一种高动态飞行器集群编队与组网耦合控制方法

技术领域

本发明属于高动态飞行器集群控制技术领域，具体涉及一种高动态飞行器集群编队与组网管理耦合控制方法。

背景技术

飞行器集群作战已成为军事强国愈发关注的新型作战趋势，因此亟需增强复杂战场环境下高动态飞行集群的信息共享能力。当前研究主要集中在提高飞行器集群的动态编队协同能力，尤其复杂环境的适应能力和控制系统的鲁棒性。传统的编队控制方法主要将各类网络通信障碍考虑为控制系统干扰，譬如，通过精确的规划和预测以确保飞行器编队在通信受限的条件下仍维持一定的编队精度和稳定性。然而，网络通信作为编队控制的关键，仅将通信障碍作为编队控制系统的干扰的方式，导致对强鲁棒的控制器构造的和高精度的观测器设计的高度依赖，进而造成系统复杂性上升并增加特定条件下的故障风险。因此，目前对高动态状态变化和通信拓扑灵活调整能力的综合控制设计仍存在不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种高动态飞行器集群编队与组网耦合控制方法，解决了现有高动态飞行器集群编队变化和通信拓扑灵活调整能力不足的技术问题，本发明能够保障高动态飞行集群高质量通信和灵活变换编队构型，提升了整个飞行器集群在作战需求多变条件下的适应能力。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种高动态飞行器集群编队与组网耦合控制方法，为一种综合考虑了编队控制算法与通信路由策略紧密耦合的控制系统方案，旨在提升复杂环境下飞行器之间的灵活变换与协同能力，实现综合考虑任务需求和通信效能的飞行编队阵位灵活调整能力。本发明提出的控制框架包括：基于任务需求的预设编队阵位选择、飞行轨迹与网络路由的变化预测、通信网络拓扑的动态调整、通信效能的实时评估、基于通信效能评估结果的期望编队灵活调整以及飞行器编队的协同控制。这些步骤共同工作，确保了飞行器集群在复杂环境下的快速编队和高质量通信能力，有助于提升飞行器集群的任务执行效能。

一种高动态飞行器集群编队与组网耦合控制方法，包括：

S1根据下一任务Ti的类型，确定初始的期望编队阵位；

S2控制各飞行器到达期望编队阵位中的各节点位置，并同时进行通信路由结构的重构；

S3对步骤S2形成的编队阵位的通信效能进行评估，判断评估结果是否满足任务T

当满足时利用当前编队阵位执行任务T

不满足时基于任务T

进一步的，确定初始的期望编队阵位包括确定阵位形状、该形状的相关尺寸参数以及各节点之间的间隔，对于圆形，相关尺寸参数为直径，对于楔形，相关尺寸参数为楔形角度和边长，对于一字型，相关尺寸参数为一字型的长度。

各形状的相关尺寸参数以及各节点之间的间隔根据预先给定的通信效能值确定，预先给定的通信效能值可以根据经验确定，本发明中优选0.6。

进一步的，从预设的多个编队阵位中选择符合任务Ti需求的期望编队阵位，预设的多个编队阵位的形状包括一字型、楔形和圆形；

当任务T

当任务T

当任务T

预设的多个编队阵位可按照需求进行设计。

进一步的，步骤S2中，进行通信路由结构的重构的方法包括：

S2.1根据各飞行器当前时刻的状态信息以及期望编队阵位，预测各飞行器下一时刻的状态信息；

S2.2对于任意飞行器F

S2.3根据所预测的多个飞行器状态变化信息判断多个飞行器与飞行器F

当多个飞行器中的某一飞行器与飞行器F

当多个飞行器中的某一飞行器与飞行器F

当针对端节点，即仅存在一条通信链路或仅与单一节点相连的节点，进行效能评估时，在效能更优的链路形成前，保持低于第一预设阈值的链路连接。

进一步的，飞行器的状态信息包括飞行器的位置、速度、加速度或姿态。

进一步的，步骤S3中，对编队阵位的通信效能进行评估的方法包括：

对编队阵位中所有节点之间各条链路的通信效能进行加权求和，得到编队阵位的整体通信效能；

将编队阵位的整体通信效能与第二预设阈值(优选0.7)进行比较，当整体通信效能大于等于第二预设阈值时，满足任务T

进一步的，用于表征通信效能的指标包括丢包率、延迟、传输距离、邻居节点数量和信噪比。

进一步的，根据如下方法判断是否满足飞行阵位完整度要求：

构建飞行阵位完整度S公式如下：

D

其中，n为编队飞行器总数，x

S越接近1，表明编队的飞行阵位完整度越高；反之，则飞行阵位完整度越低；

当S大于等于预设阈值时，当前编队阵位满足飞行阵位完整度要求。本发明优选的预设编队偏差常数为0.3千米，阵位完整度阈值为0.55。即在保持编队阵位完整程度S≥0.55时，以整体通信效能Q

