DE69908641T2

DE69908641T2 - Kampffliegerhilfsystem

Info

Publication number: DE69908641T2
Application number: DE69908641T
Authority: DE
Inventors: Johnathan Hayes; Terence Prendergast
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1998-12-12
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2019-12-11
Also published as: JP2002532677A; ES2201816T3; EP1137906B1; EP1137906A1; WO2000036362A1; DE69908641D1; AU1788700A; ATE242468T1; US6658980B1; GB9827358D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kampf-Hilfssystem zur Verarbeitung von Eingangsdaten, um Daten zu erhalten, die nützlich sind vor oder während des Einsatzes eines Lenkflugkörpers, und weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Benutzung in derartigen Systemen und auf Verfahren, die in derartigen Systemen durchgeführt werden. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf derartige Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Benutzung an Bord eines Flugzeuges.
Moderne Kampfflugzeuge sind mit einer großen Auswahl von aktiven und passiven Verteidigungs- oder Angriffssystemen versehen, beispielsweise mit Lenkwaffen, elektronischen Gegenmaßnahmen usw., und es ist eine beträchtliche Menge an Informationen für den Piloten verfügbar. Beispielsweise wird eine nützliche Information vom Flugcomputer bezüglich der Flugparameter und Betriebsbedingungen des Flugzeugs geliefert. Weiter liefert der Computer intelligente Informationen bezüglich der wichtigen Ziele; er liefert ferner Daten, die die Charakteristiken und die Arbeitsweise von Lenkwaffen an Bord des Flugzeugs identifizieren. Außerdem werden Radarbilder und Infrarotbilder potentieller Ziele und sehr viel mehr angezeigt. Zur Durchführung einer erfolgreichen Mission sind alle Systeme äußerst begehrt, die die Arbeit des Piloten bei der Verarbeitung und Benutzung dieser großen Auswahl von Daten erleichtern.
Insbesondere ist es extrem wichtig in der Lage zu sein, mit hoher Genauigkeit die vier kritischen Entscheidungsparameter zu berechnen oder vorherzusagen, die benötigt werden, um die Lenkwaffe zu starten, nämlich Rmax, Rmin, Rno-action, Rno-escape. Rmax ist die maximale Reichweite des Lenkwaffentyps bei der gegenwärtigen Zielfluglage; Rmin ist die minimale Reichweite des Lenkwaffentyps bei der gegenwärtigen Zielfluglage; Rno-action ist die Reichweite, bei der die Lenkwaffe das Ziel erfassen würde, aber andere Faktoren einen Start verhindern (d. h. die Schließrate würde bedeuten, daß die Zündung der Lenkwaffe zu nahe am Startflugzeug erfolgen würde) und Rno-escape ist die Reichweite, bei der das Ziel der erfolgreichen Startzone der Lenkwaffe nicht entkommen kann.
Es ist ein Kampfflieger-Hilfssystem entwickelt worden, welches einen Piloten in einer Kampfsituation unterstützt, um die Daten von Sensoren im Flugsteuersystem zu übernehmen, um die vier oben erwähnten kritischen Werte zurückzuführen. In dem weiter unten beschriebenen System berechnet ein Prozessor an Bord des Flugzeuges einen oder mehrere der obigen Parameter und ist in der Lage, periodisch mit einem Lernmodul in Verbindung zu treten, das im typischen Falle am Boden befindlich ist und Modelldaten von einem Modell der Lenkwaffe sowie historische Daten über Zündungen der jeweiligen Lenkwaffe oder eines ähnlichen Lenkwaffentyps von dem gleichen oder einem ähnlichen Flugzeug zur Verfügung hat. Das Lernmodul kann diese Daten in einer Lernroutine benutzen, um eine Reihe von Lernparametern abzuleiten, um das System an Bord des Flugzeuges umzuprogrammieren.
