劉振宇，劉炳琪，楊春偉，王繼平

(1. 火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025；2. 96901部隊(duì)，北京 100096)

1 引言

未來作戰(zhàn)將是體系與體系的對(duì)抗，隨著對(duì)抗與防御技術(shù)的不斷發(fā)展，單飛行器遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的難度逐漸增加，多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)將是未來的主流模式。多飛行器協(xié)同技術(shù)是指根據(jù)任務(wù)作戰(zhàn)需求，保證飛行器通過專用的信息支撐網(wǎng)絡(luò)組成一定規(guī)模的編隊(duì)，并使編隊(duì)具備態(tài)勢(shì)感知和群體認(rèn)知能力，能依據(jù)綜合作戰(zhàn)效能最大原則，自主地實(shí)施編隊(duì)決策與管理，并導(dǎo)引與控制編隊(duì)完成作戰(zhàn)任務(wù)的原理、方法與技術(shù)[1]. 采用多飛行器協(xié)同體制，可從時(shí)域、頻域、空域等多方面提高飛行器武器系統(tǒng)的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力，提高對(duì)干擾的識(shí)別和對(duì)抗能力[2].目前，世界各國發(fā)展的多飛行器協(xié)同技術(shù)有很多模式，如俄羅斯“花崗巖”超聲速反艦導(dǎo)彈，能夠融合衛(wèi)星與多種傳感器數(shù)據(jù)，并通過多彈之間目標(biāo)信息實(shí)時(shí)共享，從而完成打擊任務(wù)分配并實(shí)施自主攻擊[3]. 美國的“網(wǎng)火”系統(tǒng)將目標(biāo)偵察、火力打擊、性能評(píng)估和任務(wù)規(guī)劃等能力結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一種基于空間信息網(wǎng)絡(luò)支持的、自主與受控攻擊融于一體的編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)模式[4]. 而我國目前多飛行器協(xié)同研究主要集中于無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)領(lǐng)域。

本文對(duì)典型多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)階段進(jìn)行了系統(tǒng)概述，對(duì)包括協(xié)同組網(wǎng)、編隊(duì)控制、協(xié)同搜索、信息融合以及協(xié)同制導(dǎo)等關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)，并對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)流程

以典型反艦導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)過程[5]為例，將多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)剖面加以區(qū)分，整個(gè)作戰(zhàn)過程可分為四個(gè)階段：編隊(duì)組建階段、協(xié)同探測階段、協(xié)同突防階段和協(xié)同攻擊階段。

圖1 反艦導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)典型場景示意圖[5]

2.1 編隊(duì)組建階段

編隊(duì)組建階段是指飛行器從起飛直至進(jìn)入探測階段前的過渡階段，在此期間飛行器按照提前規(guī)劃的飛行軌跡與起飛時(shí)間飛向編隊(duì)集結(jié)地點(diǎn)，到達(dá)集結(jié)區(qū)域后，各飛行器開始廣播組網(wǎng)申請(qǐng)信號(hào)，同時(shí)監(jiān)聽周邊飛行器的組網(wǎng)申請(qǐng)信號(hào)。通過協(xié)同決策機(jī)制和預(yù)先設(shè)置的編隊(duì)策略進(jìn)行組網(wǎng)編隊(duì)飛行。

2.2 協(xié)同探測階段

飛行器編隊(duì)組建完成后，進(jìn)入?yún)f(xié)同探測階段。這一階段各飛行器通過編隊(duì)內(nèi)組網(wǎng)通信持續(xù)對(duì)航路周邊態(tài)勢(shì)進(jìn)行協(xié)同感知，對(duì)威脅源進(jìn)行快速協(xié)同定位和威脅評(píng)估，自主智能規(guī)劃飛行航路，并根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行編隊(duì)分離、重組等動(dòng)作。

