面向有人/無人機協同遠程作戰的IVMS架構

2022-04-26 01:48:22胡嘉悅李廣文章衛國張超賈乾磊

航空學報 2022年3期

胡嘉悅，李廣文,*，章衛國，張超，賈乾磊

1.西北工業大學自動化學院，西安 710072 2.航空工業第一飛機設計研究院，西安 710089

鑒于軍事技術的快速發展，各國也在不斷發展全方位一體化防空與雷達預警網絡，這使得遠距離突防與作戰任務更加難以完成。而且面對愈發復雜的戰場環境和任務需求，飛行員在操縱飛機的同時難以準確高效地實施作戰規劃與決策。此外，隨著無人機和智能技術的發展，很多國家也著眼于有人/無人機協同作戰的研究，以便在復雜戰場中以較低的經濟消耗，取得更大的軍事效益，但是，這也對飛行員處理多種復雜信息的能力提出了更高的要求。

為了滿足這種需求，英國空軍在20世紀70年代首次提出飛行器管理系統(Vehicle Management System, VMS)的概念，主要目標是通過對機內各子系統的協調與資源共享提升全局飛行性能與作戰效能。1996年，北約航空發展和研究咨詢組織(AGARD)出版的綜合飛機管理系統研究報告，對綜合飛行器管理系統(Integrated Vehicle Management System, IVMS)總體研究進行了論述。研究指出，IVMS通過對系統功能和物理綜合，實現對戰機系統的綜合控制、決策管理、資源配置和診斷監測等。正是因為IVMS所具備的巨大優勢，使其成功地應用到了F-22、F-35、B777等型號。

除此之外，國內許多研究機構也對飛行器管理系統的總體發展進行了分析論述。較早關注該領域的北京航空航天大學申功璋團隊從對飛行器全系統物理與功能綜合和面向飛行能力優化兩方面深入分析了VMS的設計，并提出了綜合飛/推控制、主動重心控制、綜合熱管理以及綜合飛控/航電等關鍵問題。陳琪和萬劍鋒指出綜合戰術任務/飛行器管理系統技術是現代航空技術的發展趨勢，但仍將任務管理和飛機子系統管理分別處理。張喜民和徐奡從具體型號出發，對比分析了F-22、EF-2000和F-35的IVMS體系架構，指出高度的功能綜合、網絡化、分布式開放系統結構是IVMS顯著特征。吳文海等在近十年中進行了多角度的分析，逐步完善了飛行器管理系統的結構框架、基本功能和關鍵技術。此外，對于IVMS具體的設計與驗證主要體現在部分子系統的綜合上。在任務管理系統方面，有基于信念-愿望-意圖(Belief-Desire-Intention Theory, BDI)的自主任務管理系統，基于模型系統工程(Model Based on Systems Engineering，MBSE)方法論的無人機任務管理系統以及硬件設計與實現；能量管理方面，陸賓賓針對超聲速飛行器，設計了一種熱管理系統并進行仿真計算，滿足了在飛行任務全包線范圍內的熱管理需求；任務調度方面，孫大偉等設計并仿真驗證了基于蟻群算法的多處理機任務調度方法；有人/無人機編隊協同方面，王新堯等考慮有人機飛行員狀態和異構無人機的不同依賴程度對決策的影響，設計了一種高魯棒性的作戰決策系統架構。

通過對相關文獻資料的分析可以發現，目前IVMS相關的研究還存在以下2方面的不足：

1) 盡管中國對IVMS的研究逐漸深入，但任務決策與飛機子系統管理仍然相對分立：任務決策通常更關注于戰場態勢與情報，飛機自身性能僅作為固定約束考慮；而飛機子系統的管理則主要關注于通過管理傳感器信息和機上能源，使飛機實現自動飛行，但對作戰的適應性缺少考慮。

2) 現有的相關IVMS的研究，主要著眼于一架作戰飛機的子系統綜合管理和“資源”調度，對集群/協同作戰場景下的IVMS缺少研究，但是，若將協同作戰飛機上“資源”也作為IVMS決策的對象，將進一步提升作戰效能。

