空戰演進（ACE）項目是“馬賽克戰”最終願景的關鍵組成部分。近日，美國國防高級研究計劃局（DARPA）公佈ACE項目技術領域-1的實現途徑及部分需求，徵集支持空中格鬥的人工智能算法，為單機和編隊戰術行動構建自主戰鬥能力。
2019年5月，DARPA宣佈啟動ACE項目，旨在實現空中視距內機動（通常被稱為空中格鬥或狗鬥，dogfight）的自動化和智能化，建立飛行員對無人系統自主能力的信任，使飛行員能夠從空中格鬥任務中解放出來，聚焦於高層次的認知活動（如制定交戰策略、選擇目標、目標排序等），成為真正意義上的空戰指揮官，為實現未來有人-無人編隊奠定基礎。
2020年3月，DARPA發佈了專門針對ACE技術領域-1（TA-1）的廣泛機構公告，技術領域-1聚焦為局部（單機和編隊戰術）行動構建自主戰鬥能力。此次廣泛機構公告主要目的是徵集支持空中格鬥的人工智能算法。公告指出，ACE作為“馬賽克戰”最終願景的關鍵組成部分，其解決方案必須在科技、裝備或系統方面帶來革命性突破，僅能夠帶來演進式提升的研究將不被納入考慮範圍。
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為單機和編隊戰術行動構建空戰自主性的主要研究內容
技術領域-1通過在ACE項目的各個階段中開發和驗證自主平臺機動算法，推進人工智能技術在單機和編隊戰術行為的自主空戰機動應用。如圖1所示，首先將開展建模仿真（M&D）工作，隨後將逐步向現實應用推進，包括在真實小尺寸無人機上演示，最終運用到由技術領域-4的承研方改裝的戰鬥機上。
圖1 分階段驗證空中格鬥能力：仿真、小尺寸無人機、全尺寸戰鬥機
技術領域-1將開展以下工作：
（1）為單機和編隊戰術行為開發空戰機動算法
技術領域-1中每次交戰的設定條件差異巨大，敵方能力各異，交戰初始條件包括友方佔據絕對優勢到敵方佔據絕對優勢，兵力結構包括“1對1”、“2對1”和“2對2”交戰（注：此處採用了交戰排序的標準命名法，例如“2對1”代表2架藍方，即友軍飛機對1架紅方，即敵軍飛機）。
技術領域-1的申請者應對建議的技術途徑做出詳細描述，包括：
- 算法的結構和類型（可以建議多種算法途徑），包括對預期實現的描述
- 各種算法的訓練方法（包括途徑、侷限性、時間、硬件/軟件/數據要求等）
- 關於每條建議算法途徑的預期優勢/劣勢/侷限性
- 為與能力各異的敵方戰鬥機對抗而擴展算法的策略
- 重點描述技術途徑的創新要素
申請者必須說明其算法是如何設計和開發以開展“1對1”交戰模式的，並在此基礎上改進算法以滿足“2對1”和“2對2”交戰的需要。
（2）將算法與建模仿真環境、真實小尺寸飛機和真實全尺寸飛機集成
技術領域-1承研方負責將其空戰機動算法與試驗集成小組（EIT）提供的建模仿真環境和真實小尺寸飛機，以及技術領域-4承研方提供的戰鬥機集成。（注：試驗集成小組是由政府牽頭的獨立組織，該小組將協調各技術領域之間開展的互相依賴的研究活動。由於多個承研方之間的複雜集成依賴於通用試驗基礎設施，EIT將負責開發和維護必要的接口控制文件（ICD）以及與建模仿真、小尺寸和全尺寸評估相關的應用程序接口（API））。每次進階時（建模仿真環境、小尺寸飛機和真實全尺寸飛機），均從“1對1”交戰開始，然後朝“2對1”和“2對2”編隊交戰方向發展。申請者應說明針對建模仿真環境，將如何設計和開發算法，以及為了適應小尺寸飛機和全尺寸飛機交戰的新要求，將如何修改算法。另外，申請者還應提供其設計和開發此種算法途徑的理由。
（3）實現作戰自主能力與人類飛行員交互的策略
技術領域-1承研方將與技術領域-2承研方合作，共同確定技術領域-1算法可以提供什麼信息以作為信任評估的依據，以及應如何通過技術領域-2承研方開發的人機接口向人類飛行員呈報關鍵信息，以便飛行員能夠與作戰自主能力交互並操縱作戰自主能力。技術領域-1承研方還必須協調作戰自主性與人類飛行員的控制切換，以支持對信任評估的評價工作。
