外军战斗机空战战术训练系统应用研究

吴 雄，刘 纯

(1．海军装备研究院，上海 200436； 2.洪都航空650飞机设计研究所，南昌 330024)



外军战斗机空战战术训练系统应用研究

吴 雄1，刘 纯2

(1．海军装备研究院，上海 200436； 2.洪都航空650飞机设计研究所，南昌 330024)

从战斗机空战战术训练系统的基本概念、基本原理出发，对国外战斗机空战战术训练系统的发展现状、应用情况进行了梳理，对战斗机空战战术训练系统的技术特征及发展问题进行了分析，指出系统重点向嵌入式空战战术训练，类人程度高、战术决策库及作战场景丰富的智能虚拟目标等方向发展。

战斗机；空战战术训练；嵌入式训练系统

战斗机空战战术训练系统是指在战斗机上通过外挂物或在任务系统中嵌入仿真子系统，通过计算机仿真虚拟目标/威胁、虚拟传感器、虚拟电子战、虚拟武器、弹道或其他作战要素，使飞行员在所设计的生动而充满挑战性的虚拟场景中对抗大量的逼真虚拟对手，使受训者获得与实战相符的心理与生理适应性，低成本高效地实现单机、多机或联合战术训练，以提高或保持操作者技术熟练水平[1-3]。

应用战斗机空战战术训练系统的意义主要体现在两方面，一是在训练过程中及结束后可及时评估飞行员的表现、纠正错误并巩固训练效果；二是实现战斗机无靶场空战训练，可达到无时无刻提高和维持飞行员的驾驶熟练程度的目的。

利用空战战术训练系统进行空战训练，可自我生成虚拟对手/目标，建立训练过程只需重置计算机初始化或直接启动训练任务即可，这样可使超过80%的时间用在“训练(战斗)模式”上[4]。与实装空战训练或地面模拟座舱空战训练相比，利用空战战术训练系统进行训练存在以下明显优势：一是降低训练成本; 二是有效减小空战训练空域需求; 三是可灵活模拟多维威胁，大大降低组训难度; 四是可快速贯彻最新训练理念和开展新装备操作使用及战术训练，形成体系化空战训练; 五是提供地面模拟座舱训练无法比拟的身体感知和情境意识，通过机载嵌入式训练可以使飞行员在真实的座舱中体验真实的显示、真实的传感器武器操作、真实的空中环境，体验空气动力及真实飞行动作带来的心理情景感受。正因为空战战术训练系统存在不可比拟的优势，各国空军或训练研究机构均在大力发展空战训练系统[5-13]。本文对战斗机空战战术训练系统的基本原理进行了阐述，对国外战斗机空战战术训练系统的发展现状进行了梳理，对战斗机空战战术训练系统的特征、发展趋势进行了详细分析，对战斗机空战战术训练系统的开发具有一定的参考和借鉴价值。

1 战斗机空战战术训练系统工作原理

战斗机空战战术训练系统工作原理示意图如图1，通常分为机载和地面两部分，机载部分包含仿真计算机、机载数据链或GPS/惯导等，地面部分包含任务规划系统和回放/讲评系统。战斗机嵌入式战术训练系统机载部分通常通过外挂(吊舱)或内嵌到航电/任务系统两种方式集成进战斗机中。

图1 战斗机嵌入式战术训练系统工作原理示意图

仿真计算机根据训练任务需要，可仿真各型虚拟对手飞机、各型传感器、各类武器或威胁、各类作战训练场景、弹道、在线/离线计分评估。仿真计算机产生或从数据链接收到的目标信息、传感器信息、武器信息、威胁信息、虚拟战场态势/场景通过航电系统显示与控制系统进行显示。

机载数据链是空战训练过程中，载机与友机或敌机进行目标/威胁、传感器、武器等信息交互的媒介。同时，还可实时将传感器、武器、评估、训练等信息下传至地面，供地面监控或地面学员在线学习，或在空面联合训练时实施信息交互或指挥控制。

地面任务规划系统可进行目标/威胁特征及性能参数规划，可规划传感器、武器性能参数、各类作战训练场景或剧情，能将规划数据加载进仿真计算机中。

地面回放/讲评系统可通过数据链实时接收训练信息实现在线指挥控制、在线计分、地面学习。可采集载机记录设备数据、仿真计算机记录模块数据、地面监控数据，实现训练过程重现，供教员飞行后讲评及学员技能提升。

2 战斗机空战战术训练系统发展情况分析

2.1 美军空战训练系统——ACTS (Air Combat Training System)

在训练飞行员空战能力的过程中，飞行后讲评是最为核心的环节，通过飞行后讲评，可以评估飞行员的表现、纠正错误并巩固训练效果。而讲评效果则依赖于对飞行过程重构的详细和准确程度。飞行过程重构涉及内容主要包括：① 飞机的位置和航迹；② 飞机的姿态；③ 飞行员操作和座舱显示；④ 各类信息的时间同步。

在空战训练发展的初期，飞行员完成训练任务执行情况重构是通过手工方式完成，即飞行员手工绘图，如图2所示[14]。

图2 美军早期空战训练时手动记录飞机飞行轨迹

为了提高准确性，美军开发了音频记录系统，记录飞行过程中座舱和无线电传输以及机内通信。在高速机动过程中，飞行员可以把相关信息记录在录音带内，以便进行任务汇报时进行重构。之后很多现代战斗机引入飞机视频记录仪，对选定的机载航空电子设备进行持续记录。视频记录主要记录飞机机炮视域或“平视显示器”以及飞行员前视及相关飞机性能参数，一些先进的记录仪还支持多个航空电子设备共用，包括雷达、武器显示器、雷达告警接收机或红外寻的器等。依赖于音频和视频记录仪记录的更加详细的数据，飞行员更加准确地重构飞行训练过程。但实际上这些记录设备的使用仍然存在诸多限制，如由于记录了保密的航电设备的相关数据，给应用带来麻烦。飞行员和教官们依靠上述数据进行飞行训练轨迹重构时，仍然存在诸多限制，如只能记录飞机高度，无法描述实际的飞行轨迹[14]。

