航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)教員控制臺設(shè)計與實現(xiàn)

朱 濤,來 淼,萬鵬程,趙保明

(1.空軍石家莊飛行學(xué)院飛行模擬訓(xùn)練系,北京 100195；2.空軍研究院特種勤務(wù)研究所,北京 100195)

航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是一套以所仿真飛機型號為模擬對象,兼顧基礎(chǔ)飛行技術(shù)訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由若干臺仿真終端、教員控制臺、綜合信息顯示系統(tǒng)(二維態(tài)勢、三維態(tài)勢、三方觀察)、飛參再現(xiàn)系統(tǒng)、模擬塔臺指揮系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)指控臺以及其他輔助分系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)中單臺仿真終端不僅可以完成基本駕駛術(shù)訓(xùn)練,還可通過網(wǎng)絡(luò)與其他仿真終端或系統(tǒng)互連,實現(xiàn)仿真終端之間以及與計算機生成兵力CGF之間的戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練。在戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練方面,該系統(tǒng)能夠滿足飛行員熟悉戰(zhàn)場環(huán)境，識別打擊目標(biāo)，進行小規(guī)?？湛諏购涂彰嫱粨舻扔?xùn)練任務(wù)的需要,可以實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境下紅藍雙方多人、多機、空地協(xié)同的對抗訓(xùn)練,解決了部隊全要素訓(xùn)練的難題,有效提高飛行員的對抗作戰(zhàn)能力[1]。系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

基于航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的功能介紹與需求分析,需要對傳統(tǒng)單機的飛行訓(xùn)練模擬器中的教員控制臺進行重新設(shè)計與功能擴展,用于滿足戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練以及虛擬裝備與實裝相結(jié)合訓(xùn)練等方面的研制要求。

1 系統(tǒng)分析

1.1 功能要求

航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的教員控制臺是在單機飛行訓(xùn)練模擬器教員控制臺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加并擴展了相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練與各項管理功能。關(guān)于單機飛行訓(xùn)練模擬器教員控制臺已經(jīng)發(fā)展多年,其系統(tǒng)組成、原理和實現(xiàn)方法已經(jīng)較為成熟[2-4],綜合起來具備以下功能。

1)飛行訓(xùn)練設(shè)置。主要包括以下方面內(nèi)容:① 飛行機場選擇，選擇起飛、降落、備降機場并對機場的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置;② 環(huán)境參數(shù)設(shè)置，包括風(fēng)向、風(fēng)速、云頂高、云低高、淡入距離、淡出距離、能見度、時間、天氣情況、雨雪級別設(shè)置等方面;③ 武器掛載方案設(shè)置;④ 訓(xùn)練科目設(shè)置等方面。

2)數(shù)據(jù)實時顯示。包括飛行參數(shù)和武器掛載數(shù)據(jù)、空情態(tài)勢等方面。

3)訓(xùn)練過程仿真控制。包括起飛、凍結(jié)、解凍、復(fù)位、集合以及記錄和重現(xiàn)等,能夠?qū)δM器運行全過程進行精準(zhǔn)控制。

4)特殊情況處置訓(xùn)練。能夠根據(jù)駕駛守則中相應(yīng)的特殊情況進行訓(xùn)練。

5)飛行成績評定。按模擬飛行訓(xùn)練大綱中的相關(guān)要求和算法對飛行過程進行定性和定量的計算和分析,給出訓(xùn)練成績。

6)系統(tǒng)檢測與監(jiān)控。負(fù)責(zé)仿真系統(tǒng)的開關(guān)機并對其運行狀態(tài)進行監(jiān)控,實現(xiàn)故障的報警、分析判斷與隔離。

基于航空兵分隊級可進行戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的教員控制臺應(yīng)該擴展及增加以下功能:

1)飛行訓(xùn)練模擬器的敵我屬性及初始戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢設(shè)置，即可靈活地對模擬器進行紅藍分組,利用空中集合等功能快速進行戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢布勢,便用于開展空空戰(zhàn)術(shù)對抗,演練各種戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法。

2)打擊目標(biāo)與威脅目標(biāo)的設(shè)置。包括固定目標(biāo)設(shè)置、移動目標(biāo)設(shè)置(具體分為不同運動方式不同類型的地面目標(biāo)及海上目標(biāo))、雷達輻射源、地面防空威脅設(shè)置等多種方式,便用開展空地突擊訓(xùn)練。