2.3 協(xié)同突防階段

飛行器協(xié)同作戰(zhàn)的中后階段，開始進(jìn)入敵方控制區(qū)域，出現(xiàn)敵方系統(tǒng)的預(yù)警探測和防空攔截手段。此時(shí)各飛行器通過編隊(duì)內(nèi)或編隊(duì)間共享目標(biāo)和威脅感知信息，對(duì)打擊目標(biāo)和威脅源進(jìn)行快速識(shí)別定位和態(tài)勢(shì)評(píng)估，并經(jīng)過自主決策，選擇合適突防時(shí)機(jī)與突防策略突破敵方防空體系。

2.4 協(xié)同攻擊階段

飛行器編隊(duì)到達(dá)打擊任務(wù)執(zhí)行起始位置后，進(jìn)入末段攻擊階段。綜合編隊(duì)現(xiàn)有作戰(zhàn)資源與當(dāng)前環(huán)境態(tài)勢(shì)，通過目標(biāo)分配算法為每個(gè)飛行器分配打擊目標(biāo)，而后各個(gè)飛行器基于任務(wù)要求采取協(xié)同制導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的協(xié)同打擊。同時(shí)將打擊信息回傳，為后續(xù)任務(wù)制定與戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)評(píng)估提供依據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

3.1 協(xié)同組網(wǎng)通信

在多飛行器協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)過程中，無論是編隊(duì)協(xié)同控制，或是協(xié)同目標(biāo)搜索與識(shí)別以及協(xié)同戰(zhàn)術(shù)決策，都要求各作戰(zhàn)單元之間能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷、高度密集、實(shí)時(shí)的信息交換，因此協(xié)同組網(wǎng)通信是飛行器協(xié)同作戰(zhàn)的首要前提，按照組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以將多飛行器組網(wǎng)通信分為：集中式，分布式以及混合式三類[6]．

集中式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，其它所有飛行器的探測信息以及狀態(tài)信息都匯集至中心節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)完成集中計(jì)算與統(tǒng)一的分析決策整個(gè)系統(tǒng)的操作都由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。分布式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)不存在中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)飛行器都將自己的狀態(tài)信息與感知信息與網(wǎng)絡(luò)中與之相互連接的飛行器進(jìn)行協(xié)商融合，整個(gè)系統(tǒng)的控制與全局決策的制定是通過飛行器之間的協(xié)調(diào)與協(xié)作完成的?；旌鲜浇M網(wǎng)結(jié)構(gòu)是集中式與分布式的有機(jī)組合。整個(gè)系統(tǒng)分為多層結(jié)構(gòu)，第一層稱為群，每個(gè)群采用集中式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)群的中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成第二層，采用分布式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，依此類推可以構(gòu)造任意層數(shù)的協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)。表1對(duì)三種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)比較。

表1 不同組網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

3.2 協(xié)同編隊(duì)控制

編隊(duì)飛行控制是多飛行器協(xié)同系統(tǒng)的重要組成部分，在執(zhí)行任務(wù)過程中發(fā)揮著重要作用，如在協(xié)同探測任務(wù)中面對(duì)不同的環(huán)境與目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)合理的編隊(duì)隊(duì)形以滿足高精度探測要求，在多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)過程中，主—從模式適用于楔形編隊(duì)，而如果需要規(guī)避敵方雷達(dá)偵測，則應(yīng)采用縱向編隊(duì)[6]。目前較為常見的編隊(duì)隊(duì)形有平行編隊(duì)、菱形編隊(duì)、楔形編隊(duì)、縱向編隊(duì)等[7]。目前多飛行器編隊(duì)控制策略主要可分為三類：leader-follower法[8-11]、基于行為法[12，13]、虛擬結(jié)構(gòu)法[14-16]，每種編隊(duì)方法適應(yīng)不同的任務(wù)與環(huán)境，各有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。