步骤S1中确定初始的期望编队阵位，作为实际操作中飞行器编队的基准形态，在当前阵位与该期望编队阵位完全重合时，其完整度阈值S为1。

进一步的，步骤S3中，对编队阵位中所有节点之间各条链路的通信效能进行加权求和，得到编队阵位的整体通信效能，具体方法包括：

获取各条链路的通信效能Q

Q

其中Q

α

通过Sigmoid函数对Q

根据各条链路的归一化通信效能Q得到编队阵位的整体通信效能Q

其中，n为编队飞行器总数，m为飞行器j所具备的链路总数，

进一步的，步骤S3中，调整当前期望编队阵位中各节点的相对距离和相对夹角时节点间相对夹角越小，相对距离越近通信质量越高。

进一步的，步骤S3中，调整当前期望编队阵位中各节点的相对距离和相对夹角，得到新的期望编队阵位的方法包括：

假设所有节点的高度一致；全局坐标系下，飞行器i到飞行器j的相对距离以及相对夹角为h

调整后飞行器i与飞行器j的相对距离

调节参数β

调整后飞行器i与飞行器j的期望编队相对位置为：

调整调节参数β

进一步的，还包括：

在步骤S2结束时，判断各飞行器是否形成期望编队阵位，如果已形成则执行下一步骤，否则重复执行步骤S2；

还包括：

每间隔预设时间间隔，根据作战环境和作战指令判断作战任务是否需要改变，当不需要改变时，循环执行步骤S2～S3以维持当前编队阵位，当需要改变时，返回步骤S1。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明创造性的提出一种高动态飞行器集群编队与组网耦合控制方法，在编队控制方法中综合考虑了任务需求和通信性能，提升了整个飞行器集群在执行多变任务时的作战能力；

(2)本发明建立了高效的网络维护结构，凭借主动式的网络管理策略提高了网络的适应性和鲁棒性；基于编队节点的运动状态预测了通信网络拓扑变化，以及在必要时主动断开和建立链路，调整网络拓扑结构，确保了飞行器集群的高效通信链路；

(3)本发明通过实时通信延迟、丢包率和传输距离等关键指标评估集群的通信效能，并将参数引入到期望的编队阵位中；

(4)本发明提出了在高动态飞行条件下编队与通信耦合控制，进一步提高了编队控制的精度和响应速度。

附图说明

图1为本发明飞行器编队与组网耦合控制流程图；

图2为本发明初始的期望编队阵位选择过程示意图；

图3为本发明通信范围与节点相对夹角距离示意图；

图4为本发明基于阵位预测的网络预测示意图；

图5为本发明基于通信效能评估的编队阵位调整变化示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

为了进一步应对飞行器集群的高动态变化，本发明方法通过对编队构型控制算法和通信路由策略的协同设计，提高通信效率与稳定性，提升编队构型的灵活性和适应能力，保障飞行编队的信息共享能力。

本发明一种高动态飞行器集群编队控制与组网耦合控制方法，综合考虑了编队控制算法与通信路由策略紧密耦合的控制系统方案。本发明中，飞行编队的构型和通信系统不再是相互独立的模块，通信网络的布局和性能被提升为编队控制的内在组成部分，实现了在复杂作战环境下飞行器之间的灵活调整与协同，提高了通讯质量与集群效能。相较于传统方法，本发明在满足飞行任务需求的前提下，极大地增强了飞行器集群在多样化任务执行中的适应性和作战效率。

本发明包括以下步骤：

步骤1：根据作战指令对飞行任务进行判断，确定下一个执行的作战任务，如侦查、打击或掩护，从预设的编队阵位中选择符合任务需求的阵位作为初始的期望编队阵位。

步骤2：基于编队与组网质量影响表征关系，对编队节点间的相对距离和夹角进行微调(具体的说，通信效能低时，微调飞行器之间的相对位置，即期望夹角变小，相对距离变短)，初始的期望编队阵位将作为实际作战环境下的飞行编队基准。该步骤中，在满足任务飞行阵位完整度的基础上，以任务通信效能需求为优化目标调整节点间相对位置，即主动与初始的期望编队阵位产生少量偏差以提高整体通信效能；

