飛行器集群協同控制技術分析與展望

鄭 卓，路坤鋒，王昭磊，姚 征

(1. 北京航天自動控制研究所，北京 100854；2. 宇航智能控制技術全國重點實驗室，北京 100854)

0 引 言

飛行器集群具有高韌性、低成本、組織靈活的優勢,集群協同控制技術是飛行器由單平臺獨立作戰轉向集群協同作戰的關鍵技術,支撐飛行器體系化、智能化、實戰化發展,在協同探測、協同干擾、協同打擊等多種任務中全面提升飛行器集群作戰效能。

航天技術發展至今,飛行器在氣動、動力、控制等多個領域遇到技術瓶頸,飛行器個體能力難以無限提升;同時,面臨復雜戰場環境、高動態戰場態勢、不確定對抗策略等挑戰;飛行器集群作為顛覆性作戰樣式,飛行器協同技術在近十年中成為研究熱點。通過協同技術賦能,多飛行器呈現出“1+1>2”的效果,既可提高綜合效能,又能夠降低成本,集群協同控制系統性能的優劣將直接影響整個集群的作戰能力。

本文針對協同感知、群智決策、系統穩定性、信息傳輸和驗證評估等方面的問題,提出協同控制系統體系架構,系統借助射前協同任務規劃、協同探測和抗干擾、在線態勢認知、在線協同決策與規劃、協同制導控制、組網通信、智能計算和協同效能評估技術的不斷突破,完成集群物理域、信息域、認知域融合,實現集群綜合效能提升。

1 先進協同飛行器分析

1.1 飛行器協同實戰運用

2019年也門胡塞武裝使用10架無人機重創沙特石油加工設施,2020年納卡沖突中阿塞拜疆使用大量無人機摧毀亞美尼亞上百個地面目標,以上作戰樣式已初現集群協同雛形。2022年俄烏沖突期間,俄羅斯國防部公布其“棱堡”和“舞會”兩型岸艦導彈系統及“口徑”巡航導彈的實戰視頻。這些導彈明確具備了協同能力,體現了俄羅斯飛行器集群協同技術研究成果和實戰應用能力。

1)“棱堡”系統

“棱堡”系統包含4輛發射車及配套作戰指揮、后勤保障、運輸裝填車輛,配備P-800“縞瑪瑙”超音速反艦導彈,P-800為P-700“花崗巖”反艦導彈的改進型[1]。根據“花崗巖”導彈已知的協同能力,可推測“縞瑪瑙”導彈同樣具備網絡化傳感目標信息獲取能力,可實現高彈道領彈搭配低彈道從彈協同作戰[2]。“花崗巖”導彈協同作戰示意圖如圖1所示[3]。

圖1 “花崗巖”導彈協同作戰示意圖[3]Fig.1 Cooperative operation of the Granit missiles[3]

2)“舞會”系統

“舞會”系統包含4輛發射車及配套的指揮控制、裝填、通信車輛,配備Kh-35“天王星”反艦導彈,每輛發射車齊射8枚,一套系統可齊射32枚,可實施編隊制導飽和攻擊[4]。“舞會”系統發射“天王星”導彈如圖2所示[5]。

圖2 “舞會”系統發射“天王星”導彈[5]Fig.2 A Uranus missile launched from the Bal system[5]

3)“口徑”巡航導彈

“口徑”巡航導彈可進行8枚齊射,具備飛行中信息交換能力,每枚導彈探測到目標后均可與其他導彈共享信息;如果一枚導彈被擊落,其余導彈能夠據此改變目標及航跡[6-7]。飛行最高馬赫數可達3以上,具備強大的突防能力和高命中率。在俄烏沖突中,“口徑”導彈與“棱堡”系統和“舞會”系統進行了協同作戰。“口徑”巡航導彈如圖3所示[8]。

圖3 “口徑”巡航導彈[8]Fig.3 Kalibr missile[8]

1.2 先進飛行器協同項目

1)對地協同制導武器體系項目

對地協同制導武器體系由雷神公司于2014年對外發布,是雷神公司將其小型空射誘餌彈(MALD)、高速反輻射導彈(HARM)和聯合防區外武器(JSOW)組合而成的協同作戰體系。每架次運輸機或轟炸機可掛載上百枚小型空射誘餌彈,從而開展飽和式蜂群攻擊;而高速反輻射導彈和聯合防區外武器的加入則可對敵防空系統實施空射集群壓制和摧毀。該項目示意圖如圖4所示[9]。

圖4 對地協同制導武器體系項目作戰示意圖[9]Fig.4 Cooperative operation of air-to-ground cooperative guided weapon system[9]

