蔣超 趙娜 聞子俠

摘要：為了促進(jìn)軍用無人機飛控技術(shù)的發(fā)展，本文對軍用無人機飛控技術(shù)進(jìn)行梳理簡述。首先針對軍用無人機平臺發(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；其次針對無人機發(fā)展趨勢現(xiàn)狀，對軍用無人機未來飛控技術(shù)的需求進(jìn)行了分類梳理，即高性能運算與控制能力、高帶寬互聯(lián)互操作能力、高容錯與環(huán)境適應(yīng)能力并對其中典型的飛控子技術(shù)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，同時對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

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

引言

無人機制導(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，對情報信息高度依賴。而無人機在執(zhí)行情報、監(jiān)視、偵察任務(wù)時具有自己獨特的優(yōu)勢：與有人機相比，無人機隱身性能好、續(xù)航時間長、無人員傷亡危險；與衛(wèi)星相比，無人機時效性、針對性和靈活性更強、分辨率高、預(yù)警時間短、成本費用低。因此，傳統(tǒng)的情報、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、監(jiān)視、偵察無人機也是各國現(xiàn)役無人機中數(shù)量最大、型號最多、使用最頻繁的一種。根據(jù)科技水平的發(fā)展和國際環(huán)境的變化對軍用無人機的發(fā)展特別是飛控技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。

1軍用無人機發(fā)展趨勢分析

1.1 無人機平臺發(fā)展兩極化

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

軍用無人機為了偵察以及監(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)航時間。因此，新一代高空長航時大型無人機的研究成了目前世界軍事強國的研究熱點，也是軍用無人機平臺發(fā)展的一個重要趨勢。

與此同時，由于微小型無人機具有重量輕、體積小、造價低、隱蔽性好、機動靈活等特點，其能夠監(jiān)視普通偵察機探測不到的死角，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和小分隊作戰(zhàn)，因而微小型化是軍用無人機平臺發(fā)展的另一重要趨勢。

1.2 無人機任務(wù)領(lǐng)域拓展多樣化

由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展推動和戰(zhàn)場多變復(fù)雜需求的牽引這兩方面因素，軍用無人機的任務(wù)領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展。各類針對任務(wù)的軍用無人機層出不窮：在對地作戰(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；在對海作戰(zhàn)任務(wù)方面主要有針對反水面艦艇、潛艇作戰(zhàn)；在對空作戰(zhàn)任務(wù)方面主要有打擊高價值空中目標(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）等多個領(lǐng)域。

1.3 無人機控制更加自主智能化

控制水平是無人機區(qū)別于有人裝備，實現(xiàn)無人操控和執(zhí)行各種任務(wù)的關(guān)鍵。目前，無人機的智能化水平還比較低，平臺控制方式主要以簡單遙控和預(yù)編程控制為主。但隨著計算機運算速度和存儲容量的飛躍式發(fā)展，以及相關(guān)的軟件、容錯、模式識別和自適應(yīng)推理等技術(shù)的巨大進(jìn)步，軍用無人機智能化水平正不斷提高，人機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作戰(zhàn)的靈活性。自主飛行航跡規(guī)劃技術(shù)實現(xiàn)在機載計算資源支持的范圍內(nèi)實現(xiàn)短延遲，甚至實時重規(guī)劃。該技術(shù)的發(fā)展一方面在于對任務(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載高性能計算技術(shù)的進(jìn)步，提高相同復(fù)雜度下規(guī)劃算法的運行速度。相關(guān)子技術(shù)包括飛機性能管理、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)是通過在飛機駕駛艙中安裝集成飛行知識圖譜的全時飛行輔助駕駛系統(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)、飛行知識形式化表達(dá)技術(shù)、復(fù)雜場景下的人機最優(yōu)協(xié)作技術(shù)以及高可靠機器手眼協(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)揮無人機飛行機動潛能，提高無人機個體作戰(zhàn)效能。將空戰(zhàn)決策與控制技術(shù)與“觀察—指引—決策—行動”（OODA）循環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在實時或者近實時條件下達(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、飛行控制指令自動生成及仿真評估。

