基于混合監(jiān)視技術(shù)的多機(jī)編隊(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段建軍，郭小杰

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng)，621000）

1 概述

1.1 應(yīng)用

與單架飛機(jī)飛行相比，編隊(duì)飛行在軍用和民用領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)過(guò)程中，編隊(duì)飛行可以增加敵方雷達(dá)分辨難度、隱蔽自己的兵力情況；

(2)采用一定的編隊(duì)飛行，不僅具有寬廣的搜索和偵察范圍，而且能按統(tǒng)一的時(shí)間進(jìn)度在各個(gè)空間區(qū)域獲取信息，從而達(dá)到時(shí)間與空間的高度統(tǒng)一；

(3)在目標(biāo)打擊、通信中繼、電子對(duì)抗、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估和騷擾誘惑等方面，編隊(duì)可以提高單次完成任務(wù)的效率。如在目標(biāo)打擊任務(wù)中，編隊(duì)飛行可使多架飛機(jī)從不同角度對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行全方位攻擊，擴(kuò)大命中范圍，提高殺傷力和命中率，也可以同時(shí)對(duì)多個(gè)敵方目標(biāo)實(shí)施攻擊，擾亂敵防空體系，提高戰(zhàn)斗的時(shí)效性。

(4)從氣動(dòng)效率方面考慮，近距離方式的編隊(duì)飛行可有效增加處于跟隨位置飛機(jī)的升/阻比氣動(dòng)性能，減少其飛行阻力、節(jié)省燃油；

(5)編隊(duì)飛行表演具有較大的觀賞價(jià)值。

1.2 研究現(xiàn)狀

編隊(duì)飛行的研究涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、傳感器、電子、計(jì)算機(jī)、控制、通信、以及人工智能等多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的交叉，因此導(dǎo)致編隊(duì)飛行研究的進(jìn)展緩慢，其中大部分研究還處于理論性或試驗(yàn)性的基礎(chǔ)探索階段。目前，國(guó)外在多機(jī)編隊(duì)飛行方面的研究起步較早，理論研究相對(duì)比較成熟，對(duì)編隊(duì)飛行的建模研究也從線性模型發(fā)展為非線性模型。國(guó)內(nèi)關(guān)于多機(jī)編隊(duì)飛行研究方面的文章，大部分都是建立在理想的模型上進(jìn)行仿真也得到了較好的仿真效果，但是實(shí)際應(yīng)用價(jià)值并不高，少部分進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但是采用的攝像頭、紅外、激光雷達(dá)探測(cè)手段受到天氣、晝夜的使用限制，采用的GPS導(dǎo)航信息容易被干擾。此外，目前大多數(shù)采用的分布式控制的結(jié)構(gòu)不夠清晰、可靠。

2 系統(tǒng)組成和功能

2.1 系統(tǒng)的組成

基于混合監(jiān)視的多機(jī)編隊(duì)控制系統(tǒng)主要由編隊(duì)處理機(jī)、定向天線、顯示器等組成，如圖1所示。

(1)編隊(duì)處理機(jī)

編隊(duì)處理機(jī)基于二次雷達(dá)的工作原理，由詢問(wèn)發(fā)射模塊對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行掃描詢問(wèn)，被詢問(wèn)的機(jī)載空中交通管制應(yīng)答機(jī)做出應(yīng)答。編隊(duì)處理機(jī)接收應(yīng)答后，便可以計(jì)算出相對(duì)距離、相對(duì)高度、相對(duì)方位、相對(duì)速度。探測(cè)在編隊(duì)處理機(jī)監(jiān)視范圍內(nèi)的裝有空管應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，建立航跡，比較并更新現(xiàn)存航跡。對(duì)目標(biāo)機(jī)進(jìn)行跟蹤，建立包括相對(duì)距離、相對(duì)方位和相對(duì)高度的跟蹤信息，并計(jì)算接近飛機(jī)的相對(duì)位置、接近距離和高度變化率。

編隊(duì)處理機(jī)具有S模式數(shù)據(jù)鏈能力，可以將本機(jī)的經(jīng)度、緯度、速度、高度等信息都廣播出去，而無(wú)需詢問(wèn)；可以接收其他飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、速度、高度等信息，計(jì)算接近飛機(jī)的相對(duì)位置、接近距離和高度變化率。

(2)天線

定向天線主要用于主動(dòng)監(jiān)視和被動(dòng)監(jiān)視的信號(hào)發(fā)射和接收。

(3)北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)主要指中國(guó)的北斗系統(tǒng)。導(dǎo)航接收機(jī)為系統(tǒng)提供飛機(jī)當(dāng)前的位置信息和時(shí)間信息。

(4)大氣高度數(shù)據(jù)機(jī)

