李 強(qiáng), 陸浩然, 陳海鵬

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

0 引言

2015年CSBA(Center for Strategic and Budgetary Assessments)發(fā)布的《維持美國精確打擊優(yōu)勢》報(bào)告中,提出了依托平臺(tái)集群技術(shù)的分布式作戰(zhàn)思想[1],即使用大量廉價(jià)彈藥、小型無人機(jī)或誘餌,采用蜂群式、協(xié)同配合作戰(zhàn)方式,迫使敵方消耗最具價(jià)值的防空能力來應(yīng)付廉價(jià)、可消耗的武器,從而抵消敵防御相對(duì)優(yōu)勢,洞穿其防空系統(tǒng),為后續(xù)的武器裝備打擊打開一個(gè)通道。當(dāng)前,美國著力發(fā)展無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)以借此抵消中、俄等國的相對(duì)防御優(yōu)勢,這類組織有序、價(jià)格低廉、協(xié)同配合的無人機(jī)被認(rèn)為是美國未來作戰(zhàn)愿景的重要組成部分。

本文首先介紹了國外集群協(xié)同控制的研究現(xiàn)狀,結(jié)合DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)體系提出了低成本集群架構(gòu)的設(shè)計(jì),采用成熟貨架產(chǎn)品支持的技術(shù)搭建了低成本集群,并針對(duì)集群協(xié)同與控制性能參數(shù)進(jìn)行了因子實(shí)驗(yàn),最后分析了未來作戰(zhàn)中集群打擊的應(yīng)用模式。

1 國外集群協(xié)同控制方法介紹

集群由各類機(jī)動(dòng)單元組成,例如履帶車、多輪車、無人機(jī)等具備不同能力的飛行器或車輛[2]。低成本實(shí)現(xiàn)是集群作戰(zhàn)(如圖1所示)的關(guān)鍵,相對(duì)于傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式，它可以完成不返回式的高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù),同時(shí)靈巧多變的設(shè)計(jì)可以滿足前線部隊(duì)的多種需求。

圖1 集群作戰(zhàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of swarm attacking

2014年美國DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)啟動(dòng)了集群挑戰(zhàn)項(xiàng)目,旨在促進(jìn)采用價(jià)格低廉、技術(shù)成熟度高的系統(tǒng)集成方式實(shí)現(xiàn)具備分布式冗余性的集群系統(tǒng)[3]。目前,除了DARPA外,美國海軍、空軍都開展了低成本無人集群系統(tǒng)的研究。低成本的集群協(xié)同與控制主要方法如下：

(1)蜂群

蜂群機(jī)動(dòng)是集群協(xié)同工作中的常用行為,蜂群機(jī)動(dòng)多用于旋翼飛行器,控制算法相對(duì)簡單，目前已較為成熟,通過開源的地面控制站就可以完成蜂群機(jī)動(dòng)的操作[4]。常用的軟件有Mission Planner、APM Planner和QGroundControl。軟件支持多架次飛行器的自主連接,將其中一架設(shè)置為領(lǐng)航器,其余飛行器根據(jù)與領(lǐng)航器間的偏置量自動(dòng)協(xié)同機(jī)動(dòng)。

(2)鳥群

相對(duì)于蜂群機(jī)動(dòng),鳥群機(jī)動(dòng)中無法實(shí)現(xiàn)懸停,多用于固定翼飛行器集群。鳥群機(jī)動(dòng)更適用于未來的集群作戰(zhàn)模式,算法與蜂群機(jī)動(dòng)相比也更為復(fù)雜，其仿真如圖2所示。鳥群機(jī)動(dòng)中最常見的是Boid算法[5],應(yīng)用的3條原則為：分離、排列、聚合。機(jī)動(dòng)過程中必須避免飛行器間的碰撞,排列朝向集群機(jī)動(dòng)的方向,同時(shí)圍繞中心保持一個(gè)聚合的整體。

圖2 鳥群機(jī)動(dòng)算法仿真Fig.2 Simulation of bird swarm maneuver algorithm

高效的鳥群機(jī)動(dòng)陣型可以提高集群的作戰(zhàn)性能,基于Reynold[6]模型，美國空軍技術(shù)研究院設(shè)計(jì)了可以減少燃油消耗的機(jī)動(dòng)陣型。在碰撞率與空氣阻力間進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了集群中飛行器的精確定位,機(jī)動(dòng)過程中在飛行器間設(shè)置了緩沖區(qū)域,集群成員間通過速度與位置信息的交換保持隊(duì)形完成半自主的協(xié)同飛行。

(3)中繼

為了克服通信范圍的限制,美國空軍技術(shù)研究院提出了采用單獨(dú)的中繼飛行器與集群配合的方案,由中繼飛行器完成地面控制站與集群間的信息通信,使用移動(dòng)目標(biāo)搜索算法可以使機(jī)動(dòng)范圍擴(kuò)大110%。

