嵌入式训练在空地作战训练中的应用

马潇潇，李 涛，荣鹏辉，刘 芳

(空军勤务学院，江苏 徐州 221000)

现代航空兵对地目标打击的主要武器是空地制导弹药(空地导弹、制导炸弹等)，飞行员必须通过大量反复贴近实战的训练才能熟练掌握这类武器装备，充分发挥其作战效能。

目前，空军的训练方式主要是实兵(实弹)训练与地面模拟器训练。实兵进行对抗训练的成本很高，需要集结各种作战、后勤单位，设立训练空域，而且难以模拟敌方的空中、地面威胁特性，安全性、保密性都较差，并且运用弹药也受到极大限制。地面模拟器虽然在训练成本、武器使用上有很大优势，但缺乏真实的飞行感受和真实座舱设备的操纵感，通常可用于基本操作过程、基本战术训练，难以实施类似实战的训练。

随着信息技术在军事领域中的应用与发展，出现了一种全新的训练模式——嵌入式训练[1](Embedded Training，ET)。嵌入式训练是将训练系统嵌入到实际装备中，在真实的装备环境下实施的训练，可使受训者获得与实战相符的心理与生理适应性，大幅提升训练质量[2]。嵌入式训练已成为各军事强国军事训练的首选方式，代表了军事训练技术的最新发展趋势。笔者重点讨论嵌入式训练在空地作战训练中的应用。

1 嵌入式训练的研究现状

嵌入式训练是在装备内部嵌入训练系统，在所使用的装备自身上完成训练，通过在真实的作战系统或设备上嵌入或增加的训练系统，使操作人员更加熟练地掌握各项操作技能[3]。

具有嵌入式训练功能的装备可以在正常/训练两种模式下工作，在训练模式下，嵌入式训练系统起到了训练态势产生器和作战过程仿真器的作用。嵌入式训练系统生成虚拟的战场态势，通过与实际装备的信息交互，驱动实际装备运行;同时采集参训人员在实际装备上的操作信息，反馈到训练系统内，控制训练态势的演变，从而完成训练过程。

嵌入式训练始于20世纪50年代末，美军研究人员首次采用虚拟信号合成技术，在半自动战场环境系统雷达屏幕上显示虚拟目标，训练操作人员可在真实装备上完成探测和拦截敌方核轰炸机、飞行器和导弹的任务[4]。20世纪60年代起，随着电子技术与计算机技术在武器装备中迅速应用，嵌入式训练技术也随之迅速发展，美国陆军于1987年提出了嵌入式训练的概念，正式确定嵌入式训练为首选训练方式[5]。

当前，美国及其盟国普遍加大对嵌入式训练技术的研究与应用，其陆海空军已为多种武器装备构建了嵌入式训练功能[6-11]。

例如20世纪90年代，荷兰空间实验室、荷兰国家宇航实验室、荷兰皇家空军已联合开发设计并实现了基于F-16MLU的嵌入式训练模块，验证了当前技术实现适用于空战飞机嵌入式训练的可能性[12]；F15E、F16战机上的电子战模拟器，嵌入在飞机吊舱内，在飞行时能够产生雷达告警接收机的虚拟信号。

另外，包括F-22和F-35在内的新一代战机的嵌入式训练系统(Embedded Training System，ETS)也在研制中，机载的嵌入式训练系统多是用与超视距空战的系统，对于空地作战训练的嵌入式系统鲜见文献报道。

2 嵌入式空地作战训练的概念与特点

2.1 基本概念

嵌入式空地作战训练(Embedded Air-to-Ground Combat Training, EAGCT)是通过在飞机上增加或集成嵌入式系统，利用计算机仿真技术来强化或代替实兵及武器，飞行员操控真实飞机、机载设备与虚拟(真实)对手进行交战，发射虚拟武器，直到完成任务，地面的仿真系统为训练提供任务规划、虚拟目标生成，效果评估(计算武器弹道与命中概率)等功能。EAGCT的基本概念如图1所示。

