了在飛行任務(wù)全包線范圍內(nèi)的熱管理需求；任務(wù)調(diào)度方面，孫大偉等設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了基于蟻群算法的多處理機(jī)任務(wù)調(diào)度方法；有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同方面，王新堯等考慮有人機(jī)飛行員狀態(tài)和異構(gòu)無(wú)人機(jī)的不同依賴程度對(duì)決策的影響，設(shè)計(jì)了一種高魯棒性的作戰(zhàn)決策系統(tǒng)架構(gòu)。

通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料的分析可以發(fā)現(xiàn)，目前IVMS相關(guān)的研究還存在以下2方面的不足：

1) 盡管中國(guó)對(duì)IVMS的研究逐漸深入，但任務(wù)決策與飛機(jī)子系統(tǒng)管理仍然相對(duì)分立：任務(wù)決策通常更關(guān)注于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)與情報(bào)，飛機(jī)自身性能僅作為固定約束考慮；而飛機(jī)子系統(tǒng)的管理則主要關(guān)注于通過(guò)管理傳感器信息和機(jī)上能源，使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行，但對(duì)作戰(zhàn)的適應(yīng)性缺少考慮。

2) 現(xiàn)有的相關(guān)IVMS的研究，主要著眼于一架作戰(zhàn)飛機(jī)的子系統(tǒng)綜合管理和“資源”調(diào)度，對(duì)集群/協(xié)同作戰(zhàn)場(chǎng)景下的IVMS缺少研究，但是，若將協(xié)同作戰(zhàn)飛機(jī)上“資源”也作為IVMS決策的對(duì)象，將進(jìn)一步提升作戰(zhàn)效能。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)IVMS的基礎(chǔ)上提出一種面向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)場(chǎng)景的系統(tǒng)架構(gòu)：

1) 考慮了遠(yuǎn)程作戰(zhàn)中的長(zhǎng)航程需求，以及有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)場(chǎng)景下對(duì)整個(gè)機(jī)群的規(guī)劃需求兩方面，提出了一種面向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的IVMS架構(gòu)。

2) 將有人機(jī)的子系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)攜帶的設(shè)備綜合考慮，設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)交互與調(diào)度的邏輯架構(gòu)。該架構(gòu)將作戰(zhàn)機(jī)群所具有的設(shè)備和“資源”看作一個(gè)整體，通過(guò)調(diào)度有人機(jī)和無(wú)人機(jī)上資源提高性能，降低自身性能對(duì)任務(wù)的約束，提高機(jī)群的作戰(zhàn)效能。

3) 設(shè)計(jì)了基于分層模式的軟件架構(gòu)，整合不同功能中相同的數(shù)據(jù)、算法、約束需求以及相關(guān)流程，降低軟件復(fù)雜程度，優(yōu)化層次交互關(guān)系，為進(jìn)一步的IVMS仿真研究和硬件設(shè)計(jì)提供參考。

本文首先對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的場(chǎng)景進(jìn)行分析，基于作戰(zhàn)中各飛行任務(wù)階段，提煉該場(chǎng)景下對(duì)IVMS的功能需求，并將各需求整合。第2節(jié)基于整合的5個(gè)主要功能，以提升作戰(zhàn)效能為目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)交互IVMS邏輯架構(gòu)。從系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)角度分析IVMS，在第3節(jié)中，提出了一種基于分層模式的軟件架構(gòu)，優(yōu)化功能之間的層次交互關(guān)系。第4節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 面向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的IVMS功能分析

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的任務(wù)場(chǎng)景給IVMS系統(tǒng)提出了新的需求。一方面為了實(shí)施更遠(yuǎn)距離的戰(zhàn)略巡航與作戰(zhàn)，提出了延長(zhǎng)作戰(zhàn)半徑需求；另一方面，具有戰(zhàn)術(shù)決策優(yōu)勢(shì)的有人機(jī)和具有靈活作戰(zhàn)與控制優(yōu)勢(shì)的無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的模式，提出了從協(xié)同角度優(yōu)化任務(wù)與作戰(zhàn)效能的需求。

