美陸軍航空兵直升機(jī)航電系統(tǒng)智能化應(yīng)用研究

羅雪豐

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

美陸軍航空兵典型空中突擊編隊裝備包括“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，師級及以上無人機(jī)部隊使用遠(yuǎn)程長航時無人機(jī)；旅級及以上無人機(jī)部隊使用“獵人”和“影子”等近程中航時無人機(jī)。

編隊協(xié)同突擊中，“長弓阿帕奇”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，同時提升態(tài)勢感知能力和即時反應(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?wèi)B(tài)勢融合與共享以及任務(wù)指揮決策能力。其攻關(guān)的關(guān)鍵點在于改善機(jī)組讀取與吸收戰(zhàn)場情報的效率，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研究的三項直升機(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)裝備和編隊體系協(xié)同中的應(yīng)用情況。

1 直升機(jī)航電系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)

空中突擊過程中，全面感知掌握編隊周圍、交戰(zhàn)區(qū)域或指定地點態(tài)勢，是整個作戰(zhàn)行動的基礎(chǔ)。態(tài)勢感知能力的提升依賴于兩個方面：首先是硬件設(shè)施升級，主要包括直升機(jī)傳感器探測能力和互聯(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)勢感知能力，涉及到三項關(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)單一平臺信息感測能力的不足；

③輔助決策技術(shù)——通過提升裝備自動化程度，降低飛行員工作負(fù)荷，提高即時反應(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。

1.1 多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的目標(biāo)是通過實時融合本機(jī)和它機(jī)等多源傳感器信息，在編隊內(nèi)形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢場景圖像。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)實驗室作為陸軍旋翼機(jī)駕駛員助手先進(jìn)技術(shù)演示驗證項目的二級分包供應(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)勢畫面。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)于1999年在AH-64D上成功試飛驗證。

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)用對應(yīng)的融合算法內(nèi)核和計算資源；融合算法內(nèi)核是對輸入航跡數(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，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理轉(zhuǎn)換為內(nèi)核可計算處理的通用格式。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)用平臺配置裁剪。

1.2 智能體數(shù)據(jù)挖掘與分發(fā)技術(shù)

1995年，洛·馬公司的先進(jìn)技術(shù)實驗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、修正和用戶請求等智能體代理來識別、定位和重現(xiàn)戰(zhàn)場機(jī)動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)庫存儲了敵我雙方的戰(zhàn)場作戰(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)控數(shù)據(jù),作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的另一個模塊—在線反饋服務(wù)器則存儲了友、敵機(jī)動部隊的實時數(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)生時向飛行員發(fā)出警報等(見圖4示例)。

圖4 智能體對交戰(zhàn)區(qū)域的持續(xù)監(jiān)控與威脅報警

為了在有限帶寬下高效共享信息，向友鄰節(jié)點發(fā)送信息需求以便友鄰節(jié)點有選擇性地發(fā)送對應(yīng)數(shù)據(jù)。洛·馬公司的先進(jìn)技術(shù)實驗室開發(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，使編隊內(nèi)乘員能獲得盡可能完整的統(tǒng)一戰(zhàn)場態(tài)勢圖像。

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)中的每個節(jié)點都包含數(shù)據(jù)融合模塊融合本機(jī)和它機(jī)數(shù)據(jù)，每個節(jié)點的“葡萄藤”管理器管理與友鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)交互操作。消息需求智能體代理在對比本機(jī)融合數(shù)據(jù)能力和信息需求后，向某個友鄰節(jié)點提供本節(jié)點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)

1.3 輔助決策技術(shù)

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)計中，解決了人機(jī)交互過程中需求與認(rèn)知資源調(diào)動之間的匹配問題。這套方法后來成為了構(gòu)建各種自動化系統(tǒng)認(rèn)知過程設(shè)計的理論基礎(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)，簡化了系統(tǒng)執(zhí)行先驗指示的過程，減少了系統(tǒng)對處理特殊知識所需的建模需求。