2)拒止環境協同作戰項目

拒止環境協同作戰項目(CODE)由美國國防部預先研究計劃局(DARPA)于2014年4月發起。該項目主要任務是發展先進協同算法和軟件,探索分布式空戰無人機的自主協同技術,使無人機蜂群可在單名任務指揮官的管理下協作完成搜索、跟蹤、識別和攻擊等任務,其作戰示意圖如圖5所示[10],當兩架無人機共同執行任務時,若第一架無人機遇到突發障礙,兩架無人機將協同決策確定各自新的行動方案。

圖5 CODE項目作戰示意圖[10]Fig.5 Operation of the CODE[10]

3)“小精靈”項目

“小精靈”項目(Gremlins)由DARPA于2015年提出,研制對象是質量約320 kg,最大速度不小于Ma0.8 的空中投放與回收無人機。其主要功能是從敵防區外發射,突防一定距離后與其他“小精靈”或F-35戰斗機通信協同,并以蜂群方式對目標進行探測或干擾。該項目功能和試飛情況如圖6所示[11]。

圖6 Gremlins項目作戰示意圖[11]Fig.6 Operation of the Gremlins[11]

4)低成本無人機集群技術項目

低成本無人機集群技術項目(LOCUST)由美海軍研究辦公室(ONR)于2015年4月公布,研制對象是質量約6.3 kg的快速發射小型無人機。其主要功能是攜帶光電紅外傳感器,通過自適應組網及自主協同技術組成集群,執行監視、護航和攻擊面目標任務[12]。該項目飛行試驗如圖7所示[13]。

圖7 LOCUST項目飛行試驗圖[13]Fig.7 Flight tests of the LOCUST[13]

5)進攻性蜂群使能戰術項目

進攻性蜂群使能戰術項目(OFFSET)由DARPA于2016年12月發起。該項目主要內容是運用250臺小型空中、地面無人設備組成集群,完成城市作戰環境下的各類復雜任務。項目擬通過吸納和集成最新的集群自主和有人/無人協同技術,攻克包括集群規模、單體/群體復雜性、集群異構性、有人/無人交互在內的多方面難題,從而釋放蜂群的巨大作戰潛力。該項目基于蜂群系統試驗平臺完成了對蜂群傳感器、蜂群應用技術、蜂群通信方法、蜂群操縱機制等的試驗,如圖8所示[14-15]。

圖8 OFFSET項目試驗圖[14-15]Fig.8 Experiments of the OFFSET[14-15]

6)“金帳汗國”項目

“金帳汗國”項目(Golden Horde)由美國空軍于2019年3月提出。該項目主要內容是將傳統智能炸彈與蜂群自主協同作戰理念融合,使GBU-39激光制導小直徑炸彈、AGM-158聯合空對地防區外炸彈、ADM-160微型空射誘餌等現有小直徑制導武器在發射后進行協同規劃打擊,實現機載武器自主發射脫離、自主規劃航跡、自主攻擊等目標。該項目演示情況如圖9所示[16]。

圖9 Golden Horde項目飛行演示[16]Fig.9 Flight tests of the Golden Horde[16]

本文對先進飛行器協同作戰項目的主要特點進行總結,詳見表1。

表1 先進飛行器協同作戰預研項目總結Table 1 Summary of the above advanced vehicle cooperative operation projects

1.3 總結與分析

俄羅斯在俄烏沖突中使用的三種協同作戰導彈武器展現了初步協同功能,已具備彈間信息交互這一多飛行器協同技術的標志性特征,這是集群協同控制技術在實戰中的具體體現。同時,上述多項先進飛行器協同項目在探測體制、通信條件、航跡規劃、任務分配、異構集群、指揮決策等方面進行了深入的研究與驗證,飛行器集群會向更強協同能力發展。

2 飛行器集群協同控制主要科學問題

1)分布式平臺多域協同自主感知與干擾對抗問題

對抗環境具有狀態不確定性和極強時間約束性,通過時域、頻域、能力域、信息域等分布式平臺多域探測資源的自主協同、深度融合,實現復雜多變戰場環境下對目標的可靠檢測、準確識別與穩定跟蹤。

2)動態博弈條件下多約束強耦合群智決策問題

飛行器基于態勢變化,結合探測、制導、通信、對抗等復雜多樣的強耦合約束條件,實時進行飛行器分簇編隊、對抗策略生成、載荷資源調度等在線決策,實現飛行器群體的協同效能最大化。

