“马赛克战”先锋项目ACE披露空中格斗自主性研究内容

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简介

空战演进（ACE）项目是“马赛克战”最终愿景的关键组成部分。近日，美国国防高级研究计划局（DARPA）公布ACE项目技术领域-1的实现途径及部分需求，征集支持空中格斗的人工智能算法，为单机和编队战术行动构建自主战斗能力。

2019年5月，DARPA宣布启动ACE项目，旨在实现空中视距内机动（通常被称为空中格斗或狗斗，dogfight）的自动化和智能化，建立飞行员对无人系统自主能力的信任，使飞行员能够从空中格斗任务中解放出来，聚焦于高层次的认知活动（如制定交战策略、选择目标、目标排序等），成为真正意义上的空战指挥官，为实现未来有人-无人编队奠定基础。

2020年3月，DARPA发布了专门针对ACE技术领域-1（TA-1）的广泛机构公告，技术领域-1聚焦为局部（单机和编队战术）行动构建自主战斗能力。此次广泛机构公告主要目的是征集支持空中格斗的人工智能算法。公告指出，ACE作为“马赛克战”最终愿景的关键组成部分，其解决方案必须在科技、装备或系统方面带来革命性突破，仅能够带来演进式提升的研究将不被纳入考虑范围。

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为单机和编队战术行动构建空战自主性的主要研究内容

技术领域-1通过在ACE项目的各个阶段中开发和验证自主平台机动算法，推进人工智能技术在单机和编队战术行为的自主空战机动应用。如图1所示，首先将开展建模仿真（M&D）工作，随后将逐步向现实应用推进，包括在真实小尺寸无人机上演示，最终运用到由技术领域-4的承研方改装的战斗机上。



图1 分阶段验证空中格斗能力：仿真、小尺寸无人机、全尺寸战斗机

技术领域-1将开展以下工作：
（1）为单机和编队战术行为开发空战机动算法
技术领域-1中每次交战的设定条件差异巨大，敌方能力各异，交战初始条件包括友方占据绝对优势到敌方占据绝对优势，兵力结构包括“1对1”、“2对1”和“2对2”交战（注：此处采用了交战排序的标准命名法，例如“2对1”代表2架蓝方，即友军飞机对1架红方，即敌军飞机）。

技术领域-1的申请者应对建议的技术途径做出详细描述，包括：

算法的结构和类型（可以建议多种算法途径），包括对预期实现的描述 各种算法的训练方法（包括途径、局限性、时间、硬件/软件/数据要求等） 关于每条建议算法途径的预期优势/劣势/局限性 为与能力各异的敌方战斗机对抗而扩展算法的策略 重点描述技术途径的创新要素

申请者必须说明其算法是如何设计和开发以开展“1对1”交战模式的，并在此基础上改进算法以满足“2对1”和“2对2”交战的需要。
（2）将算法与建模仿真环境、真实小尺寸飞机和真实全尺寸飞机集成
技术领域-1承研方负责将其空战机动算法与试验集成小组（EIT）提供的建模仿真环境和真实小尺寸飞机，以及技术领域-4承研方提供的战斗机集成。（注：试验集成小组是由政府牵头的独立组织，该小组将协调各技术领域之间开展的互相依赖的研究活动。由于多个承研方之间的复杂集成依赖于通用试验基础设施，EIT将负责开发和维护必要的接口控制文件（ICD）以及与建模仿真、小尺寸和全尺寸评估相关的应用程序接口（API））。每次进阶时（建模仿真环境、小尺寸飞机和真实全尺寸飞机），均从“1对1”交战开始，然后朝“2对1”和“2对2”编队交战方向发展。申请者应说明针对建模仿真环境，将如何设计和开发算法，以及为了适应小尺寸飞机和全尺寸飞机交战的新要求，将如何修改算法。另外，申请者还应提供其设计和开法此种算法途径的理由。
（3）实现作战自主能力与人类飞行员交互的策略
技术领域-1承研方将与技术领域-2承研方合作，共同确定技术领域-1算法可以提供什么信息以作为信任评估的依据，以及应如何通过技术领域-2承研方开发的人机接口向人类飞行员呈报关键信息，以便飞行员能够与作战自主能力交互并操纵作战自主能力。技术领域-1承研方还必须协调作战自主性与人类飞行员的控制切换，以支持对信任评估的评价工作。
（4）表征战术行为算法对战斗管理任务所做贡献，并提供与技术领域-3算法的接口
技术领域-1承研方将与技术领域-3承研方合作，共同制定局部行为算法与在战斗管理任务中执行全局行为算法的集成策略。技术领域-1承研方负责就其算法在技术领域-3任务中的使用方法提出建议，打包并向技术领域-3承研方发布其算法，以便实现与技术领域-3算法的集成。

