Shearer等[155]在六自由度机体坐标系下设计了大柔性飞行器的双闭环轨迹控制算法.飞行器控制器分为内外回路，外回路采用PID结合非线性变换控制，主要进行轨迹倾角控制，产生的输出作为内回路的控制输入.内回路对横侧向和纵向运动进行解耦控制，纵向采用动态逆控制器，横航向采用线性二次型控制器，主要用于控制飞行器线速度与角速度.Zheng等[156]将高阶大柔性飞行器模型降阶，对降阶模型设计标称LQG控制器，在此基础上考虑系统鲁棒性设计了输出反馈自适应控制器.结果表明，控制器能够提高瞬态响应速度并且达到跟踪指标的要求.Sadat-Hoseini等[157]基于LQR和前馈闭环控制方法设计了大柔性飞行器着陆轨迹跟踪控制器，控制流程如图13所示，利用LQR跟踪着陆控制轨迹，引入积分器消除静态误差，使用前馈环节来减少可测量量的扰动引起的系统误差，成功实现了飞行器在稳定侧风存在时的降落轨迹跟踪.

长航时无人机飞行时受突风扰动影响较大，研究在突风环境下的轨迹控制方法有着重要的实际意义.Raghavan等[158]基于大柔性飞行器的降阶模型，采用多步非线性动态逆控制器结合非线性导引律，实现了对直线和曲线轨迹的成功跟踪，同时系统在有效载荷突变时仍能保持较好的飞行性能.Qi等[159]针对阵风干扰下的高空长航时无人机设计了双闭环控制系统.外环采用线性自抗扰LADRC控制器，内环则采用H∞控制器跟踪外环控制器产生的姿态信号，并采用粒子群优化算法对H∞中的加权矩阵进行参数优化，提高了系统鲁棒性，比采用传统PID控制器的轨迹控制方法有更快的收敛速度和更小的超调量.Dillsaver等[160]设计了阵风扰动下的大柔性飞行器纵向轨迹控制器.纵向控制内环采用动态逆控制器，外环采用高增益PID或LQR控制器，实现了飞行器的高度稳定控制.横航向控制采用LQG控制器，实现了对航向角度控制指令的跟踪.

图13 长航时无人机抗阵风纵向轨迹控制器框图[157]

Fig.13 Anti-gust longitudinal trajectory control architecture of long-endurance UAV[157]

4.4 无人机自主导航技术

长航时无人机在飞行过程中要同时应对复杂的自然环境和电磁环境，对无人机导航系统的稳定性和精度提出了很高的要求.目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、星光导航、地形辅助导航等，但是单一的导航方式并不能满足长航时无人机全天候长时间准确导航定位的需求，因此必须根据具体任务场景设计组合导航系统方案.组合导航把多种导航系统有机连接，使各系统性能互补，提高导航性能.

惯性/卫星组合导航系统[161]是目前无人机广泛采用的自主导航技术，能提供陆地、海洋和空间的全天候、全时间、连续的三维位置、三维速度和时间信息，惯性/卫星组合导航系统是可以有效地提高惯导系统的性能和精度，提高卫星导航系统接收机动态特性和抗干扰性.另外，惯性/卫星组合导航系统可以实现一体化，以进一步减少系统的体积、质量和成本，减小非同步误差.惯性/天文组合导航系统也是一类具有较高精度的自主导航技术.惯性系统用于解算天文导航系统所需的基准地平线方向，决定了导航系统的定位精度[162]，天体导航系统基于天体的确切位置和地球运动规律，观察飞行器相对于天体的精确坐标解算飞行器位姿，该类导航系统具有隐蔽性好、定位能力准确、自主能力强等特点[163].此外，Yang等[164]提出了一种用于长航时无人机的基于惯性/卫星/天文导航的组合导航系统，实现了姿态角误差±0.25°，位置精度±2.4 m的定位效果.周姜滨等[165]对捷联惯性导航系统、全球定位系统、“北斗”卫星导航系统和大气数据系统在高空长航时无人机导航系统中应用的可行性进行了分析，提出了组合导航系统方案，并建立了组合导航系统的状态方程和量测方程，设计开发了组合导航仿真系统.

为了提高导航系统的可靠性和硬件冗余度，保证飞行安全，一方面可以采用容错技术以提高其飞行控制系统的可靠性[166].在紧急情况下，可采用容错控制器(FTC)帮助飞机保持一致的控制，并采用故障检测和隔离(FDI)方法来解决子系统的故障和故障.FDI技术分为基于模型的技术，主要采用参数辨识、联合滤波和人工神经网络等方法[167-168]；基于信号的技术，主要应用主成分分析(PCA)、信号频谱分析等方法[169].另一方面，需要深入开展无人机防诱骗、防捕获技术研究，如果机载导航数据受到欺骗式干扰，如卫星导航数据受到渐进式干扰，组合导航系统将无法准确报告无人机准确位置.导航系统是无人机系统防欺骗、防捕获的薄弱环节.国内向锦武团队[170]提出了一种基于卫星通信的无人机导航数据防欺骗方法，用于在地面识别导航数据是否受欺骗，提高了长航时无人机在对抗环境中的可用性和实用性.

5 结 论

1)长航时无人机系统的成功研制与应用，离不开能源动力系统.目前常规动力中空长航时无人机发展迅速，取得了比较广泛的应用，新能源动力长航时无人机多数还处于样机研制阶段，离实际应用还有一定的差距.提高常规动力长航时无人机的飞行高度是未来发展的主要方向之一.

2)续航时间在一周以上，称为“超长航时”的无人机技术成为各航空强国关注的焦点.要实现超长航时飞行，通常采用超大展弦比(>30)气动布局，浸湿面积极大地降低甚至取消单独的机身.同时提高无人机飞行高度和续航时间是增加无人机实用性和可靠性的关键.

3)超大展弦比气动布局和轻质材料结构导致无人机呈现“大柔性”，引发气动、结构出现本质非线性、强耦合和不确定性，无人机对外部环境激励和内部状态变化极其敏感，气动弹性颤振不稳定性成为危及飞行安全的首要因素，给气动布局、结构构型和飞行控制设计带来极大挑战.必须研究高空低雷诺数环境下无人机总体气动综合优化设计方法，并突破现有的线性系统设计框架，在非线性系统分析、综合和主动振颤抑制方面取得突破.

4)超长航时无人机续航时间以“周”计算，大大超越了现有的各种航空器，对系统的任务可靠度提出了极高的要求.超长航时无人机上狭小的空间和苛刻的载重限制又严格限制了余度配置的规模.必须开展针对性研究，在规模受限条件下的超长航时飞行主动容错控制与自主决策技术方面取得突破，同时以无人系统的智能化、协同化和网络安全发展为方向，提升长航时无人机的应用范围和任务效能.

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