新一代飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)發(fā)展趨勢

楊衛(wèi)平

航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710075

制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（Guidance Navigation and Control，GNC）是航空航天領(lǐng)域的重要學(xué)科，是關(guān)系到我國國家安全與國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、前沿性高新技術(shù)。根據(jù)武器裝備和民用飛機技術(shù)發(fā)展的需要，最新的航空機載技術(shù)體系已將傳統(tǒng)的飛控技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)統(tǒng)歸到飛行器GNC 系統(tǒng)中，將其視作飛行器控制與管理的完整技術(shù)進行研究。一般認為，導(dǎo)航系統(tǒng)提供飛行器預(yù)定航跡、現(xiàn)實位置、姿態(tài)、航向和速度信息；制導(dǎo)系統(tǒng)利用導(dǎo)航信息和其它參考信息確定實時的導(dǎo)引指令（導(dǎo)引律）；控制系統(tǒng)則根據(jù)駕駛員指令、制導(dǎo)/導(dǎo)航信息計算出相應(yīng)的控制指令（控制律），并通過廣義操縱面對飛行器的上述運動參數(shù)進行穩(wěn)定和控制。因此，飛行器的GNC 系統(tǒng)是飛行安全和任務(wù)能力的核心關(guān)鍵，其功能、性能和可靠性對飛行器的飛行安全、任務(wù)效能、以及高對抗場景下的生存能力至關(guān)重要。

當前，隨著體系、網(wǎng)絡(luò)、信息成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭制勝主導(dǎo)因素，世界各主要強國不斷探索新概念、新技術(shù)、新理論在航空裝備研制與應(yīng)用方面的創(chuàng)新實踐［1］，催生出以分布式作戰(zhàn)、聯(lián)合協(xié)同作戰(zhàn)、馬賽克戰(zhàn)等為代表的新型作戰(zhàn)樣式和新質(zhì)作戰(zhàn)能力［2-3］。面向未來“海陸空天電磁”全域網(wǎng)絡(luò)化、體系化、智能化發(fā)展趨勢，航空飛行器在能力上的跨代升級應(yīng)突破傳統(tǒng)時空認知界限，實現(xiàn)全時、全域信息的實時感知、處理和分發(fā)，形成多維時空域平臺與資源的協(xié)同控制能力，支撐人類從使用者加速轉(zhuǎn)變?yōu)橹笓]者，由機器自主地甚至創(chuàng)造性地完成任務(wù)，最有效發(fā)揮人類的目的和意圖［4］。新質(zhì)作戰(zhàn)樣式的出現(xiàn)對航空機載系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)帶來了強勁的需求和牽引。在此大背景下，新一代飛行器GNC 系統(tǒng)呈現(xiàn)出綜合化、信息化、智能化的趨勢，并以“精確”和“自主”為核心特征，突出相關(guān)系統(tǒng)在對稱性戰(zhàn)爭的強對抗任務(wù)場景下應(yīng)具備高可靠、高安全能力。其中，“精確”的內(nèi)涵是飛行器要在強電磁干擾戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)中精準定位、精確到達、精確機動、高效協(xié)同；“自主”的內(nèi)涵是飛行器要在強對抗環(huán)境中不受敵方和外部干擾、不依賴外部信息，自主導(dǎo)航、自主決策，遂行高動態(tài)作戰(zhàn)任務(wù)。GNC技術(shù)發(fā)展將加速由“傳統(tǒng)分立系統(tǒng)獨立發(fā)展”轉(zhuǎn)變?yōu)椤癎NC 與計算、通信深度融合一體化發(fā)展”模式，以適應(yīng)航空裝備在人機混合協(xié)同任務(wù)場景下的新質(zhì)能力需求。

1 國外GNC 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

典型的GNC 系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1 飛行器GNC 系統(tǒng)功能架構(gòu)所示，GNC 系統(tǒng)是實現(xiàn)飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制、高精度位置解算、速度和航路運動自主規(guī)劃的重要核心系統(tǒng)。

圖1 飛行器GNC 系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of functional architecture of GNC system of aircraft

GNC 技術(shù)與軍事需求關(guān)系密切，世界各發(fā)達國家在該領(lǐng)域具有深厚的理論和工程積淀，且持續(xù)保持深化研究態(tài)勢。美國空軍將高可靠、抗干擾、高自主的GNC 能力視作裝備在復(fù)雜任務(wù)場景下維持作戰(zhàn)效能的核心能力，并在“技術(shù)地平線”報告中將自主系統(tǒng)、自主推理、復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)、合作/協(xié)同控制、自主任務(wù)規(guī)劃、冷原子慣性導(dǎo)航等16 項GNC 技術(shù)位列110 個關(guān)鍵技術(shù)中的最高優(yōu)先級［5-6］；以美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）為代表，各主要國家均在GNC 領(lǐng)域加速推進各項前沿技術(shù)研究項目，不斷提升導(dǎo)航系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)的綜合化、集成化水平［7-8］。與此同時，各國也通過軍方、國防部、科技部等渠道加強規(guī)劃的執(zhí)行和落地，廣泛布局傳感測量，導(dǎo)航應(yīng)用、先進制導(dǎo)、核心器件等技術(shù)研究，取得了一系列成果［9］，如表1 所示。

表1 國外在GNC 領(lǐng)域支持推進的重點項目Table 1 List of typical projects in GNC field abroad

1.1 慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種通過測量飛行器的加速度和角速度，并自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時姿態(tài)、瞬時速度和瞬時位置數(shù)據(jù)的技術(shù)［10］。它是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在運載體內(nèi)，主要包括慣性元件（加速度計和陀螺儀）和積分運算器等部分，通過測量慣性元件的加速度和角速度，經(jīng)過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導(dǎo)航定位的目的。國外慣性導(dǎo)航技術(shù)的研究可以追溯到20 世紀初，其發(fā)展經(jīng)歷了多個階段［11-12］。

第1 階段是早期的陀螺儀和加速度計的研發(fā)，這期間研發(fā)的陀螺儀主要利用了轉(zhuǎn)軸的定軸性原理，加速度計則通過測量加速度來進行積分運算得到位置信息；第2 階段是以牛頓定律為核心的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的研究；這期間出現(xiàn)了許多經(jīng)典的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，如陀螺儀、加速度計等，這些慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理是基于牛頓力學(xué)定律進行積分運算得到位置信息；第3 階段是慣性導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，這期間慣性導(dǎo)航技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事等領(lǐng)域，同時各種新型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，如激光陀螺儀、光纖陀螺儀、微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）陀螺儀等。

目前，慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第4 階段，其目標是實現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。未來，慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾個方向：首先是提高精度，這是慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，通過采用更先進的慣性傳感器（如冷原子陀螺等）和算法，提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，以滿足各種高精度導(dǎo)航的需求；其次是降低成本，隨著科技的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本已經(jīng)成為制約其應(yīng)用的一個重要因素，因此降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本成為了一個重要的研究方向；最后是實現(xiàn)小型化和集成化，隨著微電子技術(shù)和微機械技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器的小型化和集成化已經(jīng)成為了可能，未來慣性傳感器將會更加小型化和集成化，從而使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)更加緊湊和便攜。

從典型產(chǎn)品來看，西方發(fā)達國家的光學(xué)捷聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)進入全面應(yīng)用階段，累計生產(chǎn)了上萬套產(chǎn)品。標準級光學(xué)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的典型產(chǎn)品有Honeywell 公司基于激光陀螺GG1342 及GG1320的H423、H764G［13-14］，Northrop Grumman 公 司基于ZLG 零鎖區(qū)激光陀螺的LN100F、LN100G，Northrop Grumman 公司基于光纖陀螺的LN251、LN260 等。同時，光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)已成為支線飛機的主要裝備產(chǎn)品，其抗過載能力、可靠性和壽命遠遠高于撓性陀螺的系統(tǒng)。標準級導(dǎo)航系統(tǒng)的純慣性指標一直維持在1.48 km/h（圓概率誤差，Circular Error Probable，CEP，第1飛行小時）、0.8 m/s（均方根，Root Mean Square，RMS）的精度。在標準級導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上，美國等軍事強國通過器件、系統(tǒng)技術(shù)的不斷進步，發(fā)展了精密級導(dǎo)航系統(tǒng)，純慣性導(dǎo)航精度為0.19～0.38 km/h（CEP，第1 飛行小時）。表2 所示為當前國際上典型的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。

表2 國外典型的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品Table 2 Typical foreign inertial navigation products

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)作為現(xiàn)代科技的璀璨明星，已在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。國外衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展尤為突出，美國全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）都是具有代表性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［15-16］。

GPS 自1978 年開始部署，由24 顆衛(wèi)星組成，是全球最大的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 具有高精度、全天候、全球覆蓋等特點，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用等領(lǐng)域。在民用方面，GPS 用于智能手機、車載導(dǎo)航、無人機等設(shè)備，為人們提供了精確的位置服務(wù)。同時，GPS 在國際市場上也占據(jù)主導(dǎo)地位，成為許多國家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分。1996 年美國宣布實施跨度為10 年的GPS 現(xiàn)代化計劃，其目的是更新GPS 軍民用信號特征和整體性能、確保在提供GPS 全球服務(wù)和GNSS 全球應(yīng)用上的領(lǐng)先地位［17-18］。在GPS 現(xiàn)代化專項計劃中，重點是形成軍事應(yīng)用能力，計劃“2020 年要將M 碼送到戰(zhàn)斗員的手中”，并一直持續(xù)不斷地實施軍用GPS 用戶設(shè)備（Military GPS User Equipment，MGUE）增量計劃。

