前言
飛行器叢集具有高韌性、低成本、組織靈活的優勢，叢集協同控制技術是飛行器由單平台獨立作戰轉向叢集協同作戰的關鍵技術，支撐飛行器體系化、智能化、實戰化發展，在協同探測、協同幹擾、協同打擊等多種任務中全面提升飛行器叢集作戰效能。
航天技術發展至今，飛行器在氣動、動力、控制等多個領域遇到技術瓶頸，飛行器個體能力難以無限提升。
同時，面臨複雜戰場環境、高動态戰場态勢、不确定對抗政策等挑戰;飛行器叢集作為颠覆性作戰樣式，飛行器協同技術在近十年中成為研究熱點。
通過協同技術賦能，多飛行器呈現出“1+1＞2”的效果，既可提高綜合效能，又能夠降低成本，叢集協同控制系統性能的優劣将直接影響整個叢集的作戰能力。
一、飛行器協同實戰運用
2019年葉門胡塞武裝使用10架無人機重創沙特石油加工設施，2020年納卡沖突中阿塞拜疆使用大量無人機摧毀亞美尼亞上百個地面目标，以上作戰樣式已初現叢集協同雛形。
2022年俄烏沖突期間，俄羅斯國防部公布其“棱堡”和“舞會”兩型岸艦飛彈系統及“口徑”巡航飛彈的實戰視訊。這些飛彈明确具備了協同能力，展現了俄羅斯飛行器叢集協同技術研究成果和實戰應用能力。
“棱堡”系統包含4輛發射車及配套作戰指揮、後勤保障、運輸裝填車輛，配備P-800“缟瑪瑙”超音速反艦飛彈，P-800為P-700“花崗岩”反艦飛彈的改進型。
根據“花崗岩”飛彈已知的協同能力，可推測“缟瑪瑙”飛彈同樣具備網絡化傳感目标資訊擷取能力，可實作高彈道領彈搭配低彈道從彈協同作戰。“花崗岩”飛彈協同作戰示意圖如圖1所示。
圖1“花崗岩”飛彈協同作戰示意圖
“舞會”系統包含4輛發射車及配套的指揮控制、裝填、通信車輛，配備Kh-35“天王星”反艦飛彈，每輛發射車齊射8枚，一套系統可齊射32枚，可實施編隊制導飽和攻擊。“舞會”系統發射“天王星”飛彈如圖2所示。
圖2“舞會”系統發射“天王星”飛彈
“口徑”巡航飛彈可進行8枚齊射，具備飛行中資訊交換能力，每枚飛彈探測到目标後均可與其他飛彈共享資訊;如果一枚飛彈被擊落，其餘飛彈能夠據此改變目标及航迹。
飛行最高馬赫數可達3以上，具備強大的突防能力和高命中率。在俄烏沖突中，“口徑”飛彈與“棱堡”系統和“舞會”系統進行了協同作戰。“口徑”巡航飛彈如圖3所示。
圖3“口徑”巡航飛彈
對地協同制導武器體系項目對地協同制導武器體系由雷神公司于2014年對外釋出，是雷神公司将其小型空射誘餌彈、高速反輻射飛彈和聯合防區外武器組合而成的協同作戰體系。
每架次運輸機或轟炸機可挂載上百枚小型空射誘餌彈，進而開展飽和式蜂群攻擊;而高速反輻射飛彈和聯合防區外武器的加入則可對敵防空系統實施空射叢集壓制和摧毀。該項目示意圖如圖4所示。
圖4對地協同制導武器體系項目作戰示意圖
拒止環境協同作戰項目拒止環境協同作戰項目由美國國防部預先研究計劃局于2014年4月發起。
該項目主要任務是發展先進協同算法和軟體，探索分布式空戰無人機的自主協同技術，使無人機蜂群可在單名任務指揮官的管理下協作完成搜尋、跟蹤、識别和攻擊等任務，其作戰示意圖如圖5所示。
圖5 CODE項目作戰示意圖
當兩架無人機共同執行任務時，若第一架無人機遇到突發障礙，兩架無人機将協同決策确定各自新的行動方案。
“小精靈”項目由DARPA于2015年提出，研制對象是品質約320kg，最大速度不小于Ma0.8的空中投放與回收無人機。其主要功能是從敵防區外發射，突防一定距離後與其他“小精靈”或F-35戰鬥機通信協同，并以蜂群方式對目标進行探測或幹擾。
該項目功能和試飛情況如圖6所示。
圖6 Gremlins項目作戰示意圖
低成本無人機叢集技術項目低成本無人機叢集技術項目由美海軍研究辦公室于2015年4月公布，研制對象是品質約6.3kg的快速發射小型無人機。
其主要功能是攜帶光電紅外傳感器，通過自适應組網及自主協同技術組成叢集，執行監視、護航和攻擊面目标任務。該項目飛行試驗如圖7所示。
圖7 LOCUST項目飛行試驗圖
進攻性蜂群使能戰術項目進攻性蜂群使能戰術項目由DAＲPA于2016年12月發起。台小型空中、地面無人裝置組成叢集，完成城市作戰環境下的各類複雜任務。
