航空兵分队级战术模拟训练系统设计

刘永易，李 军，黄绍君，于 澜

（空军军训器材研究所， 北京 100195）

随着高新技术的发展，世界各国军队特别是空军，充分运用计算机及网络等技术，广泛开展作战模拟研究。1997年4月，美国空军在拉斯维加斯利用飞行模拟器组成的训练网络进行了带有战术背景的多机种合同战术模拟演练，标志着美空军合同战术模拟训练系统进入实用阶段。美国空军最新研制的F-16分布式全任务训练系统(DMT)，由2至4台模拟器（一台大视场模拟器加上多台中、小视场模拟器)构成一个主系统，装备在模拟训练基地。通过网络将该基地与各地F-16、F-15等部队的模拟器联接起来协同训练，形成了一套“作战模拟系统”，但其电磁环境没有模拟。美国航空诸兵种合同战术训练器（AVCATT）通过更换面板方式实现了5个机型的直升机战术对抗训练。

为适应空军模拟训练向战术训练发展的趋势，我们研制了航空兵分队级战术模拟训练系统。该系统以空军主战机型为仿真对象，采用分布交互仿真技术构建系统。系统针对航空兵部队在复杂电磁环境下空中作战的特点，集成红/蓝军指挥、演练管理、战场信息可视化等分系统，为飞行员提供了一个逼真的战术训练仿真平台，能够完成红蓝战术对抗、空中突防、电子对抗、数据链引导、指挥协同等课目的训练，实现了贴近实战的战术对抗模拟训练，也必将对新战法的研究起到积极的促进作用。

1 系统结构

1. 1 系统总体结构

每套系统由八台 XXX仿真终端、导调、二维态势、三维态势、红蓝军指挥席等组成。每台 XXX仿真终端包括操纵、飞行、火控、虚拟仪表、数据链、音响、视景等部分，系统结构图如图1所示。

图1 战术对抗训练仿真系统图

二维态势、三维态势分别如图2和图3所示。

导调人员根据任务想定通过演练控制计算机设置战场环境和初始态势，进行红蓝方兵力资源分配；通过战场环境可视化计算机实时监控红蓝双方综合态势、任务执行情况和战损情况，一旦出现特殊情况通过导调控制台及时进行人工干预。指挥人员根据训练任务制定指挥预案，通过作战指挥分系统对己方兵力进行实时指挥引导。飞行人员依托飞行模拟器终端进行针对性训练，练战法、练协同，提高战斗技能。综合演练管理分系统实时监控、干预系统的运行状态，存储训练的全过程，为训练讲评和研究总结提供依据。

系统总体信息流程如图4所示。

图2 二维态势图

图3 三维态势图

图4 系统总体信息流程图

1.2 仿真终端结构

每台仿真终端包括主控、视景两台计算机，操纵杆舵、触摸式仪表设备显示屏、视景显示屏等。在主控计算机内，主控程序采用RTX实时操作系统产生精确定时，负责仿真终端程序运行的总调度。飞行程序采用真实飞行参数，再经过专用仿真软件进行封装。火控程序包括雷达、火控、电子干扰吊舱、告警器、外弹道、红外箔条弹投放等六部分，均采用动态连接库方式，以便于系统维护和升级。仪表程序采用 GL Studio技术对该机型的主仪表板和左侧航电设备的控制盒进行了1:1仿真。

图5 仿真终端内部信息流程图

在视景计算机内，视景驱动程序采用Vega Prime调度。在主控计算机、视景计算机之间通过以太网相连。主控计算机上运行主控程序、操纵程序、仪表程序、数据链程序、飞行程序、火控程序、音响程序。视景计算机上运行视景驱动程序、网络程序、头位数据采集程序。同一计算机内部各程序间通过共享内存交换数据，通过事件驱动方式同步。为达到便于维护、型号升级的要求，各程序由主控程序管理,集中统一运行，采用动态连接库方式。每台仿真终端内部信息流程图如图5所示。

2 关键技术

2.1 系统实时调度技术

半实物仿真实时操作系统的关键技术在于系统如何调度各种不同功能、不同级别的应用程序。对于并存于一个系统内的多类型实时任务，单一的调度算法无法满足实时与精准的要求。本系统采取自顶向下的系统分解技术将整个大系统分为各台仿真终端、导调、数据链、二维态势、三维态势等分系统作为集成调度的一级，各分系统之间通过网络软硬件接口相衔接。各台仿真终端又继续向下分为飞行、仪表、火控、雷达、外弹道、音响、视景等功能模块，作为系统集成调度的第二级。

