基于混合监视技术的多机编队控制系统设计

段建军，郭小杰

（四川九洲空管科技有限责任公司，四川绵阳，621000）

1 概述

1.1 应用

与单架飞机飞行相比，编队飞行在军用和民用领域具有突出的优势和价值，主要表现在以下几个方面：

(1)战机作战过程中，编队飞行可以增加敌方雷达分辨难度、隐蔽自己的兵力情况；

(2)采用一定的编队飞行，不仅具有宽广的搜索和侦察范围，而且能按统一的时间进度在各个空间区域获取信息，从而达到时间与空间的高度统一；

(3)在目标打击、通信中继、电子对抗、战场评估和骚扰诱惑等方面，编队可以提高单次完成任务的效率。如在目标打击任务中，编队飞行可使多架飞机从不同角度对同一目标进行全方位攻击，扩大命中范围，提高杀伤力和命中率，也可以同时对多个敌方目标实施攻击，扰乱敌防空体系，提高战斗的时效性。

(4)从气动效率方面考虑，近距离方式的编队飞行可有效增加处于跟随位置飞机的升/阻比气动性能，减少其飞行阻力、节省燃油；

(5)编队飞行表演具有较大的观赏价值。

1.2 研究现状

编队飞行的研究涉及到空气动力学、传感器、电子、计算机、控制、通信、以及人工智能等多个学科和技术领域的交叉，因此导致编队飞行研究的进展缓慢，其中大部分研究还处于理论性或试验性的基础探索阶段。目前，国外在多机编队飞行方面的研究起步较早，理论研究相对比较成熟，对编队飞行的建模研究也从线性模型发展为非线性模型。国内关于多机编队飞行研究方面的文章，大部分都是建立在理想的模型上进行仿真也得到了较好的仿真效果，但是实际应用价值并不高，少部分进行了试验研究，但是采用的摄像头、红外、激光雷达探测手段受到天气、昼夜的使用限制，采用的GPS导航信息容易被干扰。此外，目前大多数采用的分布式控制的结构不够清晰、可靠。

2 系统组成和功能

2.1 系统的组成

基于混合监视的多机编队控制系统主要由编队处理机、定向天线、显示器等组成，如图1所示。

(1)编队处理机

编队处理机基于二次雷达的工作原理，由询问发射模块对空中目标进行扫描询问，被询问的机载空中交通管制应答机做出应答。编队处理机接收应答后，便可以计算出相对距离、相对高度、相对方位、相对速度。探测在编队处理机监视范围内的装有空管应答机的飞机，建立航迹，比较并更新现存航迹。对目标机进行跟踪，建立包括相对距离、相对方位和相对高度的跟踪信息，并计算接近飞机的相对位置、接近距离和高度变化率。

编队处理机具有S模式数据链能力，可以将本机的经度、纬度、速度、高度等信息都广播出去，而无需询问；可以接收其他飞机的经度、纬度、速度、高度等信息，计算接近飞机的相对位置、接近距离和高度变化率。

(2)天线

定向天线主要用于主动监视和被动监视的信号发射和接收。

(3)北斗等导航系统

导航系统主要指中国的北斗系统。导航接收机为系统提供飞机当前的位置信息和时间信息。

(4)大气高度数据机

大气高度数据机根据传感器测得的气流的静压、总压、总温等，计算出与大气高度数据有关的参数，传送给座舱显示、飞行控制等机载系统。

2.2 系统的功能

基于混合监视的多机编队控制系统具有主动监视和被动监视的功能，以及监视数据融合的能力。该系统更新飞机的位置、速度、航向、飞机标识符等信息，具有编队内定位的功能，能够在夜间/仪表飞行气象条件下，支持多架飞机保持正确的编队位置和安全的间隔距离。该系统具有编队态势的显示功能。

3 工作原理

3.1 混合监视

3.1.1 主动监视

为了保证即使在导航设备被干扰的军事应用情况下，仍然能有效的探测目标位置信息，采用了二次雷达的主动监视。僚机的编队处理机根据目标机S模式地址编码采用S模式预留的格式通过定向天线进行点名询问。目标机接收到点名询问后应答。编队处理机接收到目标机应答后解码，并将相对距离、相对方位、相对高度、相对速度的解码信息进行编队逻辑处理，同时将目标信息通过全向天线广播共享给编队内其他飞机。

3.1.2 被动监视

在保证导航信息精度的民用时，通过全向天线发送本机的位置、高度、速度、协调意图、飞行指令信息。编队处理机通过S模式链接收来自目标机共享的位置信息后，根据长机和僚机地址查询表，查询24位S模式地址识别目标飞机，设置好长机和僚机标识位、相对高度、相对距离、相对速度和方位。因此，编队内飞机都能获得其他飞机的相对位置、相对高度、相对速度，计算调整本机的高度、速度、位置，实现编队的主动监视。

3.1.3 监视信息融合

本系统可以通过主动监视或被动监视方式实现对同一个目标的高度、速度、位置等信息获取，并将信息进行融合处理对具有相同特征的目标信息进行关联处理，提高对同一个目标的态势信息准确度。

3.2 编队控制策略

本系统采用集中式决策控制和分布式决策控制相结合的方式实现编队控制，安全可靠。本系统的僚机可直接主动监视长机，并将主动监视信息共享，实现长机集中式决策控制。当某僚机主动监视探测长机时，其他空闲的僚机可询问探测附近僚机。因此，僚机在空闲的时隙内可探测相邻僚机，实现僚机间的分布式决策控制。

