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本文授權轉自： 空天防務觀察—孫友師

2019年7月24日，美國洛克希德·馬丁公司（簡稱洛馬公司）宣佈，公司已開始在美空軍F-35A戰鬥機上裝備對地自動防撞系統，比原計劃提前了七年。該系統是在飛機飛行控制系統中引入一項新的控制功能，目的是避免飛機撞擊地面。該系統已經配裝美空軍F-16戰鬥機上，取得了較好效果。此外，美空軍還研發了空中自動防撞系統,並正在研發整合空中防撞和對地防撞功能的綜合自動防撞系統。通過裝備這些系統，戰鬥機的飛行安全可得到極大提升。

一、研發背景

1．空中相撞和“可控飛行撞地”事故嚴重威脅戰鬥機飛行安全

美軍方研究表明，空中相撞和“可控飛行撞地”（CFIT，由於飛行員迷失方向、缺氧、過載導致的喪失意識等原因造成的飛機撞地事故）是造成戰鬥機致命性事故的主要原因。據統計，美軍戰鬥機部隊犧牲的飛行員中，有28%死於空中相撞和CFIT事故，墜毀的飛機有22%是由空中相撞和CFIT共同導致。美國聯邦航空局報告顯示，2004年，空中相撞是第五大戰鬥機事故原因。2019年4月9日，日本航空自衛隊一架F-35A在太平洋墜毀，這是世界上首起F-35A墜毀事故，事故原因被判定為飛行員空間迷向，也屬於CFIT事故。

2．美空軍希望通過自動防撞技術降低飛行事故率

早在2003年5月，美時任國防部長拉姆斯菲爾德就簽發了《降低可預防事故》的備忘錄，要求將美軍飛行事故率降低50%。2004年3月，時任國防部常務副部長沃爾福威茨在《2006－2011財年戰略規劃指南》中，要求將事故率降低75%。2007年5月，時任國防部長蓋茨釋出了《零可預防事故》的備忘錄，支援上述舉措。此外，美軍曾統計2000年至2013年發生的可通過自動防撞技術避免的致命性事故，這些事故帶來的損失是：損失F-16飛機17架、飛行員14名；損失F/A-18戰鬥機10架、飛行員7名；損失F-22戰鬥機2架、飛行員2名。美軍認為，通過戰鬥機配裝對地自動防撞系統，有望顯著減少戰鬥機致命事故。因此，美軍將自動防撞技術視為提高飛行安全的重要手段。

2019年2月21日，美空軍第461飛行試驗中隊的一架F-35A在美國塞拉山脈的山谷中穿行（美國克里斯托弗·麥格里維攝影，圖片轉自美國《飛行者》網站）

二、研發歷程和最新進展

1．對地自動防撞系統

美空軍研究實驗室、美國航空航天局等機構從1984年起就開始研發對地自動防撞系統。1991年至1993年，美空軍又開展了後續的研發試驗活動。1997年1月至1998年11月，美空軍和瑞典空軍合作開展了對地自動防撞系統飛行試驗。但後續研發由於經費不足而停滯。

隨著美國防部提出降低飛行事故率的要求，對地自動防撞系統的研發又獲得了支援。2007年，美空軍研究實驗室啟動了“自動防撞技術／戰鬥機風險降低”計劃，專案目標是降低對地自動防撞系統的應用風險，使該技術能夠快速向美軍第40/50批次F-16，以及F-22和F-35飛機轉化應用。

2010年年底，對地自動防撞系統試驗取得良好結果，被納入F-16作戰飛行軟體升級計劃，從2014年10月開始在配備有數字式電傳飛控系統的F-16第40/50批次戰鬥機上安裝。從2015年起，美空軍又開始為F-22安裝對地自動防撞系統。

美空軍在愛德華茲基地進行對地自動防撞系統試飛時，使用了多架F-16飛機開展不同階段不同條件下的試驗（美空軍圖片）

2018年11月，美空軍開始在愛德華茲基地進行F-35A配裝對地自動防撞系統的試飛，確保該系統與F-35上其他機載軟體相容。目前，該系統比計劃提前七年裝備F-35，表明其技術已發展成熟。

2019年2月21日，美空軍第461飛行試驗中隊的一架F-35A在美國塞拉山脈的山谷中進行急轉彎飛行（美國克里斯托弗·麥格里維攝影，圖片轉自美國《飛行者》網站）

2．空中自動防撞系統

2000年，美空軍研究實驗室與瑞典國防裝備管理局合作，共同啟動了自動空中防撞系統研究專案，由波音公司、洛馬公司和瑞典薩伯公司聯合開發一種空中防撞技術。2002年至2003年，空中自動防撞系統被安裝到兩架F-16上進行了飛行演示。在演示中，兩架F-16不斷相互靠近，空中防撞系統在無飛行員指令的情況下，自動操縱飛機及時採取了規避相撞的機動。

由於經費不足，空中自動防撞系統後續研究工作停滯多年，直到2010年，洛馬公司才重新啟動研究。2014年3月至9月，美空軍在愛德華茲空軍基地進行了32次空中自動防撞系統的飛行試驗，並於2015年完成研發工作。

