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      美使用增強現實技術生成殲20戰斗機

      來源:中國航空報作者:何曉驍責任編輯:伍行健
      2020-12-29 09:47

      11月16日,美國《驅動》網站發文披露,兩家美國公司在此前完成了一次具有相當創新性的空戰模擬測試,首次讓飛行員駕駛實裝和虛擬的人工智能(AI)目標進行了“狗斗”。測試在駕駛艙中引入增強現實(AR)技術,將虛擬目標顯示在飛行員眼前,而這次的虛擬目標是以殲20戰斗機為原型創建的。測試由Red 6公司與EpiSci公司聯合開展,這是美軍向戰斗機飛行員提供AR訓練技術的第一步,該技術能夠讓他們與虛擬目標作戰。使用AR與AI結合的方式不僅可以為行員模擬真實的外軍威脅,也有助于解決一系列戰術模擬。

      AR訓練技術實用化1.機載戰術增強現實系統機載戰術增強現實系統(ATARS)由Red 6公司設計,是一種基于頭盔顯示器的系統,在真實的駕駛艙增加增強現實所需的顯示和控制系統,可以在白天和動態情況下以數字方式生成虛擬目標,讓虛擬目標融入真實世界使飛行員可以目視觀察并允許在實時飛行中與目標對抗。Red 6公司的增強現實技術,已經能夠在戶外和嚴苛的高速動態環境中工作,通過將虛擬(Virtual)和構造仿真(Constructive)資產引入真實世界,促進在視距內對合成威脅進行對抗,充分發揮了實況-虛擬-建設性(LVC)訓練的潛力。這項技術突破為空戰訓練提供了一種新的范式。

      當增強現實技術能夠與戰機駕駛艙外的環境無縫融合時,它可以為飛行員提供在真實環境中感知視距內合成威脅的能力。ATARS系統被宣傳為首個“動態戶外環境”的寬視場、全彩色增強現實技術解決方案。一方面,增強現實在誕生初期不適用于戶外,而且不適用于動態環境,它只是一種室內解決方案。為了能讓AR系統適應戶外環境,Red 6創建了一個室外跟蹤系統,精確到足以在高速下實時生成圖像;另一方面,視場角及不同景深對焦能力對于AR也很重要。當前的F-35頭盔大約只有35度的視場,在顯示的延遲上有存在問題。Red 6已經實現了105度的視場,后續交付的產品即將達到150度的視場。人類的視場處于180度,更大的視場有助于緩解AR導致的眩暈和類似的不適。

      ATARS的設計與平臺無關,AR軟件并不依賴于特定的平臺并且可以集成到任何系統中,可與空軍頭盔配合使用,下拉后顯示AR圖像。當解決好飛行員最關心的顯示技術和目標技戰術水平后,該技術有望進入飛機作戰飛行程序(OFP)或飛機的嵌入式訓練系統中,使其與機載任務系統集成在一起。

      2.虛擬化的AI目標未來,飛行員將需要與AI協同,訓練是引入該技術的理想領域。通過訓練提前讓飛行員了解、信任AI技術,能為未來使用一系列無人化裝備做更充分的準備。雖然AI控制的戰斗機可能會在不久問世,但這套系統現在已經準備好為訓練帶來新的能力,為美軍維持、提升戰斗機飛行員的作戰能力提供直接效益。

      在這場視距內對抗AI目標的狗斗中,首次使用人工智能技術進行空戰,EpiSci公司的戰術人工智能技術展示了驅動一架高保真戰斗機工作的能力。報道表示,EpiSci公司借鑒了之前在美國國防預先研究計劃局(DARPA)“阿爾法機器狗”項目中的經驗,在人工智能系統中創建其戰術人工智能技術。通過這種方式,以往只能在傳統的地面模擬器上應用的人工智能模擬技術被引入到駕駛艙中,這樣就能讓飛行員在真正的戰斗機里與虛擬的殲20作戰。

      發展歷程

      1.技術發展Red 6是一家專注于開發實時機上增強現實飛行員訓練系統的創業公司,于2017年底成立。創始人是前英國皇家空軍(RAF)戰斗機飛行員,服役有10年左右的時間,畢業于戰斗機武器學校,是第一個駕駛美空軍F-22的非美國人。

