軍用無人機飛控技術發展簡述

蔣超 趙娜 聞子俠

摘要：為了促進軍用無人機飛控技術的發展，本文對軍用無人機飛控技術進行梳理簡述。首先針對軍用無人機平臺發展兩極化、任務領域拓展多樣化、控制自主化智能化的現狀進行梳理分析；其次針對無人機發展趨勢現狀，對軍用無人機未來飛控技術的需求進行了分類梳理，即高性能運算與控制能力、高帶寬互聯互操作能力、高容錯與環境適應能力并對其中典型的飛控子技術未來發展趨勢進行了分析，同時對其未來的發展進行了展望。

關鍵詞：軍用無人機；飛控技術；發展趨勢；能力需求；

引言

無人機制導控制技術發展總結為三大領域的發展：物理域、信息域、認知域，三個領域通過OODA環緊密連接。物理域向信息域提供感知數據，信息域對感知數據進行判斷，認知域對判斷進行決策形成動作指令發送給物理域的外部設備。

現代戰爭是以精確打擊為主要作戰手段的信息化戰爭，對情報信息高度依賴。而無人機在執行情報、監視、偵察任務時具有自己獨特的優勢：與有人機相比，無人機隱身性能好、續航時間長、無人員傷亡危險；與衛星相比，無人機時效性、針對性和靈活性更強、分辨率高、預警時間短、成本費用低。因此，傳統的情報、監視、偵察任務目前仍是其應用最廣泛、最成熟的領域，情報、監視、偵察無人機也是各國現役無人機中數量最大、型號最多、使用最頻繁的一種。根據科技水平的發展和國際環境的變化對軍用無人機的發展特別是飛控技術的發展提出了新的要求。

1軍用無人機發展趨勢分析

1.1 無人機平臺發展兩極化

近幾年來，軍用無人機的作戰平臺朝著高空長航時大型化和微小型使用靈活化兩極發展。

軍用無人機為了偵察以及監視更廣闊的地域并獲得盡可能完整、無盲區的情報信息，就必須進一步提升自身的飛行高度、以及延長自身的續航時間。因此，新一代高空長航時大型無人機的研究成了目前世界軍事強國的研究熱點，也是軍用無人機平臺發展的一個重要趨勢。

與此同時，由于微小型無人機具有重量輕、體積小、造價低、隱蔽性好、機動靈活等特點，其能夠監視普通偵察機探測不到的死角，因此非常適合在現代城市、叢林以及山地等復雜環境以及特殊條件下的特種部隊和小分隊作戰，因而微小型化是軍用無人機平臺發展的另一重要趨勢。

1.2 無人機任務領域拓展多樣化

由于科學技術發展推動和戰場多變復雜需求的牽引這兩方面因素，軍用無人機的任務領域將進一步拓展。各類針對任務的軍用無人機層出不窮：在對地作戰任務方面主要有防空壓制、近距空中支援、縱深目標打擊等等；在對海作戰任務方面主要有針對反水面艦艇、潛艇作戰；在對空作戰任務方面主要有打擊高價值空中目標、中遠距攔截和近距格斗空戰、導彈防御（攔截彈道導彈）等多個領域。

1.3 無人機控制更加自主智能化

控制水平是無人機區別于有人裝備，實現無人操控和執行各種任務的關鍵。目前，無人機的智能化水平還比較低，平臺控制方式主要以簡單遙控和預編程控制為主。但隨著計算機運算速度和存儲容量的飛躍式發展，以及相關的軟件、容錯、模式識別和自適應推理等技術的巨大進步，軍用無人機智能化水平正不斷提高，人機智能融合的交互控制方式將逐漸占據主導地位，今后將進一步向全自主控制方向發展。

2飛控關鍵技術及能力要求

2.1 高性能運算與控制能力

2.1.1 自主飛行航跡規劃技術

自主飛行航跡規劃技術要求在減少人為干預的情況下，無人機根據任務目標自主完成任務或航路重規劃，提高指揮的高效性和無人機作戰的靈活性。自主飛行航跡規劃技術實現在機載計算資源支持的范圍內實現短延遲，甚至實時重規劃。該技術的發展一方面在于對任務相關高效控制算法的開發，另一方面也可以借助于機載高性能計算技術的進步，提高相同復雜度下規劃算法的運行速度。相關子技術包括飛機性能管理、航跡類型建立，規劃空間建模，約束條件分析，目標函數確定，規劃算法選取以及仿真評估。