大氣高度數(shù)據(jù)機(jī)根據(jù)傳感器測(cè)得的氣流的靜壓、總壓、總溫等，計(jì)算出與大氣高度數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)，傳送給座艙顯示、飛行控制等機(jī)載系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)的功能

基于混合監(jiān)視的多機(jī)編隊(duì)控制系統(tǒng)具有主動(dòng)監(jiān)視和被動(dòng)監(jiān)視的功能，以及監(jiān)視數(shù)據(jù)融合的能力。該系統(tǒng)更新飛機(jī)的位置、速度、航向、飛機(jī)標(biāo)識(shí)符等信息，具有編隊(duì)內(nèi)定位的功能，能夠在夜間/儀表飛行氣象條件下，支持多架飛機(jī)保持正確的編隊(duì)位置和安全的間隔距離。該系統(tǒng)具有編隊(duì)?wèi)B(tài)勢(shì)的顯示功能。

3 工作原理

3.1 混合監(jiān)視

3.1.1 主動(dòng)監(jiān)視

為了保證即使在導(dǎo)航設(shè)備被干擾的軍事應(yīng)用情況下，仍然能有效的探測(cè)目標(biāo)位置信息，采用了二次雷達(dá)的主動(dòng)監(jiān)視。僚機(jī)的編隊(duì)處理機(jī)根據(jù)目標(biāo)機(jī)S模式地址編碼采用S模式預(yù)留的格式通過(guò)定向天線進(jìn)行點(diǎn)名詢問(wèn)。目標(biāo)機(jī)接收到點(diǎn)名詢問(wèn)后應(yīng)答。編隊(duì)處理機(jī)接收到目標(biāo)機(jī)應(yīng)答后解碼，并將相對(duì)距離、相對(duì)方位、相對(duì)高度、相對(duì)速度的解碼信息進(jìn)行編隊(duì)邏輯處理，同時(shí)將目標(biāo)信息通過(guò)全向天線廣播共享給編隊(duì)內(nèi)其他飛機(jī)。

3.1.2 被動(dòng)監(jiān)視

在保證導(dǎo)航信息精度的民用時(shí)，通過(guò)全向天線發(fā)送本機(jī)的位置、高度、速度、協(xié)調(diào)意圖、飛行指令信息。編隊(duì)處理機(jī)通過(guò)S模式鏈接收來(lái)自目標(biāo)機(jī)共享的位置信息后，根據(jù)長(zhǎng)機(jī)和僚機(jī)地址查詢表，查詢24位S模式地址識(shí)別目標(biāo)飛機(jī)，設(shè)置好長(zhǎng)機(jī)和僚機(jī)標(biāo)識(shí)位、相對(duì)高度、相對(duì)距離、相對(duì)速度和方位。因此，編隊(duì)內(nèi)飛機(jī)都能獲得其他飛機(jī)的相對(duì)位置、相對(duì)高度、相對(duì)速度，計(jì)算調(diào)整本機(jī)的高度、速度、位置，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的主動(dòng)監(jiān)視。

3.1.3 監(jiān)視信息融合

本系統(tǒng)可以通過(guò)主動(dòng)監(jiān)視或被動(dòng)監(jiān)視方式實(shí)現(xiàn)對(duì)同一個(gè)目標(biāo)的高度、速度、位置等信息獲取，并將信息進(jìn)行融合處理對(duì)具有相同特征的目標(biāo)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，提高對(duì)同一個(gè)目標(biāo)的態(tài)勢(shì)信息準(zhǔn)確度。

3.2 編隊(duì)控制策略

本系統(tǒng)采用集中式?jīng)Q策控制和分布式?jīng)Q策控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)編隊(duì)控制，安全可靠。本系統(tǒng)的僚機(jī)可直接主動(dòng)監(jiān)視長(zhǎng)機(jī)，并將主動(dòng)監(jiān)視信息共享，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)機(jī)集中式?jīng)Q策控制。當(dāng)某僚機(jī)主動(dòng)監(jiān)視探測(cè)長(zhǎng)機(jī)時(shí)，其他空閑的僚機(jī)可詢問(wèn)探測(cè)附近僚機(jī)。因此，僚機(jī)在空閑的時(shí)隙內(nèi)可探測(cè)相鄰僚機(jī)，實(shí)現(xiàn)僚機(jī)間的分布式?jīng)Q策控制。

