基于PC的低成本空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)研究

馬瀟瀟，戴革林，李 青，劉志堅(jiān)

（空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州 221000）

基于PC的低成本空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)研究

馬瀟瀟，戴革林，李 青，劉志堅(jiān)

（空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州 221000）

基于PC的訓(xùn)練系統(tǒng)是一種低成本訓(xùn)練手段，可作為傳統(tǒng)地面模擬器與嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。提出了一種基于SIMBox仿真平臺(tái)建立低成本空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)的方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的基本架構(gòu)，并對(duì)其中雷達(dá)火控系統(tǒng)建模、空空導(dǎo)彈彈道仿真和目標(biāo)毀傷建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。仿真表明彈道軌跡反映了空空導(dǎo)彈特性，系統(tǒng)能夠?yàn)榭諔?zhàn)訓(xùn)練提供較逼真的虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，可作為一種輔助性的空戰(zhàn)訓(xùn)練手段。

模擬訓(xùn)練；空戰(zhàn)；SIMBox

軍事訓(xùn)練是提高軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的基本手段?？哲娛滓蝿?wù)是奪取制空權(quán)，其訓(xùn)練的要求是突出對(duì)抗、貼近實(shí)戰(zhàn)。進(jìn)行實(shí)兵對(duì)抗訓(xùn)練的成本很高，需要集結(jié)各種作戰(zhàn)、后勤單位，設(shè)立訓(xùn)練空域，而且存在著難以模擬敵方的威脅特性，安全性、保密性較差，運(yùn)用武器彈藥受很大限制等問題。隨著近十多年信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種利用仿真技術(shù)的模擬訓(xùn)練是解決這一問題的有效途徑，目前已在航空兵訓(xùn)練中扮演了重要的角色［1］。

在航空兵模擬訓(xùn)練領(lǐng)域，主要的兩種訓(xùn)練形式是半實(shí)物的地面模擬器與嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)［2-4］。嵌入式訓(xùn)練采用真實(shí)的作戰(zhàn)飛機(jī)，飛行員的身體感知與環(huán)境情景意識(shí)真實(shí)，訓(xùn)練的逼真度最高［2］；地面模擬器在逼真度、訓(xùn)練效果上弱于嵌入式訓(xùn)練，而在安全性、費(fèi)用等方面優(yōu)于前者。

這兩種模擬訓(xùn)練方式都存在著系統(tǒng)復(fù)雜、訓(xùn)練費(fèi)用高、需要專職維護(hù)保障人員等不足且造價(jià)較高、裝備數(shù)量有限，在這兩類訓(xùn)練設(shè)施上頻繁地開展大量、重復(fù)的訓(xùn)練科目既不現(xiàn)實(shí)而且成本也過高，這就需要一種造價(jià)低、維護(hù)簡單、可較大數(shù)量部署的低成本訓(xùn)練系統(tǒng)作為前兩種訓(xùn)練方式的補(bǔ)充，滿足飛行員熟悉機(jī)載武器系統(tǒng)操作、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究等日常教學(xué)訓(xùn)練的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

借助于仿真技術(shù)的發(fā)展，在PC上建立具有較高性能的空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)已經(jīng)具有了可行性［5-6］。筆者采用SIMBox仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于PC的低成本空戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)（Low Cost Aircombat Training System，LCATS）。SIMBox是SimiGon公司開發(fā)的基于PC環(huán)境的仿真訓(xùn)練軟件平臺(tái)，集訓(xùn)練系統(tǒng)管理、訓(xùn)練效果追蹤、視景仿真、建模開發(fā)等功能于一體，提供了高效的仿真引擎，大大簡化了開發(fā)者實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)體內(nèi)部、實(shí)體間的事件響應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸以及分布式仿真等基礎(chǔ)工作的過程，使開發(fā)者專注于專業(yè)領(lǐng)域的建模工作。

1.1 基本概念

傳統(tǒng)的地面模擬器系統(tǒng)包含大量半實(shí)物設(shè)備、大型投影器材、多自由度平臺(tái)等設(shè)施，而研究一種低成本的空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)，主要關(guān)注空戰(zhàn)過程中飛行員使用到的主要設(shè)備雷達(dá)火控系統(tǒng)、HUD／MFD、空空導(dǎo)彈以及對(duì)手機(jī)的仿真，復(fù)雜的座艙設(shè)備完全采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)飛行仿真精度要求不高。因此LCATS在設(shè)計(jì)上擺脫了傳統(tǒng)模擬器復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，借助于SIMBox平臺(tái)的并行計(jì)算能力和較高效的圖形引擎將視景渲染、仿真計(jì)算、任務(wù)規(guī)劃、仿真過程記錄等功能集中于一臺(tái)計(jì)算機(jī)，外圍的操控裝置、顯示器等硬件設(shè)備可根據(jù)具體需要靈活配置。既可以采用單／雙通道視景的形式，也可以采用四通道視景配合簡單座艙的形式，如圖1所示。