一次作戰(zhàn)中，常見(jiàn)的飛行任務(wù)有戰(zhàn)前準(zhǔn)備、起飛/爬升、巡航飛行、空中加油、對(duì)敵偵察、突防攻擊和受擊逃逸等等。根據(jù)不同飛行任務(wù)中對(duì)作戰(zhàn)方案、性能計(jì)算、敵我態(tài)勢(shì)以及飛行航路等功能的需求，面向上述延長(zhǎng)作戰(zhàn)半徑與優(yōu)化作戰(zhàn)機(jī)群協(xié)同性的兩類需求，可以分析得到各個(gè)飛行任務(wù)階段所處任務(wù)環(huán)境以及IVMS需要實(shí)現(xiàn)的主要功能，匯總?cè)绫?所示。

對(duì)不同飛行任務(wù)下的需求整合，綜合飛行器管理系統(tǒng)的基本功能主要分為以下5部分：

1) 態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估：實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與目標(biāo)的狀態(tài)、屬性的識(shí)別，依據(jù)目標(biāo)及軍事相關(guān)知識(shí)理解敵我作戰(zhàn)部署、意圖，獲得態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)估計(jì)，并對(duì)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為決策提供依據(jù)。

表1 IVMS功能需求Table 1 Function requirements of IVMS

2) 任務(wù)管理：在態(tài)勢(shì)評(píng)估的基礎(chǔ)上，根據(jù)作戰(zhàn)準(zhǔn)則，綜合考慮包括機(jī)群性能、任務(wù)時(shí)間、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等約束，完成任務(wù)分配與調(diào)度，規(guī)劃有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)航跡并進(jìn)行飛行導(dǎo)引。

3) 飛行控制綜合：針對(duì)任務(wù)需求，綜合飛行控制、火力控制及推力控制，實(shí)現(xiàn)飛行性能優(yōu)化，推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制和自動(dòng)武器投放軌跡與攻擊占位控制。

4) 公共管理：為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)，公共管理功能通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與燃油系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)的能量合理分配，減少資源消耗，并通過(guò)主動(dòng)重心控制，調(diào)節(jié)飛機(jī)燃油分布，降低巡航阻力，增加作戰(zhàn)半徑。

5) 智能人機(jī)交互：通過(guò)智能人機(jī)交互功能，獲取飛行員操作指令，為飛行員綜合顯示作戰(zhàn)模式、參數(shù)以及操作提示等。

2 基于數(shù)據(jù)交互的IVMS邏輯架構(gòu)

目前提出的綜合飛行器管理系統(tǒng)，主要研究如何對(duì)一架作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)和作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行管理。面對(duì)不確定、多任務(wù)、高威脅的現(xiàn)代強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)爭(zhēng)，有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)可以相互補(bǔ)充，提高執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時(shí)靈活性與生存力。因此，本文在傳統(tǒng)IVMS基礎(chǔ)上，以延長(zhǎng)作戰(zhàn)半徑與優(yōu)化作戰(zhàn)機(jī)群協(xié)同性為目標(biāo)，將有人機(jī)與無(wú)人機(jī)的“資源”綜合為一體考慮，以無(wú)人機(jī)為保護(hù)、支援和態(tài)勢(shì)感知，以有人機(jī)為核心進(jìn)行整體決策，設(shè)計(jì)了一種以數(shù)據(jù)交互為邏輯關(guān)系的IVMS架構(gòu)。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)第1節(jié)提出的主要功能需求，可以將IVMS劃分為公共管理(綜合能量管理、主動(dòng)重心控制、控制綜合)、任務(wù)管理(效能評(píng)估、突防規(guī)劃)、有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同規(guī)劃(任務(wù)分配、航跡規(guī)劃、編隊(duì)控制)、權(quán)衡與決策、管理信息交互等模塊。

將各功能之間的數(shù)據(jù)交互作為邏輯關(guān)系，提出一種IVMS系統(tǒng)架構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，場(chǎng)景信息部分如圖2所示。

該IVMS設(shè)置于作戰(zhàn)機(jī)群中有人機(jī)內(nèi)部，各無(wú)人機(jī)與加油機(jī)的飛行狀態(tài)和探測(cè)/武器系統(tǒng)狀態(tài)信息，以數(shù)據(jù)鏈形式與有人機(jī)進(jìn)行通訊。本文將有人機(jī)數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)/加油機(jī)數(shù)據(jù)分列，并根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源，將IVMS按功能整合。