針對上述問題，本文在傳統IVMS的基礎上提出一種面向有人/無人機協同遠程作戰場景的系統架構：

1) 考慮了遠程作戰中的長航程需求，以及有人/無人機協同作戰場景下對整個機群的規劃需求兩方面，提出了一種面向有人/無人機協同遠程作戰的IVMS架構。

2) 將有人機的子系統和無人機攜帶的設備綜合考慮，設計基于數據交互與調度的邏輯架構。該架構將作戰機群所具有的設備和“資源”看作一個整體，通過調度有人機和無人機上資源提高性能，降低自身性能對任務的約束，提高機群的作戰效能。

3) 設計了基于分層模式的軟件架構，整合不同功能中相同的數據、算法、約束需求以及相關流程，降低軟件復雜程度，優化層次交互關系，為進一步的IVMS仿真研究和硬件設計提供參考。

本文首先對有人/無人機協同遠程作戰的場景進行分析，基于作戰中各飛行任務階段，提煉該場景下對IVMS的功能需求，并將各需求整合。第2節基于整合的5個主要功能，以提升作戰效能為目標，設計基于數據交互IVMS邏輯架構。從系統的軟件實現角度分析IVMS，在第3節中，提出了一種基于分層模式的軟件架構，優化功能之間的層次交互關系。第4節對全文進行了總結。

1 面向有人/無人機協同遠程作戰的IVMS功能分析

有人/無人機協同遠程作戰的任務場景給IVMS系統提出了新的需求。一方面為了實施更遠距離的戰略巡航與作戰，提出了延長作戰半徑需求；另一方面，具有戰術決策優勢的有人機和具有靈活作戰與控制優勢的無人機協同作戰的模式，提出了從協同角度優化任務與作戰效能的需求。

一次作戰中，常見的飛行任務有戰前準備、起飛/爬升、巡航飛行、空中加油、對敵偵察、突防攻擊和受擊逃逸等等。根據不同飛行任務中對作戰方案、性能計算、敵我態勢以及飛行航路等功能的需求，面向上述延長作戰半徑與優化作戰機群協同性的兩類需求，可以分析得到各個飛行任務階段所處任務環境以及IVMS需要實現的主要功能，匯總如表1所示。

對不同飛行任務下的需求整合，綜合飛行器管理系統的基本功能主要分為以下5部分：

1) 態勢感知與評估：實現對戰場環境與目標的狀態、屬性的識別，依據目標及軍事相關知識理解敵我作戰部署、意圖，獲得態勢優勢估計，并對未來戰場的變化趨勢進行預測，為決策提供依據。

表1 IVMS功能需求Table 1 Function requirements of IVMS

2) 任務管理：在態勢評估的基礎上，根據作戰準則，綜合考慮包括機群性能、任務時間、戰場環境等約束，完成任務分配與調度，規劃有人/無人機協同作戰航跡并進行飛行導引。

3) 飛行控制綜合：針對任務需求，綜合飛行控制、火力控制及推力控制，實現飛行性能優化，推進系統穩定控制和自動武器投放軌跡與攻擊占位控制。

4) 公共管理：為了實現遠程作戰，公共管理功能通過對發動機與燃油系統、機電系統以及液壓系統的能量合理分配，減少資源消耗，并通過主動重心控制，調節飛機燃油分布，降低巡航阻力，增加作戰半徑。

5) 智能人機交互：通過智能人機交互功能，獲取飛行員操作指令，為飛行員綜合顯示作戰模式、參數以及操作提示等。

2 基于數據交互的IVMS邏輯架構

目前提出的綜合飛行器管理系統，主要研究如何對一架作戰飛機的機載系統和作戰任務進行管理。面對不確定、多任務、高威脅的現代強對抗戰爭，有人/無人機協同作戰可以相互補充，提高執行復雜任務時靈活性與生存力。因此，本文在傳統IVMS基礎上，以延長作戰半徑與優化作戰機群協同性為目標，將有人機與無人機的“資源”綜合為一體考慮，以無人機為保護、支援和態勢感知，以有人機為核心進行整體決策，設計了一種以數據交互為邏輯關系的IVMS架構。

2.1 系統總體架構

根據第1節提出的主要功能需求，可以將IVMS劃分為公共管理(綜合能量管理、主動重心控制、控制綜合)、任務管理(效能評估、突防規劃)、有人/無人機協同規劃(任務分配、航跡規劃、編隊控制)、權衡與決策、管理信息交互等模塊。

