無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自主控制技術(shù)及應(yīng)用研究（下）

張健，郭潤(rùn)兆，丁興志

航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院

本文結(jié)合自主控制技術(shù)在無(wú)人加受油、艦載無(wú)人機(jī)自主起降、自主空戰(zhàn)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)集群等領(lǐng)域的應(yīng)用，指明自主控制技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向。

自主化無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在很多應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)發(fā)揮明顯，在需要迅速做出決策時(shí)，自主化系統(tǒng)將顯著縮短決策時(shí)間；在處理海量信息和數(shù)據(jù)時(shí)，自主化系統(tǒng)在計(jì)算速度和容量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；在系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，自主化系統(tǒng)能夠緊急應(yīng)對(duì)；面對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境或多種任務(wù)，自主化系統(tǒng)不需要人員指揮；執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)時(shí)，自主化系統(tǒng)可以降低人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)；執(zhí)行枯燥、持久任務(wù)時(shí)，自主化系統(tǒng)能有效延長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間。

無(wú)人機(jī)自主加受油

無(wú)人機(jī)自主空中加受油是未來(lái)發(fā)展方向，可以增加無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)使用半徑和留空時(shí)間，減少作戰(zhàn)部署和反應(yīng)所需要的時(shí)間，降低對(duì)前線機(jī)場(chǎng)的依賴。無(wú)人機(jī)自主空中加受油需要突破無(wú)人加受油機(jī)氣動(dòng)干擾分析及試驗(yàn)、加油錐套識(shí)別及相對(duì)位姿精確獲取、無(wú)人加受油自主會(huì)合/編隊(duì)/精確對(duì)接控制、加受油機(jī)對(duì)接過(guò)程軟管-錐套動(dòng)態(tài)特性分析、加油過(guò)程的飛行控制等關(guān)鍵技術(shù)。

由于無(wú)人機(jī)操控指令主要通過(guò)視距數(shù)據(jù)鏈路和衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸，某些遠(yuǎn)程飛行任務(wù)則必須依靠衛(wèi)星通信，由此產(chǎn)生的時(shí)延問(wèn)題無(wú)法解決，使無(wú)人機(jī)空中加受油操作不能由操控員在地面完成，于是全自主無(wú)人空中加受油技術(shù)便成為關(guān)鍵。與有人加受油技術(shù)相比，無(wú)人加受油技術(shù)在整個(gè)加受油過(guò)程中不需要機(jī)上人員直接操作，加油機(jī)與受油機(jī)可自動(dòng)完成由會(huì)合至脫離的整個(gè)加受油過(guò)程。該技術(shù)完全擺脫了對(duì)人員的依賴，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人加油機(jī)與無(wú)人受油機(jī)的空中加受油。

2012年10月23日，美國(guó)國(guó)防預(yù)研局（DARPA）啟動(dòng)了KQ-X無(wú)人機(jī)高空自主加油項(xiàng)目。按計(jì)劃，兩架“全球鷹”利用GPS和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)受油探頭與加油錐套的對(duì)接，并將燃油從一架無(wú)人機(jī)輸送給另一架無(wú)人機(jī)。2011年初，兩架無(wú)人機(jī)進(jìn)行了會(huì)合飛行試驗(yàn)見(jiàn)圖1，前后相距僅12.2m，該試驗(yàn)評(píng)估了加油機(jī)尾部流場(chǎng)對(duì)受油機(jī)的潛在影響。2012年8月空中加受油超密集編隊(duì)和接近預(yù)對(duì)接位置編隊(duì)飛行模擬演示完成。

圖1 DARPA 開展無(wú)人機(jī)自主加受油技術(shù)飛行驗(yàn)證。

無(wú)人加受油技術(shù)同樣適用于有人機(jī)與有人機(jī)、有人機(jī)與無(wú)人機(jī)之間的加受油，大幅拓展了加受油技術(shù)的使用范圍。2015年4月，美國(guó)進(jìn)行了X-47B無(wú)人機(jī)與KC-707加油機(jī)之間的空中加受油飛行驗(yàn)證，共進(jìn)行了5次對(duì)接，并在最后一次完成加受油任務(wù)，KC-707在近7min的時(shí)間內(nèi)輸油約1.8t。此外，X-47B無(wú)人機(jī)還與KC-707加油機(jī)完成了2次邊轉(zhuǎn)彎邊受油的飛行試驗(yàn)。這些飛行試驗(yàn)綜合驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)空中受油所必須具備的超密集編隊(duì)飛行、多模式精確導(dǎo)航、復(fù)雜氣動(dòng)干擾、自主飛行控制、加油對(duì)接與脫開、燃油系統(tǒng)綜合化管理等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

