基于PC的低成本空战训练系统研究

马潇潇，戴革林，李 青，刘志坚

（空军勤务学院，江苏徐州 221000）

基于PC的低成本空战训练系统研究

马潇潇，戴革林，李 青，刘志坚

（空军勤务学院，江苏徐州 221000）

基于PC的训练系统是一种低成本训练手段，可作为传统地面模拟器与嵌入式训练系统的有效补充。提出了一种基于SIMBox仿真平台建立低成本空战训练系统的方法，设计了系统的基本架构，并对其中雷达火控系统建模、空空导弹弹道仿真和目标毁伤建模等关键技术进行了研究。仿真表明弹道轨迹反映了空空导弹特性，系统能够为空战训练提供较逼真的虚拟作战环境，可作为一种辅助性的空战训练手段。

模拟训练；空战；SIMBox

军事训练是提高军队战斗力的基本手段。空军首要任务是夺取制空权，其训练的要求是突出对抗、贴近实战。进行实兵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，而且存在着难以模拟敌方的威胁特性，安全性、保密性较差，运用武器弹药受很大限制等问题。随着近十多年信息技术的飞速发展，各种利用仿真技术的模拟训练是解决这一问题的有效途径，目前已在航空兵训练中扮演了重要的角色［1］。

在航空兵模拟训练领域，主要的两种训练形式是半实物的地面模拟器与嵌入式训练系统［2-4］。嵌入式训练采用真实的作战飞机，飞行员的身体感知与环境情景意识真实，训练的逼真度最高［2］；地面模拟器在逼真度、训练效果上弱于嵌入式训练，而在安全性、费用等方面优于前者。

这两种模拟训练方式都存在着系统复杂、训练费用高、需要专职维护保障人员等不足且造价较高、装备数量有限，在这两类训练设施上频繁地开展大量、重复的训练科目既不现实而且成本也过高，这就需要一种造价低、维护简单、可较大数量部署的低成本训练系统作为前两种训练方式的补充，满足飞行员熟悉机载武器系统操作、战术战法研究等日常教学训练的需求。

1 系统设计

借助于仿真技术的发展，在PC上建立具有较高性能的空战训练系统已经具有了可行性［5-6］。笔者采用SIMBox仿真平台设计并开发了一种基于PC的低成本空战仿真训练系统（Low Cost Aircombat Training System，LCATS）。SIMBox是SimiGon公司开发的基于PC环境的仿真训练软件平台，集训练系统管理、训练效果追踪、视景仿真、建模开发等功能于一体，提供了高效的仿真引擎，大大简化了开发者实现仿真实体内部、实体间的事件响应、数据传输以及分布式仿真等基础工作的过程，使开发者专注于专业领域的建模工作。

1.1 基本概念

传统的地面模拟器系统包含大量半实物设备、大型投影器材、多自由度平台等设施，而研究一种低成本的空战训练系统，主要关注空战过程中飞行员使用到的主要设备雷达火控系统、HUD／MFD、空空导弹以及对手机的仿真，复杂的座舱设备完全采用虚拟现实技术来实现，并且对飞行仿真精度要求不高。因此LCATS在设计上摆脱了传统模拟器复杂的体系结构，借助于SIMBox平台的并行计算能力和较高效的图形引擎将视景渲染、仿真计算、任务规划、仿真过程记录等功能集中于一台计算机，外围的操控装置、显示器等硬件设备可根据具体需要灵活配置。既可以采用单／双通道视景的形式，也可以采用四通道视景配合简单座舱的形式，如图1所示。

部署形式虽然不同，但其软件系统完全相同，都是由运行在单台计算机上的软件系统完成仿真功能。

1.2 软件系统构成

LCATS为具备空战训练的需求，要具备以下功能：训练任务管理、虚拟作战环境、训练过程记录与评估。软件系统构成如图2所示。

1）训练任务管理。提供训练任务创建、编辑的功能，主要包括设置战场环境中敌我飞机的初始坐标、兵力、挂载武器、航路以及气象条件等参数。

2）虚拟作战环境。包含各种仿真实体（敌／我飞机、各型空空导弹、地面雷达站等）、视景系统（虚拟座舱、地形库、特效等）、仿真功能模块（网络通信模块、操控设备信号采集模块、数据记录模块等）。由于在一台计算机上运行所有的软件，因而要采取一些方法对各仿真实体、虚拟座舱的运算量进行控制，如在不影响仿真效果的基础上降低算法复杂度、适量延长模型的积分步长、降低虚拟座舱中部分模块的更新频率。

