羅雪豐
(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)
美陸軍航空兵典型空中突擊編隊(duì)裝備包括“黑鷹”指揮直升機(jī)、“阿帕奇”武裝直升機(jī)、“基奧瓦”武裝偵察直升機(jī)。隨著“基奧瓦”武裝偵察直升機(jī)的逐步退役,其在美陸軍航空兵中的作戰(zhàn)角色被無人機(jī)替代。其中,師級(jí)及以上無人機(jī)部隊(duì)使用遠(yuǎn)程長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī);旅級(jí)及以上無人機(jī)部隊(duì)使用“獵人”和“影子”等近程中航時(shí)無人機(jī)。
編隊(duì)協(xié)同突擊中,“長(zhǎng)弓阿帕奇”武裝直升機(jī)在極緊張的高速、低空/超低空飛行的同時(shí)還需要執(zhí)行各種各樣的作戰(zhàn)任務(wù)。如何降低此種狀態(tài)下“阿帕奇”機(jī)組的工作負(fù)荷,同時(shí)提升態(tài)勢(shì)感知能力和即時(shí)反應(yīng)能力,成為美陸軍航空兵直升機(jī)裝備發(fā)展的重要研究課題;而“黑鷹”指揮直升機(jī)也需要提升編隊(duì)?wèi)B(tài)勢(shì)融合與共享以及任務(wù)指揮決策能力。其攻關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)在于改善機(jī)組讀取與吸收戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)的效率,主要有兩條途徑:一是從改善座艙的信息顯示與操作接口效率著手;二是通過引進(jìn)智能化技術(shù)和輔助決策系統(tǒng)來減輕乘員負(fù)擔(dān)。
為了解決上述問題,美國從20世紀(jì)80年代開始,進(jìn)行了長(zhǎng)期的理論研究和工程技術(shù)開發(fā)。本文論述了美陸軍航空兵重點(diǎn)研究的三項(xiàng)直升機(jī)航電系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù),以及這些關(guān)鍵技術(shù)在典型直升機(jī)裝備和編隊(duì)體系協(xié)同中的應(yīng)用情況。
空中突擊過程中,全面感知掌握編隊(duì)周圍、交戰(zhàn)區(qū)域或指定地點(diǎn)態(tài)勢(shì),是整個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng)的基礎(chǔ)。態(tài)勢(shì)感知能力的提升依賴于兩個(gè)方面:首先是硬件設(shè)施升級(jí),主要包括直升機(jī)傳感器探測(cè)能力和互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)等的更新?lián)Q代;此外還可利用智能化技術(shù)進(jìn)一步提升態(tài)勢(shì)感知能力,涉及到三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):
①多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)——改善航電系統(tǒng)信息匯整處理、融合與呈現(xiàn)的能力,讓機(jī)組乘員能更清晰、便利地讀取與理解傳感器獲得的復(fù)雜信息,以便應(yīng)對(duì)周圍情況的變化,迅速做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng);
②智能體數(shù)據(jù)挖掘和分發(fā)技術(shù)——旨在擴(kuò)大直升機(jī)編隊(duì)協(xié)同感知能力,主要通過戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)廣泛地取得友軍平臺(tái)傳感器獲得的信息或指揮中心數(shù)據(jù)庫信息支援,來彌補(bǔ)單一平臺(tái)信息感測(cè)能力的不足;
③輔助決策技術(shù)——通過提升裝備自動(dòng)化程度,降低飛行員工作負(fù)荷,提高即時(shí)反應(yīng)和快速攻擊能力,為陸軍航空兵空中和地面指揮官提供更好的作戰(zhàn)支撐。
多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的目標(biāo)是通過實(shí)時(shí)融合本機(jī)和它機(jī)等多源傳感器信息,在編隊(duì)內(nèi)形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)場(chǎng)景圖像。美國洛·馬公司從20世紀(jì)90年代初開始開展數(shù)據(jù)融合技術(shù)工程研發(fā)。