Die DE-A-19645556 beschreibt eine selbstlernendes System zur Erzeugung von Steuersignalen zur Steuerung einer bereits gestarteten Lenkwaffe während ihres Fluges.
Gemäß einem Merkmal schafft die Erfindung ein Kampfflieger-Hilfssystem für ein mit einer Lenkwaffe ausgerüstetes Flugzeug, wobei das System die folgenden Merkmale aufweist:
ein Laufzeitmodul an Bord des Flugzeugs, bestehend aus einem Prozessor, der Eingangsdaten empfängt, welche gewählte Arbeitsparameter des Flugzeuges und/oder der Lenkwaffe repräsentieren und zur Ausgabe von Daten, die einen oder mehrere Parameter identifizieren, die sich auf den Start des Flugkörpers beziehen;
ein Lernmodul mit einem adaptiven Prozessor, welches von verherigen oder modulierten Daten unterwiesen wird, die sich auf das Flugzeug und/oder die Lenkwaffe und/oder das jeweilige Ziel beziehen, um die Beziehung zwischen den Eingangsdaten und den Ausgangsdaten kennenzulernen und um die Programmierungsparameter des adaptiven Prozessors entsprechend einzustellen;
Mittel zur Umprogrammierung des Prozessors des Laufzeitmoduls gemäß den eingestellten Parametern des adaptiven Prozessors, und
Mittel an Bord des Flugzeuges zur Speicherung von Daten, die sich auf einen Start der Lenkwaffe beziehen zur späteren Benutzung durch das Lernmodul.
Vorzugsweise ist der Laufzeitmodul-Prozessor ein Neuronennetz. Vorzugsweise umfaßt das Lernmodul des adaptiven Prozessors ein Neuronennetz mit einer ähnlichen Topologie wie jenes des Laufzeit-Prozessors.
Vorzugsweise identifizieren die Ausgangsdaten des Laufzeitmodul-Prozessors die vier Werte Rmax, Rmin, Rno-action und Rno-escape. Vorzugsweise liefert das Laufzeitmodul zusätzlich Ausgangsdaten, die anzeigen, ob der Pilot die Lenkwaffe abfeuern sollte oder nicht.
Vorzugsweise umfaßt das Lernmodul ein Modell, welches die Flugleistungen der Lenkwaffe repräsentiert. Vorzugsweise umfaßt das Lernmodul Mittel zur Speicherung historischer Daten, die sich auf frühere Abfeuerungsvorgänge der Lenkwaffe oder ähnlicher Lenkwaffen vom Flugzeug oder einem ähnlichen Flugzeug beziehen.
Vorzugsweise umfaßt das Laufzeitmodul Mittel zur Ableitung und Sortierung von Daten, die sich auf das Abfeuern einer tatsächlichen Lenkwaffe beziehen, um später durch das Lernmodul benutzt zu werden.
Vorzugsweise umfaßt das Laufzeitmodul ein Neuronennetz, welches mit Lerndaten versehen ist, die die Lenkwaffeninformationen modellieren und außerdem Mittel, um im Betrieb dem Neuronennetz Parameter einzugeben, die sich auf das beabsichtigte Ziel beziehen, wodurch das Neuronennetz wenigstens einige der Paramter liefert, die zum Start der Lenkwaffe erforderlich sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal betrifft dis vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung ausgewählter Startparameter zum Starten einer Lenkwaffe von einem Flugzeug, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
