文章编号:1671-637 (2006)06 0028 04
刘小雄, 章卫国, 李广文, 李爱军
(西北工业大学自动化学院，西安 710072)
摘 要: 从未来无人机的性能需求出发，详细描述了无人机编队飞行的功能特点和核心技术。根据无人机的任务要求，将编队飞行分为作战编队、侦察编队和混合协同编队，同时研究了编队飞行控制的关键技术，并对无人机编队重构技术进行了探讨和分析。
关 键 词: 无人机; 编队飞行; 飞行控制; 编队重构
中图分类号: V279 文献标识码: A
Discussion on autonomous formation flight
control technique of UAV
LI U Xiao-xiong, Z HANG Wei-guo, LI Guang-wen, LI Ai-jun
(College o f Automation,North western Polytechnical University,Xi an710072,China)
Abstract: According to performance require ment for future unmanned air vehicles(UAV),the functional features and core technologies of UAV formation flight are described in detail.Formation flight of UAV can be divided in scout formation,combat formation and cooperative formation according to flight mission requirement of UAVs.The critical technologies for UAV formation flight control is also studied,and formation reconfigura tion is discussed in the end.
Key Words: unmanned air vehicle(UAV); formation flight; flight control; formation reconfiguration
0 引言
在军事领域，无人机主要执行复杂的空中预警、通讯中继、电子干扰、拦截战区导弹、对地攻击等任务，在执行任务中可以减少人员的伤亡，还具有超高过载的机动能力，有利于攻击和摆脱威胁。在民用领域，无人机可以完成资源勘测、灾情侦察、通信中继、环境监测等繁重重复或具有一定危险性的任务。为了提高无人机的作战效率，拓宽其使用范围，科学研究者们模仿生物的某些能力，提出了无人机编队飞行的概念，使得无人机能编队飞行，空中加油，协同完成监视、侦察、作战等任务[1]。这种飞行可以弥补单架无人机执行任务时所不能克服的问题[2]。
收稿日期:2005 07 27 修定日期:2005 09 26
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基金项目：教育部985(一期)资助
作者简介：刘小雄(1973 )，男，陕西周至人，博士生，主要研究方向为飞行控制、计算机控制与冗余容错技术。1 无人机编队飞行特点
无人机编队飞行，就是将多架无人机按照一定的队形进行排列，并使其在整个飞行过程中保持队形不变。当某架无人机因敌人的通信干扰或者受到攻击而掉队失踪，其余的飞机就应该能立即填补它留下的空缺。编队飞行的无人机能通过信息共享在飞行中改变原有队形，自主地对突发事件做出反应。机中的所有飞机都要在执行任务时根据面临的具体情况来分担各自的任务[3-4]。
1.1 功能特点
根据无人机完成任务的功能特点，将无人机的编队飞行划分为作战编队、侦察编队和混合协同编队。
作战编队就是无人机在执行作战任务时，合理地协调多架无人作战飞机之间的攻击行为，使得作战资源得以合理运用，获得较高的作战效能。同时在攻击的过程中，还要根据我机的武器效能、生存力、武器资源的变化情况，实时调整协同攻击的策略，改变攻击队形，即在复杂、动态和不确定的空战
第13卷第6期2006年12月 电光与控制
E LECTRONICS OPT ICS&C ONTROL
Vol.13 .6