Galileo 是歐盟為擺脫對美國GPS 的依賴、打破其壟斷，于1999 年開始實施的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計劃。它由30 顆衛(wèi)星組成，是歐洲自主、獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。Galileo 系統(tǒng)擁有高精度、高可靠性和高抗干擾能力等特點，為歐洲及全球用戶提供了高質(zhì)量的位置服務(wù)［19］。

GLONASS 在經(jīng)歷前蘇聯(lián)解體、俄羅斯經(jīng)濟不景氣等20 多年的曲折發(fā)展歷程后仍然存活下來，由24 顆衛(wèi)星組成，是俄羅斯自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前也在著手進行現(xiàn)代化更新，確保其軍事價值［20］。GLONASS 系統(tǒng)在國際市場上占據(jù)一定的地位，尤其在獨聯(lián)體國家范圍內(nèi)具有較高的影響力［21-22］。

1.3 光電導(dǎo)航技術(shù)

機載光電導(dǎo)航是指利用安裝在飛機上的光電傳感器觀測地面景象、目標（如跑道、空中目標等），并利用景象、目標包含的先驗地理信息來實現(xiàn)載機定位與導(dǎo)航的一類技術(shù)［23］。在絕對導(dǎo)航方面，景象匹配導(dǎo)航最具代表性［24］。自2000 年以后，美軍從傳統(tǒng)的定位、導(dǎo)航，到強化時空體的概念，自主導(dǎo)航從解決定位、導(dǎo)航問題擴展至解決定位導(dǎo)航與授時（Position Navigation and Time，PNT）問題，圖像導(dǎo)航作為一種重要的自主導(dǎo)航信息源與精密慣性星光導(dǎo)航等手段并列為未來導(dǎo)航的主要方向［25］。在裝備研制方面，HONEYWELL公司于2020 年在阿古斯塔維斯特蘭公司的AW139 直升機上對景象匹配導(dǎo)航系統(tǒng)進行了試飛驗證，系統(tǒng)計劃于2022 年上市，2023 年開始交付用戶。同時期，波音公司也于2020 年進行了多源導(dǎo)航系統(tǒng)的試飛驗證工作，其中景象匹配導(dǎo)航作為重要的自主導(dǎo)航手段進行了系統(tǒng)性的驗證。在相對導(dǎo)航技術(shù)方面，利用高精度視覺測量技術(shù)，X-47B 完成了自主空加油近距離對接段對錐套的捕獲、識別、跟蹤、定位，實現(xiàn)了無人機自主對接加油。GE 公司研制了激光光場導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了對一定空域的激光覆蓋，進而對目標進行相對定位與編碼通信，是自主加油著陸／艦場景下的新型導(dǎo)航手段［26］。

1.4 仿生導(dǎo)航技術(shù)

仿生導(dǎo)航是對自然界不同動物利用自然地理條件和自身導(dǎo)航特性來進行導(dǎo)航定位的原理進行研究，并設(shè)計一種仿生導(dǎo)航傳感器來實現(xiàn)導(dǎo)航的一種新型導(dǎo)航技術(shù)［27］。近年來，隨著生物學(xué)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，認知導(dǎo)航和仿生智能導(dǎo)航取得了明顯的進步，谷歌DeepMind 在民用領(lǐng)域已取得一定進展。仿生導(dǎo)航及仿生物編隊技術(shù)也逐漸被國外從事導(dǎo)航研究的大學(xué)、機構(gòu)或公司所重視，相關(guān)研究工作在不同程度上受到各國航天部門或軍方的支持?！胺律鷮?dǎo)航新體制”能夠?qū)崿F(xiàn)無人機從“風(fēng)箏”到“候鳥”的智能升級，“機器群智能理論”則使機群能夠從“木偶戲”到“自導(dǎo)自演”的角色轉(zhuǎn)變。在導(dǎo)航定位細胞方面，美國科學(xué)家O’Keffe 和瑞典科學(xué)家Moser 發(fā)現(xiàn)了組成大腦“GPS”系統(tǒng)的導(dǎo)航定位細胞，并獲得了2014 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。2015 年美國國防部高級研究計劃局正式啟動FLA（Fast Light weight Autonomy）項目，該項目通過研究鳥和飛行昆蟲的仿生導(dǎo)航機理，力圖使微小型無人機系統(tǒng)能夠在無GPS 導(dǎo)航和通信鏈路支持的條件下，具備20 m/s 自主飛行導(dǎo)航能力，2017 年7 月完成第一階段的飛行試驗。2023 年，美國空軍將傳統(tǒng)的磁導(dǎo)航概念與人工智能相結(jié)合，在C-17A 飛機上完成了實時磁導(dǎo)航定位試驗，實現(xiàn)了公里級的導(dǎo)航定位精度。2023 年美國北極星公司推出了SkyPASS Gen3-N 產(chǎn)品，通過測量大氣偏振態(tài)和太陽方位角，在動態(tài)條件下實現(xiàn)了航向角優(yōu)于0.23°的解算能力。

1.5 多源導(dǎo)航信息融合技術(shù)

多源導(dǎo)航信息融合技術(shù)利用不同傳感器之間信息的冗余和特性的互補，通過優(yōu)化或估計等信息融合算法對各類導(dǎo)航信息進行融合，形成對于飛機導(dǎo)航信息的全局一致最優(yōu)估計，并能實時對傳感器數(shù)據(jù)異常進行檢測隔離，且實時對估計結(jié)果的性能特性進行評估［28］。根據(jù)所提供的導(dǎo)航信息，導(dǎo)航信息融合技術(shù)分為絕對導(dǎo)航信息融合、相對導(dǎo)航信息融合以及分布式導(dǎo)航信息融合三大類。

在絕對導(dǎo)航融合方面，隨著導(dǎo)航傳感器資源的不斷豐富，種類繁多、參數(shù)各異的導(dǎo)航信息給飛行員造成了越來越大的信息處理負擔，因此需要在應(yīng)用服務(wù)層對導(dǎo)航信息進行融合處理，為飛行員提供全局一致的導(dǎo)航信息［29-30］。在F-35 飛機上，基于卡爾曼濾波技術(shù)的導(dǎo)航信息融合算法已實現(xiàn)應(yīng)用。B-2A 飛機導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可融合外部衛(wèi)星信息、多普勒測速儀、雷達測量、高度表測量等數(shù)據(jù)，同時也可以與另外一套慣性／天文組合系統(tǒng)的測量信息進行組合。目前美軍正在開展基于概率因子圖和概率推理方法的全源導(dǎo)航融合算法研究，旨在促使信息融合通用化模塊化，實現(xiàn)即插即用的裝備能力［31］。該研究已經(jīng)在美空軍演示驗證項目中完成試飛驗證評估，定位精度達到10 m 量級［32］。

相對導(dǎo)航融合方面，當前自主空中加油、緊編隊飛行、精密全自動著艦依賴于精確的衛(wèi)星相對導(dǎo)航技術(shù)［33-34］。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助下，X-47B 完成了自主著艦和自主空中加油試驗。針對上星拒止、甚至射頻拒止環(huán)境下的自主相對導(dǎo)航技術(shù)，GE 公司研制了空中加油激光導(dǎo)航系統(tǒng)，并不依賴于GPS 系統(tǒng)，僅依靠激光定位技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)就解決了無人機自主空中加油的精確對接問題，因此其抗電磁干擾性能優(yōu)異［35-36］。

分布式導(dǎo)航融合方面，從20 世紀90 年代初開始，美軍就開始重視對機載分布式導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)注和研究，其中的系統(tǒng)架構(gòu)、信息融合策略、撓曲形變估計與補償、動態(tài)任務(wù)傳感器對準等相關(guān)技術(shù)的研究成果均表明機體結(jié)構(gòu)、航電傳感器和任務(wù)設(shè)備、武器系統(tǒng)性能之間存在著相互依賴關(guān)系，對整機作戰(zhàn)效能具有重要意義。在存在撓曲和振動的實際飛行驗證中，橫滾角、俯仰角、航向角的對準精度均滿足預(yù)期的1 mrad 設(shè)計指標，相對位置精度達到了預(yù)期的3 cm 精度目標。

1.6 飛行管理技術(shù)

飛行管理技術(shù)（Flight Management Technology，F(xiàn)MT）是指利用計算機、導(dǎo)航、通信等設(shè)備和程序，通過預(yù)先編程的飛行計劃和實時決策，實現(xiàn)飛機自動駕駛、自動導(dǎo)航和自動控制的技術(shù)，包括飛行計劃、導(dǎo)航管理、控制和監(jiān)視等功能［37］。飛行計劃功能根據(jù)飛行要求生成飛行計劃，并考慮飛機性能、氣象條件、機場設(shè)施等因素，進行優(yōu)化設(shè)計。導(dǎo)航管理功能通過接收和處理各種導(dǎo)航信息，包括慣性導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等，為飛行提供準確的定位和引導(dǎo)?？刂乒δ苁侵竿ㄟ^自動駕駛儀和飛行指引系統(tǒng)等設(shè)備，實現(xiàn)飛機的自動控制和穩(wěn)定。監(jiān)視功能則通過各種傳感器和監(jiān)視設(shè)備，實時監(jiān)測飛機位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)，以及氣象條件和空中交通狀況等，確保飛行安全。