1) leader-follower方法。leader-follower方法是目前多飛行器編隊(duì)控制中最常用的方法之一。其實(shí)現(xiàn)方式是leader按照預(yù)先設(shè)定的軌跡飛行，而follower則可以通過局部控制律實(shí)現(xiàn)對(duì)leader相對(duì)位置的穩(wěn)定控制。文獻(xiàn)[8]研究了采用leader-follower方法進(jìn)行編隊(duì)控制時(shí)的無人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束問題，基于傾斜角度、失速速度和最大速度約束等對(duì)編隊(duì)可飛行工作區(qū)域進(jìn)行了分析。此外許多學(xué)者也提出了多種改進(jìn)的leader-follower方法實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)編隊(duì)控制用于不同環(huán)境，比如網(wǎng)絡(luò)通信受限、機(jī)載GPS定位系統(tǒng)拒止使用等情況[9-11]。leader-follower法將編隊(duì)控制問題轉(zhuǎn)換為了誤差跟蹤問題，因此容易實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展性較強(qiáng)，同時(shí)能夠降低編隊(duì)內(nèi)部的通信要求；然而在編隊(duì)內(nèi)部follower沒有明確的反饋，此外，leader的故障可能導(dǎo)致整個(gè)編隊(duì)失去控制。

圖2 leader-follower法控制策略

2)行為控制法。其基本原理是通過定義飛行器的幾種基本控制行為，如防撞、跟隨、避障等，而飛行器通過對(duì)定義的基本行為進(jìn)行加權(quán)組合生成控制指令，這樣系統(tǒng)中的每個(gè)單體都具備依據(jù)自身決策來協(xié)同其它單體完成目標(biāo)或任務(wù)的能力。文獻(xiàn)[12]基于行為控制法提出了一種只需要相鄰個(gè)體以及障礙物之間相對(duì)位置的信息的分布式編隊(duì)控制方法，同時(shí)引入逃逸角的概念以避免個(gè)體之間的相互碰撞。文獻(xiàn)[13]基于行為控制方法提出了一種擴(kuò)展的基于分散共識(shí)的多智能體系統(tǒng)控制算法，用于簡化無人機(jī)群的復(fù)雜行為控制問題。行為控制法在傳感器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或缺乏的情況下仍然具備保持整個(gè)編隊(duì)的能力，但該方法由于通過預(yù)設(shè)信息和觸發(fā)條件來形成控制指令，因此降低了編隊(duì)的適應(yīng)性和靈活性；此外，行為控制法的魯棒性與穩(wěn)定性分析存在很大困難。

圖3 行為控制法控制策略

3)虛擬結(jié)構(gòu)法。虛擬結(jié)構(gòu)法是一種集中式控制方法，首先由Lewis和Tan等[14]在1997年提出，編隊(duì)中無實(shí)體leader，但在編隊(duì)中設(shè)定一個(gè)虛擬leader或虛擬幾何中心，所有成員都參照虛擬leader或虛擬幾何中心運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[15]在非線性模型預(yù)測控制框架下基于虛擬結(jié)構(gòu)方法設(shè)計(jì)了一種多無人機(jī)編隊(duì)最優(yōu)控制律，將碰撞與障礙物懲罰項(xiàng)加入目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的避碰與編隊(duì)穩(wěn)定控制；文獻(xiàn)[16]考慮了艦船編隊(duì)航行問題，利用滑?？刂破鹘鉀Q虛擬結(jié)構(gòu)的形成問題，并在控制器設(shè)計(jì)中引入徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近不確定性誤差。虛擬結(jié)構(gòu)法魯棒性較強(qiáng)，控制精度較高，避免了leader-follower方法中l(wèi)eader出現(xiàn)故障時(shí)整個(gè)編隊(duì)失控的缺點(diǎn)。然而合成虛擬長機(jī)需要較強(qiáng)的計(jì)算能力，并且難以控制編隊(duì)實(shí)現(xiàn)隊(duì)形變換，這也限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。

圖4 虛擬結(jié)構(gòu)法控制策略

盡管到目前為止，關(guān)于飛行器編隊(duì)控制有了大量的研究，但仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。一是在隊(duì)形變換過程中為了實(shí)現(xiàn)避碰與躲避障礙，可能導(dǎo)致飛行器之間的通信鏈路斷開；二是在編隊(duì)控制器設(shè)計(jì)過程中沒有考慮到飛行器的輸入和狀態(tài)約束；盡管模型預(yù)測控制策略[17，18](MPC，Model Predictive Control)可以同時(shí)處理輸入飽和、連通性維護(hù)和避碰約束，但由于控制指令生成需要較大的計(jì)算量，這意味著其實(shí)時(shí)性難以保證。下一步的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述問題。

