新一代飛行器導航制導與控制技術發展趨勢

楊衛平

航空工業西安飛行自動控制研究所，西安 710075

制導導航與控制（Guidance Navigation and Control，GNC）是航空航天領域的重要學科，是關系到我國國家安全與國民經濟發展的基礎性、戰略性、前沿性高新技術。根據武器裝備和民用飛機技術發展的需要，最新的航空機載技術體系已將傳統的飛控技術、導航技術統歸到飛行器GNC 系統中，將其視作飛行器控制與管理的完整技術進行研究。一般認為，導航系統提供飛行器預定航跡、現實位置、姿態、航向和速度信息；制導系統利用導航信息和其它參考信息確定實時的導引指令（導引律）；控制系統則根據駕駛員指令、制導/導航信息計算出相應的控制指令（控制律），并通過廣義操縱面對飛行器的上述運動參數進行穩定和控制。因此，飛行器的GNC 系統是飛行安全和任務能力的核心關鍵，其功能、性能和可靠性對飛行器的飛行安全、任務效能、以及高對抗場景下的生存能力至關重要。

當前，隨著體系、網絡、信息成為現代戰爭制勝主導因素，世界各主要強國不斷探索新概念、新技術、新理論在航空裝備研制與應用方面的創新實踐［1］，催生出以分布式作戰、聯合協同作戰、馬賽克戰等為代表的新型作戰樣式和新質作戰能力［2-3］。面向未來“海陸空天電磁”全域網絡化、體系化、智能化發展趨勢，航空飛行器在能力上的跨代升級應突破傳統時空認知界限，實現全時、全域信息的實時感知、處理和分發，形成多維時空域平臺與資源的協同控制能力，支撐人類從使用者加速轉變為指揮者，由機器自主地甚至創造性地完成任務，最有效發揮人類的目的和意圖［4］。新質作戰樣式的出現對航空機載系統相關產品和技術帶來了強勁的需求和牽引。在此大背景下，新一代飛行器GNC 系統呈現出綜合化、信息化、智能化的趨勢，并以“精確”和“自主”為核心特征，突出相關系統在對稱性戰爭的強對抗任務場景下應具備高可靠、高安全能力。其中，“精確”的內涵是飛行器要在強電磁干擾戰場環境和作戰任務中精準定位、精確到達、精確機動、高效協同；“自主”的內涵是飛行器要在強對抗環境中不受敵方和外部干擾、不依賴外部信息，自主導航、自主決策，遂行高動態作戰任務。GNC技術發展將加速由“傳統分立系統獨立發展”轉變為“GNC 與計算、通信深度融合一體化發展”模式，以適應航空裝備在人機混合協同任務場景下的新質能力需求。

1 國外GNC 技術發展現狀

典型的GNC 系統功能架構如圖1 飛行器GNC 系統功能架構所示，GNC 系統是實現飛行器姿態穩定控制、高精度位置解算、速度和航路運動自主規劃的重要核心系統。

圖1 飛行器GNC 系統功能架構示意圖Fig.1 Schematic diagram of functional architecture of GNC system of aircraft

GNC 技術與軍事需求關系密切，世界各發達國家在該領域具有深厚的理論和工程積淀，且持續保持深化研究態勢。美國空軍將高可靠、抗干擾、高自主的GNC 能力視作裝備在復雜任務場景下維持作戰效能的核心能力，并在“技術地平線”報告中將自主系統、自主推理、復雜自適應系統、合作/協同控制、自主任務規劃、冷原子慣性導航等16 項GNC 技術位列110 個關鍵技術中的最高優先級［5-6］；以美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）為代表，各主要國家均在GNC 領域加速推進各項前沿技術研究項目，不斷提升導航系統與飛行控制系統的綜合化、集成化水平［7-8］。與此同時，各國也通過軍方、國防部、科技部等渠道加強規劃的執行和落地，廣泛布局傳感測量，導航應用、先進制導、核心器件等技術研究，取得了一系列成果［9］，如表1 所示。

表1 國外在GNC 領域支持推進的重點項目Table 1 List of typical projects in GNC field abroad

1.1 慣性導航技術

慣性導航技術是一種通過測量飛行器的加速度和角速度，并自動進行積分運算，獲得飛行器瞬時姿態、瞬時速度和瞬時位置數據的技術［10］。它是一種自主式導航系統，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾。慣性導航系統的設備都安裝在運載體內，主要包括慣性元件（加速度計和陀螺儀）和積分運算器等部分，通過測量慣性元件的加速度和角速度，經過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導航定位的目的。國外慣性導航技術的研究可以追溯到20 世紀初，其發展經歷了多個階段［11-12］。

第1 階段是早期的陀螺儀和加速度計的研發，這期間研發的陀螺儀主要利用了轉軸的定軸性原理，加速度計則通過測量加速度來進行積分運算得到位置信息；第2 階段是以牛頓定律為核心的慣性導航系統的研究；這期間出現了許多經典的慣性導航系統，如陀螺儀、加速度計等，這些慣性導航系統的工作原理是基于牛頓力學定律進行積分運算得到位置信息；第3 階段是慣性導航技術的快速發展和應用，這期間慣性導航技術開始廣泛應用于航空航天和軍事等領域，同時各種新型的慣性導航系統和技術也不斷涌現，如激光陀螺儀、光纖陀螺儀、微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）陀螺儀等。

目前，慣性導航技術已經發展到了第4 階段，其目標是實現高精度、高可靠性、低成本、小型化、數字化、應用領域更加廣泛的導航系統。未來，慣性導航技術的發展方向主要有以下幾個方向：首先是提高精度，這是慣性導航技術發展的一個重要方向，通過采用更先進的慣性傳感器（如冷原子陀螺等）和算法，提高慣性導航系統的精度，以滿足各種高精度導航的需求；其次是降低成本，隨著科技的發展和應用領域的擴大，慣性導航系統的成本已經成為制約其應用的一個重要因素，因此降低慣性導航系統的成本成為了一個重要的研究方向；最后是實現小型化和集成化，隨著微電子技術和微機械技術的發展，慣性傳感器的小型化和集成化已經成為了可能，未來慣性傳感器將會更加小型化和集成化，從而使得慣性導航系統更加緊湊和便攜。

從典型產品來看，西方發達國家的光學捷聯系統已經進入全面應用階段，累計生產了上萬套產品。標準級光學慣性導航系統的典型產品有Honeywell 公司基于激光陀螺GG1342 及GG1320的H423、H764G［13-14］，Northrop Grumman 公 司基于ZLG 零鎖區激光陀螺的LN100F、LN100G，Northrop Grumman 公司基于光纖陀螺的LN251、LN260 等。同時，光纖捷聯航姿系統已成為支線飛機的主要裝備產品，其抗過載能力、可靠性和壽命遠遠高于撓性陀螺的系統。標準級導航系統的純慣性指標一直維持在1.48 km/h（圓概率誤差，Circular Error Probable，CEP，第1飛行小時）、0.8 m/s（均方根，Root Mean Square，RMS）的精度。在標準級導航系統基礎上，美國等軍事強國通過器件、系統技術的不斷進步，發展了精密級導航系統，純慣性導航精度為0.19～0.38 km/h（CEP，第1 飛行小時）。表2 所示為當前國際上典型的慣性導航產品。

表2 國外典型的慣性導航產品Table 2 Typical foreign inertial navigation products

1.2 衛星導航技術

衛星導航技術作為現代科技的璀璨明星，已在全球范圍內得到了廣泛應用。國外衛星導航技術發展尤為突出，美國全球定位系統（Global Position System，GPS）、歐洲的伽利略衛星導航系統（Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS）都是具有代表性的衛星導航系統［15-16］。