步骤3：基于当前阵位与期望编队阵位的差距，实施相应的飞控指令，调整各飞行器到达新的期望位置，并维持节点间的相对位置；

同时，基于当前位置和未来期望编队阵位等信息，利用卡尔曼滤波器预测编队阵位的变化趋势，以及这些变化对通信网络路由的影响，从而提前做好调整策略的准备；根据预测和当前通信状态，动态调整网络的路由拓扑。通过建立或断开链路，重构通信路由结构优化通信效率，增强网络的适应性和稳定性。

在网络拓扑调整的同时，编队阵型也逐渐变化为期望阵型，在这一步骤，需要检查飞行编队是否达成期望阵型。如果未达成期望阵型则返回循环执行该步骤；若已达成期望阵型则继续进行下一步骤。

步骤4：综合分析各节点间通信的效能指标，如丢包率和延迟等，对每条链路及整个网络的通信效能进行评估。

步骤5：根据通信效能的评估结果，决定是否需要调整编队阵位。如果通信效能低于第二预设阈值，需要转到步骤6进行编队调整；

步骤6：根据编队的通信效能评估以及对群间通信的实时监测和分析，调整期望编队阵位中节点之间的相对距离和相对夹角，以改善通信质量并适应任务需求。

步骤7：根据当前的作战环境和指挥部的新指令，判断飞行任务是否需要改变。如果任务需求保持不变，则循环执行步骤3至步骤6维持当前编队状态；若任务发生变更，则返回步骤1重新选择编队阵位，以匹配新的作战任务。

在一种具体的实施方式中，步骤3中的预测算法利用飞行器的位置、速度、加速度、姿态等状态信息，以及期望编队阵位，提前预测未来可能发生的通信网络变化，并为此变化做出实时的通信路由调整。

在一种具体的实施方式中，步骤3中，根据编队阵位的变化趋势，预测各节点间的通信链路的质量变化，如链路的信噪比、延迟和丢包率等；根据通信链路的质量变化，判断是否需要建立或断开某些链路，以优化网络的拓扑结构；如果需要建立或断开某些链路，发送相应的控制信号，使得相应的节点执行相应的操作，如打开或关闭路由通信端口等；如果不需要建立或断开某些链路，维持当前的网络拓扑结构，继续监测通信链路的质量变化。

在一种具体的实施方式中，步骤6中，根据通信效能的评估结果，确定需要调整的编队节点，以及调整的方向和幅度；根据调整的方向和幅度，计算出新的期望编队阵位中节点之间的相对距离和角度；将新的期望编队阵位中节点之间的相对距离和角度，作为新的飞行编队基准，返回步骤3继续执行。

通过这一系列的步骤，该方法能够确保飞行器集群在高动态的作战环境中，实现编队构型的快速调整与网络通信的高效协同，从而提升整个集群的作战能力。

实施例：

如图1所示：

为攻克高动态飞行运动轨迹在时空协同上的强约束、自组织网络拓扑动态强时变等难点，保障高动态飞行集群高质量通信和灵活变换编队构型的能力，本发明提出了一种适用于高动态飞行器集群的编队与组网耦合控制方法。

具体所述方法包括如下步骤：

S1：首先根据接收到的作战指令对即将执行的飞行任务类型进行判断和分类，诸如侦查、打击或掩护等，确定集群系统所需执行的具体任务类型，从预设的多种飞行器阵位中选取与当前任务条件对应的编队阵位，得到初始的期望编队阵位，而初始的期望编队阵位将作为实际操作中飞行器编队的基准形态。

S2：进一步根据编队节点之间的通信质量和编队构型的相互影响关系，在满足任务飞行阵位完整度的基础上，以任务通信效能需求为优化目标对编队各节点的相对距离和角度进行精确微调，得到最优阵位。

一个由n架飞行器组成的飞行编队阵位完整度S公式如下：

D

其中，飞行器k当前的飞行平面位置表示为x

步骤S1至S2的具体例子如图2所示，飞行器集群收到新的作战指令，将飞行任务从侦查探测转换为打击任务。这要求集群系统需要转变其执行策略以适应新的任务要求。根据新的作战指令，分析当前的一字型编队不适合打击任务的需求，需要更紧凑的编队以便于集中火力和提升相互保护，决定从预设阵位中选择更适合打击任务的楔形编队。而本发明针对的飞行器通信范围如图3所示，飞行器i向横向两侧发射夹角为θ