3.3 信息融合處理

信息融合(Information Fusion)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)多個(gè)傳感器的量測數(shù)據(jù)依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行自動(dòng)分析與優(yōu)化綜合來實(shí)現(xiàn)一定估計(jì)和決策任務(wù)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理過程[19]。信息融合技術(shù)隨著多飛行器協(xié)同探測的不斷發(fā)展逐漸受到重視，通過信息融合可以有效增大飛行器編隊(duì)的探測范圍與時(shí)間覆蓋能力。按照將信息抽象的層次不同，可以將信息融合劃分為數(shù)據(jù)級(jí)融合(也稱信號(hào)級(jí)融合)、特征級(jí)融合、決策級(jí)融合三個(gè)層級(jí)[20]。

數(shù)據(jù)級(jí)融合屬于最低層次的融合，它將來自同類型的傳感器原始觀測數(shù)據(jù)首先進(jìn)行融合處理，最后對(duì)融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與身份識(shí)別。實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)級(jí)的信息融合，要求必須是若干個(gè)同類型傳感器。特征級(jí)融合在三級(jí)融合模型中介于數(shù)據(jù)級(jí)和決策級(jí)中間。各個(gè)傳感器分別對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測并提取特征向量并送給融合中心，然后在融合中心完成聯(lián)合特征向量融合，最終產(chǎn)生身份估計(jì)。決策級(jí)融合在三級(jí)融合模型中是屬于最高層次。每個(gè)傳感器基于各自的觀測完成特征提取與身份識(shí)別之后，在將帶有身份識(shí)別的特征信息傳送給融合中心，然后在融合中心完成全局決策的融合。

圖5 數(shù)據(jù)級(jí)融合結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 特征級(jí)融合結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 決策級(jí)融合結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 協(xié)同制導(dǎo)技術(shù)

隨著飛行器防御系統(tǒng)與攔截器的不斷發(fā)展進(jìn)步，單個(gè)飛行器突破防御系統(tǒng)的封鎖與攔截越來越困難，而多飛行器協(xié)同攻擊則是一種能夠有效突破防御系統(tǒng)的攻擊策略，這是在當(dāng)前技術(shù)瓶頸下提升導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力的另一種解決方案[21]，這使得協(xié)同制導(dǎo)與控制技術(shù)在近年來得到了長足的發(fā)展?，F(xiàn)有的協(xié)同制導(dǎo)研究大體可以分為非合作導(dǎo)引[22-25]與合作導(dǎo)引兩類[26-29]。非合作導(dǎo)引律通過預(yù)先為每個(gè)攔截器分配相同的期望命中時(shí)間并通過攻擊時(shí)間控制制導(dǎo)律[22](ITCG，Impact Time Control Guidance)實(shí)現(xiàn)同時(shí)到達(dá)。相反，合作導(dǎo)引是通過飛行器之間的信息交換來實(shí)現(xiàn)到達(dá)時(shí)間同步。

文獻(xiàn)[22]首先提出了一種攻擊時(shí)間控制制導(dǎo)律(ITCG，Impact Time Control Guidance)，并將其應(yīng)用于多導(dǎo)彈同時(shí)到達(dá)任務(wù)。這激發(fā)了許多關(guān)于非合作導(dǎo)引律的研究。文獻(xiàn)[23]利用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論提出了一種攻擊靜止目標(biāo)的制導(dǎo)律，并能滿足命中時(shí)間約束；文獻(xiàn)[24]改進(jìn)了剩余飛行時(shí)間估計(jì)算法，提出了一種精度更高的ITCG；文獻(xiàn)[25]基于滑?？刂评碚撎岢隽艘环N攔截機(jī)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)引律，并且能夠?qū)崿F(xiàn)攻擊時(shí)間控制。盡管非合作導(dǎo)引律能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的同時(shí)到達(dá)，但是飛行器之間缺乏自主協(xié)同。事實(shí)上，非合作導(dǎo)引律本質(zhì)上是開環(huán)的，因此其對(duì)于未知干擾是高度敏感的。

