F-16與IDF戰機飛操系統加裝自動防撞地系統之分析與芻議

近數年來，中共不斷升高對臺軍事威嚇，2022年8月後共軍戰機越過台海中線更已成常態。空軍戰機頻繁升空警戒，兩軍多次在台海中線對峙，長時間、多批次的任務，不僅任務負擔顯著加重，亦使飛安風險相對提高。

戰機為什麼需要自動防撞地系統？

戰機就算正常飛行，都有相當風險，演訓強度高，戰機發生意外、甚至墜毀的機率亦增加。這對於同時兼負對空與對地任務的戰機（如： F-16V、IDF等機種），因需俯衝或其他劇烈飛行動作發動攻擊或閃避敵火，飛行員經常必須承受高達5G以上的重力（正常狀態下的人體所能承受的最大極限為正9G到負3G之間），從而影響操控與飛行安全。若因超負荷的高G力過久，人體腦部可能因保護作用失去意識，稱為「G力昏迷」（G-force induced loss of consciousness，簡稱G-LOC），造成飛機失控，幾秒內就可能導致飛機撞地的危險。尤其像F-16與IDF這些採緩和靜態穩定性/線傳飛控設計的高機動性能戰機，執行攻擊任務時常須貼地或俯衝飛行，飛行員易因空間迷向或大G昏迷等原因，而發生墜機意外。美國空軍也面臨此問題，所以開發了「自動地面防撞系統」（Auto Ground Collision Avoidance System，簡稱Auto GCAS），以因應此問題。

戰機的失事不僅會造成硬體的損失，也往往會導致飛行員的傷亡。每架F-16直接造價至少20億元台幣，IDF戰機的直接製造成本以現在幣值估計至少也在10億元以上，且因獲得不易，每損失一架都會對我空防戰力和戰備造成不成比例的影響。而每名培訓成本上億元並需時多年，戰技與經驗純熟的飛行員其實比戰機本身還要珍貴，寶貴生命的折損更是國家難以彌補的損失。是以，像GCAS「自動地面防撞系統」這樣足以避免嚴重意外飛安事故的能力，是具有高度成本效益的投資。

自動防撞地系統的研發歷程及運作原理

「可控飛行撞地」（Controlled flight into terrainC，FIT)為常見的失事原因。根據美國空軍統計，CFIT事件佔美國空軍戰機失事原因的26％，但佔所有F-16飛行員殉職原因比例卻高達75％。F-16 型戰機 4 大致命失事因素為：G力昏迷、人員操控墜地、空間迷向及空中相撞，超過7成的F-16 型機意外是這4項因素所造成，而造成意外原因，幾乎均為人為因素，顯然F-16急需要防止此類事故的設備。其損失如2020年12月1日美國國家軍事飛安委員會(National Commission on Military Aviation Safety) 提交給總統及國會的2013-2020 軍機失事分析報告Report to the President and the Congress of the United States (Military Aviation Losses FY2013-2020)所敘，報告中建議應該為戰機加裝Auto GCAS。

Auto GCAS是由美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory, AFRL）、國家航空暨太空總署（NASA）及洛克希德馬丁公司聯合研發，於2014年首度正式安裝於F-16戰機。美國已在最新的F-16批次，即Block 40 與 50上加裝Auto GCAS，後來擴增到Block 30，已經改裝超過930架。截至2020年7月共有12名F-16飛行員因此獲救（10架單座，1架雙座）。

Auto GCAS會不斷監控F-16的飛行數據、感測系統，並以人工智慧功能比對「飛行軌跡」、「任務模組電腦」（MMC）和「數位地障資料」（DTED）。一旦Auto GCAS預判飛機可能撞擊到障礙物，就會發出信號，警告飛行員採取迴避行動，若飛行員沒採取動作，Auto GCAS的人工智慧系統AI會判定飛行員陷入失能，即時介入飛機的飛行控制，飛機會迅速自行轉彎改正並向空中拉升。根據美國空軍研究，F-16 配置了Auto GCAS後，減少將近 48%飛安事件，包含大G昏迷、空間迷向及可操縱撞地CFIT。

我空軍F-16V戰機與Auto GCAS

Auto GCAS系統最主要功用是在不預期、飛行員疏忽情況下發揮作用。2018年6月漢光演習期間F-16不幸撞山，事後判斷如果有自動地面防撞系統，或能避免該悲劇。由於台灣F-16戰機前後9次失事中，屬於「可操控狀態下撞地」（CFIT）的次數達4次，造成5位飛行員殉職，因此為F-16加裝「自動地面防撞系統」至為重要。2018年的F-16撞山事件後，參謀本部指示空軍，將所有F-16戰機加裝「自動地面防撞系統」（Auto GCAS）。方式為在執行中的F-16戰機性能提升計畫中，再加碼106億元，用來加裝Auto GCAS及採購精準彈藥。

