機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)研究

卞金來 蔡慧敏 劉水 王思臣

摘要：本文研究了機載訓(xùn)練系統(tǒng)的概念及發(fā)展歷程，給出了其基本結(jié)構(gòu)及功能組成，分析系統(tǒng)的優(yōu)缺點，對機載訓(xùn)練系統(tǒng)的發(fā)展進行了分析展望。

關(guān)鍵詞：嵌入式;虛擬仿真系統(tǒng);訓(xùn)練系統(tǒng)

1 概述

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)可以定義為一種嵌入到軍事系統(tǒng)中的可操作系統(tǒng)，機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)是一種嵌入到機載航電系統(tǒng)中的可操作系統(tǒng)，它可以與其他機載系統(tǒng)相互作用、相互影響，飛行員可以利用嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)進行虛擬作戰(zhàn)訓(xùn)練，它可以利用計算機生成虛擬情境，使操作者能夠通過相關(guān)設(shè)備與所設(shè)定的情境進行交互。

特別對于戰(zhàn)斗機而言，機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)生成了可以與飛行員相互影響的虛擬物體，使得飛行員能夠沉浸在逼真的訓(xùn)練環(huán)境中。這樣，飛行員可以利用其飛機的全部功能來參加包含空中和地面威脅的虛擬作戰(zhàn)。

將虛擬仿真系統(tǒng)嵌入機載設(shè)備上，實現(xiàn)仿真部件與實際裝備緊密而有機的結(jié)合，利用虛擬的生成兵力形成作戰(zhàn)訓(xùn)練所需的外部目標，飛行員可采用與實際作戰(zhàn)相同的方式來控制飛機與虛擬目標進行對抗。并且利用虛擬仿真系統(tǒng)的特點，還可以較方便完成戰(zhàn)場可視化和作戰(zhàn)效果評估等功能。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

早在20世紀50年代，美軍就開始將嵌入式訓(xùn)練技術(shù)應(yīng)用于作戰(zhàn)訓(xùn)練。與之類似的是，半自動戰(zhàn)場環(huán)境系統(tǒng)通過虛擬仿真技術(shù)來模擬敵方空中目標，并將目標信息顯示在雷達屏幕上，從而來訓(xùn)練操作人員。聯(lián)合軍種指控系統(tǒng)中嵌入全球軍事指揮和控制系統(tǒng)，嵌入系統(tǒng)集成多種作戰(zhàn)場景和相關(guān)輔助軟件，用于在訓(xùn)練模擬下，訓(xùn)練作戰(zhàn)操作人員。對于在飛機上的嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)，美軍在F16飛機上加裝機上電子戰(zhàn)模擬器，該模擬器嵌入在吊艙內(nèi)，在飛行訓(xùn)練時，可根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)需要模擬雷達告警信號。

除了美國，歐洲也在上個世紀90年代中期，通過在F-16MLU飛行模擬器中嵌入訓(xùn)練軟件，輔助飛行員進行訓(xùn)練，對嵌入式訓(xùn)練的概念、優(yōu)勢和可行性進行了評估、驗證。

由于機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)對飛行訓(xùn)練效果的提升，使其在教練機領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，特別是其通過虛擬技術(shù)，模擬多種訓(xùn)練所需場景和各類信號，擴展了教練機的訓(xùn)練科目，并且飛行員通過采用了嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的教練機訓(xùn)練后，可更快更好地適應(yīng)實際戰(zhàn)斗機的特性。歐洲研發(fā)的一種用于高級教練機的機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)（ETS），利用一塊嵌入式虛擬航電卡，與機載任務(wù)機交聯(lián)到一起。加裝ETS系統(tǒng)后，可以根據(jù)訓(xùn)練需求，模擬目標信息，并將目標符號顯示在飛機的多功能顯示器和平視顯示器上，從而給飛行員提供給一個較為真實的作戰(zhàn)場景。系統(tǒng)不僅能模擬顯示目標信息，還能通過內(nèi)嵌的地形數(shù)據(jù)，模擬戰(zhàn)場地理環(huán)境。

在空戰(zhàn)訓(xùn)練方面，本世紀初荷蘭為了演示嵌入式訓(xùn)練技術(shù)，深入獲取其與戰(zhàn)斗機機載設(shè)備集成應(yīng)用的可行性和成熟性，進行“E-CATS”嵌入式空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真演示，評估了該項技術(shù)在戰(zhàn)斗機空戰(zhàn)訓(xùn)練應(yīng)用的可行性。嵌入式訓(xùn)練計算機系統(tǒng)（ EmbeddedTraining Computer System，ETCS）和嵌入式訓(xùn)練雷達網(wǎng)關(guān)（EmbeddedTraining Radar Gate）通過機載航電總線（MIL-STD-1553B）與飛機航電系統(tǒng)交聯(lián)，模塊化任務(wù)計算機（ Modular Mission Computer，MMC）為任務(wù)系統(tǒng)的核心，是主要的總線控制器。在此基礎(chǔ)上，美國洛克希德·馬丁公司與荷蘭國家宇航實驗室、荷蘭空間局聯(lián)合研發(fā)出F-35的嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)，使F-35成為首個具有多機嵌入式協(xié)同訓(xùn)練功能的戰(zhàn)斗機。

