協(xié)同規(guī)避美國空軍自動(dòng)空中防撞系統(tǒng)

溫杰

2012年1月25日，美國空軍的3架F-16戰(zhàn)斗機(jī)參加“紅旗”演習(xí)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去15年間，美國空軍有12架F-16戰(zhàn)斗機(jī)因空中相撞而墜毀，直接導(dǎo)致5名飛行員喪生。為了降低戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的事故率，美國空軍正在加快研制和測(cè)試一種自動(dòng)空中防撞系統(tǒng)（Auto ACAS），嘗試借助信息技術(shù)改變作戰(zhàn)裝備損耗過快的被動(dòng)局面。

屢次空中相撞

相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，發(fā)生空中相撞事故的原因各不相同，從戰(zhàn)術(shù)協(xié)同出現(xiàn)偏差到駕駛操縱能力下降，很大程度上都?xì)w咎于飛行員的人為因素。

去年10月20日，美國俄克拉荷馬州空中國民警衛(wèi)隊(duì)的兩架F-16C戰(zhàn)斗機(jī)在堪薩斯州莫林北部空域以雙機(jī)編隊(duì)執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練任務(wù)時(shí)發(fā)生相撞。事故導(dǎo)致一架F-16C墜毀，飛行員成功彈射并獲救，另外一架F-16C戰(zhàn)斗機(jī)的右側(cè)機(jī)翼破損過半，但在飛行員的沉著駕駛下，安全返回到160多千米外的塔爾薩空軍基地。

時(shí)隔5個(gè)月后，美國空軍空戰(zhàn)司令部在今年2月20日公布了這起飛行事故的調(diào)查結(jié)果。當(dāng)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)豐富的教員與畢業(yè)不久的學(xué)員分別駕駛長機(jī)和僚機(jī)演練協(xié)同追擊“敵機(jī)”的戰(zhàn)術(shù)，在第二次演練中，雙方在截?fù)舭缪荨皵硻C(jī)”的第三架戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，都錯(cuò)誤理解了對(duì)方意圖。長機(jī)以為僚機(jī)會(huì)采取右轉(zhuǎn)彎飛離編隊(duì)，于是集中注意力準(zhǔn)備摧毀“敵機(jī)”，而僚機(jī)卻在追擊“敵機(jī)”時(shí)突然做出了一個(gè)左轉(zhuǎn)彎，結(jié)果兩架F-16C戰(zhàn)斗機(jī)在空中發(fā)生相撞。

2013年發(fā)生的另一起空中相撞事故則是由于飛行員缺乏足夠的睡眠而導(dǎo)致的。8月1日晚，第121戰(zhàn)斗機(jī)中隊(duì)兩架F-16C戰(zhàn)斗機(jī)在弗吉尼亞州的欽科蒂格島附近空域?qū)嵤┮淮我归g空中攔截戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，在大約22點(diǎn)突然發(fā)生碰撞。“肇事”飛行員駕駛戰(zhàn)斗機(jī)飛回安德魯斯空軍基地，而被撞戰(zhàn)斗機(jī)的飛行員及時(shí)彈射出艙，最后在欽科蒂格島附近海域內(nèi)獲救。調(diào)查結(jié)果顯示，在事故發(fā)生前的48小時(shí)內(nèi)，“肇事”飛行員每晚的睡眠時(shí)間只有4個(gè)小時(shí)，由此產(chǎn)生的疲勞水平相當(dāng)于一次“酒駕”。

項(xiàng)目由來已久

實(shí)際上，Auto ACAS的探索和研究早在本世紀(jì)初就已經(jīng)開始。2000年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與瑞典國防裝備管理局（FMV）合作，共同啟動(dòng)了Auto ACAS研究項(xiàng)目，由波音公司、洛馬公司和薩伯公司聯(lián)合發(fā)展一種空中防撞新技術(shù)，目的是阻止大多數(shù)發(fā)生在戰(zhàn)斗機(jī)之間及其空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)訓(xùn)練過程中的空中相撞，力求解決飛行訓(xùn)練的安全問題。

初步研究認(rèn)為，“鷹獅”可以采用瑞典空軍標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，通過不斷地“索求間隔”（claim-space），隨時(shí)準(zhǔn)備完成規(guī)避機(jī)動(dòng)，并把這個(gè)信息和自身的全球定位信息傳送給網(wǎng)絡(luò)中的其他平臺(tái)。當(dāng)該信息顯示某一特定飛機(jī)有與另一架飛機(jī)相撞的危險(xiǎn)時(shí)，Auto ACAS會(huì)在飛行員主動(dòng)采取規(guī)避動(dòng)作前，自動(dòng)保持60米的最小間隔。