2.2 主要功能的數(shù)據(jù)交互

1) 綜合能量管理、主動(dòng)重心控制以及控制綜合構(gòu)成公共管理:其權(quán)衡與優(yōu)化的目標(biāo)是增加作戰(zhàn)半徑，提高飛機(jī)作戰(zhàn)安全性。綜合能量管理功能根據(jù)輸入的部分飛機(jī)狀態(tài)(飛行速度、飛行高度、迎角與側(cè)滑角、舵面偏轉(zhuǎn)角、油門開(kāi)度)、決策的工作模式和飛機(jī)故障狀態(tài)，將飛機(jī)的熱管理系統(tǒng)、電力管理系統(tǒng)、燃油管理系統(tǒng)進(jìn)行功能綜合，優(yōu)化飛機(jī)內(nèi)部能源調(diào)度，避免能源浪費(fèi)并解決飛機(jī)高產(chǎn)熱、高用電帶來(lái)的安全問(wèn)題，輸出滿足當(dāng)前最大散熱能力的飛行高度、速度限制，并對(duì)用電設(shè)備工作狀態(tài)加以控制。主動(dòng)重心控制功能根據(jù)輸入的飛機(jī)彈藥和燃油分布、部分飛機(jī)狀態(tài)(飛行速度、三軸角速率、迎角與側(cè)滑角、舵面偏轉(zhuǎn)角、姿態(tài)角)以及離線飛行包線數(shù)據(jù)庫(kù)，輸出估計(jì)的飛機(jī)當(dāng)前重心位置、重心調(diào)整范圍、當(dāng)前最優(yōu)重心位置以及為達(dá)到該位置對(duì)燃油的配置?？刂凭C合功能根據(jù)輸入的作戰(zhàn)目標(biāo)，從飛行性能、武器投放和攻擊占位3個(gè)角度，計(jì)算飛機(jī)的性能包線輸出至權(quán)衡與決策功能用于決策戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。同時(shí)計(jì)算飛行/火力/推力綜合控制指令，實(shí)現(xiàn)有人機(jī)的綜合飛行控制。

圖2 場(chǎng)景信息部分Fig.2 Scene information part

2) 任務(wù)管理:其權(quán)衡與優(yōu)化的目標(biāo)是在當(dāng)前飛行性能和任務(wù)的約束性，提升作戰(zhàn)過(guò)程中飛機(jī)的生存力、作戰(zhàn)效能。效能評(píng)估根據(jù)輸入的性能約束和決策的作戰(zhàn)任務(wù)，計(jì)算飛機(jī)當(dāng)前狀態(tài)生存力與作戰(zhàn)效能，并將結(jié)果傳輸給突防部分作為約束。突防規(guī)劃功能根據(jù)輸入的部分飛機(jī)狀態(tài)(飛機(jī)位置、飛行高度、飛行速度、姿態(tài)角)、性能約束、敵方部署的雷達(dá)及其他防空設(shè)施信息，通過(guò)航程與隱身效果收益分析，決策突防形式，輸出飛機(jī)的動(dòng)態(tài)RCS曲線、規(guī)劃的航跡與姿態(tài)信息及各航跡點(diǎn)上的被探測(cè)概率。

3) 協(xié)同規(guī)劃:通過(guò)協(xié)調(diào)有人/無(wú)人機(jī)機(jī)群，滿足更高的任務(wù)需求，提高作戰(zhàn)任務(wù)完成能力。包括協(xié)同任務(wù)分配與動(dòng)態(tài)編隊(duì)航跡規(guī)劃。任務(wù)分配功能根據(jù)輸入的我方有人/無(wú)人機(jī)狀態(tài)信息、靜/動(dòng)態(tài)的作戰(zhàn)目標(biāo)/威脅/障礙位置、類型與運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)在戰(zhàn)前準(zhǔn)備的集群配置、作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)任務(wù)目標(biāo)分配。根據(jù)分配的任務(wù)與目標(biāo)，編隊(duì)航跡功能首先進(jìn)行編隊(duì)隊(duì)形選擇/重構(gòu)，其次規(guī)劃編隊(duì)的攻擊/逃逸路徑以及根據(jù)航程與燃油余量制定加油計(jì)劃。僅戰(zhàn)前輸出集群配置結(jié)果，之后輸出各無(wú)人機(jī)時(shí)敏任務(wù)序列、各無(wú)人機(jī)編隊(duì)位置姿態(tài)、以及有人機(jī)和無(wú)人機(jī)各階段規(guī)劃的四維航跡。