Dec.2006
环境下，协同实现攻击多个目标。同时作战编队的无人机具有纵深攻击和拦截能力，可对战场纵深的各种目标进行拉网式搜索，可从隐蔽地对目标进行打击，具有主动搜索和主动攻击能力。一旦发现目标，多架无人机可携带数枚拦截导弹，将处于起飞段的来袭导弹摧毁或对隐蔽的敌方战术导弹实施主动攻击。由于现代武器沿战场纵深疏散配置，从而形成相当大的目标区域，现有的点杀伤和面杀伤手段都各有其局限性。而编队飞行的无人机由于数量大，价格低，可多管发射和集作战，既满足了对点目标的精确打击，又保证了对面目标的火力覆盖，从而形成饱和攻击能力。
侦察编队就是多架无人机共同进行侦察任务，通过数据中继，将敌方的情报资料传输到我方，这种编队队形是采用松散编队。采用侦察编队可以提高任务的效率，扩大任务半径，有效地侦察到移动的或者未知的目标。例如，一架无人机在飞行中摄取一个地点的雷达图像，然后，把目标的坐标位置传输给另一架无人机来完成模拟轰炸攻击。据报道，在科索沃战争中，卫星不能透过云层观察，无法提供情报。尽管侦察卫星能识别静止目标，但在跟踪移动目标上非常不可靠。因此，侦察型无人机的使用价值已得到普遍的共识。在未来战争中，编队飞行的侦察型无人机将成为侦察卫星的重要补充与增强手段。无人机可以渗透到离信息源尽可能近的位置，获得像步话机式移动电话的那种低功率信息情报，
而卫星却不能；由于无人侦察机的飞行高度低(相对于卫星)，所以其观察地面目标的分辨率高，不易受目标区域上空云层等的影响。
混合协同编队是对未来战争的一种构思。在以往的战争中，通信卫星、军舰、战斗机、坦克等平台依靠自身的探测装置和武器单点战斗，互相之间缺少联系。近年来，提出混合立体式协同作战的概念，即通过网络化实施各种军事行动，混合立体式协同作战是把各种传感器、武器系统、指挥控制系统通过网络化而有机地联系在一起，以实现信息共享，从而从整体上产生高效的协调，大大提高作战效能。从而形成一种 侦察卫星 载人飞船 预警机 战斗机/军舰 战略导弹 无人机 作战大系统。同时在作战中无人机是对预警飞机和地面其它预警手段对战场监视能力的补充。美国海军计划部署无人机与巡逻机组合的一体化飞行中队。此外，美国海军未来的概念机载预警和电子战无人机也可能与有人驾驶的飞机中队进行对接。
由此看来，发展大规模的无人机已是必然的趋势。它将成为有人战斗机或导弹之间的另一类型。有了这类武器，指挥员便可以多一种选择，具有更大的灵活性。
1.2 技术特点
在实际空战中，编队战术通常是以基本的两机编队为单元，按照层级的概念建立起大规模的飞机编队。最基本的两机编队主要有两种，即双机一字编队和双机翼形编队。一字编队队形是指僚机在长机(
前15 到后20 )的区域内飞行，与长机保持1~2 km的距离，这种队形具有好的攻击性和防御性，但牺牲了一定的操纵性，适合于高空；翼形编队(也叫V行编队)队形是指僚机在长机(后30 到后60 )的区域内飞行，与长机保持1~2km的距离，这种队形整体操纵性良好，却牺牲了一定的攻击性和防御性，适合于低空。
编队飞行的关键研究课题包括自适应决策制定、优化和实时路径规划、队形设计、人机交互、信息互换和传递、编队控制、编队重构等。其中编队飞行控制是编队飞行的重点和核心技术[10]。
2 自主编队飞行控制
自主编队飞行控制的任务就是使得各个无人机稳定在指令给定的相对位置上，保持优化的编队结构，保证无人机在涡流的影响下仍能按照预定任务飞行，具有良好的飞行鲁棒性。
2.1 自主编队飞行须要解决的问题
自主编队飞行控制主要解决的问题是：飞机之间相对位置的保持，航迹的规划以及编队飞行的几何坐标问题，同时还需要考虑并行飞行的无人机翼尖之间的涡旋和尾旋，充分有效地利用空气动力学知识，用良好的控制方法，可有效地利用涡旋，从而节省燃油，提高动力系统的效率。以上的问题需要编队飞行的无人机具有高度自主的飞行控制能力[5-6]。
1)相对位置保持技术就是在无人机执行任务过程中保持相对位置不变。可以在机中设定一个虚拟长机，假定它的坐标系和飞行轨迹保持不变，那么别的飞机相对于它的位置就可以确定为静态相对位置。这种静态位置可以预先确定或者采集实际数据通过动力学理论进行计算。实际飞行中，可以通过编队重构技术来确保长机的位置固定，一旦长机受到致命攻击，那么机中别的飞机就可以马上进入到长机位置完成在线重构。图1是有6个无人机
29
第6期 刘小雄等: 无人机自主编队飞行控制的技术问题