合作導(dǎo)引通過通信網(wǎng)絡(luò)在飛行器之間交換信息，是克服非合作導(dǎo)引缺點(diǎn)的有效途徑。文獻(xiàn)[26]通過改進(jìn)剩余飛行時(shí)間估計(jì)算法，并利用一致性算法實(shí)現(xiàn)剩余飛行時(shí)間協(xié)同，設(shè)計(jì)了一種三維時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)律；文獻(xiàn)[27]基于滑?？刂评碚?，提出了一種三維時(shí)間協(xié)同制導(dǎo)律，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于事件觸發(fā)的控制策略，在保證制導(dǎo)性能的同時(shí)有效減小了資源利用負(fù)擔(dān)；文獻(xiàn)[28]將交戰(zhàn)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提出了一種無數(shù)值奇異的分布式協(xié)同制導(dǎo)律。文獻(xiàn)[29]將飛行器視場角約束轉(zhuǎn)換為智能體的類速度約束，基于一致性理論提出了一種帶視場角約束的三維協(xié)同導(dǎo)引律，但存在制導(dǎo)過程需要進(jìn)行導(dǎo)引律切換的缺點(diǎn)。

近年來，協(xié)同制導(dǎo)技術(shù)盡管得到了長足發(fā)展。但仍然還有許多問題有待解決。一是許多制導(dǎo)律存在數(shù)值奇異性，當(dāng)飛行器與目標(biāo)距離或速度前置角接近零時(shí)，制導(dǎo)指令會(huì)發(fā)散到無窮大[27，30]。二是現(xiàn)有的協(xié)同制導(dǎo)律大多依賴于對(duì)剩余時(shí)間的精確估計(jì)[23，24]，這也激發(fā)了許多關(guān)于提高剩余時(shí)間估計(jì)精度的研究[31，32]。三是必須在導(dǎo)引律設(shè)計(jì)中考慮到多個(gè)飛行器之間的網(wǎng)絡(luò)交互。協(xié)同制導(dǎo)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，存在通信距離受限、通信時(shí)延大、切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜等實(shí)際問題。然而，由于高度非線性的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，這些重要問題在協(xié)同制導(dǎo)的文獻(xiàn)中很少被分析。

4 結(jié)論與展望

本文從多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)基本過程出發(fā)，對(duì)支撐協(xié)同作戰(zhàn)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理和總結(jié)，尤其是編隊(duì)控制與協(xié)同制導(dǎo)技術(shù)。總體來看，多飛行器協(xié)同涉及到多個(gè)學(xué)科多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)也還存在許多問題與挑戰(zhàn)，距離實(shí)際應(yīng)用還存在一定距離。

盡管關(guān)于多飛行器協(xié)同的研究與應(yīng)用已經(jīng)有了很多新的進(jìn)展，但距離實(shí)際應(yīng)用還遠(yuǎn)未成熟，未來可以從以下幾個(gè)方面開展深入研究：

1)信息交互是多飛行器協(xié)同的基礎(chǔ)，而高速運(yùn)動(dòng)的飛行器與快速變化的外部環(huán)境對(duì)通信質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響，因此實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定通信至關(guān)重要；

2)目前的編隊(duì)控制策略大多只具備單一的功能，如隊(duì)形保持、隊(duì)形變換等。而如果采用控制策略切換的方法可能會(huì)導(dǎo)致編隊(duì)失控與控制指令不連續(xù)的問題，需要研究能夠處理多種約束并具備實(shí)現(xiàn)多種功能的編隊(duì)控制策略；

3)目前的信息融合策略大多基于同構(gòu)傳感器測量數(shù)據(jù)的融合，而異構(gòu)傳感器的信息融合是異類飛行器協(xié)同過程中必須要考慮的問題；

4)協(xié)同制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)必須考慮到多個(gè)飛行器之間的網(wǎng)絡(luò)交互存在通信距離受限、通信時(shí)延大、切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜等實(shí)際問題，然而，由于高度非線性的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，解決這些問題仍然存在許多困難。