(4)監(jiān)視

監(jiān)視機(jī)動(dòng)是目前集群協(xié)同與控制研究的另一個(gè)熱點(diǎn),在空中以一定的隊(duì)列對(duì)地面目標(biāo)分別進(jìn)行圖像采集,可以協(xié)作完成監(jiān)視任務(wù)。Boire等[7]提出的算法可以使集群飛行器按照相同的角度在同一條路徑中持續(xù)巡飛,并確保目標(biāo)一直維持在視場內(nèi),研究了風(fēng)速、集群數(shù)量對(duì)監(jiān)視效果的影響。

2 低成本集群方案設(shè)計(jì)

2.1 低成本集群系統(tǒng)組成

集群系統(tǒng)由地面無人車輛、無人機(jī)和地面控制站組成,其中每個(gè)集群單元自成一套系統(tǒng),包含自主飛控、通信、電池、推進(jìn)等功能。

低成本是集群系統(tǒng)的首要特點(diǎn),而選用成熟貨架產(chǎn)品可以在實(shí)現(xiàn)低成本的同時(shí)保證系統(tǒng)的可靠性。目前商用無人機(jī)發(fā)展迅速,為搭建集群系統(tǒng)提供了許多可供選擇的產(chǎn)品。

(1)飛控系統(tǒng)

自主飛控系統(tǒng)是飛行器的“大腦”,負(fù)責(zé)執(zhí)行控制指令,控制無人機(jī)的各個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)自主控制。隨著無人機(jī)控制技術(shù)的成熟,出現(xiàn)了許多實(shí)現(xiàn)飛控功能的商業(yè)產(chǎn)品,例如Pixhawk、ArduPilopMega等。借助貨架式成熟產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)飛行、環(huán)形盤旋等自主化的飛行方式。

(2)遙測系統(tǒng)

遙測系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)地面控制站與飛行器間的通信,遙測數(shù)據(jù)將集群單元的信息以無線的方式傳輸至控制站。同樣,商業(yè)化的遙測產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟,915MHz 3DR無線電可以在兩個(gè)相同節(jié)點(diǎn)號(hào)的終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,最大延遲時(shí)間為33ms。

(3)無人機(jī)

選用成熟開源的四旋翼無人機(jī)作為低成本研究的集群單元,包括GPS導(dǎo)航儀、速度控制器、電池、電機(jī)以及遙測模塊,均選用低成本貨架產(chǎn)品。相對(duì)固定翼無人機(jī),四旋翼飛行器擁有更好的機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性,且對(duì)空間的要求較低,適合開展相關(guān)的協(xié)同與控制研究。

(4)地面控制站

飛行過程中地面控制站實(shí)現(xiàn)操作者與集群間的交互,同時(shí)提供戰(zhàn)場態(tài)勢顯示的功能。Mission Planner與Droid Planner是眾多商業(yè)平臺(tái)中更適用于集群操作的,開源代碼為后續(xù)開發(fā)提供了接口。目前支持的操作包括：規(guī)劃路徑巡飛、定點(diǎn)繞飛、跟蹤等,使用者可以使用平板電腦在Google地圖上直接對(duì)飛行器進(jìn)行規(guī)劃操作。

2.2 集群體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

集群體系由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面控制站、無人機(jī)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航接收、駕駛儀等多類系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)體系架構(gòu)時(shí),使用DoDAF中SV-1與SV-4分別對(duì)體系架構(gòu)進(jìn)行描述,給出系統(tǒng)的組成、接口以及功能，如圖3所示。

圖3 低成本集群SV-1視圖Fig.3 SV-1 view of low cost swarm

集群采用領(lǐng)航協(xié)同模式,體系中包含一個(gè)地面控制站、領(lǐng)航無人機(jī)和跟航無人機(jī),每個(gè)無人機(jī)上安裝GPS定位接收機(jī),接收衛(wèi)星信號(hào)并將位置信息發(fā)送給自主駕駛儀。無人機(jī)與地面站間通過915MHz遙測設(shè)備進(jìn)行通信,通過地面平臺(tái)中的飛行應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)間的協(xié)同。飛行開始時(shí)操作者以手動(dòng)模式控制領(lǐng)航飛機(jī),當(dāng)啟動(dòng)協(xié)同飛行模式后,由自主駕駛儀接管飛行控制,操作者只需在地面控制平臺(tái)中設(shè)置航跡點(diǎn)、間距、控制方法以及協(xié)同模式,終端顯示通過互聯(lián)網(wǎng)加載地圖信息,為操作者提供規(guī)劃界面。

