基于混合監視技術的多機編隊控制系統設計

段建軍，郭小杰

（四川九洲空管科技有限責任公司，四川綿陽，621000）

1 概述

1.1 應用

與單架飛機飛行相比，編隊飛行在軍用和民用領域具有突出的優勢和價值，主要表現在以下幾個方面：

(1)戰機作戰過程中，編隊飛行可以增加敵方雷達分辨難度、隱蔽自己的兵力情況；

(2)采用一定的編隊飛行，不僅具有寬廣的搜索和偵察范圍，而且能按統一的時間進度在各個空間區域獲取信息，從而達到時間與空間的高度統一；

(3)在目標打擊、通信中繼、電子對抗、戰場評估和騷擾誘惑等方面，編隊可以提高單次完成任務的效率。如在目標打擊任務中，編隊飛行可使多架飛機從不同角度對同一目標進行全方位攻擊，擴大命中范圍，提高殺傷力和命中率，也可以同時對多個敵方目標實施攻擊，擾亂敵防空體系，提高戰斗的時效性。

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

(5)編隊飛行表演具有較大的觀賞價值。

1.2 研究現狀

編隊飛行的研究涉及到空氣動力學、傳感器、電子、計算機、控制、通信、以及人工智能等多個學科和技術領域的交叉，因此導致編隊飛行研究的進展緩慢，其中大部分研究還處于理論性或試驗性的基礎探索階段。目前，國外在多機編隊飛行方面的研究起步較早，理論研究相對比較成熟，對編隊飛行的建模研究也從線性模型發展為非線性模型。國內關于多機編隊飛行研究方面的文章，大部分都是建立在理想的模型上進行仿真也得到了較好的仿真效果，但是實際應用價值并不高，少部分進行了試驗研究，但是采用的攝像頭、紅外、激光雷達探測手段受到天氣、晝夜的使用限制，采用的GPS導航信息容易被干擾。此外，目前大多數采用的分布式控制的結構不夠清晰、可靠。

2 系統組成和功能

2.1 系統的組成

基于混合監視的多機編隊控制系統主要由編隊處理機、定向天線、顯示器等組成，如圖1所示。

(1)編隊處理機

編隊處理機基于二次雷達的工作原理，由詢問發射模塊對空中目標進行掃描詢問，被詢問的機載空中交通管制應答機做出應答。編隊處理機接收應答后，便可以計算出相對距離、相對高度、相對方位、相對速度。探測在編隊處理機監視范圍內的裝有空管應答機的飛機，建立航跡，比較并更新現存航跡。對目標機進行跟蹤，建立包括相對距離、相對方位和相對高度的跟蹤信息，并計算接近飛機的相對位置、接近距離和高度變化率。

編隊處理機具有S模式數據鏈能力，可以將本機的經度、緯度、速度、高度等信息都廣播出去，而無需詢問；可以接收其他飛機的經度、緯度、速度、高度等信息，計算接近飛機的相對位置、接近距離和高度變化率。

(2)天線

定向天線主要用于主動監視和被動監視的信號發射和接收。

(3)北斗等導航系統

導航系統主要指中國的北斗系統。導航接收機為系統提供飛機當前的位置信息和時間信息。

(4)大氣高度數據機

大氣高度數據機根據傳感器測得的氣流的靜壓、總壓、總溫等，計算出與大氣高度數據有關的參數，傳送給座艙顯示、飛行控制等機載系統。

2.2 系統的功能

基于混合監視的多機編隊控制系統具有主動監視和被動監視的功能，以及監視數據融合的能力。該系統更新飛機的位置、速度、航向、飛機標識符等信息，具有編隊內定位的功能，能夠在夜間/儀表飛行氣象條件下，支持多架飛機保持正確的編隊位置和安全的間隔距離。該系統具有編隊態勢的顯示功能。

3 工作原理

3.1 混合監視

3.1.1 主動監視

為了保證即使在導航設備被干擾的軍事應用情況下，仍然能有效的探測目標位置信息，采用了二次雷達的主動監視。僚機的編隊處理機根據目標機S模式地址編碼采用S模式預留的格式通過定向天線進行點名詢問。目標機接收到點名詢問后應答。編隊處理機接收到目標機應答后解碼，并將相對距離、相對方位、相對高度、相對速度的解碼信息進行編隊邏輯處理，同時將目標信息通過全向天線廣播共享給編隊內其他飛機。

3.1.2 被動監視

在保證導航信息精度的民用時，通過全向天線發送本機的位置、高度、速度、協調意圖、飛行指令信息。編隊處理機通過S模式鏈接收來自目標機共享的位置信息后，根據長機和僚機地址查詢表，查詢24位S模式地址識別目標飛機，設置好長機和僚機標識位、相對高度、相對距離、相對速度和方位。因此，編隊內飛機都能獲得其他飛機的相對位置、相對高度、相對速度，計算調整本機的高度、速度、位置，實現編隊的主動監視。

3.1.3 監視信息融合

本系統可以通過主動監視或被動監視方式實現對同一個目標的高度、速度、位置等信息獲取，并將信息進行融合處理對具有相同特征的目標信息進行關聯處理，提高對同一個目標的態勢信息準確度。

3.2 編隊控制策略

本系統采用集中式決策控制和分布式決策控制相結合的方式實現編隊控制，安全可靠。本系統的僚機可直接主動監視長機，并將主動監視信息共享，實現長機集中式決策控制。當某僚機主動監視探測長機時，其他空閑的僚機可詢問探測附近僚機。因此，僚機在空閑的時隙內可探測相鄰僚機，實現僚機間的分布式決策控制。