自20 世紀90 年代以來，飛行管理系統(tǒng)（Flight Management Syetem，F(xiàn)MS）已逐步實現(xiàn)了四維導(dǎo)航能力，并將四維導(dǎo)航引導(dǎo)算法集成到飛行管理系統(tǒng)的性能管理功能中，涵蓋了起飛、爬升、巡航、下降、進近、自動著陸等飛行過程。同時，通過使用閉環(huán)控制，到達機場時間的誤差從1～2 min 級降低到了秒級。此外，隨著航空電子系統(tǒng)的高度綜合與集成，飛行管理系統(tǒng)已逐步集成為一個高度復(fù)雜的軟件功能，并駐留在集成模塊化航空電子（Integrated Modular Avionics，IMA）平臺中。為應(yīng)對日益增長的空中交通流量，國際民航組織提出了未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)（Future Air Navigation System，F(xiàn)ANS）的概念，該系統(tǒng)集成了通信、導(dǎo)航、監(jiān)視及空中交通管理。作為FANS 系統(tǒng)下的重要航空電子系統(tǒng)，飛行管理系統(tǒng)受到了歐美等航電設(shè)備供應(yīng)商的廣泛關(guān)注。他們已對此開發(fā)出了滿足FANS 功能要求的飛行管理系統(tǒng)，這類系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)鏈空地協(xié)同、場面引導(dǎo)、四維航跡精確控制等滿足新航行體系的關(guān)鍵技術(shù)，目前主流的波音、空客飛機均安裝有該類飛行管理系統(tǒng)。

1.7 先進制導(dǎo)與控制律

在制導(dǎo)與控制領(lǐng)域，目前國外以飛行控制功能為中心，以提高整機作戰(zhàn)效能為目標［38］，將各種與飛行相關(guān)的部組件和功能進行綜合設(shè)計，構(gòu)成飛行器管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)綜合飛行控制［39］。如：將飛行控制與發(fā)動機控制的功能綜合，形成推力矢量控制等，從而滿足飛行器高機動性和敏捷性要求，實現(xiàn)過失速機動和無憂慮操縱，提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性；將系統(tǒng)功能和物理綜合，實現(xiàn)對飛行器系統(tǒng)的綜合控制、決策管理、資源配置和診斷監(jiān)測，提供故障預(yù)測與健康管理［40］，提高自主式后勤保障能力。在新技術(shù)方法方面，先進控制理論諸如動態(tài)逆控制［41］、L1 自適應(yīng)控制［42］也已實現(xiàn)了工程應(yīng)用；創(chuàng)新效應(yīng)面的研究已進入試飛階段，射流控制已實現(xiàn)無人機首飛［43-45］，表明其技術(shù)成熟度已得到明顯提高；在智能控制方面，美國的X-62A 無人駕駛飛機的成功飛行，證明人工智能（Artificical Intelligence，AI）在代替人類飛行員執(zhí)行飛行器自主控制方面已獲得突破性應(yīng)用。面向復(fù)雜任務(wù)需求，基于開放式架構(gòu)，國外的先進飛行控制系統(tǒng)將向高度自動化、綜合化、智能化及體系化方向發(fā)展。

1.8 GNC 核心器件

在核心器件領(lǐng)域，歐美國家在新型傳感器、高效作動部件上持續(xù)創(chuàng)新。美國Northrop Grumman 公司從2005 年到2012 年歷時8 年，實現(xiàn)世界上體積最小的導(dǎo)航級陀螺，體積10 cm3，精度0.01（°）/h［46］，2017 年，該公司研制出基于核磁共振陀螺的量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（系統(tǒng)體積200 cm3，精度1.852 km/h，配置MEMS 加計），在空軍T-6B 教練機和海軍“獵戶座”反潛巡邏機上進行了獨立測試；法國巴黎天文臺的Landragin小組研制成功冷原子陀螺儀樣機，零偏穩(wěn)定性6.2×10-5（°）/h，采樣率為3.75，有待提高［47］；UC Berkeley 分校成功研制Φ6×60 cm3，靈敏度37 μGal/Hz1/2的冷原子重力儀［48］，法國Muquans公司原子重力儀表頭體積?38×70 cm3，靜態(tài)靈敏度50 μGal/Hz1/2，長期穩(wěn)定性優(yōu)于1 μGal；法 國Safran 公司半球諧振陀螺精度0.000 1（°）/h；美國密西根大學(xué)微半球諧振陀螺精度優(yōu)于0.01（°）/h；美國波音公司諧振環(huán)MEMS陀螺精度0.012（°）/h。作動部件方向上，美國已構(gòu)建42 MPa/540 V 直流高壓作動體系，實現(xiàn)了多源異構(gòu)作動能量優(yōu)化，突破高功重比電機、智能靈巧控制器等關(guān)鍵作動部件技術(shù)，并成功應(yīng)用于F-35、A380 等平臺；美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、波音、空客近年在變形機翼、柔性蒙皮等變體飛機作動控制技術(shù)方面取得顯著突破，已相繼完成試飛驗證。歐洲將六相容錯電機用于Vega-C 火箭推力矢量控制系統(tǒng)的機電作動器中，其輸出功率達30 kW，電機采用分數(shù)槽集中繞組，以抑制繞組故障蔓延，驅(qū)動器采用H橋拓撲，實現(xiàn)繞組之間的電隔離，出現(xiàn)故障時，切除故障相繞組，重構(gòu)剩余正常相繞組電流實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯運行［49］，英國紐卡斯爾大學(xué)為航空燃油泵設(shè)計了8 槽6 極四相永磁容錯電機，針對電機損耗大的問題，研究了不等齒寬定子鐵芯結(jié)構(gòu)［50-51］，并研制出100 kW 容錯電機；英國謝菲爾德大學(xué)為羅羅發(fā)動機公司研制了3×三相內(nèi)嵌式V 形轉(zhuǎn)子永磁輔助同步磁阻電機，電機最高轉(zhuǎn)速19 200 r/min、額定功率35 kW，并對比了電機正常工作、短路故障時的電磁轉(zhuǎn)矩輸出性能，試驗表明，該電機具備良好的匝間、相間短路抑制能力［52］。

此外，依托cFS（NASA）、FACE（美國海軍）、CODE（美國空軍）等項目，歐美國家加強了面向分布式綜合模塊化研發(fā)的新一代智能系統(tǒng)控制、決策與協(xié)同技術(shù)研究，加速完善以人工智能算法應(yīng)用為核心的軟硬件設(shè)施建設(shè)，為GNC技術(shù)跨代發(fā)展和顛覆性創(chuàng)新提供條件支撐。

2 中國技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與差距

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)以研究所和高校為代表，圍繞多種先進飛行器研發(fā)，持續(xù)推進各項研究和工程實踐，在部分技術(shù)領(lǐng)域已比肩世界一流水平，獲得了長足的進步。

在導(dǎo)航技術(shù)方面，國內(nèi)已基本形成了一定規(guī)模的研發(fā)生產(chǎn)能力，擁有一批國家級、省部級和行業(yè)級實驗室，研制出了面向各類平臺和應(yīng)用場景的，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器及系統(tǒng)。

在慣性導(dǎo)航技術(shù)方面，西方發(fā)達國家把慣性技術(shù)作為高度保密的軍用核心技術(shù)，禁止向中國出口和轉(zhuǎn)讓。從核心器件的類型發(fā)展來看，中國的慣性導(dǎo)航技術(shù)研究也經(jīng)歷了從傳統(tǒng)機械式陀螺（靜電陀螺、動力調(diào)諧陀螺）到光學(xué)陀螺（激光陀螺、光纖陀螺）、MEMS 傳感器的發(fā)展歷程，并且正在朝下一代核磁共振陀螺以及冷原子陀螺探索發(fā)展。

在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)方面，中國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，自1994 年北斗一號立項以來，歷經(jīng)26 年，實現(xiàn)了從無到有、從有源到無源、從區(qū)域到全球，現(xiàn)已成為國家重大空間基礎(chǔ)設(shè)施，為軍用和民用提供了不可或缺的導(dǎo)航保障。如圖2 所示，目前中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）性能跟其余三大主流導(dǎo)航系統(tǒng)表現(xiàn)趨同，在亞太地區(qū)其精度甚至高于GPS。

圖2 四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座平均PDOP 值（2022-01-01）Fig.2 Average PDOP values of four major satellite navigation system constellations（2022-01-01）

在光電導(dǎo)航技術(shù)方面，得益于近幾年民用無人機、智能駕駛汽車等領(lǐng)域的發(fā)展，與之相關(guān)的光電傳感器技術(shù)、信息提取技術(shù)及導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)研究發(fā)展迅速。在光電傳感方面，國內(nèi)從事研究和生產(chǎn)航空光電吊艙的各類企業(yè)主要有航空工業(yè)613 所、兵器工業(yè)205 所等。光電吊艙的主要功能還是面向搜索、探測、監(jiān)視等任務(wù)，導(dǎo)航并不是其核心功能，然而這些光電吊艙所提供的光電測量信息可應(yīng)用于導(dǎo)航。在后端應(yīng)用方面，航空工業(yè)自控所以自主空中加油、自主著陸任務(wù)為牽引，充分利用人工智能技術(shù)在視覺圖像、激光雷達點云處理領(lǐng)域的成果，開展智能"端到端"相對定位技術(shù)研究。聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，設(shè)計了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了對無合作標志目標的高精度定位問題，支撐了視覺導(dǎo)航技術(shù)在自主空中加油領(lǐng)域的應(yīng)用。針對視覺自主著陸引導(dǎo)技術(shù)，聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)翟正軍團隊，解決了跑道高精度識別與特征提取問題，并構(gòu)造慣性/視覺深組合模型，支撐了無人機視覺著陸引導(dǎo)。