艦載無(wú)人機(jī)自主起降

自主起降技術(shù)是艦載無(wú)人機(jī)使用過(guò)程中面臨的難度最大、最富挑戰(zhàn)性的技術(shù)。X-47B是諾斯羅普-格魯門公司根據(jù)美國(guó)海軍“無(wú)人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)驗(yàn)證”（UCAS-D）項(xiàng)目研制的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，主要演示并驗(yàn)證無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)在航空母艦上使用所涉及的艦上自主起降、機(jī)艦適配性等關(guān)鍵技術(shù)。X-47B相繼完成了艦載彈射起飛、觸艦復(fù)飛和攔阻著艦試驗(yàn)，創(chuàng)造了多項(xiàng)紀(jì)錄。

2013年5月14日，X-47B從“布什”號(hào)航母上成功完成首次艦上彈射起飛，美國(guó)海軍首次實(shí)現(xiàn)大型無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)從航母上彈射起飛。試飛中，X-47B是在操控員遙控下，依靠自身動(dòng)力在甲板上滑行并到達(dá)彈射起飛位置，因而意義非常重大，美國(guó)海軍官員稱其是“美國(guó)海軍航空史上一次具有分水嶺意義的事件”。2013年5月17日，X-47B在“布什”號(hào)航母實(shí)現(xiàn)觸艦復(fù)飛見(jiàn)圖2和攔阻著艦，隨后又成功完成8次彈射起飛、30次觸艦復(fù)飛和7次阻攔著艦。

圖2 X-47B正在演示觸艦復(fù)飛技術(shù)。

2014年8月17日，在美國(guó)海軍“羅斯福”號(hào)核動(dòng)力航母上，X-47B艦載無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)與艦載有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)完成了首次協(xié)同飛行演示。驗(yàn)證了艦載無(wú)人機(jī)與艦載有人機(jī)安全、協(xié)同操作能力。在測(cè)試中，X-47B位于一架F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)的一側(cè)，完成兩次成功彈射起飛-攔阻著艦過(guò)程。測(cè)試內(nèi)容包括在著艦?zāi)Ｊ较拢琗-47B在366m高度以193km/h的飛行速度與F/A-18同時(shí)進(jìn)場(chǎng)。在整個(gè)過(guò)程中，“羅斯?！碧?hào)航母上的操控員在飛行機(jī)動(dòng)期間，對(duì)X-47B保持了控制，這是艦載有人機(jī)和艦載無(wú)人機(jī)首次在同一艘航母上，以受控的著艦?zāi)Ｊ酵瑫r(shí)使用，美國(guó)海軍和諾格公司因此積累了更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步降低了艦載無(wú)人機(jī)與艦載有人機(jī)在航母上使用的風(fēng)險(xiǎn)。

自主空對(duì)空作戰(zhàn)系統(tǒng)

自主空戰(zhàn)系統(tǒng)由受雇于美國(guó)空軍研究試驗(yàn)室的皮西波尼提克斯（Psibernetix）公司于2015年5月開發(fā)，同年11月該系統(tǒng)在一些領(lǐng)域使用取得成功。“阿爾法狗斗”（AlphaDogfight）空戰(zhàn)系統(tǒng)是一種人工智能系統(tǒng)，可在高保真模擬環(huán)境中控制無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行空戰(zhàn)任務(wù)。

2018年美國(guó)辛辛那提大學(xué)官方網(wǎng)站消息稱，該校開發(fā)的人工智能空戰(zhàn)系統(tǒng)通過(guò)了專家評(píng)估，并在空戰(zhàn)模擬器中擊敗了經(jīng)驗(yàn)豐富的美國(guó)退役上校基恩·李。在模擬空戰(zhàn)中落敗的基恩上校表示，這是他見(jiàn)過(guò)的最具侵略性、敏捷性、變化性和可靠性的AI?！鞍柗ü范贰敝员憩F(xiàn)出眾，是因?yàn)槠渥鳛榧t方，在模擬空戰(zhàn)中用第三代戰(zhàn)斗機(jī)成功擊退了有預(yù)警機(jī)支持的第四代戰(zhàn)斗機(jī)。

美國(guó)國(guó)防預(yù)研局“阿爾法狗斗”試驗(yàn)的最后一戰(zhàn)于2020年8月20日在馬里蘭州約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室完成，在模擬空戰(zhàn)中，人工智能“阿爾法狗斗”見(jiàn)圖3以5：0擊敗了F-16戰(zhàn)斗機(jī)優(yōu)秀飛行員。