但模擬測(cè)試也表明，Auto ACAS有可能過快地發(fā)出警告，因而被認(rèn)為會(huì)干擾飛行員的正常操縱。為此，波音公司對(duì)薩伯公司的“索求間隔”算法進(jìn)行了優(yōu)化和完善，從2002年6月開始在模擬器中驗(yàn)證Auto ACAS技術(shù)，洛馬公司則負(fù)責(zé)把該系統(tǒng)集成到F-16上。

2014年10月20日事故中墜毀的F-16C戰(zhàn)斗機(jī)。

2003年8月7日，美國空軍在愛德華茲空軍基地利用兩架F-16戰(zhàn)斗機(jī)成功測(cè)試了Auto ACAS。在飛行測(cè)試中，兩架安裝Auto ACAS的F-16戰(zhàn)斗機(jī)不斷地相互靠近，而Auto ACAS在無需飛行員下達(dá)指令的情況下，自動(dòng)操縱飛機(jī)及時(shí)地采取了規(guī)避機(jī)動(dòng)。

僅從技術(shù)角度講，美國空軍當(dāng)時(shí)曾經(jīng)樂觀地認(rèn)為，5年后就可以為現(xiàn)役F-16配備Auto ACAS。然而，后續(xù)研究工作還需要高額的研發(fā)成本，由于美國軍費(fèi)緊縮，導(dǎo)致這一系統(tǒng)的研究工作基本上處于停滯狀態(tài)。

時(shí)隔多年后，自動(dòng)地面防撞系統(tǒng)（Auto GCAS）的飛行試驗(yàn)得出結(jié)論，AFRL和洛馬公司才在2010年重新啟動(dòng)了有關(guān)Auto ACAS的研究工作，以盡快滿足美國國防部辦公室在2003年提出的安全要求，力求將飛行事故減少75%。于是，洛馬公司決定發(fā)展一種可以在空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)訓(xùn)練等瞬息萬變的作戰(zhàn)環(huán)境內(nèi)工作的自動(dòng)規(guī)避系統(tǒng)。

優(yōu)化飛行軌跡

與此前發(fā)展Auto GCAS相類似，Auto ACAS在設(shè)計(jì)過程中不要求研制新的硬件設(shè)備，只需在數(shù)字式航空電子系統(tǒng)中增加軟件模塊就可以實(shí)現(xiàn)空中防撞。該系統(tǒng)通過不斷完善戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和軟件判定等能力，持續(xù)地計(jì)算和判斷出不同戰(zhàn)斗機(jī)的飛行軌跡之間潛在的沖突，以便在最后一刻接管電傳操縱系統(tǒng)的控制權(quán)限，自動(dòng)操縱戰(zhàn)斗機(jī)采取相應(yīng)的規(guī)避機(jī)動(dòng)，從而避免可能發(fā)生的空中相撞事故。

Auto ACAS的軟件安裝在AN/ASQ-T50（V）1型吊艙內(nèi)。后者掛載于翼尖，屬于P5作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)（P5CTS）的一部分，已經(jīng)投入使用多年，配備有數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。通過數(shù)據(jù)鏈將方位和高度信息傳送給一個(gè)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，共享有關(guān)的全球定位系統(tǒng)的時(shí)空位置信息，為作戰(zhàn)人員提供逼真的空戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境。

在空戰(zhàn)演習(xí)中，Auto ACAS充當(dāng)著軌跡管理器的重要角色。比如在“紅旗”演習(xí)中，面對(duì)上百架戰(zhàn)斗機(jī)參加的一次“空戰(zhàn)”，飛行員可以通過Auto ACAS關(guān)注到最有可能導(dǎo)致空中相撞的3個(gè)目標(biāo)，但這并不意味著Auto ACAS不會(huì)留意在演習(xí)空域的其他戰(zhàn)斗機(jī)，系統(tǒng)只是將這3個(gè)目標(biāo)列為最優(yōu)先目標(biāo)保持警惕。目前，該系統(tǒng)在飛行試驗(yàn)條件下能夠處理多達(dá)15個(gè)目標(biāo)。

作戰(zhàn)訓(xùn)練過程中，Auto ACAS需要借助數(shù)據(jù)鏈傳送戰(zhàn)斗機(jī)的飛行狀態(tài)和航線等信息，并從其他飛機(jī)獲得相同類型的信息，以確定兩架飛機(jī)的位置和距離，再通過機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算和對(duì)比數(shù)據(jù)，判斷可能相互沖突的飛行航線，從而確定最佳規(guī)避策略。具體而言，Auto ACAS主要依據(jù)最佳規(guī)避距離和最長的延遲時(shí)間，通過采用一種模塊化的軌跡預(yù)測(cè)算法（TPA）持續(xù)地循環(huán)計(jì)算，時(shí)刻保持著決策最佳逃逸機(jī)動(dòng)的時(shí)機(jī)，以便在千鈞一發(fā)之際取代飛行員的操縱，控制戰(zhàn)斗機(jī)脫離險(xiǎn)境。

