鄭友勝，吳家峰

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

美國率先研制并裝備第四代戰(zhàn)斗機，為了繼續(xù)擴大自己的空天優(yōu)勢，已經開始研制第五代戰(zhàn)斗機，俄羅斯也緊隨其后。第五代戰(zhàn)斗機到底是有人駕駛，還是無人機駕駛，目前也是各國爭論的焦點。然而，控制模式作為第五代戰(zhàn)斗機的一項關鍵技術，必須得以突破。本文主要研究了第五代戰(zhàn)斗機的控制模式。

1 國外發(fā)展概況以及能力需求

1.1 國外發(fā)展概況

美國在裝備第四代戰(zhàn)斗機的同時，也正在積極探索第五代戰(zhàn)斗機[1]。2008年第9期美國《空軍》雜志提出了第五代戰(zhàn)斗機的特點：高超音速、雙模式發(fā)動機和自適應的外形。隨后該雜志在2009年第10期中對第五代戰(zhàn)斗機的特點又進行了修正，細化了一些技術特征：超強隱身能力、可能具有“變體”能力、高度網絡化、高度靈敏的傳感器等。目前，美國第五代戰(zhàn)斗機的發(fā)展已經由概念探討轉向前期論證，美國空軍在五代機發(fā)展問題上已經邁出了實質性步伐，已經成立專門機構開展五代機特征論證[2]。

據俄新網報道，2012年3月21日，俄羅斯航空巨頭米格公司展示了自己的新產品——“電鰩”噴氣式隱形無人機戰(zhàn)斗機。據稱，這種飛機因具備高速、隱身和無人駕駛等特性，被稱為“第六代戰(zhàn)斗機”。其重要用途是突破敵方嚴密的防空系統(tǒng)，發(fā)射彈艙內的精確制導彈藥，擊毀預先偵察到的固定目標，也可以擊毀地面目標和海上目標。

1.2 能力需求

第五代戰(zhàn)斗機應具有出色的遠程制空作戰(zhàn)能力和極強的對地、對海攻擊能力，同時應具備高度的自主作戰(zhàn)能力，以奪取制空權、戰(zhàn)略縱深打擊和遠海突擊為主要作戰(zhàn)使命。第五代戰(zhàn)斗機的主要作戰(zhàn)任務包括：防空截擊、護航掩護、防空壓制、對海作戰(zhàn)、戰(zhàn)略縱深打擊、戰(zhàn)場遮斷、電子對抗和偵察/監(jiān)視等。

另外，從戰(zhàn)斗機的劃分角度分析，第五代戰(zhàn)斗機的綜合作戰(zhàn)能力應該遠超越第四代戰(zhàn)斗機，關鍵技術指標較第四代戰(zhàn)斗機有壓倒性優(yōu)勢[3]，應具備遠程作戰(zhàn)、快速反應、靈活支援的能力；具備防空反導、空降作戰(zhàn)、信息作戰(zhàn)的能力；在飛行速度、隱身性能、傳感器融合、自主控制、飛行空域、生存力、殺傷力和多任務等關鍵能力方面比第四代戰(zhàn)斗機更強。除了一些關鍵能力優(yōu)于四代機以外，五代機還應該具備反隱身、能量隱身以及激光攻擊和高能微波攻擊等第四代戰(zhàn)斗機所不具備的能力。

2 控制模式

有人曾經大膽預測，第四代戰(zhàn)斗機將是世界上發(fā)展的最后一代有人戰(zhàn)斗機了，隨著未來先進無人機技術和無人機作戰(zhàn)平臺的發(fā)展，無人作戰(zhàn)飛機很有可能替代有人戰(zhàn)斗機，成為未來作戰(zhàn)飛機的發(fā)展主流?，F在看來，這一預測可能不會成為現實，就目前的控制技術水平，無人機只能執(zhí)行單一的對固定目標與低速目標的攻擊任務，對于復雜環(huán)境下的目標和高速運動的目標，無人機還無能為力，離完全自主控制還相差甚遠[3]。第五代戰(zhàn)斗機是有人機還是無人機，目前還沒有定論，各國也還在研究中。以下將分別從有人控制、自主控制和有人/自主復合控制等三個方面進行深入研究、分析利弊。

2.1 有人控制模式

第一代戰(zhàn)斗機和第二代戰(zhàn)斗機完全由飛行員操縱和控制，需要飛行員不斷地調整飛機姿態(tài)，以保證飛機能夠穩(wěn)定性飛行。從第三代戰(zhàn)斗機開始，出現的自動控制系統(tǒng)，可以部分代替飛行員的工作，通過自動控制系統(tǒng)實時調整飛機的姿態(tài)，使飛機能夠穩(wěn)定飛行，提高了飛機的操縱性，減輕了飛行員的負擔。隨著飛控技術的不斷發(fā)展，越來越多的工作可以由飛控系統(tǒng)完成或起到很好地輔助作用，大大降低了飛行員的操縱負擔。

