摘

要

对有人机/无人机协同系统航迹控制关键技术进行了综合评述，并对未来研究进行了展望。首先阐述了有人机/无人机协同系统的研究意义和特点；其次，从飞行动力学与控制学科角度出发，就协同系统航迹控制问题展开讨论，总结和提炼了四个关键技术，即基于时空约束的异构机群离线航迹规划技术、基于通行法则的异构机群中远距在线航迹机动调整技术、基于深度强化学习理论的异构机群近距智能机动决策技术以及基于风场影响的异构机群队形鲁棒控制技术；之后对各个关键技术的研究现状进行了梳理和归纳；最后，对文章进行了总结并对有人机/无人机协同系统航迹控制未来的发展给出建议。

综述表明，四个关键技术都还需要持续研究，其中在通行法则和控制器设计等方面可借鉴现有的有人机研究成果，并根据协同系统的特点进行改进和拓展，同时大力发展以人工智能为基础的无人机自主决策和空战技术，以更好地发挥其作为有人机忠诚僚机的作用。

关键词：有人机/无人机；航迹控制；时空约束；通行法则；智能决策；鲁棒控制

01

引言

有人机/无人机协同作战是指在信息化、网络化及体系对抗环境下，有人机与无人机联合实施攻击的作战方式［1］。该协同方式通过平台及载荷类型的相互补充、平台性能的优势互补特别是对当前无人机自主水平的弥补，将无人机无缝融入到现代作战体系之中，同时有效提高了作战资源利用率、任务成功率、平台生存性，并缩短观察-调整-决策-行动（Oberve-Orient-Decide-Act，OODA）环路，最终提升协同作战系统的效费比，是潜在的第六代穿透型战机的发展方向之一［2］。该协同系统与其他编队系统的区别之处主要体现在以下两个方面：一是有人机在协同系统中的安全性至关重要，无人机要不惜牺牲自己的方式保护有人机；二是有人机飞行员在作战中的作用更加关键，其不仅要控制有人机，还要依靠机载通讯网络兼顾指挥无人机，为其下达作战指令。

目前，对有人机/无人机协同系统的探索和研究是一个热点，文献［3-5］列出了该协同系统作战的几大关键技术和研究现状，主要包含有人机/无人机协同交互控制技术、协同态势感知技术、协同任务分配技术、协同航迹控制技术和协同效能评估技术等，但由于公开的关于有人机/无人机协同系统的技术研究较少，目前缺乏对上述关键技术的具体探讨和分析。基于此，本文从飞行动力学与控制学科角度出发，结合本课题组的一些最新研究成果，对有人机/无人机协同系统航迹控制这一关键技术进行梳理和总结。

02

有人机/无人机协同系统航迹控制关键技术

首先，协同航迹规划是航迹控制的重要基础，是发挥系统联合突防作用的有效保证，其按照航迹生成的实时性可分为离线航迹规划和在线航迹规划。对于异构机群离线航迹规划，需要结合任务规划指标、飞行约束条件和战场环境等因素，设计协同飞行航路，以优化总体作战效能，这是一个具有复杂性和耦合性的多约束、多目标优化决策问题［6］。针对有人机/无人机协同系统，在考虑同构机群航迹规划的基础上，还应该着重考虑有人机的安全性和特殊性，为此可首先对有人机航迹进行规划，充分确保其飞行安全和任务实现，进而将有人机的航迹作为已知条件输入到无人机航迹规划器中，并重点设计和引入时空约束，即考虑无人机与有人机到达目标区域的时序约束、无人机终端状态量关系约束及其与有人机的防碰撞约束等，以确保无人机与有人机的有效协同。

在离线航迹规划的基础上，还需要考虑异构机群在线航迹机动调整技术，其主要应对中远程突发的机动障碍或内部队形调整等情况，这一技术可以有效保证协同系统航迹的灵活性变换。具体针对于有人机/无人机协同系统，应突出有人机的绝对领导地位，确保其在线机动调整的绝对安全。为此，还应当引入一定的在线调整策略，即通行法则。其思想是令无人机群为有人机航迹调整“让步”，优先调整有人机航迹，令有人机仅考虑外部障碍等不可控威胁，降低其机动带来的风险和难度，在此基础上进一步考虑无人机的机动调整。值得一提的是，必要时可令无人机选择“自杀”的方式抵消外部威胁，以确保有人机的安全。

其次，通过经典的OODA作战理论［7］可以看出，决策环节对航迹控制起着关键作用，并且会影响整个作战平台的空战水平［8］。其中，近距空战中异构机群的智能机动决策技术，具有重要的研究价值，但同时也是一个难点。与异构机群在线航迹机动调整主要考虑中远距且机动性较弱、规律性较强的障碍不同，在近距空战中，敌我机群的机动变化剧烈，战场态势更迭迅速，对决策的实时性和智能程度要求更高。近年来，随着人工智能技术的普及，特别是深度强化学习理论的迅速发展，其凭借着不需要先验知识输入，仅依靠与环境交互“试错”实现自我学习的特点而具备了与近距空战决策进行结合的可能，同时该技术的运用可以极大地缓解有人机飞行员决策的压力，为其争取更多的时间去指挥调度整个有人机/无人机协同系统，从而最大限度地发挥协同系统的作战效力。

最后，在上述研究的基础上，研究风场环境下异构机群队形鲁棒控制技术，该技术是协同系统航迹控制的最终落脚点。按照无人机是否以伴飞的形式跟踪有人机，可以分为编队保持控制器的设计和单机航迹跟踪控制器的设计两个子关键技术。当无人机执行实时避障、空战打击等非伴飞任务时，其与有人机的地位是近乎平等的，可统一为单机航迹鲁棒控制器设计的问题，其目标是实现在风场影响下对已知航迹的快速稳定跟踪；当无人机协同有人机巡航或以固定编队队形执行其他伴飞任务时，有人机作为长机，其飞行航迹通过单机航迹鲁棒控制器实现，而无人机作为僚机，需设计鲁棒性较好的编队保持控制器以实现对有人机的跟踪。

03

关键技术的研究现状

3.1基于时空约束的异构机群离线航迹规划技术

目前，机群离线航迹规划从建模的方式上可分为两种，一种是基于加速度或过载等控制量来建立微分运动方程，将航迹规划作为最优控制问题进行研究；另一种是基于转弯角、航段长度而建立代数运动方程，相应的规划方法主要有图搜索、树搜索、势场法等［9］。由于利用前者进行建模的方式更容易与动力学控制接轨，因而在实际工程领域受到了更广泛的

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