基于时空协同的飞行器集群制导技术现状与应用*

王燕燕，袁健全，郝明瑞，池庆玺

(1.复杂系统控制与智能协同技术实验室·北京·100074；2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院·北京·100083)

0 引 言

近年来，随着信息化战争形态的不断发展，体系作战将成为未来战争的主要模式，特别是以精确制导武器为主的攻击体系与反导防御体系之间的对抗[1]。面对各军事强国反导防御系统反侦察、反干扰及反摧毁技术的日渐成熟，传统单枚飞行器的突防及作战能力难以抵御敌方全射程、多层次的拦截。因此，传统单枚飞行器作战形式已难以满足体系作战的任务需求。针对该难题，迫切需要寻求新的作战形式，以突破敌方日渐成熟的防御系统全射程、多层次的对抗，满足日益复杂的作战环境与体系作战需求。

多飞行器集群作战凭借着网络内各节点实时共享平台的自身信息、外部载荷数据等而实现的自主协同作战，不仅可以打破单枚飞行器孤立作战的局限性，且在协同作战过程中可实现各枚飞行器成员间的作战性能互补与战场态势信息共享，进而完成对作战目标的协同探测、协同攻击等任务，有效提升整体作战效能。因此，多飞行器集群作战是体系作战的必然产物。

多飞行器集群协同作战作为体系作战下未来主要的作战形式，可遵循观察、判断、决策和行动(Obseration, Orientation, Decision, Action, OODA)环理论，借助动态任务规划与动态目标分配技术、稳定编队控制技术和协同制导等技术，完成协同探测、编队飞行及协同打击等作战任务。其中，多飞行器协同制导技术是保障对作战目标进行协同打击的关键技术。与传统单枚飞行器相比，多飞行器集群协同打击可极大地提高突防能力和对目标的全方位打击效能等。因此，协同制导技术目前已成为集群协同作战的研究热点。

依据多飞行器协同制导约束条件的不同，可将现有的协同制导方法分为基于时间的协同制导律、基于空间的协同制导律，以及基于时空的协同制导律。上述三类协同制导方法，在协同打击方面，可满足以下三大军事需求：

(1)在强反导拦截场景下提高突防概率。面对敌方的强反导拦截系统，多飞行器可采用不同频段、不同方向的齐射攻击敌方防御系统或作战目标关键部位。多飞行器集群可借助协同探测技术构建战场态势信息，实时采用不同制导体制突防，通过齐射饱和攻击，使敌方反导拦截系统趋于饱和，甚至出现“缺口”，进而提升突防概率。

(2)提高作战目标打击效能。对敌方防御系统和高价值目标进行多层次、全方位的饱和攻击。多飞行器在齐射攻击过程中可通过实时信息共享、战术协同而实现对目标的分选打击、分波次/分层打击和全方位打击等，进而提升摧毁目标的杀伤力，增强对作战目标的摧毁效果。

(3)满足低成本需求。在多飞行器协同攻击目标时，可允许只有部分飞行器带有昂贵导引头，其他带有低成本导引头或不带导引头，从而大大降低作战成本。

此外，多飞行器在协同制导过程中可分阶段采用不同的制导律。如文献[2]，在第一阶段采用协同制导律；当各个飞行器剩余飞行时间渐近一致时，断开通信而采用传统比例导引律，在降低了通信要求的同时提升了复杂战场环境下的抗干扰能力。在协同防御方面，其角色恰好与协同攻击相反。通过多飞行器协同，也可以提高反导系统的作战效能，此处不再赘述。

当前，世界各国正在开展飞行器集群协同作战的相关项目[3]，如美国国防部高级研究计划局的“拒止环境中协同作战”项目、美国海军研究局的“低成本无人机蜂群技术”项目等。关于如何设计协同制导律以应对未来复杂的战场环境及作战需求，仍是当前协同制导问题的一个关键点。

针对上述问题，为方便后续开展针对协同制导技术的相关研究，本文依据多飞行器协同制导的不同目标(即不同的约束条件)，尝试从不同角度介绍了协同制导领域的国内外研究发展思路，并提出了协同制导技术的未来发展方向。

1 飞行器集群协同制导技术发展现状

现阶段，国内外协同制导律的设计已取得了大量研究成果。按照多飞行器成员间是否利用实时通信信息共享而实现协同，可将其分为开环式和闭环式协同制导。其中，依据通信拓扑结构的不同，闭环式协同制导方法又可分为集中式协同制导方法和分布式协同制导方法。下面各部分，将按照该分类方法详细介绍国内外协同制导技术的发展思路。