2.1.2 智能輔助駕駛技術

數字飛行員技術是通過在飛機駕駛艙中安裝集成飛行知識圖譜的全時飛行輔助駕駛系統，輔助飛行員完成起飛、巡航、避障、降落等飛行操作，協助飛行員完成典型的飛行任務及應急狀況的處理。該系統具備通用性和適配性，能夠實現現役飛機的快速改裝。相關子技術包括數字飛行員系統總體技術、飛行知識形式化表達技術、復雜場景下的人機最優協作技術以及高可靠機器手眼協調技術等。

2.1.3 空戰決策技術

空戰決策技術研究空戰背景下的自主空戰決策與控制技術，有利于發揮無人機飛行機動潛能，提高無人機個體作戰效能。將空戰決策與控制技術與“觀察—指引—決策—行動”（OODA）循環結構相結合，在實時或者近實時條件下達成空戰決策與控制目標。相關子技術包括空戰態勢構建與理解、飛行控制指令自動生成及仿真評估。

2.1.4 變體控制技術

變體控制技術使無人機在飛行任務過程中能夠根據飛行環境和飛行任務，利用變后掠、變展長、折疊機翼等方式局部或整體地改變自身的結構適應作戰環境和任務需要，獲得了全任務模式下的飛行性能提升，在不同飛行階段均有較好的飛行性能。相關子技術包括后掠折疊機翼變體飛行器動力學模型建立、后掠折疊機翼變體飛行器機翼折疊過程控制、后掠折疊機翼變體飛行器非對稱變形模型評估及仿真評估。

2.1.5 高超聲速氣動彈性抑制技術

高超聲速無人機由于其飛行任務和結構設計上的要求，出現了很多常規飛行器從未考慮的氣動彈性問題。例如高超聲速情況下因而飛行燃料的損失質量大幅變化將改變飛行器的顫振特性，這就需要具備高超聲速氣動彈性抑制能力。相關子技術包括高超聲速非定常氣動力計算、熱環境下的氣動彈性建模、推力影響下的氣動彈性穩定控制。

2.2 高帶寬互聯互操作能力

2.2.1 艦載機自主著艦導引與控制技術

艦載機著艦控制是艦載機控制系統的關鍵技術，其將機載設備得到的信息通過一定的技術手段進行綜合處理，使飛行器可以在沒有人為干預情況下自行完成著艦過程。艦載機自主著艦技術能夠降低著艦的危險，有效減輕飛行員的工作負擔。相關子技術包括自動著艦控制技術、自動著艦導引技術、逃逸復飛控制技術、短距起降等控制技術。

2.2.2 自主空中加/受油引導與控制技術

自主空中加/受油引導與控制技術賦予無人機自動完成空中加/受油操作的能力，擴大無人機的續航能力，提高無人機的任務半徑，自主空中加/受油引導與控制技術解決加/受油機間復雜氣流環境下，高精度對接引導與控制問題。相關子技術包括加油流程規范制定、精確相對定位引導、緊密編隊抗擾控制、精密對接控制、防撞規避控制以及仿真評估技術。

2.2.3 有人/無人協同引導與控制技術

利用無人機“不怕犧牲”，廉價等優點，在有人機的指揮控制下，前往“危險、臟、累、枯燥”環境下，執行偵察打擊等作戰任務，有人無人協同既解決了有人裝備作戰易被伏擊殺傷的問題，同時將兩種作戰平臺融為一體最大化提升了體系化作戰效能。相關子技術包括離線航跡規劃技術、遠距航跡機動調整技術。

2.2.4 多無人機自主任務規劃技術

多無人機自主任務規劃技術使無人機具備在線動態規劃的功能，是無人機執行偵察任務的關鍵技術。多無人機自主任務規劃技術有利于提高整個多無人機系統的容錯性與可靠性，保證遇到突發威脅時，無人機可進行自主任務重分配與航線重規劃，進而不影響整個任務的完成，能夠很好地體現出無人機群的自主性與協同性。相關子技術包括碰撞檢測與規避技術、以及最優任務分配技術等。