GPS 自1978 年開始部署，由24 顆衛星組成，是全球最大的衛星導航系統。GPS 具有高精度、全天候、全球覆蓋等特點，被廣泛應用于軍事、民用等領域。在民用方面，GPS 用于智能手機、車載導航、無人機等設備，為人們提供了精確的位置服務。同時，GPS 在國際市場上也占據主導地位，成為許多國家衛星導航系統的重要組成部分。1996 年美國宣布實施跨度為10 年的GPS 現代化計劃，其目的是更新GPS 軍民用信號特征和整體性能、確保在提供GPS 全球服務和GNSS 全球應用上的領先地位［17-18］。在GPS 現代化專項計劃中，重點是形成軍事應用能力，計劃“2020 年要將M 碼送到戰斗員的手中”，并一直持續不斷地實施軍用GPS 用戶設備（Military GPS User Equipment，MGUE）增量計劃。

Galileo 是歐盟為擺脫對美國GPS 的依賴、打破其壟斷，于1999 年開始實施的衛星導航系統計劃。它由30 顆衛星組成，是歐洲自主、獨立的衛星導航系統。Galileo 系統擁有高精度、高可靠性和高抗干擾能力等特點，為歐洲及全球用戶提供了高質量的位置服務［19］。

GLONASS 在經歷前蘇聯解體、俄羅斯經濟不景氣等20 多年的曲折發展歷程后仍然存活下來，由24 顆衛星組成，是俄羅斯自主研發的衛星導航系統，目前也在著手進行現代化更新，確保其軍事價值［20］。GLONASS 系統在國際市場上占據一定的地位，尤其在獨聯體國家范圍內具有較高的影響力［21-22］。

1.3 光電導航技術

機載光電導航是指利用安裝在飛機上的光電傳感器觀測地面景象、目標（如跑道、空中目標等），并利用景象、目標包含的先驗地理信息來實現載機定位與導航的一類技術［23］。在絕對導航方面，景象匹配導航最具代表性［24］。自2000 年以后，美軍從傳統的定位、導航，到強化時空體的概念，自主導航從解決定位、導航問題擴展至解決定位導航與授時（Position Navigation and Time，PNT）問題，圖像導航作為一種重要的自主導航信息源與精密慣性星光導航等手段并列為未來導航的主要方向［25］。在裝備研制方面，HONEYWELL公司于2020 年在阿古斯塔維斯特蘭公司的AW139 直升機上對景象匹配導航系統進行了試飛驗證，系統計劃于2022 年上市，2023 年開始交付用戶。同時期，波音公司也于2020 年進行了多源導航系統的試飛驗證工作，其中景象匹配導航作為重要的自主導航手段進行了系統性的驗證。在相對導航技術方面，利用高精度視覺測量技術，X-47B 完成了自主空加油近距離對接段對錐套的捕獲、識別、跟蹤、定位，實現了無人機自主對接加油。GE 公司研制了激光光場導航系統，實現了對一定空域的激光覆蓋，進而對目標進行相對定位與編碼通信，是自主加油著陸／艦場景下的新型導航手段［26］。

1.4 仿生導航技術

仿生導航是對自然界不同動物利用自然地理條件和自身導航特性來進行導航定位的原理進行研究，并設計一種仿生導航傳感器來實現導航的一種新型導航技術［27］。近年來，隨著生物學和人工智能技術的發展，認知導航和仿生智能導航取得了明顯的進步，谷歌DeepMind 在民用領域已取得一定進展。仿生導航及仿生物編隊技術也逐漸被國外從事導航研究的大學、機構或公司所重視，相關研究工作在不同程度上受到各國航天部門或軍方的支持。“仿生導航新體制”能夠實現無人機從“風箏”到“候鳥”的智能升級，“機器群智能理論”則使機群能夠從“木偶戲”到“自導自演”的角色轉變。在導航定位細胞方面，美國科學家O’Keffe 和瑞典科學家Moser 發現了組成大腦“GPS”系統的導航定位細胞，并獲得了2014 年諾貝爾生理學或醫學獎。2015 年美國國防部高級研究計劃局正式啟動FLA（Fast Light weight Autonomy）項目，該項目通過研究鳥和飛行昆蟲的仿生導航機理，力圖使微小型無人機系統能夠在無GPS 導航和通信鏈路支持的條件下，具備20 m/s 自主飛行導航能力，2017 年7 月完成第一階段的飛行試驗。2023 年，美國空軍將傳統的磁導航概念與人工智能相結合，在C-17A 飛機上完成了實時磁導航定位試驗，實現了公里級的導航定位精度。2023 年美國北極星公司推出了SkyPASS Gen3-N 產品，通過測量大氣偏振態和太陽方位角，在動態條件下實現了航向角優于0.23°的解算能力。

1.5 多源導航信息融合技術

多源導航信息融合技術利用不同傳感器之間信息的冗余和特性的互補，通過優化或估計等信息融合算法對各類導航信息進行融合，形成對于飛機導航信息的全局一致最優估計，并能實時對傳感器數據異常進行檢測隔離，且實時對估計結果的性能特性進行評估［28］。根據所提供的導航信息，導航信息融合技術分為絕對導航信息融合、相對導航信息融合以及分布式導航信息融合三大類。

在絕對導航融合方面，隨著導航傳感器資源的不斷豐富，種類繁多、參數各異的導航信息給飛行員造成了越來越大的信息處理負擔，因此需要在應用服務層對導航信息進行融合處理，為飛行員提供全局一致的導航信息［29-30］。在F-35 飛機上，基于卡爾曼濾波技術的導航信息融合算法已實現應用。B-2A 飛機導航系統不僅可融合外部衛星信息、多普勒測速儀、雷達測量、高度表測量等數據，同時也可以與另外一套慣性／天文組合系統的測量信息進行組合。目前美軍正在開展基于概率因子圖和概率推理方法的全源導航融合算法研究，旨在促使信息融合通用化模塊化，實現即插即用的裝備能力［31］。該研究已經在美空軍演示驗證項目中完成試飛驗證評估，定位精度達到10 m 量級［32］。

相對導航融合方面，當前自主空中加油、緊編隊飛行、精密全自動著艦依賴于精確的衛星相對導航技術［33-34］。在衛星導航系統的輔助下，X-47B 完成了自主著艦和自主空中加油試驗。針對上星拒止、甚至射頻拒止環境下的自主相對導航技術，GE 公司研制了空中加油激光導航系統，并不依賴于GPS 系統，僅依靠激光定位技術和數據鏈系統就解決了無人機自主空中加油的精確對接問題，因此其抗電磁干擾性能優異［35-36］。

分布式導航融合方面，從20 世紀90 年代初開始，美軍就開始重視對機載分布式導航系統技術的關注和研究，其中的系統架構、信息融合策略、撓曲形變估計與補償、動態任務傳感器對準等相關技術的研究成果均表明機體結構、航電傳感器和任務設備、武器系統性能之間存在著相互依賴關系，對整機作戰效能具有重要意義。在存在撓曲和振動的實際飛行驗證中，橫滾角、俯仰角、航向角的對準精度均滿足預期的1 mrad 設計指標，相對位置精度達到了預期的3 cm 精度目標。