在F-16C/D上安裝Auto GCAS美軍早已行之有年，但是F-16 Block 20較舊機型的Auto GCAS則需要重新開發，因為機上的線傳飛控系統仍然採F-16A的類比式飛操電腦系統Analog FLCC，而非F-16C之後的數位控制Digital FLCC，所以整合的難度較高。就技術而言，理論上應是將升級版F-16V的飛操系統全面數位化，才有可能加裝Auto GCAS。但那顯然會工程浩大且成本極高，故必須另覓解決途徑。

加裝自動地面防撞系統是F-16V戰機性能提升案中追加的項目，美國國防部2021年4 月 26 日的公告指出，洛克希德馬丁公司獲得 1.38 億美元的「鳳展二號 」(Peace Phoenix Rising 2，PPR2) 專案的追加合約，內容包含為F-16V開發與安裝Auto GCAS、先進敵我識別 (IFF) 系統、與發射AGM-88 高速反輻射導彈（HARM）能力。空軍雖已採購Auto GCAS，但F-16V目前仍在性能提升中，必須在美國進行整合測試，所以尚未加裝，預計2023年11月起才能開始安裝此系統。

混合型飛操電腦 Hybrid FLCC (HFLCC)

如前述，因Block 20仍然採F-16A傳統類比型飛操電腦系統Analog FLCC，因此美國空軍研究人員透過混合技術 (Hy-Tech) 計劃，開發了混合式飛操電腦 (Hybrid FLCC)，可將數位卡整合至F-16類比式飛操電腦中。HFLCC允許未配備數位飛操電腦的F-16戰機採用這種關鍵的防撞技術，使它們能夠執行 Auto GCAS 等數位應用程序。

美國空軍自動防撞技術 ACAT 團隊研發的重點是為配備類比式飛操電腦（F-16 Block 40 之前的構型）的戰機開發這項技術。估計約有 1400 架配備類比式飛操電腦的 F-16 可以從這項技術中受益，包括美國空軍的 F-16 (400架) 和外國的 F-16 (1000架)。 將Auto GCAS 整合至類比式 F-16上的成本考量取決於機隊規模、年飛行時數、受控飛行撞地 CFIT 事故率、以及飛機預計服役時間等因素。

上圖顯示了在沒有Auto GCAS 的情況下，美軍類比式飛操電腦的 F-16 每年損失的估計數量與機隊規模的函數關係。下圖顯示如果將 Auto GCAS 整合到F-16機隊中，產生正向投資報酬率 (Return On Investment) 所需的時間，這也顯示為機隊規模的函數。該數據是基於每架飛機每年飛行 300 小時，當機隊在改裝Auto GCAS後繼續飛服役2.5 至 5.5 年時，將產生正向投資報酬率，實際情況取決於改裝飛機的數量。

至於Auto GCAS 架構如下圖所示，其運算法由四個主要部分組成：1.軌跡預測運算法 (Trajectory Prediction Algorithm/TPA)；2.地障掃描運算法（Terrain Scanning Algorithm）；3.碰撞估計例程 (Collision Estimation Routine)和 4.飛行控制耦合器 (Flight Control Coupler)。Auto GCAS 利用數位地障高度資料(Digital Terrain Elevation Data/DTED) 上的高精度導航功能，來確定飛機相對於地形的位置。這允許系統在距離飛機幾英里的任何方向上辨證地形地貌，接著Auto GCAS 運算法根據飛機的當前狀態確定地障圖掃描中的地形，然後藉軌跡預測運算法 (TPA) 計算飛機的軌跡。當數據研判飛機軌跡將攔截有可能碰撞的地障時，將自動命令系統進行修正以避免碰撞。

混合式飛操電腦(HFLCC)概念

混合式飛操電腦HFLCC的概念是整合數位處理器至傳統類比式飛操電腦硬體上，讓新的數位功能可以在原系統發揮，亦不影響原系統的完整性，並提供與飛機上其他航電次系統的介面。這個概念提供了飛操電腦系統性能提升的可能性，例如加裝Auto GCAS。

與 Auto GCAS 相關的三個主要飛操系統要求：

1. 與航電次系統介接，使 Auto GCAS 運算法可以與飛操系統通聯；2. 監控任何非備援系統(non-redundant system)元件運作狀況的系統完整性軟體；3. 能命令飛機自動改正的飛操軟體。飛操邏輯分為兩個主要元素；內迴路和外迴路。 內迴路飛操邏輯單元負責維持飛機所需的穩定性程度並命令飛機控制面的偏轉。外迴路的功能則為自動改正飛機操作，例如 Auto GCAS 可改正飛機的操作。

類比式飛操電腦

將 Auto GCAS 過渡到F-16 Block 40 以前的構型之最大挑戰，是將飛操功能整合到類比式飛操電腦 (Analog FLCC) 中。安裝在 pre-Block 40 上的飛操電腦與現代數位式飛操電腦不同，它採四份備援(quad-redundant)類比式設計。執行Auto GCAS 飛操功能的方法，是透過在 FLCC 的備用插槽中，加入數位處理器模組來修改現有的類比式飛操電腦，成為混合式飛操電腦(見圖6)。它由位在傳統類比電路卡上的傳統內迴路控制法則和位在新型數位處理器模組上的Auto GCAS 功能組成。此方式在整合 Auto GCAS 上既經濟且高效，亦不會影響現有的內迴路飛操法則。這減低了對新型 Auto GCAS 軟體以及數位和類比元件之間的介面進行認證的飛安疑慮。