3) 更加多樣化的空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練能力。以編隊?wèi)?zhàn)術(shù)機動訓(xùn)練為例:提供根據(jù)計算機生成兵力(CGF)規(guī)劃的、本機實際模擬飛行過程錄制生成的數(shù)據(jù)以及跟隨分隊中的其他模擬器等方法開展靈活多樣的編隊機動訓(xùn)練。同時還具備與實裝真實飛行參數(shù)交互的能力，包括在模擬器上實現(xiàn)用實裝飛參驅(qū)動模擬器重現(xiàn)飛行過程,使用實裝飛參驅(qū)動模擬器作為教練機或靶機,用其他模擬器尾隨跟飛或攻擊。

4) 進一步加強對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的管理以及對數(shù)據(jù)的挖掘及分析。由于航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)模擬器數(shù)量較多,每臺模擬器又都是多個參訓(xùn)人員根據(jù)不同的訓(xùn)練科目在多個階段、多次重復(fù)使用,在每次訓(xùn)練完畢后需要根據(jù)定性和定量的評估指標(biāo),開展訓(xùn)練評估。因此必須使用數(shù)據(jù)庫對訓(xùn)練進行有效的數(shù)據(jù)管理,后續(xù)還可以通過對大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的深層次的分析和運用,有針對性、個性化的制定對每個參訓(xùn)人員的訓(xùn)練計劃,進一步提升訓(xùn)練質(zhì)量與效益。另外通過數(shù)據(jù)庫還可以加入模擬器的使用時間與頻次、維護保障信息等方面內(nèi)容為后續(xù)的模擬器效能評價、經(jīng)濟性分析等方面提供準(zhǔn)確的依據(jù)與支撐。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

下面對航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)教員控制臺的建模與實現(xiàn)方法進行具體介紹,系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 教員控制臺的模塊結(jié)構(gòu)圖

1)配置模塊，主要包括以下內(nèi)容:①系統(tǒng)配置文件，主要包括系統(tǒng)IP地址,數(shù)據(jù)收發(fā)端口號,數(shù)據(jù)庫登錄密碼等信息;②機場信息文件，主要包括機場的經(jīng)緯度、標(biāo)高、跑道角、磁差、跑道長等相關(guān)信息;③訓(xùn)練計劃，主要包括每臺模擬器的起飛機場、降落機場、武器掛載、環(huán)境參數(shù)、集合位置等信息。

2)飛行訓(xùn)練設(shè)置模塊,包括飛行機場選擇、綜合戰(zhàn)場環(huán)境參數(shù)設(shè)置、武器掛載方案設(shè)置、訓(xùn)練科目設(shè)置等多個功能部件,該模塊中的多數(shù)功能部件根據(jù)配置模塊進行初始化,也可以在運行時根據(jù)需要進行改變并自動或手動保存至相應(yīng)的文件或數(shù)據(jù)庫中,用于下次訓(xùn)練初始狀態(tài)設(shè)置。

3)仿真控制模塊,包括敵我屬性設(shè)置、編隊(單機)起飛、集合、凍結(jié)、解凍、復(fù)位、記憶、重現(xiàn)等功能?？刂颇K中的命令全部根據(jù)訓(xùn)練的實際需要由人工操作產(chǎn)生。

4)信息顯示與監(jiān)控模塊,分為兩個部分,第一部分為信息顯示用于各個模擬器的狀態(tài)數(shù)據(jù);第二部分為監(jiān)控整個大系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及異常處理。

5)通信模塊,分為兩接收與發(fā)送兩個部分。①網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收與分析功能部件,負(fù)責(zé)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膹V播數(shù)據(jù),判斷并接收傳輸給本端口的廣播數(shù)據(jù),將實時接收到的每一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)其數(shù)據(jù)類型進行解析,分解為飛機飛行數(shù)據(jù)、飛機特殊情況數(shù)據(jù)、碰撞數(shù)據(jù)、彈丸等模型數(shù)據(jù),傳遞給相應(yīng)的其他模塊。②數(shù)據(jù)發(fā)送功能部件,負(fù)責(zé)將控制命令、生成或錄制的虛擬目標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送到公網(wǎng)上,生成被打擊的目標(biāo)。

6)數(shù)據(jù)庫模塊，主要管理訓(xùn)練法規(guī)類、計劃類、過程類以及模擬器自身相關(guān)數(shù)據(jù);為訓(xùn)練情況統(tǒng)計、訓(xùn)練效果評價、模擬器使用與維護、效能及效益分析以及后續(xù)的進一步數(shù)據(jù)挖掘、分析等大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供有力支撐。