4) 能力權(quán)衡與決策功能:① 根據(jù)傳感器系統(tǒng)獲得戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，綜合評(píng)估與預(yù)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化、為任務(wù)管理提供依據(jù)，② 根據(jù)飛機(jī)各子系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算飛機(jī)性能，選定公共管理部分的工作模式并為任務(wù)管理提供約束，并在該兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合決策作戰(zhàn)機(jī)群的階段任務(wù)如急需空中加油、受擊損傷返航、快速突防打擊等等。

5) 管理信息交互功能:該功能是在能力權(quán)衡與決策部分接收整合其他功能狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信息的篩選與整合，使飛行員可以更清楚快速的了解飛行狀態(tài)、攻擊模式、和操縱提示等信息。同時(shí)駕駛員還可以通過(guò)該功能設(shè)置系統(tǒng)的工作模式與方案。

2.3 面向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的IVMS對(duì)比分析

從飛控系統(tǒng)、綜合飛行/推進(jìn)控制、戰(zhàn)術(shù)飛行管理、發(fā)展到飛行器管理系統(tǒng)，逐步形成了目前的考慮安全性、生存性和操縱性的綜合飛行器管理系統(tǒng)(IVMS)。本文在此基礎(chǔ)上，將協(xié)同作戰(zhàn)的有人機(jī)和無(wú)人機(jī)的性能與資源整體考慮，進(jìn)一步擴(kuò)展IVMS的管理范圍，提升飛行性能與作戰(zhàn)效能。

1) 功能優(yōu)化

在傳統(tǒng)IVMS考慮傳感器感知、任務(wù)決策、飛行/火力/推力綜合控制的基礎(chǔ)上，本架構(gòu)設(shè)計(jì)飛機(jī)綜合管理離線性能數(shù)據(jù)庫(kù)，包括能量資源調(diào)配方案，重心位置與性能剖面，積分航程表等，為在線快速?zèng)Q策提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。并在以下兩方面優(yōu)化IVMS功能：① 借鑒大型飛機(jī)，引入了主動(dòng)重心控制功能，對(duì)巡航階段重心位置進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化，并結(jié)合綜合能量管理和考慮加油機(jī)編隊(duì)進(jìn)行加油計(jì)劃制定與導(dǎo)引，最大化利用機(jī)載/加油機(jī)燃油、熱能和電能，延長(zhǎng)飛機(jī)航程。② 綜合協(xié)同作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)資源調(diào)度功能。將無(wú)人機(jī)配備的探測(cè)感知系統(tǒng)，武器系統(tǒng)等和有人機(jī)性能共同作為決策依據(jù)，使得任務(wù)決策時(shí)可調(diào)度資源更多，作戰(zhàn)半徑更大，生存能力更強(qiáng)。

2) 飛行性能優(yōu)化

本文提出的IVMS在提升飛機(jī)飛行性能方面，主要針對(duì)起飛、爬升、巡航的到達(dá)作戰(zhàn)區(qū)域邊界前的飛行階段。該階段優(yōu)化的主要目的是通過(guò)有人機(jī)及其編隊(duì)的機(jī)載資源配置以及空中加油計(jì)劃的制定使飛機(jī)在巡航終點(diǎn)的任務(wù)載荷滿足作戰(zhàn)階段的任務(wù)要求，即到達(dá)敵方勢(shì)力范圍前緣時(shí)載有更多的燃油載荷及彈藥載荷，同時(shí)盡可能降低整個(gè)過(guò)程中的燃油成本。

第一,起飛前的配置優(yōu)化：根據(jù)飛機(jī)最大起飛重量，燃油、彈藥載荷能力同時(shí)結(jié)合任務(wù)需求優(yōu)化配置初始燃油與武器資源，相較于傳統(tǒng)VMS，由于配置過(guò)程考慮作戰(zhàn)路徑、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與目標(biāo)和協(xié)同無(wú)人機(jī)性能，快速生成配置方案，從而獲得更符合實(shí)際作戰(zhàn)的資源配置結(jié)果。