將各功能之間的數據交互作為邏輯關系，提出一種IVMS系統架構，總體結構如圖1所示。其中，場景信息部分如圖2所示。

該IVMS設置于作戰機群中有人機內部，各無人機與加油機的飛行狀態和探測/武器系統狀態信息，以數據鏈形式與有人機進行通訊。本文將有人機數據和無人機/加油機數據分列，并根據數據來源，將IVMS按功能整合。

2.2 主要功能的數據交互

1) 綜合能量管理、主動重心控制以及控制綜合構成公共管理:其權衡與優化的目標是增加作戰半徑，提高飛機作戰安全性。綜合能量管理功能根據輸入的部分飛機狀態(飛行速度、飛行高度、迎角與側滑角、舵面偏轉角、油門開度)、決策的工作模式和飛機故障狀態，將飛機的熱管理系統、電力管理系統、燃油管理系統進行功能綜合，優化飛機內部能源調度，避免能源浪費并解決飛機高產熱、高用電帶來的安全問題，輸出滿足當前最大散熱能力的飛行高度、速度限制，并對用電設備工作狀態加以控制。主動重心控制功能根據輸入的飛機彈藥和燃油分布、部分飛機狀態(飛行速度、三軸角速率、迎角與側滑角、舵面偏轉角、姿態角)以及離線飛行包線數據庫，輸出估計的飛機當前重心位置、重心調整范圍、當前最優重心位置以及為達到該位置對燃油的配置。控制綜合功能根據輸入的作戰目標，從飛行性能、武器投放和攻擊占位3個角度，計算飛機的性能包線輸出至權衡與決策功能用于決策戰術任務。同時計算飛行/火力/推力綜合控制指令，實現有人機的綜合飛行控制。

圖2 場景信息部分Fig.2 Scene information part

2) 任務管理:其權衡與優化的目標是在當前飛行性能和任務的約束性，提升作戰過程中飛機的生存力、作戰效能。效能評估根據輸入的性能約束和決策的作戰任務，計算飛機當前狀態生存力與作戰效能，并將結果傳輸給突防部分作為約束。突防規劃功能根據輸入的部分飛機狀態(飛機位置、飛行高度、飛行速度、姿態角)、性能約束、敵方部署的雷達及其他防空設施信息，通過航程與隱身效果收益分析，決策突防形式，輸出飛機的動態RCS曲線、規劃的航跡與姿態信息及各航跡點上的被探測概率。

3) 協同規劃:通過協調有人/無人機機群，滿足更高的任務需求，提高作戰任務完成能力。包括協同任務分配與動態編隊航跡規劃。任務分配功能根據輸入的我方有人/無人機狀態信息、靜/動態的作戰目標/威脅/障礙位置、類型與運動信息，實現在戰前準備的集群配置、作戰任務過程中的動態任務目標分配。根據分配的任務與目標，編隊航跡功能首先進行編隊隊形選擇/重構，其次規劃編隊的攻擊/逃逸路徑以及根據航程與燃油余量制定加油計劃。僅戰前輸出集群配置結果，之后輸出各無人機時敏任務序列、各無人機編隊位置姿態、以及有人機和無人機各階段規劃的四維航跡。

4) 能力權衡與決策功能:① 根據傳感器系統獲得戰場態勢信息，綜合評估與預測戰場態勢變化、為任務管理提供依據，② 根據飛機各子系統狀態，計算飛機性能，選定公共管理部分的工作模式并為任務管理提供約束，并在該兩點的基礎上，綜合決策作戰機群的階段任務如急需空中加油、受擊損傷返航、快速突防打擊等等。

5) 管理信息交互功能:該功能是在能力權衡與決策部分接收整合其他功能狀態信息的基礎上，進行信息的篩選與整合，使飛行員可以更清楚快速的了解飛行狀態、攻擊模式、和操縱提示等信息。同時駕駛員還可以通過該功能設置系統的工作模式與方案。

2.3 面向有人/無人機協同遠程作戰的IVMS對比分析

從飛控系統、綜合飛行/推進控制、戰術飛行管理、發展到飛行器管理系統，逐步形成了目前的考慮安全性、生存性和操縱性的綜合飛行器管理系統(IVMS)。本文在此基礎上，將協同作戰的有人機和無人機的性能與資源整體考慮，進一步擴展IVMS的管理范圍，提升飛行性能與作戰效能。