1.6 飛行管理技術

飛行管理技術（Flight Management Technology，FMT）是指利用計算機、導航、通信等設備和程序，通過預先編程的飛行計劃和實時決策，實現飛機自動駕駛、自動導航和自動控制的技術，包括飛行計劃、導航管理、控制和監視等功能［37］。飛行計劃功能根據飛行要求生成飛行計劃，并考慮飛機性能、氣象條件、機場設施等因素，進行優化設計。導航管理功能通過接收和處理各種導航信息，包括慣性導航、無線電導航、衛星導航等，為飛行提供準確的定位和引導。控制功能是指通過自動駕駛儀和飛行指引系統等設備，實現飛機的自動控制和穩定。監視功能則通過各種傳感器和監視設備，實時監測飛機位置、速度、姿態等參數，以及氣象條件和空中交通狀況等，確保飛行安全。

自20 世紀90 年代以來，飛行管理系統（Flight Management Syetem，FMS）已逐步實現了四維導航能力，并將四維導航引導算法集成到飛行管理系統的性能管理功能中，涵蓋了起飛、爬升、巡航、下降、進近、自動著陸等飛行過程。同時，通過使用閉環控制，到達機場時間的誤差從1～2 min 級降低到了秒級。此外，隨著航空電子系統的高度綜合與集成，飛行管理系統已逐步集成為一個高度復雜的軟件功能，并駐留在集成模塊化航空電子（Integrated Modular Avionics，IMA）平臺中。為應對日益增長的空中交通流量，國際民航組織提出了未來空中導航系統（Future Air Navigation System，FANS）的概念，該系統集成了通信、導航、監視及空中交通管理。作為FANS 系統下的重要航空電子系統，飛行管理系統受到了歐美等航電設備供應商的廣泛關注。他們已對此開發出了滿足FANS 功能要求的飛行管理系統，這類系統具備數據鏈空地協同、場面引導、四維航跡精確控制等滿足新航行體系的關鍵技術，目前主流的波音、空客飛機均安裝有該類飛行管理系統。

1.7 先進制導與控制律

在制導與控制領域，目前國外以飛行控制功能為中心，以提高整機作戰效能為目標［38］，將各種與飛行相關的部組件和功能進行綜合設計，構成飛行器管理系統，并實現綜合飛行控制［39］。如：將飛行控制與發動機控制的功能綜合，形成推力矢量控制等，從而滿足飛行器高機動性和敏捷性要求，實現過失速機動和無憂慮操縱，提高系統的任務可靠性；將系統功能和物理綜合，實現對飛行器系統的綜合控制、決策管理、資源配置和診斷監測，提供故障預測與健康管理［40］，提高自主式后勤保障能力。在新技術方法方面，先進控制理論諸如動態逆控制［41］、L1 自適應控制［42］也已實現了工程應用；創新效應面的研究已進入試飛階段，射流控制已實現無人機首飛［43-45］，表明其技術成熟度已得到明顯提高；在智能控制方面，美國的X-62A 無人駕駛飛機的成功飛行，證明人工智能（Artificical Intelligence，AI）在代替人類飛行員執行飛行器自主控制方面已獲得突破性應用。面向復雜任務需求，基于開放式架構，國外的先進飛行控制系統將向高度自動化、綜合化、智能化及體系化方向發展。

1.8 GNC 核心器件

在核心器件領域，歐美國家在新型傳感器、高效作動部件上持續創新。美國Northrop Grumman 公司從2005 年到2012 年歷時8 年，實現世界上體積最小的導航級陀螺，體積10 cm3，精度0.01（°）/h［46］，2017 年，該公司研制出基于核磁共振陀螺的量子慣性導航系統（系統體積200 cm3，精度1.852 km/h，配置MEMS 加計），在空軍T-6B 教練機和海軍“獵戶座”反潛巡邏機上進行了獨立測試；法國巴黎天文臺的Landragin小組研制成功冷原子陀螺儀樣機，零偏穩定性6.2×10-5（°）/h，采樣率為3.75，有待提高［47］；UC Berkeley 分校成功研制Φ6×60 cm3，靈敏度37 μGal/Hz1/2的冷原子重力儀［48］，法國Muquans公司原子重力儀表頭體積?38×70 cm3，靜態靈敏度50 μGal/Hz1/2，長期穩定性優于1 μGal；法 國Safran 公司半球諧振陀螺精度0.000 1（°）/h；美國密西根大學微半球諧振陀螺精度優于0.01（°）/h；美國波音公司諧振環MEMS陀螺精度0.012（°）/h。作動部件方向上，美國已構建42 MPa/540 V 直流高壓作動體系，實現了多源異構作動能量優化，突破高功重比電機、智能靈巧控制器等關鍵作動部件技術，并成功應用于F-35、A380 等平臺；美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、波音、空客近年在變形機翼、柔性蒙皮等變體飛機作動控制技術方面取得顯著突破，已相繼完成試飛驗證。歐洲將六相容錯電機用于Vega-C 火箭推力矢量控制系統的機電作動器中，其輸出功率達30 kW，電機采用分數槽集中繞組，以抑制繞組故障蔓延，驅動器采用H橋拓撲，實現繞組之間的電隔離，出現故障時，切除故障相繞組，重構剩余正常相繞組電流實現系統的容錯運行［49］，英國紐卡斯爾大學為航空燃油泵設計了8 槽6 極四相永磁容錯電機，針對電機損耗大的問題，研究了不等齒寬定子鐵芯結構［50-51］，并研制出100 kW 容錯電機；英國謝菲爾德大學為羅羅發動機公司研制了3×三相內嵌式V 形轉子永磁輔助同步磁阻電機，電機最高轉速19 200 r/min、額定功率35 kW，并對比了電機正常工作、短路故障時的電磁轉矩輸出性能，試驗表明，該電機具備良好的匝間、相間短路抑制能力［52］。

此外，依托cFS（NASA）、FACE（美國海軍）、CODE（美國空軍）等項目，歐美國家加強了面向分布式綜合模塊化研發的新一代智能系統控制、決策與協同技術研究，加速完善以人工智能算法應用為核心的軟硬件設施建設，為GNC技術跨代發展和顛覆性創新提供條件支撐。

2 中國技術發展現狀與差距

2.1 發展現狀

近年來，國內以研究所和高校為代表，圍繞多種先進飛行器研發，持續推進各項研究和工程實踐，在部分技術領域已比肩世界一流水平，獲得了長足的進步。

在導航技術方面，國內已基本形成了一定規模的研發生產能力，擁有一批國家級、省部級和行業級實驗室，研制出了面向各類平臺和應用場景的，具有自主知識產權的傳感器及系統。

在慣性導航技術方面，西方發達國家把慣性技術作為高度保密的軍用核心技術，禁止向中國出口和轉讓。從核心器件的類型發展來看，中國的慣性導航技術研究也經歷了從傳統機械式陀螺（靜電陀螺、動力調諧陀螺）到光學陀螺（激光陀螺、光纖陀螺）、MEMS 傳感器的發展歷程，并且正在朝下一代核磁共振陀螺以及冷原子陀螺探索發展。

在衛星導航技術方面，中國自主建設的北斗衛星導航系統，自1994 年北斗一號立項以來，歷經26 年，實現了從無到有、從有源到無源、從區域到全球，現已成為國家重大空間基礎設施，為軍用和民用提供了不可或缺的導航保障。如圖2 所示，目前中國的北斗衛星導航系統位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）性能跟其余三大主流導航系統表現趨同，在亞太地區其精度甚至高于GPS。

圖2 四大衛星導航系統星座平均PDOP 值（2022-01-01）Fig.2 Average PDOP values of four major satellite navigation system constellations（2022-01-01）