在仿生導(dǎo)航技術(shù)方面，隨著仿生傳感器不斷成熟、人工智能加速融合，相關(guān)成果在航空機載任務(wù)場景中的應(yīng)用模式在不斷創(chuàng)新。目前，國內(nèi)仿生導(dǎo)航的主要研究目標是提升各類運動體在衛(wèi)星導(dǎo)航信號拒止環(huán)境下的自主導(dǎo)航能力，主要手段是綜合利用幾何空間內(nèi)的導(dǎo)航信息與拓撲空間內(nèi)的導(dǎo)航經(jīng)驗知識、導(dǎo)航拓撲空間關(guān)鍵節(jié)點的引導(dǎo)指令等，從而得到面向任務(wù)的導(dǎo)航指令集，按模式引導(dǎo)載體運動，在多個不同類型的仿生導(dǎo)航傳感器中進行數(shù)據(jù)融合，以混合式仿生導(dǎo)航系統(tǒng)形態(tài)確保導(dǎo)航精度。大連理工大學(xué)Chu 等［53］提出了模仿昆蟲偏振光敏感單元的改進型仿生光羅盤定向算法；國防科技大學(xué)Hu 等［54］研制了六通道點測式仿生光羅盤和基于相機的面測量式仿生光羅盤，并對多傳感器融合組合導(dǎo)航方法進行了深入研究；沈陽理工大學(xué)的郝永平等［55］提出了新一代小體積、大視角仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)；北京航空航天大學(xué)余翔等［56］受昆蟲復(fù)眼啟發(fā)將偏振光導(dǎo)航與地磁導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等結(jié)合，突破了復(fù)雜光學(xué)環(huán)境下仿生自適應(yīng)偏振導(dǎo)航傳感、仿生多傳感器三維空間復(fù)合干擾濾波、高動態(tài)仿生自主組合導(dǎo)航系統(tǒng)智能觸發(fā)設(shè)計與優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，完成了多型仿生組合導(dǎo)航樣機研制，經(jīng)固定翼無人機和高超飛行器飛行驗證，系統(tǒng)航向精度可優(yōu)于0.1°。航空工業(yè)自控所針對拒止環(huán)境下輕小型、低成本平臺的導(dǎo)航問題，聯(lián)合外界高校等團隊在仿生導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域開展了廣泛的交流和合作：針對偏振視覺導(dǎo)航技術(shù)，聯(lián)合國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院完成了自由曲面仿生偏振光樣機研制；針對偏振定向技術(shù)，聯(lián)合大連理工大學(xué)褚金奎團隊完成了偏振定向技術(shù)在機載導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用的論證及測試工作，推動了仿生偏振光導(dǎo)航在航空機載領(lǐng)域的設(shè)計及應(yīng)用。

在多源導(dǎo)航信息融合方面，國內(nèi)著眼飛機多用途、任務(wù)多樣化的導(dǎo)航需求，開展導(dǎo)航性能故障檢測、著陸/著艦相對導(dǎo)航技術(shù)和分布式導(dǎo)航技術(shù)研究。針對導(dǎo)航態(tài)勢環(huán)境建模需求，開展基于知識圖譜的面向高可靠導(dǎo)航的環(huán)境知識提取與表達方法研究，聚焦飛機導(dǎo)航系統(tǒng)難以精確建模、電波信息傳遞易受干擾等導(dǎo)致可靠性降低的關(guān)鍵問題，構(gòu)建PNT 系統(tǒng)與環(huán)境等外在因素的聯(lián)系，實現(xiàn)地標/目標識別與分析，以及對物理系統(tǒng)的PNT 相關(guān)態(tài)勢和知識表示，建立了導(dǎo)航知識庫，并實現(xiàn)了地標/目標的準確識別。針對自動著陸/著艦需求，參考美軍艦載機自動著艦規(guī)范，針對美軍自動著艦系統(tǒng)（Automatic Carrier Landing System，ACLS）和聯(lián)合精密進近與著陸系統(tǒng)（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）兩類著艦導(dǎo)引系統(tǒng)以及法國光電導(dǎo)航引導(dǎo)系統(tǒng)，從飛機著艦精度和飛行安全性角度出發(fā)，提出全自動著艦過程（包括復(fù)飛階段）的運行程序和導(dǎo)引信號的指標體系和指標要求，并從系統(tǒng)組成、指標、環(huán)境適應(yīng)性、運行程序復(fù)雜性等方面對比分析導(dǎo)引體制的優(yōu)缺點；分析著艦過程影響因素，提出針對不同因素的技術(shù)解決途徑和方法；分析 ALCS 系統(tǒng)雷達原始測量（斜距、方位角、俯仰角）的誤差模型，針對基于 GPS 和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）的JPALS 系統(tǒng)，完成著艦點估計、飛行路徑定義和導(dǎo)引指令計算的設(shè)計和仿真分析。解決了艦載機全自動著艦的飛行路徑定義，引導(dǎo)算法設(shè)計和誤差分配計算等工程問題。針對分布式導(dǎo)航技術(shù)，對機體典型結(jié)構(gòu)形變模型分析技術(shù)研究，通過對飛機典型機體結(jié)構(gòu)的建模分析，給出機體結(jié)構(gòu)形變的模型和特征參數(shù)，如傳遞函數(shù)（計算公式）、模態(tài)、頻率，開展飛機在靜態(tài)、爬升、巡航、俯沖拉起、武器投放、下降等飛行狀態(tài)中荷載作用下的振動（Vibration）、結(jié)構(gòu)撓曲（Structural Bending）的分析計算，解決了分布式導(dǎo)航技術(shù)機載適用性評價、濾波器參數(shù)優(yōu)化、精度評估等方面的難題［57］。

在飛行管理技術(shù)方面，中國科研院所針對所需導(dǎo)航性能（Required Navigation Perfermance，RNP）導(dǎo)航與完好性監(jiān)測技術(shù)，開展基于性能的導(dǎo) 航（Performance Based Navigation，PBN）和RNP 技術(shù)研究，針對 RNP 導(dǎo)航指標分解的難題，開展建模與仿真評估方法研究，并完成了飛行仿真驗證。同時還開展了民機大氣慣性完好性監(jiān)測工程應(yīng)用技術(shù)的合作研究，解決了多余度ADIRS 傳感器級、子系統(tǒng)級、系統(tǒng)級完好性監(jiān)測算法及工程應(yīng)用模塊研制，并完成了飛行仿真驗證。針對飛行引導(dǎo)與推力管理技術(shù)，解決了面向RNP AR 需求的水平及垂直引導(dǎo)算法設(shè)計；通過“垂直引導(dǎo)及推力管理技術(shù)”研究，完成了某型運輸機垂直引導(dǎo)方案設(shè)計，解決了垂直引導(dǎo)和升力補償?shù)碾y題。針對直升機戰(zhàn)術(shù)飛行管理技術(shù)，開展了著陸場識別技術(shù)研究，解決了直升機著陸場智能識別與最優(yōu)著陸場規(guī)劃的模塊設(shè)計，達到支撐仿真驗證的程度；完成航路規(guī)劃技術(shù)研究，解決了直升機貼地飛行航路規(guī)劃與動態(tài)重規(guī)劃模塊設(shè)計，并完成仿真驗證，達到支撐產(chǎn)品研制的程度［58］。

在制導(dǎo)與控制技術(shù)方面，數(shù)字電傳飛控技術(shù)已成為國內(nèi)新型飛機的標配，其設(shè)計與驗證已得到成熟應(yīng)用，大幅提升了飛行器的機動性能和飛行品質(zhì)；光傳飛控技術(shù)在國內(nèi)經(jīng)過30 余年的研究，局部光傳控制技術(shù)已被掌握，新一代光傳飛控系統(tǒng)已經(jīng)成功試飛，減輕了機身重量，提高了抗電磁干擾能力［59］。圖3 所示為新一代光傳飛控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，其中，REU 表示遠程電子組件。

圖3 光傳飛控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Optical flight control system architecture

在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計上，基本突破了基于總線的分布式體系架構(gòu)設(shè)計技術(shù)，研制出分布式綜合飛行控制系統(tǒng)，并采用多余度/非相似余度軟硬件配置與管理，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性［60］。圖4所示為基于時間觸發(fā)總線網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖4 基于時間觸發(fā)總線網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)Fig.4 Time triggered bus network distributed system

在綜合控制方面，國內(nèi)已掌握多操縱面綜合控制技術(shù)和最優(yōu)分配技術(shù)，相繼實現(xiàn)了大型飛機多操縱面的協(xié)調(diào)控制管理［61］；飛行器綜合飛行/推力控制一體化系統(tǒng)的工程應(yīng)用。通過將飛行控制與飛行器動力控制融為一體，顯著提高了飛行性能，擴大了飛行包線［62］。圖5 為典型的飛行器飛控系統(tǒng)與發(fā)動機一體化控制結(jié)構(gòu)圖。

圖5 飛發(fā)一體化控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of aircraft-engine design

在先進飛控部件技術(shù)方面，突破關(guān)鍵總線部件技術(shù)，提供高可靠傳輸能力［63］；研制射流管伺服閥，提高耐油液污染能力，降低相關(guān)子系統(tǒng)故障率，提高使用壽命；直接驅(qū)動閥式作動器已實現(xiàn)工程應(yīng)用，降低了靜態(tài)泄露，提高作動器可靠性［64］；串行背板總線計算機技術(shù)也已得到工程驗證，提高了計算性能和可擴展性。在控制律設(shè)計上，多模型解耦控制策略實現(xiàn)了工程應(yīng)用，解決強軸間耦合難題；受損情況下的飛行器自適應(yīng)重構(gòu)控制技術(shù)已獲得縮比試飛驗證。

