馬瀟瀟，李 濤，榮鵬輝，劉 芳

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

現(xiàn)代航空兵對(duì)地目標(biāo)打擊的主要武器是空地制導(dǎo)彈藥(空地導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈等)，飛行員必須通過(guò)大量反復(fù)貼近實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練才能熟練掌握這類武器裝備，充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。

目前，空軍的訓(xùn)練方式主要是實(shí)兵(實(shí)彈)訓(xùn)練與地面模擬器訓(xùn)練。實(shí)兵進(jìn)行對(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，而且難以模擬敵方的空中、地面威脅特性，安全性、保密性都較差，并且運(yùn)用彈藥也受到極大限制。地面模擬器雖然在訓(xùn)練成本、武器使用上有很大優(yōu)勢(shì)，但缺乏真實(shí)的飛行感受和真實(shí)座艙設(shè)備的操縱感，通?？捎糜诨静僮鬟^(guò)程、基本戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，難以實(shí)施類似實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練。

隨著信息技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展，出現(xiàn)了一種全新的訓(xùn)練模式——嵌入式訓(xùn)練[1](Embedded Training，ET)。嵌入式訓(xùn)練是將訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到實(shí)際裝備中，在真實(shí)的裝備環(huán)境下實(shí)施的訓(xùn)練，可使受訓(xùn)者獲得與實(shí)戰(zhàn)相符的心理與生理適應(yīng)性，大幅提升訓(xùn)練質(zhì)量[2]。嵌入式訓(xùn)練已成為各軍事強(qiáng)國(guó)軍事訓(xùn)練的首選方式，代表了軍事訓(xùn)練技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)。筆者重點(diǎn)討論嵌入式訓(xùn)練在空地作戰(zhàn)訓(xùn)練中的應(yīng)用。

1 嵌入式訓(xùn)練的研究現(xiàn)狀

嵌入式訓(xùn)練是在裝備內(nèi)部嵌入訓(xùn)練系統(tǒng)，在所使用的裝備自身上完成訓(xùn)練，通過(guò)在真實(shí)的作戰(zhàn)系統(tǒng)或設(shè)備上嵌入或增加的訓(xùn)練系統(tǒng)，使操作人員更加熟練地掌握各項(xiàng)操作技能[3]。

具有嵌入式訓(xùn)練功能的裝備可以在正常/訓(xùn)練兩種模式下工作，在訓(xùn)練模式下，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)起到了訓(xùn)練態(tài)勢(shì)產(chǎn)生器和作戰(zhàn)過(guò)程仿真器的作用。嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)生成虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，通過(guò)與實(shí)際裝備的信息交互，驅(qū)動(dòng)實(shí)際裝備運(yùn)行;同時(shí)采集參訓(xùn)人員在實(shí)際裝備上的操作信息，反饋到訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)，控制訓(xùn)練態(tài)勢(shì)的演變，從而完成訓(xùn)練過(guò)程。

嵌入式訓(xùn)練始于20世紀(jì)50年代末，美軍研究人員首次采用虛擬信號(hào)合成技術(shù)，在半自動(dòng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)雷達(dá)屏幕上顯示虛擬目標(biāo)，訓(xùn)練操作人員可在真實(shí)裝備上完成探測(cè)和攔截?cái)撤胶宿Z炸機(jī)、飛行器和導(dǎo)彈的任務(wù)[4]。20世紀(jì)60年代起，隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)在武器裝備中迅速應(yīng)用，嵌入式訓(xùn)練技術(shù)也隨之迅速發(fā)展，美國(guó)陸軍于1987年提出了嵌入式訓(xùn)練的概念，正式確定嵌入式訓(xùn)練為首選訓(xùn)練方式[5]。

當(dāng)前，美國(guó)及其盟國(guó)普遍加大對(duì)嵌入式訓(xùn)練技術(shù)的研究與應(yīng)用，其陸海空軍已為多種武器裝備構(gòu)建了嵌入式訓(xùn)練功能[6-11]。

例如20世紀(jì)90年代，荷蘭空間實(shí)驗(yàn)室、荷蘭國(guó)家宇航實(shí)驗(yàn)室、荷蘭皇家空軍已聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于F-16MLU的嵌入式訓(xùn)練模塊，驗(yàn)證了當(dāng)前技術(shù)實(shí)現(xiàn)適用于空戰(zhàn)飛機(jī)嵌入式訓(xùn)練的可能性[12]；F15E、F16戰(zhàn)機(jī)上的電子戰(zhàn)模擬器，嵌入在飛機(jī)吊艙內(nèi)，在飛行時(shí)能夠產(chǎn)生雷達(dá)告警接收機(jī)的虛擬信號(hào)。

