◎復(fù)雜航空系統(tǒng)仿真重點實驗室 周進登 宋健
◎中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 劉影 張澤奇
LVC( Live - Virtual -Construction)是指將現(xiàn)實裝備、模擬器和計算機生成兵力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)集成,構(gòu)建一個能在實兵、仿真兵力及虛擬戰(zhàn)場之間進行互操作的集成環(huán)境,實現(xiàn)完成涵蓋單兵-系統(tǒng)- 體系三個層次的仿真任務(wù),并用來進行作戰(zhàn)訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同、制定作戰(zhàn)計劃、評估作戰(zhàn)情況、輔助裝備開發(fā)測試等。
隨著體系對抗成為未來戰(zhàn)爭模式選擇的必然,如何應(yīng)對體系對抗訓(xùn)練所需要的更復(fù)雜、更真實的訓(xùn)練場景是各國軍隊包括美軍在內(nèi)所要面臨的直接問題,如何實現(xiàn)有效的、低成本的、快速的訓(xùn)練也就自然而然的成為擺在各國軍隊領(lǐng)導(dǎo)者面前必須要考慮的問題之一。同時,隨著體系對抗的深入發(fā)展,武器裝備的研制和測試是否真正適應(yīng)未來體系對抗要求是一個非常難以回答的問題,急需新的研制思路和測試方法,以便真正生產(chǎn)出符合未來作戰(zhàn)需求的軍事裝備。美軍還面臨急需馬上解決的問題,一是訓(xùn)練預(yù)算緊縮,導(dǎo)致很多實裝飛行訓(xùn)練不能開展,訓(xùn)練不足的問題普遍存在;二是受訓(xùn)手段條件限制,訓(xùn)練場景不能反映真實戰(zhàn)場情況;三是支撐體系作戰(zhàn)的關(guān)鍵裝備功能越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)測試不能真實反映裝備體系貢獻度,測試成本和難度越來越大。在如何解決目前存在問題時,美軍提出了要通過創(chuàng)建統(tǒng)一的“真實-虛擬-構(gòu)造”集成框架,即LVC-IA(Live-Virtual-Construction-Integrated Architecture),來滿足體系對抗日益增長的高成本、高難度和高復(fù)雜度。美軍如何在已有的基礎(chǔ)上實現(xiàn)LVC,從而真正達到1+1>2 的效果是美軍真正需要面臨的問題。
LVC 不是簡單三域的結(jié)合,而是三域深度融合后形成的體系閉環(huán)。在繼承各域優(yōu)點的同時,盡量避免或改進了各域存在的矛盾問題,并在融合后形成了自身獨特的優(yōu)勢,其不僅提高了訓(xùn)練質(zhì)量、增強科目多樣性、降低裝備損耗和維護成本,同時建立了一個更高的威脅密度、更廣闊的虛擬空間和安全的互操作性環(huán)境,這使得飛行員可以使用先進的傳感器和武器系統(tǒng)在最高的逼真度環(huán)境中進行“戰(zhàn)斗訓(xùn)練”,幫助他們發(fā)現(xiàn)各種錯誤。同時,也將測試驗證已有裝備和未來裝備在實戰(zhàn)環(huán)境下的體系貢獻率。
創(chuàng)建LVC 更多是增強已有資源可互用性、可集成性以及可組合性,并進行整合,從而形成一套完整的體系架構(gòu),因此其實施難度異常巨大,將面臨數(shù)據(jù)冗余大、傳送時延大、數(shù)據(jù)易丟失、傳輸所需帶寬大、網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險大、結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜等諸多問題。
LVC 建設(shè)是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程問題,涉及人員、技術(shù)、組織和管理。從美軍發(fā)布的技術(shù)路線圖來看,核心是從問題入手,重點對現(xiàn)有裝備、訓(xùn)練體系進行持續(xù)升級,解決現(xiàn)有不同仿真架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的互操作性,同時依托一個強有力的管理機構(gòu)監(jiān)督已有框架和協(xié)議的發(fā)展,避免產(chǎn)生更多不利分支,并投入合理的經(jīng)費引導(dǎo)不同框架和協(xié)議走向融合和統(tǒng)一。
在組織實施中,美空軍空戰(zhàn)司令部(AAC)是LVC 建設(shè)的主要責(zé)任部門,并協(xié)同與空軍裝備司令部(AFMC)共同發(fā)布需求。美空軍空中機動司令部機組人員訓(xùn)練部是LVC 的政策制定和監(jiān)督部門。美空軍建模與仿真局(AFAMS)負(fù)責(zé)對接LVC 與作戰(zhàn)訓(xùn)練設(shè)施(OTI)之間的政策/ 需求接口。最后,敏捷戰(zhàn)斗系統(tǒng)(ACS)項目執(zhí)行官(PEO)牽頭將武器域、飛機域及美國空戰(zhàn)中心的相關(guān)工作線合并到LVC 項目,同時負(fù)責(zé)LVC 基礎(chǔ)設(shè)施的采購計劃和執(zhí)行,并負(fù)責(zé)與其他系統(tǒng)的集成。
