集成式教練機(jī)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)研究

陳鴻杰

【摘要】 通過嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)可生成模擬威脅，并將這些威脅送入機(jī)內(nèi)各種航空電子系統(tǒng)，從而憑借虛擬技術(shù)生成幾近真實(shí)的對(duì)抗環(huán)境來訓(xùn)練飛行員，這對(duì)于當(dāng)今教練機(jī)來說是很有必要的。這一系統(tǒng)由若干功能模塊組成，包括本平臺(tái)傳感器、武器模擬，虛擬對(duì)抗場景模擬，嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈、場景生成和模擬管理部件。雖然傳統(tǒng)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已臻完善，在成本上仍存在改進(jìn)空間。本文在對(duì)國際主流教練嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)充分研究的基礎(chǔ)上，提出了一種高效的集成式體系結(jié)構(gòu)。在所擬定體系結(jié)構(gòu)中，支持復(fù)用飛機(jī)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈端機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈功能；并采用BCMP或MMC中擴(kuò)展嵌入式訓(xùn)練處理模塊的方式實(shí)現(xiàn)集成式的嵌入式訓(xùn)練能力。因此，由于不需要專用于嵌入式訓(xùn)練的數(shù)據(jù)鏈模塊及圖形處理模塊，也不再需要增加額外的LRU，這一架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)低成本嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】 嵌入式訓(xùn)練 數(shù)據(jù)鏈 架構(gòu) 教練機(jī)

一、引言

為滿足戰(zhàn)斗機(jī)飛行員對(duì)抗能力訓(xùn)練要求，現(xiàn)代教練機(jī)及訓(xùn)練系統(tǒng)得到了長足發(fā)展，訓(xùn)練系統(tǒng)采購成本也隨之大幅增加。如何充分發(fā)揮教練機(jī)價(jià)值，提高飛行員訓(xùn)練效率，降低訓(xùn)練成本，是提升教練機(jī)市場競爭力的關(guān)鍵[1]。教練機(jī)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)作為飛行員戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練支援系統(tǒng)的核心組成部分，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)的組合應(yīng)用，有效擴(kuò)展了高級(jí)教練機(jī)的使用功能和訓(xùn)練效能，并支持將教練機(jī)與新型戰(zhàn)機(jī)的操作特性更好地銜接起來，在較小的代價(jià)下，使得高級(jí)教練機(jī)能夠應(yīng)用于更多的訓(xùn)練任務(wù)，相當(dāng)于提升了教練機(jī)的功能和檔次。嵌人式訓(xùn)練系統(tǒng)通過模擬的目標(biāo)戰(zhàn)斗機(jī)特性以及計(jì)算機(jī)合成作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行飛行訓(xùn)練，減少了動(dòng)用各種真實(shí)裝備的訓(xùn)練保障需求，降低了訓(xùn)練裝備的采購和保障的成本，從而展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景[2][3]。嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的逼真度是系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)指標(biāo)。這一指標(biāo)主要依賴于飛機(jī)上完成該部分功能的機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。近年來，計(jì)算機(jī)性能大幅提升，通過向任務(wù)管理計(jì)算機(jī)，以及/或者顯示控制管理計(jì)算機(jī)加裝單獨(dú)的計(jì)算機(jī)模塊用于嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)，則可有效實(shí)現(xiàn)嵌入式訓(xùn)練功能的擴(kuò)展[4][5]。目前，國際主流教練機(jī)（T-50、M-346等）基本完成了嵌入式訓(xùn)練能力的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作，并以嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)多數(shù)以集成獨(dú)立的嵌入式訓(xùn)練計(jì)算機(jī)（ETC：Embedded Training Computer）的方式實(shí)現(xiàn)嵌入式訓(xùn)練能力[6]。在不掛裝雷達(dá)和武器系統(tǒng)的情況下，ETC在地面支持系統(tǒng)（GSS：Ground Support Station）規(guī)劃的訓(xùn)練任務(wù)加載數(shù)據(jù)支持下，通過仿真技術(shù)計(jì)算，生成訓(xùn)練想定下的傳感器數(shù)據(jù)、武器外掛信息，并通過采集飛行員飛行控制及軍械開關(guān)操控信息，完成武器模擬解算，生成對(duì)抗仿真結(jié)果，從而支持空地、空空對(duì)抗模擬訓(xùn)練。

此外，上述教練機(jī)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)鏈路模塊（DLM）和數(shù)據(jù)傳輸端機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈功能，為飛行員提供有效的嵌入式訓(xùn)練支持能力[7]。

二、教練機(jī)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)研究

2.1系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)

