聯(lián)合仿真試驗(yàn)訓(xùn)練一體化平臺設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)某型飛行器鑒定試驗(yàn)、模擬訓(xùn)練、聯(lián)合演練的需求，設(shè)計(jì)完成了一體化的飛行器聯(lián)合仿真試驗(yàn)訓(xùn)練平臺，飛行器依托各自的平臺，可與其它各型飛行器、艦艇、飛機(jī)、岸導(dǎo)等裝備的平臺聯(lián)合完成攻防對抗、演習(xí)演練等訓(xùn)練內(nèi)容。平臺的架構(gòu)也可以應(yīng)用于其它型號武器系統(tǒng)的聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

關(guān)鍵詞：仿真;訓(xùn)練;一體化

中圖分類號：E23 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

1 背景

未來戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，考驗(yàn)的是聯(lián)合作戰(zhàn)能力[1]，在軍事斗爭準(zhǔn)備過程中，一方面要通過實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練、聯(lián)戰(zhàn)聯(lián)訓(xùn)，增強(qiáng)軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的軍事人才;另一方面要加強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)化條件下的武器裝備體系的作戰(zhàn)能力試驗(yàn)。實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練要求的是全系統(tǒng)全要素的聯(lián)合訓(xùn)練，武器裝備的作戰(zhàn)能力考核是需要在體系對抗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這些都要求武器裝備系統(tǒng)不能獨(dú)立的出現(xiàn)在試驗(yàn)或訓(xùn)練中，武器裝備系統(tǒng)在立項(xiàng)過程中就要考慮聯(lián)合試驗(yàn)、實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的相關(guān)事宜。演習(xí)演練是進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練、考核作戰(zhàn)能力最有效的方式，但是其組織難度大、投入成本高，使其不能成為常態(tài)化的訓(xùn)練和考核手段。

本文根據(jù)實(shí)際需求，針對某型飛行器進(jìn)行了聯(lián)合仿真試驗(yàn)一體化平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等通過數(shù)據(jù)交互支撐平臺與武器系統(tǒng)實(shí)裝相聯(lián)，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的性能鑒定試驗(yàn)、聯(lián)合仿真試驗(yàn)、體系對抗試驗(yàn)以及實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練，以此來提高部隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)能力。

2 現(xiàn)狀

目前美軍的聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練的各種標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)比較完善，如：ADS（先進(jìn)分布仿真）、HLA（高層體系結(jié)構(gòu)）、TENA（試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)）等，各種訓(xùn)練系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和實(shí)裝參與的聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)也大規(guī)模投入使用[2]。

國內(nèi)各相關(guān)部門也在聯(lián)合打擊、攻防對抗等仿真領(lǐng)域進(jìn)行了不斷的探索，但是各型號武器系統(tǒng)的聯(lián)合仿真試驗(yàn)訓(xùn)練能力并不完善，原因主要有一下幾點(diǎn)：（1）現(xiàn)有可用于聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練的數(shù)字/半實(shí)物飛行器仿真系統(tǒng)的型號覆蓋不全;（2）聯(lián)合試驗(yàn)中，不同平臺間數(shù)據(jù)交互所需的基礎(chǔ)支撐架構(gòu)還未能有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);（3）操作培訓(xùn)用的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與飛行器數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)之間的聯(lián)合程度相對較低;（4）武器系統(tǒng)實(shí)裝與飛行器數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)之間的聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練還遠(yuǎn)未形成規(guī)模。

3 設(shè)計(jì)思路

本文對單型號飛行器系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)訓(xùn)練平臺進(jìn)行了總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)，設(shè)定了典型使用方式，并對本平臺與其它系統(tǒng)平臺進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練的模式進(jìn)行了初步的探討。

從實(shí)戰(zhàn)或?qū)崙?zhàn)化訓(xùn)練的角度分析，一型飛行器從儲運(yùn)狀態(tài)直至擊中目標(biāo)，需要經(jīng)過很多步驟，其中主要包括：拆封、測試、封裝、吊裝、運(yùn)輸、裝填、武器控制、航路規(guī)劃、參數(shù)裝訂、發(fā)射、飛行、突防、命中等。除去吊裝、運(yùn)輸、裝填等相對通用的專業(yè)科目，其它環(huán)節(jié)的工作流程和內(nèi)容都是每型飛行器所特有的，要完成相應(yīng)步驟的訓(xùn)練任務(wù)，就要使用實(shí)裝或者對應(yīng)的仿真、模擬、訓(xùn)練系統(tǒng)來完成。