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。試驗結(jié)果表明人工認(rèn)知單元知曉在何時需要對飛行員進(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個模塊[4]：①融合模塊將多個輸入通道的數(shù)據(jù)融合為統(tǒng)一、精確的戰(zhàn)場態(tài)勢圖像；②外部態(tài)勢評估模塊由戰(zhàn)場和目標(biāo)評估子系統(tǒng)合理理解任務(wù)目標(biāo)的外部條件約束；③內(nèi)部態(tài)勢評估模塊監(jiān)控直升機(jī)健康狀態(tài)和機(jī)載系統(tǒng)狀態(tài)；④六個實時規(guī)劃器根據(jù)評估數(shù)據(jù)提供成功完成任務(wù)的建議，每個規(guī)劃器負(fù)責(zé)一項功能：航線規(guī)劃、生存力(威脅評估與規(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)?？舍槍σ恍╊A(yù)設(shè)的作戰(zhàn)情境，自動做出適當(dāng)?shù)呐袛嗯c行動選擇，若飛行員同意，還能自動執(zhí)行行動方案，從而為飛行員省下大量的決策時間與工作負(fù)擔(dān)。待威脅解除后，又會自動將機(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)最新型號中升級后的認(rèn)知決策輔助系統(tǒng)能夠進(jìn)行精確的威脅殺傷力評估，并據(jù)此提前規(guī)劃威脅規(guī)避航線，或者協(xié)同編隊自主感知、開火、完成攻擊后的規(guī)避，以減少各平臺設(shè)備的人工操控和加載時間。

2 直升機(jī)裝備智能化應(yīng)用情況

2.1 單機(jī)裝備應(yīng)用

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)模試驗部署，在2012年完成了1個AH-64D Block II營的配備，隨后將該營部署到阿富汗進(jìn)行實戰(zhàn)測試。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，并通過對比地面射擊信號閃焰特性來識別武器的種類(通過數(shù)據(jù)庫比對，判別該信號屬于機(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)駕駛員助手演示驗證項目[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。項目于1993年啟動，1999年在“阿帕奇”直升機(jī)上試飛演示成功。

該項目旨在開發(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，必要時可主動實施；③整合正在進(jìn)行的活動以展現(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)是能自動管理直升機(jī)上的信息，減輕機(jī)組負(fù)荷的同時提升態(tài)勢感知能力。旋翼機(jī)駕駛員助手的總體架構(gòu)包括兩個主要部件：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)距離殺手編隊演示驗證項目期間開發(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)動指揮官助手輔助軟件[2]通過對機(jī)內(nèi)外多源傳感器信息的綜合處理，生成統(tǒng)一戰(zhàn)場態(tài)勢，并自動根據(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、更好的編隊管理/航路規(guī)劃與監(jiān)控能力。

2.2 協(xié)同編隊?wèi)?yīng)用

陸軍航空兵采用編隊協(xié)同作戰(zhàn)方式，把“黑鷹”直升機(jī)、武裝直升機(jī)、無人機(jī)混合編隊協(xié)同。智能化技術(shù)在協(xié)同編隊中的體系化應(yīng)用將給機(jī)動指揮官提供更好的態(tài)勢感知能力，包括：編隊共享態(tài)勢感知、編隊輔助決策。

2.2.1 編隊共享態(tài)勢感知架構(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)場上所有的傳感器信息和情報數(shù)據(jù)源信息形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢圖像，來提供混合協(xié)同編隊機(jī)上和地面機(jī)動指揮官的態(tài)勢感知能力。

圖7 有人直升機(jī)與無人機(jī)混合編隊共享態(tài)勢感知架構(gòu)

2.2.2 編隊輔助決策架構(gòu)

如圖8所示，在統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢圖像情報的基礎(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；移動指揮官助手決策輔助技術(shù)為編隊指揮官提供了態(tài)勢感知顯示、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)編隊輔助決策架構(gòu)

4 結(jié)束語

智能化輔助技術(shù)在人機(jī)協(xié)同與體系化編隊作戰(zhàn)方面具有非常好的應(yīng)用前景。飛行員面對簡單刺激通常需要較長的反應(yīng)時間，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(OODA)循環(huán)中的時間。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，將實現(xiàn)陸軍航空兵混合編隊協(xié)同作戰(zhàn)效能的提升，從而構(gòu)建贏得未來戰(zhàn)爭的信息機(jī)動優(yōu)勢。