此外，以西北工業(yè)大學(xué)、航天科技集團九院13 所等為代表的國內(nèi)優(yōu)勢單位依托各類基金和縱向渠道項目支持，通過加強與科研院所等機構(gòu)合作，顯著加速了基礎(chǔ)研究成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

表3 列出了導(dǎo)航與傳感領(lǐng)域的優(yōu)勢單位。其中，國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)在高精度慣性導(dǎo)航方向有較強研究實力和基礎(chǔ)；北京航空航天大學(xué)（航天）、航天科工集團三院33 所（彈載）、北京理工大學(xué)（陸用）在組合導(dǎo)航系統(tǒng)研制方向具有較強實力和特色；中船重工集團717 所在面向航海的天文/慣性組合導(dǎo)航方向處于領(lǐng)先水平；在慣性傳感器研制領(lǐng)域，國內(nèi)多家高校和研究所均率先布局了量子、半球等先進慣性傳感器研制，技術(shù)路線各不相同，整體處于快速追趕國外先進水平的階段。

表3 導(dǎo)航與傳感領(lǐng)域國內(nèi)優(yōu)勢單位Table 3 Advantageous institutes in field of navigation and sensing in China

在控制與作動領(lǐng)域，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校在飛行器控制方向上積累了豐富的理論和算法成果，并依托輕小型無人飛行器開展了一系列技術(shù)驗證；航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所、成都飛機設(shè)計研究所等主機單位在平臺飛行控制算法開發(fā)以及總體設(shè)計集成方向已具備相當實力；航空工業(yè)機載系統(tǒng)研制單位在伺服作動方向上主要以液壓作動產(chǎn)品研發(fā)為主，航天相關(guān)單位主要以短時間、抗輻射、大功率伺服作動產(chǎn)品研發(fā)為主，如表4 所示。

表4 控制與作動領(lǐng)域國內(nèi)優(yōu)勢單位Table 4 Advantageous institutes in field of control and actuation in China

2.2 差距分析

盡管中國目前在GNC 技術(shù)上進步顯著，但從整體技術(shù)實力和工業(yè)化水平上來看，與國外仍存在差距，主要體現(xiàn)在應(yīng)對飛行器長航時、大航程、大包線、高動態(tài)、不穩(wěn)定、多耦合、不確定、強干擾等挑戰(zhàn)上。

在導(dǎo)航領(lǐng)域，慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)在抗干擾和防欺騙方面仍有待提高，系統(tǒng)的完好性水平也需要進一步完善。盡管這種系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但在面對復(fù)雜環(huán)境和惡劣條件時，其性能可能會受到影響。因此，需要針對這些不足進行深入研究，提高系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。其次，導(dǎo)航綜合服務(wù)也需要快速發(fā)展。對于不依賴于衛(wèi)星的高精度自主導(dǎo)航性能和成熟度，面向體系作戰(zhàn)的跨域/跨平臺導(dǎo)航能力以及在復(fù)雜對抗環(huán)境下的導(dǎo)航能力，需要進行全面提升。這些能力的提升可以進一步提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和精度，以滿足不同場景和作戰(zhàn)需求。此外，基于量子傳感器的新型導(dǎo)航、仿生智能導(dǎo)航等顛覆性戰(zhàn)略前沿導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為了研究熱點。雖然這些技術(shù)在理論上具有很高的前景，但在實際應(yīng)用中仍需進一步研究和發(fā)展。目前，這些技術(shù)還處于先期理論研究階段，距離關(guān)鍵技術(shù)突破和工程應(yīng)用還有很大的差距。因此，需要加大投入力度，加強研發(fā)力度，推動這些技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。綜上所述，導(dǎo)航專業(yè)的發(fā)展仍面臨著一些具體的差距和挑戰(zhàn)。為了更好地滿足不同場景和作戰(zhàn)需求，需要不斷加強技術(shù)研究和創(chuàng)新，提高系統(tǒng)的可靠性和精度，推動導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。同時，也需要加大對新型導(dǎo)航技術(shù)的研究力度，積極推動這些顛覆性戰(zhàn)略前沿技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用進程。

在制導(dǎo)與控制領(lǐng)域，國外在現(xiàn)代控制理論工程應(yīng)用上已有成熟型號案例，也在X 系列驗證機上開展了先進控制算法的試飛驗證。美國的F-35 采用非線性動態(tài)逆控制架構(gòu)，提高飛行性能，減輕飛行員駕駛負擔，在進近模式使用直接升力控制，改善著陸精度。2016 年，針對空氣動力變化、舵效損失等情況，基于L1 自適應(yīng)控制在Air-STAR 通用縮比飛機上完成了飛行驗證，這也是L1 自適應(yīng)控制首次完成飛行測試。中國在自適應(yīng)控制技術(shù)工程化應(yīng)用方面尚處于縮比試飛驗證階段，距離成熟的工程應(yīng)用還有一定差距。此外，針對不同平臺和新型任務(wù)需求，在控制功能方面中國與國外先進技術(shù)相比，在技術(shù)成熟度上差距較大。波音空客的機型上均已成熟應(yīng)用陣風(fēng)減緩、機動載荷減緩等主動控制技術(shù)改善乘坐品質(zhì)。國外對于非常規(guī)布局飛行器已采用總體控制綜合一體化設(shè)計思路，確保飛行器性能利用最大化。美國已完成無人機自主著艦和自主加油，有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)試驗也已開展，無人自主等級提升走在前列?？傮w來說，與國外相比，國內(nèi)飛行控制系統(tǒng)在系統(tǒng)功能完備性，架構(gòu)自身開放性、可拓展性及性能穩(wěn)定性等方面仍有較大差距。

在核心器件領(lǐng)域，國內(nèi)量子傳感器起步相比國外較晚，受限于應(yīng)用牽引力度不夠、基礎(chǔ)原材料/器件及高性能測控系統(tǒng)等方面基礎(chǔ)薄弱等因素，超高精度/微小體積量子傳感器性能還存在部分欠缺，技術(shù)成熟度低，產(chǎn)業(yè)化尚處于起步階段，在整機集成和實際應(yīng)用方面進展緩慢，總體成熟度不高，工程化水平有待提高。伺服作動方向在全電、多電作動產(chǎn)品譜系化發(fā)展、整機功重比、能效管理等方面存在較大差距。適應(yīng)寬域自適應(yīng)高效飛行的作動技術(shù)不成熟，新型智能變體作動技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。作動執(zhí)行元件電機的電壓等級、功率等級、功重比較低，新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的應(yīng)用不足。在可靠性提升方面，針對繞組短路的拓撲研究較少，極端環(huán)境下的電機壽命較低，難以支撐空天領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

在GNC 共性通信與電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是面向未來任務(wù)場景的智能GNC 通信與計算能力維度，在機間協(xié)同通信控制、無線信號覆蓋廣度和精度、多頻信道利用率等方面差距明顯，而下一代機載高性能計算機平臺的研制工作也尚處于起步階段，目前完成的原理樣機旨在實現(xiàn)主要基本功能，對標任務(wù)模塊實時重組、分布式資源協(xié)調(diào)管理、多業(yè)務(wù)等級自適應(yīng)調(diào)整等潛在工況應(yīng)用需求的硬件能力仍然處于初級水準，對未來必然需要開展的人工智能算法開發(fā)運行、海量自主訓(xùn)練學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)識別調(diào)用等典型高算力工作任務(wù)的支撐力度尚顯不足。

與此同時，中國GNC 航空電子裝備在包括通信網(wǎng)絡(luò)接入安全、數(shù)據(jù)傳輸時延和有效性、寬容錯及并行計算重構(gòu)、計算/存儲資源動態(tài)均衡分配等可靠性與安全性指標維度層面仍然有很大改進空間，特別是在基本可靠性評估及單粒子效應(yīng)、高強度輻射場（High-Intensity Radiation Field，HIRF）、強電磁脈沖（脈沖武器、核爆電磁能量瞬態(tài)釋放）環(huán)境等貼近實戰(zhàn)應(yīng)用場景下，對于GNC 航空電子設(shè)備的數(shù)據(jù)仿真計算、完整防護設(shè)計、試驗驗證保障等能力不足，相關(guān)技術(shù)的成熟度及工程化應(yīng)用水準與國外先進水平相比，依然存在明顯差距。圖6 所示為為高強度輻射場試驗環(huán)境。

圖6 高強度輻射場試驗環(huán)境Fig.6 High-intensity radiation field test environment

面向以蜂群無人機為代表的微小型無人機裝備配置需求，由于在數(shù)字引擎、先進ASIC/SIP芯片等強相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的理論積淀與研制經(jīng)驗不足，以及對于微小型無人機裝備所必需的通信、計算、控制等技術(shù)的硬件整合與兼容能力欠缺，國內(nèi)智能GNC 航空電子裝備在高集成度、微小型化研制工作中盡管取得了一定的突破與積累，但對標國外先進水準，其在技術(shù)成熟度以及工程化應(yīng)用依然沒有脫離初級階段，因而在面向軍用飛行器型號的有效推廣程度方面所取得的進展也十分有限。

以上差距的客觀存在，使得國內(nèi)GNC 航空電子裝備在支撐飛控、導(dǎo)航兩大系統(tǒng)方面，僅有無人機自主起降、近距空戰(zhàn)決策與控制等智能技術(shù)的初步應(yīng)用，使得大多數(shù)航空裝備操縱仍以人工為主，單智能體與集群協(xié)同應(yīng)用的智能化水平較低。

