无人机系统自主控制技术及应用研究（下）

张健，郭润兆，丁兴志

航空工业第一飞机设计研究院

本文结合自主控制技术在无人加受油、舰载无人机自主起降、自主空战系统和无人机集群等领域的应用，指明自主控制技术未来发展方向。

自主化无人机系统在很多应用场景优势发挥明显，在需要迅速做出决策时，自主化系统将显著缩短决策时间；在处理海量信息和数据时，自主化系统在计算速度和容量方面具有明显优势；在系统出现故障情况下，自主化系统能够紧急应对；面对复杂战场环境或多种任务，自主化系统不需要人员指挥；执行危险任务时，自主化系统可以降低人员伤亡风险；执行枯燥、持久任务时，自主化系统能有效延长任务时间。

无人机自主加受油

无人机自主空中加受油是未来发展方向，可以增加无人机作战使用半径和留空时间，减少作战部署和反应所需要的时间，降低对前线机场的依赖。无人机自主空中加受油需要突破无人加受油机气动干扰分析及试验、加油锥套识别及相对位姿精确获取、无人加受油自主会合/编队/精确对接控制、加受油机对接过程软管-锥套动态特性分析、加油过程的飞行控制等关键技术。

由于无人机操控指令主要通过视距数据链路和卫星通信系统传输，某些远程飞行任务则必须依靠卫星通信，由此产生的时延问题无法解决，使无人机空中加受油操作不能由操控员在地面完成，于是全自主无人空中加受油技术便成为关键。与有人加受油技术相比，无人加受油技术在整个加受油过程中不需要机上人员直接操作，加油机与受油机可自动完成由会合至脱离的整个加受油过程。该技术完全摆脱了对人员的依赖，可以实现无人加油机与无人受油机的空中加受油。

2012年10月23日，美国国防预研局（DARPA）启动了KQ-X无人机高空自主加油项目。按计划，两架“全球鹰”利用GPS和光学跟踪系统，实现受油探头与加油锥套的对接，并将燃油从一架无人机输送给另一架无人机。2011年初，两架无人机进行了会合飞行试验见图1，前后相距仅12.2m，该试验评估了加油机尾部流场对受油机的潜在影响。2012年8月空中加受油超密集编队和接近预对接位置编队飞行模拟演示完成。

图1 DARPA 开展无人机自主加受油技术飞行验证。

无人加受油技术同样适用于有人机与有人机、有人机与无人机之间的加受油，大幅拓展了加受油技术的使用范围。2015年4月，美国进行了X-47B无人机与KC-707加油机之间的空中加受油飞行验证，共进行了5次对接，并在最后一次完成加受油任务，KC-707在近7min的时间内输油约1.8t。此外，X-47B无人机还与KC-707加油机完成了2次边转弯边受油的飞行试验。这些飞行试验综合验证了无人机空中受油所必须具备的超密集编队飞行、多模式精确导航、复杂气动干扰、自主飞行控制、加油对接与脱开、燃油系统综合化管理等多项关键技术。

舰载无人机自主起降

自主起降技术是舰载无人机使用过程中面临的难度最大、最富挑战性的技术。X-47B是诺斯罗普-格鲁门公司根据美国海军“无人作战航空系统验证”（UCAS-D）项目研制的技术验证机，主要演示并验证无人战斗机在航空母舰上使用所涉及的舰上自主起降、机舰适配性等关键技术。X-47B相继完成了舰载弹射起飞、触舰复飞和拦阻着舰试验，创造了多项纪录。

2013年5月14日，X-47B从“布什”号航母上成功完成首次舰上弹射起飞，美国海军首次实现大型无人战斗机从航母上弹射起飞。试飞中，X-47B是在操控员遥控下，依靠自身动力在甲板上滑行并到达弹射起飞位置，因而意义非常重大，美国海军官员称其是“美国海军航空史上一次具有分水岭意义的事件”。2013年5月17日，X-47B在“布什”号航母实现触舰复飞见图2和拦阻着舰，随后又成功完成8次弹射起飞、30次触舰复飞和7次阻拦着舰。

图2 X-47B正在演示触舰复飞技术。

2014年8月17日，在美国海军“罗斯福”号核动力航母上，X-47B舰载无人战斗机技术验证机与舰载有人驾驶战斗机完成了首次协同飞行演示。验证了舰载无人机与舰载有人机安全、协同操作能力。在测试中，X-47B位于一架F/A-18战斗机的一侧，完成两次成功弹射起飞-拦阻着舰过程。测试内容包括在着舰模式下，X-47B在366m高度以193km/h的飞行速度与F/A-18同时进场。在整个过程中，“罗斯福”号航母上的操控员在飞行机动期间，对X-47B保持了控制，这是舰载有人机和舰载无人机首次在同一艘航母上，以受控的着舰模式同时使用，美国海军和诺格公司因此积累了更多的试验数据，进一步降低了舰载无人机与舰载有人机在航母上使用的风险。