部署形式雖然不同，但其軟件系統(tǒng)完全相同，都是由運(yùn)行在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上的軟件系統(tǒng)完成仿真功能。

1.2 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

LCATS為具備空戰(zhàn)訓(xùn)練的需求，要具備以下功能：訓(xùn)練任務(wù)管理、虛擬作戰(zhàn)環(huán)境、訓(xùn)練過程記錄與評(píng)估。軟件系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

1）訓(xùn)練任務(wù)管理。提供訓(xùn)練任務(wù)創(chuàng)建、編輯的功能，主要包括設(shè)置戰(zhàn)場環(huán)境中敵我飛機(jī)的初始坐標(biāo)、兵力、掛載武器、航路以及氣象條件等參數(shù)。

2）虛擬作戰(zhàn)環(huán)境。包含各種仿真實(shí)體（敵／我飛機(jī)、各型空空導(dǎo)彈、地面雷達(dá)站等）、視景系統(tǒng)（虛擬座艙、地形庫、特效等）、仿真功能模塊（網(wǎng)絡(luò)通信模塊、操控設(shè)備信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊等）。由于在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行所有的軟件，因而要采取一些方法對(duì)各仿真實(shí)體、虛擬座艙的運(yùn)算量進(jìn)行控制，如在不影響仿真效果的基礎(chǔ)上降低算法復(fù)雜度、適量延長模型的積分步長、降低虛擬座艙中部分模塊的更新頻率。

3）訓(xùn)練過程記錄與評(píng)估。仿真前通過記錄管理工具設(shè)置仿真過程中需要記錄的數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄的頻率（如以10Hz頻率記錄飛機(jī)坐標(biāo)參數(shù)）。評(píng)估的規(guī)則是根據(jù)具體訓(xùn)練任務(wù)而制定，由一系列對(duì)仿真數(shù)據(jù)判斷條件構(gòu)成。對(duì)仿真評(píng)估可以在訓(xùn)練中實(shí)時(shí)評(píng)估，也可訓(xùn)練完成后根據(jù)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。

2 系統(tǒng)建模與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雷達(dá)火控系統(tǒng)

雷達(dá)火控系統(tǒng)仿真是構(gòu)建空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測、跟蹤目標(biāo)過程的仿真，計(jì)算空空導(dǎo)彈的攻擊區(qū)域，判斷導(dǎo)彈攻擊條件等。

仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中的雷達(dá)仿真通常是功能性仿真。功能仿真的基本思路是從雷達(dá)的功能特性出發(fā)，運(yùn)用雷達(dá)方程、干擾方程、干擾／抗干擾原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及雷達(dá)工作特性等，建立雷達(dá)的仿真模型［7］。雷達(dá)能否探測到目標(biāo)的回波主要取決于檢測時(shí)的信噪比，對(duì)雷達(dá)探測過程進(jìn)行仿真，需要建立綜合信噪比模型、雷達(dá)接收機(jī)的噪聲模型、回波信號(hào)功率模型、干擾功率模型、雜波功率模型、目標(biāo)的RCS模型等。

空空導(dǎo)彈火控系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)解算導(dǎo)彈的攻擊區(qū)，判斷導(dǎo)彈發(fā)射條件等。攻擊區(qū)的大小與形狀受到所采用的攻擊方式、飛機(jī)機(jī)動(dòng)特性、武器特性（射程、引信動(dòng)作時(shí)間及導(dǎo)引范圍等）、火控系統(tǒng)特性（雷達(dá)探測距離、光學(xué)觀測范圍等）以及安全要求等因素限制。采用多項(xiàng)式擬合方法計(jì)算導(dǎo)彈的攻擊區(qū)，攻擊區(qū)多項(xiàng)式擬合模型可表示為

式中：Dymax為導(dǎo)彈最大允許發(fā)射距離；Dymin為導(dǎo)彈最小允許發(fā)射距離；DEmax為導(dǎo)彈最大不可逃逸發(fā)射距離；Ha為載機(jī)高度；va為載機(jī)速度；Ht為目標(biāo)高度；vt為目標(biāo)速度；Nth為目標(biāo)水平面過載；Obh為導(dǎo)彈水平面離軸角；ai、bi、ci為與特定型號(hào)導(dǎo)彈相關(guān)的系數(shù)；fi、gi、hi為非線性函數(shù)。

