美陸軍航空兵直升機航電系統智能化應用研究

羅雪豐

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 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、“阿帕奇”武裝直升機、“基奧瓦”武裝偵察直升機。隨著“基奧瓦”武裝偵察直升機的逐步退役，其在美陸軍航空兵中的作戰角色被無人機替代。其中，師級及以上無人機部隊使用遠程長航時無人機；旅級及以上無人機部隊使用“獵人”和“影子”等近程中航時無人機。

編隊協同突擊中，“長弓阿帕奇”武裝直升機在極緊張的高速、低空/超低空飛行的同時還需要執行各種各樣的作戰任務。如何降低此種狀態下“阿帕奇”機組的工作負荷，同時提升態勢感知能力和即時反應能力，成為美陸軍航空兵直升機裝備發展的重要研究課題；而“黑鷹”指揮直升機也需要提升編隊態勢融合與共享以及任務指揮決策能力。其攻關的關鍵點在于改善機組讀取與吸收戰場情報的效率，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；二是通過引進智能化技術和輔助決策系統來減輕乘員負擔。

為了解決上述問題，美國從20世紀80年代開始，進行了長期的理論研究和工程技術開發。本文論述了美陸軍航空兵重點研究的三項直升機航電系統智能化關鍵技術，以及這些關鍵技術在典型直升機裝備和編隊體系協同中的應用情況。

1 直升機航電系統智能化關鍵技術

空中突擊過程中，全面感知掌握編隊周圍、交戰區域或指定地點態勢，是整個作戰行動的基礎。態勢感知能力的提升依賴于兩個方面：首先是硬件設施升級，主要包括直升機傳感器探測能力和互聯互通網絡等的更新換代；此外還可利用智能化技術進一步提升態勢感知能力，涉及到三項關鍵技術：

①多源傳感器數據融合技術——改善航電系統信息匯整處理、融合與呈現的能力，讓機組乘員能更清晰、便利地讀取與理解傳感器獲得的復雜信息，以便應對周圍情況的變化，迅速做出適當的反應；

②智能體數據挖掘和分發技術——旨在擴大直升機編隊協同感知能力，主要通過戰術網絡廣泛地取得友軍平臺傳感器獲得的信息或指揮中心數據庫信息支援，來彌補單一平臺信息感測能力的不足；

③輔助決策技術——通過提升裝備自動化程度，降低飛行員工作負荷，提高即時反應和快速攻擊能力，為陸軍航空兵空中和地面指揮官提供更好的作戰支撐。

1.1 多源傳感器數據融合技術

多源傳感器數據融合技術的目標是通過實時融合本機和它機等多源傳感器信息，在編隊內形成統一的戰場態勢場景圖像。美國洛·馬公司從20世紀90年代初開始開展數據融合技術工程研發。1993年至1999年，洛·馬公司的先進技術實驗室作為陸軍旋翼機駕駛員助手先進技術演示驗證項目的二級分包供應商，負責開發多源傳感器融合系統，給飛行員和輔助決策系統提供通用融合航跡圖像[1]。該數據融合系統最大可接入200個作戰單元、14種不同類型的機載或地面傳感器數據，并進行關聯和融合，形成統一的綜合態勢畫面。數據融合系統于1999年在AH-64D上成功試飛驗證。

多源傳感器數據融合內核軟件架構見圖1所示，由5個主要部件組成：融合分發模塊、融合控制模塊、融合算法內核、航跡管理模塊、輸入輸出接口模塊。融合分發模塊和融合控制模塊根據輸入數據類型調用對應的融合算法內核和計算資源；融合算法內核是對輸入航跡數據進行關聯、融合處理的關鍵過程，每個融合內核算法不同，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據，保持融合內核輸出的航跡之間的連續性關系。

圖2 數據融合內核通用處理過程(以移動目標航跡融合為例)

輸入模塊管理與傳感器或其他數據輸入源的接口匹配，并對數據進行預處理轉換為內核可計算處理的通用格式。輸出模塊將融合后的航跡數據根據后續使用需求進行消息格式轉換后輸出，輸入輸出接口模塊數量均可根據特定應用平臺配置裁剪。

1.2 智能體數據挖掘與分發技術

1995年，洛·馬公司的先進技術實驗室開始研究智能體數據挖掘與分發技術[2]?！昂邡棥敝笓]直升機配裝的智能體數據挖掘軟件交聯架構見圖3所示，負責從“黑鷹”指揮直升機上的陸軍作戰指揮系統中通過搜索、修正和用戶請求等智能體代理來識別、定位和重現戰場機動指揮官助手所需的數據。陸軍作戰指揮系統的聯合公共數據庫存儲了敵我雙方的戰場作戰力量數據以及指定區域、交戰區域、直升機航線等監控數據,作戰指揮系統中的另一個模塊—在線反饋服務器則存儲了友、敵機動部隊的實時數據。