3 系統(tǒng)組成

通過對外軍嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的研究，其現(xiàn)有的主要架構(gòu)有下列兩種方式：

第一種是獨立式，系統(tǒng)在飛機上為獨立的LRU，通過數(shù)據(jù)總線和視頻線與飛機航電設(shè)備相聯(lián)，向系統(tǒng)提供模擬信號、數(shù)據(jù)或視頻圖像。

第二種是集成式，采用該方式時，通過升級飛機現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)備，在設(shè)備中增加嵌入式硬件模塊，實現(xiàn)與現(xiàn)有裝備的結(jié)合。

機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)一般由多種功能模塊組成，每個模塊都有自己特殊的作用。

3.1 本機仿真/激勵模塊

機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的主要功能是將空中和地面的虛擬威脅注入到戰(zhàn)斗機系統(tǒng)中，并估計這些虛擬威脅對飛機的影響，因此訓(xùn)練系統(tǒng)需要模擬相關(guān)的子系統(tǒng)，以便于對虛擬的威脅進行偵查，其中包括對火控雷達（Fire Control Radar，F(xiàn)CR）以及雷達告警接收機（Radar Waming Receiver，RWR）的模擬。這個功能會在本機仿真/激勵模塊中體現(xiàn)出來，除此之外，本機導(dǎo)彈、箔條投放效果以及虛擬導(dǎo)彈對本機的損傷也都會在這個模塊中進行計算。

3.2 虛擬情境仿真模塊

機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)利用計算機來生成虛擬情境，虛擬情境包含所有訓(xùn)練所需的虛擬物體以及它們的行為，甚至它們可以對方案中其他真實或者虛擬物體的相關(guān)行為做出逼真的反應(yīng)，因此，與本機和真實世界相關(guān)的信息需要傳送給虛擬情境產(chǎn)生器以進行進一步處理。

3.3 仿真管理模塊

飛行員可以通過多功能顯示器（ Multi-Function Display，MFD）上的界面對機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)進行操作或?qū)μ摂M情境與嵌入式訓(xùn)練方案進行管理，訓(xùn)練的方案選擇結(jié)果或者錯誤信息同樣會在多功能顯示器上向飛行員展示出來，相關(guān)數(shù)據(jù)都應(yīng)該由仿真管理模塊進行管理。

3.4 安全保障模塊

飛機和飛行員的安全是也一個需要考慮的問題，因此有必要設(shè)置一個特殊的安全保障功能，當(dāng)發(fā)生了飛機飛離訓(xùn)練區(qū)域、與民航客機距離過近或發(fā)生系統(tǒng)錯誤等危險情況的時候，安全設(shè)施會關(guān)閉機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)開關(guān)，使飛機回到正常狀態(tài)，便于飛行員及時處理。

如果機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)正在運行并且沒有檢測到安全隱患，仿真系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)會被傳輸?shù)斤w機的數(shù)據(jù)總線上，其他的飛機航電和武器系統(tǒng)就如同從真實傳感器得到數(shù)據(jù)一樣對輸入的仿真數(shù)據(jù)做出回應(yīng)，這樣，在運行機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的情況下，動態(tài)發(fā)射區(qū)（ Dynamic Launch Zone，DLZ）同樣會被計算出來。

3.5 數(shù)據(jù)記錄模塊

數(shù)據(jù)記錄模塊的工作是進行任務(wù)報告和必要條件的分析。從嵌入式訓(xùn)練任務(wù)中得到的數(shù)據(jù)會被儲存到數(shù)據(jù)記錄模塊中，這些數(shù)據(jù)可以從飛機上下載下來并在地面的回放工具中進行重放，在自動表現(xiàn)評估工具中也會用到這些數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練效果評估。

4 系統(tǒng)優(yōu)缺點

機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)作為一種新興的機載操作系統(tǒng)，有其獨特的使用優(yōu)勢，但同時也會存在一些不足。

機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的優(yōu)點包括：

（1）成本低。在沒有使用嵌入式訓(xùn)練的真實戰(zhàn)斗訓(xùn)練中，真實飛機扮演敵軍。這些所謂的“藍方”飛機的成本較大，而且只給飛行員作戰(zhàn)訓(xùn)練提供了有限的訓(xùn)練價值。結(jié)合在飛機航行時間上預(yù)算的限制，使用機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)生成的“藍方替代者”會使成本大大減小。