自主空对空作战系统

自主空战系统由受雇于美国空军研究试验室的皮西波尼提克斯（Psibernetix）公司于2015年5月开发，同年11月该系统在一些领域使用取得成功。“阿尔法狗斗”（AlphaDogfight）空战系统是一种人工智能系统，可在高保真模拟环境中控制无人战斗机执行空战任务。

2018年美国辛辛那提大学官方网站消息称，该校开发的人工智能空战系统通过了专家评估，并在空战模拟器中击败了经验丰富的美国退役上校基恩·李。在模拟空战中落败的基恩上校表示，这是他见过的最具侵略性、敏捷性、变化性和可靠性的AI。“阿尔法狗斗”之所以表现出众，是因为其作为红方，在模拟空战中用第三代战斗机成功击退了有预警机支持的第四代战斗机。

美国国防预研局“阿尔法狗斗”试验的最后一战于2020年8月20日在马里兰州约翰霍普金斯应用物理实验室完成，在模拟空战中，人工智能“阿尔法狗斗”见图3以5：0击败了F-16战斗机优秀飞行员。

图3 AI“阿尔法狗斗”成功击败经验丰富的F-16战斗机飞行员。

从长远看，融合人工智能技术将使空战模式发生革命性飞跃，毕竟飞行员在敌情瞬息万变的战场上，犯错的概率很高，“阿尔法狗斗”空战系统可以增加容错率，并能在动态环境中考虑和协调最佳战术计划，并做出精确响应，响应速度比飞行员快数百倍。根据目前的判断，在未来空战中，需要反应时间之短将超出人类飞行员的极限，而具有自主能力的空战系统能够同时处理态势感知、反应判断、战术选择、武器管理和战术使用等场景，同时躲避来自不同方向的攻击，并且可以找准时机实施进攻，并能协调已方力量，学习敌方战术。

无人机集群作战

图4 美军正在开发AI自主空战系统。

图5 “灰山鹑”无人机集群具有集体决策、自修正和自适应编队飞行能力。

图6 无人机集群作战对自主性提出了更高要求。

2017年1月9日美国防部披露，国防部长办公厅战略能力办公室完成了一次无人机集群演示，创下最大规模军用无人机集群飞行纪录。“无人机集群”项目于2014年启动，旨在验证先进无人机群体行为，如集体决策、自修正和自适应编队飞行。机型选用了麻省理工学院全复合材料机身、以锂电池为动力的“灰山鹑”（Perdix）一次性微型无人机。无人机零部件全部采用货架产品，“灰山鹑”机长约16.5cm，机宽30cm，投射重量约0.3kg，续航时间大于20min，飞行速度75～110km/h。自2014年9月首次由F-16战斗机试投以来，“灰山鹑”共进行了500多次飞行试验。2016年10月25日，在美国海军航空系统司令部设在加利福尼亚的中国湖试验场，3架F/A-18F“超级大黄蜂”战斗机以Ma0.6飞行速度，连续投射103架“灰山鹑”无人机，在地面控制站的指挥下，集群无人机通过机间通信和协同，成功完成设定的4项任务。试验中，“灰山鹑”集群未预设飞行程序，而是在地面控制站指挥下实现自主协同，展现了集体决策、自修正和自适应编队飞行能力。

此项目表现出4个特点，一是微型无人机技术成熟度很高且成本低；二是已创造性解决了微型无人机运载综合问题；三是完成作战演习和编队投送演示；四是演示了大规模无人机集群依托云处理技术实现战术协同。试验的成功表明，美军空射无人机集群正朝实战化方向稳步迈进。该项目后期将进一步聚焦复杂作战环境，解决有人机对集群进行指挥，进一步提高集群自主性等问题。

无人机集群对协同控制技术及自主性提出了更高要求，需要建立管理大规模集群的指挥控制模式，因此需要攻克协同作战算法、集群个体间通信、远程指挥控制、空中发射与回收、低成本设计与制造及小型动力系统等关键技术。

自主化是无人机系统的发展趋势，通过提高系统自主控制等级，以先进无人机系统替代人员执行任务，将人类从繁杂工作中解放出来。自主控制技术正成为影响未来装备发展的颠覆性技术，将推动无人机系统进一步向智能化方向发展。