上述的主流教練機(jī)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)功能模塊組成及連接關(guān)系如圖1所示，均包括了機(jī)載嵌入式訓(xùn)練計(jì)算機(jī)（ETC）模塊、地面支持站（GSS）和數(shù)據(jù)鏈（包括機(jī)載數(shù)據(jù)鏈端機(jī)和地面數(shù)據(jù)鏈端機(jī)）三個(gè)部分。

其中，嵌入式訓(xùn)練計(jì)算機(jī)（ETC）模塊包括總線接口模塊、嵌入式訓(xùn)練處理模塊、圖形處理模塊等，并通過1553B總線實(shí)現(xiàn)與總線控制管理計(jì)算機(jī)（BCMP：Bus Control Management Processor）和任務(wù)管理計(jì)算機(jī)（MMC：Mission Management Computer）之間的嵌入式訓(xùn)練信息交換；通過模塊間總線接口實(shí)現(xiàn)與機(jī)載數(shù)據(jù)鏈端機(jī)接口。

GSS 作為嵌入式訓(xùn)練地面支持系統(tǒng)，通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)ETC 模塊的訓(xùn)練前任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)加載，訓(xùn)練過程中的實(shí)時(shí)對(duì)抗評(píng)估、導(dǎo)調(diào)控制和輔助飛行安全監(jiān)控等，以及訓(xùn)練后的記錄數(shù)據(jù)下載和任務(wù)過程匯報(bào)講評(píng)等功能。

機(jī)載嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈端機(jī)和地面端機(jī)共同構(gòu)成了訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，為教練機(jī)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)提供空空/空地的多平臺(tái)組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)輔助飛行安全監(jiān)控，訓(xùn)練過程實(shí)時(shí)監(jiān)視、對(duì)抗評(píng)估和實(shí)時(shí)導(dǎo)調(diào)控制等訓(xùn)練信息的傳輸和分發(fā)處理。

2.2基本工作原理

①任務(wù)前，通過GSS 進(jìn)行訓(xùn)練場景設(shè)定、任務(wù)規(guī)劃、目標(biāo)參數(shù)設(shè)定、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)、突發(fā)事件列表編輯等相關(guān)情景設(shè)定；并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送至參訓(xùn)飛機(jī)的ETC模塊，完成訓(xùn)練任務(wù)的初始化。②在進(jìn)入訓(xùn)練空域后，飛行教官選擇進(jìn)入嵌入式訓(xùn)練畫面，對(duì)訓(xùn)練場景和科目進(jìn)行選擇并啟動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)。③在模擬訓(xùn)練過程中，ETC模塊按訓(xùn)練任務(wù)想定文件和飛行員操作控制進(jìn)程，完成與BCMP和MMC之間的嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)交換，并通過數(shù)據(jù)鏈完成與其它參訓(xùn)平臺(tái)之間的訓(xùn)練信息交換。ETC模塊還需要根據(jù)規(guī)劃的目標(biāo)信息、本機(jī)姿態(tài)位置信息、及飛行員的操作信息實(shí)時(shí)仿真解算，完成目標(biāo)搜索、跟蹤和識(shí)別，并通過BCMP 送出顯控畫面進(jìn)行顯示，飛行員根據(jù)顯控畫面進(jìn)行武器控制。④武器控制解算階段，ETC武器外掛仿真模塊結(jié)合當(dāng)前武器控制信息進(jìn)行火控攻擊解算，在駕駛員平顯上實(shí)時(shí)生成虛擬目標(biāo)的跟蹤、鎖定、攻擊等提示信息，受訓(xùn)駕駛員一邊操縱飛機(jī)，一邊完成虛擬武器攻擊任務(wù)；同時(shí)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送武器外掛及火控仿真信息、飛行員操控信息等，供其它參訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視和仿真解算。⑤武器發(fā)射之后，ETC導(dǎo)彈彈道解算模塊根據(jù)發(fā)射點(diǎn)飛機(jī)姿態(tài)、位置數(shù)據(jù)等進(jìn)行仿真計(jì)算，并給出實(shí)時(shí)攻擊仿真結(jié)果，通過數(shù)據(jù)鏈向其它參訓(xùn)節(jié)點(diǎn)通報(bào)本地武器仿真結(jié)果。⑥訓(xùn)練結(jié)束后，GSS 通過數(shù)據(jù)卡或數(shù)據(jù)鏈下載機(jī)載ETC 記錄的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并結(jié)合本地記錄數(shù)據(jù)，按時(shí)序生成訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)的三維態(tài)勢回放演示，同時(shí)結(jié)合DVR 記錄的MFD 和HUD 視頻數(shù)據(jù)，對(duì)訓(xùn)練過程評(píng)估，至此整個(gè)訓(xùn)練過程結(jié)束。