3)集群感知、決策、制導控制一體化系統穩定性問題

綜合考慮態勢變化情況、本體控制能力、群體協同狀態、有效探測等因素,實時進行感知、決策控制的一體化抽象化建模、設計層間與層內信息流交互與優化體系架構,實現分層集群系統的感知決策控制一體化。

4)對抗環境下協同信息可靠安全精準傳輸問題

在大動態、低信噪比條件下,飛行器集群網絡節點采用無中心自組網,通過協同感知復雜電磁環境,自主生成、優化策略,實現飛行器內自主信息和飛行器間協同信息可靠、實時、安全、精準的傳輸與共享。

5)虛實結合大規模集群仿真驗證與評估問題

為滿足多飛行器分布式并行實時仿真需求,構建虛實結合的大規模集群仿真系統,進行集成仿真驗證與評估。集群仿真系統軟硬件設備眾多,虛擬節點與實物節點交互并存,試驗對時空一致性要求高;集群作戰任務、效能等難以量化,導致評估方法準則指標難以建立。

3 飛行器集群自主控制體系架構

3.1 飛行器集群自主控制體系架構設計

為了應對決策中心戰的顛覆性作戰模式以及嚴密的導彈防御系統,飛行器系統的研制和運用也需采取對應的措施和手段。多飛行器協同體系中各分系統如何工作并實現協同,是多飛行協同作戰系統在設計時需要考慮的核心問題。本文提出一種適用于飛行器集群作戰的體系架構,可以有效組織異構/同構飛行器集群,在復雜對抗態勢下自主決策、靈活應對、彈性重構、動態調度集群資源,實現作戰任務。

飛行器集群作戰體系中的主要特點是“功能可定義、戰法可演進”,和傳統飛行器研制相比,主要轉變為:從物理域的作戰能力擴展到信息域的協同能力、認知域的決策能力,實現物理域、信息域、認知域的三域融合,涉及單體運動層、多體協同層和任務決策層等三個層面。

圖10 飛行器集群自主控制體系架構圖Fig.10 Autonomous control architecture for the swarming vehicles

3.2 各層面設計

1) 單體運動層

結合軟件定義的方式實現“功能可定義”,飛行器在硬件上可配置不同功能的載荷,在作戰任務中承擔不同的角色,分別用于體系中的感知、通信、決策、打擊等節點。控制系統作為導彈武器系統的中樞,除了傳統的導航、制導、姿控外,要具有實時軌跡規劃和協同控制等能力。

主要功能包括考慮信息感知資源、信息處理資源和執行資源的軟件硬件分層和系統資源共享管理功能;綜合考慮飛行器本體、環境、戰場態勢等信息的感知功能;信息融合/在線學習與任務生成等信息處理功能,指令生成與執行功能。

2) 多體協同層

多體協同將多飛行器融合成一個信息共享、功能互補、戰術協同的作戰群體,利用多源探測信息提升對態勢的感知與認知,利用群體優勢對敵方目標進行多層次、全方位打擊,實現突防能力整體提升。

主要功能包括基于多傳感器多平臺的協同探測、廣域協同目標識別、本體及目標的協同定位等協同感知功能,協同組網等通信保障功能,協同突防、協同抗干擾、協同打擊、協同軌跡規劃等戰術決策功能。

3) 任務決策層

體系對抗模式下,飛行器集群根據博弈對抗態勢的變化,在實戰中獲取信息利用信息,實時動態地進行任務決策,調整自身的任務。作戰任務決策層考慮作戰規則、作戰模式在當前實戰態勢下進行任務規劃,然后由飛行器自主執行。

主要功能包括基于信息支援系統的目標跟蹤、目標判斷、目標識別等戰場感知功能,基于戰場態勢的信息融合處理和作戰態勢評估功能,基于作戰規則、作戰經驗的指揮控制功能。

4 飛行器集群協同控制關鍵技術

未來飛行器集群對物理域、信息域、認知域的融合需求更高,需要在控制系統架構和關鍵技術等方面進行研究和突破。飛行器集群協同控制技術體系主要包括射前協同任務規劃、協同探測和抗干擾、在線態勢認知、在線協同決策與規劃、協同制導控制、組網通信、智能計算、協同效能評估等。

1) 射前協同任務規劃

飛行器射前協同任務規劃主要包括射前任務分配和射前航跡規劃,可基于任務模型、目標模型、飛行器能力模型、環境模型等約束,采用啟發式優化、深度強化學習等方法求解,滿足飛行器集群快速響應多類型任務的需求,提升其環境適應能力、協同能力。

