無人機空中編隊集結就位方法

李紅泉

中國人民解放軍92419 部隊，遼寧 興城市 125106

無人機編隊飛行可以彌補單機的不足，好的隊形編排能提高飛機的戰斗力和生存力，編隊成敗的關鍵在于內各飛行單元能否在有限時間內準時到達預定位置。目前，測控技術的發展使無人機具備了參加編隊的能力，增加了混合編隊的復雜性，但降低了人身傷害的風險。

編隊是個廣泛概念，應用在艦船、車輛、飛行器和衛星等諸多領域，涵蓋了海陸空天立體空間，比如航母編隊、推進式掃雷、衛星組網定位、飛船與空間站精準對接都是大家熟知的編隊實現方式。只是飛行編隊影響力更大，人們習慣上把飛行器編隊簡化稱編隊，本文也是這樣。但經過技術發展，十五年后的編隊組合不僅是飛機，可能包括無人車、無人船、無人機、衛星等空間立體的協同模式，編隊的概念會繼續變化。

圖1 第二次世界大戰的機群

編隊的基本情況

有兩架以上飛機，保持規定的距離、間隔和高度差，組成一定隊形，帶有指揮協同關系的飛行活動叫編隊，是空中兵力部署的重要戰術。編隊飛行最早起源于第一次世界大戰，那時的飛機編隊只能叫“空中群架”，空中安全性基本靠飛行員目視觀察、控制躲避；二戰時盛行大規模編隊，動輒上百架飛機協同飛行，形成了多種偵察、防御和進攻方法；越戰之后大規模空戰趨于停止，戰爭轉向局部短時，編隊呈現快速突防、不糾纏、打完就走的特點，以三四架飛機混編協同作戰為主要模式；現在編隊多是在飛行表演中，以展示飛行技術和飛機性能。

圖2 飛行表演中的密集編隊

隨著自動控制技術、無線電傳輸技術、傳感器測量技術的發展進步，無人機 進入精準飛行時代，無人機具備了參加編隊的能力，編隊就不再局限于有人駕駛飛機，出現了各式各樣的編隊形式。通過總結以往規模空戰的經驗，人們已開始研究無人機替代有人機進行編隊執行任務問題，盡管現在應用多的是戰斗機編隊，但研究多的卻是無人機編隊。在無人機編隊方面，不斷突破關鍵技術，取得實用性成果。2014年4月12日，歐洲“神經元”無人作戰飛機驗證機在地中海上空與1架“陣風”多功能戰斗機、1架“獵鷹”（Fakon）7X公務機進行1h50min編隊測試，探索了無人作戰飛機和有人機混合編隊，形成真假目標的戰斗模式。2015年4月22日，美國完成K-707加油機對X-47B自主空中加油，把無人機密集編隊間距縮小至米級。

根據執行的不同任務，可以形成楔隊、梯隊、橫隊、縱隊、菱形和V字等編隊形式，每一種隊形，都有其適用范圍，比如橫隊形可以擴大掃掠面積，適合于對實時性要求高的協同偵察、搜救、測繪等情況；V字隊形利用前機氣流，可節省燃料，延長飛行距離；長機-僚機雙機編隊，若僚機在長機的前15°到后20°區域形成一字編隊隊形時，具有良好的攻擊性和防御性，適合于高空作戰；僚機在長機后30°～60°的區域時，整體操縱性良好，適合于低空作戰；楔形適合小規模編隊，兼顧掩護和支援，現在應用較多。

編隊的歷程和控制方法

編隊飛行生命歷程可分為6個階段，即各參加飛機在規定的時間到達預定位置的集結、形成并保持編隊隊形、飛行過程中的編隊調整與重構、飛機執行各自的任務、編隊返回、編隊解散及歸航降落。也有的只是強調前三個階段。

圖3 混合機型編隊作戰

圖4 無人機空中加油

圖5 楔形編隊

圖6 有人機楔形編隊間距

編隊集結是指所有無人機升空后，依據各機性能指標和環境約束條件，按照預設航路規劃，通過調整單機的飛行參數，最終使編隊中的所有無人機能夠同時達到指定位置點，形成隊形，強調在時間一致性。編隊集結需要解決航路規劃和軌跡控制兩個問題，航路規劃是在考慮環境因素和與其他無人機協同因素條件下如何為每個無人機規劃其飛行的航路，軌跡控制是在每個無人機沿其規劃航路飛行的過程中，如何調整其速度、高度、航向等運動參數，來保證最終多個無人機同時到達預定的地點。由于航路規劃的費時耗力，而無人機飛行的速度很快，對實時性要求又高，所以不允許頻繁地進行航路規劃。