圖3 “黑鷹”指揮機基于智能體的數據挖掘應用架構

在機動指揮官助手輔助軟件內部，智能體數據挖掘模塊的作用是使用軟件智能體從數據融合模塊、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：數據共享分發、數據挖掘獲取、監控駐留應用中的關鍵信息，監控特定事件(如指定區域、友鄰位置附近、敵方位置發現威脅后)并在其發生時向飛行員發出警報等(見圖4示例)。

圖4 智能體對交戰區域的持續監控與威脅報警

為了在有限帶寬下高效共享信息，向友鄰節點發送信息需求以便友鄰節點有選擇性地發送對應數據。洛·馬公司的先進技術實驗室開發的“葡萄藤”架構分發技術，用于通過傳感器數據共享，使編隊內乘員能獲得盡可能完整的統一戰場態勢圖像。

如圖5所示，“葡萄藤”數據分發架構以數據融合系統為基礎，架構中的每個節點都包含數據融合模塊融合本機和它機數據，每個節點的“葡萄藤”管理器管理與友鄰節點的數據交互操作。消息需求智能體代理在對比本機融合數據能力和信息需求后，向某個友鄰節點提供本節點能支撐滿足的信息需求。

圖5 “葡萄藤”數據分發架構

1.3 輔助決策技術

為了降低人力操控的工作負荷以及尋找提高航空器自主程度和控制精準度的技術，面向航空器應用的輔助決策技術基礎理論研究從20世紀80年代開始，主要基于認知理論來設計相應的人機交互和協同系統，從而更有效地完成各種戰術任務。工程技術開發層面主要是認知決策輔助系統的研發和持續完善。

1.3.1 人工認知系統理論研究和仿真

1986年，Rasmussen提出了認知系統工程方法[3]，被廣泛應用到人機界面架構設計中，解決了人機交互過程中需求與認知資源調動之間的匹配問題。這套方法后來成為了構建各種自動化系統認知過程設計的理論基礎。1987年，Newell基于人工智能與專家系統理論提出了Soar通用智能架構模型。以Soar認知理論為基礎構建的機器認知架構，簡化了系統執行先驗指示的過程，減少了系統對處理特殊知識所需的建模需求。

1996年，德國聯邦國防大學面向有人無人混合編隊協同應用開展了基于人工認知單元輔助決策的仿真應用研究。試驗結果表明人工認知單元知曉在何時需要對飛行員進行支持，可在認知層面進行有效的人機協同。

1.3.2 認知決策輔助系統

認知決策輔助系統是旋翼機駕駛員助手(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據融合為統一、精確的戰場態勢圖像；②外部態勢評估模塊由戰場和目標評估子系統合理理解任務目標的外部條件約束；③內部態勢評估模塊監控直升機健康狀態和機載系統狀態；④六個實時規劃器根據評估數據提供成功完成任務的建議，每個規劃器負責一項功能：航線規劃、生存力(威脅評估與規避路線)規劃、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駕駛員助手和認知決策系統的用戶界面模塊；⑥認知決策和任務處理模塊。

圖6 旋翼機駕駛員助手軟件架構

早期的認知決策輔助系統功能比較偏向于自衛電子戰系統應用的相關輔助決策，可視為“阿帕奇”武裝直升機自衛電子戰系統后端的整合支持系統?？舍槍σ恍╊A設的作戰情境，自動做出適當的判斷與行動選擇，若飛行員同意，還能自動執行行動方案，從而為飛行員省下大量的決策時間與工作負擔。待威脅解除后，又會自動將機體帶回原先任務的飛行路徑上。

在“阿帕奇”武裝直升機最新型號中升級后的認知決策輔助系統能夠進行精確的威脅殺傷力評估，并據此提前規劃威脅規避航線，或者協同編隊自主感知、開火、完成攻擊后的規避，以減少各平臺設備的人工操控和加載時間。

2 直升機裝備智能化應用情況

2.1 單機裝備應用

2.1.1 AH-64D Block II地面火力捕捉系統

美國陸軍從2011年起展開地面火力捕捉系統在“阿帕奇”上的小規模試驗部署，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行實戰測試。該系統是一套用于定位地面射擊火力位置的信息融合系統。