es werden ausgewählte Betriebsparameter des Flugzeugs und/oder der Lenkwaffe einem Laufzeitmodul an Bord des Flugzeugs zugeführt, das einen Prozessor aufweist, der vorher geschult wurde, um Daten auszugeben, die einen oder mehrere Parameter identifizieren, welche sich auf den Start der Lenkwaffe beziehen,
es wird ein Lernmodul vorgesehen, welches einen adaptiven Prozessor aufweist, der aufgrund vorheriger oder modellierter Daten geschult wurde, die sich auf das Flugzeug und/oder auf die Lenkwaffe und/oder auf das Ziel der Lenkwaffe beziehen, um die Beziehung zwischen den Eingangsdaten und den Ausgangsdaten zu erkennen und um die Programmierungsparameter des adaptiven Prozessors entsprechend einzustellen, wobei diese eingestellten Programmierungsparameter benutzt werden, um den Laufzeitmodul-Prozessor umzuprogrammieren, und
es werden an Bord des Flugzeugs Daten gespeichert, die sich auf den Start der Lenkwaffe beziehen, um sie später durch das Lernmodul zu benutzen.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden, und ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden im einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Kampfflieger-Hilfssystems gemäß der Erfindung.
Das Kampfflieger-Hilfssystem 10 umfaßt gemäß der Zeichnung Kampfflieger- Hilfsvorrichtungen 12, 12', die in einem Laufzeitmodul 14 an Bord des Flugzeugs angeordnet sind und außerdem ein am Boden angeordnetes Lernmodulsystem 16. Das am Boden angeordnete Lernmodul 16 lädt im typischen Fall Daten von einer Gruppe von Flugzeugen in ähnlicher Umgebung herunter und liefert Umprogrammierungs-Koeffizienten für die Laufzeitmodule 14 für diese.
Das Laufzeitmodul 14 an Bord des Flugzeugs bearbeitet Daten von verschiedenen Sensoren an Bord des Flugzeugs und von dem Flugsteuersystem und schickt diese nach dem Eingang eines Prozessors, der ein Neuronennetz 26 aufweist, der eine radiale Basisfunktion ausführt, um die vier kritischen Werte Rmax, Rmin, Rno-action, Rno- escape für den Start einer Luft-Luft-Lenkwaffe zu liefern. Außer der Lieferung dieser Information wird der Ausgang des Neuronennetzes auch einem Entscheidungs- Algorithmus 28 zugeführt, der eine Entscheidung ABFEUERN/NICHT ABFEUERN liefert und dies dem Piloten an einem Display erkennbar macht.
Das Neuronennetz ist ein mehrlagiges Perzeptron, das radiale Basisfunktionen in den verborgenen Einheiten benutzt. Die Eingangsdaten sind vorprogrammiert unter Benutzung einer a-priori-Kenntnis erfolgreicher Startzonen der Lenkwaffe. Gemäß einem Beispiel betrug die minimale Zahl von Eingängen, für welche konsistente Ergebnisse erlangt wurden, sechs. Vier davon wurden oben beschrieben und die anderen beiden sind eindeutig für die Anwendung. Die Zahl der Eingänge (und der verborgenen Einheiten) kann erhöht werden, aber dies führt zu einer weniger optimalen Durchführung für diese spezielle Anwendung. Bei anderen Anwendungen, die unterschiedliche Programmierungstreiber besitzen, kann die Ausbildung des Neuronennetzes unterschiedlich sein.