2.2 空空導(dǎo)彈彈道仿真

彈道仿真是計(jì)算彈藥從發(fā)射點(diǎn)到終點(diǎn)過程中的飛行軌跡以及各種飛行參數(shù)（速度、姿態(tài)等），涉及到彈藥各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：運(yùn)動(dòng)方程（計(jì)算加速度、速度），各種力學(xué)模型（計(jì)算彈體受到的重力、推力、氣動(dòng)力等），制導(dǎo)和控制模型等。通常一種現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)會(huì)搭配若干種型號(hào)的空空導(dǎo)彈（雷達(dá)／紅外制導(dǎo)中程彈、紅外制導(dǎo)近程格斗彈），在空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)中存在著敵我雙方的飛機(jī)，所以需要建模的空空導(dǎo)彈種類就會(huì)比較多，如果逐一單獨(dú)進(jìn)行建模，勢必非常繁瑣而且存在大量重復(fù)性工作。

參照文獻(xiàn)［8］提出方法，可以建立一種通用的空空導(dǎo)彈模型庫。將空空導(dǎo)彈彈道仿真過程中涉及到的眾多數(shù)學(xué)模型劃分為若干模塊。每個(gè)模塊完成其特定的功能與作用，模塊之間彼此相互獨(dú)立，通過模塊之間的輸入輸出接口互相傳遞數(shù)據(jù)。不同型號(hào)空空導(dǎo)彈的彈道仿真可以通過為這些模塊加載不同的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。模型庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1）制導(dǎo)系統(tǒng)模塊。包含導(dǎo)引頭模型、控制模型和舵機(jī)模型。導(dǎo)引頭模型根據(jù)載入的初始數(shù)據(jù)，可仿真紅外、被動(dòng)雷達(dá)、主動(dòng)雷達(dá)三種類型導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)探測、跟蹤的過程；控制模型將跟蹤信號(hào)按照導(dǎo)引律轉(zhuǎn)換為舵機(jī)的控制信號(hào)；舵機(jī)根據(jù)控制信號(hào)輸出舵偏角。

2）動(dòng)力學(xué)／運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊。包含氣動(dòng)力、大氣、自動(dòng)駕駛、質(zhì)量、推力等模型，分別計(jì)算導(dǎo)彈的質(zhì)量、推力、氣動(dòng)力、氣動(dòng)力矩、速度等，最終得出導(dǎo)彈在離散時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)、姿態(tài)等數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)模塊。對(duì)加載的導(dǎo)彈氣動(dòng)參數(shù)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、導(dǎo)引律參數(shù)、導(dǎo)彈總體參數(shù)等數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)傳遞給各相應(yīng)模塊。

2.3 目標(biāo)毀傷模型

LCATS中各種仿真計(jì)算以及虛擬場景的渲染都集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，因此仿真解算的頻率不可能很高（通常各種仿真模塊的解算頻率設(shè)置30Hz以減少計(jì)算量）。在相鄰的仿真周期內(nèi)，目標(biāo)與導(dǎo)彈的相對(duì)距離變化可能會(huì)達(dá)到幾十米，而通?？湛諏?dǎo)彈近炸引信的工作距離大約10m，因此如不加特殊處理容易錯(cuò)過近炸引信模型的起爆階段，這就需要建立目標(biāo)毀傷模型對(duì)導(dǎo)彈和目標(biāo)相遇末段的飛行軌跡進(jìn)行估算，并計(jì)算毀傷概率。

2.3.1 計(jì)算導(dǎo)彈與目標(biāo)的最小距離

仿真系統(tǒng)解算的時(shí)間間隔為Δt，可將Δt劃分為n個(gè)更小的時(shí)間間隔Δt／n，在更小的離散時(shí)間點(diǎn)上計(jì)算彈目距離。Δt為微小時(shí)間段，可近似認(rèn)為導(dǎo)彈與目標(biāo)在這期間內(nèi)做勻加速運(yùn)動(dòng)。如果t0時(shí)刻，彈目距離小于一定值便開始以下計(jì)算：

在仿真系統(tǒng)相鄰離散時(shí)刻t0、t1之間建立了n個(gè)時(shí)間點(diǎn)，時(shí)間點(diǎn)t0＋iΔt／n的目標(biāo)速度為vti，導(dǎo)彈速度為vmi，該時(shí)間點(diǎn)的目標(biāo)坐標(biāo)為Pti，導(dǎo)彈坐標(biāo)為Pmi，由此可得出該時(shí)間點(diǎn)彈目距離。計(jì)算n個(gè)時(shí)間點(diǎn)后，可得出t0、t1時(shí)刻間彈目的最小距離。根據(jù)上述方法可比較精確的計(jì)算導(dǎo)彈與目標(biāo)相遇的最小距離，進(jìn)而可判斷引信的作用狀態(tài)。

2.3.2 計(jì)算導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)的殺傷概率

得出導(dǎo)彈與目標(biāo)的最小距離后，可根據(jù)導(dǎo)彈引信作用距離判斷導(dǎo)彈是否起爆，再根據(jù)引戰(zhàn)配合模型計(jì)算戰(zhàn)斗部起爆區(qū)。單發(fā)導(dǎo)彈對(duì)單個(gè)目標(biāo)的殺傷概率為