飛行器的拆封、測試、封裝過程主要在飛行試驗(yàn)前的飛行器準(zhǔn)備或地面維護(hù)工作中進(jìn)行。由于實(shí)裝訓(xùn)練存在成本高、風(fēng)險(xiǎn)大等問題，因此訓(xùn)練方式通常采用實(shí)物操作講解、多媒體教學(xué)等方式，極大降低了訓(xùn)練覆蓋度和訓(xùn)練效果。采用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）或AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）等技術(shù)手段，建設(shè)飛行器測試訓(xùn)練系統(tǒng)，將能大幅提高訓(xùn)練水平并降低訓(xùn)練成本和風(fēng)險(xiǎn)。

武器控制、航路規(guī)劃、參數(shù)裝訂、發(fā)射等過程是在武器裝載平臺上完成的，其武器控制軟件基本都有訓(xùn)練模式，但是上崗前的培訓(xùn)不可能直接使用實(shí)裝，而且該訓(xùn)練模式無法完成與其它系統(tǒng)的交互操作，不具備聯(lián)合訓(xùn)練能力。建立一套與實(shí)裝外形和功能都高度一致的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，使其不僅能夠完成崗位人員的操管培訓(xùn)，還能夠與飛行器飛行仿真系統(tǒng)、武器裝載平臺仿真系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境感知模擬系統(tǒng)等進(jìn)行交互，完成裝載平臺級的訓(xùn)練任務(wù)。

飛行器仿真系統(tǒng)一直是系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛行器設(shè)計(jì)、性能測試、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等系統(tǒng)的研發(fā)，已成為我國軍事訓(xùn)練、高校院所教學(xué)與研究的重要方向[3]。真實(shí)飛行器的飛行、突防、命中等過程僅在性能試驗(yàn)、批檢試驗(yàn)、演習(xí)演練等具有少量的子樣，根本無法滿足日益增長的聯(lián)合試驗(yàn)、聯(lián)合訓(xùn)練需求，而且飛行器的性能考核也離不開仿真試驗(yàn)，因此對應(yīng)型號的數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)的建設(shè)是非常必要的。

為了更好地進(jìn)行實(shí)兵實(shí)裝訓(xùn)練，又出現(xiàn)了在實(shí)際戰(zhàn)位上進(jìn)行模擬訓(xùn)練、聯(lián)合演練的需求，為了提高訓(xùn)練效果、降低訓(xùn)練消耗，可以將內(nèi)場的仿真系統(tǒng)和模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與外場實(shí)裝進(jìn)行聯(lián)接，通過數(shù)據(jù)交互，完成虛實(shí)結(jié)合的打靶試驗(yàn)、聯(lián)合演練等訓(xùn)練內(nèi)容。

最后，各武器系統(tǒng)的試驗(yàn)訓(xùn)練平臺不能只完成本型號的試驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)，還要能夠與其它武器系統(tǒng)、武器系統(tǒng)裝載平臺、編隊(duì)指揮、戰(zhàn)場環(huán)境模擬、藍(lán)軍模擬等實(shí)裝或仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互，完成聯(lián)合打擊、攻防對抗等試驗(yàn)訓(xùn)練內(nèi)容。

4 總體方案

某型飛行器聯(lián)合仿真試驗(yàn)訓(xùn)練一體化平臺包括：飛行器測試VR訓(xùn)練系統(tǒng)、飛行器發(fā)射控制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、飛行器數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)、內(nèi)外場聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊和實(shí)戰(zhàn)化聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊。

4.1 飛行器測試VR訓(xùn)練系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與常規(guī)的訓(xùn)練方式相比較，具有環(huán)境逼真，“身臨其境”感強(qiáng)、場景多變、訓(xùn)練針對性強(qiáng)和安全經(jīng)濟(jì)、可控制性強(qiáng)等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)能帶來訓(xùn)練質(zhì)和量的大幅提升，以及訓(xùn)練成本的大幅減少，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各軍兵種的單兵單裝訓(xùn)練、作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練、戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練等各個(gè)層次[4]。該系統(tǒng)主要包含試驗(yàn)測試訓(xùn)練和維護(hù)測試訓(xùn)練兩種方式，試驗(yàn)測試訓(xùn)練系統(tǒng)側(cè)重于各種飛行試驗(yàn)準(zhǔn)備過程的崗位人員培訓(xùn)，維護(hù)測試訓(xùn)練則側(cè)重于庫存飛行器使用前的維護(hù)測試培訓(xùn)，前者的訓(xùn)練工作量相對大一些，但是核心的內(nèi)容基本一致，都需要具備如下要素：（1）趨近于真實(shí)的三維模型;（2）單項(xiàng)操作規(guī)范及測試流程梳理;（3）單兵及協(xié)同訓(xùn)練手段;（4）訓(xùn)練考核及結(jié)果評估。