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技术领域-1需考虑的技术实现问题
（1）状态与动作空间
在开发支持自主平台机动的算法时，首要考虑的细节是系统的状态和动作空间；即，可以从系统及其环境中观测到的信息集，以及用于指挥系统行动的机制。技术领域-1算法的状态空间元素将取决于每个仿真和真实飞机环境中可衡量并可向算法提供的属性，以及每个评价活动的特定目标。表1中包含的状态空间元素集应被视为试验集成小组将提供的典型状态空间属性，其中部分属性将可用于所有平台，而另外部分属性将仅可用于蓝方（友军）平台。当然，此类属性的详细信息及其格式，以及技术领域-1承研方与之交互的方式将随着项目的推进而变化。

表1技术领域-1算法的状态空间起始属性



其他衍生属性也可用于任务完成后的分析，例如与交战“得分”相关的信息，这些信息将为性能评价提供依据。评分标准将基于空对空武器的虚设武器交战区。交战得分更高的飞机将获得胜利，而主要评分指标则是技术领域-1算法在每种作战想定配置下的获胜概率。

为技术领域-1算法选择的动作空间将主要取决于小尺寸和全尺寸飞机的飞行控制系统设计。针对每一架友军飞机，承研方算法的动作空间应包含以下元素：

指定滚转角速率 指定俯仰角速度命令 指定偏航角速度 指定减速板位置 指定油门输入

ACE项目的最终目标是在具有作战代表性的全尺寸飞机上验证自主能力，因此在进行真实飞行试验时，所有状态和动作空间必须在物理上可实现。
（2）试验台概述
1）建模仿真环境概述

ACE项目将为全体承研方提供一个通用仿真环境，以供其在开发自主能力算法时使用。尽管承研方可以使用其他环境进行开发，但是承研方必须将所提供的环境和飞机模型用作其向政府交付以及为了评价活动集成的所有算法的基础。

试验集成小组分配的建模仿真环境应源自JSBSim，这是一种开源代码飞行动力学模型，可用于为多种不同飞机建模。政府将在OpenAI Gym基础上，使用基于Python的应用程序编程接口进行仿真。承研方应使用提供的应用程序编程接口调用仿真实例。一旦实例化，技术领域-1算法应通过使用函数调用，在环境中同步步进（synchronously stepping）每架飞机的飞行动态模型以执行仿真。同步步进将按照仿真执行频率进行，以确保仿真在已知状态下得到正确执行。在仿真中，模型本身要考虑在真实无人机中发送的异步命令与真实无人机响应之间的任何预期时延，这种时延正是ACE项目进行整体阶段划分的原因（ACE项目分为3个阶段，第1阶段的首要重点是在建模仿真中开发并验证关键能力。第2和第3阶段将分别在小尺寸和全尺寸环境下开展同样的工作）。

承研方可以使用“自我对决”（self-play）模式来开发其算法，但是政府将仅评价算法在对抗敌方飞机方面的表现。承研方应开发能够在JSBSim中控制多个不同飞行器模型的算法，并能够开发应用于飞行控制系统和性能完全不同的多飞行器的可扩展算法。

技术领域-1的申请者可以使用开源虚拟仿真应用程序flightgear来研究每个模拟飞机模型的JSBSim飞行动力学模型。FlightGear使用JSBSim的嵌入式实例来解析飞机控制系统，并在虚拟（人在回路）仿真执行中，使用动态响应来控制输入。由试验集成小组开发的建模仿真环境还将包括使用FlightGear的基于座舱的可视化技术，该可视化技术将由技术领域-1算法进行控制。

2）小尺寸飞机试验台概述

技术领域-1开发的算法将在类似于图2所示“毒蛇+（Viper +）”的小尺寸飞机上进行飞行试验。小尺寸飞机试验的目的是为了降低将算法集成到全尺寸飞机上的风险。申请者应该描述将如何利用小尺寸试验，包括如何利用通过小尺寸试验获得的数据来改善算法性能。申请者还需描述其算法如何应对相同类型的不同飞机之间的飞行动力学变化，应对由于质量（即，燃料负荷）而引起的变化，以及应对来自物理传感器的不完善观测结果。