混合式飛操電腦HFLCC設計包括以下修改：

• 在每個分支的備用插槽中安裝一個新的數位處理器模組。
• 以重新設計的版本更換現有主機板。
• 在 4 個新的數位處理器模組之間添加交叉通道數據鏈路 (CCDL) 以進行故障管理。
• 在電源供應器上添加跳線和更改元件值。
• 電腦機殼正面新增兩個圓形連接器。
• 將 FLCC 增加到現有的 1553 航電匯流排MUX。
• 為數位處理器建構新的軟體

承載自動 GCAS 飛操功能的模組，其飛操耦合器需要能夠向內迴路飛操功能發送俯仰、滾轉和偏側指令，且有時會取消飛行員的操作輸入。在F-16數位飛操電腦中，Auto GCAS耦合器等外迴路功能是建置在自動駕駛軟體中，可允許Auto GCAS 耦合器將俯仰、滾轉和偏側的指令直接發送到內迴路指令混合器。而在Block 40 之前的構型中，自動駕駛是建置在 FLCC 之外，飛操裝置在將其發送到內迴路指令混合器之前，會限制自動駕駛的指令權限。為了在混合式設計中解決這個問題，在進入內迴路控制法則之前，耦合器指令與駕駛桿和方向舵踏板輸入加總。圖 7 顯示了此概念的簡化圖。

美國國防部於2022年7月21日宣布，BAE Systems 獲得92,000,000 美金的合約，將 F-16 混合型飛操電腦 (HFLCC) 提升為數位功能，在紐約 Endicott進行升級，預計於 2027 年 6 月 20 日完成。2020、2021 和 2022 會計年的採購資金在授予時已支付 32,185,046 美元。由猶他州希爾空軍基地(Hill AFB)的空軍壽期管理中心負責。此案為獨家來源(sole-source)採購，亦涉及中華民國空軍海外軍售案FMS。這意味著我空軍F-16V加裝Auto GCAS的專案期程應該也是要等到2027年才會完成。

為IDF戰機及AJT加裝自動防撞地面系統

IDF(或正式編號F-CK-1)是漢翔公司於1980年代初期自行研發、設計、製造之高性能戰機，自1992年開始服役迄今，含原形機4架、翔昇專案2架及量產131架總共生產137架，為我空軍第二大機隊。IDF長期擔負空防角色吃重，且兼具對地攻擊任務，而近年來因「萬劍彈」等自製反制武器開始服役，戰術與飛行動作複雜/危險程度均日益提升，飛行員操作風險頗高，實有必要多一道保障飛行員的安全防護裝置。

IDF的飛操電腦DFLCC可升級加裝Auto GCAS，而漢翔可與原廠共同研發與執行。該原廠已為美國空軍開發了類似的系統（告警和主動類型，重點是預測即將造成的碰撞，接者警告飛行員並調整飛機的姿態及航向），且初步評估認為漢翔公司具備豐富的航太生產及維修經驗，開發裝置於IDF（甚至高教機AJT）的Auto GCAS所需之DFLCC 設計/CCA升級，可以由美國原廠與漢翔共同研發生產，以提升我國航太工業實力。

IDF目前持續第二階段性能提昇以「翔展計劃」進行座艙、雷達、航電系統等各項性能精進，以保持高度戰力狀態，具備最新型的航空電子與飛行控制系統，同時也具備攜載中科院自製武器之能力，因此可藉第二階段性能提昇，將飛操電腦升級加裝Auto GCAS。

圖8. IDF戰機之數位飛操電腦DFLCC

結論

空軍已在執行F-16V戰機的Auto GCAS 自動防撞地系統專案，可見對此系統能力之必要性、價值與成本效益高度重視認同。在預算允許的前提下，似宜亦優先考慮針對同為多功能戰機的IDF、甚至由IDF衍生發展的AJT高教機加裝自動防撞地系統。

當然，IDF/AJT的飛操電腦DFLCC升級加裝Auto GCAS尚需評估能力需求（告警型vs.全主動系統？）、配套感測/資料系統（前向雷達、雷達高度計、TERPROM等）、DFLCC處理能量、自動駕駛系統、DFLCC之模擬模式之自由度（是否6-DOF?）、CPU是否需要升級等技術層面的考量。但由於此二機種的飛行操控軟體(OFP)和航電座艙整合數位飛操系統均係由漢翔公司負責研發，Auto GCAS自動防撞地系統所需之數位飛操電腦DFLCC提升可由美國原廠技術協助，故絕對可在相對低風險、低成本、低期程影響下自力構建IDF與勇鷹高教機之自動防撞地能力，大幅提升飛行安全，並確保戰力。