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视距内空战训练的新手段：美使用增强现实技术生成歼-20战斗机
The following article is from 空天防务观察 Author 发展中心 何晓骁
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2020年11月16日，美国《驱动》网站披露，近日两家美国公司完成了一次具有相当创新性的空战模拟测试，首次让飞行员驾驶实装和虚拟的人工智能（AI）目标进行了狗斗。测试在驾驶舱中引入增强现实（AR）技术，将虚拟目标显示在飞行员眼前，而这次的虚拟目标是以歼-20战斗机为原型创建的。测试由Red 6公司与EpiSci公司联合开展，这是美军向战斗机飞行员提供AR训练技术的第一步，该技术能够让他们与虚拟目标作战。使用AR与AI结合的方式不仅可以为给行员模拟真实的外军威胁，也有助于解决一系列战术模拟。
佩戴增强现实技术头盔显示器的飞行员（美国Red 6公司图片）
1. 机载战术增强现实系统
机载战术增强现实系统（ATARS）由Red 6公司设计，是一种基于头盔显示器的系统，向真实的驾驶舱增加增强现实所需的显示和控制系统，可以在白天和动态情况下以数字方式生成虚拟目标，让虚拟目标融入真实世界使飞行员可以目视观察并允许在实时飞行中与目标对抗。Red 6公司的增强现实技术，已经能够在户外和严苛的高速动态环境中工作，通过将虚拟（Virtual）和构造仿真（Constructive）资产引入真实世界，促进在视距内对合成威胁进行对抗，充分发挥了实况-虚拟-建设性（LVC）训练的潜力。这项技术突破为空战训练提供了一种新的范式。
测试飞机及头盔（美国Red 6公司图片）
当增强现实技术能够与战机驾驶舱外的环境无缝融合时，它可以为飞行员提供在真实环境中感知视距内合成威胁的能力。ATARS系统被宣传为首个“动态户外环境”的宽视场、全彩色增强现实技术解决方案。一方面，增强现实在诞生初期不适用于户外，而且不适用于动态环境，它只是一种室内解决方案。为了能让AR系统适应户外使用，Red 6创建了一个室外跟踪系统，精确到足以在高速下实时生成图像；另一方面，视场角及不同景深对焦能力对于AR也很重要。当前的F-35头盔具有大约只有35度的视场，在显示的延迟上有存在问题。Red 6已经实现了105度的视场，后续交付的产品即将达到150度的视场。人类的视场处于180度，更大的视场有助于缓解AR导致的眩晕和类似的不适。
ATARS的设计为与平台无关，AR软件并不依赖于特定的平台并且可以集成到任何系统中，可与空军头盔配合使用，下拉后显示AR图像。当解决好飞行员最关心的显示技术和目标技战术水平后，该技术有望进入飞机作战飞行程序（OFP）或飞机的嵌入式训练系统中，使其与机载任务系统集成在一起。
用于测试的“金雕”560（Berkut 560）飞机，试验飞机可以以每小时300英里（约合483千米）的速度飞行并产生9倍过载，从而可以模拟战斗机的机动性。它可以与六个头盔原型一起使用，其中两个已经在测试中使用（美国Red 6公司图片）
某一个过程版本头盔（美国Red 6公司图片）
2. 虚拟化的AI目标
未来，飞行员将需要与AI协同，训练是引入该技术的理想领域。通过训练提前让飞行员了解、信任AI技术，能为未来使用一系列无人化装备做更充分的准备。虽然AI控制的战斗机可能会在不久问世，但这套系统现在已经准备好为训练带来新的能力，为美军维持、提升战斗机飞行员的作战能力提供直接效益。
在这场视距内对抗AI目标的狗斗中，首次使用人工智能技术进行空战，EpiSci公司的战术人工智能技术展示了驱动一架高保真战斗机工作的能力。报道表示，EpiSci公司借鉴了之前在美国国防高级研究计划局（DARPA）“阿尔法机器狗”项目中经验，在人工智能系统中创建其战术人工智能技术。通过这种方式，以往只能在传统的地面模拟器上应用的人工智能模拟技术被引入到驾驶舱中，这样就能让飞行员在真正的战斗机里与虚拟的歼-20作战。