7)目標(biāo)生成模塊,根據(jù)訓(xùn)練科目需要,在空中生成各種類型及智能程度的CGF目標(biāo),CGF模型中包括人的行為決策模型,能夠在一定程度實現(xiàn)上實現(xiàn)對抗訓(xùn)練。在地面、海面中虛擬生成各種不同類型的打擊及威脅目標(biāo),并能夠與飛參再現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)作共同實現(xiàn)虛實結(jié)合訓(xùn)練。

8)管理模塊,實施對教員控制臺從啟動到退出的整個運行過程的總體控制,協(xié)調(diào)與統(tǒng)領(lǐng)各個模塊,保證系統(tǒng)在有序、可按的狀態(tài)下穩(wěn)定運行。系統(tǒng)的運行過程如圖3所示。

圖3 教員控制臺的運行過程

2 系統(tǒng)實現(xiàn)難點及對策

傳統(tǒng)的單機飛行訓(xùn)練模擬器教員控制臺系統(tǒng)作為子系統(tǒng)已經(jīng)隨著各個型號的飛行模擬器發(fā)展多年,相關(guān)技術(shù)較為成熟與可靠。以下著重從高效組織、管理以及實施訓(xùn)練任務(wù)的角度對航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中由于模擬器的數(shù)量增加，訓(xùn)練方式方法發(fā)生變化等因素而出現(xiàn)的相關(guān)問題進行分析并給出解決方案。

2.1 綜合管控設(shè)計

航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中模擬器數(shù)量多，通信速率快(仿真周期為10 ms)，數(shù)據(jù)類型多，數(shù)據(jù)量很大,教員控制臺分系統(tǒng)需要在同一界面上完成對多個模擬器的控制，并同時完成實時記錄每一臺模擬器的飛行訓(xùn)練狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)等多項任務(wù),需要保證界面有良好的可操作性及易用性。另一方面，為保證仿真的效果及實時性都采用UDP方式進行網(wǎng)絡(luò)通信,UDP的方式傳輸數(shù)據(jù)必然會帶來數(shù)據(jù)的不可靠,而對訓(xùn)練全過程實施有效管控最重要的就是要保證模擬器能夠及時收到并響應(yīng)從教員控制臺中發(fā)出相關(guān)指令,針對以上難點采用以下方法加以解決:

1)多任務(wù)并行機制保證

采用多線程編程技術(shù)同時進行多項任務(wù)并減少系統(tǒng)內(nèi)部的性能瓶頸,提高實時性與界面操作的響應(yīng)。如發(fā)送命令時創(chuàng)建線程,發(fā)送完畢后線程自然退出。接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)也在相應(yīng)的線程中,另外讀取與寫入訓(xùn)練腳本配置文件以及把飛行參數(shù)寫入對應(yīng)的記錄文件等多個過程都使用了多線程技術(shù),避免了界面卡頓等現(xiàn)象發(fā)生,保證了系統(tǒng)的可操作性。

2)指控指令的可靠性保證

首先在發(fā)送前根據(jù)參數(shù)的含義設(shè)定合法性規(guī)則,對所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行檢查并且在每幀數(shù)據(jù)前加入數(shù)據(jù)報頭(對數(shù)據(jù)類型說明、命令接收模擬器的ID號、數(shù)據(jù)幀流水序號等內(nèi)容加以標(biāo)識)然后用多次發(fā)送的方法保證數(shù)據(jù)正確和相關(guān)系統(tǒng)能夠可靠接收[5],最后通過接收到的各個模擬器回傳的實時數(shù)據(jù)去驗證指令的有效性，如發(fā)出空中集合命令后,相應(yīng)的模擬器的位置坐標(biāo)出現(xiàn)變化,發(fā)送凍結(jié)命令后,其位置坐標(biāo)應(yīng)保持不變等等,仔細(xì)觀察會得出命令是否有效的結(jié)論,然后采取有針對性的措施,防止出現(xiàn)影響訓(xùn)練整個進程的正確實施的問題發(fā)生。

