段建軍，郭小杰

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川綿陽，621000）

1 概述

1.1 應(yīng)用

與單架飛機(jī)飛行相比，編隊飛行在軍用和民用領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢和價值，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)過程中，編隊飛行可以增加敵方雷達(dá)分辨難度、隱蔽自己的兵力情況；

(2)采用一定的編隊飛行，不僅具有寬廣的搜索和偵察范圍，而且能按統(tǒng)一的時間進(jìn)度在各個空間區(qū)域獲取信息，從而達(dá)到時間與空間的高度統(tǒng)一；

(3)在目標(biāo)打擊、通信中繼、電子對抗、戰(zhàn)場評估和騷擾誘惑等方面，編隊可以提高單次完成任務(wù)的效率。如在目標(biāo)打擊任務(wù)中，編隊飛行可使多架飛機(jī)從不同角度對同一目標(biāo)進(jìn)行全方位攻擊，擴(kuò)大命中范圍，提高殺傷力和命中率，也可以同時對多個敵方目標(biāo)實施攻擊，擾亂敵防空體系，提高戰(zhàn)斗的時效性。

(4)從氣動效率方面考慮，近距離方式的編隊飛行可有效增加處于跟隨位置飛機(jī)的升/阻比氣動性能，減少其飛行阻力、節(jié)省燃油；

(5)編隊飛行表演具有較大的觀賞價值。

1.2 研究現(xiàn)狀

編隊飛行的研究涉及到空氣動力學(xué)、傳感器、電子、計算機(jī)、控制、通信、以及人工智能等多個學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的交叉，因此導(dǎo)致編隊飛行研究的進(jìn)展緩慢，其中大部分研究還處于理論性或試驗性的基礎(chǔ)探索階段。目前，國外在多機(jī)編隊飛行方面的研究起步較早，理論研究相對比較成熟，對編隊飛行的建模研究也從線性模型發(fā)展為非線性模型。國內(nèi)關(guān)于多機(jī)編隊飛行研究方面的文章，大部分都是建立在理想的模型上進(jìn)行仿真也得到了較好的仿真效果，但是實際應(yīng)用價值并不高，少部分進(jìn)行了試驗研究，但是采用的攝像頭、紅外、激光雷達(dá)探測手段受到天氣、晝夜的使用限制，采用的GPS導(dǎo)航信息容易被干擾。此外，目前大多數(shù)采用的分布式控制的結(jié)構(gòu)不夠清晰、可靠。

2 系統(tǒng)組成和功能

2.1 系統(tǒng)的組成

基于混合監(jiān)視的多機(jī)編隊控制系統(tǒng)主要由編隊處理機(jī)、定向天線、顯示器等組成，如圖1所示。

(1)編隊處理機(jī)

編隊處理機(jī)基于二次雷達(dá)的工作原理，由詢問發(fā)射模塊對空中目標(biāo)進(jìn)行掃描詢問，被詢問的機(jī)載空中交通管制應(yīng)答機(jī)做出應(yīng)答。編隊處理機(jī)接收應(yīng)答后，便可以計算出相對距離、相對高度、相對方位、相對速度。探測在編隊處理機(jī)監(jiān)視范圍內(nèi)的裝有空管應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，建立航跡，比較并更新現(xiàn)存航跡。對目標(biāo)機(jī)進(jìn)行跟蹤，建立包括相對距離、相對方位和相對高度的跟蹤信息，并計算接近飛機(jī)的相對位置、接近距離和高度變化率。

編隊處理機(jī)具有S模式數(shù)據(jù)鏈能力，可以將本機(jī)的經(jīng)度、緯度、速度、高度等信息都廣播出去，而無需詢問；可以接收其他飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、速度、高度等信息，計算接近飛機(jī)的相對位置、接近距離和高度變化率。

(2)天線

定向天線主要用于主動監(jiān)視和被動監(jiān)視的信號發(fā)射和接收。

(3)北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)主要指中國的北斗系統(tǒng)。導(dǎo)航接收機(jī)為系統(tǒng)提供飛機(jī)當(dāng)前的位置信息和時間信息。