第四代戰(zhàn)斗機控制系統(tǒng)安全級別很高，配備了多臺計算機，增加了飛機的控制冗余度；另外，即使在所有機載計算機都出現故障的情況下，飛行員還可以手動飛行。第四代戰(zhàn)斗機的控制系統(tǒng)不是簡單的飛行控制，而是“飛行、火力、動力”融合的控制系統(tǒng)。第四代戰(zhàn)斗機的飛控系統(tǒng)高度綜合化[4]，體現在信息綜合、顯示綜合、功能綜合、硬件綜合、軟件綜合和檢測綜合等。由于第四代戰(zhàn)斗機采用了更為先進的控制技術和控制理念，將綜合共享的概念移到傳感器部分，更多的功能將由軟件實現,并充分利用信息融合技術,進一步增強了飛行員的態(tài)勢感知能力,提高了飛行員的判斷能力，增強了戰(zhàn)斗機的攻擊能力和生存力。

第五代戰(zhàn)斗機將配備先進的飛行管理系統(tǒng)，具有相當高的自主控制能力。五代機控制系統(tǒng)除了四代機已有的控制能力外，還應具備以下能力：

1）更強的綜合信息處理能力；

2）具備故障診斷和超強的自修復能力；

3）很強的信息篩選能力；

4）飛行路線重規(guī)劃、飛行任務重規(guī)劃、初具規(guī)模的協(xié)同作戰(zhàn)能力；

5）具備自主起降能力，確定目標類型后可以自動選擇武器發(fā)起攻擊，并且攻擊時間大大縮短。

對于第五代戰(zhàn)斗機，飛控系統(tǒng)像是一個能力很強的“助手”，而飛行員則是一個“決策者”和發(fā)布命令的“老板”；大多數情況下是戰(zhàn)機的飛控系統(tǒng)來完成操作，飛行員的主要職責是基于復雜環(huán)境下多目標的任務決策、重要信息判斷、臨時應變、干擾和程序中斷、嚴重故障等意外情況的處理。裝備更為先進的智能控制系統(tǒng)后的第五代戰(zhàn)斗機，將會大大降低飛行員的操作負擔，簡化操作程序，使飛行員能夠更專注于執(zhí)行戰(zhàn)斗任務。

2.2 自主控制模式

2.2.1 自主控制相關概念

文獻[6]給出了自主控制的定義，認為自主控制是通過在線感知、信息處理和控制重構等功能，在不確定環(huán)境里和無人干涉的條件下,以最優(yōu)的方式執(zhí)行控制策略,自主、快速有效地適應環(huán)境,實現場景描述、故障檢測、策略規(guī)劃、避障控制等功能。自主控制強調自我決策、自我控制,可看作是自動控制的高級發(fā)展階段。

美國國防部在 《無人機系統(tǒng)路線圖2005－2030》中公布的自主控制趨勢[5]，如圖1所示。

從圖1中可以看出各無人機型號與無人機10個自主控制級別之間的對比關系。由圖可知，自主等級在5以下的，任務相對簡單，可以由單機完成，而自主等級在5以上的任務，需要多機協(xié)同完成。目前，美國先進的無人機僅處于等級4～5之間的水平，離完全自主機群的級別還有很大的差距[7]。

為了衡量第五代戰(zhàn)斗機系統(tǒng)的自主水平,需要對自主能力進行合理的等級劃分。文獻[7]在研究美國無人機自主等級的劃分之后，提出了一種新的無人機發(fā)展的自主控制等級（表1）。

圖1 2005版美國無人機發(fā)展路線圖

表1 自主水平等級

與美國無人機自主控制10級劃分相比，表1中給出的無人機自主控制9級劃分的等級次序與其相同，等級命名經更改后全部反應該等級的軍事應用特征，還取消了不能歸為智能活動的分布式控制等級。

2.2.2 自主控制的主要技術特征

國內外學者對自主控制的關鍵技術進行了大量深入的研究。文獻[8]認為進行自我決策、自我控制是實現自主控制的一個重要標志；文獻[9]認為自主控制需要具備通信、協(xié)調、目標識別與分配、沖突自動化解等能力；文獻[10]指出自主控制需要提供人機接口、通信和目標識別等功能；文獻[11]、[12]認為態(tài)勢感知、決策分析、通信協(xié)同和實時目標重定位是自主控制必須具備的幾項重要能力；而文獻[13]認為時空建模、智能分層控制、嵌入式計算和網絡化通信是實現自主控制的關鍵。