1.1 基于时间协同的制导律

基于时间协同的制导律的大致思路，是通过调整控制不同平台同时发射的n枚飞行器攻击目标的时间，实现目标攻击时间的一致性[4]。按照发射前是否需要为各个飞行器提前装订攻击时间，可将攻击时间约束下的协同制导方法分为开环式时间协同和闭环式时间协同两类。

开环式时间协同也称独立式协同制导，该方法需要在飞行器发射前为其装订期望攻击时间。随后，各飞行器按照期望攻击时间，独立完成目标攻击任务。Jeon等于2006年首次提出了攻击时间约束制导律(Impact-Time-Control Guidance, ITCG)。该方法在传统比例导引律(Proportional Navigation Guidance, PNG)的基础上增加了剩余时间误差反馈，在各枚飞行器独立飞行的前提下同时攻击目标[5]。该制导方法仅可适用于攻击静止目标，且其利用的剩余时间估计可能存在估计误差。2010年，Jeon等[6]在早期研究的基础上，通过推导飞行时间与导航系数的关系，提出了一种变系数比例制导律。该方法可通过改变比例系数值，实现各枚飞行器剩余飞行时间的渐近一致。除可应用于静止目标，基于时间协同制导律也可应用于机动目标。文献[7]在PNG的基础上通过增加装定攻击时间和预计攻击时间误差反馈信号，设计了一种最优攻击时间可控制导律。该方法利用卡尔曼滤波理论估计了机动目标状态，但该估计方法对目标模型具有一定的依赖性，不利于工程实践应用。此外，考虑任务分配、导引视线角、剩余时间估计等应用需求的方法也相继出现。文献[8]基于剩余时间估计，确定了各枚飞行器的攻击时间；文献[9]基于飞行器协同作战任务规划系统需进行合理任务分配的需求，研究了飞行器可修正控制飞行时间的裕度；文献[10]在考虑了导引头视线角约束的前提下，基于比例导引律设计了攻击时间可控制导律。

针对需提前装定期望攻击时间的问题，研究者们针对异构飞行器的应用需求，提出了领-从策略。该策略中存在一枚或多枚飞行器，其能够与所有飞行器进行信息交流，通常采用一般比例制导，其运动状态将作为其他跟随飞行器的期望值。目前，国内外领导飞行器的选择方法主要包括飞行器集群中其中一枚、目标和虚拟点。该策略下的相关研究可参考文献[11]。领导飞行器采用PNG、跟随飞行器采用PNG和机动控制相结合的方式逼近领导飞行器对目标的运动状态，从而确保各枚飞行器同时攻击目标。文献[12]在设计攻击时间制导律时引入了虚拟领导飞行器的概念。该方法首先根据攻击时间确定虚拟领导者，其次设计了制导律，让其余飞行器跟随。但是，该导引律需要视线角角速度信息，而该信息精度在应用时难以保障。文献[13]针对领-从策略中跟随者不带导引头的情况，提出了一种视线角速率提取算法，以满足低成本需求。随后，张友安等[14]将攻击时间制导律扩展到了三维空间，并根据弹目相对运动关系在偏航通道采用时标分离的方法设计了期望的慢子系统和快子系统，以实现对攻击时间的控制。但是，该方法仅考虑了偏航通道。紧接着，作者在三维空间采用领-从策略设计了时间控制制导律[15]。文献[16]运用滑模控制方法在三维空间设计了攻击时间可控的协同制导律。该方法考虑了飞行器动力学模型，但滑模控制存在抖动现象。此外，针对飞行器初始前置角偏大的情况，文献[17]采用滑模控制理论设计了攻击时间可控制导律。

上述介绍的独立式协同制导技术采用的主要方法包括：比例导引、偏置比例导引、滑模控制、最优控制、微分对策和动态面控制理论等。独立式协同制导技术虽然可实现目标攻击时间上的协同，但飞行器集群成员间独立性的本质决定了独立式协同是较低层面的协同，协同的可靠性和鲁棒性较差。