Das am Boden befindliche Lernmodul 16 unterweist die zugeordnete Kampfflieger- Hilfsvorrichtung 12' unter Benutzung der Lenkwaffen-Modelldaten, die durch ein Simulationsmodell 18 erzeugt wurden, und außerdem Rückführungsdaten von tatsächlichen Lenkwaffenzündungen, die von dem Waffensteuersystem an Bord des Flugzeuges wiedergewonnen wurden und in einem historischen Datenspeicher 20 im Systemlernmodul 16 gespeichert wurden. Das Simulationsmodul 18 drückt das Waffenverhalten in gegebenen Situationen in Ausdrücken von Entfernung, Geschwindigkeit, Höhe, Zielaspekt und Flugzeug aus, jeweils normalisiert auf radiale Basisfunktionen.
Die vom Simulationsmodell gelieferten Lehrdaten werden bei 22 vorbehandelt unter Benutzung eines Auswahl- und Rasteralgorithmus, um zu gewährleisten, daß die Daten in einem optimalen Zustand zum Lernen bereit sind, indem die Modelldaten für eine spezielle Type des Neuronennetzes verfeinert und angepaßt werden. Die vorbehandelten Daten werden dann der Eingangsschicht des Lernneuronennetzes 24 zugeführt, und die Ausgänge werden den Ausgängen des Neuronennetzes 24 zugeführt. Die Matrix der Gewichte für das Neuronennetzwerk werden unter Benutzung eines Fehler(zurück)-Ausbreitungsalgorithmus oder eines selbstorganisierenden MAP-Protokolls bestimmt.
Das Neuronennetz 24 kann ursprünglich unter Benutzung einer gewichteten Gruppe von Daten über verschiedene Iterationen geschult werden, entweder für die tatsächliche Lenkwaffe oder eine, von der bekannt ist, daß sie ein ähnliches Verhalten hat.
Durch die Schulung lernt das Neuronennetz 24 die Charakteristiken der Lenkwaffe unter unterschiedlichen Kampfszenen kennen. Die Matrix der Gewichte für das Neuronennetz, das von dem Systemlernmodul abgeleitet wird, wird dann in das Neuronennetz 26 der Kampfflieger-Hilfsvorrichtung 12 in dem Laufzeitmodul 14 an Bord des Flugzeugs geladen. Bei diesem Beispiel werden die Werte Rmax, Rmin, Rno- escape und Rno-action am Ausgang des Neuronennetzes erzeugt, nachdem dieses geschult wurde. Um das Neuronennetz zu schulen, werden Gruppen von Daten in das Neuronennetz unter den folgenden Oberbegriffen eingegeben:
(a) erfaßte Höhe
(b) erfaßte Mach-Zahl
(c) Zielhöhe
(d) Ziel-Mach-Zahl
(e) Fluglage
(f) Rmin
Die Dateneingaben können als Gruppen von vier Datenreihen angesehen werden. In jeder Gruppe sind die Werte von (a) bis (e) die gleichen, aber für (f) enthält jede Reihe einen der Werte von Rmax, Rmin, Rno-escape, und Rno-action, so daß die Dateneingaben die letzteren Werte für jede Gruppe von Werten für (a) bis (e) haben. Die "Fluglage" repräsentiert den Abfangwinkel der Ziellinie. Die Beziehung in einer Datei zwischen den Werten der Fluglage und Rmax, Rmin, Rno-escape und Rno- action macht jede Reihe von Daten einzigartig, und die Dateien, die zur Schulung benutzt werden, enthalten Daten für unterschiedliche Werte der Fluglage.
Während der Schulung werden die Parameter (a) bis (e) den Eingängen des Neuronennetzes zugeführt, und die jeweiligen Parameter (f) werden dem Ausgang zugeführt, und die Neuronennetzgewichte werden eingestellt.
Im Rückfragemodus oder im Laufmodus werden die ersten fünf Parameter (a) bis (e) von den Flugzeuginstrumenten oder Sensoren abgelesen und dem Neuronennetz zugeführt, welches dann Werte für Rmax, Rmin, Rno-escape und Rno-action liefert.
Die Dateien zur Schulung beziehen sich auf eine bestimmte Lenkwaffe und modellieren das Gesamtverhalten der Lenkwaffe. Das so geschulte Neuronennetz ist daher für alle Lenkwaffen anwendbar, die dem modellierten Verhalten entsprechen.