借助EAGCT，可以使飞行员驾驶真实飞机在虚拟训练环境中获取空地作战中空地武器运用的技巧与经验。构成训练环境的各种要素(武器、敌方目标、友军、传感器信号、指挥中心等)都可以是虚拟对象，这些要素可以是计算机软件或地面模拟器(也可以是真实装备)，所以训练环境基本上不涉及安全问题。

实施空地作战训练任务时，一些传感器和武器是必须的，例如火控雷达、敌我识别装置、雷达告警器、空地导弹、制导炸弹等。执行训练任务时，飞机上的探测设备获取的信号是由EAGCT生成虚拟目标，使用的武器仿真软件负责计算的虚拟导弹。EAGCT的虚拟探测信号、敌/我方兵力的坐标、地面目标等数据通过数据链或其他无线通信设备传递到飞机上，而受训飞机的飞行参数、飞行员的操作数据也将传递到地面的仿真系统中，实现真实装备与虚拟训练环境的交互，真实飞机与虚拟的敌/我兵力可以相互发现、锁定、发射导弹、被摧毁，对于受训的飞行员一切与实战都是相同的，尽管训练中可能只有受训者驾驶的飞机是真实的。

2.2 基本架构

EAGCT要满足空地作战训练的要求需要具备以下功能：

1)虚拟目标/威胁仿真。

2)虚拟友军兵力仿真。

3)虚拟探测系统仿真。

4)虚拟武器仿真。

5)ET数据链。

6)地面站支持系统。

1)～4)项功能是由计算机仿真建立虚拟模型；ET数据链是用来在实装与虚拟训练环境之间传递数据、共享信息；地面站支持系统用于提供构建训练任务、训练中指导、训练结果回放与分析等功能。具有以上的基本功能，EAGCT可以实现在真实飞机上使用虚拟武器、虚拟探测系统攻击虚拟目标的要求。EAGCT的基本架构如图2所示。

在进行嵌入式训练中，机上的各种探测系统处于停止工作的状态，虚拟探测设备可以获取虚拟目标的信号特征，将探测结果通过ET数据链传递到飞机的座舱显示设备中，飞行员通过实装操作仿真中的虚拟探测设备与虚拟武器攻击虚拟目标。当虚拟的导弹或炸弹发射后，弹道仿真模块会解算弹道数据，地面站会将弹道解算的结果及时反馈给飞行员(武器命中或未命中)。虚拟威胁和友军可以由人工智能或辅助训练人员操纵。

3 关键技术

3.1 嵌入式设备的结构与通信机制

嵌入式设备是飞机航电系统中的一部分，并不是孤立的，这也体现了它是“嵌入”在武器装备中的。当前国外开发的嵌入式系统的嵌入式的结构有三种方式[13]。

1)独立式嵌入式训练系统。一个完全独立的子系统，有独立的处理器、图像生成设备与软件，研发难度小，与武器装备的接口少，必要时可以卸载而不会影响武器装备的战时使用。

2)集成式嵌入式训练系统。通过升级武器系统本身的设备和仪器完成嵌入式训练的功能。

3)混合系统，以上两种结构的混合结构。

在嵌入式设备的结构上，如果采用混合系统，一方面可以有效利用原有武器装备的软硬件资源，另一方面可对核心武器系统的影响降到最低。EAGCT的设备结构实现方式如图3所示。在图3所示的实现方式中，大部分的航电系统保持原有状态，总线控制计算机加入ET工作模式，可以在训练时将虚拟训练环境的数据接入航电系统；机上探测设备在训练时处于停止状态；武器操控设备、武器接口以及挂载系统等也不做变动，在训练时仍然使用，而挂载的弹药更换为专用的训练弹(训练弹可与虚拟训练环境通讯，接收虚拟摄像头图像、虚拟导弹探测器的数据，并将通过武器接口传递的飞行员操控指令传递至虚拟系统)。