項目拟通過吸納和內建最新的叢集自主和有人/無人協同技術，攻克包括叢集規模、單體/群體複雜性、叢集異構性、有人/無人互動在内的多方面難題，進而釋放蜂群的巨大作戰潛力。
該項目基于蜂群系統試驗平台完成了對蜂群傳感器、蜂群應用技術、蜂群通信方法、蜂群操縱機制等的試驗，如圖8所示。
圖8OFFSET項目試驗圖
“金帳汗國”項目由美國空軍于2019年3月提出。
該項目主要内容是将傳統智能炸彈與蜂群自主協同作戰理念融合，使GBU-39雷射制導小直徑炸彈、AGM-158聯合空對地防區外炸彈、ADM-160微型空射誘餌等現有小直徑制導武器在發射後進行協同規劃打擊，實作機載武器自主發射脫離、自主規劃航迹、自主攻擊等目标。該項目示範情況如圖9所示。
圖9GoldenHorde項目飛行示範
俄羅斯在俄烏沖突中使用的三種協同作戰飛彈武器展現了初步協同功能，已具備彈間資訊互動這一多飛行器協同技術的标志性特征，這是叢集協同控制技術在實戰中的具體展現。
同時，上述多項先進飛行器協同項目在探測體制、通信條件、航迹規劃、任務配置設定、異構叢集、指揮決策等方面進行了深入的研究與驗證，飛行器叢集會向更強協同能力發展。
二、飛行器叢集協同控制主要科學問題
分布式平台多域協同自主感覺與幹擾對抗問題對抗環境具有狀态不确定性和極強時間限制性，通過時域、頻域、能力域、資訊域等分布式平台多域探測資源的自主協同、深度融合，實作複雜多變戰場環境下對目标的可靠檢測、準确識别與穩定跟蹤。
動态博弈條件下多限制強耦合群智決策問題飛行器基于态勢變化，結合探測、制導、通信、對抗等複雜多樣的強耦合限制條件，實時進行飛行器分簇編隊、對抗政策生成、載荷資源排程等線上決策，實作飛行器群體的協同效能最大化。
叢集感覺、決策、制導控制一體化系統穩定性問題綜合考慮态勢變化情況、本體控制能力、群體協同狀态、有效探測等因素，實時進行感覺、決策控制的一體化抽象化模組化、設計層間與層内資訊流互動與優化體系架構，實作分層叢集系統的感覺決策控制一體化。
對抗環境下協同資訊可靠安全精準傳輸問題在大動态、低信噪比條件下，飛行器叢集網絡節點采用無中心自組網，通過協同感覺複雜電磁環境，自主生成、優化政策，實作飛行器内自主資訊和飛行器間協同資訊可靠、實時、安全、精準的傳輸與共享。
虛實結合大規模叢集仿真驗證與評估問題為滿足多飛行器分布式并行實時仿真需求，建構虛實結合的大規模叢集仿真系統，進行內建仿真驗證與評估。
叢集仿真系統軟硬體裝置衆多，虛拟節點與實物節點互動并存，試驗對時空一緻性要求高;叢集作戰任務、效能等難以量化，導緻評估方法準則名額難以建立。
三、飛行器叢集自主要制體系架構
為了應對決策中心戰的颠覆性作戰模式以及嚴密的飛彈防禦系統，飛行器系統的研制和運用也需采取對應的措施和手段。
多飛行器協同體系中各分系統如何工作并實作協同，是多飛行協同作戰系統在設計時需要考慮的核心問題。本文提出一種适用于飛行器叢集作戰的體系架構，可以有效組織異構/同構飛行器叢集，在複雜對抗态勢下自主決策、靈活應對、彈性重構、動态排程叢集資源，實作作戰任務。
飛行器叢集作戰體系中的主要特點是“功能可定義、戰法可演進”，和傳統飛行器研制相比，主要轉變為:從實體域的作戰能力擴充到資訊域的協同能力、認知域的決策能力，實作實體域、資訊域、認知域的三域融合，涉及單體運動層、多體協同層和任務決策層等三個層面。
圖10飛行器叢集自主要制體系架構圖
單體運動層結合軟體定義的方式實作“功能可定義”，飛行器在硬體上可配置不同功能的載荷，在作戰任務中承擔不同的角色，分别用于體系中的感覺、通信、決策、打擊等節點。
控制系統作為飛彈武器系統的中樞，除了傳統的導航、制導、姿控外，要具有實時軌迹規劃和協同控制等能力。
主要功能包括考慮資訊感覺資源、資訊處理資源和執行資源的軟體硬體分層和系統資源共享管理功能;綜合考慮飛行器本體、環境、戰場态勢等資訊的感覺功能;資訊融合/線上學習與任務生成等資訊處理功能，指令生成與執行功能。
多體協同将多飛行器融合成一個資訊共享、功能互補、戰術協同的作戰群體，利用多源探測資訊提升對态勢的感覺與認知，利用群體優勢對敵方目标進行多層次、全方位打擊，實作突防能力整體提升。