在項目實施中,美軍結(jié)合目前已經(jīng)開展的項目,按照“L/LC”、“VC”及“LVC”三條線同步進行實施,如圖1 所示。
在“L/LC”域中,為了加快國防高技術(shù)預(yù)研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用,美軍在2016-2018 年度重點支持了SLATE-ATD 項目,主要驗證了美軍現(xiàn)有戰(zhàn)斗機和模擬器加入LVC 的能力,以評估SLATE 對于空戰(zhàn)訓(xùn)練的技術(shù)可行性、作戰(zhàn)適應(yīng)性和經(jīng)濟承受能力。該項目已經(jīng)在2018 年度的“紅旗”軍演中得到初步應(yīng)用。同時,美軍計劃利用12 年的時間,從2016 年到2027 年,重點解決用于F-35 加入LVC 所需軟硬件開發(fā),并在F-35 block3f 狀態(tài)中先期試驗嵌入式訓(xùn)練(ET)為主的簡化版LVC功能,并在未來block4.x/5 狀態(tài)中進一步開發(fā)LVC 功能。此外,待定的項目中還有,在2020-2027 年擇機建設(shè)用于LVC 環(huán)境的任務(wù)數(shù)據(jù)(MDS),2020-2028 年建設(shè)和升級試驗場所需的LVC 硬件/ 軟件并實現(xiàn)ERP 管理,同時繼續(xù)優(yōu)化和升級實時任務(wù)作戰(zhàn)中心LMOC。
圖1 美軍LVC建設(shè)規(guī)劃圖
在“LVC”域中,美軍在2016-2018 年度,重點發(fā)展基于SLATEATD 的空軍作戰(zhàn)部隊高級實戰(zhàn)訓(xùn)練(CAF ALOT)。待定項目中,計劃在2019-2023 年開展LVC 基礎(chǔ)建設(shè),重點進行波形設(shè)計、P5 訓(xùn)練系統(tǒng)頻率重新定位、防頻譜沖突、規(guī)則分類、研究多個安全級別的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、開發(fā)下一代威脅模擬系統(tǒng)(NGTS,聯(lián)合仿真環(huán)境(Joint Simulation Environment,JSE)的一部分),并提高技術(shù)成熟度同時降低風(fēng)險;在2021-2028 年中,開展F-35 LVC 能力的集成,使技術(shù)更成熟、風(fēng)險持續(xù)降低。
在“VC” 域 中, 美 軍 通 過 重點支持VTTC 建設(shè) 來發(fā)展“VC”。2016-2018 年 度, 美 軍 支 持 了VTTC 第一階段任務(wù),主要是建設(shè)F-16、F-22 系列飛機的任務(wù)培訓(xùn)中心(MTC),并建設(shè)F-35 全任務(wù)模擬器(FMS),同時集成聯(lián)合末端攻擊引導(dǎo)員仿真系統(tǒng)(JTAC SIM)。在2018-2023 年度重點支持“VC”通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(SCARS)的開發(fā)、優(yōu)化和部署。待定項目中,計劃2024-2029 年度進行SCARS 的增量部署;2019-2020 年 度 開 展VTTC 第二階段任務(wù),融入全任務(wù)仿真,建設(shè)F-15C 和F-15 任務(wù)培訓(xùn)中心,建設(shè)機載報警控制系統(tǒng)運營中心(AWACS Ops);2020-2024 年度開展VTTC第三階段任務(wù),進行跨作戰(zhàn)域的整合(包含航空、航天、網(wǎng)絡(luò)、陸地、海洋),建設(shè)基于LVC 的聯(lián)合仿真環(huán)境(JSE)。
1、模擬器互聯(lián)將會是實現(xiàn)LVC的關(guān)鍵所在
美軍認(rèn)為模擬器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化是美軍建設(shè)LVC 重點考慮的方面。為此,美軍于2017 年9 月發(fā)布了《2035 年前空軍作戰(zhàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)設(shè)施飛行計劃》(簡稱為OTI),該計劃中強調(diào)了合成環(huán)境集成實裝的能力(Synthetic-To-Live Capability)和統(tǒng)一的模擬器架構(gòu)(Common Architecture)。合成環(huán)境與實裝集成就是LVC;統(tǒng)一的模擬器架構(gòu)即模擬器通用架構(gòu)要求和標(biāo)準(zhǔn)(Simulator Common Architecture Requirements&Standards,SCARS)。美空軍部署全球范圍的有超過50 種平臺,超過2380 個訓(xùn)練設(shè)備,將如此之多的不同架構(gòu)、不同類型設(shè)備進行互聯(lián)將是一個巨大的工程(美軍已于2019 年在內(nèi)利斯空軍基地將F22 和F35 模擬器進行了互聯(lián))。為此,美空軍在2018 年12 月發(fā)布了SCARS 招標(biāo)書,為期10年,合同金額高達9 億美元,計劃在2020 年簽署首個SCARS 合同。