在光電導航技術方面，得益于近幾年民用無人機、智能駕駛汽車等領域的發展，與之相關的光電傳感器技術、信息提取技術及導航應用技術研究發展迅速。在光電傳感方面，國內從事研究和生產航空光電吊艙的各類企業主要有航空工業613 所、兵器工業205 所等。光電吊艙的主要功能還是面向搜索、探測、監視等任務，導航并不是其核心功能，然而這些光電吊艙所提供的光電測量信息可應用于導航。在后端應用方面，航空工業自控所以自主空中加油、自主著陸任務為牽引，充分利用人工智能技術在視覺圖像、激光雷達點云處理領域的成果，開展智能"端到端"相對定位技術研究。聯合西北工業大學電子信息學院，設計了深度學習網絡模型，實現了對無合作標志目標的高精度定位問題，支撐了視覺導航技術在自主空中加油領域的應用。針對視覺自主著陸引導技術，聯合西北工業大學翟正軍團隊，解決了跑道高精度識別與特征提取問題，并構造慣性/視覺深組合模型，支撐了無人機視覺著陸引導。

在仿生導航技術方面，隨著仿生傳感器不斷成熟、人工智能加速融合，相關成果在航空機載任務場景中的應用模式在不斷創新。目前，國內仿生導航的主要研究目標是提升各類運動體在衛星導航信號拒止環境下的自主導航能力，主要手段是綜合利用幾何空間內的導航信息與拓撲空間內的導航經驗知識、導航拓撲空間關鍵節點的引導指令等，從而得到面向任務的導航指令集，按模式引導載體運動，在多個不同類型的仿生導航傳感器中進行數據融合，以混合式仿生導航系統形態確保導航精度。大連理工大學Chu 等［53］提出了模仿昆蟲偏振光敏感單元的改進型仿生光羅盤定向算法；國防科技大學Hu 等［54］研制了六通道點測式仿生光羅盤和基于相機的面測量式仿生光羅盤，并對多傳感器融合組合導航方法進行了深入研究；沈陽理工大學的郝永平等［55］提出了新一代小體積、大視角仿生復眼結構；北京航空航天大學余翔等［56］受昆蟲復眼啟發將偏振光導航與地磁導航、慣性導航等結合，突破了復雜光學環境下仿生自適應偏振導航傳感、仿生多傳感器三維空間復合干擾濾波、高動態仿生自主組合導航系統智能觸發設計與優化等關鍵技術，完成了多型仿生組合導航樣機研制，經固定翼無人機和高超飛行器飛行驗證，系統航向精度可優于0.1°。航空工業自控所針對拒止環境下輕小型、低成本平臺的導航問題，聯合外界高校等團隊在仿生導航技術領域開展了廣泛的交流和合作：針對偏振視覺導航技術，聯合國防科技大學智能科學學院完成了自由曲面仿生偏振光樣機研制；針對偏振定向技術，聯合大連理工大學褚金奎團隊完成了偏振定向技術在機載導航領域應用的論證及測試工作，推動了仿生偏振光導航在航空機載領域的設計及應用。

在多源導航信息融合方面，國內著眼飛機多用途、任務多樣化的導航需求，開展導航性能故障檢測、著陸/著艦相對導航技術和分布式導航技術研究。針對導航態勢環境建模需求，開展基于知識圖譜的面向高可靠導航的環境知識提取與表達方法研究，聚焦飛機導航系統難以精確建模、電波信息傳遞易受干擾等導致可靠性降低的關鍵問題，構建PNT 系統與環境等外在因素的聯系，實現地標/目標識別與分析，以及對物理系統的PNT 相關態勢和知識表示，建立了導航知識庫，并實現了地標/目標的準確識別。針對自動著陸/著艦需求，參考美軍艦載機自動著艦規范，針對美軍自動著艦系統（Automatic Carrier Landing System，ACLS）和聯合精密進近與著陸系統（Joint Precision Approach and Landing System，JPALS）兩類著艦導引系統以及法國光電導航引導系統，從飛機著艦精度和飛行安全性角度出發，提出全自動著艦過程（包括復飛階段）的運行程序和導引信號的指標體系和指標要求，并從系統組成、指標、環境適應性、運行程序復雜性等方面對比分析導引體制的優缺點；分析著艦過程影響因素，提出針對不同因素的技術解決途徑和方法；分析 ALCS 系統雷達原始測量（斜距、方位角、俯仰角）的誤差模型，針對基于 GPS 和北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System，BDS）的JPALS 系統，完成著艦點估計、飛行路徑定義和導引指令計算的設計和仿真分析。解決了艦載機全自動著艦的飛行路徑定義，引導算法設計和誤差分配計算等工程問題。針對分布式導航技術，對機體典型結構形變模型分析技術研究，通過對飛機典型機體結構的建模分析，給出機體結構形變的模型和特征參數，如傳遞函數（計算公式）、模態、頻率，開展飛機在靜態、爬升、巡航、俯沖拉起、武器投放、下降等飛行狀態中荷載作用下的振動（Vibration）、結構撓曲（Structural Bending）的分析計算，解決了分布式導航技術機載適用性評價、濾波器參數優化、精度評估等方面的難題［57］。

在飛行管理技術方面，中國科研院所針對所需導航性能（Required Navigation Perfermance，RNP）導航與完好性監測技術，開展基于性能的導 航（Performance Based Navigation，PBN）和RNP 技術研究，針對 RNP 導航指標分解的難題，開展建模與仿真評估方法研究，并完成了飛行仿真驗證。同時還開展了民機大氣慣性完好性監測工程應用技術的合作研究，解決了多余度ADIRS 傳感器級、子系統級、系統級完好性監測算法及工程應用模塊研制，并完成了飛行仿真驗證。針對飛行引導與推力管理技術，解決了面向RNP AR 需求的水平及垂直引導算法設計；通過“垂直引導及推力管理技術”研究，完成了某型運輸機垂直引導方案設計，解決了垂直引導和升力補償的難題。針對直升機戰術飛行管理技術，開展了著陸場識別技術研究，解決了直升機著陸場智能識別與最優著陸場規劃的模塊設計，達到支撐仿真驗證的程度；完成航路規劃技術研究，解決了直升機貼地飛行航路規劃與動態重規劃模塊設計，并完成仿真驗證，達到支撐產品研制的程度［58］。

在制導與控制技術方面，數字電傳飛控技術已成為國內新型飛機的標配，其設計與驗證已得到成熟應用，大幅提升了飛行器的機動性能和飛行品質；光傳飛控技術在國內經過30 余年的研究，局部光傳控制技術已被掌握，新一代光傳飛控系統已經成功試飛，減輕了機身重量，提高了抗電磁干擾能力［59］。圖3 所示為新一代光傳飛控系統架構示意圖，其中，REU 表示遠程電子組件。

圖3 光傳飛控系統架構Fig.3 Optical flight control system architecture

在系統架構設計上，基本突破了基于總線的分布式體系架構設計技術，研制出分布式綜合飛行控制系統，并采用多余度/非相似余度軟硬件配置與管理，顯著提高了系統的可靠性［60］。圖4所示為基于時間觸發總線網絡的分布式系統架構示意圖。

圖4 基于時間觸發總線網絡的分布式系統Fig.4 Time triggered bus network distributed system

在綜合控制方面，國內已掌握多操縱面綜合控制技術和最優分配技術，相繼實現了大型飛機多操縱面的協調控制管理［61］；飛行器綜合飛行/推力控制一體化系統的工程應用。通過將飛行控制與飛行器動力控制融為一體，顯著提高了飛行性能，擴大了飛行包線［62］。圖5 為典型的飛行器飛控系統與發動機一體化控制結構圖。

