基于北斗导航技术的无人机“蜂群”系统

李谕 秦泽

摘 要：该系统利用北斗定位技术与实时导航技术和多无人机协同控制系统，将北斗系统与无人机相结合，有效增强了无人机“蜂群”的定位，避障与信息的实时传输。使得无人机可以在复杂环境下有着敏锐的反应和应对能力，“蜂群”还可以化整为零，同时执行多個类型不同的任务，提高了任务的执行率和成功率。该系统可将无人机的协同作战能力发挥的更加高效，无人机蜂群协同控制与自主避障技术主要需解决两个及以上无人机的编队构型控制和自主避障的问题，应用北斗的定位技术和导航技术自主实现蜂群无人机各成员间导航与控制，能让无人机蜂群成为一个整体并且更好的执行上层系统分配的任务。

关键词：北斗定位技术;北斗信息传输技术;北斗导航系统;多旋翼飞行器系统;多无人机协同系统

引言

近几年单无人机作战已经不能很好的适应日益变化的作战模式与作战环境，应从单无人机覆盖式打击转型至多无人机的精确式打击，此外多无人机协同作战降低了单无人机易被拦截的风险，并可同时对多个目标进行打击，提高了作战效率。一旦该系统能够实现，必将大大提高我国空军的空地打击能力和制空能力。

系统组成及功能

该系统的核心技术是北斗定位技术、北斗信息传输技术、北斗导航技术和多无人机协同系统。因上述系统均有独立体系此处不做过多介绍，着重叙述诸多系统的融合与协同应用。

无人机蜂群协同控制与自主避障技术主要需解决两个及以上无人机的编队构型控制和自主避障的问题，应用北斗的定位技术和导航技术自主实现蜂群无人机各成员间导航与控制，能让无人机蜂群成为一个整体并且更好的执行上层系统分配的任务。

无人机蜂群协同控制与自主避障技术的特点包括以下几点：

·只需要简单指令就可以操控蜂群

·蜂群可以自主躲避障碍物

·蜂群成员之间不会发生碰撞

·蜂群可以在需要时分成多个小组同时执行不同任务

·蜂群成员只需要具备周边通讯功能

·可统一蜂群的大体运动

·蜂群不需要领航者，所以鲁棒性强

·系统算法可以应用于任意数量无人机成员

·可根据需要应用于二维平面编队和三维立体编队

该技术包括以下三个核心功能：蜂群构型控制、蜂群自主避障、蜂群任务分配。

◆ 无人机蜂群编队构型控制

无人机蜂群编队构型控制算法以图论为理论基础，以编队成员趋近、同速、避撞为基本原则，以北斗的实时通讯技术为通讯方式来实现编队构型的一致性控制。编队构型控制共有以下两种：固定构型编队;空间自由编队。

固定构型编队

当无人机成员数量较少时，一般选择固定构型编队，包括：线型构型（一字构型）;人字形构型;三角形构型;钻石型等。此外，可以根据需求进行任意编队构型的定制开发。

空间自由编队

空间自由编队模式下，无人机各成员间的相对位置可以根据指定的势函数进行确定，稳定编队构型形成后，成员间以二维空间编队或三维空间编队为基本单元组成整体。在该模式下，编队成员间的通信拓扑应是动态变化的，无人机只需对其周围一定范围内的成员具有通信能力，并不需要全局通信能力，因此具有很强的适应性。

◆ 无人机蜂群自主避障

无人机蜂群自主避障功能可以实现蜂群整体对各类动静态障碍的规避，蜂群通过运行指令控制实现蜂群整体运动趋势的改变，如控制蜂群按指定航路点飞低目的地，并在飞行过程中蜂群能够根据北斗导航提供的实时导航数据规避障碍区域或敌方单位。无人机蜂群自主避障基于势函数方法进行设计，蜂群通常不进行显式的航路规划，而是将障碍区域/敌方单位设置为斥力源，当蜂群靠近斥力源时将生成偏离指令，制导蜂群避障。

◆ 无人机蜂群任务分配

无人机蜂群可以分成若干小蜂群去执行不同的任务。不同的任务可以由数量不等的小蜂群执行，小蜂群中成员数量可以根据任务的类型和难易程度自动进行分配。此外，蜂群不同成员具有独立的功能，每个任务需要具有不同功能的成员机一同协作完成。

系统工作过程

系统特点

（1）覆盖面广

北斗卫星导航系统目前有39颗在轨卫星，可以为整个亚太地区提供服务，2020年将再发射2-4颗卫星从而可以实现为全球提供服务。

（2）定位精度高

空间信号精度将优于0.5米;全球定位精度将优于10米，测速精度优于0.2米/秒，授时精度优于20纳秒;亚太地区定位精度将优于5米，测速精度优于0.1米/秒，授时精度优于10纳秒

（3）不易于拦截

无人机蜂群在执行任务时多为群体作战，而现有防空系统也很难在高密度的无人机攻击下对无人机集群进行拦截。并且现在微型无人机也比较普及，此类无人机可以利用3D打印技术进行制造，3D打印技术和新型复合式材料的应用可以大大降低被防空系统拦截的可能。

（4）低耗高效

无人机蜂群化作战所需的无人机及经济又小巧，在保证战斗力的同时又节约了经济成本，由于蜂群化作战具有数量上的优势，所以在执行任务的效率也很高，另外还可以执行高密度、高负荷的任务。

参考文献

[1]microsoft-edge：http：//www.52rd.com/Blog/Detail_RD.Blog_hirain_88434.html

[2] 《多无人机自主协同控制理论与方法》是2012年1月国防工业出版社

[3]http：//www.beidou.gov.cn/

（长春大学）