（4）表徵戰術行為算法對戰鬥管理任務所做貢獻，並提供與技術領域-3算法的接口
技術領域-1承研方將與技術領域-3承研方合作，共同制定局部行為算法與在戰鬥管理任務中執行全局行為算法的集成策略。技術領域-1承研方負責就其算法在技術領域-3任務中的使用方法提出建議，打包並向技術領域-3承研方發佈其算法，以便實現與技術領域-3算法的集成。
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技術領域-1需考慮的技術實現問題
（1）狀態與動作空間
在開發支持自主平臺機動的算法時，首要考慮的細節是系統的狀態和動作空間；即，可以從系統及其環境中觀測到的信息集，以及用於指揮系統行動的機制。技術領域-1算法的狀態空間元素將取決於每個仿真和真實飛機環境中可衡量並可向算法提供的屬性，以及每個評價活動的特定目標。表1中包含的狀態空間元素集應被視為試驗集成小組將提供的典型狀態空間屬性，其中部分屬性將可用於所有平臺，而另外部分屬性將僅可用於藍方（友軍）平臺。當然，此類屬性的詳細信息及其格式，以及技術領域-1承研方與之交互的方式將隨著項目的推進而變化。
表1技術領域-1算法的狀態空間起始屬性
其他衍生屬性也可用於任務完成後的分析，例如與交戰“得分”相關的信息，這些信息將為性能評價提供依據。評分標準將基於空對空武器的虛設武器交戰區。交戰得分更高的飛機將獲得勝利，而主要評分指標則是技術領域-1算法在每種作戰想定配置下的獲勝概率。
為技術領域-1算法選擇的動作空間將主要取決於小尺寸和全尺寸飛機的飛行控制系統設計。針對每一架友軍飛機，承研方算法的動作空間應包含以下元素：
- 指定滾轉角速率
- 指定俯仰角速度命令
- 指定偏航角速度
- 指定減速板位置
- 指定油門輸入
ACE項目的最終目標是在具有作戰代表性的全尺寸飛機上驗證自主能力，因此在進行真實飛行試驗時，所有狀態和動作空間必須在物理上可實現。
（2）試驗檯概述
1）建模仿真環境概述
ACE項目將為全體承研方提供一個通用仿真環境，以供其在開發自主能力算法時使用。儘管承研方可以使用其他環境進行開發，但是承研方必須將所提供的環境和飛機模型用作其向政府交付以及為了評價活動集成的所有算法的基礎。
試驗集成小組分配的建模仿真環境應源自JSBSim，這是一種開源代碼飛行動力學模型，可用於為多種不同飛機建模。政府將在OpenAI Gym基礎上，使用基於Python的應用程序編程接口進行仿真。承研方應使用提供的應用程序編程接口調用仿真實例。一旦實例化，技術領域-1算法應通過使用函數調用，在環境中同步步進（synchronously stepping）每架飛機的飛行動態模型以執行仿真。同步步進將按照仿真執行頻率進行，以確保仿真在已知狀態下得到正確執行。在仿真中，模型本身要考慮在真實無人機中發送的異步命令與真實無人機響應之間的任何預期時延，這種時延正是ACE項目進行整體階段劃分的原因（ACE項目分為3個階段，第1階段的首要重點是在建模仿真中開發並驗證關鍵能力。第2和第3階段將分別在小尺寸和全尺寸環境下開展同樣的工作）。
承研方可以使用“自我對決”（self-play）模式來開發其算法，但是政府將僅評價算法在對抗敵方飛機方面的表現。承研方應開發能夠在JSBSim中控制多個不同飛行器模型的算法，並能夠開發應用於飛行控制系統和性能完全不同的多飛行器的可擴展算法。
技術領域-1的申請者可以使用開源虛擬仿真應用程序FlightGear來研究每個模擬飛機模型的JSBSim飛行動力學模型。FlightGear使用JSBSim的嵌入式實例來解析飛機控制系統，並在虛擬（人在迴路）仿真執行中，使用動態響應來控制輸入。由試驗集成小組開發的建模仿真環境還將包括使用FlightGear的基於座艙的可視化技術，該可視化技術將由技術領域-1算法進行控制。
2）小尺寸飛機試驗檯概述