3 GNC 技術(shù)發(fā)展趨勢

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、賽博空間戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)樣式牽引下，未來的GNC 技術(shù)發(fā)展要面向海陸空天電磁全域作戰(zhàn)場景，在各類武器裝備全面提升網(wǎng)絡(luò)化、體系化、智能化能力的牽引下明確發(fā)展目標，在任務(wù)層面、系統(tǒng)能力、核心部件、一體化綜合等方面實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。

3.1 裝備體系化聯(lián)合協(xié)同發(fā)展引領(lǐng)GNC 技術(shù)

美國自2016 年提出分布式作戰(zhàn)概念以來，以體系聯(lián)合、跨域協(xié)同、平臺互通為牽引的各類新型作戰(zhàn)概念層出不窮（如圖7 所示）。各種傳統(tǒng)裝備在新技術(shù)的賦能支撐下獲得了一系列的創(chuàng)新應(yīng)用和新質(zhì)能力，各類新概念同時又引領(lǐng)人工智能、量子信息、無線通信等技術(shù)發(fā)展方向，加速實現(xiàn)在各領(lǐng)域的快速迭代與成果孵化。

圖7 新作戰(zhàn)概念層出不窮Fig.7 New operational concepts are constantly emerging

當前，由陸、海、空、天、網(wǎng)、電多種力量聚合形成了具有松耦合、高內(nèi)聚、靈活多變特征的空中分布式戰(zhàn)術(shù)體系，所有作戰(zhàn)平臺通過發(fā)揮群體優(yōu)勢、共享態(tài)勢信息、共同戰(zhàn)術(shù)決策、共建殺傷網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)任務(wù)靈活部署、網(wǎng)絡(luò)彈性配置、資源統(tǒng)一調(diào)配、分布式殺傷等功能，進而實現(xiàn)體系賦能。

基于上述趨勢，GNC 核心能力發(fā)展方向可梳理為如下3 點：一是實現(xiàn)全時全域GNC 信息的自主精確感知與共享，支撐異構(gòu)平臺在多維時空域高效完成作戰(zhàn)力量與資源的調(diào)度和指揮，實現(xiàn)作戰(zhàn)力量配置由傳統(tǒng)的“編隊殺傷鏈”快速升級為“全域多平臺殺傷網(wǎng)”；二是面向人機混合任務(wù)需求，提升GNC 系統(tǒng)在復(fù)雜態(tài)勢感知、多源信息融合、高效人機交互、有人/無人協(xié)同［65］等方面的智能化水平，重構(gòu)人類與武器裝備的關(guān)系，不斷提升GNC 系統(tǒng)對人類作戰(zhàn)目的和意圖的理解與授權(quán)等級；三是加強無人系統(tǒng)自主導(dǎo)航與智能控制技術(shù)［66］、大規(guī)模集群管理與控制［67］、拒止環(huán)境下多體制通信與導(dǎo)航技術(shù)研究，滿足高強度拒止環(huán)境中協(xié)同偵察、戰(zhàn)力實時重構(gòu)以及體系攻防協(xié)同的新質(zhì)能力需求。

3.2 面向強拒止環(huán)境的全球高精度自主導(dǎo)航技術(shù)

根據(jù)導(dǎo)航戰(zhàn)概念，利用戰(zhàn)場電磁干擾、衛(wèi)星通信欺騙等手段，敵方可在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)對各類武器裝備形成衛(wèi)星拒止，導(dǎo)致當前以衛(wèi)星為核心的戰(zhàn)場導(dǎo)航與定位體系面臨極高的失效風(fēng)險［68］。在這種強拒止環(huán)境下，全球精確情報、監(jiān)視和偵察（Intelligence Surveillance Reconnaissance，ISR），精確打擊以及任務(wù)協(xié)同等方面的需求對飛行器的遠程久航、時空范圍拓展以及對抗環(huán)境下的精確導(dǎo)航提出了更高的要求，這促進了新一代飛行器的研發(fā)與技術(shù)更新［69］。

為了滿足這些需求，需要形成面向開放式模塊化航電系統(tǒng)架構(gòu)下的綜合PNT 解決方案［70］。其中，高精度自主導(dǎo)航技術(shù)的突破是關(guān)鍵［71］。自主導(dǎo)航技術(shù)依賴于先進的自主傳感器，如原子陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、高精度光學(xué)加速度計以及原子鐘等。這些傳感器在原理探索、樣機研制和測試加工等方面都需要持續(xù)研究推進，進一步提升其精度、穩(wěn)定性和可靠性。

另外，外部導(dǎo)航輔助傳感器［72］也必不可少。例如星敏感器、重力傳感器、磁場傳感器［73］、視覺、雷達（地形測高雷達和合成孔徑成像雷達）以及聲納定位與測圖等，這些都是可以利用的外部導(dǎo)航信號源。特別是對于射頻機會信號［74］，如廣播電視發(fā)射塔、地球衛(wèi)星、移動基站等地面和空中設(shè)施，以及低軌衛(wèi)星（Low Earth Orbit，LEO）［75］和地球同步軌道衛(wèi)星（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）等航天器，通過專門開發(fā)后提供的導(dǎo)航信號，可以大大提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、連續(xù)性和機載可用性。

數(shù)據(jù)融合算法和開放式數(shù)據(jù)接口標準也是綜合PNT 解決方案的重要組成部分［76-77］。在稀疏量測下的誤差精確估計和信息源即插即用是綜合PNT 的關(guān)鍵特性，這可以提升系統(tǒng)魯棒性和韌性，并降低跨平臺移植的成本。這將為飛行器在各種復(fù)雜環(huán)境下的精確導(dǎo)航提供強大的支持，從而有效地提高作戰(zhàn)效率，降低任務(wù)失敗的風(fēng)險。

以上是針對新一代飛行器遠程久航、全球精確情報、監(jiān)視和偵察（Inttlligence，Surveillance，and Reconnaissance，ISR），精確打擊以及任務(wù)協(xié)同需求，形成的面向開放式模塊化航電系統(tǒng)架構(gòu)下的綜合PNT 解決方案。這些技術(shù)的突破和應(yīng)用將為未來的飛行器提供更高效、更精確、更可靠的導(dǎo)航服務(wù)，滿足飛行器時空范圍顯著拓展和對抗環(huán)境下的精確導(dǎo)航要求，如圖8 所示為中國未來PNT 體系技術(shù)發(fā)展設(shè)想。

圖8 中國未來PNT 體系技術(shù)發(fā)展設(shè)想Fig.8 China’s PNT system technology development vision

3.3 智能化多體協(xié)同飛行器制導(dǎo)與控制

隨著空戰(zhàn)平臺數(shù)字化和作戰(zhàn)方式協(xié)同化趨勢不斷發(fā)展，戰(zhàn)斗機飛行員面臨嚴重的信息過載，無法適應(yīng)精準、高動態(tài)的空戰(zhàn)操作，因此必須加強人工智能與自動控制技術(shù)的深度融合，為機載環(huán)境下的算法優(yōu)化提供算力支撐。未來的飛行控制系統(tǒng)將以聯(lián)合作戰(zhàn)、體系作戰(zhàn)、信息攻防作戰(zhàn)為牽引，從單一的改善飛行品質(zhì)和減輕飛行員工作負擔（自動駕駛）向改善和提高飛機平臺性能、提高任務(wù)效率、自動化水平以及飛機生存力方向發(fā)展。因此，未來的智能多體協(xié)同飛行器將以高性能平臺、高可靠通信能力為支撐，以飛行決策、任務(wù)規(guī)劃、應(yīng)急處理和自主任務(wù)執(zhí)行能力為拓展，同時具備跨域融合及有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能力，以在減少對操作員依賴的同時，快速適應(yīng)復(fù)雜跨域環(huán)境中的作戰(zhàn)任務(wù)［78］。圖9 所示為多體協(xié)同飛行器制導(dǎo)與控制技術(shù)在各類典型任務(wù)牽引下的發(fā)展趨勢。

圖9 多體協(xié)同飛行器制導(dǎo)與控制發(fā)展趨勢Fig.9 Development trend of guidance and control of multi-body cooperative aircraft

在智能分布協(xié)同的空戰(zhàn)體系［79］頂層牽引下，聚焦跨代飛行器管理系統(tǒng)架構(gòu)，突破網(wǎng)絡(luò)式架構(gòu)和模塊化研發(fā)技術(shù)，設(shè)計交互框架，解決跨域異構(gòu)融合協(xié)作問題。有人/無人協(xié)同將成為復(fù)雜空戰(zhàn)的核心特征［80］，基于作戰(zhàn)視角［81］設(shè)計有人/無人協(xié)同控制決策框架［82］，結(jié)合深度學(xué)習(xí)開展實時性協(xié)同任務(wù)分配和航跡規(guī)劃［83］，合理設(shè)計復(fù)雜環(huán)境下協(xié)同制導(dǎo)與控制算法［84］，解決集群作戰(zhàn)耦合問題。高可靠的通信是多個飛行器協(xié)同工作的基礎(chǔ)，未來的通信技術(shù)將更加快速、可靠，以支持更廣泛的應(yīng)用，這包括5G、6G 和衛(wèi)星通信等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以確保高帶寬和低延遲的通信，使多體飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的協(xié)同工作，共享信息和協(xié)同完成任務(wù)。人工智能和機器學(xué)習(xí)將繼續(xù)推動多體協(xié)同飛行器技術(shù)的發(fā)展。未來的飛行器將采用更強大的人工智能和機器學(xué)習(xí)算法，以實現(xiàn)更高級別的自主決策和任務(wù)執(zhí)行。通過基于數(shù)據(jù)的動力學(xué)模型校正，及故障自監(jiān)測和自修復(fù)，機器學(xué)習(xí)可用于改善協(xié)同穩(wěn)定性及飛行性能；此外，機器學(xué)習(xí)也可以用于優(yōu)化資源分配和任務(wù)調(diào)度，以提高效率和任務(wù)完成速度［85］。先進飛行控制算法在飛行器上的應(yīng)用向自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)控制方向發(fā)展，隨著飛行器任務(wù)剖面多樣化和飛行環(huán)境復(fù)雜化，開展智能自適應(yīng)飛行控制技術(shù)、多操縱面控制分配技術(shù)研究，在拓展飛行包線的同時增加控制冗余度，提高飛控系統(tǒng)的安全可靠性；協(xié)調(diào)各操縱面的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)最優(yōu)的舵面控制效能與最佳飛行狀態(tài)，提升控制性能，解決飛行器在任務(wù)層面面臨的問題；面向典型任務(wù)場景，開發(fā)飛行安全保護和輔助決策功能，研究無憂慮飛行控制技術(shù)，建立基于知識庫的輔助決策智能化系統(tǒng)平臺，增強態(tài)勢感知與評估能力、提高任務(wù)執(zhí)行成功率、減輕駕駛員負擔［86］。