      該公司在2019年2月邀請美空軍試飛員學校、空戰司令部、空軍研究實驗室等單位參觀了原型演示,首先證明了AR技術可以在地面上的靜態環境中起作用。第二次演示在2019年11月,目標模擬出在空中的靜態物體。這次演示在南加州天空上模擬了一個500英尺乘500英尺(152.4米×152.4米)的立方體,并且是沒有側面為了讓飛機穿過立方體。當飛機靠近時,它會變大,隨著飛機在它周圍飛行,可以觀察到尺寸變化,證明了這項技術的真正沉浸性。

      然后,生成了一架KC-46加油機,進行了虛擬的空中加油訓練。測試飛機從后部進入,到達預對接位置??梢郧宄目吹募佑蜋C尾部的加油硬桿,然后精確的完成了對接。這是世界上第一次使用增強現實的實裝加油訓練。

      2.投資情況Red 6在過去兩年中一直通過美空軍創新工場AFWERX與美空軍合作,AFWERX是美空軍的一項計劃,目標是在空軍內孵化創新技術,改變中小型企業、非傳統供應商對與空軍合作的看法,并縮短可長達十年的研制程序。Red 6于2018年1月與美空軍簽署了小型企業創新研究(SBIR)合同,與空戰司令部的訓練支持中隊合作。目前已收到SBIR的第一和第二階段合同款總計160萬美元,同時還籌集了總計580萬美元的風險投資。Red 6的技術已獲得美空軍的初步認可,被授予SBIR第三階段合同,也是第一家獲得AFWERX第三階段支持的公司?,F在空軍正在準備一份價值2500萬美元的SBIR第三階段合同,有望在12月中旬前完成合同簽署。

      除了來自軍方的投資,2020年6月Red 6獲得了洛克希德·馬丁風險投資公司的戰略投資。洛克希德公司認為,增強現實系統可以應用于當前以及未來的飛機。這筆資金將用于加速ATARS的開發和商業化。

      3.后續計劃模擬在大型飛行編隊中的飛行場景,包括與無人駕駛的“忠誠僚機”一起飛行是一種適用AR的典型場景。ATARS系統的下一步計劃是將其部署到空軍的T-38“禽爪”教練機上,計劃于2020年底前開始推進,這也是首次集成到空軍平臺上。正在研究的方案之一是用于T-38的戰術編隊,在編隊訓練時用AR虛擬的飛機代替其它實裝教練機的陪伴。AR使編隊飛行訓練更安全,因為飛行員撞到另一架飛機的可能性較小。

      空軍越來越多地嘗試將AR和VR整合到從維護到培訓到任務計劃再到作戰的方案中??哲娬J為飛行員可以通過數字方法快速學習,這種方法反應更快,所需的傳統資源更少,例如教練和某些專用設備。Red 6公司也在和AETC討論在未來飛行員訓練(PTN計劃)的下一堂課中使用該技術。PTN計劃主要依靠虛擬現實(VR)技術提升學員水平,雖然AETC目前沒有將AR整合到培訓中的計劃,但是PTN作為一個訓練技術創新計劃,有助于AR技術發揮作用。

      用于訓練的意義

      1.應對對等威脅隨著其它大國的崛起,美國五角大樓將訓練準備工作的重點從支持伊拉克和阿富汗的二十年地面行動轉變為大國之間的正面空中沖突。來自其它大國的下一代隱身戰斗機及綜合防空系統也許會成為對等威脅,使美空軍可能陷入視距內的空空對抗。目前的視距內空戰訓練存在局限性,很難模擬這些威脅能力,而且訓練方法與上世紀50年代相差不大。

      戰斗機飛行員訓練需要一定數量的敵機。美軍主要面臨的是目標復雜度的問題,其擁有先進的第5代機和升級后的第4代機沒有受到足夠的挑戰。全任務模擬器仍然無法以足夠的保真度復制飛行員的許多認知負擔,例如壓力。但是AR訓練技術解決了視距內的實裝訓練問題。