模擬器標(biāo)準(zhǔn)化還未完成前,美軍為解決不同仿真框架之間的網(wǎng)絡(luò)通信主要依靠建設(shè)分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)(Distributed Mission Operations Network,DMON)。同時,還需解決多級加密,以便允許不同安全級別的數(shù)據(jù)節(jié)點在訓(xùn)練期間進行交互,這是未來LVC 建設(shè)的重要推動因素。DMON 的建設(shè)主要由諾斯羅普·格魯曼公司(Northrop Grumman)公司完成,中心點部署在分布式任務(wù)作戰(zhàn)中心(DMOC),位于科特蘭空軍基地(Kirtland AFB),為解決不同仿真體系框架之間的互聯(lián)(主要指上文提 到的DIS、HLA、ALSP、TENA、CTIA),DMON 的網(wǎng)關(guān)通過使用推算技術(shù)來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)流量,以減少狀態(tài)更新的需要。同時,為解決多級加密,DMOC 推出了其“多級安全解決方案”(MLS),將用戶、數(shù)據(jù)按不同的安全級別進行劃分,嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)訪問,并建立了數(shù)據(jù)發(fā)布以及數(shù)據(jù)使用的嚴(yán)格規(guī)定。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)可以將美軍的模擬器與北約盟國進行連接。
值得注意的是DMON 在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)上運行,好處是主網(wǎng)絡(luò)的帶寬可按需求調(diào)整,沒有維護成本,美空軍只為使用的帶寬付費。但是,使用商業(yè)網(wǎng)絡(luò)來承載作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)流量存在“一定的風(fēng)險”。下一步,DMOC 將使用美軍自建的全球信息柵格(Global Information Grid, GIG)來解決帶寬和安全性問題。
2、嵌入式訓(xùn)練(ET)是實現(xiàn)簡化版LVC 的重要途徑
ET(Embedded training) 技 術(shù)將虛擬組件與真實飛行相結(jié)合,定制虛擬實體的行為和能力。在將虛擬實體集成到機載傳感器后,飛行員可以按照裝備的方式使用武器系統(tǒng)。ET無需復(fù)雜的LVC 組織保障訓(xùn)練,使用ET 的參與人員更少、資產(chǎn)使用少、成本更低。由于ET 在LVC 訓(xùn)練中包含了L 和C,因此它在該機器上實現(xiàn)了“真實”和“虛擬”的對抗模式,這是實現(xiàn)LVC 之前的關(guān)鍵部分。
LVC 技術(shù)已經(jīng)用于美國軍方的各項軍事演習(xí)當(dāng)中?!凹t旗”軍演是美國太平洋空軍司令部為美軍進行的一系列野戰(zhàn)訓(xùn)練演習(xí),它提供聯(lián)合空對空作戰(zhàn)、空對面作戰(zhàn)、攔截、近距離空中支援等訓(xùn)練內(nèi)容。在2018 年的美軍進行的全部紅旗軍演中都使用了LVC 技術(shù),它通過使用分布式加密安全網(wǎng)絡(luò)將百名模擬器飛行員和構(gòu)建的數(shù)字兵力模型從全國各個基地連接到同一個戰(zhàn)場環(huán)境中。
“北 方 利刃”(Northern Edge)是由美國太平洋司令部在阿拉斯加舉行的軍事演習(xí)。在這個軍事演習(xí)項目中,LVC 的技術(shù)訓(xùn)練項目模擬遠(yuǎn)程轟炸機、預(yù)警機、指揮機等模擬器,以及計算機生成的武器系統(tǒng),為友軍和敵軍部隊有效提高了戰(zhàn)斗場景的真實性。
“虛擬旗”(Virtual Flag)演習(xí)是美軍將飛行模擬器組網(wǎng)進行訓(xùn)練的活動,由分布式任務(wù)作戰(zhàn)中心(DMOC)負(fù)責(zé),每年舉行4 次,該演習(xí)是美軍目前唯一的全譜系飛機的作戰(zhàn)人員都能參與的重點演習(xí),同時,美海軍和海軍陸戰(zhàn)隊的模擬器也陸續(xù)加入到了演習(xí)當(dāng)中。2015 年,美軍將采用實裝對抗的“紅旗”軍演與“虛擬旗”軍演相結(jié)合,傳統(tǒng)的“紅旗”軍演區(qū)域只有3.8 萬平方公里左右,加入了“虛擬旗”之后,虛擬的可用面積增加到了34 萬平方公里。同時,參加演習(xí)的裝備種類也更加齊全,參與演習(xí)的模擬器幾乎覆蓋了美軍及其盟國的整個航空裝備譜系,這些充分體現(xiàn)了LVC在作戰(zhàn)訓(xùn)練中的巨大優(yōu)勢。