主要功能包括基于多傳感器多平台的協同探測、廣域協同目辨別别、本體及目标的協同定位等協同感覺功能，協同組網等通信保障功能，協同突防、協同抗幹擾、協同打擊、協同軌迹規劃等戰術決策功能。
體系對抗模式下，飛行器叢集根據博弈對抗态勢的變化，在實戰中擷取資訊利用資訊，實時動态地進行任務決策，調整自身的任務。
作戰任務決策層考慮作戰規則、作戰模式在目前實戰态勢下進行任務規劃，然後由飛行器自主執行。
主要功能包括基于資訊支援系統的目标跟蹤、目标判斷、目辨別别等戰場感覺功能，基于戰場态勢的資訊融合處理和作戰态勢評估功能，基于作戰規則、作戰經驗的指揮控制功能。
未來飛行器叢集對實體域、資訊域、認知域的融合需求更高，需要在控制系統架構和關鍵技術等方面進行研究和突破。
飛行器叢集協同控制技術體系主要包括射前協同任務規劃、協同探測和抗幹擾、線上态勢認知、線上協同決策與規劃、協同制導控制、組網通信、智能計算、協同效能評估等。
飛行器射前協同任務規劃主要包括射前任務配置設定和射前航迹規劃，可基于任務模型、目标模型、飛行器能力模型、環境模型等限制，采用啟發式優化、深度強化學習等方法求解，滿足飛行器叢集快速響應多類型任務的需求，提升其環境适應能力、協同能力。
目前飛行器探測領域已具備人工智能識别能力和多傳感器資料融合能力，可支撐飛行器叢集進行協同探測，擷取準确目标态勢等資訊，并進行抗幹擾設計。
協同探測是指多飛行器利用目前飛行方位以及搭載的不同探測載荷，對同一目标進行探測，并對所得資料、資訊進行融合自動分析，進而提高探測機率。
協同抗幹擾是指綜合利用不同體制的抗幹擾手段，在多個次元上進行博弈，進而克服單體制抗幹擾的不足，成功抵制複雜幹擾。
叢集中各飛行器可以通過各類傳感器和群内資訊網絡獲知自身狀态、友鄰成員狀态、環境資訊、來襲威脅資訊、融合後的準确目标資訊等多種資訊。
飛行器叢集可基于離線學習或射前直接注入獲得作戰規則、作戰經驗，将各類資訊進行綜合處理，形成對戰場态勢的統一認知，進而為線上協同決策與規劃提供基礎。
線上協同決策與規劃是指叢集根據探測和态勢感覺結果，在目前限制條件下進行成員角色、任務、目标、航迹等的決策與規劃，并且随着态勢資訊的變化各飛行器可對決策規劃結果進行實時調節，主要包括目标線上配置設定、航迹線上規劃等功能。
協同制導控制主要包括協同導航、協同編隊控制、時空一緻性制導等，其中協同導航包含多節點導航資訊同步、自主相對導航、多源協同導航等;協同編隊控制包含編隊模式切換、編隊保持、編隊拆分與重構等;時空一緻性制導包含時間、方位等多種限制條件下的協同制導。
組網通信是飛行器協同作戰的保障，多飛行器可通過資訊網絡傳遞和交換目标資訊、環境資訊和協同資訊，還可以接入指控中心，實作叢集統一指控和資訊回傳。
對抗環境下要求通信網絡具有隐蔽性能好、響應速度快、抗幹擾能力強等特點。目前協同通信水準可支援飛行器自組織組網和資訊高速互動，組成集中式或分布式叢集。
面向飛行器叢集協同控制智能算法高密度計算及嵌入式環境應用需求，智能計算支撐神經網絡在有限計算資源條件下的實時處理。
目前智能計算領域已能夠實作深度學習算法輕量化設計、驗證、部署以及專用計算架構設計等，可保障飛行器實作協同資訊融合、協同認知、協同線上決策規劃等複雜運算。
飛行器協同效能評估需要建立飛行器叢集、目标、環境、攔截威脅等數學模型，開展協同作戰推演仿真，依據作戰設想、仿真結果，将定量定性方法結合、曆史戰例分析與現實資訊結合。
建立訓練樣本數量、模型訓練時間、算法泛化能力、工程可行性等多元度、階層化的名額體系，充分利用飛行器博弈對抗推演平台等工具進行評估，實作從體系對抗态勢、并行協同仿真到多飛行器協同效能評估的仿真驗證能力。
總結
飛行器叢集協同控制技術成為目前群體智能領域的前沿熱點，也是世界各國軍事發展戰略的制高點之一，備受關注。
由單飛行器控制到多飛行器協同控制的轉變将在協同感覺、協同決策、決策控制一體化、協同組網、仿真驗證等方面提出挑戰。
随着控制系統架構的重新定義，飛行器在實體域的作戰能力擴充為資訊域的協同能力、認知域的決策能力，将實作實體域、資訊域、認知域的三域融合，進而使飛行器叢集在複雜環境中的适應性和綜合效能全面提升。