三、集成式嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)今世界上的主流高級(jí)教練機(jī)（T-50、M-346及L-15等）有一個(gè)很鮮明的設(shè)計(jì)理念就是既有戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性，又有教練機(jī)的低速安全操縱性，實(shí)際上就是要低成本地再現(xiàn)了三代戰(zhàn)機(jī)的性能和系統(tǒng)功能[5]。由于針對(duì)上述飛機(jī)的不同任務(wù)能力及高性能方面的額外需求，其航空電子系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷提升。從而導(dǎo)致需要集成更多的基于模塊的嵌入式處理器以便實(shí)現(xiàn)更多的航電功能 [7][8]。本文展示了一種高效的嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)，與傳統(tǒng)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)相比，這種架構(gòu)采用集成式設(shè)計(jì)思路，可有效實(shí)現(xiàn)具備數(shù)據(jù)鏈能力的低成本嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)。圖2顯示了一種可能的集成式嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)。在這一架構(gòu)中，一體化機(jī)載嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈端機(jī)將不再需要。其中的1553B接口模塊、圖形處理模塊、數(shù)據(jù)鏈路模塊以及數(shù)據(jù)鏈端機(jī)均被淘汰，嵌入式訓(xùn)練處理模塊將被集成到BCMP或MMC中。這就意味著嵌入式訓(xùn)練視頻信號(hào)將在BCMP或MMC中統(tǒng)一生成并送顯。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將被重構(gòu)設(shè)計(jì)，以復(fù)用于實(shí)現(xiàn)嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈功能。

3.2機(jī)載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)方法相比，這一擬定方法去除了獨(dú)立的一體化機(jī)載嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈端機(jī)，簡化了系統(tǒng)組成及互聯(lián)關(guān)系。僅在BCMP或MMC中增加了嵌入式訓(xùn)練處理模塊；并對(duì)BCMP或MMC主處理器模塊、視頻處理模塊，以及CNI系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈終端模塊、數(shù)據(jù)鏈信息處理模塊軟件進(jìn)行必要升級(jí)改進(jìn)即可。本機(jī)模擬結(jié)果及其它嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)鏈信息處理模塊和數(shù)據(jù)鏈終端模塊進(jìn)行處理，并通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈機(jī)載端機(jī)傳送。也就是說，通過復(fù)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈設(shè)備實(shí)現(xiàn)了嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈功能。擬定方法需要對(duì)嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)格式進(jìn)行必要的封裝處理，使現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)備可識(shí)別并提供傳輸服務(wù)。通過這種必要的信息封裝處理，用戶定義的各種類型的信息都可通過一個(gè)通用的途徑進(jìn)行交換。

3.3地面支持系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

通過對(duì)GSS系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)管理及信息處理機(jī)軟件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并增加接口匹配及數(shù)據(jù)格式處理軟件，即可為GSS提供接入現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的能力。通過擬定的地面支持系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，支持通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練前任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)加載及訓(xùn)練后的記錄數(shù)據(jù)下載；并可擴(kuò)展包括訓(xùn)練過程的實(shí)時(shí)輔助飛行安全監(jiān)控、訓(xùn)練態(tài)勢監(jiān)視、實(shí)時(shí)評(píng)估和導(dǎo)調(diào)控制，以及實(shí)裝飛機(jī)與地面模擬器之間的聯(lián)網(wǎng)對(duì)抗訓(xùn)練等在內(nèi)的嵌入式訓(xùn)練能力。

四、結(jié)束語

作者在本文中擬定了一個(gè)高效的集成式嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)集成式低成本嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)，擬定架構(gòu)中，機(jī)載嵌入式訓(xùn)練計(jì)算機(jī)模塊的嵌入式訓(xùn)練處理模塊僅集成在BCMP或MMC中；嵌入式訓(xùn)練視頻信號(hào)通過BCMP或MMC中的視頻處理模塊進(jìn)行集成式處理并統(tǒng)一送顯，無需單獨(dú)的嵌入式訓(xùn)練圖形處理模塊。對(duì)于嵌入式訓(xùn)練數(shù)據(jù)鏈來說，本機(jī)模擬的結(jié)果及其它嵌入式訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過CNI主機(jī)中的數(shù)據(jù)通信處理模塊進(jìn)行統(tǒng)一處理，并通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行分發(fā)。這就意味著現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈功能模塊將在嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)中得到全面復(fù)用。因此，通過這種方式可實(shí)現(xiàn)低成本嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)且方便維護(hù)，符合軍事應(yīng)用的要求。

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