美軍在建設(shè)LVC 時充分吸收了在建項目的優(yōu)勢,這其中即有裝備層面的基礎(chǔ)設(shè)施,也有成體系的實體組織,F(xiàn)-35 系列飛機仿真基礎(chǔ)設(shè)施和VTTC 第三階段任務(wù)中提到的JSE 就是此兩種類型的代表。
F-35 系列飛機是美軍未來體系作戰(zhàn)環(huán)節(jié)中最核心的裝備之一,美軍通過建設(shè)F-35 全任務(wù)模擬器(FMS)及F-35 虛 擬 仿 真 模 型(Virtual Simulation,VSim)作為支撐美軍研發(fā)、測試和訓(xùn)練的基礎(chǔ)。除了傳統(tǒng)的真機訓(xùn)練外,F(xiàn)-35 全任務(wù)模擬器(FMS)是F-35飛行員訓(xùn)練計劃的最重要部分。隨著飛機作戰(zhàn)能力更強、任務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜,美軍在對高端作戰(zhàn)飛機的訓(xùn)練已不再聚焦在基本飛行訓(xùn)練,而是更重視與實裝相同OFP,達到面向作戰(zhàn)任務(wù)訓(xùn)練的目的。未來通過融入DMON 從而接入到LVC,美軍四代機的訓(xùn)練水平將達到一個全新的高度,而F35 FMS 也將成為LVC 中“V”域中最為重要的系統(tǒng)之一。
JSE 是美國防部測試F-35 任務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施,JSE 正是美軍在制定LVC 發(fā)展策略中“VC”域中VTTC 第三階段重點發(fā)展的內(nèi)容。美軍對JSE 的初始作戰(zhàn)能力(Initial Operational Capability,IOC)是:要有戰(zhàn)區(qū)級的仿真能力,提供對上千種的紅方、藍(lán)方和中立方裝備的聯(lián)合仿真能力,包括:作戰(zhàn)飛機及其武器、艦艇及其武器、綜合防空系統(tǒng)、地空導(dǎo)彈、固定目標(biāo)和機動目標(biāo)、士兵、具備電子戰(zhàn)攻防功能的設(shè)備等。還需要實現(xiàn)模擬天氣和煙霧對可見光傳感器和紅外傳感器的影響,以及大環(huán)境中的日夜交替現(xiàn)象??梢哉fJSE 的建設(shè)將為美軍構(gòu)建LVC 前進一大步。
未來隨著體系作戰(zhàn)成為戰(zhàn)場常態(tài),如何構(gòu)建實戰(zhàn)化的體系作戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境,如何研制出具備高體系貢獻率的裝備將是我們必須面臨的問題。通過美軍LVC 建設(shè)方式方法以及過程可以得出以下幾個結(jié)論:
1、LVC 是實現(xiàn)體系化作戰(zhàn)訓(xùn)練最好的方式;
2、LVC 是未來驗證裝備體系貢獻率最好的技術(shù)路徑;
3、LVC 建設(shè)不是一蹴而就,而是在做好統(tǒng)一規(guī)劃的同時對已有項目的不斷演進;
4、LVC 建設(shè)需要一個強健的組織管理系統(tǒng);
5、模型和實裝同等重要,模型建設(shè)是LVC 中“C”域的核心;
6、模擬器不只是用來節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費和加快訓(xùn)練進度,聯(lián)網(wǎng)的模擬器將是LVC 中“V”域的核心,將在體系環(huán)境下發(fā)揮更重要的作用;
7、模擬器建設(shè)需要統(tǒng)一架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn);
8、實裝訓(xùn)練加入LVC 后將無線接近真實戰(zhàn)場環(huán)境;
9、嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)是構(gòu)建LVC 的現(xiàn)實有效途徑;
10、梳理并解決當(dāng)前存在的問題是開展LVC 建設(shè)的第一步。
盡管和美軍相比,我們在很多領(lǐng)域不足甚至是空白,但從美軍已經(jīng)走過的路來看,我們也不必氣餒,LVC建設(shè)更多是需要我們在明確好一個目標(biāo)后,持之以恒、充分發(fā)揮團隊的力量,一點一滴,一步一個腳印的去攻堅克難,而我們天然就有這樣的優(yōu)勢,有這樣的傳統(tǒng),制定好一個長遠(yuǎn)計劃,統(tǒng)一認(rèn)識,集中力量去辦,相信未來的十年將會是仿真在我軍體系建設(shè)的一個新高潮。