1) 功能優化

在傳統IVMS考慮傳感器感知、任務決策、飛行/火力/推力綜合控制的基礎上，本架構設計飛機綜合管理離線性能數據庫，包括能量資源調配方案，重心位置與性能剖面，積分航程表等，為在線快速決策提供數據準備。并在以下兩方面優化IVMS功能：① 借鑒大型飛機，引入了主動重心控制功能，對巡航階段重心位置進行權衡優化，并結合綜合能量管理和考慮加油機編隊進行加油計劃制定與導引，最大化利用機載/加油機燃油、熱能和電能，延長飛機航程。② 綜合協同作戰無人機資源調度功能。將無人機配備的探測感知系統，武器系統等和有人機性能共同作為決策依據，使得任務決策時可調度資源更多，作戰半徑更大，生存能力更強。

2) 飛行性能優化

本文提出的IVMS在提升飛機飛行性能方面，主要針對起飛、爬升、巡航的到達作戰區域邊界前的飛行階段。該階段優化的主要目的是通過有人機及其編隊的機載資源配置以及空中加油計劃的制定使飛機在巡航終點的任務載荷滿足作戰階段的任務要求，即到達敵方勢力范圍前緣時載有更多的燃油載荷及彈藥載荷，同時盡可能降低整個過程中的燃油成本。

第一,起飛前的配置優化：根據飛機最大起飛重量，燃油、彈藥載荷能力同時結合任務需求優化配置初始燃油與武器資源，相較于傳統VMS，由于配置過程考慮作戰路徑、戰場環境與目標和協同無人機性能，快速生成配置方案，從而獲得更符合實際作戰的資源配置結果。

第二,起飛爬升的性能優化：結合起飛機場約束、機載資源以及協同無人機的配置，綜合權衡，設計符合任務需求的有人/無人機四維起飛爬升剖面。

第三,燃油資源優化：在分析各階段燃油消耗特性的基礎上，更新優化飛機管理系統數據庫，計算飛機剩余燃油載荷以及燃油需求，根據作戰編隊的燃油需求和加油機編隊的供油能力調整重心位置，切換機載系統能源消耗狀態，同時制定空中加油計劃，優化整個機群燃油資源調度。

3) 作戰效能優化

協同作戰效能可以根據其執行作戰任務的過程，分為信息獲取、協同決策和協同打擊。在該3個過程中，本文所提IVMS在如下方面有所優化。

第一，信息獲取：綜合考慮協同的無人機的機載系統與能力，通過戰術決策與協同任務分配功能，指定無人機完成預警、探測、跟蹤等任務，可以使有人機在相同的生存率條件下，擴大預警探測范圍，更近更準確的跟蹤打擊目標，提高目標容量；或可規劃有人機遠離高威脅區域，由無人機提前獲取戰場威脅，使有人機獲得更高的生存力，避免戰損。

第二，協同決策：在進行戰術任務決策時，首先，無人機通過自身機載系統，感知與解算戰場態勢，實現態勢共享，為決策帶來更高的完整性、時效性、準確性。其次，IVMS直接整合無人機獲取的信息與有人機自身資源決策出整個作戰機群任務鏈，相較于傳統飛機管理系統可減少飛行員需決策的信息量，提高決策效率，降低壓力。此外，機內能量管理、重心控制及飛/火/推綜合與協同決策相互反饋，后者在前者的約束下規劃任務，同時前者也可根據后者的需求調整機內資源拓寬性能范圍，以獲得更高的任務成功率，和規避威脅。

第三，協同打擊/逃逸：協同打擊/逃逸過程中，有人機的機動能力遠小于無人機。在突防打擊過程中，IVMS可以同時規劃無人機任務，將無人機作為有人機的武庫機完成識別與打擊防空威脅的任務。通過調整機上資源消耗、重心位置以及飛行/推力綜合控制，提高有人機機動性能，減少對突防規劃的約束，從而獲得更優的隱身/低空突防路徑。以無人機充當防空武器誘餌，IVMS規劃無人機路徑，在逃逸與規避過程中為有人機護衛。在有人機已經損傷/故障情況下，調整機上能源消耗模式，或整合無人機信息，替代故障系統(如導航系統)保證飛行安全。