为了提高系统可靠性和数据传输效率，将仿真终端涉及的众多功能软件合并到两台计算机上运行，在降低硬件成本的同时要保证仿真逼真度，保证系统时钟的精确性及不同程序之间运行时序的正确性。在对各种网络和中断服务编程进行详细了解和试验验证的基础上，在每一台仿真终端选用基于WINDOWS平台的RTX实时操作系统，RTX的定时器时钟分辨率为100ns并支持实时以太网通讯。以RTX精确时钟为基础，一方面主控计算机内部的进程调度程序通过RTX下的网络接口精确地将时钟标记和飞机状态数据传送给视景计算机，视景驱动程序和头位跟踪程序根据这一标记和主控程序保持同步，网络程序则将时钟标记和飞机各种状态数据广播到网络上。另一方面在主控计算机内部，进程调度程序控制着所有程序的运行。在每一个仿真周期内，进程调度程序依次向飞行、火控等程序发送事件同步信号，各功能程序以等待状态响应各自的事件同步信号完成一桢解算。这样不同进程依次采用不同的事件驱动，实现在主控计算机内部内存和CPU时间的合理、有序分配。在主控计算机内部的各进程之间通过共享内存在进程调度程序的控制下交换数据，形成多元信息的直接、高效融合。同时各进程通过使用 DLL，可以实现程序模块化，由相对独立的组件组成。因为模块是彼此独立的，所以程序的加载速度更快，而且模块只在相应的功能被请求时才加载。

图6即为主控计算机内部RTX进程与其他进程的关系图。

图6 RTX主控解算程序流程图

2.2 复杂系统建模与高逼真度模型开发技术

战术训练涉及导调、指挥、飞行、操控、武器、电磁环境、外弹道等方面.系统涵盖专业面广，信息交联复杂，软件模型众多。为了满足战术对抗训练对模型逼真度的高要求，主要在建模与参数辨识、验模校核与工程实现两大方面保证高品质软件开发。

在模型建立与实现方面，针对仿真对象三代机的特点，在数据获取方面，将某模拟器进行修复，由板卡级获取大量的输入输出数据信息，通过软件反向工程，对目标代码进行逆向分析与研究，获得大量有用的数据与算法，再根据工厂和部队提供的典型数据曲线和操控特性进行量化评价，利用动态响应的离散观察数据构造出拟合函数并进行分段处理，根据输入输出时域动态的响应数据, 实现多曲线拟合有关参数的辨识，建立基于控制率的满足动态全包线的高品质飞行软件包。

雷达火控仿真模块基于已经掌握的实装模型进行模拟化改造，对其雷达火控系统的基本工作原理、主要工作流程进行仿真，从整体上反映雷达火控系统的主要功能、战术技术指标以及操作使用方式特点，从而很好地辅助飞行员进行飞行和作战训练。

电子对抗模型复杂，验证困难，本系统在空军某训练系统相关基础之上，依据其信号级仿真的思想构建了典型的对抗用功能模型，并对电子对抗几个典型样式进行仿真，满足实际使用。

2.3 新型多模式专业液晶显示系统开发技术

为了满足高品质高可靠性显示要求，使战术对抗瞄准计算更加精准，图像更加清晰，层次更加丰富，使受训人员无眩晕感和视觉疲劳，达到部队免维护的训练实际需要，运用总体技术集成优化设计，专门开发了新型窄边多模式液晶显示系统。

该专业液晶屏实现的主要功能是：

• 程序的统一控制功能，增加了显示模式远程控制RS232端口；

• 突出的低音音效，增大的音频输出功率，可以进行多台显示器的音效级联，有立体声音效，满足模拟音效要求；

• DVI的输入信号接口并能长线驱动，改善了画面质量，特殊分辨率全屏稳定显示；

• 支持高清分辨率，为后续升级预留空间；

• 模拟5种不同背光亮度的显示模式并可独立存储：白天、夜航、凌晨、黄昏、浓雾（并可增减）。

图7 视景显示屏在凌晨、浓雾、白天截图

2.4 数据链指挥系统

数据链引导指挥替代语音指挥在现代作战使用中的作用越来越显著，也是当前研究的热点问题。本系统首次采用实装软件改造和专用文电 XML仿真语言相结合的方法，研制成功了与实装设备完全兼容的数据链指挥引导仿真分系统，实现了指挥引导人员与飞行员的协同训练。

图8 数据链导航、态势和指挥软件截图

3 系统性能

该系统主要面向歼击航空兵部队，突出模块化、标准化、结构化等优化设计原则，便于维护、使用和升级。系统通过采取各种关键技术措施，用较低的硬件成本实现了高品质的性能仿真。

系统技术性能如下：

• 仿真周期：10ms

• 网络带宽：100M

• 自治节点：本地20个，每个节点数据包长不超过5K

• 地理环境：XXXX地区1000km×1000km

• 气象环境：仿真风速风向、能见度、云、雾、雨等气象环境

• 电磁环境：对地面和空中主要电磁辐射源进行建模仿真

• 整系统耗电≯ 2 kW（单台）

4 结束语

本文航空兵分队级战术模拟训练系统借鉴了外军相应系统的设计思想和先进技术，同时针对具体实际，确定了8台通用仿真终端、复杂电磁环境条件下的分队战术对抗功能实现的技术路线。此系统在兼顾单机驾驶术仿真训练的基础上，能有效完成一系列战术对抗训练科目和进行新战法研究。系统结构简单，硬件通用性强，便于大规模配发到基层部队使用，使部队飞行员在驻地进行战术对抗仿真训练成为可能。该系统研制成功后在空军某部队进行了为期一个月的试用。试用结果证明通过这种近似实战背景下的对抗性训练极大地激发了飞行员敢打必胜的信念，对于培养飞行员的战术意识，提高指战员的战术素养有较大的帮助作用。

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