Nach jeder Mission oder in geeigneten Intervallen werden Laufzeitmodul 14 und Lernmodul 16 zur Datenübertragung geschaltet, so daß das Laufzeitmodul Daten, die sich auf tatsächliche Lenkwaffenzündungen beziehen, auf den historischen Datenspeicher 20 des Systemlernmoduls herunterladen kann, und zwar in Ausdrücken der Flugzeugbedingungen, der Folge von Abfeuerungsvorgängen usw. Das Systemlernmodul wird einer Umprogrammierungsroutine unterworfen, um die Daten zu berücksichtigen, die vom Flugzeug und von irgendeinem anderen zugeordneten Flugzeug heruntergeladen wurden, um eine revidierte Matrix von Gewichtigkeiten für das Neuronennetz 26 im Laufzeitmodul zu erzeugen. Diese Werte werden dann dem Laufzeitmodul übertragen, und das Neuronennetz 26 wird entsprechend umprogrammiert.
Das Laufzeitmodul 14 an Bord des Flugzeugs umfaßt das Kampfflieger-Hilfssystem 12, das mit der Flugzeugdatenbank 28 zusammen mit dem Haupt- Flugzeugcomputer 32, dem Waffensteuersystem-Computer 34, der Pilotenschnittstelle 36, die ein Display für den Piloten liefert, und Mitteln zur Eingabe von Daten und Befehlen verbunden ist sowie mit einer Zahl von Sensoren 38:
Wenn der Pilot im Flug beabsichtigt, eine Lenkwaffe zu starten, dann gibt er ein Kommando über die Pilotenschnittstelle 36 ein und der Haupt-Flugzeugcomputer 32 sammelt dann die Eingänge von den verschiedenen Sensoren 38, dem Flugsteuersystem, dem Waffensteuersystem 30 und liefert diese als Eingänge der Kampfflieger-Hilfsvorrichtung 12, die dann die vier Parameter Rmax, Rmin, Rno-action, Rno- escape liefert und diese dem Waffensteuersystem 30 zuführt, zusammen mit einer Anzeige für den Piloten über die Pilotenschnittstelle 36, um ihm mitzuteilen, ob er die Lenkwaffe starten soll oder nicht.
Die Kampfflieger-Hilfsvorrichtung trifft die Entscheidung "abfeuern/nicht abfeuern" gemäß einem Minimum von sechs Parametern. Die vier benannten Parameter sind allgemein für alle Anwendungen, während die anderen zwei einzig für jene Anwendung sind. Wenn das System eine Abfeuer-Entscheidung trifft, dann wird die Wahrscheinlichkeit eines Treffers höher als die Wahrscheinlichkeit für einen Fehlschuß.
Bei diesem Beispiel trifft die Kampfflieger-Hilfsvorrichtung eine Entscheidung, basierend auf der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Situation unter Bezugnahme auf die Position des Ziels innerhalb einer erfolgreichen Startzone für eine Lenkwaffe der benutzten Type. Die Größe der Bedrohung ist nicht berücksichtigt, aber die Information von anderen Sensoren würde in einem normalisierten Vektor verarbeitet, der benutzt werden kann als zusätzlicher Eingang, der die Größe der Bedrohung repräsentiert und so die Entscheidung "abfeuern/nicht abfeuern" beeinflußt.
Das Lernmodul befindet sich aus verschiedenen Gründen gewöhnlich am Boden. Durchschnittlich gibt es eine beschränkte Verarbeitungskapazität. Das System kann nur jeweils in einem Modus arbeiten, nämlich im Lernmodus oder im Rückrufmodus. Der Lernmodus ist relativ langsam und zeitaufwendig.
Die Vorrichtung kann modifiziert werden, indem das Lernmodell geändert und abgestellt wird zur Benutzung mit Lenkwaffen Luft-Boden und Boden-Luft.