与上述开环式协同制导方法不同，闭环式协同制导不需要提前为各枚飞行器装定期望的攻击时间，而是在协同攻击过程中，由多飞行器通过数据链支撑而实现相互的实时通信，交换彼此的信息，并依靠相应策略调整各自的攻击时间，最终实现攻击时间的一致。根据飞行器间通信方式的不同，该类协同制导方法又可分为集中式协同制导和分布式协同制导。集中式协同制导对应集中式通信，典型的应用包含基于双层架构和基于领-从架构两种形式。其中，基于双层架构的协同制导由赵世钰等[18]提出，主要包含带约束的底层导引律和包含协调变量的上层协调控制策略。在现有的研究成果中，底层常用导引律包括比例导引、变系数比例导引、偏置比例导引、滑模控制、攻击时间约束制导律等，上层的协调控制策略包括协调变量(剩余攻击时间)、协调函数、一致性算法[19-27]等。此类制导方法可应用于同构和异构飞行器集群作战，既可保障目标打击时间的一致性，也能根据协同打击任务需求调整底层制导律和上层协调控制策略，具有较强的鲁棒性和通用性。基于领-从架构的协同制导方法专门为异构飞行器集群作战而设计。在该架构中，领导飞行器通常采用比例导引或增广比例导引，跟随飞行器的跟踪方式包括偏置比例导引、增广比例导引和最优导引律等[28-30]。

分布式协同制导对应分布式通信，是指集群中的飞行器仅与与其相邻的若干飞行器成员进行信息交流。该类方法同样包含基于双层的架构，其大致的技术思路为，利用协调一致算法将获得的集中式协调策略进行分散化设计，进而得到上层分布式协调策略，而底层制导律与集中式协调策略大致相同，最终可实现分布式协同制导[31-39]。其他分布式协同制导又可分为追踪导引法和非追踪导引法。其中，追踪导引法的大致思路为，领导飞行器采用一般导引律，跟随飞行器采用指令跟踪算法[40]。该方法虽可实现协同打击，但不论选取何种发射方向，飞行器最终都要绕到目标后方进行攻击，不利于工程实践应用。追踪导引法的典型应用包括多目标/多飞行器编队协同攻击[41]、考虑飞行器动力学特性的三维空间机动目标协同攻击[42]、消除外部干扰方法[43]、飞行器碰撞自规避算法[44]等。与追踪导引法相反，非追踪导引法可实现目标迎面攻击，该类方法大都采用基于一致性原理的一阶或两阶一致性算法以实现对目标的协同攻击[45-50]。随后，研究者们又运用有限一致性理论，提出了有限时间协同制导[51-52]。与集中式协同制导相比，分布式协同制导方法的通信量小，具备较强的鲁棒性。另外，该闭环式协同制导方法考虑了飞行器成员之间的相互通信，属于真正意义上的协同制导。

1.2 基于空间协同的制导律

基于空间协同的制导律的大致思路是利用攻击角度约束，确保飞行器以某种姿态命中目标，以最大限度地提高对目标的杀伤力。

终端角度约束制导律最早由Kim等人[53]提出，经历近50年的发展，已取得了诸多成果，其典型应用包括了最优制导律、变结构制导律和基于比例导引律。其中，最优制导律的大致技术思路是将终端角度约束的制导问题转化为最优控制问题[54-56]。该方法可根据操作系统和约束条件的不同而建立制导模型，适用于静止目标打击作战场景。对于存在外界干扰的环境或机动目标，该制导模型不够精确，最终导致制导精度较低。变结构制导律是通过利用滑模与对象参数及扰动无关的特性，将终端命中角度约束引入滑动模态而实现的，但该方法因滑模固有特性而存在抖动现象[57]。基于比例导引的导引律的大致技术思路是在传统比例导引的基础上增加调整攻击角度的偏置项，使飞行器按照指定角度攻击目标[58-59]。该类制导律结构简单，易于实现，但一般仅限于打击静止或低速运动的目标。

1.3 基于时空协同的制导律

针对同时约束攻击角度和攻击时间的制导律的研究，国内外也取得了丰硕的成果。该类方法能够使各枚飞行器按照期望的攻击角度和攻击时间对作战目标进行打击，以达到多飞行器在时间和空间上的协同，从而实现某种战术，以增强打击效能。按照飞行器之间是否通过数据链实现了实时的通信协同，该类方法同样可分为开环式协同制导和闭环式协同制导。

基于攻击时间和攻击角度的开环式协同制导方法与1.1节介绍的开环式时间协同方法类似，主要通过人为方式事先为各枚飞行器设定导引时间和攻击角度。该类方法不能实现完全自主的协同，在此不再赘述。