技術領域-1開發的算法將在類似於圖2所示“毒蛇+（Viper +）”的小尺寸飛機上進行飛行試驗。小尺寸飛機試驗的目的是為了降低將算法集成到全尺寸飛機上的風險。申請者應該描述將如何利用小尺寸試驗，包括如何利用通過小尺寸試驗獲得的數據來改善算法性能。申請者還需描述其算法如何應對相同類型的不同飛機之間的飛行動力學變化，應對由於質量（即，燃料負荷）而引起的變化，以及應對來自物理傳感器的不完善觀測結果。
圖2 類似“毒蛇+（Viper+）”遙控飛行器將用於技術領域-1算法的小尺寸試驗
構造模擬、小尺寸和全尺寸飛機之間的狀態和動作空間將盡可能相似，但承研方應預料到上述飛機之間仍將存在一定差異。一般而言，承研方應使用相對於機身的俯仰、橫滾和偏航角速度，以及油門位置和減速板命令（與有人駕駛飛行器的飛行方式類似）來控制小尺寸飛機。如果承研方不使用這些動作來控制小尺寸飛機，就必須清楚闡明使用其他途徑對性能所帶來的好處，並闡述如何利用基於速率的控制。狀態向量將由飛機平臺生成。飛機發出和接收的消息將利用空軍研究實驗室開發的LMCP報文協議。承研方須交付一種或多種算法，這些算法能夠與試驗集成小組指定的飛機接口兼容，並可在飛機上安裝的硬件上運行。目前尚未選定確切的計算機硬件，但申請者應假定將使用尺寸小、重量輕、能耗低的處理器，例如英偉達Jetson TX2或英特爾NUC。
3）全尺寸飛機試驗檯概述
在真實飛機上集成算法將是一個迭代的過程，承研方應在建議書中納入飛機對其算法的物理限制。例如，儘管技術領域-4承研方將負責適航性等問題，但是技術領域-1承研方應通過試驗集成小組向技術領域-4承研方提交信息，以支持適航性審查。此外，預計提供給技術領域-1承研方的初始物理平臺限制將比真實飛行試驗中使用的最終約束條件更為寬鬆。承研方應討論如何開發既能充分利用平臺的運動能力（將用於構造性模擬仿真評價），又能夠遵守安全限制條件（將用於真實飛行試驗）的算法。
雖然目前尚無法提供全尺寸平臺設計的全部細節，但承研方應考慮其算法將與諸如AeroL-39信天翁（圖3）和通用動力 F-16D戰鬥機（圖4）等平臺進行集成。
圖3 AeroL-39信天翁
圖4 通用動力 F-16D戰鬥機
建議書應包括如何在仿真環境中檢驗算法，以建立對真實飛機作戰安全性和有效性的信心，以及如何開發算法，以使其適用於控制性能和飛行控制系統差異極大的飛機等。
（3）作戰想定配置參數
技術領域-1中的每次交戰均可用一組參數表徵，包括但不限於以下參數：
- 兵力結構：“1對1”、“2對1”或“2對2”交戰。
- 將進行飛行試驗的具體飛機模型（建模仿真）或真實飛機（小尺寸和全尺寸）：模擬交戰中將使用不同的飛機模型，並且小尺寸和全尺寸飛機評估中也將使用多架不同的真實飛機。
- 構造性模擬、虛擬模擬、真實小尺寸和真實全尺寸飛機的構成：交戰可能只包含構造性模擬飛機或真實飛機，或者包含構造性模擬、虛擬模擬和真實飛機的某種組合。
- 交戰初始條件：每次交戰將通過規定的相對位置、定向、初始速度、燃料狀態以及其他信息表徵。
- 各類假想敵：在ACE項目執行過程中，評估工作將涉及技術領域-1申請者開發的算法對抗試驗集成小組開發的能力逐級提高的自主算法、技術領域-1不同申請者開發的算法之間的對抗，以及技術領域-1申請者開發的算法與人類飛行員操縱的虛擬或真實飛機的對抗。
- 可觀測性與通信條件：狀態空間內的測量指標屬性和質量將根據從選定試驗檯可以測得的信息以及演習目標確定。這將包括會對狀態信息的質量或可用性產生動態影響的任何傳感器、通信模型或真實系統。
- 與飛機飛行控制系統的接口：動作空間的格式和內容取決於每次交戰的飛機模型或真實飛機。
- 評分和待採集指標：評分將決定每次空中格鬥的獲勝者，指標將在多次交戰結果的基礎上推動性能評估。
該廣泛機構公告指出，技術領域-1將向多位承研方授予合同，整個ACE項目進度如圖5所示。與2019年6月5日DARPA為技術領域-2、-3和-4發佈的BAA相比，各技術領域從原計劃的2023年4季度延長至了2024年的1季度。