要实现EAGCT的空地作战训练功能，一个关键的问题是虚/实系统间的通信问题。用于空战的嵌入式系统，其虚/实系统间的数据通信主要是受训者的操作数据、飞机飞行参数、虚拟目标/威胁数据、虚拟探测数据等，而对于空地的作战训练，其数据量要远大于空战训练，这是因为空地制导武器中的一个大类是电视制导武器，导弹/炸弹的电视/红外摄像头获取的图像通过飞机座舱的MFD显示，飞行员通过观察这些图像来操控摄像头、导弹进行目标的搜索、锁定。所以在EAGCT上要实现这些功能就需要将虚拟训练环境中的计算机渲染的导弹摄像头图像传递到真实飞机座舱的MFD设备上，虚/实系统间数据传输量是比较大的(致少需要1 Mb/s的通讯带宽)。

3.2 虚拟对象仿真

虚拟训练环境由各种虚拟对象构成，这些虚拟对象可以分为以下几类：

3.2.1 虚拟威胁/目标/友军单元仿真

这些仿真对象由一系列的逻辑模型和图形模型构成，通过各种逻辑功能构成虚拟训练环境，如虚拟威胁(防空武器)可以在辅助训练人员或人工智能的控制下与受训飞机进行对抗，虚拟友军可以对受训飞机提供支援。

3.2.2 虚拟武器仿真

虚拟武器仿真的功能主要是建立空地武器各种数学模型(运动学模型、气动模型、发动机模型、探测设备模型、控制模型等)，通过这些数学模型计算导弹的运动参数(坐标、速度矢量、姿态角、加速度矢量、攻角、侧滑角等)以及探测设备参数(如反辐射导弹对辐射目标的跟踪数据，电视制导武器摄像头的运动、相对姿态参数)。对于一些中程的电视制导导弹，在攻击末端可以采用人在回路中的控制模式来提高制导精度，这类武器的探测设备模型与控制模型的建模逼真度是关系到整个训练系统训练效果的关键因素。

3.2.3 三维地形仿真

逼真的三维地形是为了构建空地训练虚拟环境不可缺少的部分。三维地形的开发可以采用Creator Terrain Studio、Terra Vista等视景建模软件，主要工作包括前期的卫星影像、航拍照片、高程数据、纹理数据等数据处理，以及通过地形生成工具生成三维地形。

3.3 计算机兵力

CGF(Computer Generated Force)是由计算机生成，具有一定智能性和真实性的虚拟兵力，是计算机软件技术、人工智能和仿真技术相结合的产物[14]，也就是为虚拟对象的逻辑模型添加上行为模型，能够使虚拟对象进行推理、决策、规划、学习等。行为模型的建立既涉及仿真对象的实体行为，又涉及到人工智能、神经网络、模糊理论、专家系统以及社会学、心理学等领域，是多学科交叉的研究方向，基本处于理论研究阶段，目前成熟的CGF系统大都是基于规则的系统。

4 结束语

嵌入式训练系统是提升作战飞机训练效率的有效手段，将真实飞机装备与虚拟场景结合，构成了逼真的作战训练环境，使飞行员可以充分利用飞机上的实际装备，在真实的物理与心理环境下开展作战训练，目前已经是各国空军训练发展的主要方向。

笔者对嵌入式训练在空地制导武器作战训练中的应用进行了研究，提出了嵌入式训练在该领域应用的基本方法、系统结构设计，并对其中一些关键技术进行了分析。将嵌入式训练应用于空地制导武器的训练，可显著提高训练效果，对该领域训练方式的改革具有重要意义。

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CHANG Tian-qing, ZHANG Bo, ZHAO Peng, et al. Survey of embedded training techonlogy[J]. Journal of System Simulation, 2010(22): 2649-2697. (in Chinese)

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