3）训练过程记录与评估。仿真前通过记录管理工具设置仿真过程中需要记录的数据项、记录的频率（如以10Hz频率记录飞机坐标参数）。评估的规则是根据具体训练任务而制定，由一系列对仿真数据判断条件构成。对仿真评估可以在训练中实时评估，也可训练完成后根据记录数据进行评估。

2 系统建模与关键技术

2.1 雷达火控系统

雷达火控系统仿真是构建空战训练系统的一个重要部分，其主要功能是实现雷达探测、跟踪目标过程的仿真，计算空空导弹的攻击区域，判断导弹攻击条件等。

仿真训练系统中的雷达仿真通常是功能性仿真。功能仿真的基本思路是从雷达的功能特性出发，运用雷达方程、干扰方程、干扰／抗干扰原理、运动学方程以及雷达工作特性等，建立雷达的仿真模型［7］。雷达能否探测到目标的回波主要取决于检测时的信噪比，对雷达探测过程进行仿真，需要建立综合信噪比模型、雷达接收机的噪声模型、回波信号功率模型、干扰功率模型、杂波功率模型、目标的RCS模型等。

空空导弹火控系统的主要功能是实时解算导弹的攻击区，判断导弹发射条件等。攻击区的大小与形状受到所采用的攻击方式、飞机机动特性、武器特性（射程、引信动作时间及导引范围等）、火控系统特性（雷达探测距离、光学观测范围等）以及安全要求等因素限制。采用多项式拟合方法计算导弹的攻击区，攻击区多项式拟合模型可表示为

式中：Dymax为导弹最大允许发射距离；Dymin为导弹最小允许发射距离；DEmax为导弹最大不可逃逸发射距离；Ha为载机高度；va为载机速度；Ht为目标高度；vt为目标速度；Nth为目标水平面过载；Obh为导弹水平面离轴角；ai、bi、ci为与特定型号导弹相关的系数；fi、gi、hi为非线性函数。

2.2 空空导弹弹道仿真

弹道仿真是计算弹药从发射点到终点过程中的飞行轨迹以及各种飞行参数（速度、姿态等），涉及到弹药各子系统的数学模型：运动方程（计算加速度、速度），各种力学模型（计算弹体受到的重力、推力、气动力等），制导和控制模型等。通常一种现代战斗机会搭配若干种型号的空空导弹（雷达／红外制导中程弹、红外制导近程格斗弹），在空战训练系统中存在着敌我双方的飞机，所以需要建模的空空导弹种类就会比较多，如果逐一单独进行建模，势必非常繁琐而且存在大量重复性工作。

参照文献［8］提出方法，可以建立一种通用的空空导弹模型库。将空空导弹弹道仿真过程中涉及到的众多数学模型划分为若干模块。每个模块完成其特定的功能与作用，模块之间彼此相互独立，通过模块之间的输入输出接口互相传递数据。不同型号空空导弹的弹道仿真可以通过为这些模块加载不同的数据来实现。模型库结构如图3所示。

1）制导系统模块。包含导引头模型、控制模型和舵机模型。导引头模型根据载入的初始数据，可仿真红外、被动雷达、主动雷达三种类型导引头对目标探测、跟踪的过程；控制模型将跟踪信号按照导引律转换为舵机的控制信号；舵机根据控制信号输出舵偏角。

2）动力学／运动学模块。包含气动力、大气、自动驾驶、质量、推力等模型，分别计算导弹的质量、推力、气动力、气动力矩、速度等，最终得出导弹在离散时间点的坐标、姿态等数据。

3）数据模块。对加载的导弹气动参数、火箭发动机参数、导引律参数、导弹总体参数等数据文件进行解析，将数据传递给各相应模块。

2.3 目标毁伤模型

LCATS中各种仿真计算以及虚拟场景的渲染都集中在一台计算机上，因此仿真解算的频率不可能很高（通常各种仿真模块的解算频率设置30Hz以减少计算量）。在相邻的仿真周期内，目标与导弹的相对距离变化可能会达到几十米，而通常空空导弹近炸引信的工作距离大约10m，因此如不加特殊处理容易错过近炸引信模型的起爆阶段，这就需要建立目标毁伤模型对导弹和目标相遇末段的飞行轨迹进行估算，并计算毁伤概率。