由AR生成的KC-46加油机图像（美国Red 6公司图片）
1. 技术发展
Red 6是一家专注于开发实时机上增强现实飞行员训练系统的创业公司，于2017年底成立。创始人是前英国皇家空军（RAF）战斗机飞行员，服役有10年左右的时间，毕业于战斗机武器学校，是第一个为美空军驾驶F-22的非美国人。
Red 6公司的发展历程（美国Red 6公司图片）
在2019年2月邀请美空军试飞员学校、空战司令部、空军研究实验室等单位进行了一次地面演示，参观了原型演示，首先证明了AR技术可以在地面上的静态环境中起作用。第二次演示在2019年11月，目标模拟出在空中的静态物体。这次演示在南加州天空上模拟了一个500英尺乘500英尺的立方体，并且没有侧面为了让飞机穿过立方体。当飞机靠近时，它会变大，随着飞机在它周围飞行，可以观察到尺寸变化，证明了这项技术的真正沉浸性。
测试时供穿越用的立方体（美国Red 6公司图片）
然后，生成了一架KC-46加油机，进行了虚拟的空中加油训练。测试飞机从后部进入，到达预对接位置。可以清楚的看的加油机尾部的加油硬杆，然后精确的完成了对接。这是世界上第一次使用增强现实的实装加油训练。
模拟空中加油场景（美国Red 6公司图片）
2. 投资情况
Red 6在过去两年中一直通过美空军创新工场AFWERX与美空军合作，AFWERX是美空军的一项计划，目标在空军内孵化创新技术，改变中小型企业、非传统供应商对与空军合作的看法，并缩短可长达十年的研制程序。Red 6于2018年1月与美空军签署了小型企业创新研究（SBIR）合同，与空战司令部的训练支持中队合作。目前已收到SBIR的第一和第二阶段合同款，总计160万美元，同时还筹集了总计580万美元的风险投资。Red 6的技术已获得美空军的初步认可，被授予SBIR第三阶段合同，也是第一家获得AFWERX第三阶段支持的公司。现在空军正在准备一份价值2500万美元的SBIR第三阶段合同，有望在12月中旬前完成合同签署。
除了来自军方的投资，2020年6月Red 6获得了洛克希德·马丁风险投资公司的战略投资。洛克希德公司认为，增强现实系统可以应用于当前以及未来的飞机。这笔资金将用于加速ATARS的开发和商业化。
3. 后续计划
模拟在大型飞行编队中的飞行场景，包括与无人驾驶的“忠诚僚机”一起飞行是一种适用AR的典型场景。ATARS系统的下一步计划是将其部署到空军的T-38 Talon教练机上，计划于2020年底前开始推进，这也是首次集成到空军平台上。正在研究的方案之一是用于T-38的战术编队，目标解决在编队训练时用AR虚拟的飞机代替其它实装教练机的陪伴。AR使编队飞行训练更安全，因为飞行员撞到另一架飞机的可能性较小。
空军越来越多地尝试将AR和VR整合到从维护到培训到任务计划再到作战的方案中。它认为飞行员可以通过数字方法快速学习，这种方法反应更快，所需的传统资源更少，例如教练和某些专用设备。Red 6也在和AETC讨论在未来飞行员训练（PTN计划）的下一堂课中使用该技术。PTN计划主要依靠虚拟现实（VR）技术提升学员水平，虽然AETC目前没有将AR整合到培训中的计划，但是PTN作为一个训练技术创新计划，有助于AR技术发挥作用。
未来飞行员训练（PTN）计划使用虚拟现实技术训练（美军图片）
1. 应对对等威胁
随着其它大国的崛起，美国五角大楼将训练准备工作的重点从支持伊拉克和阿富汗的二十年地面行动转变为大国之间的正面空中冲突。来自其它大国的下一代隐身战斗机及综合防空系统也许会成为对等威胁，使美空军可能会陷入视距内的空空对抗。目前的视距内空战训练存在局限性，很难模拟这些威胁能力，而且训练方法与1950年代相差不大。
五代机之间的较量有可能会发生在视距内（网络图片）