第二,起飛爬升的性能優(yōu)化：結(jié)合起飛機(jī)場(chǎng)約束、機(jī)載資源以及協(xié)同無(wú)人機(jī)的配置，綜合權(quán)衡，設(shè)計(jì)符合任務(wù)需求的有人/無(wú)人機(jī)四維起飛爬升剖面。

第三,燃油資源優(yōu)化：在分析各階段燃油消耗特性的基礎(chǔ)上，更新優(yōu)化飛機(jī)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算飛機(jī)剩余燃油載荷以及燃油需求，根據(jù)作戰(zhàn)編隊(duì)的燃油需求和加油機(jī)編隊(duì)的供油能力調(diào)整重心位置，切換機(jī)載系統(tǒng)能源消耗狀態(tài)，同時(shí)制定空中加油計(jì)劃，優(yōu)化整個(gè)機(jī)群燃油資源調(diào)度。

3) 作戰(zhàn)效能優(yōu)化

協(xié)同作戰(zhàn)效能可以根據(jù)其執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的過(guò)程，分為信息獲取、協(xié)同決策和協(xié)同打擊。在該3個(gè)過(guò)程中，本文所提IVMS在如下方面有所優(yōu)化。

第一，信息獲?。壕C合考慮協(xié)同的無(wú)人機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)與能力，通過(guò)戰(zhàn)術(shù)決策與協(xié)同任務(wù)分配功能，指定無(wú)人機(jī)完成預(yù)警、探測(cè)、跟蹤等任務(wù)，可以使有人機(jī)在相同的生存率條件下，擴(kuò)大預(yù)警探測(cè)范圍，更近更準(zhǔn)確的跟蹤打擊目標(biāo)，提高目標(biāo)容量；或可規(guī)劃有人機(jī)遠(yuǎn)離高威脅區(qū)域，由無(wú)人機(jī)提前獲取戰(zhàn)場(chǎng)威脅，使有人機(jī)獲得更高的生存力，避免戰(zhàn)損。

第二，協(xié)同決策：在進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)任務(wù)決策時(shí)，首先，無(wú)人機(jī)通過(guò)自身機(jī)載系統(tǒng)，感知與解算戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)共享，為決策帶來(lái)更高的完整性、時(shí)效性、準(zhǔn)確性。其次，IVMS直接整合無(wú)人機(jī)獲取的信息與有人機(jī)自身資源決策出整個(gè)作戰(zhàn)機(jī)群任務(wù)鏈，相較于傳統(tǒng)飛機(jī)管理系統(tǒng)可減少飛行員需決策的信息量，提高決策效率，降低壓力。此外，機(jī)內(nèi)能量管理、重心控制及飛/火/推綜合與協(xié)同決策相互反饋，后者在前者的約束下規(guī)劃任務(wù)，同時(shí)前者也可根據(jù)后者的需求調(diào)整機(jī)內(nèi)資源拓寬性能范圍，以獲得更高的任務(wù)成功率，和規(guī)避威脅。

第三，協(xié)同打擊/逃逸：協(xié)同打擊/逃逸過(guò)程中，有人機(jī)的機(jī)動(dòng)能力遠(yuǎn)小于無(wú)人機(jī)。在突防打擊過(guò)程中，IVMS可以同時(shí)規(guī)劃無(wú)人機(jī)任務(wù)，將無(wú)人機(jī)作為有人機(jī)的武庫(kù)機(jī)完成識(shí)別與打擊防空威脅的任務(wù)。通過(guò)調(diào)整機(jī)上資源消耗、重心位置以及飛行/推力綜合控制，提高有人機(jī)機(jī)動(dòng)性能，減少對(duì)突防規(guī)劃的約束，從而獲得更優(yōu)的隱身/低空突防路徑。以無(wú)人機(jī)充當(dāng)防空武器誘餌，IVMS規(guī)劃無(wú)人機(jī)路徑，在逃逸與規(guī)避過(guò)程中為有人機(jī)護(hù)衛(wèi)。在有人機(jī)已經(jīng)損傷/故障情況下，調(diào)整機(jī)上能源消耗模式，或整合無(wú)人機(jī)信息，替代故障系統(tǒng)(如導(dǎo)航系統(tǒng))保證飛行安全。

3 基于分層模式的IVMS軟件系統(tǒng)架構(gòu)