另外，包括F-22和F-35在內(nèi)的新一代戰(zhàn)機(jī)的嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)(Embedded Training System，ETS)也在研制中，機(jī)載的嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)多是用與超視距空戰(zhàn)的系統(tǒng)，對(duì)于空地作戰(zhàn)訓(xùn)練的嵌入式系統(tǒng)鮮見文獻(xiàn)報(bào)道。

2 嵌入式空地作戰(zhàn)訓(xùn)練的概念與特點(diǎn)

2.1 基本概念

嵌入式空地作戰(zhàn)訓(xùn)練(Embedded Air-to-Ground Combat Training, EAGCT)是通過(guò)在飛機(jī)上增加或集成嵌入式系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)強(qiáng)化或代替實(shí)兵及武器，飛行員操控真實(shí)飛機(jī)、機(jī)載設(shè)備與虛擬(真實(shí))對(duì)手進(jìn)行交戰(zhàn)，發(fā)射虛擬武器，直到完成任務(wù)，地面的仿真系統(tǒng)為訓(xùn)練提供任務(wù)規(guī)劃、虛擬目標(biāo)生成，效果評(píng)估(計(jì)算武器彈道與命中概率)等功能。EAGCT的基本概念如圖1所示。

借助EAGCT，可以使飛行員駕駛真實(shí)飛機(jī)在虛擬訓(xùn)練環(huán)境中獲取空地作戰(zhàn)中空地武器運(yùn)用的技巧與經(jīng)驗(yàn)。構(gòu)成訓(xùn)練環(huán)境的各種要素(武器、敵方目標(biāo)、友軍、傳感器信號(hào)、指揮中心等)都可以是虛擬對(duì)象，這些要素可以是計(jì)算機(jī)軟件或地面模擬器(也可以是真實(shí)裝備)，所以訓(xùn)練環(huán)境基本上不涉及安全問(wèn)題。

實(shí)施空地作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，一些傳感器和武器是必須的，例如火控雷達(dá)、敵我識(shí)別裝置、雷達(dá)告警器、空地導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈等。執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，飛機(jī)上的探測(cè)設(shè)備獲取的信號(hào)是由EAGCT生成虛擬目標(biāo)，使用的武器仿真軟件負(fù)責(zé)計(jì)算的虛擬導(dǎo)彈。EAGCT的虛擬探測(cè)信號(hào)、敵/我方兵力的坐標(biāo)、地面目標(biāo)等數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈或其他無(wú)線通信設(shè)備傳遞到飛機(jī)上，而受訓(xùn)飛機(jī)的飛行參數(shù)、飛行員的操作數(shù)據(jù)也將傳遞到地面的仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)真實(shí)裝備與虛擬訓(xùn)練環(huán)境的交互，真實(shí)飛機(jī)與虛擬的敵/我兵力可以相互發(fā)現(xiàn)、鎖定、發(fā)射導(dǎo)彈、被摧毀，對(duì)于受訓(xùn)的飛行員一切與實(shí)戰(zhàn)都是相同的，盡管訓(xùn)練中可能只有受訓(xùn)者駕駛的飛機(jī)是真實(shí)的。

2.2 基本架構(gòu)

EAGCT要滿足空地作戰(zhàn)訓(xùn)練的要求需要具備以下功能：

1)虛擬目標(biāo)/威脅仿真。

2)虛擬友軍兵力仿真。

3)虛擬探測(cè)系統(tǒng)仿真。

4)虛擬武器仿真。

5)ET數(shù)據(jù)鏈。

6)地面站支持系統(tǒng)。

1)～4)項(xiàng)功能是由計(jì)算機(jī)仿真建立虛擬模型；ET數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)怯脕?lái)在實(shí)裝與虛擬訓(xùn)練環(huán)境之間傳遞數(shù)據(jù)、共享信息；地面站支持系統(tǒng)用于提供構(gòu)建訓(xùn)練任務(wù)、訓(xùn)練中指導(dǎo)、訓(xùn)練結(jié)果回放與分析等功能。具有以上的基本功能，EAGCT可以實(shí)現(xiàn)在真實(shí)飛機(jī)上使用虛擬武器、虛擬探測(cè)系統(tǒng)攻擊虛擬目標(biāo)的要求。EAGCT的基本架構(gòu)如圖2所示。