由于編隊(duì)飛行過(guò)程中存在多種外界干擾，飛機(jī)的飛行控制器可采用魯棒動(dòng)態(tài)逆控制器,使其具有很好的姿態(tài)控制和跟蹤保持能力，保證多機(jī)編隊(duì)的安全飛行,魯棒動(dòng)態(tài)逆控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)控制器設(shè)計(jì)基本可分為動(dòng)態(tài)逆控制器和補(bǔ)償控制器兩部分，將動(dòng)態(tài)逆控制器（例如PID控制、模糊控制等控制器）作為主控制器。補(bǔ)償控制器包括兩部分:擾動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償控制。擾動(dòng)估計(jì)器的設(shè)計(jì)可以采用非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（NESO），也可以采用其他方法設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器，當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)擾動(dòng)的估計(jì)后，由補(bǔ)償控制器生成補(bǔ)償控制信號(hào)。

動(dòng)態(tài)逆控制器是以跟蹤誤差e為輸入的主控制器。補(bǔ)償控制器是以觀測(cè)誤差ε為輸入的補(bǔ)償控制器。um和uad分別為主控制器和補(bǔ)償控制器的輸出。主控制器主要考慮系統(tǒng)的性能，補(bǔ)償控制器主要考慮在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種擾動(dòng)的容錯(cuò)、魯棒。在這種控制器中，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)擾動(dòng)時(shí)，ε為零，補(bǔ)償控制器輸出為零。當(dāng)系統(tǒng)存在擾動(dòng)，補(bǔ)償控制器根據(jù)擾動(dòng)估計(jì)器估計(jì)得到的擾動(dòng)信息，ε不再為零，補(bǔ)償控制器生成補(bǔ)償控制信號(hào)uad，盡可能的消除擾動(dòng)所帶來(lái)的影響，補(bǔ)償控制信號(hào)uad與動(dòng)態(tài)逆控制器給出的主控制信號(hào)um進(jìn)行疊加，形成總的控制指令u，保持系統(tǒng)穩(wěn)定和良好的動(dòng)態(tài)性能。

3.3 編隊(duì)形成

編隊(duì)形成按以下步驟進(jìn)行：

(1)飛行員根據(jù)收到的編隊(duì)任務(wù)選擇長(zhǎng)機(jī)、僚機(jī)模式、僚機(jī)編號(hào)、編隊(duì)初始隊(duì)形、編隊(duì)空域、起飛時(shí)間；

(2)長(zhǎng)機(jī)按照起飛時(shí)間和編隊(duì)空域起飛到達(dá)指定區(qū)域，等待僚機(jī)到來(lái)；

(3)僚機(jī)按照起飛時(shí)間和編隊(duì)空域起飛到達(dá)指定區(qū)域，發(fā)送請(qǐng)求編隊(duì)的詢問(wèn)信號(hào)；

(4)長(zhǎng)機(jī)接收到僚機(jī)編隊(duì)請(qǐng)求后，如果是編隊(duì)內(nèi)計(jì)劃的僚機(jī)則應(yīng)答，應(yīng)答信號(hào)包含同意編隊(duì)請(qǐng)求和僚機(jī)到達(dá)的位置，如果不是編隊(duì)計(jì)劃的僚機(jī)則拒絕僚機(jī)的編隊(duì)請(qǐng)求；

(5)僚機(jī)根據(jù)探測(cè)到相對(duì)長(zhǎng)機(jī)的信息和長(zhǎng)機(jī)指揮到達(dá)的位置，調(diào)整位置、速度、航向、高度靠攏長(zhǎng)機(jī)，形成編隊(duì)。

3.4 編隊(duì)保持

在編隊(duì)形成后，飛行員選擇編隊(duì)保持模式，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算所需要的相對(duì)高度、相對(duì)速度、相對(duì)距離等參數(shù)，設(shè)計(jì)距離、高度保護(hù)門(mén)限，超出保護(hù)門(mén)限之后，產(chǎn)生編隊(duì)保持告警并由長(zhǎng)機(jī)發(fā)布命令，調(diào)整飛機(jī)位置，保持編隊(duì)隊(duì)形不變。僚機(jī)采集長(zhǎng)機(jī)的位置和速度信息預(yù)測(cè)長(zhǎng)機(jī)的航跡后，計(jì)算僚機(jī)的位置、速度、角速度，如果僚機(jī)的速度或者角速度超過(guò)預(yù)定的閥值，自動(dòng)調(diào)整至閥值，更新僚機(jī)的位置給長(zhǎng)機(jī)。長(zhǎng)機(jī)根據(jù)編隊(duì)隊(duì)形飛行計(jì)劃和僚機(jī)的態(tài)勢(shì)提供飛行員操作建議。