SV-4中給出了SV-1中所有節(jié)點(diǎn)的分級(jí)功能描述,包括無人機(jī)節(jié)點(diǎn)、地面控制站節(jié)點(diǎn)以及協(xié)同任務(wù)規(guī)劃節(jié)點(diǎn)。無人機(jī)節(jié)點(diǎn)完成導(dǎo)航和通信功能,導(dǎo)航功能獲取自身位置，更新巡航點(diǎn)，給定繞飛中心；通信功能完成GPS信號(hào)、飛行指令的接收,發(fā)送遙測數(shù)據(jù),記錄飛行數(shù)據(jù)。地面控制站可以完成蜂群飛行、定點(diǎn)巡飛、參數(shù)設(shè)置以及飛行日志的功能,蜂群飛行功能將集群中的跟飛無人機(jī)與領(lǐng)航無人機(jī)連接,設(shè)置它們與領(lǐng)航無人機(jī)間的相對(duì)位置即可實(shí)現(xiàn)集群飛行；定點(diǎn)巡飛通過Google地圖對(duì)巡飛路徑進(jìn)行設(shè)置、修改和查看；參數(shù)設(shè)置對(duì)繞飛半徑、巡航速度、遙測速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；飛行日志記錄無人機(jī)飛行過程中的導(dǎo)航信息,并提供事后回放的功能。

圖4給出了集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃功能視圖。領(lǐng)航無人機(jī)獲取經(jīng)緯度、方向和高度等導(dǎo)航信息,將其發(fā)送至跟航無人機(jī),并設(shè)置中斷周期；任務(wù)加載功能為無人機(jī)分配IP地址,將任務(wù)腳本中的對(duì)象與通信接口綁定,實(shí)現(xiàn)協(xié)同任務(wù)的分配；跟航無人機(jī)每個(gè)中斷周期內(nèi)接收領(lǐng)航無人機(jī)的導(dǎo)航信息,并計(jì)算位置偏差,根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行跟航飛行,導(dǎo)航位置更新后重新計(jì)算跟航目標(biāo)。協(xié)同任務(wù)執(zhí)行期間各無人機(jī)和地面站將按照中斷周期執(zhí)行,直至切換至手動(dòng)控制模式。

圖4 低成本集群SV-4視圖Fig.4 SV-4 view of low cost swarm

3 低成本集群協(xié)同與控制的因子實(shí)驗(yàn)

采用成熟貨架產(chǎn)品搭建的低成本集群基本可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的協(xié)同飛行任務(wù)功能,但整體的性能(如系統(tǒng)參數(shù)如何優(yōu)化)需要通過仿真與試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步分析。根據(jù)商業(yè)軟件提供的集群協(xié)同與控制模式建立基本任務(wù)模型,選擇不同的系統(tǒng)參數(shù)，例如中斷時(shí)間、遙測速率、航路半徑、巡航速度、指令周期等(見表1),進(jìn)行5因子2水平的全因子實(shí)驗(yàn),分析各參數(shù)對(duì)指令延遲和定位精度的影響程度。選擇不同水平的因子組成算例進(jìn)行仿真,通過Minitab開展了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

表1 系統(tǒng)參數(shù)及范圍

3.1 指令延遲

指令延遲Ty定義為領(lǐng)航無人機(jī)起飛時(shí)間T0

與跟航無人機(jī)動(dòng)作時(shí)間T1的差值,取仿真中領(lǐng)航機(jī)起飛至跟航機(jī)開始動(dòng)作間的時(shí)間,即Ty=T0-T1。

圖5給出了根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)輸出的立方圖,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)所有因子取-1水平時(shí)指令延遲的時(shí)間最小。各參數(shù)由小變大的過程中,中斷周期變化引起的指令延遲變化最大,指令周期的影響其次。最優(yōu)延遲下,中斷時(shí)間500ms、遙測速率3Hz、航路半徑0.25m、巡航速度1m/s、指令周期33ms,延遲時(shí)間為0.22s。

圖5 指令延遲性能的立方圖Fig.5 Cubic diagram of instruction delay performance

3.2 定位精度

定位精度Ed指真實(shí)定位與理論定位間的偏差,仿真中取穩(wěn)定飛行段領(lǐng)航無人機(jī)與跟航無人機(jī)間距離Dd與設(shè)定距離Dset的差值,即Ed=Dd-Dset。

根據(jù)圖6的立方圖結(jié)果,定位精度受巡航速度變化的影響最大,尤其是在路航半徑較大時(shí),當(dāng)中斷時(shí)間為5000ms、遙測速率3Hz、航路半徑5m、巡航速度1m/s、指令周期33ms時(shí),定位精度最高,可以達(dá)到3.02m。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,商用集群算法中巡航速度越快定位精度越高,較低速度時(shí)無法實(shí)現(xiàn)一定的定位精度,將無法實(shí)現(xiàn)緊密的編隊(duì)飛行。