在進(jìn)行嵌入式訓(xùn)練中，機(jī)上的各種探測(cè)系統(tǒng)處于停止工作的狀態(tài)，虛擬探測(cè)設(shè)備可以獲取虛擬目標(biāo)的信號(hào)特征，將探測(cè)結(jié)果通過(guò)ET數(shù)據(jù)鏈傳遞到飛機(jī)的座艙顯示設(shè)備中，飛行員通過(guò)實(shí)裝操作仿真中的虛擬探測(cè)設(shè)備與虛擬武器攻擊虛擬目標(biāo)。當(dāng)虛擬的導(dǎo)彈或炸彈發(fā)射后，彈道仿真模塊會(huì)解算彈道數(shù)據(jù)，地面站會(huì)將彈道解算的結(jié)果及時(shí)反饋給飛行員(武器命中或未命中)。虛擬威脅和友軍可以由人工智能或輔助訓(xùn)練人員操縱。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 嵌入式設(shè)備的結(jié)構(gòu)與通信機(jī)制

嵌入式設(shè)備是飛機(jī)航電系統(tǒng)中的一部分，并不是孤立的，這也體現(xiàn)了它是“嵌入”在武器裝備中的。當(dāng)前國(guó)外開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)的嵌入式的結(jié)構(gòu)有三種方式[13]。

1)獨(dú)立式嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)。一個(gè)完全獨(dú)立的子系統(tǒng)，有獨(dú)立的處理器、圖像生成設(shè)備與軟件，研發(fā)難度小，與武器裝備的接口少，必要時(shí)可以卸載而不會(huì)影響武器裝備的戰(zhàn)時(shí)使用。

2)集成式嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)。通過(guò)升級(jí)武器系統(tǒng)本身的設(shè)備和儀器完成嵌入式訓(xùn)練的功能。

3)混合系統(tǒng)，以上兩種結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。

在嵌入式設(shè)備的結(jié)構(gòu)上，如果采用混合系統(tǒng)，一方面可以有效利用原有武器裝備的軟硬件資源，另一方面可對(duì)核心武器系統(tǒng)的影響降到最低。EAGCT的設(shè)備結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。在圖3所示的實(shí)現(xiàn)方式中，大部分的航電系統(tǒng)保持原有狀態(tài)，總線控制計(jì)算機(jī)加入ET工作模式，可以在訓(xùn)練時(shí)將虛擬訓(xùn)練環(huán)境的數(shù)據(jù)接入航電系統(tǒng)；機(jī)上探測(cè)設(shè)備在訓(xùn)練時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)；武器操控設(shè)備、武器接口以及掛載系統(tǒng)等也不做變動(dòng)，在訓(xùn)練時(shí)仍然使用，而掛載的彈藥更換為專用的訓(xùn)練彈(訓(xùn)練彈可與虛擬訓(xùn)練環(huán)境通訊，接收虛擬攝像頭圖像、虛擬導(dǎo)彈探測(cè)器的數(shù)據(jù)，并將通過(guò)武器接口傳遞的飛行員操控指令傳遞至虛擬系統(tǒng))。

要實(shí)現(xiàn)EAGCT的空地作戰(zhàn)訓(xùn)練功能，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是虛/實(shí)系統(tǒng)間的通信問(wèn)題。用于空戰(zhàn)的嵌入式系統(tǒng)，其虛/實(shí)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信主要是受訓(xùn)者的操作數(shù)據(jù)、飛機(jī)飛行參數(shù)、虛擬目標(biāo)/威脅數(shù)據(jù)、虛擬探測(cè)數(shù)據(jù)等，而對(duì)于空地的作戰(zhàn)訓(xùn)練，其數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)大于空戰(zhàn)訓(xùn)練，這是因?yàn)榭盏刂茖?dǎo)武器中的一個(gè)大類是電視制導(dǎo)武器，導(dǎo)彈/炸彈的電視/紅外攝像頭獲取的圖像通過(guò)飛機(jī)座艙的MFD顯示，飛行員通過(guò)觀察這些圖像來(lái)操控?cái)z像頭、導(dǎo)彈進(jìn)行目標(biāo)的搜索、鎖定。所以在EAGCT上要實(shí)現(xiàn)這些功能就需要將虛擬訓(xùn)練環(huán)境中的計(jì)算機(jī)渲染的導(dǎo)彈攝像頭圖像傳遞到真實(shí)飛機(jī)座艙的MFD設(shè)備上，虛/實(shí)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸量是比較大的(致少需要1 Mb/s的通訊帶寬)。