由于編隊飛行過程中存在多種外界干擾，飛機的飛行控制器可采用魯棒動態逆控制器,使其具有很好的姿態控制和跟蹤保持能力，保證多機編隊的安全飛行,魯棒動態逆控制器結構如圖2所示。整個控制器設計基本可分為動態逆控制器和補償控制器兩部分，將動態逆控制器（例如PID控制、模糊控制等控制器）作為主控制器。補償控制器包括兩部分:擾動估計和補償控制。擾動估計器的設計可以采用非線性擴張狀態觀測器（NESO），也可以采用其他方法設計補償控制器，當得到系統擾動的估計后，由補償控制器生成補償控制信號。

動態逆控制器是以跟蹤誤差e為輸入的主控制器。補償控制器是以觀測誤差ε為輸入的補償控制器。um和uad分別為主控制器和補償控制器的輸出。主控制器主要考慮系統的性能，補償控制器主要考慮在保證系統穩定的前提下，實現對各種擾動的容錯、魯棒。在這種控制器中，當系統無擾動時，ε為零，補償控制器輸出為零。當系統存在擾動，補償控制器根據擾動估計器估計得到的擾動信息，ε不再為零，補償控制器生成補償控制信號uad，盡可能的消除擾動所帶來的影響，補償控制信號uad與動態逆控制器給出的主控制信號um進行疊加，形成總的控制指令u，保持系統穩定和良好的動態性能。

3.3 編隊形成

編隊形成按以下步驟進行：

(1)飛行員根據收到的編隊任務選擇長機、僚機模式、僚機編號、編隊初始隊形、編隊空域、起飛時間；

(2)長機按照起飛時間和編隊空域起飛到達指定區域，等待僚機到來；

(3)僚機按照起飛時間和編隊空域起飛到達指定區域，發送請求編隊的詢問信號；

(4)長機接收到僚機編隊請求后，如果是編隊內計劃的僚機則應答，應答信號包含同意編隊請求和僚機到達的位置，如果不是編隊計劃的僚機則拒絕僚機的編隊請求；

(5)僚機根據探測到相對長機的信息和長機指揮到達的位置，調整位置、速度、航向、高度靠攏長機，形成編隊。

3.4 編隊保持

在編隊形成后，飛行員選擇編隊保持模式，通過實時計算所需要的相對高度、相對速度、相對距離等參數，設計距離、高度保護門限，超出保護門限之后，產生編隊保持告警并由長機發布命令，調整飛機位置，保持編隊隊形不變。僚機采集長機的位置和速度信息預測長機的航跡后，計算僚機的位置、速度、角速度，如果僚機的速度或者角速度超過預定的閥值，自動調整至閥值，更新僚機的位置給長機。長機根據編隊隊形飛行計劃和僚機的態勢提供飛行員操作建議。

編隊系統通過混合監視獲取編隊內飛機的相對距離、相對方位、相對高度、相對速度，進行編隊內飛機位置定位，通過定向天線收發編隊內飛機的位置和協調報文，不斷調整編隊內飛機的位置。根據飛機數量和任務編隊需求，按照選定的編隊隊形，采用長機—僚機的編隊控制方式實現編隊飛行，包括以下幾個過程：編隊形成、編隊保持、故障處理、編隊重構、編隊解散等。

3.5 編隊重構

編隊重構包括成員位移、成員離隊、新增成員。針對變換前后的編隊隊形，需要明確重構前后編隊中各飛機的對應關系，采用優化算法求解編隊中各節點的最優構型映射關系。進而，采用時變向量的方式刻畫編隊重構過程，將從初始隊形到目標隊形的變化過程分解為盡可能少的一系列子編隊。最后，針對給定的一系列期望子編隊，采用編隊保持控制方法中的編隊控制器，實現飛機編隊的動態重構。

當需要編隊成員位移重構時，長機先在隊形專家庫選擇編隊重構隊形，再按編隊重構按鈕進入編隊重構模式，然后通過S模式數據鏈廣播通知僚機可以進行某隊形的編隊重構。僚機收到后自動進行某隊形的編隊重構。在當需要編隊成員離隊重構時，僚機因本機原因需要離隊必須請求長機，長機響應后由長機協調該僚機離隊。當需要編隊新增成員重構時，由長機詢問確認后再響應新增成員加入。

3.6 編隊解散

在編隊重構過程中或者任務執行完成后，由長機向所有僚機發送編隊解散指令，指令中包含解散過程中僚機應該保持的速度、航向和高度。在編隊解散時，長機首先給最后加入的僚機發送編隊解散指令，在其完成解散動作后，長機開始依次給其它僚機發送編隊解散指令，直到最先加入的僚機完成編隊解散。

3.7 故障檢測與響應

當編隊鏈路中的1號僚機發現長機出現故障時，1號僚機自動作為新的長機，按照原編號降序的方式對僚機重新編號進行編隊，所有飛機產生長僚機切換告警提醒飛行員；長機進入編隊故障模式按照編隊計劃預定的隊形故障逃離方式脫離編隊，并產生異常告警提示飛行員操作；當長機監視到僚機出現故障時，長機通知故障僚機和其附近的僚機立即按照長機實時監控的編隊態勢脫離編隊，并產生異常告警提示飛行員。

4 結束語

本文分析了多機編隊飛行的應用價值和研究現狀，創新性地設計了基于二次雷達的主動監視和S模式數據鏈的被動監視的混合監視技術的多機編隊飛行控制系統的設計方案，采用集中式和分布式相結合的方式控制飛機編隊飛行。