的V
行编队结构。
图1 无人机V 行编队结构
2)航迹规划是在起飞前就设定好编队中的无人机的飞行路径，可以在飞行过程中进行实时的调整。飞行控制算法要严格的保证每一架飞机的飞行轨迹，相对于另外一架飞机的位置。在实战中，飞行轨迹可以根据地面的控制站或者轨迹规划算法进行校正或调整。
3)编队飞行中几何坐标的建立是通过长机和僚机的相对距离形成的二维或三维惯性坐标系，所建立的旋转或惯性坐标系，可以确定长机和僚机之间位置的坐标和飞行速度、航迹角、偏航角之间的相互关系。
4)涡旋是编队飞行中要解决的重要问题，长机翼尖或尾部气流形成的涡旋对僚机的飞行产生影响，在编队飞行控制中，要考虑飞机的纵向力和垂直力，以及俯仰力矩受到上洗速度的影响；横向力、偏航力矩受到侧洗速度；滚转力矩同时受到上洗速度和侧洗速度的影响。在控制算法的设计中应该综合考虑它们的影响。
2.2 自主编队飞行控制技术
自主控制意味着能在线感知形势，并按确定的使命、原则在飞行中进行决策并自主执行任务。自主控
制的挑战就是在不确定性的条件下，实时或近实时地解决一系列最优化的求解问题，并且不需要人的干预，在根本上，它需要建立不确定性前提下处理复杂问题的自主决策能力。人工智能是解决自主控制问题的重要手段，自主控制水平的高低也依赖于智能技术的发展。所以在无人机的自主编队飞行控制中也采用现代控制与智能方法相结合的混合智能型自主控制。无人机的自主编队飞行控制主要包括以下技术[7-8]。
1)神经网络技术。神经网络作为一段软件程序，具有记忆和自学习的能力，运用神经网络对系统进行控制，可以通过学习系统的输入输出数据从而模仿系统的行为，然后用被控对象的实际输出与期望输出的误差来控制神经网络的学习，可以通过调整神经网络的权系数来达到控制系统稳定的目的。在自主编队飞行中，应用神经网络控制飞机，使得各个无人机稳定在自己相对的位置，已通过仿真验证,
但具体的研究应用还需要大量的实验验证
2)模糊逻辑技术。由于自主编队飞行中不确定性的影响，控制系统具有一定的非线性，模糊控制系统具有良好的处理非线性系统的能力。在设计中，可以利用模糊控制器的自调节功能，使得编队飞行中的飞机消除长机产生的涡流对僚机的影响，从
而使得相对队形保持不变。应用模糊控制方法设计的编队飞行控制律已经在有人驾驶编队飞机上获得了成功验证。
3)极值搜索方法。极值搜索方法作为一种优化方法，得到了广泛的应用。在编队飞行法中，通过对一个容易测量的量进行极值搜索，使僚机所需的飞行动力最小，并确保良好的飞行性能。在设计中常常选用俯仰角作为搜索的参数。这种技术已经通过了仿真试验阶段。
4)涡旋调整技术。涡旋调整是编队飞行中需要克服的重要问题，在这种方法的研究中，首先要解决的问题就是怎样操纵长机，使得长机翼尖产生的涡流对僚机的飞行有所帮助，这涉及到对飞机机翼的结构进行调整的问题。
再生油
5)鲁棒控制方法。鲁棒控制方法是一种比较新的现代控制方法，主要是使得被控对象具有良好的稳定性，不受外界环境的干扰，使用频域设计的方法，对多输入多输出系统进行优化设计。这种控制方法对于编队控制还是一个设想，作为未来的研究趋势。
3 编队重构
当飞行中的机受到电子干扰或者在战斗中损坏时，可以用机中别的飞机来完成编队重构，从而保持编队队形稳定[9]。
编队重构研究的核心就是怎样在飞行中，实时规划机中飞机的飞行轨迹，使得性能良好的飞机能在飞行中完成对编队队形的重构，使得编队队形不变或者达到最优队形。
下面用图例说明编队重构的例子，如图2。在编队飞行中，假设2号机被击落或离队时，有3种选择方式，可以让4、5、6号机中的某一个占据2号机的位置，但是研究发现,5号机所处的位置相对不利，同时受到2、3号机气流的影响，所以可以让5号机优先占据2号位，完成了队形重构，而且使得5号机的飞行效率得到提高。
在飞行重构过程中，依照前文讲述的相对位置保持技术，采用队形中的飞机相对于虚拟长机的位
30
电光与控制 第13卷
置距离,
来完成飞行中的轨迹规划和队形重构。
图2 无人机编队重构图例
4 结论
无人机编队飞行扩展了未来战争的概念，成为无人机发展的新方向。无人机自主编队飞行控制是一个非常复杂的协同控制系统，在设计时要综合考
虑各种因素，从而进行最优化设计。参考文献:
[1] 冯琦，周德云.军用无人机发展趋势[J].电光与控制,
2003,10(1):245-248.