其中，f（y，z）為制導(dǎo)誤差規(guī)律；Φ1（x／y，z）是在給定制導(dǎo)誤差y、z時(shí)，引信引爆點(diǎn)沿x軸的散布規(guī)律；Φ2（y，z）是與制導(dǎo)誤差y、z有關(guān)的引信引爆概率；G（x，y，z）是戰(zhàn)斗部在點(diǎn)（x，y，z）起爆后殺傷目標(biāo)的規(guī)律。

3 仿 真

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，采用VC＋＋與SIMBox的SDK進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，分別部署了雙通道系統(tǒng)與四通道系統(tǒng)各一臺(tái)，如圖1所示。運(yùn)行軟件主要為SIMBox平臺(tái)，雙通道系統(tǒng)硬件配置為：Intel i3-3240處理器，3G內(nèi)存，NVIDIA GT630顯卡，操控設(shè)備為Thrust Master HOTAS飛行手柄；四通道系統(tǒng)硬件配置為：Intel E5-2600處理器，8G內(nèi)存，顯卡為NVIDIA Quadro4000×2，操控設(shè)備為某型訂制座艙平臺(tái)。四通道系統(tǒng)由于渲染場景的運(yùn)算量大故需要較高的系統(tǒng)配置。

仿真實(shí)例為載機(jī)攜帶中程雷達(dá)制導(dǎo)與近距格斗空空導(dǎo)彈各兩枚分別攻擊兩架靶機(jī)。仿真前需要預(yù)先設(shè)定任務(wù)數(shù)據(jù)，包括載機(jī)的起飛位置，目標(biāo)坐標(biāo)，航線等信息。仿真開始后，載機(jī)可自動(dòng)駕駛或人工操縱到達(dá)預(yù)定空域，實(shí)施開啟雷達(dá)搜索目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)至導(dǎo)彈攻擊區(qū)等一系列動(dòng)作，發(fā)射導(dǎo)彈后，彈道仿真模塊開始計(jì)算導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)、姿態(tài)、速度等參數(shù)彈道軌跡如圖4所示。

圖4（a）為使用兩枚中程空空導(dǎo)彈迎頭攔截?cái)硻C(jī)，第1枚導(dǎo)彈發(fā)射距離過遠(yuǎn)未能命中，第2枚導(dǎo)彈命中目標(biāo)；圖4（b）為使用兩枚近程空空導(dǎo)彈從后半球區(qū)域追擊敵機(jī)，兩枚導(dǎo)彈先后命中。仿真結(jié)果可看出，LCATS可較逼真的模擬空戰(zhàn)過程，彈道軌跡可體現(xiàn)中程、近程空空導(dǎo)彈的彈道特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)特性。

視景仿真效果如圖5所示。

4 結(jié) 論

基于PC的訓(xùn)練系統(tǒng)是一種低成本的訓(xùn)練手段，飛行員可在虛擬作戰(zhàn)環(huán)境中單人或聯(lián)機(jī)靈活的開展空戰(zhàn)訓(xùn)練，基本不受設(shè)備保障人員與訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)的約束。LCATS可作為傳統(tǒng)地面模擬器和嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，適合于較大批量部署以滿足實(shí)際訓(xùn)練的需求。

筆者對(duì)基于PC的訓(xùn)練系統(tǒng)在空戰(zhàn)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于PC的低成本空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)其中雷達(dá)火控系統(tǒng)建模、空空導(dǎo)彈彈道仿真、目標(biāo)毀傷等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)適用于空戰(zhàn)訓(xùn)練，對(duì)該領(lǐng)域訓(xùn)練方式的改革具有重要意義。

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Research on Low Cost Air-combat Training System Based on PC

MA Xiaoxiao，DAI Gelin，LI Qing，LIU Zhijian

（Air Force Logistics College，Xuzhou 221000，Jiangsu，China）

The training system based on PC is a kind of low cost training means，it can be used as the effective additional complement to the traditional ground simulator and embedded training system.A type of training method was presented to build low-cost air combat training system based on SIMBox simulation platform.The basic framework of the system was designed，and the key technologies such as radar fire control system model，air-to-air missile trajectory simulation and target damage model were researched in detail.The simulation results showed that the ballistic trajectories can reflect the characteristics of air-toair missile，and the system can provide a realistic virtual environment for air-combat training.The system can be used as an accessorial means for air-combat training.

simulation training；air-combat；SIMBox

TP391.9

A

1673-6524（2014）02-0083-05

2013-05-08；

2013-09-02

馬瀟瀟（1980-），男，碩士，主要從事機(jī)載武器系統(tǒng)仿真技術(shù)研究。E-mail：mashawn＠live.cn