战斗机飞行员训练需要一定量和数量的敌机。美军主要面临的是目标复杂度的问题，其拥有先进的第5代机和升级后的第4代机没有受到足够的挑战。全任务模拟器仍然无法以足够的保真度复制飞行员的许多认知负担，例如压力。但是AR训练技术解决了视距内的实装训练问题。
2. 完善LVC训练
LVC训练已经成为一种主流的训练方式，但还不是一个完美的解决方案，因为不支持对视距内的训练。当合成实体（无论是虚拟的还是构造的）一旦进入9到18公里附近的范围内时，飞行员便开始从“战术”过渡到“拳头”，然而此时透过舱盖往外看，会发现外面什么都没有。目前的实装与模拟器对抗技术可以模拟飞行员需要精通的某些超视距训练，但是还不能适用于视距内对抗。因为没有办法将这些实体综合纳入飞行员的视野，飞行员只能通过传感器完成交互，无法肉眼发现。模拟器在战斗机飞行员的训练中起着极其重要的作用，非常适合重复性的训练和任务流程驱动的训练。但是，模拟器无法模拟飞行员在外面实际驾驶飞机时的压力，如来自燃油bingo、持续过载、被跟踪、生命处于危险之中时的压力。
典型中距转近距空战过程（网络图片）
AR技术能解决目前LVC不适用于近距空战的限制。机载战术增强现实系统允许飞行员和地面操作人员在实时、室外和高速环境中看到合成威胁，将虚拟和建设性资产带入真实世界。从理论上讲，可以将典型的例如4对8的对抗规模提升为支持4对30以上，将实装与AR生成的图像叠加使用，增加空战训练的复杂性。
3. 节约训练经费
目前，如果使用F-35与F-35进行实装对抗时，每小时的费用为60,000美元乘以2。美军为了降低实装训练成本和用实装当假想敌的损耗，往往会选择私人承包商来提供陪练服务。2020年3月，美空军宣布计划与7家公司签订价值高达64亿美元的合同，为其作战空军合同空中支援计划提供所谓的假想敌空战训练服务。出于对美空军强烈训练需求的期待，部分承包商在持续扩充私人机队的规模。例如，2017年德事隆的机载战术优势公司购买了63架法国达索飞机制造公司的“幻影”F1战斗机。目前，承包商的机队以两代机和二代半飞机为主，购买这种二手飞机的价格便宜。但是这类飞机的任务系统落后，尽管有的承包商提出了如雷达等系统升级计划，但是与美空军现役主战飞机开展超视距空战训练的意义不大。所以可以推测出美军使用假想敌服务的主要目的还是解决视距内格斗训练。
但是，在美国政府预算压力加大的情况下，美空军可能难以维持昂贵的实装训练服务。ATARS未来可以为每个中队提供了一个专门的假想敌训练资源，允许对威胁进行无限制的综合训练，这减轻了中队人员和飞机的训练负担。增强现实训练技术或许可以减少空军对昂贵的高保真模拟器和假想敌合同的依赖，同时降低了现役飞行员担负陪练任务的小时数。据估算，在飞行中使用增强现实进行训练的能力可以为美空军节省数十亿美元并提高飞行员安全性。
美空军长期以来都在希望提高战备状态、补充缺失的飞行员。这对训练架次的数量要求高，让目前的训练方法面临改革。美空军在训练过程中应用VR / AR技术，提高了沉浸感，增加了实操经验，部分弥补了空军现在面临的训练与经验差距。美军几年前启动的VR技术项目PTN，至少开展了3期，已经让学员收益，并且持续开展计划的升级迭代。VR技术创建了一个全新的世界，而本次演示的AR技术将图像添加到现实环境中，在真实的天空中展示飞机，而不是同时创建飞机和天空。
AR技术是对现有实装与模拟器对抗技术的重要补充。在AR技术的帮助下，可以让飞行员实现由中距空战打到近距空战的全过程，在进入视距后可以将视线从仪表转移到舱外。地面教员也以实时控制AR生成的飞机担负陪练。AR技术在空空对抗中的成功，也为后续开展相对复杂的空面训练提供了基础。例如用于近距空中支援训练时，可以为飞行员在地面上绘制目标，用于目视攻击训练。也可以为地面的JTAC模拟出飞机，减少对实装的需求。
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