圖5 飛發一體化控制結構圖Fig.5 Structure diagram of aircraft-engine design

在先進飛控部件技術方面，突破關鍵總線部件技術，提供高可靠傳輸能力［63］；研制射流管伺服閥，提高耐油液污染能力，降低相關子系統故障率，提高使用壽命；直接驅動閥式作動器已實現工程應用，降低了靜態泄露，提高作動器可靠性［64］；串行背板總線計算機技術也已得到工程驗證，提高了計算性能和可擴展性。在控制律設計上，多模型解耦控制策略實現了工程應用，解決強軸間耦合難題；受損情況下的飛行器自適應重構控制技術已獲得縮比試飛驗證。

此外，以西北工業大學、航天科技集團九院13 所等為代表的國內優勢單位依托各類基金和縱向渠道項目支持，通過加強與科研院所等機構合作，顯著加速了基礎研究成果的轉化與應用。

表3 列出了導航與傳感領域的優勢單位。其中，國防科技大學、北京航空航天大學在高精度慣性導航方向有較強研究實力和基礎；北京航空航天大學（航天）、航天科工集團三院33 所（彈載）、北京理工大學（陸用）在組合導航系統研制方向具有較強實力和特色；中船重工集團717 所在面向航海的天文/慣性組合導航方向處于領先水平；在慣性傳感器研制領域，國內多家高校和研究所均率先布局了量子、半球等先進慣性傳感器研制，技術路線各不相同，整體處于快速追趕國外先進水平的階段。

表3 導航與傳感領域國內優勢單位Table 3 Advantageous institutes in field of navigation and sensing in China

在控制與作動領域，北京航空航天大學、西北工業大學等高校在飛行器控制方向上積累了豐富的理論和算法成果，并依托輕小型無人飛行器開展了一系列技術驗證；航空工業沈陽飛機設計研究所、成都飛機設計研究所等主機單位在平臺飛行控制算法開發以及總體設計集成方向已具備相當實力；航空工業機載系統研制單位在伺服作動方向上主要以液壓作動產品研發為主，航天相關單位主要以短時間、抗輻射、大功率伺服作動產品研發為主，如表4 所示。

表4 控制與作動領域國內優勢單位Table 4 Advantageous institutes in field of control and actuation in China

2.2 差距分析

盡管中國目前在GNC 技術上進步顯著，但從整體技術實力和工業化水平上來看，與國外仍存在差距，主要體現在應對飛行器長航時、大航程、大包線、高動態、不穩定、多耦合、不確定、強干擾等挑戰上。

在導航領域，慣性/衛星組合導航系統在抗干擾和防欺騙方面仍有待提高，系統的完好性水平也需要進一步完善。盡管這種系統已經得到了廣泛應用，但在面對復雜環境和惡劣條件時，其性能可能會受到影響。因此，需要針對這些不足進行深入研究，提高系統的可靠性和適應性。其次，導航綜合服務也需要快速發展。對于不依賴于衛星的高精度自主導航性能和成熟度，面向體系作戰的跨域/跨平臺導航能力以及在復雜對抗環境下的導航能力，需要進行全面提升。這些能力的提升可以進一步提高導航系統的可靠性和精度，以滿足不同場景和作戰需求。此外，基于量子傳感器的新型導航、仿生智能導航等顛覆性戰略前沿導航技術已經成為了研究熱點。雖然這些技術在理論上具有很高的前景，但在實際應用中仍需進一步研究和發展。目前，這些技術還處于先期理論研究階段，距離關鍵技術突破和工程應用還有很大的差距。因此，需要加大投入力度，加強研發力度，推動這些技術的快速發展和應用。綜上所述，導航專業的發展仍面臨著一些具體的差距和挑戰。為了更好地滿足不同場景和作戰需求，需要不斷加強技術研究和創新，提高系統的可靠性和精度，推動導航技術的快速發展和應用。同時，也需要加大對新型導航技術的研究力度，積極推動這些顛覆性戰略前沿技術的研發和應用進程。

在制導與控制領域，國外在現代控制理論工程應用上已有成熟型號案例，也在X 系列驗證機上開展了先進控制算法的試飛驗證。美國的F-35 采用非線性動態逆控制架構，提高飛行性能，減輕飛行員駕駛負擔，在進近模式使用直接升力控制，改善著陸精度。2016 年，針對空氣動力變化、舵效損失等情況，基于L1 自適應控制在Air-STAR 通用縮比飛機上完成了飛行驗證，這也是L1 自適應控制首次完成飛行測試。中國在自適應控制技術工程化應用方面尚處于縮比試飛驗證階段，距離成熟的工程應用還有一定差距。此外，針對不同平臺和新型任務需求，在控制功能方面中國與國外先進技術相比，在技術成熟度上差距較大。波音空客的機型上均已成熟應用陣風減緩、機動載荷減緩等主動控制技術改善乘坐品質。國外對于非常規布局飛行器已采用總體控制綜合一體化設計思路，確保飛行器性能利用最大化。美國已完成無人機自主著艦和自主加油，有人/無人協同作戰試驗也已開展，無人自主等級提升走在前列。總體來說，與國外相比，國內飛行控制系統在系統功能完備性，架構自身開放性、可拓展性及性能穩定性等方面仍有較大差距。

在核心器件領域，國內量子傳感器起步相比國外較晚，受限于應用牽引力度不夠、基礎原材料/器件及高性能測控系統等方面基礎薄弱等因素，超高精度/微小體積量子傳感器性能還存在部分欠缺，技術成熟度低，產業化尚處于起步階段，在整機集成和實際應用方面進展緩慢，總體成熟度不高，工程化水平有待提高。伺服作動方向在全電、多電作動產品譜系化發展、整機功重比、能效管理等方面存在較大差距。適應寬域自適應高效飛行的作動技術不成熟，新型智能變體作動技術基礎薄弱。作動執行元件電機的電壓等級、功率等級、功重比較低，新結構、新材料、新工藝的應用不足。在可靠性提升方面，針對繞組短路的拓撲研究較少，極端環境下的電機壽命較低，難以支撐空天領域的應用需求。

在GNC 共性通信與電子技術領域，特別是面向未來任務場景的智能GNC 通信與計算能力維度，在機間協同通信控制、無線信號覆蓋廣度和精度、多頻信道利用率等方面差距明顯，而下一代機載高性能計算機平臺的研制工作也尚處于起步階段，目前完成的原理樣機旨在實現主要基本功能，對標任務模塊實時重組、分布式資源協調管理、多業務等級自適應調整等潛在工況應用需求的硬件能力仍然處于初級水準，對未來必然需要開展的人工智能算法開發運行、海量自主訓練學習數據識別調用等典型高算力工作任務的支撐力度尚顯不足。

與此同時，中國GNC 航空電子裝備在包括通信網絡接入安全、數據傳輸時延和有效性、寬容錯及并行計算重構、計算/存儲資源動態均衡分配等可靠性與安全性指標維度層面仍然有很大改進空間，特別是在基本可靠性評估及單粒子效應、高強度輻射場（High-Intensity Radiation Field，HIRF）、強電磁脈沖（脈沖武器、核爆電磁能量瞬態釋放）環境等貼近實戰應用場景下，對于GNC 航空電子設備的數據仿真計算、完整防護設計、試驗驗證保障等能力不足，相關技術的成熟度及工程化應用水準與國外先進水平相比，依然存在明顯差距。圖6 所示為為高強度輻射場試驗環境。