3.2 虛擬對(duì)象仿真

虛擬訓(xùn)練環(huán)境由各種虛擬對(duì)象構(gòu)成，這些虛擬對(duì)象可以分為以下幾類：

3.2.1 虛擬威脅/目標(biāo)/友軍單元仿真

這些仿真對(duì)象由一系列的邏輯模型和圖形模型構(gòu)成，通過(guò)各種邏輯功能構(gòu)成虛擬訓(xùn)練環(huán)境，如虛擬威脅(防空武器)可以在輔助訓(xùn)練人員或人工智能的控制下與受訓(xùn)飛機(jī)進(jìn)行對(duì)抗，虛擬友軍可以對(duì)受訓(xùn)飛機(jī)提供支援。

3.2.2 虛擬武器仿真

虛擬武器仿真的功能主要是建立空地武器各種數(shù)學(xué)模型(運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、氣動(dòng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、探測(cè)設(shè)備模型、控制模型等)，通過(guò)這些數(shù)學(xué)模型計(jì)算導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(坐標(biāo)、速度矢量、姿態(tài)角、加速度矢量、攻角、側(cè)滑角等)以及探測(cè)設(shè)備參數(shù)(如反輻射導(dǎo)彈對(duì)輻射目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)，電視制導(dǎo)武器攝像頭的運(yùn)動(dòng)、相對(duì)姿態(tài)參數(shù))。對(duì)于一些中程的電視制導(dǎo)導(dǎo)彈，在攻擊末端可以采用人在回路中的控制模式來(lái)提高制導(dǎo)精度，這類武器的探測(cè)設(shè)備模型與控制模型的建模逼真度是關(guān)系到整個(gè)訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練效果的關(guān)鍵因素。

3.2.3 三維地形仿真

逼真的三維地形是為了構(gòu)建空地訓(xùn)練虛擬環(huán)境不可缺少的部分。三維地形的開發(fā)可以采用Creator Terrain Studio、Terra Vista等視景建模軟件，主要工作包括前期的衛(wèi)星影像、航拍照片、高程數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)處理，以及通過(guò)地形生成工具生成三維地形。

3.3 計(jì)算機(jī)兵力

CGF(Computer Generated Force)是由計(jì)算機(jī)生成，具有一定智能性和真實(shí)性的虛擬兵力，是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、人工智能和仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[14]，也就是為虛擬對(duì)象的邏輯模型添加上行為模型，能夠使虛擬對(duì)象進(jìn)行推理、決策、規(guī)劃、學(xué)習(xí)等。行為模型的建立既涉及仿真對(duì)象的實(shí)體行為，又涉及到人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、專家系統(tǒng)以及社會(huì)學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域，是多學(xué)科交叉的研究方向，基本處于理論研究階段，目前成熟的CGF系統(tǒng)大都是基于規(guī)則的系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)是提升作戰(zhàn)飛機(jī)訓(xùn)練效率的有效手段，將真實(shí)飛機(jī)裝備與虛擬場(chǎng)景結(jié)合，構(gòu)成了逼真的作戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境，使飛行員可以充分利用飛機(jī)上的實(shí)際裝備，在真實(shí)的物理與心理環(huán)境下開展作戰(zhàn)訓(xùn)練，目前已經(jīng)是各國(guó)空軍訓(xùn)練發(fā)展的主要方向。

筆者對(duì)嵌入式訓(xùn)練在空地制導(dǎo)武器作戰(zhàn)訓(xùn)練中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了嵌入式訓(xùn)練在該領(lǐng)域應(yīng)用的基本方法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其中一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。將嵌入式訓(xùn)練應(yīng)用于空地制導(dǎo)武器的訓(xùn)練，可顯著提高訓(xùn)練效果，對(duì)該領(lǐng)域訓(xùn)練方式的改革具有重要意義。

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