(4)大氣高度數(shù)據(jù)機(jī)

大氣高度數(shù)據(jù)機(jī)根據(jù)傳感器測得的氣流的靜壓、總壓、總溫等，計算出與大氣高度數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)，傳送給座艙顯示、飛行控制等機(jī)載系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)的功能

基于混合監(jiān)視的多機(jī)編隊控制系統(tǒng)具有主動監(jiān)視和被動監(jiān)視的功能，以及監(jiān)視數(shù)據(jù)融合的能力。該系統(tǒng)更新飛機(jī)的位置、速度、航向、飛機(jī)標(biāo)識符等信息，具有編隊內(nèi)定位的功能，能夠在夜間/儀表飛行氣象條件下，支持多架飛機(jī)保持正確的編隊位置和安全的間隔距離。該系統(tǒng)具有編隊?wèi)B(tài)勢的顯示功能。

3 工作原理

3.1 混合監(jiān)視

3.1.1 主動監(jiān)視

為了保證即使在導(dǎo)航設(shè)備被干擾的軍事應(yīng)用情況下，仍然能有效的探測目標(biāo)位置信息，采用了二次雷達(dá)的主動監(jiān)視。僚機(jī)的編隊處理機(jī)根據(jù)目標(biāo)機(jī)S模式地址編碼采用S模式預(yù)留的格式通過定向天線進(jìn)行點名詢問。目標(biāo)機(jī)接收到點名詢問后應(yīng)答。編隊處理機(jī)接收到目標(biāo)機(jī)應(yīng)答后解碼，并將相對距離、相對方位、相對高度、相對速度的解碼信息進(jìn)行編隊邏輯處理，同時將目標(biāo)信息通過全向天線廣播共享給編隊內(nèi)其他飛機(jī)。

3.1.2 被動監(jiān)視

在保證導(dǎo)航信息精度的民用時，通過全向天線發(fā)送本機(jī)的位置、高度、速度、協(xié)調(diào)意圖、飛行指令信息。編隊處理機(jī)通過S模式鏈接收來自目標(biāo)機(jī)共享的位置信息后，根據(jù)長機(jī)和僚機(jī)地址查詢表，查詢24位S模式地址識別目標(biāo)飛機(jī)，設(shè)置好長機(jī)和僚機(jī)標(biāo)識位、相對高度、相對距離、相對速度和方位。因此，編隊內(nèi)飛機(jī)都能獲得其他飛機(jī)的相對位置、相對高度、相對速度，計算調(diào)整本機(jī)的高度、速度、位置，實現(xiàn)編隊的主動監(jiān)視。

3.1.3 監(jiān)視信息融合

本系統(tǒng)可以通過主動監(jiān)視或被動監(jiān)視方式實現(xiàn)對同一個目標(biāo)的高度、速度、位置等信息獲取，并將信息進(jìn)行融合處理對具有相同特征的目標(biāo)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，提高對同一個目標(biāo)的態(tài)勢信息準(zhǔn)確度。

3.2 編隊控制策略

本系統(tǒng)采用集中式?jīng)Q策控制和分布式?jīng)Q策控制相結(jié)合的方式實現(xiàn)編隊控制，安全可靠。本系統(tǒng)的僚機(jī)可直接主動監(jiān)視長機(jī)，并將主動監(jiān)視信息共享，實現(xiàn)長機(jī)集中式?jīng)Q策控制。當(dāng)某僚機(jī)主動監(jiān)視探測長機(jī)時，其他空閑的僚機(jī)可詢問探測附近僚機(jī)。因此，僚機(jī)在空閑的時隙內(nèi)可探測相鄰僚機(jī)，實現(xiàn)僚機(jī)間的分布式?jīng)Q策控制。