本文根據第五代戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)使命和能力需求，分析自主控制系統(tǒng)需要完成的主要任務有：防空截擊、防空壓制、對空作戰(zhàn)、對地攻擊、對海作戰(zhàn)、戰(zhàn)略縱深打擊、戰(zhàn)場遮斷、電子對抗和偵察/監(jiān)視等。完成這些任務，第五代戰(zhàn)斗機的自主控制系統(tǒng)必須具備的主要能力有：

1)自主控制系統(tǒng)結構。自主控制系統(tǒng)是一個系統(tǒng)階次高、子系統(tǒng)相互關聯,系統(tǒng)評價目標多且相互矛盾的復雜大系統(tǒng),是多個學科的交叉[14]。自主控制系統(tǒng)主要任務是把各個子系統(tǒng)連接成一個整體,統(tǒng)一管理調度各個子系統(tǒng),使各子系統(tǒng)步調一致地完成總體任務,其設計的優(yōu)劣直接關系到無人操作時的第五代戰(zhàn)斗機整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。

2)多傳感器信息融合能力。未來戰(zhàn)場環(huán)境日益復雜，要完成作戰(zhàn)任務，必須充分、準確地獲取敵我雙方信息。由于獲取的信息量大，要從眾多的信息中獲取所需信息，并對這些信息進行合理利用，必須發(fā)展多傳感器信息融合技術，使第五代戰(zhàn)斗機具有對多種信息獲取手段所獲得的信息進行分析和處理的能力。

3)協(xié)同與交互能力。協(xié)同與交互技術主要解決無人機與無人機、無人機與有人機之間以及任務控制站、指控系統(tǒng)的協(xié)同操作，實現各機種間的協(xié)同作戰(zhàn)。

4)自主決策與控制能力。有人機上對于不同的目標和不斷變化的戰(zhàn)場環(huán)境，飛行員會擇機選擇相應的操作，如攻擊武器、攻擊方式、攻擊時刻和機動規(guī)避等。對于無人機，如果這些都是由操作手來完成，那么對于打擊一些稍縱即逝的機動目標和即時發(fā)現的時敏目標，必然會貽誤最佳作戰(zhàn)時機。因此，無人操作時，需要具備自主決策能力，主要包括目標威脅判斷、攻擊武器、攻擊方式、攻擊時刻、權限降級、自主規(guī)避、攻擊排序、火力分配和武器投放等。

5)快速動態(tài)重規(guī)劃能力。當五代機收到新的傳感器信息、命令、情報或不可預料事件發(fā)生時,就要進行實時動態(tài)重規(guī)劃,以最優(yōu)的方式完成對預先任務規(guī)劃的更新,包括航路重規(guī)劃、攻擊任務重規(guī)劃和攻擊目標重鎖定等，生成新的任務。具備快速動態(tài)重規(guī)劃技術后，五代機可以根據當前的態(tài)勢和對未來一段時間內態(tài)勢的估計，結合預測控制技術，選取合適的應飛軌跡、攻擊目標或武器種類，從而賦予五代機靈活執(zhí)行任務的能力。

2.3 有人/自主控制模式兼容

目前世界上最先進的戰(zhàn)斗機仍然是有人駕駛的。由于人這一“高級動物”的加入，使得戰(zhàn)斗機在空中執(zhí)行任務時，變得更加靈活，可以因時、因地、因空和因海而變，可以進行大規(guī)模的機群協(xié)同作戰(zhàn)，在過去的海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗以及敘利亞戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極其重要的作用。然而，戰(zhàn)斗機在執(zhí)行高機動大過載飛行任務、惡劣天氣、惡劣環(huán)境、超高空飛行和超長時間飛行等超過人的生理和身體極限的任務，飛行員將無法完成。

有人戰(zhàn)斗機的這些不足，可以由無人戰(zhàn)斗機進行有效彌補。無人機要想取代有人機執(zhí)行作戰(zhàn)任務，在作戰(zhàn)時需要能像戰(zhàn)斗員一樣能夠結合任務、態(tài)勢、環(huán)境和信息等實時決策，做出正確地判斷并有效執(zhí)行才能完成任務。這就要求無人戰(zhàn)斗機的自主控制系統(tǒng)具備“人腦”一樣的智能。無人機技術發(fā)展最好的國家是美國，美國在2005年發(fā)布了最新的美國無人機系統(tǒng)發(fā)展路線圖，該路線圖將無人機的發(fā)展劃分為10個級別。在這個界別劃分中，5級以下反應了單機的最高自主水平，從第5級開始描述多機的自主控制能力，而7級～10級是美軍未來的發(fā)展方向，理論和技術上還處于探索階段[15]。美國最先進的無人作戰(zhàn)飛機的自主控制等級在5級左右，離完全自主機群協(xié)同作戰(zhàn)尚有很大差距。