1993年至1999年,洛·馬公司的先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室作為陸軍旋翼機(jī)駕駛員助手先進(jìn)技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目的二級(jí)分包供應(yīng)商,負(fù)責(zé)開發(fā)多源傳感器融合系統(tǒng),給飛行員和輔助決策系統(tǒng)提供通用融合航跡圖像[1]。該數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)最大可接入200個(gè)作戰(zhàn)單元、14種不同類型的機(jī)載或地面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù),并進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合,形成統(tǒng)一的綜合態(tài)勢(shì)畫面。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)于1999年在AH-64D上成功試飛驗(yàn)證。
多源傳感器數(shù)據(jù)融合內(nèi)核軟件架構(gòu)見圖1所示,由5個(gè)主要部件組成:融合分發(fā)模塊、融合控制模塊、融合算法內(nèi)核、航跡管理模塊、輸入輸出接口模塊。融合分發(fā)模塊和融合控制模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù)類型調(diào)用對(duì)應(yīng)的融合算法內(nèi)核和計(jì)算資源;融合算法內(nèi)核是對(duì)輸入航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合處理的關(guān)鍵過程,每個(gè)融合內(nèi)核算法不同,但都遵循同樣的處理步驟(見圖2);航跡管理模塊存儲(chǔ)所有航跡數(shù)據(jù),保持融合內(nèi)核輸出的航跡之間的連續(xù)性關(guān)系。
圖2 數(shù)據(jù)融合內(nèi)核通用處理過程(以移動(dòng)目標(biāo)航跡融合為例)
輸入模塊管理與傳感器或其他數(shù)據(jù)輸入源的接口匹配,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理轉(zhuǎn)換為內(nèi)核可計(jì)算處理的通用格式。輸出模塊將融合后的航跡數(shù)據(jù)根據(jù)后續(xù)使用需求進(jìn)行消息格式轉(zhuǎn)換后輸出,輸入輸出接口模塊數(shù)量均可根據(jù)特定應(yīng)用平臺(tái)配置裁剪。
1995年,洛·馬公司的先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開始研究智能體數(shù)據(jù)挖掘與分發(fā)技術(shù)[2]?!昂邡棥敝笓]直升機(jī)配裝的智能體數(shù)據(jù)挖掘軟件交聯(lián)架構(gòu)見圖3所示,負(fù)責(zé)從“黑鷹”指揮直升機(jī)上的陸軍作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中通過搜索、修正和用戶請(qǐng)求等智能體代理來識(shí)別、定位和重現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)指揮官助手所需的數(shù)據(jù)。陸軍作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了敵我雙方的戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)力量數(shù)據(jù)以及指定區(qū)域、交戰(zhàn)區(qū)域、直升機(jī)航線等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的另一個(gè)模塊—在線反饋服務(wù)器則存儲(chǔ)了友、敵機(jī)動(dòng)部隊(duì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
圖3 “黑鷹”指揮機(jī)基于智能體的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用架構(gòu)
在機(jī)動(dòng)指揮官助手輔助軟件內(nèi)部,智能體數(shù)據(jù)挖掘模塊的作用是使用軟件智能體從數(shù)據(jù)融合模塊、決策輔助軟件模塊、Link16模塊獲取信息,以支撐編隊(duì)成員之間的信息互操作,包括:數(shù)據(jù)共享分發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘獲取、監(jiān)控駐留應(yīng)用中的關(guān)鍵信息,監(jiān)控特定事件(如指定區(qū)域、友鄰位置附近、敵方位置發(fā)現(xiàn)威脅后)并在其發(fā)生時(shí)向飛行員發(fā)出警報(bào)等(見圖4示例)。
圖4 智能體對(duì)交戰(zhàn)區(qū)域的持續(xù)監(jiān)控與威脅報(bào)警