图2 类似“毒蛇+（Viper+）”遥控飞行器将用于技术领域-1算法的小尺寸试验

构造模拟、小尺寸和全尺寸飞机之间的状态和动作空间将尽可能相似，但承研方应预料到上述飞机之间仍将存在一定差异。一般而言，承研方应使用相对于机身的俯仰、横滚和偏航角速度，以及油门位置和减速板命令（与有人驾驶飞行器的飞行方式类似）来控制小尺寸飞机。如果承研方不使用这些动作来控制小尺寸飞机，就必须清楚阐明使用其他途径对性能所带来的好处，并阐述如何利用基于速率的控制。状态向量将由飞机平台生成。飞机发出和接收的消息将利用空军研究实验室开发的LMCP报文协议。承研方须交付一种或多种算法，这些算法能够与试验集成小组指定的飞机接口兼容，并可在飞机上安装的硬件上运行。目前尚未选定确切的计算机硬件，但申请者应假定将使用尺寸小、重量轻、能耗低的处理器，例如英伟达Jetson TX2或英特尔NUC。

3）全尺寸飞机试验台概述

在真实飞机上集成算法将是一个迭代的过程，承研方应在建议书中纳入飞机对其算法的物理限制。例如，尽管技术领域-4承研方将负责适航性等问题，但是技术领域-1承研方应通过试验集成小组向技术领域-4承研方提交信息，以支持适航性审查。此外，预计提供给技术领域-1承研方的初始物理平台限制将比真实飞行试验中使用的最终约束条件更为宽松。承研方应讨论如何开发既能充分利用平台的运动能力（将用于构造性模拟仿真评价），又能够遵守安全限制条件（将用于真实飞行试验）的算法。

虽然目前尚无法提供全尺寸平台设计的全部细节，但承研方应考虑其算法将与诸如AeroL-39信天翁（图3）和通用动力 F-16D战斗机（图4）等平台进行集成。



图3  AeroL-39信天翁



图4  通用动力 F-16D战斗机

建议书应包括如何在仿真环境中检验算法，以建立对真实飞机作战安全性和有效性的信心，以及如何开发算法，以使其适用于控制性能和飞行控制系统差异极大的飞机等。
（3）作战想定配置参数
技术领域-1中的每次交战均可用一组参数表征，包括但不限于以下参数：

兵力结构：“1对1”、“2对1”或“2对2”交战。 将进行飞行试验的具体飞机模型（建模仿真）或真实飞机（小尺寸和全尺寸）：模拟交战中将使用不同的飞机模型，并且小尺寸和全尺寸飞机评估中也将使用多架不同的真实飞机。 构造性模拟、虚拟模拟、真实小尺寸和真实全尺寸飞机的构成：交战可能只包含构造性模拟飞机或真实飞机，或者包含构造性模拟、虚拟模拟和真实飞机的某种组合。 交战初始条件：每次交战将通过规定的相对位置、定向、初始速度、燃料状态以及其他信息表征。 各类假想敌：在ACE项目执行过程中，评估工作将涉及技术领域-1申请者开发的算法对抗试验集成小组开发的能力逐级提高的自主算法、技术领域-1不同申请者开发的算法之间的对抗，以及技术领域-1申请者开发的算法与人类飞行员操纵的虚拟或真实飞机的对抗。 可观测性与通信条件：状态空间内的测量指标属性和质量将根据从选定试验台可以测得的信息以及演习目标确定。这将包括会对状态信息的质量或可用性产生动态影响的任何传感器、通信模型或真实系统。 与飞机飞行控制系统的接口：动作空间的格式和内容取决于每次交战的飞机模型或真实飞机。 评分和待采集指标：评分将决定每次空中格斗的获胜者，指标将在多次交战结果的基础上推动性能评估。

该广泛机构公告指出，技术领域-1将向多位承研方授予合同，整个ACE项目进度如图5所示。与2019年6月5日DARPA为技术领域-2、-3和-4发布的BAA相比，各技术领域从原计划的2023年4季度延长至了2024年的1季度。



图5  ACE项目进度安排和阶段划分

李晓文编译自互联网

2020年4月20日

转自：防务快讯

投稿邮箱：liuyali@c2.org.cn

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