在AH-64D Block II上，地面火力捕捉系統以吊艙方式安裝在兩側短翼翼梢上，吊艙設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。地面火力捕捉系統傳感器獲得的圖像信息先由一套處理器進行圖像篩選處理，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(通過數據庫比對，判別該信號屬于機槍或RPG等不同類型)。然后通過另一套機載處理器，整合來自機載自衛電子戰系統與M-TADS指示系統的數據后反饋到AH-64D Block II的多功能顯示器上顯示。也就是說“阿帕奇”可在對方進行第2次攻擊前便依照融合后的數據指示立刻發動反擊。

2.1.2 旋翼機駕駛員助手

旋翼機駕駛員助手演示驗證項目[4]，由美國陸軍應用技術處組織，麥道直升機總承包，洛·馬、Loral聯邦系統公司、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”直升機上試飛演示成功。

該項目旨在開發與演示攻擊偵察直升機飛行過程中的“助手”系統——部分取代人類行為能力的智能輔助系統，可以：①扮演此領域專家相同的角色；②通常情況下按照人的決策行動，必要時可主動實施；③整合正在進行的活動以展現更好的協同能力。旋翼機駕駛員助手的關鍵目標是能自動管理直升機上的信息，減輕機組負荷的同時提升態勢感知能力。旋翼機駕駛員助手的總體架構包括兩個主要部件：先進任務傳感器組、認知決策輔助系統(見圖6)。

2.1.3 戰斗助手和機動指揮官助手

戰斗助手輔助軟件[5]由波音公司在機載有人無人技術、“獵人”遠距離殺手編隊演示驗證項目期間開發，以駕駛員助手系統技術成果為基礎，通過進一步提高有人直升機飛行員的態勢感知能力來增強攻擊機(如“阿帕奇”)的生存能力。戰斗助手主要處理操作量密集的任務，使飛行員集中于作戰規劃和戰術運用之類的高層次任務上，由下列模塊組成：①航路規劃器；②航路評估器；③火力攻擊規劃器；④數據融合；⑤傳感器覆蓋與監視；⑥無人機控制；⑦機載視頻記錄器與圖像收發機。

同樣以駕駛員助手技術成果為基礎，為“黑鷹”指揮直升機、無人機協同作戰能力開發的機動指揮官助手輔助軟件[2]通過對機內外多源傳感器信息的綜合處理，生成統一戰場態勢，并自動根據相關的作戰規則完成在線任務規劃，然后發出提示輔助飛行員高效完成任務。其關鍵在于對有人直升機上無人機操作人員的決策支援、數據融合和智能數據挖掘，以及控制和顯示子系統。與戰斗助手的不同之處在于，機動指揮官助手軟件具備更強的數據鏈互聯管理和更多的數據源輸入接口能力、更強的分布式數據融合能力、智能體數據挖掘能力、更好的編隊管理/航路規劃與監控能力。

2.2 協同編隊應用

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

2.2.1 編隊共享態勢感知架構

如圖7所示，“黑鷹”指揮直升機配裝智能體數據挖掘模塊、多源數據融合模塊、“葡萄藤”信息分發模塊；“阿帕奇”武裝直升機配裝多源數據融合與“葡萄藤”信息分發模塊。配裝長弓雷達的“阿帕奇”直升機在本機數據融合后通過情報信息分發模塊與“黑鷹”指揮直升機交換信息；配裝有人無人協同數據鏈組件的“阿帕奇”還可接入無人機傳感器數據，融合后再與“黑鷹”指揮直升機交換信息。通過共享與融合戰場上所有的傳感器信息和情報數據源信息形成統一的戰場態勢圖像，來提供混合協同編隊機上和地面機動指揮官的態勢感知能力。

圖7 有人直升機與無人機混合編隊共享態勢感知架構

2.2.2 編隊輔助決策架構

如圖8所示，在統一的戰場態勢圖像情報的基礎上，戰斗員助手為“阿帕奇”飛行提供航線規劃和攻擊支撐；移動指揮官助手決策輔助技術為編隊指揮官提供了態勢感知顯示、無人機管理、協作小組管理、航路管理、傳感器管理和通信管理等功能。

圖8 “黑鷹”指揮機與“阿帕奇”武裝直升機編隊輔助決策架構

4 結束語

智能化輔助技術在人機協同與體系化編隊作戰方面具有非常好的應用前景。飛行員面對簡單刺激通常需要較長的反應時間，智能化輔助技術在直升機航電系統中的應用可壓縮陸軍航空兵作戰人員在觀察、定向、決定、行動(OODA)循環中的時間。人與機器智能的結合，將全面提升OODA環的運行速度和運行質量；通過這些技術的充分利用，將實現陸軍航空兵混合編隊協同作戰效能的提升，從而構建贏得未來戰爭的信息機動優勢。