2) 協同探測和抗干擾

當前飛行器探測領域已具備人工智能識別能力和多傳感器數據融合能力,可支撐飛行器集群進行協同探測,獲取準確目標態勢等信息,并進行抗干擾設計。協同探測是指多飛行器利用當前飛行方位以及搭載的不同探測載荷,對同一目標進行探測,并對所得數據、信息進行融合自動分析,從而提高探測概率。協同抗干擾是指綜合利用不同體制的抗干擾手段,在多個維度上進行博弈,從而克服單體制抗干擾的不足,成功抵制復雜干擾。

3) 在線態勢認知

集群中各飛行器可以通過各類傳感器和群內信息網絡獲知自身狀態、友鄰成員狀態、環境信息、來襲威脅信息、融合后的準確目標信息等多種信息。飛行器集群可基于離線學習或射前直接注入獲得作戰規則、作戰經驗,將各類信息進行綜合處理,形成對戰場態勢的統一認知,從而為在線協同決策與規劃提供基礎。

4) 在線協同決策與規劃

在線協同決策與規劃是指集群根據探測和態勢感知結果,在當前約束條件下進行成員角色、任務、目標、航跡等的決策與規劃,并且隨著態勢信息的變化各飛行器可對決策規劃結果進行實時調節,主要包括目標在線分配、航跡在線規劃等功能。

5) 協同制導控制

協同制導控制主要包括協同導航、協同編隊控制、時空一致性制導等,其中協同導航包含多節點導航信息同步、自主相對導航、多源協同導航等;協同編隊控制包含編隊模式切換、編隊保持、編隊拆分與重構等;時空一致性制導包含時間、方位等多種約束條件下的協同制導。

6) 組網通信

組網通信是飛行器協同作戰的保障,多飛行器可通過信息網絡傳遞和交換目標信息、環境信息和協同信息,還可以接入指控中心,實現集群統一指控和信息回傳。對抗環境下要求通信網絡具有隱蔽性能好、響應速度快、抗干擾能力強等特點。當前協同通信水平可支持飛行器自組織組網和信息高速交互,組成集中式或分布式集群。

7) 智能計算

面向飛行器集群協同控制智能算法高密度計算及嵌入式環境應用需求,智能計算支撐神經網絡在有限計算資源條件下的實時處理。當前智能計算領域已能夠實現深度學習算法輕量化設計、驗證、部署以及專用計算架構設計等,可保障飛行器實現協同信息融合、協同認知、協同在線決策規劃等復雜運算。

8) 協同效能評估

飛行器協同效能評估需要建立飛行器集群、目標、環境、攔截威脅等數學模型,開展協同作戰推演仿真,依據作戰設想、仿真結果,將定量定性方法結合、歷史戰例分析與現實信息結合,建立訓練樣本數量、模型訓練時間、算法泛化能力、工程可行性等多維度、層次化的指標體系,充分利用飛行器博弈對抗推演平臺等工具進行評估,實現從體系對抗態勢、并行協同仿真到多飛行器協同效能評估的仿真驗證能力。

5 飛行器集群協同控制技術展望

1) 研究飛行器協同新理論

飛行器集群新理論的創新急需攻關,未來將重點研究面向體系對抗條件下的多飛行器自組織演化、仿生集群架構、高動態在線協同控制、博弈對抗群智涌現等若干基礎理論,形成顛覆性理論創新,為后續具體技術研究和裝備研制奠定堅實的基礎。

2) 突破集群控制新技術

飛行器集群體系化的要求日益迫切,按照單飛行器融入構成體系、多飛行器協同增強體系、集群智能體系對抗的技術路線開展技術攻關,突破戰場態勢智能認知、演化博弈對抗與智能控制等新技術,將進一步提升飛行器體系化協同對抗能力。

3) 研制工程應用新裝備

飛行器集群實戰化要求快速提升,未來將重點研制體系對抗條件下采用全新協同飛行控制技術的新型裝備,在陸海空天電網等領域實現跨越式發展,大幅拓展飛行器集群的應用范圍,為大國博弈中獲取戰略優勢提供堅強的支撐。

6 結 論

飛行器集群協同控制技術成為當前群體智能領域的前沿熱點,也是世界各國軍事發展戰略的制高點之一,備受關注。由單飛行器控制到多飛行器協同控制的轉變將在協同感知、協同決策、決策控制一體化、協同組網、仿真驗證等方面提出挑戰。隨著控制系統架構的重新定義,飛行器在物理域的作戰能力擴展為信息域的協同能力、認知域的決策能力,將實現物理域、信息域、認知域的三域融合,從而使飛行器集群在復雜環境中的適應性和綜合效能全面提升。