圖6 高強度輻射場試驗環境Fig.6 High-intensity radiation field test environment

面向以蜂群無人機為代表的微小型無人機裝備配置需求，由于在數字引擎、先進ASIC/SIP芯片等強相關技術領域的理論積淀與研制經驗不足，以及對于微小型無人機裝備所必需的通信、計算、控制等技術的硬件整合與兼容能力欠缺，國內智能GNC 航空電子裝備在高集成度、微小型化研制工作中盡管取得了一定的突破與積累，但對標國外先進水準，其在技術成熟度以及工程化應用依然沒有脫離初級階段，因而在面向軍用飛行器型號的有效推廣程度方面所取得的進展也十分有限。

以上差距的客觀存在，使得國內GNC 航空電子裝備在支撐飛控、導航兩大系統方面，僅有無人機自主起降、近距空戰決策與控制等智能技術的初步應用，使得大多數航空裝備操縱仍以人工為主，單智能體與集群協同應用的智能化水平較低。

3 GNC 技術發展趨勢

在網絡中心戰、賽博空間戰等新型作戰樣式牽引下，未來的GNC 技術發展要面向海陸空天電磁全域作戰場景，在各類武器裝備全面提升網絡化、體系化、智能化能力的牽引下明確發展目標，在任務層面、系統能力、核心部件、一體化綜合等方面實現創新發展。

3.1 裝備體系化聯合協同發展引領GNC 技術

美國自2016 年提出分布式作戰概念以來，以體系聯合、跨域協同、平臺互通為牽引的各類新型作戰概念層出不窮（如圖7 所示）。各種傳統裝備在新技術的賦能支撐下獲得了一系列的創新應用和新質能力，各類新概念同時又引領人工智能、量子信息、無線通信等技術發展方向，加速實現在各領域的快速迭代與成果孵化。

圖7 新作戰概念層出不窮Fig.7 New operational concepts are constantly emerging

當前，由陸、海、空、天、網、電多種力量聚合形成了具有松耦合、高內聚、靈活多變特征的空中分布式戰術體系，所有作戰平臺通過發揮群體優勢、共享態勢信息、共同戰術決策、共建殺傷網絡，實現任務靈活部署、網絡彈性配置、資源統一調配、分布式殺傷等功能，進而實現體系賦能。

基于上述趨勢，GNC 核心能力發展方向可梳理為如下3 點：一是實現全時全域GNC 信息的自主精確感知與共享，支撐異構平臺在多維時空域高效完成作戰力量與資源的調度和指揮，實現作戰力量配置由傳統的“編隊殺傷鏈”快速升級為“全域多平臺殺傷網”；二是面向人機混合任務需求，提升GNC 系統在復雜態勢感知、多源信息融合、高效人機交互、有人/無人協同［65］等方面的智能化水平，重構人類與武器裝備的關系，不斷提升GNC 系統對人類作戰目的和意圖的理解與授權等級；三是加強無人系統自主導航與智能控制技術［66］、大規模集群管理與控制［67］、拒止環境下多體制通信與導航技術研究，滿足高強度拒止環境中協同偵察、戰力實時重構以及體系攻防協同的新質能力需求。

3.2 面向強拒止環境的全球高精度自主導航技術

根據導航戰概念，利用戰場電磁干擾、衛星通信欺騙等手段，敵方可在作戰區域內對各類武器裝備形成衛星拒止，導致當前以衛星為核心的戰場導航與定位體系面臨極高的失效風險［68］。在這種強拒止環境下，全球精確情報、監視和偵察（Intelligence Surveillance Reconnaissance，ISR），精確打擊以及任務協同等方面的需求對飛行器的遠程久航、時空范圍拓展以及對抗環境下的精確導航提出了更高的要求，這促進了新一代飛行器的研發與技術更新［69］。

為了滿足這些需求，需要形成面向開放式模塊化航電系統架構下的綜合PNT 解決方案［70］。其中，高精度自主導航技術的突破是關鍵［71］。自主導航技術依賴于先進的自主傳感器，如原子陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、高精度光學加速度計以及原子鐘等。這些傳感器在原理探索、樣機研制和測試加工等方面都需要持續研究推進，進一步提升其精度、穩定性和可靠性。

另外，外部導航輔助傳感器［72］也必不可少。例如星敏感器、重力傳感器、磁場傳感器［73］、視覺、雷達（地形測高雷達和合成孔徑成像雷達）以及聲納定位與測圖等，這些都是可以利用的外部導航信號源。特別是對于射頻機會信號［74］，如廣播電視發射塔、地球衛星、移動基站等地面和空中設施，以及低軌衛星（Low Earth Orbit，LEO）［75］和地球同步軌道衛星（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）等航天器，通過專門開發后提供的導航信號，可以大大提高導航系統的精度、連續性和機載可用性。

數據融合算法和開放式數據接口標準也是綜合PNT 解決方案的重要組成部分［76-77］。在稀疏量測下的誤差精確估計和信息源即插即用是綜合PNT 的關鍵特性，這可以提升系統魯棒性和韌性，并降低跨平臺移植的成本。這將為飛行器在各種復雜環境下的精確導航提供強大的支持，從而有效地提高作戰效率，降低任務失敗的風險。

以上是針對新一代飛行器遠程久航、全球精確情報、監視和偵察（Inttlligence，Surveillance，and Reconnaissance，ISR），精確打擊以及任務協同需求，形成的面向開放式模塊化航電系統架構下的綜合PNT 解決方案。這些技術的突破和應用將為未來的飛行器提供更高效、更精確、更可靠的導航服務，滿足飛行器時空范圍顯著拓展和對抗環境下的精確導航要求，如圖8 所示為中國未來PNT 體系技術發展設想。

圖8 中國未來PNT 體系技術發展設想Fig.8 China’s PNT system technology development vision

3.3 智能化多體協同飛行器制導與控制

隨著空戰平臺數字化和作戰方式協同化趨勢不斷發展，戰斗機飛行員面臨嚴重的信息過載，無法適應精準、高動態的空戰操作，因此必須加強人工智能與自動控制技術的深度融合，為機載環境下的算法優化提供算力支撐。未來的飛行控制系統將以聯合作戰、體系作戰、信息攻防作戰為牽引，從單一的改善飛行品質和減輕飛行員工作負擔（自動駕駛）向改善和提高飛機平臺性能、提高任務效率、自動化水平以及飛機生存力方向發展。因此，未來的智能多體協同飛行器將以高性能平臺、高可靠通信能力為支撐，以飛行決策、任務規劃、應急處理和自主任務執行能力為拓展，同時具備跨域融合及有人/無人協同作戰能力，以在減少對操作員依賴的同時，快速適應復雜跨域環境中的作戰任務［78］。圖9 所示為多體協同飛行器制導與控制技術在各類典型任務牽引下的發展趨勢。

圖9 多體協同飛行器制導與控制發展趨勢Fig.9 Development trend of guidance and control of multi-body cooperative aircraft