為了在有限帶寬下高效共享信息,向友鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息需求以便友鄰節(jié)點(diǎn)有選擇性地發(fā)送對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。洛·馬公司的先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“葡萄藤”架構(gòu)分發(fā)技術(shù),用于通過傳感器數(shù)據(jù)共享,使編隊(duì)內(nèi)乘員能獲得盡可能完整的統(tǒng)一戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖像。
如圖5所示,“葡萄藤”數(shù)據(jù)分發(fā)架構(gòu)以數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)為基礎(chǔ),架構(gòu)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含數(shù)據(jù)融合模塊融合本機(jī)和它機(jī)數(shù)據(jù),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的“葡萄藤”管理器管理與友鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互操作。消息需求智能體代理在對(duì)比本機(jī)融合數(shù)據(jù)能力和信息需求后,向某個(gè)友鄰節(jié)點(diǎn)提供本節(jié)點(diǎn)能支撐滿足的信息需求。
圖5 “葡萄藤”數(shù)據(jù)分發(fā)架構(gòu)
為了降低人力操控的工作負(fù)荷以及尋找提高航空器自主程度和控制精準(zhǔn)度的技術(shù),面向航空器應(yīng)用的輔助決策技術(shù)基礎(chǔ)理論研究從20世紀(jì)80年代開始,主要基于認(rèn)知理論來設(shè)計(jì)相應(yīng)的人機(jī)交互和協(xié)同系統(tǒng),從而更有效地完成各種戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。工程技術(shù)開發(fā)層面主要是認(rèn)知決策輔助系統(tǒng)的研發(fā)和持續(xù)完善。
1.3.1 人工認(rèn)知系統(tǒng)理論研究和仿真
1986年,Rasmussen提出了認(rèn)知系統(tǒng)工程方法[3],被廣泛應(yīng)用到人機(jī)界面架構(gòu)設(shè)計(jì)中,解決了人機(jī)交互過程中需求與認(rèn)知資源調(diào)動(dòng)之間的匹配問題。這套方法后來成為了構(gòu)建各種自動(dòng)化系統(tǒng)認(rèn)知過程設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。1987年,Newell基于人工智能與專家系統(tǒng)理論提出了Soar通用智能架構(gòu)模型。以Soar認(rèn)知理論為基礎(chǔ)構(gòu)建的機(jī)器認(rèn)知架構(gòu),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)執(zhí)行先驗(yàn)指示的過程,減少了系統(tǒng)對(duì)處理特殊知識(shí)所需的建模需求。
1996年,德國聯(lián)邦國防大學(xué)面向有人無人混合編隊(duì)協(xié)同應(yīng)用開展了基于人工認(rèn)知單元輔助決策的仿真應(yīng)用研究。試驗(yàn)結(jié)果表明人工認(rèn)知單元知曉在何時(shí)需要對(duì)飛行員進(jìn)行支持,可在認(rèn)知層面進(jìn)行有效的人機(jī)協(xié)同。
1.3.2 認(rèn)知決策輔助系統(tǒng)
認(rèn)知決策輔助系統(tǒng)是旋翼機(jī)駕駛員助手(見圖6)的核心組件,主要包括6個(gè)模塊[4]:①融合模塊將多個(gè)輸入通道的數(shù)據(jù)融合為統(tǒng)一、精確的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖像;②外部態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊由戰(zhàn)場(chǎng)和目標(biāo)評(píng)估子系統(tǒng)合理理解任務(wù)目標(biāo)的外部條件約束;③內(nèi)部態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊監(jiān)控直升機(jī)健康狀態(tài)和機(jī)載系統(tǒng)狀態(tài);④六個(gè)實(shí)時(shí)規(guī)劃器根據(jù)評(píng)估數(shù)據(jù)提供成功完成任務(wù)的建議,每個(gè)規(guī)劃器負(fù)責(zé)一項(xiàng)功能:航線規(guī)劃、生存力(威脅評(píng)估與規(guī)避路線)規(guī)劃、通信管理、傳感器管理、攻擊和偵察;⑤座艙信息管理是旋翼機(jī)駕駛員助手和認(rèn)知決策系統(tǒng)的用戶界面模塊;⑥認(rèn)知決策和任務(wù)處理模塊。