3 基于分層模式的IVMS軟件系統架構

改進的IVMS因其功能需求的增加，使得軟件的設計過程更為復雜。一個清晰、可擴展、高效的軟件架構將有利于更好地針對作戰需求對系統進行開發、改進與使用。

分層模式的架構是目前最為流行，應用最為廣泛的架構設計方法之一。它將系統劃分為若干層次，每一層解決問題的一部分，通過各層的協作提供整體的解決方案。由于問題得到分解，因此分層架構具有良好的可擴展性且易于維護。

針對IVMS功能多、交互關系復雜、面向不同飛機和作戰場景時需要擴展內容等特點，提出了一種基于分層模式的IVMS軟件系統架構。

3.1 系統總體軟件架構

結合IVMS各功能之間邏輯交互關系，提出其軟件體系結構如圖3所示，分為交互層，決策層，規劃層，模型層以及數據庫層。該結構中由下至上，數據庫層保存IVMS所需離線數據；模型層實現對作戰集群和作戰場景的建模，并由飛機狀態和戰場態勢變化驅動；規劃層實現突防規劃、編隊控制、能量管理、主動重心控制、性能計算等主要功能決策層實現綜合能力權衡與決策；交互層主要實現與飛行員的信息交互，包括用戶設置接口，與決策結果顯示。

圖3 基于數據交互的IVMS系統架構Fig.3 IVMS system architecture based on data interaction

3.2 各層次分析

1) 數據庫層

數據庫層主要包括飛機性能數據、戰場環境數據、飛機基本數據3個部分，是飛行器進行在線規劃與管理的離線數據基礎，其結構如圖4所示。

飛機基本數據部分主要包括有人機和無人機的：① 飛機結構數據：飛機的展弦比、機翼展長，機翼面積、發動機安裝角、操縱面位置等；② 飛機氣動數據：完整的飛機氣動力系數、導數、轉動慣量、舵效等；③ 發動機與燃油系統結構數據：應包含油箱結構參數與位置，燃油傳輸流量，發動機耗油率等；④ 飛機相關設備數據：應包含集群作戰全部飛機的武器、雷達及其他相關設備的數量、重量、位置、成本、射程等參數；⑤ 有人機的主要機電模型：包括綜合熱管理、電能管理、液壓能管理所需的飛機系統數據；⑥ 有人機的RCS曲線。

飛機性能數據部分主要包括有人機和無人機的：① 平飛推力數據：不同飛行高度、速度條件下平飛的發動機最大推力；② 發動機性能數據；③ 爬升性能數據：某重量下不同高度、速度的最大爬升梯度/爬升率；④ 最優巡航性能數據；⑤ 不同重心、重量下飛行包線數據。同時為了實現能量管理功能，還需構建能量管理預選數據。

戰場環境模型數據部分主要包括：① 戰場任務空間；② 數字高程地圖數據；③ 敵防空威脅模型：對防空雷達、導彈、攔截戰機等建模；④ 雷達組網探測模型；⑤ 機場環境；⑥ 典型氣象模型；⑦ 作戰目標信息數據。

2) 模型層

模型層是為了實現IVMS在線進行任務、路徑等規劃功能，根據獲取的戰場態勢信息，對戰場環境、威脅，以及根據集群中每架飛機狀態信息建立數學模型。

3) 規劃層

規劃層是實現IVMS對飛機性能優化與權衡最重要的部分，它可以并行實現突防決策與規劃、有人/無人機編隊規劃與控制、飛機主動重心控制、機上綜合能量管理以及考慮故障與損傷的飛機性能在線計算功能。其中，飛機性能在線計算得到的修正性能如飛行包線等，將傳輸給其他功能作為規劃的約束條件。圖5和圖6分別為以突防決策與規劃功能和有人/無人機協同規劃功能為例所構建的軟件架構。突防決策與規劃過程，在激活指令下，根據性能約束、戰場威脅及飛機當前位置姿態，調用規劃約束函數，基于代價函數與數字地圖分別計算低空突防與隱身突防模式下的突防路徑，并根據突防收益函數計算結果決策突防模式，最后對確定的航跡平滑處理。