2.1.4 變體控制技術(shù)

變體控制技術(shù)使無人機在飛行任務(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)包括后掠折疊機翼變體飛行器動力學(xué)模型建立、后掠折疊機翼變體飛行器機翼折疊過程控制、后掠折疊機翼變體飛行器非對稱變形模型評估及仿真評估。

2.1.5 高超聲速氣動彈性抑制技術(shù)

高超聲速無人機由于其飛行任務(wù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計上的要求，出現(xiàn)了很多常規(guī)飛行器從未考慮的氣動彈性問題。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彈性抑制能力。相關(guān)子技術(shù)包括高超聲速非定常氣動力計算、熱環(huán)境下的氣動彈性建模、推力影響下的氣動彈性穩(wěn)定控制。

2.2 高帶寬互聯(lián)互操作能力

2.2.1 艦載機自主著艦導(dǎo)引與控制技術(shù)

艦載機著艦控制是艦載機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其將機載設(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。艦載機自主著艦技術(shù)能夠降低著艦的危險，有效減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)。相關(guān)子技術(shù)包括自動著艦控制技術(shù)、自動著艦導(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)賦予無人機自動完成空中加/受油操作的能力，擴大無人機的續(xù)航能力，提高無人機的任務(wù)半徑，自主空中加/受油引導(dǎo)與控制技術(shù)解決加/受油機間復(fù)雜氣流環(huán)境下，高精度對接引導(dǎo)與控制問題。相關(guān)子技術(shù)包括加油流程規(guī)范制定、精確相對定位引導(dǎo)、緊密編隊抗擾控制、精密對接控制、防撞規(guī)避控制以及仿真評估技術(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“不怕犧牲”，廉價等優(yōu)點，在有人機的指揮控制下，前往“危險、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，同時將兩種作戰(zhàn)平臺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)距航跡機動調(diào)整技術(shù)。

2.2.4 多無人機自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

多無人機自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)使無人機具備在線動態(tài)規(guī)劃的功能，是無人機執(zhí)行偵察任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。多無人機自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)有利于提高整個多無人機系統(tǒng)的容錯性與可靠性，保證遇到突發(fā)威脅時，無人機可進(jìn)行自主任務(wù)重分配與航線重規(guī)劃，進(jìn)而不影響整個任務(wù)的完成，能夠很好地體現(xiàn)出無人機群的自主性與協(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)、編隊控制技術(shù)（隊形設(shè)計、隊形調(diào)整和隊形重構(gòu)）等。

2.3 高容錯與環(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)通過對專家系統(tǒng)和監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的綜合運用，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)建模和主動故障檢測，提高無人機的故障預(yù)測能力和任務(wù)可靠性，保證飛行安全，同時也有利于降低無人機的使用成本，合理安排維修計劃。相關(guān)子技術(shù)包括健康管理模型建立、故障預(yù)測對象分析、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，使無人機具備碰撞感知與規(guī)避能力，提升無人機使用的安全性。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)飛機的監(jiān)視和跟蹤、無人機間的安全間距控制，無人機散布控制等。

2.3.3 容錯控制與環(huán)境適應(yīng)

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

3結(jié)束語

通過國內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)研，結(jié)合軍用無人機特定作戰(zhàn)需求，從軍用無人機平臺能力出發(fā)，總結(jié)了軍用無人機飛行控制核心能力需求與關(guān)鍵技術(shù)特征，對新時代軍用無人機發(fā)展的新需求進(jìn)行梳理分析，提出了軍用無人機飛控技術(shù)發(fā)展所需的三大能力，即高性能運算與控制能力、高帶寬互聯(lián)互操作能力、高容錯與環(huán)境適應(yīng)能力，為后續(xù)軍用無人機飛控技術(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)西安飛行自動控制研究所，蔣超研究方向：無人機控制；趙娜，中國國際工程咨詢有限公司，研究方向：無人機裝備應(yīng)用與管理）