圖6 旋翼機(jī)駕駛員助手軟件架構(gòu)
早期的認(rèn)知決策輔助系統(tǒng)功能比較偏向于自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)輔助決策,可視為“阿帕奇”武裝直升機(jī)自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)后端的整合支持系統(tǒng)。可針對(duì)一些預(yù)設(shè)的作戰(zhàn)情境,自動(dòng)做出適當(dāng)?shù)呐袛嗯c行動(dòng)選擇,若飛行員同意,還能自動(dòng)執(zhí)行行動(dòng)方案,從而為飛行員省下大量的決策時(shí)間與工作負(fù)擔(dān)。待威脅解除后,又會(huì)自動(dòng)將機(jī)體帶回原先任務(wù)的飛行路徑上。
在“阿帕奇”武裝直升機(jī)最新型號(hào)中升級(jí)后的認(rèn)知決策輔助系統(tǒng)能夠進(jìn)行精確的威脅殺傷力評(píng)估,并據(jù)此提前規(guī)劃威脅規(guī)避航線,或者協(xié)同編隊(duì)自主感知、開火、完成攻擊后的規(guī)避,以減少各平臺(tái)設(shè)備的人工操控和加載時(shí)間。
2.1.1 AH-64D Block II地面火力捕捉系統(tǒng)
美國陸軍從2011年起展開地面火力捕捉系統(tǒng)在“阿帕奇”上的小規(guī)模試驗(yàn)部署,在2012年完成了1個(gè)AH-64D Block II營的配備,隨后將該營部署到阿富汗進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)測(cè)試。該系統(tǒng)是一套用于定位地面射擊火力位置的信息融合系統(tǒng)。
在AH-64D Block II上,地面火力捕捉系統(tǒng)以吊艙方式安裝在兩側(cè)短翼翼梢上,吊艙設(shè)有多組寬帶中波紅外傳感器,每個(gè)吊艙可涵蓋120°方位,通過捕捉槍支、火箭或迫擊炮等地面武器射擊時(shí)的槍/炮口閃焰,來定位射擊火力來源初次開火的位置。地面火力捕捉系統(tǒng)傳感器獲得的圖像信息先由一套處理器進(jìn)行圖像篩選處理,判定射擊閃焰來源方位,并通過對(duì)比地面射擊信號(hào)閃焰特性來識(shí)別武器的種類(通過數(shù)據(jù)庫比對(duì),判別該信號(hào)屬于機(jī)槍或RPG等不同類型)。然后通過另一套機(jī)載處理器,整合來自機(jī)載自衛(wèi)電子戰(zhàn)系統(tǒng)與M-TADS指示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后反饋到AH-64D Block II的多功能顯示器上顯示。也就是說“阿帕奇”可在對(duì)方進(jìn)行第2次攻擊前便依照融合后的數(shù)據(jù)指示立刻發(fā)動(dòng)反擊。
2.1.2 旋翼機(jī)駕駛員助手
旋翼機(jī)駕駛員助手演示驗(yàn)證項(xiàng)目[4],由美國陸軍應(yīng)用技術(shù)處組織,麥道直升機(jī)總承包,洛·馬、Loral聯(lián)邦系統(tǒng)公司、霍尼韋爾公司分包完成工程研制工作。項(xiàng)目于1993年啟動(dòng),1999年在“阿帕奇”直升機(jī)上試飛演示成功。
該項(xiàng)目旨在開發(fā)與演示攻擊偵察直升機(jī)飛行過程中的“助手”系統(tǒng)——部分取代人類行為能力的智能輔助系統(tǒng),可以:①扮演此領(lǐng)域?qū)<蚁嗤慕巧?;②通常情況下按照人的決策行動(dòng),必要時(shí)可主動(dòng)實(shí)施;③整合正在進(jìn)行的活動(dòng)以展現(xiàn)更好的協(xié)同能力。旋翼機(jī)駕駛員助手的關(guān)鍵目標(biāo)是能自動(dòng)管理直升機(jī)上的信息,減輕機(jī)組負(fù)荷的同時(shí)提升態(tài)勢(shì)感知能力。旋翼機(jī)駕駛員助手的總體架構(gòu)包括兩個(gè)主要部件:先進(jìn)任務(wù)傳感器組、認(rèn)知決策輔助系統(tǒng)(見圖6)。
2.1.3 戰(zhàn)斗助手和機(jī)動(dòng)指揮官助手
戰(zhàn)斗助手輔助軟件[5]由波音公司在機(jī)載有人無人技術(shù)、“獵人”遠(yuǎn)距離殺手編隊(duì)演示驗(yàn)證項(xiàng)目期間開發(fā),以駕駛員助手系統(tǒng)技術(shù)成果為基礎(chǔ),通過進(jìn)一步提高有人直升機(jī)飛行員的態(tài)勢(shì)感知能力來增強(qiáng)攻擊機(jī)(如“阿帕奇”)的生存能力。戰(zhàn)斗助手主要處理操作量密集的任務(wù),使飛行員集中于作戰(zhàn)規(guī)劃和戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用之類的高層次任務(wù)上,由下列模塊組成:①航路規(guī)劃器;②航路評(píng)估器;③火力攻擊規(guī)劃器;④數(shù)據(jù)融合;⑤傳感器覆蓋與監(jiān)視;⑥無人機(jī)控制;⑦機(jī)載視頻記錄器與圖像收發(fā)機(jī)。