Claims

1. Kampfflieger-Hilfssystem (10) für ein Flugzeug, das eine Lenkwaffe trägt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

ein Laufzeitmodul (14) an Bord des Flugzeugs mit einem Prozessor (26), der Eingangsdaten empfängt, die gewählte Betriebsparameter des Flugzeugs und/oder der Lenkwaffe repräsentieren und der Daten ausgibt, die einen oder mehrere Parameter identifizieren, die sich auf den Start der Lenkwaffe beziehen;

ein Lernmodul (16) mit einem adaptiven Prozessor (24), das mit vorherigen oder modellierten Daten geschult wird, die sich auf das Flugzeug und/oder die Lenkwaffe und/oder das Ziel beziehen, um die Beziehung zwischen den Eingangsdaten und den Ausgangsdaten zu lernen und um Programmierungsparameter des adaptiven Prozessors (24) entsprechend einzustellen;

Mittel (32) zur Umprogrammierung des Prozessors (26) des Laufzeitmoduls gemäß den eingestellten Parametern, und

Mittel (32) an Bord des Flugzeuges, um Daten zu speichern, die sich auf einen Start einer Lenkwaffe beziehen, damit diese später vom Lernmodul benutzt werden.

2. Kampfflieger-Hilfssystem nach Anspruch 1, bei welchem der Prozessor (26) des Laufzeitmoduls ein Neuronennetz umfaßt.

3. Kampfflieger-Hilfssystem nach Anspruch 2, bei welchem der adaptive Lernmodul-Prozessor (24) ein Neuronennetz mit einer ähnlichen Topologie aufweist wie jene des Laufzeitmodul-Prozessors (26).

4. Kampfflieger-Hilfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ausgangsdaten des Laufzeitmodul-Prozessors (26) die vier Werte Rmax, Rmin, Rno-action, Rno-escape identifizieren, wobei

Rmax der maximale Entfernungsbereich der Lenkwaffentype bei der gegenwärtigen Zielfluglage ist;

Rmin der minimale Entfernungsbereich der Lenkwaffentype bei der gegenwärtigen Zielfluglage ist;

Rno-action der Bereich ist, in dem die Lenkwaffe das Ziel erfassen würde, aber andere Faktoren den Start verhindern; und

Rno-escape der Bereich ist, in dem das Ziel der erfolgreichen Startzone der Lenkwaffe nicht entkommen kann.

5. Kampfflieger-Hilfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Laufzeitmodul-Prozessor (26) außerdem Ausgangsdaten liefert, die anzeigen, ob der Pilot die Lenkwaffen abfeuern sollte.

6. Kampfflieger-Hilfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Lernmodul (16) ein Modell (18) umfaßt, das das Verhalten der Lenkwaffe repräsentiert.

7. Kampfflieger-Hilfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Lernmodul (16) außerdem Mittel (20) enthält, um historische Daten zu speichern, die sich auf vorherige Abfeuerungen der Lenkwaffe oder einer ähnlichen Lenkwaffe vom Flugzeug oder dergleichen beziehen.

8. Kampfflieger-Hilfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Laufzeitmodul (14) Mittel (30, 32, 28) aufweist, um Daten abzuleiten und zu speichern, die sich auf den tatsächlichen Abfeuervorgang der Lenkwaffe beziehen, damit diese später durch das Lernmodul benutzt werden können.

9. Kampfflieger-Hilfssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Laufzeitmodul (14) ein Neuronennetz (26) aufweist, das mit Lerndaten gespeist ist, die die Lenkwaffen-Eigenschaften modellieren und daß weiter Mittel (32) vorgesehen sind, um im Betrieb dem Neuronennetz (26) Parameter einzugeben, die sich auf das beabsichtigte Ziel beziehen, wodurch das Neuronennetz wenigstens einige der Parameter liefert, die zum Abfeuern der Lenkwaffe erforderlich sind.

10. Verfahren zur Bestimmung gewählter Startparameter zum Start einer Lenkwaffe von einem Flugzeug aus, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte:

es werden gewählte Betriebsparameter des Flugzeugs und/oder der Lenkwaffe einem Laufzeitmodul (14) an Bord des Flugzeugs eingegeben, das einen Prozessor (26) aufweist, der vorher geschult wurde, um Daten auszugeben, die einen oder mehrere Parameter identifizieren, die sich auf den Start der Lenkwaffe beziehen;

es wird ein Lernmodul (16) vorgesehen, weiches einen adaptiven Prozessor (24) aufweist, der mit vorherigen oder modellierten Daten geschult wird, die sich auf das Flugzeug und/oder die Lenkwaffe und/oder das Ziel der Lenkwaffe beziehen, um die Beziehung zwischen den Eingangsdaten und den Ausgangsdaten zu lernen und um die Programmierungsparameter des adaptiven Prozessors (24) entsprechend einzustellen;

es werden die eingestellten programmierten Parameter zur Umprogrammierung des Laufzeitmodul-Prozessors (26) benutzt; und

es werden an Bord des Flugzeugs Daten gespeichert, die sich auf einen Lenkwaffenstart beziehen, um sie später durch das Lernmodul (16) benutzen zu können.