由于編隊飛行過程中存在多種外界干擾，飛機(jī)的飛行控制器可采用魯棒動態(tài)逆控制器,使其具有很好的姿態(tài)控制和跟蹤保持能力，保證多機(jī)編隊的安全飛行,魯棒動態(tài)逆控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個控制器設(shè)計基本可分為動態(tài)逆控制器和補(bǔ)償控制器兩部分，將動態(tài)逆控制器（例如PID控制、模糊控制等控制器）作為主控制器。補(bǔ)償控制器包括兩部分:擾動估計和補(bǔ)償控制。擾動估計器的設(shè)計可以采用非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（NESO），也可以采用其他方法設(shè)計補(bǔ)償控制器，當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)擾動的估計后，由補(bǔ)償控制器生成補(bǔ)償控制信號。

動態(tài)逆控制器是以跟蹤誤差e為輸入的主控制器。補(bǔ)償控制器是以觀測誤差ε為輸入的補(bǔ)償控制器。um和uad分別為主控制器和補(bǔ)償控制器的輸出。主控制器主要考慮系統(tǒng)的性能，補(bǔ)償控制器主要考慮在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)對各種擾動的容錯、魯棒。在這種控制器中，當(dāng)系統(tǒng)無擾動時，ε為零，補(bǔ)償控制器輸出為零。當(dāng)系統(tǒng)存在擾動，補(bǔ)償控制器根據(jù)擾動估計器估計得到的擾動信息，ε不再為零，補(bǔ)償控制器生成補(bǔ)償控制信號uad，盡可能的消除擾動所帶來的影響，補(bǔ)償控制信號uad與動態(tài)逆控制器給出的主控制信號um進(jìn)行疊加，形成總的控制指令u，保持系統(tǒng)穩(wěn)定和良好的動態(tài)性能。

3.3 編隊形成

編隊形成按以下步驟進(jìn)行：

(1)飛行員根據(jù)收到的編隊任務(wù)選擇長機(jī)、僚機(jī)模式、僚機(jī)編號、編隊初始隊形、編隊空域、起飛時間；

(2)長機(jī)按照起飛時間和編隊空域起飛到達(dá)指定區(qū)域，等待僚機(jī)到來；

(3)僚機(jī)按照起飛時間和編隊空域起飛到達(dá)指定區(qū)域，發(fā)送請求編隊的詢問信號；

(4)長機(jī)接收到僚機(jī)編隊請求后，如果是編隊內(nèi)計劃的僚機(jī)則應(yīng)答，應(yīng)答信號包含同意編隊請求和僚機(jī)到達(dá)的位置，如果不是編隊計劃的僚機(jī)則拒絕僚機(jī)的編隊請求；

(5)僚機(jī)根據(jù)探測到相對長機(jī)的信息和長機(jī)指揮到達(dá)的位置，調(diào)整位置、速度、航向、高度靠攏長機(jī)，形成編隊。

3.4 編隊保持

在編隊形成后，飛行員選擇編隊保持模式，通過實時計算所需要的相對高度、相對速度、相對距離等參數(shù)，設(shè)計距離、高度保護(hù)門限，超出保護(hù)門限之后，產(chǎn)生編隊保持告警并由長機(jī)發(fā)布命令，調(diào)整飛機(jī)位置，保持編隊隊形不變。僚機(jī)采集長機(jī)的位置和速度信息預(yù)測長機(jī)的航跡后，計算僚機(jī)的位置、速度、角速度，如果僚機(jī)的速度或者角速度超過預(yù)定的閥值，自動調(diào)整至閥值，更新僚機(jī)的位置給長機(jī)。長機(jī)根據(jù)編隊隊形飛行計劃和僚機(jī)的態(tài)勢提供飛行員操作建議。