2.2 靈活高效的組訓(xùn)能力設(shè)計

在戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練中,模擬器要完成裝備戰(zhàn)術(shù)性能綜合仿真,準(zhǔn)確反映實裝的機動性能、作戰(zhàn)性能、通信性能等,在虛擬戰(zhàn)場條件下對指戰(zhàn)員進行專業(yè)技能、機組協(xié)同、分隊?wèi)?zhàn)術(shù)、兵種指揮和戰(zhàn)術(shù)對抗等訓(xùn)練,需要“仿得全”,“仿得真”[6],還需要“好用”、“易用”。為了更加高效地根據(jù)訓(xùn)練需求(科目)在多種訓(xùn)練場景中使用模擬器,充分發(fā)揮模擬訓(xùn)練的優(yōu)勢,在設(shè)計時除了注意實現(xiàn)模擬器群整體訓(xùn)練課目以外,還需要注意將每一臺模擬器的配置及訓(xùn)練內(nèi)容獨立于系統(tǒng)環(huán)境,能夠獨立設(shè)置訓(xùn)練科目、戰(zhàn)場環(huán)境、部署位置以及執(zhí)行任務(wù)區(qū)域、航線、武器外掛、目標(biāo)等作戰(zhàn)任務(wù)設(shè)置。這樣就可以保證,在同一時刻的每一臺模擬器可以在各自不同的戰(zhàn)場環(huán)境、訓(xùn)練科目中進行單獨訓(xùn)練而互不影響,使訓(xùn)練過程更有針對性和靈活性,極大提高訓(xùn)練的效率及效益，比如一臺模擬器可以在白天進行特殊情況處置訓(xùn)練,而另外一臺可以在夜間進行起落航線訓(xùn)練。或者這幾臺模擬器實施某一課目的戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練,而與此同時另外幾臺可以進行其他課目戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練或基礎(chǔ)技能操作訓(xùn)練。在系統(tǒng)具體實現(xiàn)中是以每臺模擬器的唯一標(biāo)識MAINID為索引分開設(shè)置控制管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的模擬器進行交互。另外，將其中的一些關(guān)鍵信息如起降機場、戰(zhàn)場環(huán)境、武器掛載方案、各類武器現(xiàn)有數(shù)量、對抗目標(biāo)信息與狀態(tài)及時存入以MAINID為索引的配置文件中,保證在下一次訓(xùn)練時保持上次的各種設(shè)置狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)管理與監(jiān)測

航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)相比單臺模擬器的硬件節(jié)點數(shù)量、要素大大增加，數(shù)據(jù)類型也更加多樣,系統(tǒng)較為復(fù)雜,這就對系統(tǒng)的管理與監(jiān)控提出了很高的要求。系統(tǒng)的開關(guān)機、運行狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷、各類訓(xùn)練信息存儲都需要進行統(tǒng)籌管理與處理。系統(tǒng)開關(guān)機采用網(wǎng)絡(luò)喚醒與關(guān)閉技術(shù),并將計算機的啟動及關(guān)閉狀態(tài)顯示在維護界面上。系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷模塊實現(xiàn)過程中,從網(wǎng)絡(luò)中收到數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)進行嚴(yán)格的檢查,防止出現(xiàn)因異常造成的程序崩潰,然后再根據(jù)收到的數(shù)據(jù)判斷并顯示系統(tǒng)運行狀態(tài),若有故障發(fā)生,調(diào)用故障診斷專家?guī)斓玫教幹么胧?同時提示及指導(dǎo)維護人員及時開展保障工作。另外，各類訓(xùn)練信息也根據(jù)自身的特點選用合適的方法進行存儲與管理，如受訓(xùn)人員信息、成績、模擬器使用記錄、故障診斷專家?guī)?、教學(xué)參考資料等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中,而系統(tǒng)配置、模擬器飛參記錄采用數(shù)據(jù)文件的格式存儲在本機,并將其索引號加入數(shù)據(jù)庫中。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與實際應(yīng)用

通過深入研究航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)教員控制臺的功能需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)綜合管控設(shè)計、靈活組訓(xùn)設(shè)計和系統(tǒng)管理與監(jiān)測等技術(shù)難點進行攻關(guān),最終實現(xiàn)了教員控制臺系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 教員控制臺的實現(xiàn)界面

4 結(jié)束語

近年以來，我部已經(jīng)成功研制多型(套)航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng),均已交付部隊實際使用。其中教員控制臺分系統(tǒng)健壯穩(wěn)定，功能強大完善，用戶界面友好。以該分系統(tǒng)為組織和管理訓(xùn)練的人機交互平臺,

依托航空兵分隊模擬訓(xùn)練系統(tǒng),實現(xiàn)了常態(tài)化戰(zhàn)術(shù)對抗和基本駕駛技能模擬飛行訓(xùn)練,取得良好效果。今后,該平臺也將用于更多后繼研制任務(wù)中,發(fā)揮更大的作用與效益。