3．綜合自動防撞系統

2015年起，美空軍開始將對地和空中自動防撞系統的功能進行綜合，研發綜合自動防撞系統。2016年，美空軍完成了該系統第一階段的試驗。2017年4月開始第二階段試驗。目前綜合自動防撞系統還處於研發中。

三、工作原理、關鍵技術和應用效果

1．工作原理

美空軍對自動防撞系統的設計提出了三條基本設計原則：無害、不干涉和防碰撞。“無害”是指該系統不會引起事故；“不干涉”是指該系統不會干擾飛行員完成任務；“防碰撞”是指該系統能夠最大限度防止飛機與地面或其他飛機相撞情況的發生。這三條設計原則中“無害”要求優先度最高、“不干涉”次之、“防碰撞”最低，這意味著如果自動防撞系統會造成飛機損傷或者妨礙飛行員執行任務，則系統會被強制進入不啟動的狀態。

對地自動防撞系統在F-16戰鬥機上進行試飛時，部分裝置和系統被裝到了飛機翼尖掛載的P5系列AN/ASQ-T50(V)1型空戰機動儀表吊艙中，從而簡化了試驗方案設計（美空軍圖片）

對地自動防撞系統採用精確導航和數字地形資料監測飛機相對於任何已知障礙物的確切位置，並將飛機的飛行軌跡疊加到數字地形圖上，通過比對確定飛機飛行軌跡是否會與地面或其它障礙物相撞。如果可能相撞，系統會操縱飛機採取規避機動動作，持續評估各種規避型別和機動能力，並根據碰撞威脅預測演算法自動找出最匹配的威脅想定，計算出耗時最少且最安全的規避線路。

空中自動防撞系統在所有戰鬥機之間來回傳輸多組飛行軌跡資訊，一旦計算出兩架戰鬥機可能發生空中相撞，將在碰撞前數秒內自動執行預定的規避策略，讓兩架飛機同時採取規避機動。在實施協同規避機動時，戰鬥機會做出規避機動動作，機動規避過程會讓飛行員處於可承受的過載狀態。自動規避後1至2秒，空中自動防撞系統將飛機控制權交還給飛行員。

美空軍“綜合自動防撞系統”演算法邏輯框圖（美空軍F-16戰鬥機綜合自動防撞系統開發小組圖片）

2．關鍵技術

自動防撞系統涉及的主要關鍵技術包括防撞演算法設計技術、地形資料庫技術、導航與感測器技術等。

防撞演算法設計是自動防撞系統的核心。對地自動防撞系統的防撞演算法包括軌跡預測、地形掃描、碰撞預估和飛控耦合四部分。“軌跡預測”在飛機執行自動恢復或機動過程中預測飛機的飛行軌跡。“地形掃描”根據飛機當前空速、轉彎速率和飛行軌跡角的不同，從地形資料庫中選取適當的區域，構建飛機前方地形剖面圖。“碰撞預估”將預測的飛行軌跡疊加到地形剖面圖上，判斷飛機是否將與地面碰撞。“飛控耦合”響應來自碰撞預估程式的請求，並命令飛機執行自動恢復機動。

F-35戰鬥機上對地自動防撞系統工作流程說明圖（美國洛馬公司圖片）

地形資料庫技術是對地自動防撞系統不可或缺的關鍵技術。目前涵蓋範圍最大的地形資料庫為“太空梭雷達地形測繪使命”（SRTM）數字地形高程資料庫，該資料庫是2000年由美國“奮進”號太空梭測繪而得，覆蓋全球80%以上的陸地表面，經處理的資料精度達平面精度±20米、高程精度±16米。

導航與感測器技術用於對飛機進行精確定位。為了防止在戰鬥中暴露自身的位置，感測器要求無源。F-16的對地自動防撞系統利用來自嵌入式全球定位系統／慣性導航系統的資訊進行定位。

針對F-16第40批次前採用的模擬式飛控計算機，洛馬公司和BAE系統公司開發了一種混合計算機技術，將數字處理器嵌入到模擬計算機中，使之可以執行自動防撞系統軟體。

3．應用效果

自動對地防撞系統自安裝在F-16上以來取得了顯著效果，安裝後一年多，就已經4次避免了F-16的撞地事故。截至2019年7月24日宣佈為F-35A加裝時，該系統已在F-16上執行5年，挽救了8名飛行員的生命。美空軍估計：在F-16剩餘服役期內，該系統還將拯救10名飛行員和14架飛機，由此減少損失5.3億美元；在F-35A服役期內，該系統可防止至少26次撞地事故。

“自動防撞地系統”對美空軍F-16戰鬥機機隊的安全性影響統計資料（美空軍圖片）

四、啟示

飛行安全是各國空中力量都高度重視的一個問題。美空軍的實踐已證明，對地自動防撞系統是防止可控飛行撞地事故的有效解決方案。該軍種已經完成了對地自動防撞系統的研發，正在加速多機型、跨軍種推廣應用，同時開展了綜合自動防撞系統的研發，將有效提高美軍訓練和作戰飛行的安全性。