3.4 新一代GNC 先進核心部件發(fā)展

先進的系統(tǒng)部件是系統(tǒng)新質(zhì)能力的基礎(chǔ)和源頭。面向精確與自主要求，未來應(yīng)加強在新型傳感器、新原理構(gòu)型作動部件、以及與GNC 系統(tǒng)相關(guān)的通信、計算等技術(shù)方向的創(chuàng)新研究。

傳感器的發(fā)展重點是量子精密測量與傳感、高精度高可靠MEMS 及固體波動傳感等技術(shù)。其中，量子傳感技術(shù)面向武器裝備米級高精度自主導(dǎo)航定位和亞微秒級精確授時精度需求，以冷原子干涉陀螺［87］、核磁共振陀螺［88］、諧振式光量子陀螺［89］為代表器件，通過建立理論框架及誤差模型，結(jié)合力、熱、磁、光等多物理場綜合作用，實現(xiàn)對極弱微觀量子效應(yīng)信號的高精度提取，可提供全自主、高可靠、全維度的時空基準信息，實現(xiàn)小型化高精度武器平臺自主導(dǎo)航定位、長期累積定位誤差的匹配修正以及在無信息輔助條件下超高精度導(dǎo)航定位等，將傳統(tǒng)的航路導(dǎo)航作用擴展至對單機導(dǎo)航、武器協(xié)同、群體智能等全方位任務(wù)場景的支撐。圖10 和圖11 分別是美國斯坦福大學(xué)冷原子量子干涉系統(tǒng)和諾索羅普·格魯曼公司的核磁共振陀螺儀。固體振動傳感器技術(shù)面向航空武器裝備自主導(dǎo)航對精度、體積重量功率（Space Weight and Power，SWaP）、可靠性等性能需求，以半球諧振陀螺、諧振環(huán)微機電陀螺為代表器件，通過建立諧振敏感結(jié)構(gòu)的誤差模型，實現(xiàn)面向機載應(yīng)用環(huán)境的小體積、高抗載、低成本傳感器研制。

圖10 斯坦福大學(xué)冷原子量子干涉系統(tǒng)Fig.10 Cold atom quantum interferometric system of Stanford University

圖11 諾索羅普·格魯曼公司的核磁共振陀螺儀Fig.11 Nuclear magnetic resonance gyroscope of Northorop Grumman

作動部件的發(fā)展重點是多參量分布式精確傳感與驅(qū)動技術(shù)、寬域自適應(yīng)高效作動技術(shù)。其中，分布式精確傳感與驅(qū)動主要針對目前傳感精度不高、測量量單一、驅(qū)動安裝受限、智能化較低等關(guān)鍵問題，開展多參量分布式精確傳感與驅(qū)動技術(shù)的研究，突破溫度、壓力、位移等多參量“感、算、控、輸”四位一體精確測量與驅(qū)動技術(shù)，形成可適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、多物理量測量與驅(qū)動的集成化作動器，支撐未來新構(gòu)型飛行器研制；寬域自適應(yīng)作動主要面向復(fù)雜環(huán)境下強對抗作戰(zhàn)任務(wù)要求，針對當前飛行作動適應(yīng)性不強、多源作動效能較低、關(guān)鍵作動部件性能不足等問題，開展復(fù)雜條件下剛?cè)狁詈献鲃永碚撆c控制方法研究，電、液、氣多源異構(gòu)作動能量優(yōu)化方法研究以及電機、控制器、伺服閥等寬域高性能作動部件技術(shù)研究，支撐下一代高性能戰(zhàn)機平臺發(fā)展。

在智能GNC 通信與機載計算技術(shù)方面，基于未來任務(wù)場景，應(yīng)加大面向集群協(xié)同控制應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通訊、機間通信傳輸信道建模及波形體制、大規(guī)模多天線波束賦形、無線資源管理等先進通信技術(shù)的研究投入，重點發(fā)展面向智能控制的高性能計算［90］、開放性嵌入式高性能可組合計算架構(gòu)、異構(gòu)多核高性能計算模型［91］、面向任務(wù)的分布式資源協(xié)同管理、支持多業(yè)務(wù)等級的自適應(yīng)確定性網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)，為新一代GNC 先進核心部件實現(xiàn)高算力、靈活供給、任務(wù)能力敏捷生成等需求提供不可或缺的硬件能力支撐［92］。

在GNC 航空電子裝備的可靠性與安全性提升方面，重點開展網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制、動態(tài)路由分配、基于時間觸發(fā)機制［93］的多系統(tǒng)業(yè)務(wù)流量規(guī)劃等先進網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究，同時加強構(gòu)造面向戰(zhàn)術(shù)級自主任務(wù)的嵌入式計算性能標準測試集，提高嵌入式高性能計算技術(shù)實戰(zhàn)應(yīng)用效果，實現(xiàn)對計算系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能評估，研究容錯計算架構(gòu)及并行計算重構(gòu)［94］、計算/存儲資源智能化動態(tài)分配均衡技術(shù)，并依托對于降低電子功能模塊設(shè)計驗證復(fù)雜度、單粒子效應(yīng)/復(fù)雜電磁環(huán)境下軟性錯誤的抑制與適應(yīng)、航空電子可靠性試驗加速因子生成方法等方面的深入研究，探索GNC 航空電子裝備在各類工況下滿足系統(tǒng)安全、性能、管理等方面工作任務(wù)需求的模擬驗證能力，最終用于正向指導(dǎo)GNC 航空電子裝備可靠性與安全性的設(shè)計能力提升。

同時，面向無人機裝備微小型化、智能自主化、任務(wù)多樣化的客觀發(fā)展趨勢，新一代智能航空GNC 技術(shù)應(yīng)積極拓展通信、計算能力，持續(xù)聚焦數(shù)字引擎、系統(tǒng)級封裝（System in Package，SIP）、專用集成電路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）［95］等核心技術(shù) 攻關(guān)，并借鑒在人工智能、量子通信與計算［96］、新型復(fù)合材料與生產(chǎn)工藝等前沿領(lǐng)域的最新研究應(yīng)用成果［97］，加快突破高集成度、高兼容性、微型化、輕量化、集群協(xié)同［98］、復(fù)雜任務(wù)環(huán)境下生存適應(yīng)能力等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，在改進提升功能模塊化組合、寬域任務(wù)適配性水平的基礎(chǔ)上，進一步加大在軍用、民用無人飛行器市場領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，以更好支撐飛控、導(dǎo)航兩大系統(tǒng)的未來發(fā)展需求。

3.5 下一代飛行器控制管理架構(gòu)與GNC 一體化融合設(shè)計技術(shù)

面向未來飛機平臺對飛行性能不斷提升，作戰(zhàn)任務(wù)不斷變換與迭代的需求，將飛行器的飛行任務(wù)控制與飛機載荷任務(wù)控管理進行區(qū)分是為下一代飛行器系統(tǒng)發(fā)展的趨勢之一［99］。為應(yīng)對提升飛行任務(wù)控制能力需求，需要將飛行器中完成飛行任務(wù)的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制能力融合在一起。通過對自主飛行器的分層遞進結(jié)構(gòu)控制體制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同導(dǎo)航與控制、面向不同飛行平臺的任務(wù)體系架構(gòu)與綜合設(shè)計等技術(shù)研究，滿足飛行器在跨速域、跨空間域、跨任務(wù)域的協(xié)同與控制需求，確保飛行器能夠適應(yīng)不確定環(huán)境、任務(wù)/目標隨機變化、少依賴甚至不依賴通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)娜祟愔噶?，并且具有人機交互、在線重規(guī)劃和自學(xué)習(xí)等功能，有力支撐面向不同任務(wù)平臺的新裝備開發(fā)。如旋翼飛行器在復(fù)雜地形和退化視覺環(huán)境（Degraded Visual Enviroment，DVEs）執(zhí)行飛行作戰(zhàn)任務(wù)的挑戰(zhàn)，美國陸軍努力將全天候傳感器、人機交互/自主決策、基于性能制導(dǎo)以及飛行控制結(jié)合在一起，以實現(xiàn)在DVEs 條件下，地形導(dǎo)航、應(yīng)激性避障、選擇著陸地點和自主著陸等一系列自主飛行能力，為未來飛行員增強態(tài)勢感知，降低駕駛負擔［100］。