編隊集結的控制方法有集中式控制和分布式協同控制兩種。集中式控制可以掌控全局，適用于小規模編隊；分布式協同控制不需要長機，只需和自己周圍的無人機交互信息，適用于大機群編隊。有人駕駛飛機的編隊一般有由某架飛機擔當指揮調度中樞，其他飛機依靠飛行員的操控水平向其靠攏，完成預定的隊形排列；現在密集編隊的飛機間距已經小于5m，對飛行員的能力要求較高，但當編隊進行整體轉彎、翻滾等特技時，隊形則疏開。無人機編隊沿用了傳統隊形方式，大量工作是飛行前充分設計航路規劃和協同策略，飛行過程中各機之間、機地之間通過數據鏈交互信息，但無論是直接控制還是轉發式控制，指控中心都在地面；受定位精度、傳感器測量水平、舵面響應速度的限制，無人機編隊間距要大一些。

由于實際飛行中環境條件復雜多變，不可預見因素影響，前期設計的航路規劃可能達不到預期效果或不切實際，使集結失敗，此時需要重構編隊。編隊重構問題也指編隊在飛行過程中，遇到障礙物或敵方目標，或某個體退出等突發情況，需要及時改變編隊結構，以完成新的任務，編隊重構需要考慮重構時間、能量消耗、避撞避障、通信中斷等約束條件，由于編隊重構的技術難度大，目前研究的各種自適應算法都不能解決三維空間內的隨機性問題。這種情況的重構方法基本上還是依靠地面控制中心介入調整，將人在回路外復原到人在回路中，編隊再次演變為準時到達問題。

準時集結就位的調整方法

為統一概念，本文定義飛機全部就位的時刻為零點時刻，零點之前是集結規劃，之后是協同規劃。

各個飛機準時到達預定位置是保證整個編隊協同完成任務的基礎，在集結點就位時刻由起飛零點和途中時間消耗決定，受風速風向等空中氣象影響，對地速度會產生變化，因此在起飛點至集結點之間設立一個或幾個檢查點，根據到達檢查點時間計算早到或晚到集合點時間，通過調整飛行速度或改變飛行航線縮短或延長后面飛行時間，不斷進行集結規劃，從而準時到達預定位置。對無人機來講，基于衛星定位、導航、授時、數據傳輸的技術發展增加了編隊飛行的精準度，使遠程控制和全局態勢監察成為可能，到達檢查點時間計算可以在地面控制中心完成，也可以由無人機自主完成。

圖7 用速度調節到達時刻示意圖

圖8 用早晚轉彎調節到達時刻示意圖

多數情況下，編隊可以在自由空間（空域足夠大）飛行，只要單機的起飛零點不超過直線飛行速度調節范圍，就能夠保證準時到達。常用的飛行中途調整方法有速度調節法、早晚轉彎法、環繞飛行法，見圖示。其中速度調節法適用于遠距離簡單航路中，不改變飛行航路，利用飛行包線調節速度，通過比對到達每一個檢查點與設計時間差，減少或延長后面飛行時間，達到最后準時到達集結點；但如果距離預定集合點太近，僅靠速度調節可能無法完成準時就位。早晚轉彎法則是保持速度，改變航路上轉彎點位置，用增長或縮短飛行距離的方法，達到準時到達；提前轉彎或推遲轉彎后至預定集結點再次演變成速度調節法，此時也應留有足夠長的剩余航路。轉彎繞飛也是保持速度，用增長航路消耗早到時間，根據應消耗時間的多少，采取的方法有蛇形繞飛、V型繞飛和環形繞飛，繞飛可以在水平面內進行，也可以在垂直面內進行，視空域環境而定，對剩余航路距離沒要求；若剩余時間較多，可作連續繞飛。通常在編隊疏開和解散著陸時使用繞飛方法。

圖9 用轉彎繞飛調節到達時刻示意圖

當遇到障礙物或空中威脅時，編隊被迫臨時解散，各單機通過障礙或威脅區域后，編隊進入重構階段，此時涉及到協同規劃問題。協同規劃也是編隊飛行設計的一種應急預案，若飛行現場和預想的有差異，則通過地面控制調整，調整的方法與集結就位方法相同。

結束語

編隊飛行不僅應用在大規模對地攻擊、欺騙掩護、態勢偵察等軍事活動中，還用于森林防火、農作物防災、飛行表演等民事活動，前景廣泛。鑒于攻擊型無人機的活躍表現，人們的研究重點轉到無人機編隊飛行上。目前，已經實現了四百多架旋翼無人機展示飛行，空中變換編隊形狀，呈現各種圖案，具備了控制雛形，為基于數據處理的空中智能編隊積累了策略算法。

由于環境條件復雜多變，形成預期的編隊隊形是一個比較困難的過程，可能需要多機協同調整。對無人機編隊而言，前期必須有航路模飛仿真環節，人為設置突發情況，先以集中式控制方式入手，逐漸加入定位、感知、避撞等手段，向分布式控制完善過渡，最終實現自動化智能化，取代有人機進行高危飛行活動。■