由于编队飞行过程中存在多种外界干扰，飞机的飞行控制器可采用鲁棒动态逆控制器,使其具有很好的姿态控制和跟踪保持能力，保证多机编队的安全飞行,鲁棒动态逆控制器结构如图2所示。整个控制器设计基本可分为动态逆控制器和补偿控制器两部分，将动态逆控制器（例如PID控制、模糊控制等控制器）作为主控制器。补偿控制器包括两部分:扰动估计和补偿控制。扰动估计器的设计可以采用非线性扩张状态观测器（NESO），也可以采用其他方法设计补偿控制器，当得到系统扰动的估计后，由补偿控制器生成补偿控制信号。

动态逆控制器是以跟踪误差e为输入的主控制器。补偿控制器是以观测误差ε为输入的补偿控制器。um和uad分别为主控制器和补偿控制器的输出。主控制器主要考虑系统的性能，补偿控制器主要考虑在保证系统稳定的前提下，实现对各种扰动的容错、鲁棒。在这种控制器中，当系统无扰动时，ε为零，补偿控制器输出为零。当系统存在扰动，补偿控制器根据扰动估计器估计得到的扰动信息，ε不再为零，补偿控制器生成补偿控制信号uad，尽可能的消除扰动所带来的影响，补偿控制信号uad与动态逆控制器给出的主控制信号um进行叠加，形成总的控制指令u，保持系统稳定和良好的动态性能。

3.3 编队形成

编队形成按以下步骤进行：

(1)飞行员根据收到的编队任务选择长机、僚机模式、僚机编号、编队初始队形、编队空域、起飞时间；

(2)长机按照起飞时间和编队空域起飞到达指定区域，等待僚机到来；

(3)僚机按照起飞时间和编队空域起飞到达指定区域，发送请求编队的询问信号；

(4)长机接收到僚机编队请求后，如果是编队内计划的僚机则应答，应答信号包含同意编队请求和僚机到达的位置，如果不是编队计划的僚机则拒绝僚机的编队请求；

(5)僚机根据探测到相对长机的信息和长机指挥到达的位置，调整位置、速度、航向、高度靠拢长机，形成编队。

3.4 编队保持

在编队形成后，飞行员选择编队保持模式，通过实时计算所需要的相对高度、相对速度、相对距离等参数，设计距离、高度保护门限，超出保护门限之后，产生编队保持告警并由长机发布命令，调整飞机位置，保持编队队形不变。僚机采集长机的位置和速度信息预测长机的航迹后，计算僚机的位置、速度、角速度，如果僚机的速度或者角速度超过预定的阀值，自动调整至阀值，更新僚机的位置给长机。长机根据编队队形飞行计划和僚机的态势提供飞行员操作建议。

编队系统通过混合监视获取编队内飞机的相对距离、相对方位、相对高度、相对速度，进行编队内飞机位置定位，通过定向天线收发编队内飞机的位置和协调报文，不断调整编队内飞机的位置。根据飞机数量和任务编队需求，按照选定的编队队形，采用长机—僚机的编队控制方式实现编队飞行，包括以下几个过程：编队形成、编队保持、故障处理、编队重构、编队解散等。

3.5 编队重构

编队重构包括成员位移、成员离队、新增成员。针对变换前后的编队队形，需要明确重构前后编队中各飞机的对应关系，采用优化算法求解编队中各节点的最优构型映射关系。进而，采用时变向量的方式刻画编队重构过程，将从初始队形到目标队形的变化过程分解为尽可能少的一系列子编队。最后，针对给定的一系列期望子编队，采用编队保持控制方法中的编队控制器，实现飞机编队的动态重构。

当需要编队成员位移重构时，长机先在队形专家库选择编队重构队形，再按编队重构按钮进入编队重构模式，然后通过S模式数据链广播通知僚机可以进行某队形的编队重构。僚机收到后自动进行某队形的编队重构。在当需要编队成员离队重构时，僚机因本机原因需要离队必须请求长机，长机响应后由长机协调该僚机离队。当需要编队新增成员重构时，由长机询问确认后再响应新增成员加入。

3.6 编队解散

在编队重构过程中或者任务执行完成后，由长机向所有僚机发送编队解散指令，指令中包含解散过程中僚机应该保持的速度、航向和高度。在编队解散时，长机首先给最后加入的僚机发送编队解散指令，在其完成解散动作后，长机开始依次给其它僚机发送编队解散指令，直到最先加入的僚机完成编队解散。

3.7 故障检测与响应

当编队链路中的1号僚机发现长机出现故障时，1号僚机自动作为新的长机，按照原编号降序的方式对僚机重新编号进行编队，所有飞机产生长僚机切换告警提醒飞行员；长机进入编队故障模式按照编队计划预定的队形故障逃离方式脱离编队，并产生异常告警提示飞行员操作；当长机监视到僚机出现故障时，长机通知故障僚机和其附近的僚机立即按照长机实时监控的编队态势脱离编队，并产生异常告警提示飞行员。

4 结束语

本文分析了多机编队飞行的应用价值和研究现状，创新性地设计了基于二次雷达的主动监视和S模式数据链的被动监视的混合监视技术的多机编队飞行控制系统的设计方案，采用集中式和分布式相结合的方式控制飞机编队飞行。