圖3 AI“阿爾法狗斗”成功擊敗經(jīng)驗(yàn)豐富的F-16戰(zhàn)斗機(jī)飛行員。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，融合人工智能技術(shù)將使空戰(zhàn)模式發(fā)生革命性飛躍，畢竟飛行員在敵情瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)上，犯錯(cuò)的概率很高，“阿爾法狗斗”空戰(zhàn)系統(tǒng)可以增加容錯(cuò)率，并能在動(dòng)態(tài)環(huán)境中考慮和協(xié)調(diào)最佳戰(zhàn)術(shù)計(jì)劃，并做出精確響應(yīng)，響應(yīng)速度比飛行員快數(shù)百倍。根據(jù)目前的判斷，在未來(lái)空戰(zhàn)中，需要反應(yīng)時(shí)間之短將超出人類飛行員的極限，而具有自主能力的空戰(zhàn)系統(tǒng)能夠同時(shí)處理態(tài)勢(shì)感知、反應(yīng)判斷、戰(zhàn)術(shù)選擇、武器管理和戰(zhàn)術(shù)使用等場(chǎng)景，同時(shí)躲避來(lái)自不同方向的攻擊，并且可以找準(zhǔn)時(shí)機(jī)實(shí)施進(jìn)攻，并能協(xié)調(diào)已方力量，學(xué)習(xí)敵方戰(zhàn)術(shù)。

無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)

圖4 美軍正在開發(fā)AI自主空戰(zhàn)系統(tǒng)。

圖5 “灰山鶉”無(wú)人機(jī)集群具有集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊(duì)飛行能力。

圖6 無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)對(duì)自主性提出了更高要求。

2017年1月9日美國(guó)防部披露，國(guó)防部長(zhǎng)辦公廳戰(zhàn)略能力辦公室完成了一次無(wú)人機(jī)集群演示，創(chuàng)下最大規(guī)模軍用無(wú)人機(jī)集群飛行紀(jì)錄。“無(wú)人機(jī)集群”項(xiàng)目于2014年啟動(dòng)，旨在驗(yàn)證先進(jìn)無(wú)人機(jī)群體行為，如集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊(duì)飛行。機(jī)型選用了麻省理工學(xué)院全復(fù)合材料機(jī)身、以鋰電池為動(dòng)力的“灰山鶉”（Perdix）一次性微型無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)零部件全部采用貨架產(chǎn)品，“灰山鶉”機(jī)長(zhǎng)約16.5cm，機(jī)寬30cm，投射重量約0.3kg，續(xù)航時(shí)間大于20min，飛行速度75～110km/h。自2014年9月首次由F-16戰(zhàn)斗機(jī)試投以來(lái)，“灰山鶉”共進(jìn)行了500多次飛行試驗(yàn)。2016年10月25日，在美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部設(shè)在加利福尼亞的中國(guó)湖試驗(yàn)場(chǎng)，3架F/A-18F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)以Ma0.6飛行速度，連續(xù)投射103架“灰山鶉”無(wú)人機(jī)，在地面控制站的指揮下，集群無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)間通信和協(xié)同，成功完成設(shè)定的4項(xiàng)任務(wù)。試驗(yàn)中，“灰山鶉”集群未預(yù)設(shè)飛行程序，而是在地面控制站指揮下實(shí)現(xiàn)自主協(xié)同，展現(xiàn)了集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊(duì)飛行能力。

此項(xiàng)目表現(xiàn)出4個(gè)特點(diǎn)，一是微型無(wú)人機(jī)技術(shù)成熟度很高且成本低；二是已創(chuàng)造性解決了微型無(wú)人機(jī)運(yùn)載綜合問(wèn)題；三是完成作戰(zhàn)演習(xí)和編隊(duì)投送演示；四是演示了大規(guī)模無(wú)人機(jī)集群依托云處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)協(xié)同。試驗(yàn)的成功表明，美軍空射無(wú)人機(jī)集群正朝實(shí)戰(zhàn)化方向穩(wěn)步邁進(jìn)。該項(xiàng)目后期將進(jìn)一步聚焦復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，解決有人機(jī)對(duì)集群進(jìn)行指揮，進(jìn)一步提高集群自主性等問(wèn)題。

無(wú)人機(jī)集群對(duì)協(xié)同控制技術(shù)及自主性提出了更高要求，需要建立管理大規(guī)模集群的指揮控制模式，因此需要攻克協(xié)同作戰(zhàn)算法、集群個(gè)體間通信、遠(yuǎn)程指揮控制、空中發(fā)射與回收、低成本設(shè)計(jì)與制造及小型動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

自主化是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)提高系統(tǒng)自主控制等級(jí)，以先進(jìn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)替代人員執(zhí)行任務(wù)，將人類從繁雜工作中解放出來(lái)。自主控制技術(shù)正成為影響未來(lái)裝備發(fā)展的顛覆性技術(shù)，將推動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步向智能化方向發(fā)展。