至關(guān)重要的是，TPA可以提供快于實(shí)時(shí)的預(yù)測(cè)。它通過不斷建立多個(gè)飛行軌跡，可以預(yù)測(cè)到戰(zhàn)斗機(jī)在未來4.5秒的空間位置。該算法以20赫茲的頻率不斷刷新，但是在選擇規(guī)避機(jī)動(dòng)時(shí)，有意識(shí)地以每秒4次的較慢速率為決策提供時(shí)間間隔，以便更好地實(shí)施協(xié)同飛行。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，戰(zhàn)斗機(jī)可以隨時(shí)選擇9個(gè)恢復(fù)機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

采取規(guī)避機(jī)動(dòng)

從使用角度看，Auto ACAS必須萬無一失，并且在作戰(zhàn)訓(xùn)練期間不會(huì)干擾正常的戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)或妨礙執(zhí)行任務(wù)的能力，因此，規(guī)避機(jī)動(dòng)的選擇和協(xié)調(diào)是系統(tǒng)軟件算法的關(guān)鍵。盡管每架戰(zhàn)斗機(jī)上的Auto ACAS隨時(shí)記錄下不同飛行軌跡，但數(shù)據(jù)鏈在任一時(shí)刻只能傳輸3條飛行軌跡的數(shù)據(jù)。因此，洛馬公司的研制人員考慮到戰(zhàn)斗機(jī)的性能，基于幾何原理或飛行員的偏好，從可利用的9個(gè)機(jī)動(dòng)中優(yōu)先選擇了5個(gè)。

當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，Auto ACAS不斷循環(huán)這5個(gè)機(jī)動(dòng)動(dòng)作，并總是將最佳的機(jī)動(dòng)動(dòng)作保持在優(yōu)先位置，同時(shí)確定2個(gè)機(jī)動(dòng)作為候選，然后將這3條飛行軌跡的數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)方。與此同時(shí)，另一架戰(zhàn)斗機(jī)也將相關(guān)軌跡的數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)方，并被及時(shí)存儲(chǔ)和獨(dú)立評(píng)估，以確定最佳組合。

作為發(fā)展中的一種空中安全網(wǎng)絡(luò)，Auto ACAS在所有戰(zhàn)斗機(jī)之間來回傳輸多組飛行軌跡的信息，一旦察覺到兩架戰(zhàn)斗機(jī)可能發(fā)生空中相撞后，將在碰撞前數(shù)秒內(nèi)自動(dòng)執(zhí)行預(yù)定的規(guī)避策略，使雙方可以同時(shí)采取規(guī)避機(jī)動(dòng)。為了最小程度地影響戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，該系統(tǒng)做出的最佳選擇可以是滾轉(zhuǎn)/爬升或躍升半外斤斗，也可以保持當(dāng)前飛行軌跡，主要目的是在最后的瞬間實(shí)施機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

在實(shí)施協(xié)同規(guī)避機(jī)動(dòng)時(shí)，戰(zhàn)斗機(jī)將會(huì)依照滾轉(zhuǎn)指令做出一個(gè)-0.5g俯沖，完成躍升半外斤斗。這在飛行員可承受的能力范圍內(nèi)。這種機(jī)動(dòng)過程基本上是讓機(jī)身處于負(fù)過載狀態(tài)，因此它能有效地避免碰撞。此刻，另一架戰(zhàn)斗機(jī)也相應(yīng)做出一個(gè)規(guī)避機(jī)動(dòng)，從而有效地避免空中相撞。此后1～2秒內(nèi)，Auto ACAS再將飛機(jī)的控制權(quán)交還給飛行員。

由此可見，Auto ACAS一旦投入使用，將可有效地避免意外相撞事故，進(jìn)一步提升飛行員戰(zhàn)術(shù)協(xié)同能力，預(yù)防飛行員精神狀態(tài)不佳可能引發(fā)的事故。但是，洛馬公司也表示，盡管該系統(tǒng)可以在大多數(shù)時(shí)間里實(shí)現(xiàn)飛行安全，但也不希望飛行員因此不按照正常方式訓(xùn)練而肆意飛行。

立足于Auto ACAS測(cè)試取得的進(jìn)展，美國空軍和洛馬公司已經(jīng)開始為F-16和F-35戰(zhàn)斗機(jī)研制一種綜合自動(dòng)防撞系統(tǒng)（Auto ICAS）。該系統(tǒng)將在Auto GCAS和Auto ACAS基礎(chǔ)上，通過軟件集成，同時(shí)具備兩者的功能，使戰(zhàn)斗機(jī)無論處在與地面相撞還是與其他飛機(jī)空中相撞的緊急情況下都能出手不凡，自動(dòng)地操縱戰(zhàn)斗機(jī)遠(yuǎn)離危險(xiǎn)境地。

責(zé)任編輯：王鑫邦