闭环式协同制导按照攻击目标类型及应用方向，大致可分为如下几类：文献[60]和文献[61]针对静止目标，在为各枚飞行器设置攻击角度约束的偏置比例导引律的基础上，利用各飞行器的剩余时间偏差进一步调节了比例系数，以使带有攻击角度约束的各枚飞行器同时命中目标。文献[62]基于领-从架构，采用虚拟点实现了时空协同导引；文献[63]、文献[64]和文献[65]针对机动目标，在预设攻击角度的前提下，利用新的状态观测器和二阶一致性算法实现了时空协同。文献[66]、文献[67]将时空协同末制导律扩展到了三维空间。随后，研究者们利用有限时间一致性理论实现了有限时间下攻击角度和攻击时间的协同[68-69]。上述各个制导方法因其采用理论或方法的缘由，具有各自的优缺点。由于此类方法基本是基于时间协同和基于空间协同的两者的结合，故在此不再赘述该类方法的优缺点。

2 总结与展望

本文在阐述多飞行器集群协同制导是有效提高突防概率及目标毁伤效果的关键技术的基础上，以时间、空间及时空约束条件为主线，介绍了多飞行器协同制导技术国内外的发展思路，并对各类方法进行了总结。目前，针对多飞行器集群协同制导的研究，主要集中于理想条件下制导律的设计。未来的研究应结合军事应用背景，以解决工程应用难题。多飞行器集群协同制导在未来的主要发展方向包括如下几点：

(1)多飞行器集群成员间定位与制导的时空协同

拒止环境下，在多飞行器集群系统执行作战任务时，全球导航定位系统(Global Positing System, GPS)极易因受到敌方电磁干扰而失效。同时，惯性导航测量系统的测量误差随时间积累而发散，易造成飞行器成员之间的相对位置信息及目指信息存在不确定性误差，进而影响作战目标的打击精度和毁伤效果，难以实现精确制导。飞行器成员之间相互通信的数据链相对于卫星导航信号链路具有距离近、高带宽等特征，在拒止环境下具有更高的可用性。此外，惯性导航测量系统也具有不受外界环境干扰的优势。因此，针对上述位置信息存在不确定性误差的问题，可研究将数据链实时测距与惯导测量相结合的方法，实现多飞行器间的协同定位，进而获得高精度的位置信息。基于此，根据作战环境及作战指标，设计时空约束下的协同制导策略，便可很好地实现对目标的协同打击态势。因此，针对拒止环境下GPS失效、惯导误差随时间积累发散的问题，运用协同定位(数据链实时测距和惯导相结合的协同定位方法)与协同制导(基于时空约束的协同制导方法)联合设计实现对目标的精确打击，是未来多飞行器实现精确制导的重要研究方向之一。

(2)多飞行器集群跨域制导的时空协同

拒止环境下，多飞行器集群在协同作战过程中难免存在GPS、导引探测装备等受干扰、出现信息不完整的现象：飞行器缺少自身的绝对位置信息及作战目标信息，难以有效执行作战任务。若要实现对作战目标的精确打击任务，需要多飞行器集群系统以外的导引信息，以支撑作战任务的有效执行。跨域作战概念具有跨域协同增效的特点，如单兵引导，可将获得的战场态势信息传递给信息不完整的飞行器集群系统，并同时使多飞行器获得其自身位置的相关信息，进而保障多飞行器利用时空约束的制导体制实现对作战目标全方位、多层次的协同打击。因此，基于跨域时空协同的拒止作战环境下的协同制导技术，是未来工程应用的重要研究方向。

(3)强对抗环境下多飞行器时空协同制导

在强对抗环境下，飞行器的导引头极易因受敌方干扰而缺少目指探测信息，或对目标的探测存在不确定性误差，难以保障制导律的有效实施。针对部分飞行缺少目指信息的问题，可基于领-从架构、依靠飞行器间的实时通信实现多飞行器的协同制导。但是，强对抗环境下数据链信息传输的信道往往具有动态和多径的特性，不可避免地存在通信时延、丢包和拓扑结构切换问题，进而影响多飞行器协同打击的效果。因此，有必要研究存在时延、丢包和通信拓扑切换条件下基于领-从架构的时空协同制导方法。目前，现有的基于领-从架构的协同制导律需要飞行器的切线方向速度可调，而当飞行器主发动机的推力不可调或无推力时，其在工程应用方面将具有不可实现性。

针对目标探测位置信息存在误差的情况，需研究基于不确定性位置误差的多飞行器集群协同制导方法，以实现时空协同下对目标的协同打击。目前，针对该方面的研究尚属空白，而该方向是工程应用的重点方向。

综上所述，未来的体系作战将面临高动态、强对抗、拒止环境下信息不完整的应用背景，飞行器集群自主化、智能化将成为己方作战效能最大化的主要作战形式。因此，深入研究飞行器集群协同制导技术并将其集成应用于飞行试验，将产生深远的意义。