由于無人自主控制系統(tǒng)是一個多學科交叉的系統(tǒng)工程，目前的技術還不成熟，離達到有人機一樣的作戰(zhàn)水平尚有很大差距，在未來20年內恐將難以實現，至少目前還無法判斷其實現的可能性；而有人戰(zhàn)斗機在執(zhí)行高機動大過載、長航時和高危環(huán)境等任務時，又表現出明顯的不足；未來的第五代戰(zhàn)斗機在作戰(zhàn)使命和能力需求上，需要具備這些能力。鑒于這一情況，本文提出第五代戰(zhàn)斗機應兼顧有人駕駛和無人自主控制的兩種平臺，在執(zhí)行機群協(xié)同作戰(zhàn)、復雜作戰(zhàn)環(huán)境和高度自主決策等任務時，需要飛行員配合執(zhí)行；在不適宜飛行員駕駛的環(huán)境(如長時間作戰(zhàn)、生化威脅環(huán)境、核輻射環(huán)境等)下，又只有五代機才能完成的任務時，就可以讓戰(zhàn)斗機在無人狀態(tài)下執(zhí)行任務。由五代機的飛行管理系統(tǒng)功能是有地面的工作人員根據事先編好的程序載入機載系統(tǒng)的，對于瞬息萬變的戰(zhàn)場，事先的假定都是有限的，有很多意外情況是我們無法預測的。雖然控制系統(tǒng)有一定的自學能力，但是與人腦相比相差甚遠。因此，為了保證飛機的安全性和可靠性，五代機具有這兩種控制模式下的一個控制原則是，盡量讓戰(zhàn)斗員去完成作戰(zhàn)任務，只有在超出戰(zhàn)斗員的生理極限或心里承受能力的情況下，才可以讓飛機在無人狀態(tài)下“自主”完成任務。

3 結語

本文從未來幾十年內的作戰(zhàn)環(huán)境、武器裝備發(fā)展體系需求和作戰(zhàn)使命等方面出發(fā)，提出第五代戰(zhàn)斗機的能力需求。并根據現有無人機的自主控制水平、未來自主控制技術的發(fā)展速度以及有人戰(zhàn)斗機的發(fā)展瓶頸等情況相結合，提出未來第五代戰(zhàn)斗機的控制模式是有人控制與自主控制兼顧。

[1]John A.Tirpak.The Sixth Generation Fighter.AIRFORCEMagazine,2009,10：38-42.

[2]Adam J.Hobert.Issue Brief Fighter Generations.AIRFORCEMagazine,2008,9：32-32.

[3]Huang H M,Messina E,Wade R,et al.Autonomy measuresf or robot s[C]MProc.IMECE 2004.2004,11:13-19.

[4]盧廣山，李峰，張紅.武器火控系統(tǒng)技術綜述[J].國防科技工業(yè)，2002,3:1-5.

[5]Office of the Secretary of Defense.Unmanned aircraft systems roadmap 2005-2030 [M].Washington DC，2005.

[6]Boskovic J D,Prasanth R,Mehra R K.Multilayer Architecture for Intelligent Control of Unmanned Aerial Vehicles[C],AIAA 2002-3473:1-11.

[7]陳宗基，魏金鐘，王英勛等.無人機自主控制等級及其系統(tǒng)結構研究 [J].航空學報，2011，6（32），1075-1083.

[8]Antsaklis PJ,Passino K M.An introduction t o intelligent and autonomous control[M].Netherlands:Kluwer Academic Publishers,1993.

[9]Mission planning systems for tactical aircraft(Pre-f light and in flight)[R].AGA RD-AR-313,1992.

[10]Chandler P R,Pachter M.Research issues in autonomous control of tactical UAVs[C].Proc.American Control Conf,1998:394-398.

[11]Clough B T.Unmanned aerial vehicles-autonomous control challenges,a researcher's perspective[C].AIAA,2003-6504:1-15

[12]Cummings M L.Designing decision support systems f or revolutionary com man d and control domains[D].Doctoral Dissertation,University of Virginia,2004.

[13]Valavanis K P.Advances in Unmanned Aerial Vehicles,State of the Art and the Road to Autonomy[M].Springer,2007.

[14]Pachter M,Chandler P R.Challenges of autonomous control[J].IEEE Control Systems Magazine,1998,18(4):92-97.

[15]高勁松，余菲、季曉光.無人機自主控制等級的研究現狀[J].電光與控制，2009，10(16):51-54.