圖6 定位精度性能的立方圖Fig.6 Cubic diagram of positioning accuracy performance

4 集群打擊應(yīng)用模式分析

根據(jù)對(duì)低成本集群系統(tǒng)的建模與仿真結(jié)果,對(duì)未來可能的應(yīng)用模式進(jìn)行分析,探討低成本集群技術(shù)在緊密編隊(duì)飛行、信息共享以及目標(biāo)追蹤中應(yīng)用的可行性。

4.1 緊密編隊(duì)飛行

通過集群協(xié)同與控制算法,使得緊密編隊(duì)飛行成為可能。精確的飛行定位對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的延遲時(shí)間有著嚴(yán)格要求,緊密編隊(duì)飛行中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)延遲超差都有可能導(dǎo)致整個(gè)集群出現(xiàn)碰撞。根據(jù)仿真結(jié)果,緊密飛行中系統(tǒng)響應(yīng)至少需要10Hz[8]；而根據(jù)低成本貨架產(chǎn)品搭建的系統(tǒng)響應(yīng)延遲時(shí)間至少也要0.2s,過大的響應(yīng)延遲在任何形式的緊密飛行都存在一定風(fēng)險(xiǎn)。只有減少延遲,建立飛行器間的直接通信及處理通路,才有可能實(shí)現(xiàn)低成本的緊密編隊(duì)飛行。

4.2 信息共享

雖然低成本集群的響應(yīng)延遲較大,但在需要信息共享的任務(wù)中,延遲并不會(huì)影響主任務(wù)的執(zhí)行。當(dāng)集群中的一個(gè)單元發(fā)現(xiàn)攻擊目標(biāo)時(shí),低成本集群中所建立的通信鏈路也可以實(shí)現(xiàn)將目標(biāo)信息在集群單元、集群與地面控制站之間的共享,通過協(xié)同控制完成對(duì)目標(biāo)的搜索與打擊。

4.3 目標(biāo)追蹤

目標(biāo)追蹤是軍事任務(wù)中常用的功能之一,單一飛行器進(jìn)行目標(biāo)追蹤時(shí),相機(jī)故障與目標(biāo)遮擋等問題對(duì)追蹤效果產(chǎn)生了直接影響。通過集群飛行器執(zhí)行目標(biāo)追蹤任務(wù)將大大提高追蹤成功率,為精確打擊提供重要的目標(biāo)信息。建立無人機(jī)監(jiān)視視場模型,圖7為無人機(jī)監(jiān)視視場模型側(cè)向示意圖,θel代表相機(jī)俯仰角度,選用30°視場角、1024×768像素的高清相機(jī),高度為100m時(shí),按照0.16m最低像素要求[7],可計(jì)算相機(jī)傾角的θel為30.12°,視場軸向范圍為179.1m。

圖7 無人機(jī)監(jiān)視視場模型側(cè)向示意圖Fig.7 Lateral view of UAV surveillance field model

圖8為雙機(jī)監(jiān)視視場模型俯視示意圖。假設(shè)地面車輛的速度為6m/s,采用兩架無人機(jī)并排構(gòu)成監(jiān)視視場,被監(jiān)視車輛起始位置在視場的中心,計(jì)算目標(biāo)縱向逃離時(shí)間為14.92s,橫向逃離時(shí)間為18.14s,根據(jù)低成本集群中指令延遲的最長時(shí)間13.13s,定位精度最大偏差為7.8m,逃離時(shí)間均大于延遲,可以完成目標(biāo)追蹤任務(wù)。

圖8 雙機(jī)監(jiān)視視場模型俯視示意圖Fig.8 Top View of dual-camera surveillance field

5 結(jié)論

無人集群系統(tǒng)被美軍視為改變未來戰(zhàn)爭游戲規(guī)則的顛覆性技術(shù),在國防預(yù)算受限的背景下,無法通過高端裝備大規(guī)模地更新?lián)Q代,而通過集群實(shí)現(xiàn)更低成本、更高效能的潛力,可以實(shí)現(xiàn)美國在第三次抵消戰(zhàn)略中期望的突破。

本文基于成熟貨架產(chǎn)品,開展了低成本集群系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建,對(duì)系統(tǒng)性能及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與結(jié)果統(tǒng)計(jì),并分析了低成本集群在軍事任務(wù)中的應(yīng)用模式,探討了基于低成本實(shí)現(xiàn)集群打擊任務(wù)的可行性。根據(jù)仿真結(jié)果,由于低成本集群中延遲時(shí)間過大,無法滿足緊密編隊(duì)飛行的要求,但其性能可以滿足信息共享與目標(biāo)追蹤兩項(xiàng)任務(wù)的要求,具備一定應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)研究中,可以搭建真實(shí)的無人機(jī)集群系統(tǒng),開展飛行試驗(yàn)，進(jìn)一步研究低成本集群系統(tǒng)的性能與應(yīng)用模式。