同樣以駕駛員助手技術(shù)成果為基礎(chǔ),為“黑鷹”指揮直升機(jī)、無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能力開發(fā)的機(jī)動(dòng)指揮官助手輔助軟件[2]通過對(duì)機(jī)內(nèi)外多源傳感器信息的綜合處理,生成統(tǒng)一戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),并自動(dòng)根據(jù)相關(guān)的作戰(zhàn)規(guī)則完成在線任務(wù)規(guī)劃,然后發(fā)出提示輔助飛行員高效完成任務(wù)。其關(guān)鍵在于對(duì)有人直升機(jī)上無人機(jī)操作人員的決策支援、數(shù)據(jù)融合和智能數(shù)據(jù)挖掘,以及控制和顯示子系統(tǒng)。與戰(zhàn)斗助手的不同之處在于,機(jī)動(dòng)指揮官助手軟件具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)鏈互聯(lián)管理和更多的數(shù)據(jù)源輸入接口能力、更強(qiáng)的分布式數(shù)據(jù)融合能力、智能體數(shù)據(jù)挖掘能力、更好的編隊(duì)管理/航路規(guī)劃與監(jiān)控能力。
陸軍航空兵采用編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)方式,把“黑鷹”直升機(jī)、武裝直升機(jī)、無人機(jī)混合編隊(duì)協(xié)同。智能化技術(shù)在協(xié)同編隊(duì)中的體系化應(yīng)用將給機(jī)動(dòng)指揮官提供更好的態(tài)勢(shì)感知能力,包括:編隊(duì)共享態(tài)勢(shì)感知、編隊(duì)輔助決策。
2.2.1 編隊(duì)共享態(tài)勢(shì)感知架構(gòu)
如圖7所示,“黑鷹”指揮直升機(jī)配裝智能體數(shù)據(jù)挖掘模塊、多源數(shù)據(jù)融合模塊、“葡萄藤”信息分發(fā)模塊;“阿帕奇”武裝直升機(jī)配裝多源數(shù)據(jù)融合與“葡萄藤”信息分發(fā)模塊。配裝長(zhǎng)弓雷達(dá)的“阿帕奇”直升機(jī)在本機(jī)數(shù)據(jù)融合后通過情報(bào)信息分發(fā)模塊與“黑鷹”指揮直升機(jī)交換信息;配裝有人無人協(xié)同數(shù)據(jù)鏈組件的“阿帕奇”還可接入無人機(jī)傳感器數(shù)據(jù),融合后再與“黑鷹”指揮直升機(jī)交換信息。通過共享與融合戰(zhàn)場(chǎng)上所有的傳感器信息和情報(bào)數(shù)據(jù)源信息形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖像,來提供混合協(xié)同編隊(duì)機(jī)上和地面機(jī)動(dòng)指揮官的態(tài)勢(shì)感知能力。
圖7 有人直升機(jī)與無人機(jī)混合編隊(duì)共享態(tài)勢(shì)感知架構(gòu)
2.2.2 編隊(duì)輔助決策架構(gòu)
如圖8所示,在統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖像情報(bào)的基礎(chǔ)上,戰(zhàn)斗員助手為“阿帕奇”飛行提供航線規(guī)劃和攻擊支撐;移動(dòng)指揮官助手決策輔助技術(shù)為編隊(duì)指揮官提供了態(tài)勢(shì)感知顯示、無人機(jī)管理、協(xié)作小組管理、航路管理、傳感器管理和通信管理等功能。
圖8 “黑鷹”指揮機(jī)與“阿帕奇”武裝直升機(jī)編隊(duì)輔助決策架構(gòu)
智能化輔助技術(shù)在人機(jī)協(xié)同與體系化編隊(duì)作戰(zhàn)方面具有非常好的應(yīng)用前景。飛行員面對(duì)簡(jiǎn)單刺激通常需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間,智能化輔助技術(shù)在直升機(jī)航電系統(tǒng)中的應(yīng)用可壓縮陸軍航空兵作戰(zhàn)人員在觀察、定向、決定、行動(dòng)(OODA)循環(huán)中的時(shí)間。人與機(jī)器智能的結(jié)合,將全面提升OODA環(huán)的運(yùn)行速度和運(yùn)行質(zhì)量;通過這些技術(shù)的充分利用,將實(shí)現(xiàn)陸軍航空兵混合編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)效能的提升,從而構(gòu)建贏得未來戰(zhàn)爭(zhēng)的信息機(jī)動(dòng)優(yōu)勢(shì)。