在智能分布協同的空戰體系［79］頂層牽引下，聚焦跨代飛行器管理系統架構，突破網絡式架構和模塊化研發技術，設計交互框架，解決跨域異構融合協作問題。有人/無人協同將成為復雜空戰的核心特征［80］，基于作戰視角［81］設計有人/無人協同控制決策框架［82］，結合深度學習開展實時性協同任務分配和航跡規劃［83］，合理設計復雜環境下協同制導與控制算法［84］，解決集群作戰耦合問題。高可靠的通信是多個飛行器協同工作的基礎，未來的通信技術將更加快速、可靠，以支持更廣泛的應用，這包括5G、6G 和衛星通信等技術的廣泛應用，以確保高帶寬和低延遲的通信，使多體飛行器能夠實現更緊密的協同工作，共享信息和協同完成任務。人工智能和機器學習將繼續推動多體協同飛行器技術的發展。未來的飛行器將采用更強大的人工智能和機器學習算法，以實現更高級別的自主決策和任務執行。通過基于數據的動力學模型校正，及故障自監測和自修復，機器學習可用于改善協同穩定性及飛行性能；此外，機器學習也可以用于優化資源分配和任務調度，以提高效率和任務完成速度［85］。先進飛行控制算法在飛行器上的應用向自主學習、自適應控制方向發展，隨著飛行器任務剖面多樣化和飛行環境復雜化，開展智能自適應飛行控制技術、多操縱面控制分配技術研究，在拓展飛行包線的同時增加控制冗余度，提高飛控系統的安全可靠性；協調各操縱面的偏轉，實現最優的舵面控制效能與最佳飛行狀態，提升控制性能，解決飛行器在任務層面面臨的問題；面向典型任務場景，開發飛行安全保護和輔助決策功能，研究無憂慮飛行控制技術，建立基于知識庫的輔助決策智能化系統平臺，增強態勢感知與評估能力、提高任務執行成功率、減輕駕駛員負擔［86］。

3.4 新一代GNC 先進核心部件發展

先進的系統部件是系統新質能力的基礎和源頭。面向精確與自主要求，未來應加強在新型傳感器、新原理構型作動部件、以及與GNC 系統相關的通信、計算等技術方向的創新研究。

傳感器的發展重點是量子精密測量與傳感、高精度高可靠MEMS 及固體波動傳感等技術。其中，量子傳感技術面向武器裝備米級高精度自主導航定位和亞微秒級精確授時精度需求，以冷原子干涉陀螺［87］、核磁共振陀螺［88］、諧振式光量子陀螺［89］為代表器件，通過建立理論框架及誤差模型，結合力、熱、磁、光等多物理場綜合作用，實現對極弱微觀量子效應信號的高精度提取，可提供全自主、高可靠、全維度的時空基準信息，實現小型化高精度武器平臺自主導航定位、長期累積定位誤差的匹配修正以及在無信息輔助條件下超高精度導航定位等，將傳統的航路導航作用擴展至對單機導航、武器協同、群體智能等全方位任務場景的支撐。圖10 和圖11 分別是美國斯坦福大學冷原子量子干涉系統和諾索羅普·格魯曼公司的核磁共振陀螺儀。固體振動傳感器技術面向航空武器裝備自主導航對精度、體積重量功率（Space Weight and Power，SWaP）、可靠性等性能需求，以半球諧振陀螺、諧振環微機電陀螺為代表器件，通過建立諧振敏感結構的誤差模型，實現面向機載應用環境的小體積、高抗載、低成本傳感器研制。

圖10 斯坦福大學冷原子量子干涉系統Fig.10 Cold atom quantum interferometric system of Stanford University

圖11 諾索羅普·格魯曼公司的核磁共振陀螺儀Fig.11 Nuclear magnetic resonance gyroscope of Northorop Grumman

作動部件的發展重點是多參量分布式精確傳感與驅動技術、寬域自適應高效作動技術。其中，分布式精確傳感與驅動主要針對目前傳感精度不高、測量量單一、驅動安裝受限、智能化較低等關鍵問題，開展多參量分布式精確傳感與驅動技術的研究，突破溫度、壓力、位移等多參量“感、算、控、輸”四位一體精確測量與驅動技術，形成可適應復雜環境、多物理量測量與驅動的集成化作動器，支撐未來新構型飛行器研制；寬域自適應作動主要面向復雜環境下強對抗作戰任務要求，針對當前飛行作動適應性不強、多源作動效能較低、關鍵作動部件性能不足等問題，開展復雜條件下剛柔耦合作動理論與控制方法研究，電、液、氣多源異構作動能量優化方法研究以及電機、控制器、伺服閥等寬域高性能作動部件技術研究，支撐下一代高性能戰機平臺發展。

在智能GNC 通信與機載計算技術方面，基于未來任務場景，應加大面向集群協同控制應用的網絡通訊、機間通信傳輸信道建模及波形體制、大規模多天線波束賦形、無線資源管理等先進通信技術的研究投入，重點發展面向智能控制的高性能計算［90］、開放性嵌入式高性能可組合計算架構、異構多核高性能計算模型［91］、面向任務的分布式資源協同管理、支持多業務等級的自適應確定性網絡等關鍵技術，為新一代GNC 先進核心部件實現高算力、靈活供給、任務能力敏捷生成等需求提供不可或缺的硬件能力支撐［92］。

在GNC 航空電子裝備的可靠性與安全性提升方面，重點開展網絡介質訪問控制、動態路由分配、基于時間觸發機制［93］的多系統業務流量規劃等先進網絡通信技術研究，同時加強構造面向戰術級自主任務的嵌入式計算性能標準測試集，提高嵌入式高性能計算技術實戰應用效果，實現對計算系統的靜態和動態性能評估，研究容錯計算架構及并行計算重構［94］、計算/存儲資源智能化動態分配均衡技術，并依托對于降低電子功能模塊設計驗證復雜度、單粒子效應/復雜電磁環境下軟性錯誤的抑制與適應、航空電子可靠性試驗加速因子生成方法等方面的深入研究，探索GNC 航空電子裝備在各類工況下滿足系統安全、性能、管理等方面工作任務需求的模擬驗證能力，最終用于正向指導GNC 航空電子裝備可靠性與安全性的設計能力提升。

同時，面向無人機裝備微小型化、智能自主化、任務多樣化的客觀發展趨勢，新一代智能航空GNC 技術應積極拓展通信、計算能力，持續聚焦數字引擎、系統級封裝（System in Package，SIP）、專用集成電路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）［95］等核心技術 攻關，并借鑒在人工智能、量子通信與計算［96］、新型復合材料與生產工藝等前沿領域的最新研究應用成果［97］，加快突破高集成度、高兼容性、微型化、輕量化、集群協同［98］、復雜任務環境下生存適應能力等關鍵技術瓶頸，在改進提升功能模塊化組合、寬域任務適配性水平的基礎上，進一步加大在軍用、民用無人飛行器市場領域的推廣應用，以更好支撐飛控、導航兩大系統的未來發展需求。

3.5 下一代飛行器控制管理架構與GNC 一體化融合設計技術

面向未來飛機平臺對飛行性能不斷提升，作戰任務不斷變換與迭代的需求，將飛行器的飛行任務控制與飛機載荷任務控管理進行區分是為下一代飛行器系統發展的趨勢之一［99］。為應對提升飛行任務控制能力需求，需要將飛行器中完成飛行任務的導航、制導和控制能力融合在一起。通過對自主飛行器的分層遞進結構控制體制、網絡化協同導航與控制、面向不同飛行平臺的任務體系架構與綜合設計等技術研究，滿足飛行器在跨速域、跨空間域、跨任務域的協同與控制需求，確保飛行器能夠適應不確定環境、任務/目標隨機變化、少依賴甚至不依賴通過數據鏈傳輸的人類指令，并且具有人機交互、在線重規劃和自學習等功能，有力支撐面向不同任務平臺的新裝備開發。如旋翼飛行器在復雜地形和退化視覺環境（Degraded Visual Enviroment，DVEs）執行飛行作戰任務的挑戰，美國陸軍努力將全天候傳感器、人機交互/自主決策、基于性能制導以及飛行控制結合在一起，以實現在DVEs 條件下，地形導航、應激性避障、選擇著陸地點和自主著陸等一系列自主飛行能力，為未來飛行員增強態勢感知，降低駕駛負擔［100］。

