馬文良

中國人民解放軍92419 部隊

無人機在軍民各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，隨著任務(wù)中目標的增多，僅依靠單架無人機已無法滿足任務(wù)需求，與單架無人機相比，無人機集群編隊飛行不僅可以有效降低成本，還可以提高無人機的利用率及執(zhí)行任務(wù)的成功率，因此無人機集群編隊飛行已經(jīng)成為無人機應(yīng)用的熱點研究方向。本文對影響無人機集群編隊飛行的因素進行分析，提出無人機集群編隊飛行的計算方法，仿真計算結(jié)果表明，通過對無人機集群進行及時有效的控制，可以保證集群無人機完成編隊飛行任務(wù)。

無人機集群編隊飛行，即多架無人機進行某種隊形排列進而滿足任務(wù)要求的飛行方式。隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)任務(wù)及電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，僅僅依靠單架無人機完成任務(wù)的缺陷越發(fā)突出，無法保證執(zhí)行任務(wù)的成功率，因此利用無人機集群編隊飛行來執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的需求越來越大。

從經(jīng)濟層面看，無人機集群編隊飛行可極大提高復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行成功率，進而有效降低成本；從利用率層面看，無人機集群編隊飛行可以在一次飛行中完成多個任務(wù)目標，極大提升無人機的利用率。

但在實際飛行中，很多因素都將對無人機集群編隊飛行造成影響，進而可能會對任務(wù)執(zhí)行情況造成影響。本文對影響無人機集群編隊飛行的因素進行分析，通過仿真計算，探尋如何在實際飛行中對無人機集群進行及時有效的調(diào)整，使無人機集群編隊飛行能完成任務(wù)要求。

影響無人機編隊飛行的因素

單架無人機從起飛到空中飛行，會受到多種因素的影響，進而對集群編隊飛行造成影響。在此主要從無人機發(fā)動機啟動方式、無人機外形結(jié)構(gòu)、飛行控制器、飛行過程中環(huán)境因素及通信鏈路5方面，對影響無人機集群編隊飛行的因素進行分析。

無人機發(fā)動機啟動方式

無人機發(fā)動機有電啟動、吹氣啟動等啟動方式，不同的發(fā)動機啟動方式所使用的配套設(shè)備不同，進而導致發(fā)動機啟動所需的時間及成功率也不同。例如，當兩架無人機發(fā)動機分別采用電啟動與吹氣啟動方式時，由于吹氣啟動過程多了高壓氣瓶吹氣中間環(huán)節(jié)，所以與電啟動方式相比，發(fā)動機的啟動時間較長，同時受到吹氣設(shè)備可靠性的影響，發(fā)動機啟動成功率要低，進而會對無人機集群編隊飛行造成較大影響。

無人機外形結(jié)構(gòu)

采用不同型號的無人機組成集群編隊飛行時，由于無人機型號不同，外形尺寸與各型無人機的自身特性都會有較大差異。在執(zhí)行任務(wù)前，技術(shù)人員根據(jù)任務(wù)要求對集群無人機的起飛方向進行合理規(guī)劃，且在集群無人機起飛前，還需要考慮外界環(huán)境中的風以及不同型號集群無人機的抗風能力對起飛所產(chǎn)生的影響。當風速較大且超過集群無人機的抗風指標時，飛行任務(wù)會被取消；當風速較大且未超過集群無人機抗風指標，需要根據(jù)風向?qū)簾o人機的起飛方向進行調(diào)整，這可能導致集群無人機偏離預(yù)定的起飛方向，進而對無人機集群編隊飛行造成影響，如圖1所示。

圖1 集群無人機起飛段航跡。

飛行控制器

在集群無人機實際飛行過程中，由于不同型號的集群無人機飛行控制器存在能力差異，需要人工對集群無人機進行不同程度控制，任務(wù)執(zhí)行情況也存在較大差別。如圖2所示，當外界產(chǎn)生某種擾動時，如果集群無人機飛行控制器能力較強，自身可以及時對航線進行修正，進而快速回到任務(wù)規(guī)劃的航線上；而如果集群無人機飛行控制器的控制能力較弱，就需要人工對集群無人機航線進行實時修正，這樣就會大大增加集群無人機的調(diào)整時間，進而對無人機集群編隊飛行造成較大影響。

圖2 集群無人機受擾動后飛行航跡。

飛行過程中環(huán)境因素

集群無人機在空中飛行時，環(huán)境大氣密度的實際值與理論值之間存在的差異，會對集群無人機所受到的升力與阻力產(chǎn)生影響，同時會影響集群無人機發(fā)動機的效率，可能會使集群無人機偏離規(guī)劃航線，從而對整體無人機集群編隊的飛行造成影響。另外，由于環(huán)境中風速變化較大，可能會使集群無人機在轉(zhuǎn)彎時無法按照預(yù)設(shè)航線進行轉(zhuǎn)彎，導致集群無人機轉(zhuǎn)彎偏離航線見圖3，集群無人機的實際飛行航程增大，進而對無人機集群編隊飛行造成干擾。

圖3 集群無人機轉(zhuǎn)彎航跡。

通信鏈路

在實際飛行過程中，受外界電磁環(huán)境影響，集群無人機可能會發(fā)生短時通信中斷的情況。此時不但無法顯示集群無人機的位置，同時也無法對集群無人機進行有效控制，若集群無人機在這段時間內(nèi)受到擾動，會對集群無人機自身飛行造成影響，進而影響整體的集群編隊飛行。隨著集群編隊中無人機數(shù)量的增多，對集群無人機通信鏈路的要求也越高，以減輕通信鏈路帶寬不足可能帶來的影響。

集群編隊飛行的計算方法

無人機集群編隊起飛后，經(jīng)過爬升飛行到任務(wù)高度并進行一定調(diào)整后，開始進行無人機集群編隊計算，流程如圖4所示。具體計算方法，首先使用公式（1）計算長機與僚機之間的距離，然后與規(guī)定值進行比較，對僚機飛行速度進行調(diào)節(jié)，直到長機與僚機之間的距離滿足約束條件。

圖4 無人機集群編隊飛行控制流程圖。

計算兩架集群無人機之間的距離：

其中，R為地球半徑，（α1，β1）為長機當前坐標點，（α2，β2）為僚機坐標點。

假設(shè)在某次集群編隊飛行任務(wù)中，長機A的當前坐標點為（α1，β1），僚機B的當前坐標點為（α2，β2），現(xiàn)要求長機A與僚機B之間的距離為2km，誤差范圍為0.1km （見圖5）。

圖5 無人機集群編隊飛行。

保持長機A的飛行速度不變，對僚機B的飛行速度進行調(diào)整，利用上述計算步驟進行仿真計算，得出的仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。最終兩架集群無人機間距為2.004km，誤差為4m，滿足要求。

圖6 兩架集群無人機間距曲線。

圖7 兩架集群無人機間距與約束條件差值曲線。

通過分析影響無人機集群編隊飛行的5種因素，提出無人機集群編隊飛行計算方法，并通過仿真計算證明，該方法能及時有效調(diào)整無人機飛行速度，在保證無人機成功執(zhí)行集群編隊飛行任務(wù)中發(fā)揮作用。