4.2 飛行器發(fā)射控制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要用于操作手上崗培訓(xùn)和崗位人員訓(xùn)練，并兼顧聯(lián)合仿真和聯(lián)合訓(xùn)練功能，在實(shí)裝無法參與的情況下，代替發(fā)射控制系統(tǒng)實(shí)裝完成相應(yīng)的動作、模擬相應(yīng)的流程。模擬的主要內(nèi)容包括：發(fā)射控制臺、航路規(guī)劃臺、信息接口設(shè)備、供電設(shè)備、發(fā)射裝置等，及其相應(yīng)的軟件。系統(tǒng)在單獨(dú)使用情況下，還要有飛行器模擬硬件設(shè)備或者軟件功能模塊，用于模擬飛行器的自檢、參數(shù)裝訂、發(fā)射等交互流程。系統(tǒng)的核心要求就是與實(shí)裝的一致性，包括設(shè)備外形、圖形界面、信息交互流程，如果有設(shè)備維護(hù)的訓(xùn)練需求，還要建立相應(yīng)的線纜、執(zhí)行結(jié)構(gòu)等必要的硬件模擬設(shè)備以及故障模擬模塊。通常情況下，裝載平臺上的指揮控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、目標(biāo)探測系統(tǒng)等的模擬也是必須的，但這部分只需要模擬與本訓(xùn)練系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)或語音交互部分。

4.3 飛行器數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)

飛行器系統(tǒng)的研制過程中必須進(jìn)行一系列的指標(biāo)考核試驗(yàn)，實(shí)裝飛行試驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，但是受制于組織難度大、試驗(yàn)成本高等問題，實(shí)裝飛行試驗(yàn)的次數(shù)相對較少，而部分技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的考核無法通過有限的實(shí)裝飛行子樣來完成。利用經(jīng)過驗(yàn)證的全數(shù)字模型或部分核心器件進(jìn)行的仿真試驗(yàn)，可以有效的彌補(bǔ)子樣數(shù)不足的問題，輔助進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)評定。當(dāng)飛行器定型列裝后，該數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)仍可以用于模擬訓(xùn)練、聯(lián)合打擊、攻防對抗、聯(lián)合演練等應(yīng)用場景。

4.3.1 數(shù)字仿真系統(tǒng)

數(shù)字仿真系統(tǒng)的核心在于飛行器數(shù)學(xué)模型，模型的置信度要通過相關(guān)的認(rèn)證，而且要利用實(shí)飛數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的校驗(yàn)和修正。分布式數(shù)字仿真系統(tǒng)通常采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，需要強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的節(jié)點(diǎn)連接反射內(nèi)存，其它的輔助節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在以太網(wǎng)環(huán)境中，具體連接示意見圖1。

全數(shù)字仿真系統(tǒng)可以調(diào)整運(yùn)算周期，能夠完成大規(guī)模的統(tǒng)計(jì)仿真。

4.3.2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)

通常由飛行器的飛行控制計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航、雷達(dá)、高度表、舵系統(tǒng)實(shí)物，以及轉(zhuǎn)臺、仿真控制計(jì)算機(jī)和各種模擬設(shè)備組成，具體連接形式參見圖2。

仿真控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)仿真流程控制，以及控制目標(biāo)模擬設(shè)備、高度模擬器、角度模擬器，并生成轉(zhuǎn)臺姿態(tài)控制信號和接收處理實(shí)物設(shè)備的各種反饋信號等。半實(shí)物仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢是利用飛行器上的實(shí)物設(shè)備，得到的仿真數(shù)據(jù)更加趨近于飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是它運(yùn)行在實(shí)時(shí)模式下，仿真試驗(yàn)與實(shí)際飛行的時(shí)間基本相同，無法進(jìn)行大規(guī)模的統(tǒng)計(jì)仿真。