（2）只需要相對而言更小的空域?，F(xiàn)在和將來許多空對空戰(zhàn)斗都會是超視距（Beyond Visual Range，BVR）作戰(zhàn)，偵查敵軍，身份驗證，武器投放以及電子戰(zhàn)都會發(fā)生在距離雙方之間相對較遠的地方。在真實的超視距戰(zhàn)斗訓(xùn)練中，訓(xùn)練區(qū)域廣達海里。然而，如果利用機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)進行訓(xùn)練，只需要為真實飛機提供必要的訓(xùn)練區(qū)域即可完成整個訓(xùn)練過程，這會大大減少所需的訓(xùn)練空域。由于對于每個國家軍事訓(xùn)練的空域都是有限的，嵌入式訓(xùn)練提供了可觀的后勤優(yōu)勢，尤其是對于歐洲國家，嵌入式訓(xùn)練可以緩解訓(xùn)練區(qū)域不足所產(chǎn)生的負面影響。

（3）地面威脅的真實模擬。在目前的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗訓(xùn)練中，真實地面威脅的加入會花費很大的人力、物力和財力，并且有時候在技術(shù)上還是不可實現(xiàn)的。然而，嵌入式訓(xùn)練技術(shù)擁有對地面威脅的真實模擬的能力，此外，地面威脅可以按需要復(fù)制許多次，可以放置在任何位置甚至是在海域上。

（4）嵌入式訓(xùn)練提供空中威脅的靈活模擬。與使用真實的藍方飛機相對比，虛擬的目標有構(gòu)造靈活、可塑性強等特點，理論上可以被賦予任何特性，這相應(yīng)地增加了訓(xùn)練方案的種類和數(shù)量。

（5）保密優(yōu)勢。由于受訓(xùn)飛機的友機是虛擬飛機，一個不友好的觀察員不能通過觀察訓(xùn)練成果來推論整體戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢。

（6）方便在飛行后估計訓(xùn)練結(jié)果。機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)可以向飛行員實時進行狀態(tài)反饋，例如“受傷”或者“被擊毀”等。

目前機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)存在的不足包括：

（1）增加了開發(fā)和維護成本。機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的前期開發(fā)以及后期的維護和升級工作會增加額外的人力與物力的需求，進而導(dǎo)致開發(fā)和維護成本的增加。

（2）缺乏已有的分析，限制了對訓(xùn)練效力和效率的指導(dǎo)。主要由于對機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的研究目前尚屬于一個較新的階段，許多關(guān)于訓(xùn)練效果的分析還不完善，還不能直接對飛行員在具體操作問題上進行指導(dǎo)。

（3）對飛行和裝備有一定的安全方面的影響。增加了機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)后，會在原有機載航電系統(tǒng)的穩(wěn)定性上產(chǎn)生安全隱患，這需要不斷地在極端飛行條件下對系統(tǒng)進行硬件軟件測試。

5 小結(jié)

由于早期飛機機載設(shè)備設(shè)計加改裝成本較高，技術(shù)實現(xiàn)較為困難，并且在飛機上加裝訓(xùn)練系統(tǒng)后，飛機的安全性和可靠性無法得到有效保障，嵌入訓(xùn)練系統(tǒng)在早期并沒有得到大量應(yīng)用。隨著電子和軟件技術(shù)的進步，特別是現(xiàn)代三代、四代飛機的航電系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與航電系統(tǒng)的集成從技術(shù)上來說更加容易實現(xiàn)。近年來，在飛行訓(xùn)練領(lǐng)域嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)在各國發(fā)展較快。

由于嵌入式訓(xùn)練的重要性，在我國新一代軍用飛機設(shè)計規(guī)劃中，將嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)納入飛機系統(tǒng)總體設(shè)計方案之中，為縮短在航空領(lǐng)域與其他軍事強國的差距，對嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的研究勢在必行。

參考文獻

[1]常天慶，張波，王欽釗，嵌入式訓(xùn)練技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2008，22 （6）：1-6.

[2]陳亮，楊勤，曹曉.國外模擬訓(xùn)練對發(fā)展我軍航海模擬器的啟示[J].艦船電子工程，2011，31 （5）：12 -14.

[3]邱繼業(yè)，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)在教練機上的應(yīng)用[J].教練機，2012 （2）：49-50.

[4] Yoon K S， Kim I G， Ryu K S. An efficient embeddedsystem architec ture for pilot

training [C]. DigitalAvionics Systems Conference， IEEE/AIAA. IEEE， 2011.

作者簡介

卞金來（1980-），男，江蘇省興化市人。講師，碩士學(xué)位。研究方向為航空電子。

蔡慧敏（1977-），女，河北省獻縣人。副教授，碩士學(xué)位。研究方向為航空電子。

劉水（1978一），男，遼寧省蓋縣人。講師，大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向為航空電子。

王思臣（1981-），男，山東省鄆城縣人。講師，碩士學(xué)位。研究方向為航空電子。