編隊系統(tǒng)通過混合監(jiān)視獲取編隊內(nèi)飛機(jī)的相對距離、相對方位、相對高度、相對速度，進(jìn)行編隊內(nèi)飛機(jī)位置定位，通過定向天線收發(fā)編隊內(nèi)飛機(jī)的位置和協(xié)調(diào)報文，不斷調(diào)整編隊內(nèi)飛機(jī)的位置。根據(jù)飛機(jī)數(shù)量和任務(wù)編隊需求，按照選定的編隊隊形，采用長機(jī)—僚機(jī)的編隊控制方式實現(xiàn)編隊飛行，包括以下幾個過程：編隊形成、編隊保持、故障處理、編隊重構(gòu)、編隊解散等。

3.5 編隊重構(gòu)

編隊重構(gòu)包括成員位移、成員離隊、新增成員。針對變換前后的編隊隊形，需要明確重構(gòu)前后編隊中各飛機(jī)的對應(yīng)關(guān)系，采用優(yōu)化算法求解編隊中各節(jié)點的最優(yōu)構(gòu)型映射關(guān)系。進(jìn)而，采用時變向量的方式刻畫編隊重構(gòu)過程，將從初始隊形到目標(biāo)隊形的變化過程分解為盡可能少的一系列子編隊。最后，針對給定的一系列期望子編隊，采用編隊保持控制方法中的編隊控制器，實現(xiàn)飛機(jī)編隊的動態(tài)重構(gòu)。

當(dāng)需要編隊成員位移重構(gòu)時，長機(jī)先在隊形專家?guī)爝x擇編隊重構(gòu)隊形，再按編隊重構(gòu)按鈕進(jìn)入編隊重構(gòu)模式，然后通過S模式數(shù)據(jù)鏈廣播通知僚機(jī)可以進(jìn)行某隊形的編隊重構(gòu)。僚機(jī)收到后自動進(jìn)行某隊形的編隊重構(gòu)。在當(dāng)需要編隊成員離隊重構(gòu)時，僚機(jī)因本機(jī)原因需要離隊必須請求長機(jī)，長機(jī)響應(yīng)后由長機(jī)協(xié)調(diào)該僚機(jī)離隊。當(dāng)需要編隊新增成員重構(gòu)時，由長機(jī)詢問確認(rèn)后再響應(yīng)新增成員加入。

3.6 編隊解散

在編隊重構(gòu)過程中或者任務(wù)執(zhí)行完成后，由長機(jī)向所有僚機(jī)發(fā)送編隊解散指令，指令中包含解散過程中僚機(jī)應(yīng)該保持的速度、航向和高度。在編隊解散時，長機(jī)首先給最后加入的僚機(jī)發(fā)送編隊解散指令，在其完成解散動作后，長機(jī)開始依次給其它僚機(jī)發(fā)送編隊解散指令，直到最先加入的僚機(jī)完成編隊解散。

3.7 故障檢測與響應(yīng)

當(dāng)編隊鏈路中的1號僚機(jī)發(fā)現(xiàn)長機(jī)出現(xiàn)故障時，1號僚機(jī)自動作為新的長機(jī)，按照原編號降序的方式對僚機(jī)重新編號進(jìn)行編隊，所有飛機(jī)產(chǎn)生長僚機(jī)切換告警提醒飛行員；長機(jī)進(jìn)入編隊故障模式按照編隊計劃預(yù)定的隊形故障逃離方式脫離編隊，并產(chǎn)生異常告警提示飛行員操作；當(dāng)長機(jī)監(jiān)視到僚機(jī)出現(xiàn)故障時，長機(jī)通知故障僚機(jī)和其附近的僚機(jī)立即按照長機(jī)實時監(jiān)控的編隊?wèi)B(tài)勢脫離編隊，并產(chǎn)生異常告警提示飛行員。

4 結(jié)束語

本文分析了多機(jī)編隊飛行的應(yīng)用價值和研究現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地設(shè)計了基于二次雷達(dá)的主動監(jiān)視和S模式數(shù)據(jù)鏈的被動監(jiān)視的混合監(jiān)視技術(shù)的多機(jī)編隊飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用集中式和分布式相結(jié)合的方式控制飛機(jī)編隊飛行。