考虑通信延迟的多飞行器分布式编队控制方法

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2026.05.005

摘要/Abstract

摘要：

针对多枚飞行器形成的编队系统构型控制问题，同时考虑对远距离目标的探测需求及系统通信延迟影响，提出了视线坐标系下的编队控制方法。基于典型作战任务场景，明确编队控制目标，梳理了探测构型约束；构建了编队系统跟踪控制数学模型，推导了系统各成员耦合形式的编队跟踪误差矢量；基于自适应滑模控制理论推导了系统编队控制律，其中采用滑模扰动观测器估计系统扰动以实现对控制律的补偿设计，并严格证明了算法的有限时间收敛特性；给出初始仿真参数，完成了满足探测约束的空间构型设计，并通过大量的数学仿真验证了所提控制方法的有效性。结果表明，所提控制方法可有效抑制系统通信延迟和外部扰动影响，保证系统在有限时间内形成视线坐标系下的期望空间构型并维持该构型。

关键词: 通信延迟, 多飞行器, 探测构型约束, 分布式编队控制, 有限时间收敛

Abstract:

To address the configuration control problem of a formation system formed by multiple aircraft， considering both the long-range target detection requirements and the impact of system communication delays， this paper proposes a formation control method in the line-of-sight （LOS） coordinate system. Based on typical operational mission scenarios， the formation control objectives are clarified， and detection configuration constraints are analyzed. A mathematical model is established for tracking control of the formation system， and the coupled formation tracking error vector is derived for each member in the system. Based on the adaptive sliding mode control theory， the system formation control law is developed. A sliding mode disturbance observer is employed to estimate system disturbances for compensation design within the control law. The finite-time convergence property of the algorithm is rigorously proven. Initial simulation parameters are provided， and a spatial configuration satisfying the detection constraints is designed. The effectiveness of the proposed control method is verified through extensive mathematical simulations. The results demonstrate that the proposed control method effectively suppresses the influence of system communication delays and external disturbances， ensuring the system forms and maintains the desired spatial configuration in the LOS coordinate system within a finite time.

Key words: communication delay, multiple aircraft, detection configuration constraints, distributed formation control, finite-time convergence

中图分类号:

V249.1

李威, 张家忠, 孟成才, 刘杰, 和星吉. 考虑通信延迟的多飞行器分布式编队控制方法[J]. 现代防御技术, 2026, 54(5): 63-76.

Wei LI, Jiazhong ZHANG, Chengcai MENG, Jie LIU, Xingji HE. Distributed Formation Control Method for Multiple Aircraft Considering Communication Delay[J]. Modern Defense Technology, 2026, 54(5): 63-76.

图/表 16

图1 飞行作战任务剖面

Fig. 1 Flight operation mission profile

图2 系统与目标点的相对位置关系

Fig. 2 Relative position relationship between system and target point

图3 飞行器的空间机动过程

Fig. 3 Space maneuvering process of aircraft

表 1 期望位置矢量

Table 1 Desired position vectors

飞行器编号	位置参数 $/ m$
$M 1$	$p f l, 1 d - 2 500,0, 0$
$M 2$	$p f l, 2 d 0, - 4 042,0$
$M 3$	$p f l, 3 d 0,2 021,3 500$
$M 4$	$p f l, 4 d 0,2 021, - 3 500$

表 1 期望位置矢量

Table 1 Desired position vectors

飞行器编号	位置参数 $/ m$
$M 1$	$p f l, 1 d - 2 500,0, 0$
$M 2$	$p f l, 2 d 0, - 4 042,0$
$M 3$	$p f l, 3 d 0,2 021,3 500$
$M 4$	$p f l, 4 d 0,2 021, - 3 500$

表2 初始参数

Table 2 Initial parameters

变量	符号（单位）	数值
时间	$t / s$	0
高度	$h / m$	75 000
飞行器 $M 1$ 初始位置	$x 1 / m$	130 623.467
	$y 1 / m$	73 679.436
	$z 1 / m$	632.494
飞行器 $M 2$ 初始位置	$x 2 / m$	13 0624.467
	$y 2 / m$	73 680.436
	$z 2 / m$	632.494
飞行器 $M 3$ 初始位置	$x 3 / m$	130 625.467
	$y 3 / m$	73 677.436
	$z 3 / m$	633.494
飞行器 $M 4$ 初始位置	$x 4 / m$	13 0621.467
	$y 4 / m$	73 677.436
	$z 4 / m$	633.494
初始速度	$v x / (m ⋅ s - 1)$	2 547.438
	$v y / (m ⋅ s - 1)$	997.502
	$v z / (m ⋅ s - 1)$	19.242

表2 初始参数

Table 2 Initial parameters

变量	符号（单位）	数值
时间	$t / s$	0
高度	$h / m$	75 000
飞行器 $M 1$ 初始位置	$x 1 / m$	130 623.467
	$y 1 / m$	73 679.436
	$z 1 / m$	632.494
飞行器 $M 2$ 初始位置	$x 2 / m$	13 0624.467
	$y 2 / m$	73 680.436
	$z 2 / m$	632.494
飞行器 $M 3$ 初始位置	$x 3 / m$	130 625.467
	$y 3 / m$	73 677.436
	$z 3 / m$	633.494
飞行器 $M 4$ 初始位置	$x 4 / m$	13 0621.467
	$y 4 / m$	73 677.436
	$z 4 / m$	633.494
初始速度	$v x / (m ⋅ s - 1)$	2 547.438
	$v y / (m ⋅ s - 1)$	997.502
	$v z / (m ⋅ s - 1)$	19.242

图4 虚拟质点飞行轨迹

Fig. 4 Flight trajectory of virtual particle

图5 通信拓扑结构

Fig. 5 Communication topology

图6 系统编队飞行轨迹

Fig. 6 System formation flight trajectory

图7 滑模面曲线

Fig. 7 Sliding mode surface curves

图8 各飞行器位置跟踪误差曲线

Fig. 8 Position tracking error curves of each aircraft

图9 速度矢量变化曲线

Fig. 9 Velocity vector change curves

图10 过载变化曲线

Fig. 10 Overload change curves

图11 各飞行器位置跟踪误差曲线

Fig. 11 Position tracking error curves of each aircraft

表3 初始参数偏差

Table 3 Deviations of initial parameters

偏差项		$3 σ$ 偏差大小	分布
初始位置偏差/m	$Δ x$	2 000	正态分布
	$Δ y$	1 000	正态分布
	$Δ z$	1 000	正态分布
初始速度偏差/（ $m ⋅ s - 1$ ）	$Δ v x$	100	正态分布
	$Δ v y$	20	正态分布
	$Δ v z$	20	正态分布

表3 初始参数偏差

Table 3 Deviations of initial parameters

偏差项		$3 σ$ 偏差大小	分布
初始位置偏差/m	$Δ x$	2 000	正态分布
	$Δ y$	1 000	正态分布
	$Δ z$	1 000	正态分布
初始速度偏差/（ $m ⋅ s - 1$ ）	$Δ v x$	100	正态分布
	$Δ v y$	20	正态分布
	$Δ v z$	20	正态分布

图12 拉偏条件下，位置跟踪误差曲线

Fig. 12 Position tracking error curves under unbalanced condition

图13 对比仿真结果

Fig. 13 Comparison of simulation results

参考文献 23

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