圖12 為EH-60L 飛機上的任務自適應架構（Mission Adaptive Architecture，MAA），其由改進的任務管理軟件（Mission Manager）、APAFCS（Autonomous Partial Authority Flight Control System）和硬件組成。

圖12 EH-60L 飛機任務自適應MAA 架構Fig.12 EH-60L aircraft mission adaptive MAA architecture

為實現上述飛行任務，需要將傳統的導航、飛行管理、飛行控制、推進控制及機電管理等系統按照整體飛行任務需求進行綜合化設計，在任務層級聚焦飛行員應用需求進行優化設計達到全局最優目標，將以往單一、分散實現的導航、制導和控制等技術進行綜合化實現，構建完整“飛行器控制與管理”系統。在此過程中采用系統架構、平臺設計、容錯和領域建模等先進技術，重點發展基于模塊化任務、開放式架構的飛行器控制與管理平臺設計能力，提升系統總體規劃設計與驗證能力，實現低成本、高效、易拓展升級的可復用系統研發技術平臺，支撐各項高性能飛行任務的完成。如美國卡耐基梅隆大學和Adventium實驗室正在積極開展以架構為中心的虛擬綜合流 程（Architecture Centric Virtual Integration Process，ACVIP）［101］，其以系統架構為中心，從需求、安全、實時性等維度開展架構建模和權衡分析，支撐架構虛擬綜合驗證；NASA 開展先進機載系統與軟件項目，以實現開放式架構為目標，允許多個供應商在統一架構和接口定義下提供模塊化的軟硬件功能產品，并可通過技術更新來實現系統功能版塊的快速升級，經濟高效地驗證使用新技術［102］；歐洲的德國斯圖加特大學提出基于平臺系統研發，降低系統開發難度和成本，通過構建平臺架構提供系統平臺管理和應用程序分離、透明［103］。

在系統物理架構實現構方面，分布式和網絡化已經是系統架構實現的普遍趨勢，但如何應用總線通訊簡化系統組件之間通訊設計、提升系統應用組件實現的確定性并確保系統的安全性和可靠性，依然系統架構實現不懈努力的方向。從早期采用以硬線通訊為主，以ARINC429 總線、1553B 等低速總線為輔等二代、三代飛行控制系統物理架構；到目前美國以1394B 高速通訊總線為核心的分布式飛行器管理系統架構，系統組件之間通訊能力都得到質的提升。但是面對下一代系統發展需求，系統的范圍和組件之間通訊訴求向著功能多樣化、通訊可配置、硬件統一化、應用成本低等方面發展。自主飛行器的核心計算架構如圖13 所示。

圖13 自主飛行器的核心計算架構Fig.13 Core architecture of autonomous aerial vehicles

進入21 世紀，歐美在傳統以太網絡基礎上不斷開展滿足安全關鍵功能應用需求的網絡協議的研究與應用，如TTP、AFDX、TTE 等網絡，在此過程中還引入時間觸發概念以提升網絡通訊的確定性乃至系統運行的確定性，避免系統組件之間涌現性行為導致偶發問題出現。如美國在航天器機載系統架構設計過程中采用TTEthernet 技術，該項目美國宇航局先進演示系統（Advanced Electronic System，AES）計劃中航空電子和軟件（Avionics&Software，A&S）項目的一部分［104］；在航空領域，霍尼韋爾相關專家也對航空與航天網絡配置方案特點進行了論證［105］，柯林斯航空航天針對新一代飛機提出了MOSARC 機載電子解決方案，能夠確保提供低成本、低風險、可認證的時間觸發網絡（Time-Sensitive Network，TSN）安全技術［106］。

4 發展建議

在技術層面，堅持探索新思想、新概念、新原理、新方法、新材料，解決武器裝備研制過程中的基礎技術問題，為突破性創新和形成能力奠定基礎。GNC 技術的未來發展整體趨勢是智能化、自主化、模塊化、綜合化、數字化、網絡化、靈巧化、微小化，其發展方向與實際應用關系密切，應始終以飛行器的創新應用為根本需求，為其發展指明方向。此外，應抓住當前新興技術蓬勃發展的歷史機遇，強化基礎科研成果與工程研究的轉化與融合。例如，加強量子信息技術與導航技術的融合，在導航戰下提供與衛星導航精度相當的絕對定位、導航與授時能力，為跨域作戰提供全自主、高可靠、全維度的時空基準信息，實現高精度武器裝備平臺自主導航定位、長期累積定位誤差的匹配修正以及在無外部信息輔助條件下超高精度導航定位等，將傳統的航路導航擴展至對單機導航、武器協同、群體智能等全方位任務場景的支撐；加強人工智能技術與制導控制技術的融合，從智能動力學建模、自適應和自學習飛行控制［107］、智能輔助決策、人機控制權限分配等方面著手，提升飛行器單機自主化程度，使飛行員將更多的精力集中于戰斗任務，實現飛行員角色向戰斗員的轉變，以此為基礎進一步加強多智能體協同感知、人機協同決策與自主規劃、多機自主協同控制等，將飛行控制提升到飛機任務層面，提高航空裝備在復雜環境中的感知能力和快速響應能力，使航空裝備從“數據優勢”“信息優勢”“知識優勢”到“決策優勢”的飛躍，提升飛機綜合任務能力［108］。

在創新機制建設層面，以國家創新驅動發展戰略為引領，不斷完善科技創新環境，依托國家各項計劃和渠道資源支持，建立由高等院校、科研院所、工業部門共同構成的科技創新全生命周期創新體系。積極推動創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈的深度融合，圍繞產業鏈部署創新鏈，圍繞創新鏈布局產業鏈［109］，推進體系化、分布式的國家級創新體系建設，加速組建跨領域的協同創新基地和創新聯合體，促進基礎研究、應用基礎研究、應用研究和技術創新融通發展，發揮重大工程項目牽頭單位的引領作用，廣泛聯合行業上下游、產學研用力量，在前沿技術探索和關難瓶頸問題兩方面實現聯合攻關，解決跨行業、跨領域的共性技術問題，形成一批具有引領性的自主原創成果［110］。在聯合高校與國防科技工業部門的過程中，重點要做好3 項舉措：一是強化與航空裝備應用部門的溝通聯系，共同參與跟進新型作戰概念研究，主動捕獲裝備發展趨勢，引領和指導技術創新方向；二是以科研院所為主，聯合高等院校積極組建專門面向基礎性、前沿性技術創新的開放式研究機構，將最前端的原創技術成果引入具有確定應用需求的創新方向上，加速實現對最先進技術成果向GNC 領域的引入和孵化；三是構建完備的協同創新機制，充分發揮國家、行業創新體系的創新潛能，凝聚國內外導航與控制技術領域優勢創新資源，統籌推進基礎研發能力建設與聯合，加速形成優勢互補、緊密協同的產學研聯盟，打造與國內外各級創新平臺的良性互動和高效協同的技術創新節點，培育一流人才隊伍，為航空裝備技術發展提供不竭動力。