改進(jìn)的IVMS因其功能需求的增加，使得軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程更為復(fù)雜。一個(gè)清晰、可擴(kuò)展、高效的軟件架構(gòu)將有利于更好地針對(duì)作戰(zhàn)需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、改進(jìn)與使用。

分層模式的架構(gòu)是目前最為流行，應(yīng)用最為廣泛的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法之一。它將系統(tǒng)劃分為若干層次，每一層解決問(wèn)題的一部分，通過(guò)各層的協(xié)作提供整體的解決方案。由于問(wèn)題得到分解，因此分層架構(gòu)具有良好的可擴(kuò)展性且易于維護(hù)。

針對(duì)IVMS功能多、交互關(guān)系復(fù)雜、面向不同飛機(jī)和作戰(zhàn)場(chǎng)景時(shí)需要擴(kuò)展內(nèi)容等特點(diǎn)，提出了一種基于分層模式的IVMS軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

3.1 系統(tǒng)總體軟件架構(gòu)

結(jié)合IVMS各功能之間邏輯交互關(guān)系，提出其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為交互層，決策層，規(guī)劃層，模型層以及數(shù)據(jù)庫(kù)層。該結(jié)構(gòu)中由下至上，數(shù)據(jù)庫(kù)層保存IVMS所需離線數(shù)據(jù)；模型層實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)集群和作戰(zhàn)場(chǎng)景的建模，并由飛機(jī)狀態(tài)和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化驅(qū)動(dòng)；規(guī)劃層實(shí)現(xiàn)突防規(guī)劃、編隊(duì)控制、能量管理、主動(dòng)重心控制、性能計(jì)算等主要功能決策層實(shí)現(xiàn)綜合能力權(quán)衡與決策；交互層主要實(shí)現(xiàn)與飛行員的信息交互，包括用戶設(shè)置接口，與決策結(jié)果顯示。

圖3 基于數(shù)據(jù)交互的IVMS系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 IVMS system architecture based on data interaction

3.2 各層次分析

1) 數(shù)據(jù)庫(kù)層

數(shù)據(jù)庫(kù)層主要包括飛機(jī)性能數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)、飛機(jī)基本數(shù)據(jù)3個(gè)部分，是飛行器進(jìn)行在線規(guī)劃與管理的離線數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

飛機(jī)基本數(shù)據(jù)部分主要包括有人機(jī)和無(wú)人機(jī)的：① 飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：飛機(jī)的展弦比、機(jī)翼展長(zhǎng)，機(jī)翼面積、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角、操縱面位置等；② 飛機(jī)氣動(dòng)數(shù)據(jù)：完整的飛機(jī)氣動(dòng)力系數(shù)、導(dǎo)數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、舵效等；③ 發(fā)動(dòng)機(jī)與燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：應(yīng)包含油箱結(jié)構(gòu)參數(shù)與位置，燃油傳輸流量，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率等；④ 飛機(jī)相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)：應(yīng)包含集群作戰(zhàn)全部飛機(jī)的武器、雷達(dá)及其他相關(guān)設(shè)備的數(shù)量、重量、位置、成本、射程等參數(shù)；⑤ 有人機(jī)的主要機(jī)電模型：包括綜合熱管理、電能管理、液壓能管理所需的飛機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)；⑥ 有人機(jī)的RCS曲線。

飛機(jī)性能數(shù)據(jù)部分主要包括有人機(jī)和無(wú)人機(jī)的：① 平飛推力數(shù)據(jù)：不同飛行高度、速度條件下平飛的發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力；② 發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)；③ 爬 升性能數(shù)據(jù)：某重量下不同高度、速度的最大爬升梯度/爬升率；④ 最優(yōu)巡航性能數(shù)據(jù)；⑤ 不 同重心、重量下飛行包線數(shù)據(jù)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)能量管理功能，還需構(gòu)建能量管理預(yù)選數(shù)據(jù)。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型數(shù)據(jù)部分主要包括：① 戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)空間；② 數(shù)字高程地圖數(shù)據(jù)；③ 敵防空威脅模型：對(duì)防空雷達(dá)、導(dǎo)彈、攔截戰(zhàn)機(jī)等建模；④ 雷達(dá)組網(wǎng)探測(cè)模型；⑤ 機(jī)場(chǎng)環(huán)境；⑥ 典型氣象模型；⑦ 作戰(zhàn)目標(biāo)信息數(shù)據(jù)。