      2.完善LVC訓練LVC訓練已經成為一種主流的訓練方式,但還不是一個完美的解決方案,因為不支持對視距內的訓練。當合成實體(無論是虛擬的還是構造的)一旦進入9到18千米附近的范圍內時,飛行員便開始從“戰術”過渡到“拳頭”,然而此時透過艙蓋往外看,會發現外面什么都沒有。目前的實裝與模擬器對抗技術可以模擬飛行員需要精通的某些超視距訓練,但是還不能適用于視距內對抗。因為沒有辦法將這些實體綜合納入飛行員的視野,飛行員只能通過傳感器完成交互,無法肉眼發現。模擬器在戰斗機飛行員的訓練中起著極其重要的作用,非常適合重復性的訓練和任務流程驅動的訓練。但是,模擬器無法模擬飛行員在外面實際駕駛飛機時的壓力,如來自燃油剩余、持續過載、被跟蹤、生命處于危險之中時的壓力。

      AR技術能解決目前LVC不適用于近距空戰的限制。機載戰術增強現實系統允許飛行員和地面操作人員在實時、室外和高速環境中看到合成威脅,將虛擬和建設性資產帶入真實世界。從理論上講,可以將典型的例如4對8的對抗規模提升為支持4對30以上,將實裝與AR生成的圖像疊加使用,增加空戰訓練的復雜性。

      3.節約訓練經費目前,如果使用F-35與F-35進行實裝對抗時,每小時的費用為60000美元乘以2。美軍為了降低實裝訓練成本和用實裝當假想敵的損耗,往往會選擇私人承包商來提供陪練服務。今年3月,美空軍宣布計劃與7家公司簽訂價值高達64億美元的合同,為空軍合同空中支援計劃提供所謂的假想敵空戰訓練服務。出于對美空軍強烈訓練需求的期待,部分承包商在持續擴充私人機隊的規模。例如,2017年德事隆的機載戰術優勢公司購買了63架法國達索的“幻影”F1戰斗機。目前,承包商的機隊以兩代機和二代半飛機為主,購買這種二手飛機的價格便宜。但是這類飛機的任務系統落后,盡管有的承包商提出了如雷達等系統升級計劃,但是與美空軍現役主戰飛機開展超視距空戰訓練的意義不大。所以可以推測出美軍使用假想敵服務的主要目的還是解決視距內格斗訓練。

      但是,在美國政府預算壓力加大的情況下,美空軍可能難以維持昂貴的實裝訓練服務。ATARS未來可以為每個中隊提供了一個專門的假想敵訓練資源,允許對威脅進行無限制的綜合訓練,這減輕了中隊人員和飛機的訓練負擔。增強現實訓練技術或許可以減少空軍對昂貴的高保真模擬器和假想敵合同的依賴,同時降低了現役飛行員擔負陪練任務的小時數。據估算,在飛行中使用增強現實進行訓練的能力可以為美空軍節省數十億美元并提高飛行員安全性。

      小結

      美空軍長期以來都在希望提高戰備狀態、補充缺失的飛行員。這對訓練架次的數量要求高,讓目前的訓練方法面臨改革。美空軍在訓練過程中應用VR / AR技術,提高了沉浸感,增加了實操經驗,部分彌補了空軍現在面臨的訓練與經驗差距。美軍幾年前啟動的VR技術項目PTN,至少開展了3期,已經讓學員收益,并且持續開展計劃的升級迭代。VR技術創建了一個全新的世界,而本次演示的AR技術將圖像添加到現實環境中,在真實的天空中展示飛機,而不是同時創建飛機和天空。

      AR技術是對現有實裝與模擬器對抗技術的重要補充。在AR技術的幫助下,可以讓飛行員實現由中距空戰打到近距空戰的全過程,在進入視距后可以將視線從儀表轉移到艙外。地面教員也以實時控制AR生成的飛機擔負陪練。AR技術在空空對抗中的成功,也為后續開展相對復雜的空面訓練提供了基礎。例如用于近距空中支援訓練時,可以為飛行員在地面上繪制目標,用于目視攻擊訓練。也可以為地面的JTAC模擬出飛機,減少對實裝的需求。

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