2.2.5 集群控制

集群控制技術基于生物集群行為原理，通過多個體之間的協同合作，發揮各自優勢，可以完成單體所難以完成的、復雜的任務。無人機集群作為一種“改變戰爭形態”的顛覆性技術，通過數量提升能力、成本創造優勢的模式制勝。相關子技術包括信息感知融合技術、任務分配技術、航跡規劃技術、編隊控制技術（隊形設計、隊形調整和隊形重構）等。

2.3 高容錯與環境適應能力

2.3.1 健康管理與故障預測技術

健康管理與故障預測技術通過對專家系統和監督學習方法的綜合運用，實現無人機系統建模和主動故障檢測，提高無人機的故障預測能力和任務可靠性，保證飛行安全，同時也有利于降低無人機的使用成本，合理安排維修計劃。相關子技術包括健康管理模型建立、故障預測對象分析、故障預測方法建立等。

2.3.2 碰撞檢測與規避技術

碰撞檢測與規避技術通過設計空中飛行交通告警和防撞系統，研究基于視覺、雷達的防撞探測，使無人機具備碰撞感知與規避能力，提升無人機使用的安全性。相關子技術主要包括碰撞威脅的探測模型建立、目標飛機的監視和跟蹤、無人機間的安全間距控制，無人機散布控制等。

2.3.3 容錯控制與環境適應

容錯控制與環境適應技術使無人機在發生故障的情況下，能夠自動補償故障的影響以維護無人機的穩定性和盡可能的恢復故障前的性能，從而保證運行穩定可靠，提高無人機任務成功率，提高系統的可靠性、可維護性和有效性。容錯控制與環境適應技術從重構控制律設計、控制分配、操縱面損傷重構、軟件容錯、信息安全、自動應急處置等方面出發，形成一套無人機故障容錯機制的整體設計方案。相關子技術包括基于模型的方法、基于數據的方法和基于知識的診斷方法、基于非線性觀測器的容錯控制、基于H∞的魯棒容錯控制等。

3結束語

通過國內外現狀的調研，結合軍用無人機特定作戰需求，從軍用無人機平臺能力出發，總結了軍用無人機飛行控制核心能力需求與關鍵技術特征，對新時代軍用無人機發展的新需求進行梳理分析，提出了軍用無人機飛控技術發展所需的三大能力，即高性能運算與控制能力、高帶寬互聯互操作能力、高容錯與環境適應能力，為后續軍用無人機飛控技術發展提供參考。

參考文獻：

[1]張云秀，曾慶達，張煒.無人機發展綜述[J].河南科技，2017，（9）.

[2]景巖.無人機發展綜述[J].才智，2013，（16）.

[3]姚思浩.無人機的發展現狀與趨勢[J].電子制作，2018，（1）.

[4]孫紹紅.無人機“尖兵之翼”[J].世界知識，2015，06：64-65.

[5]張翼麟，張紹芳，李鵬飛.2012年世界軍用無人機發展動向及評述[J].飛航導彈，2013，（7）.

[6]魏凱，朱振宇.X-47B無人機飛行試驗進展與應用前景分析[J].飛航導彈，2014，（5）.

[7]黃玲.人工智能技術研究方法與發展探討[C].第十四屆中國不確定系統年會，第十八屆中國青年信息與管理學者大會論文集.2016

[8]吳彥冰，張曉宇，電氣自動化中的人工智能控制[J].科技展望，2017，（1）.

[9]魏慎娜.基于新型態勢函數的空戰微分對策問題研究[D].沈陽航空航天大學：沈陽航空航天大學，2018.

[10]連文瓏.基于OODA的網絡對抗試驗方法研究[D].哈爾濱工業大學：哈爾濱工業大學，2018.

[11]袁坤剛，張靖，劉波，張志偉.目標飛機自主空戰戰術機動仿真[J].中國電子科學研究院學報，2013，（3）.

[12]譚健.飛翼布局無人機魯棒滑模非線性飛行控制研究[D].西北工業大學：西北工業大學，2017

[13]申安玉，申學仁，李云保.自動飛行控制系統[M].北京：國防工業出版社，2 0 0 3 ： 4 2 - 1 9 6 .

[14]徐健.自主無人機飛行控制系統設計和實現[J].廣西大學學報，2016.8： 1 6 - 1 9 .

（作者單位：蔣超、聞子俠，航空工業西安飛行自動控制研究所，蔣超研究方向：無人機控制；趙娜，中國國際工程咨詢有限公司，研究方向：無人機裝備應用與管理）