圖12 為EH-60L 飛機上的任務(wù)自適應(yīng)架構(gòu)（Mission Adaptive Architecture，MAA），其由改進的任務(wù)管理軟件（Mission Manager）、APAFCS（Autonomous Partial Authority Flight Control System）和硬件組成。

圖12 EH-60L 飛機任務(wù)自適應(yīng)MAA 架構(gòu)Fig.12 EH-60L aircraft mission adaptive MAA architecture

為實現(xiàn)上述飛行任務(wù)，需要將傳統(tǒng)的導(dǎo)航、飛行管理、飛行控制、推進控制及機電管理等系統(tǒng)按照整體飛行任務(wù)需求進行綜合化設(shè)計，在任務(wù)層級聚焦飛行員應(yīng)用需求進行優(yōu)化設(shè)計達到全局最優(yōu)目標，將以往單一、分散實現(xiàn)的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制等技術(shù)進行綜合化實現(xiàn)，構(gòu)建完整“飛行器控制與管理”系統(tǒng)。在此過程中采用系統(tǒng)架構(gòu)、平臺設(shè)計、容錯和領(lǐng)域建模等先進技術(shù)，重點發(fā)展基于模塊化任務(wù)、開放式架構(gòu)的飛行器控制與管理平臺設(shè)計能力，提升系統(tǒng)總體規(guī)劃設(shè)計與驗證能力，實現(xiàn)低成本、高效、易拓展升級的可復(fù)用系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)平臺，支撐各項高性能飛行任務(wù)的完成。如美國卡耐基梅隆大學(xué)和Adventium實驗室正在積極開展以架構(gòu)為中心的虛擬綜合流 程（Architecture Centric Virtual Integration Process，ACVIP）［101］，其以系統(tǒng)架構(gòu)為中心，從需求、安全、實時性等維度開展架構(gòu)建模和權(quán)衡分析，支撐架構(gòu)虛擬綜合驗證；NASA 開展先進機載系統(tǒng)與軟件項目，以實現(xiàn)開放式架構(gòu)為目標，允許多個供應(yīng)商在統(tǒng)一架構(gòu)和接口定義下提供模塊化的軟硬件功能產(chǎn)品，并可通過技術(shù)更新來實現(xiàn)系統(tǒng)功能版塊的快速升級，經(jīng)濟高效地驗證使用新技術(shù)［102］；歐洲的德國斯圖加特大學(xué)提出基于平臺系統(tǒng)研發(fā)，降低系統(tǒng)開發(fā)難度和成本，通過構(gòu)建平臺架構(gòu)提供系統(tǒng)平臺管理和應(yīng)用程序分離、透明［103］。

在系統(tǒng)物理架構(gòu)實現(xiàn)構(gòu)方面，分布式和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)是系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)的普遍趨勢，但如何應(yīng)用總線通訊簡化系統(tǒng)組件之間通訊設(shè)計、提升系統(tǒng)應(yīng)用組件實現(xiàn)的確定性并確保系統(tǒng)的安全性和可靠性，依然系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)不懈努力的方向。從早期采用以硬線通訊為主，以ARINC429 總線、1553B 等低速總線為輔等二代、三代飛行控制系統(tǒng)物理架構(gòu)；到目前美國以1394B 高速通訊總線為核心的分布式飛行器管理系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)組件之間通訊能力都得到質(zhì)的提升。但是面對下一代系統(tǒng)發(fā)展需求，系統(tǒng)的范圍和組件之間通訊訴求向著功能多樣化、通訊可配置、硬件統(tǒng)一化、應(yīng)用成本低等方面發(fā)展。自主飛行器的核心計算架構(gòu)如圖13 所示。

圖13 自主飛行器的核心計算架構(gòu)Fig.13 Core architecture of autonomous aerial vehicles

進入21 世紀，歐美在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上不斷開展?jié)M足安全關(guān)鍵功能應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究與應(yīng)用，如TTP、AFDX、TTE 等網(wǎng)絡(luò)，在此過程中還引入時間觸發(fā)概念以提升網(wǎng)絡(luò)通訊的確定性乃至系統(tǒng)運行的確定性，避免系統(tǒng)組件之間涌現(xiàn)性行為導(dǎo)致偶發(fā)問題出現(xiàn)。如美國在航天器機載系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程中采用TTEthernet 技術(shù)，該項目美國宇航局先進演示系統(tǒng)（Advanced Electronic System，AES）計劃中航空電子和軟件（Avionics&Software，A&S）項目的一部分［104］；在航空領(lǐng)域，霍尼韋爾相關(guān)專家也對航空與航天網(wǎng)絡(luò)配置方案特點進行了論證［105］，柯林斯航空航天針對新一代飛機提出了MOSARC 機載電子解決方案，能夠確保提供低成本、低風(fēng)險、可認證的時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Network，TSN）安全技術(shù)［106］。

4 發(fā)展建議

在技術(shù)層面，堅持探索新思想、新概念、新原理、新方法、新材料，解決武器裝備研制過程中的基礎(chǔ)技術(shù)問題，為突破性創(chuàng)新和形成能力奠定基礎(chǔ)。GNC 技術(shù)的未來發(fā)展整體趨勢是智能化、自主化、模塊化、綜合化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、靈巧化、微小化，其發(fā)展方向與實際應(yīng)用關(guān)系密切，應(yīng)始終以飛行器的創(chuàng)新應(yīng)用為根本需求，為其發(fā)展指明方向。此外，應(yīng)抓住當前新興技術(shù)蓬勃發(fā)展的歷史機遇，強化基礎(chǔ)科研成果與工程研究的轉(zhuǎn)化與融合。例如，加強量子信息技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)的融合，在導(dǎo)航戰(zhàn)下提供與衛(wèi)星導(dǎo)航精度相當?shù)慕^對定位、導(dǎo)航與授時能力，為跨域作戰(zhàn)提供全自主、高可靠、全維度的時空基準信息，實現(xiàn)高精度武器裝備平臺自主導(dǎo)航定位、長期累積定位誤差的匹配修正以及在無外部信息輔助條件下超高精度導(dǎo)航定位等，將傳統(tǒng)的航路導(dǎo)航擴展至對單機導(dǎo)航、武器協(xié)同、群體智能等全方位任務(wù)場景的支撐；加強人工智能技術(shù)與制導(dǎo)控制技術(shù)的融合，從智能動力學(xué)建模、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)飛行控制［107］、智能輔助決策、人機控制權(quán)限分配等方面著手，提升飛行器單機自主化程度，使飛行員將更多的精力集中于戰(zhàn)斗任務(wù)，實現(xiàn)飛行員角色向戰(zhàn)斗員的轉(zhuǎn)變，以此為基礎(chǔ)進一步加強多智能體協(xié)同感知、人機協(xié)同決策與自主規(guī)劃、多機自主協(xié)同控制等，將飛行控制提升到飛機任務(wù)層面，提高航空裝備在復(fù)雜環(huán)境中的感知能力和快速響應(yīng)能力，使航空裝備從“數(shù)據(jù)優(yōu)勢”“信息優(yōu)勢”“知識優(yōu)勢”到“決策優(yōu)勢”的飛躍，提升飛機綜合任務(wù)能力［108］。

在創(chuàng)新機制建設(shè)層面，以國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略為引領(lǐng)，不斷完善科技創(chuàng)新環(huán)境，依托國家各項計劃和渠道資源支持，建立由高等院校、科研院所、工業(yè)部門共同構(gòu)成的科技創(chuàng)新全生命周期創(chuàng)新體系。積極推動創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、人才鏈的深度融合，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，圍繞創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈［109］，推進體系化、分布式的國家級創(chuàng)新體系建設(shè)，加速組建跨領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新基地和創(chuàng)新聯(lián)合體，促進基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和技術(shù)創(chuàng)新融通發(fā)展，發(fā)揮重大工程項目牽頭單位的引領(lǐng)作用，廣泛聯(lián)合行業(yè)上下游、產(chǎn)學(xué)研用力量，在前沿技術(shù)探索和關(guān)難瓶頸問題兩方面實現(xiàn)聯(lián)合攻關(guān)，解決跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的共性技術(shù)問題，形成一批具有引領(lǐng)性的自主原創(chuàng)成果［110］。在聯(lián)合高校與國防科技工業(yè)部門的過程中，重點要做好3 項舉措：一是強化與航空裝備應(yīng)用部門的溝通聯(lián)系，共同參與跟進新型作戰(zhàn)概念研究，主動捕獲裝備發(fā)展趨勢，引領(lǐng)和指導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新方向；二是以科研院所為主，聯(lián)合高等院校積極組建專門面向基礎(chǔ)性、前沿性技術(shù)創(chuàng)新的開放式研究機構(gòu)，將最前端的原創(chuàng)技術(shù)成果引入具有確定應(yīng)用需求的創(chuàng)新方向上，加速實現(xiàn)對最先進技術(shù)成果向GNC 領(lǐng)域的引入和孵化；三是構(gòu)建完備的協(xié)同創(chuàng)新機制，充分發(fā)揮國家、行業(yè)創(chuàng)新體系的創(chuàng)新潛能，凝聚國內(nèi)外導(dǎo)航與控制技術(shù)領(lǐng)域優(yōu)勢創(chuàng)新資源，統(tǒng)籌推進基礎(chǔ)研發(fā)能力建設(shè)與聯(lián)合，加速形成優(yōu)勢互補、緊密協(xié)同的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，打造與國內(nèi)外各級創(chuàng)新平臺的良性互動和高效協(xié)同的技術(shù)創(chuàng)新節(jié)點，培育一流人才隊伍，為航空裝備技術(shù)發(fā)展提供不竭動力。