2) 模型層

模型層是為了實(shí)現(xiàn)IVMS在線進(jìn)行任務(wù)、路徑等規(guī)劃功能，根據(jù)獲取的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、威脅，以及根據(jù)集群中每架飛機(jī)狀態(tài)信息建立數(shù)學(xué)模型。

3) 規(guī)劃層

規(guī)劃層是實(shí)現(xiàn)IVMS對(duì)飛機(jī)性能優(yōu)化與權(quán)衡最重要的部分，它可以并行實(shí)現(xiàn)突防決策與規(guī)劃、有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)規(guī)劃與控制、飛機(jī)主動(dòng)重心控制、機(jī)上綜合能量管理以及考慮故障與損傷的飛機(jī)性能在線計(jì)算功能。其中，飛機(jī)性能在線計(jì)算得到的修正性能如飛行包線等，將傳輸給其他功能作為規(guī)劃的約束條件。圖5和圖6分別為以突防決策與規(guī)劃功能和有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同規(guī)劃功能為例所構(gòu)建的軟件架構(gòu)。突防決策與規(guī)劃過(guò)程，在激活指令下，根據(jù)性能約束、戰(zhàn)場(chǎng)威脅及飛機(jī)當(dāng)前位置姿態(tài)，調(diào)用規(guī)劃約束函數(shù)，基于代價(jià)函數(shù)與數(shù)字地圖分別計(jì)算低空突防與隱身突防模式下的突防路徑，并根據(jù)突防收益函數(shù)計(jì)算結(jié)果決策突防模式，最后對(duì)確定的航跡平滑處理。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)層軟件架構(gòu)Fig.4 Database layer software architecture

圖5 突防規(guī)劃軟件架構(gòu)Fig.5 Penetration planning software architecture

圖6 協(xié)同規(guī)劃軟件架構(gòu)Fig.6 Collaborative planning software architecture

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同規(guī)劃功能，包括機(jī)群配置、隊(duì)形選擇與優(yōu)化、動(dòng)態(tài)任務(wù)分配和協(xié)同航跡規(guī)劃4個(gè)功能。根據(jù)飛機(jī)節(jié)點(diǎn)不同，激活的功能不同，飛行階段與激活標(biāo)志位對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示，標(biāo)志位為0代表不激活該功能。

4) 決策層

在整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程中，不同任務(wù)階段對(duì)IVMS的功能有不同的需要，因此，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)綜合能力權(quán)

表2 協(xié)同規(guī)劃功能激活標(biāo)志位Table 2 Function activation flag of collaborative planning

衡的決策層可以根據(jù)飛行階段與戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，決策階段任務(wù)、作戰(zhàn)目標(biāo)并對(duì)主要功能工作與否進(jìn)行調(diào)度，減少同一時(shí)間計(jì)算量，優(yōu)化IVMS計(jì)算速度。決策層軟件架構(gòu)如圖7所示。

5) 交互層

交互層是實(shí)現(xiàn)IVMS系統(tǒng)與飛機(jī)駕駛員的人機(jī)交互功能。用戶輸入可以通過(guò)按鈕/語(yǔ)音等形式設(shè)置結(jié)果顯示窗口的信息內(nèi)容如：應(yīng)飛航跡、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖、機(jī)內(nèi)載荷情況、編隊(duì)飛機(jī)位置與狀態(tài)等。

4 結(jié) 論

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，對(duì)戰(zhàn)機(jī)以及作戰(zhàn)機(jī)群的巡航、探測(cè)、突防、打擊等能力提出了更高更綜合的要求，IVMS作為一種對(duì)戰(zhàn)機(jī)物理和功能進(jìn)行綜合系統(tǒng)，可以有效提高戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)效能，減輕飛行員負(fù)擔(dān)。

本文基于作戰(zhàn)飛行任務(wù)分析了IVMS系統(tǒng)的功能，并在此基礎(chǔ)上提出了面向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同遠(yuǎn)程作戰(zhàn)場(chǎng)景的IVMS，并設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)交互的邏輯架構(gòu)和基于分層模式的軟件架構(gòu)，為進(jìn)一步對(duì)IVMS仿真分析和硬件設(shè)計(jì)提供了參考。

圖7 決策層軟件架構(gòu)Fig.7 Decision-making layer software architecture