具体的，当前编队节点间的通信质量和编队整体的通信质量按照如下方法分析：

Q

其中Q

此外，本发明通过Sigmoid函数对Q

这样设计后，当Q

以上介绍了单一链条的通信效能公式，一个编队中包含了许多链路，为了对飞行编队的整体通信效能进行评估，本发明设计了整体通讯效能Q

其中n为编队飞行器总数，m为飞行器j所具备的链路总数，

在传统的领航者-跟随者编队控制算法中，各飞行器之间的相对距离可以用X

X

Y

E

其中γ

其中Q

综上所诉，根据飞行器间的通讯效能评估参数Q，期望的编队阵位将发生部分变化，即通过调整节点间的相对距离和夹角，在阵位的完整度和编队通信效能之间达到平衡。

接着图1中的流程，执行以下步骤：

S3：以优化后的编队阵位为目标，发出飞控指令，引导各飞行器调整至新的位置以形成或改变编队结构，满足不断变化的作战需求。

基于飞行器当前位置和期望的未来阵位信息，利用预测算法，预测编队构型的变化趋势及其对通信网络的影响，为接下来的通信网络调整策略做准备。

结合预测结果和现行的通信状况，动态优化网络路由拓扑。通过智能化控制链路的建立或断开，重构通信网络结构，以提升通信效率及网络的自适应性和稳定性。

本实例中，飞行器集群正在从一字型编队转换到楔形编队以适应从侦查探测任务向打击任务的转变。集群由六个飞行器组成如图4所示，分别标记为节点1至节点6。

在K时刻，也就是作战任务发生改变，编队控制系统刚收到期望的编队阵位的最初时刻，编队保持一字型，各节点间的通信链路稳定。此时，飞行器正在按照原定轨迹飞行，且通信系统运行正常。

进入到K+1时刻，虽然网络拓扑尚未发生变化，但飞行器已经开始逐步调整队形以向楔形编队过渡。编队控制系统开始对各节点的相对距离和角度进行调整。

到了K+2时刻，随着队形的进一步变化，飞行器之间的相对角度增大，导致节点3与4、节点4与5之间的通信链路因角度增大，通信效能低于第一预设阈值而主动断开链接。同时，编队控制系统动态调整通信网络，使节点2与4、节点4与6之间建立起新的通信链路，以维护整个集群的通信连续性。

最终，在K+3时刻，编队成功变换为期望的楔形队形。在这一新队形中，节点1与4之间建立起新的链路，此时编队形成了更适合打击任务的结构，也优化了通信拓扑，各节点间可以高效地共享信息。

S4：随着网络拓扑结构的动态调整，编队队形也在逐步过渡到预定的楔形阵型。在这个关键阶段，必须对编队的队形进行核查，以确认是否已成功转变为期望编队阵位。如果编队尚未形成期望编队阵位，则必须重新回到S3，直到队形调整成功；一旦编队成功地达到了期望的队形，则流程将进入S6继续执行后续操作。

S5：通过评估通信网络的关键指标，包括但不限于丢包率、延迟、信噪比等，对网络中每个节点及链路的通信效率进行全面分析评估。S2中是基于假设，模拟计算出来的理想效能，这里S6是实时飞行过程中测量计算出来的真实效能。

S6：基于S6中的通信效能评估结果，判断当前编队阵位是否需要进行调整。若通信效能未达到预定的第二预设阈值，则对编队结构进行调整；如通信质量满足要求，则保持现状。

如图5所示，飞行器编队在N时刻成功地形成了期望楔形编队，并且通信路由也得到了优化，后续的实时监测却揭示了通信效能未达到最佳任务需求水平。这可能是由飞行环境的复杂性、电磁干扰或设备性能的局限性等多种因素导致的。通过数据链设备对每个节点间以及整个网络的通信质量进行了实时测量和评估。分析了包括信号丢包率、延迟和信噪比在内的多个关键通信指标，结果发现通信效能未能达到期望标准。因此，在N+1时刻，根据通信效能评估结果，编队控制系统做出了调整。对期望楔形队形内的节点进行了位置和角度的微调，旨在通过减小节点间的相对角度来增强信号强度和质量。虽然这些调整使得通信效能有所提升，但是评估显示这些变化仍然未能满足执行任务所需的通信标准。到了N+2时刻，控制系统继续减小节点间的夹角，并进行了进一步的队形调整。这些调整保持了楔形的基本队形，即满足阵位完整度阈值要求，同时进一步提升了通信质量，最终在基于任务需求的阵位约束下达到了通信效能最优阵位。

S7：根据指挥中心的最新指令以及评估当前作战环境，确定是否需要变更飞行任务。如果任务要求保持不变，继续循环执行步骤S3至步骤S7以维持编队状态；若任务有所变动，则返回S1重新进行编队构型的选择和调整，以适应新的作战任务要求。

本实施方式通过上述步骤，能够确保飞行器集群在多变的作战环境中，迅速适应并实现编队与通信网络的高效协同，显著提升集群的作战效能和执行复杂任务的能力。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。