2.3.1 计算导弹与目标的最小距离

仿真系统解算的时间间隔为Δt，可将Δt划分为n个更小的时间间隔Δt／n，在更小的离散时间点上计算弹目距离。Δt为微小时间段，可近似认为导弹与目标在这期间内做匀加速运动。如果t0时刻，弹目距离小于一定值便开始以下计算：

在仿真系统相邻离散时刻t0、t1之间建立了n个时间点，时间点t0＋iΔt／n的目标速度为vti，导弹速度为vmi，该时间点的目标坐标为Pti，导弹坐标为Pmi，由此可得出该时间点弹目距离。计算n个时间点后，可得出t0、t1时刻间弹目的最小距离。根据上述方法可比较精确的计算导弹与目标相遇的最小距离，进而可判断引信的作用状态。

2.3.2 计算导弹对目标的杀伤概率

得出导弹与目标的最小距离后，可根据导弹引信作用距离判断导弹是否起爆，再根据引战配合模型计算战斗部起爆区。单发导弹对单个目标的杀伤概率为

其中，f（y，z）为制导误差规律；Φ1（x／y，z）是在给定制导误差y、z时，引信引爆点沿x轴的散布规律；Φ2（y，z）是与制导误差y、z有关的引信引爆概率；G（x，y，z）是战斗部在点（x，y，z）起爆后杀伤目标的规律。

3 仿 真

根据以上设计，采用VC＋＋与SIMBox的SDK进行了系统实现，分别部署了双通道系统与四通道系统各一台，如图1所示。运行软件主要为SIMBox平台，双通道系统硬件配置为：Intel i3-3240处理器，3G内存，NVIDIA GT630显卡，操控设备为Thrust Master HOTAS飞行手柄；四通道系统硬件配置为：Intel E5-2600处理器，8G内存，显卡为NVIDIA Quadro4000×2，操控设备为某型订制座舱平台。四通道系统由于渲染场景的运算量大故需要较高的系统配置。

仿真实例为载机携带中程雷达制导与近距格斗空空导弹各两枚分别攻击两架靶机。仿真前需要预先设定任务数据，包括载机的起飞位置，目标坐标，航线等信息。仿真开始后，载机可自动驾驶或人工操纵到达预定空域，实施开启雷达搜索目标、跟踪目标至导弹攻击区等一系列动作，发射导弹后，弹道仿真模块开始计算导弹运动坐标、姿态、速度等参数弹道轨迹如图4所示。

图4（a）为使用两枚中程空空导弹迎头拦截敌机，第1枚导弹发射距离过远未能命中，第2枚导弹命中目标；图4（b）为使用两枚近程空空导弹从后半球区域追击敌机，两枚导弹先后命中。仿真结果可看出，LCATS可较逼真的模拟空战过程，弹道轨迹可体现中程、近程空空导弹的弹道特点与运动特性。

视景仿真效果如图5所示。

4 结 论

基于PC的训练系统是一种低成本的训练手段，飞行员可在虚拟作战环境中单人或联机灵活的开展空战训练，基本不受设备保障人员与训练经费的约束。LCATS可作为传统地面模拟器和嵌入式训练系统的有效补充，适合于较大批量部署以满足实际训练的需求。

笔者对基于PC的训练系统在空战领域的应用进行了研究，设计并实现了基于PC的低成本空战训练系统，对其中雷达火控系统建模、空空导弹弹道仿真、目标毁伤等关键技术进行了分析。仿真结果表明该系统适用于空战训练，对该领域训练方式的改革具有重要意义。

（References）

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Research on Low Cost Air-combat Training System Based on PC

MA Xiaoxiao，DAI Gelin，LI Qing，LIU Zhijian

（Air Force Logistics College，Xuzhou 221000，Jiangsu，China）

The training system based on PC is a kind of low cost training means，it can be used as the effective additional complement to the traditional ground simulator and embedded training system.A type of training method was presented to build low-cost air combat training system based on SIMBox simulation platform.The basic framework of the system was designed，and the key technologies such as radar fire control system model，air-to-air missile trajectory simulation and target damage model were researched in detail.The simulation results showed that the ballistic trajectories can reflect the characteristics of air-toair missile，and the system can provide a realistic virtual environment for air-combat training.The system can be used as an accessorial means for air-combat training.

simulation training；air-combat；SIMBox

TP391.9

A

1673-6524（2014）02-0083-05

2013-05-08；

2013-09-02

马潇潇（1980-），男，硕士，主要从事机载武器系统仿真技术研究。E-mail：mashawn＠live.cn