[2] 朱战霞，袁建平.无人机编队飞行问题初探[J].飞行力
学,2003,21(2):166-169.
[3] GIULIETTI F,POLLINI L,INNOCENTI M.Autonomous for
-mation flight [J].IEEE Control Systems Magazine,2000,(12):566-572.
[4] HANSON C E,RYAN J.Fli ght test results for an au
tonomous formation fligh t control system[C]//AIAA s 1st Technical Conference
and
Workshop
on
Un manned
Aerospace Vehicles,M ay 20-23,2002,485-491.[5] VENKATARAMANAN S,DOGAN A.Vortex effect modelin g
in aircraft formation fligh t [C]//AIAA Atmospheric Flight M echanics Conference and Exhibit,August 11-14,2003,366
-372.
[6] ZUO Bin ,HU Yun-an.UAV T i ght Formation Fli ght Mod
eling And Autopilot Desi gnin g [C]//Proceedings of the 5th world congress on In telligen t control and Automation,June ,2004,366-372.
[7] CAMPA G,MARCELLO R.Desi gn control laws for formation
flight[C]//Proceedings of the 2004American control confer enc,June,2004,787-795.stc2052
[8] FOWLER J M,D ANDREA R.A formation fli ght experiment
[J].Control Systems Magazine,IEEE,2003,(23):35 43.[9] CAMPA G,SEANOR B.NLDI guidance control laws for close
formation flight[C]//American Control Conference,June 8-10,2005,1166-1170.
[10] 左斌，胡云安.无人机紧密编队飞行建模及自动驾驶
仪设计[C]//第五届全球智能控制与自动化大会,2004,468-472.
(上接第14页)
表8 抗目标干扰、 r (0)随机时的命中概率统计
P HP U =96%
E(miss 真)=1.1002(m )
miss 真
=5.46
电热手套E(miss 假)=1354.9(m )
miss 假
=6116.60
R L 随机，仿真30次，统计结果见表9。
表9 抗目标干扰、R L 随机时的命中概率统计
P HPU =100%
E(miss 真)=4.89 10-7(m )
挂式小便器
miss 真
=2.93 10-7
E(miss 假)=408.7(m )
miss 假
=127.90
4.2.3 仿真结果分析
分别对比表6和表8、表7和表9，可知：采取抗干扰措施后，命中概率由0%提高到96%以上。
5 结论
本文论述了行为模式识别理论，并将行为模式识别应用于导引头的抗干扰。分别对抗电子角欺骗干扰和抗红外曳光弹干扰进行了仿真验证。结果表明，基于目标行为模式识别的导引头抗干扰方法可显著提高导弹的命中概率。脉冲雷达导引头及红外导引头只需经过简单的技术改造就可以识别目标达
到抗干扰的目的。参考文献
施万细胞红蓝图
[1] 汪朝.红外诱饵对红外制导导弹的干扰特性及仿真
[J].红外与激光工程,2001,(4):163-167.
[2] JOHNS TON S L.Radar electronic counter -coun termeasures
[M].Dedham,MA :Artech House,c1979.
[3] 高烽.多普勒雷达导引头信号处理技术[M].北京：国
防工业出版社,2001.
[4] BRANAM R.Ballistic Missile Defense[J].IEEE Spectrum,
1997,34(9):26-27.
[5] JOHNS TON S L.Guided Missile EC M /ECCM[J].Microwave
Journal,1978,21(9):20-26.
[6] C HANG T L.IR missile (Spin-Scan and Con-Scan Seek
ers)countermeasures[R].ADA286117,Sep,1994.
[7] 贲德.机载脉冲多普勒(PD)雷达的工作特点及抗干扰
措施[J].现代雷达,2000,22(4):1-6.
[8] 黄洪旭，徐晖.雷达捷变频抗干扰性能分析及评估研究
[J].航天电子对抗,2001,(1):21-24.
[9] 姜玉宪.三维极坐标视线动力学方程及其简化形式
[J].飞行力学,2001,(4):23-25.
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