4.4 內(nèi)外場聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊

主要用于將內(nèi)場的仿真系統(tǒng)與外場的實(shí)裝進(jìn)行聯(lián)接，完成虛實(shí)結(jié)合的打靶試驗(yàn)、聯(lián)合演練等訓(xùn)練內(nèi)容。內(nèi)外場聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊主要包括實(shí)裝端接口設(shè)備、靶場現(xiàn)有通信設(shè)備及鏈路、仿真系統(tǒng)端的實(shí)裝代理設(shè)備等。

利用內(nèi)外場聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的試驗(yàn)和訓(xùn)練時(shí)，有兩種典型的工作模式。一種是在無實(shí)裝飛行器時(shí)，通過實(shí)裝發(fā)射控制系統(tǒng)進(jìn)行飛行器的準(zhǔn)備、航路規(guī)劃、參數(shù)裝訂及發(fā)射訓(xùn)練，由數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)完成飛行器準(zhǔn)備過程中的各種反饋以及飛行仿真計(jì)算;另一種是在飛行器實(shí)裝飛行試驗(yàn)中，以飛行器裝載平臺目標(biāo)感知系統(tǒng)探測到的實(shí)際目標(biāo)為基礎(chǔ)，由數(shù)字/半實(shí)物仿真系統(tǒng)的目標(biāo)特性模擬設(shè)備生成多個(gè)虛擬的目標(biāo)，發(fā)射前通過內(nèi)外場聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊注入實(shí)裝發(fā)射控制等相關(guān)系統(tǒng)，發(fā)射后通過上行通信鏈路傳送給飛行器實(shí)裝，完成多目標(biāo)選擇等指標(biāo)考核試驗(yàn)或演習(xí)任務(wù)，此工作模式需要飛行器上有虛擬目標(biāo)接收設(shè)備配合[5]。

4.5 實(shí)戰(zhàn)化聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊

用于全系統(tǒng)全要素的試驗(yàn)和訓(xùn)練任務(wù)，完成聯(lián)合打擊、攻防對抗等演習(xí)演練任務(wù)。該模塊將本型飛行器聯(lián)合仿真試驗(yàn)訓(xùn)練一體化平臺的其它分系統(tǒng)相聯(lián)，共同構(gòu)成本型飛行器節(jié)點(diǎn)，完成本型飛行器的所有模擬及仿真任務(wù)，通過實(shí)戰(zhàn)化聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練仿真支撐平臺[6]，接入實(shí)戰(zhàn)化試驗(yàn)訓(xùn)練體系;各個(gè)參與試驗(yàn)和訓(xùn)練的實(shí)裝飛行器裝載平臺需要加裝嵌入式訓(xùn)練模塊，通過聯(lián)合訓(xùn)練實(shí)裝通信模塊接入實(shí)戰(zhàn)化試驗(yàn)訓(xùn)練體系;其它型號飛行器的一體化平臺和獨(dú)立的仿真或模擬訓(xùn)練系統(tǒng)也通過各自網(wǎng)關(guān)等設(shè)備接入實(shí)戰(zhàn)化試驗(yàn)訓(xùn)練體系。實(shí)戰(zhàn)化聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

隨著聯(lián)合仿真試驗(yàn)訓(xùn)練規(guī)模的增大，還需加入藍(lán)軍模擬系統(tǒng)、調(diào)度中心等重要組成部分。

5 結(jié)論

飛行器的聯(lián)合試驗(yàn)仿真訓(xùn)練能力應(yīng)該在型號立項(xiàng)開始時(shí)就著手準(zhǔn)備，隨著型號試驗(yàn)過程不斷完善，與型號飛行器共同形成戰(zhàn)斗力。目前該型飛行器仍處于試驗(yàn)階段，發(fā)射控制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、數(shù)字仿真系統(tǒng)、內(nèi)外場聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊已經(jīng)完成初步建設(shè)，測試VR訓(xùn)練系統(tǒng)和實(shí)戰(zhàn)化聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練模塊正在籌劃中，相信在后續(xù)的各項(xiàng)試驗(yàn)以及飛行器列裝后的聯(lián)合訓(xùn)練中能夠發(fā)揮出較大作用，滿足低成本、高質(zhì)量的訓(xùn)練需求，為實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練、體系對抗試驗(yàn)等提供有力支撐。

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收稿日期：2020-05-15

作者簡介：杜鵬（1977—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，高級工程師，研究方向：武器系統(tǒng)總體及系統(tǒng)仿真。