編隊(duì)系統(tǒng)通過(guò)混合監(jiān)視獲取編隊(duì)內(nèi)飛機(jī)的相對(duì)距離、相對(duì)方位、相對(duì)高度、相對(duì)速度，進(jìn)行編隊(duì)內(nèi)飛機(jī)位置定位，通過(guò)定向天線收發(fā)編隊(duì)內(nèi)飛機(jī)的位置和協(xié)調(diào)報(bào)文，不斷調(diào)整編隊(duì)內(nèi)飛機(jī)的位置。根據(jù)飛機(jī)數(shù)量和任務(wù)編隊(duì)需求，按照選定的編隊(duì)隊(duì)形，采用長(zhǎng)機(jī)—僚機(jī)的編隊(duì)控制方式實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行，包括以下幾個(gè)過(guò)程：編隊(duì)形成、編隊(duì)保持、故障處理、編隊(duì)重構(gòu)、編隊(duì)解散等。

3.5 編隊(duì)重構(gòu)

編隊(duì)重構(gòu)包括成員位移、成員離隊(duì)、新增成員。針對(duì)變換前后的編隊(duì)隊(duì)形，需要明確重構(gòu)前后編隊(duì)中各飛機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用優(yōu)化算法求解編隊(duì)中各節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)構(gòu)型映射關(guān)系。進(jìn)而，采用時(shí)變向量的方式刻畫(huà)編隊(duì)重構(gòu)過(guò)程，將從初始隊(duì)形到目標(biāo)隊(duì)形的變化過(guò)程分解為盡可能少的一系列子編隊(duì)。最后，針對(duì)給定的一系列期望子編隊(duì)，采用編隊(duì)保持控制方法中的編隊(duì)控制器，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)編隊(duì)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

當(dāng)需要編隊(duì)成員位移重構(gòu)時(shí)，長(zhǎng)機(jī)先在隊(duì)形專(zhuān)家?guī)爝x擇編隊(duì)重構(gòu)隊(duì)形，再按編隊(duì)重構(gòu)按鈕進(jìn)入編隊(duì)重構(gòu)模式，然后通過(guò)S模式數(shù)據(jù)鏈廣播通知僚機(jī)可以進(jìn)行某隊(duì)形的編隊(duì)重構(gòu)。僚機(jī)收到后自動(dòng)進(jìn)行某隊(duì)形的編隊(duì)重構(gòu)。在當(dāng)需要編隊(duì)成員離隊(duì)重構(gòu)時(shí)，僚機(jī)因本機(jī)原因需要離隊(duì)必須請(qǐng)求長(zhǎng)機(jī)，長(zhǎng)機(jī)響應(yīng)后由長(zhǎng)機(jī)協(xié)調(diào)該僚機(jī)離隊(duì)。當(dāng)需要編隊(duì)新增成員重構(gòu)時(shí)，由長(zhǎng)機(jī)詢問(wèn)確認(rèn)后再響應(yīng)新增成員加入。

3.6 編隊(duì)解散

在編隊(duì)重構(gòu)過(guò)程中或者任務(wù)執(zhí)行完成后，由長(zhǎng)機(jī)向所有僚機(jī)發(fā)送編隊(duì)解散指令，指令中包含解散過(guò)程中僚機(jī)應(yīng)該保持的速度、航向和高度。在編隊(duì)解散時(shí)，長(zhǎng)機(jī)首先給最后加入的僚機(jī)發(fā)送編隊(duì)解散指令，在其完成解散動(dòng)作后，長(zhǎng)機(jī)開(kāi)始依次給其它僚機(jī)發(fā)送編隊(duì)解散指令，直到最先加入的僚機(jī)完成編隊(duì)解散。

3.7 故障檢測(cè)與響應(yīng)

當(dāng)編隊(duì)鏈路中的1號(hào)僚機(jī)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，1號(hào)僚機(jī)自動(dòng)作為新的長(zhǎng)機(jī)，按照原編號(hào)降序的方式對(duì)僚機(jī)重新編號(hào)進(jìn)行編隊(duì)，所有飛機(jī)產(chǎn)生長(zhǎng)僚機(jī)切換告警提醒飛行員；長(zhǎng)機(jī)進(jìn)入編隊(duì)故障模式按照編隊(duì)計(jì)劃預(yù)定的隊(duì)形故障逃離方式脫離編隊(duì)，并產(chǎn)生異常告警提示飛行員操作；當(dāng)長(zhǎng)機(jī)監(jiān)視到僚機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，長(zhǎng)機(jī)通知故障僚機(jī)和其附近的僚機(jī)立即按照長(zhǎng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控的編隊(duì)?wèi)B(tài)勢(shì)脫離編隊(duì)，并產(chǎn)生異常告警提示飛行員。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了多機(jī)編隊(duì)飛行的應(yīng)用價(jià)值和研究現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了基于二次雷達(dá)的主動(dòng)監(jiān)視和S模式數(shù)據(jù)鏈的被動(dòng)監(jiān)視的混合監(jiān)視技術(shù)的多機(jī)編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用集中式和分布式相結(jié)合的方式控制飛機(jī)編隊(duì)飛行。