飞机机动再现需要进行多种数据收集，依靠飞行人员的记忆对这些数据进行排序和重构，很难做到精准，加上现代飞机的机动性和武器应用战术越来越多样，使得飞行训练任务汇报愈加困难。为此，自动化记录、发送和显示飞机机动的技术方案随之诞生，也就是所谓的空战机动检测设备(ACMI)作战训练系统。1973年，美军开始研制第一代自动化的ACMI(即ACTS)，ACMI的核心功能是精确检测和记录飞机的位置和速度数据，以便在飞行后讲评中能精确重构飞机的姿态和航迹。

由于技术水平的限制，第一代ACMI(又称P1 CTS)依赖地基跟踪塔精确跟踪和定位飞机[14]，因此训练必须在地基跟踪塔的覆盖范围内进行，即在具备ACMI地基跟踪塔的专门靶场内进行，其原理示意图如图3，由地基跟踪塔采用三角定位和无线电应答测距的方式，跟踪测量飞机的位置、速度等参数；数据记录和武器攻击解算均在地面配套设备中完成；参训飞机不直接通信，完全由地基系统指挥调度训练过程；第一代ACMI吊舱仅在空地传输“扣扳机”信号，它独立于飞机的电子系统之外，不具备自主定位、记录和计算能力。

图3 美军第一代ACMI原理示意图

随着首批ACMI系统的成功，促使美军建设了一系列新的训练空域或“靶场”，为美军ACMI系统能力的提升奠定了基础。并在此基础上美军发展了包含作用范围无限制空战训练(ACT-R)在内的多代ACMI吊舱，其发展轨迹如图4所示。

图4 美军ACMI吊舱发展轨迹及型号汇总

最新一代的ACMI吊舱为P5系列，其中P5 CTS/TCTS ACMI吊舱的主要性能及有关参数如表1所示。

表1 P5 CTS/TCTS ACMI吊舱的主要性能及有关参数

2.2 F-35 嵌入式训练系统

针对F-35飞机， 为了实现“Any Time和Any Where”的训练目标，降低对战斗训练协调所需的资源依赖，美国提出了嵌入式ACTS的概念，又称嵌入式训练系统(Embeded Training System,ETS)，其核心是单机或多机能够自主进行虚拟训练。F-35上的空战训练系统由内置式P5 CTS(P5 IS)和虚拟训练模块(VTM)组成，其外形结构及内部交联关系如图5所示。P5 IS 为独立的LRU形式， VTM是内置于机载核心处理机(ICP)中的软件模块。

VTM 软件模块用于虚拟训练(VT)模式，实现F-35单机或最多4机编队对抗虚拟目标，可虚拟空中和地面目标、虚拟武器、虚拟电子态势等，采用F-35上装备的MADL链路(为F-35上的武器协同链路)传输数据，着重突出F-35飞机的“Any Time/Any Where”训练能力及F-35飞机编队协同作战训练能力。进入训练模式后，选择进行真实模式训练或虚拟模式训练，系统还具备真实和虚拟联合训练能力。其虚拟训练可虚拟地面或空中威胁，虚拟威胁能对F-35飞机做出响应并发射虚拟导弹进行攻击。现阶段F-35飞机支持多架飞机的编队协同虚拟训练。在进行虚拟训练时，F-35飞机采用虚拟的雷达、雷达告警、红外及其他虚拟传感器，并使用虚拟武器进行攻击。使用虚拟雷达带来的额外好处是，避免在训练过程中辐射真实的雷达信号。

2.3 欧洲嵌入式战斗机训练系统—(Embedded Combat Aircraft Training System，E-CATS)

荷兰国家宇航实验室和空间实验室于20世纪90年代中期起在“欧洲长期战略防御计划(EUCLID)”开展战斗机嵌入式训练系统可行性评估研究[3,15]。2003年，在荷兰国防部和皇家空军联合荷兰空间实验室(Dutch Space)、荷兰国家宇航实验室(NLR)发起了一项嵌入式训练验证项目，命名为“E-CATS”，以演示当前技术在战斗机上实施嵌入式训练能力的可行性。E-CATS项目是第一次在战斗机上开展的嵌入式训练演示验证。E-CATS历时9个月，在2004年4月即开始一系列演示验证，其项目发展历程如图6所示。

图5 F-35 嵌入式训练系统外形结构与内部交联关系示意图

图6 欧洲(荷兰)战斗机嵌入式训练系统项目发展历程

该项目选择F-16作为验证机，但所演示验证的概念是面向现代作战飞机。E-CATS将虚拟威胁信号直接注入F-16的任务系统中，确保飞行员所感受的威胁与标准版F-16通过真实传感器所探测到的威胁一致。其验证概念图及功能结构示意图如图7所示，为实现嵌入式训练功能，它包含空中组件和地面组件。其中，空中组件是在F-16上新增一套计算机系统进行虚拟仿真、运行威胁模型，并执行飞行员与F-16飞机的嵌入式训练人机交互；地面组件包含训练场景生成、安全监控及讲评设备。

图7 嵌入式训练系统功能结构

2.4 以色列空战训练系统—EHUD

以色列IAI工业研制的自主式ACMI，属于无范围限制空战训练系统(ACMI Rangeless)，其产品名称为EHUD，如图8所示，其提供的空战训练场景及解决方案示意图如图9，它通过真实、虚拟、合成(飞机、武器等)构建逼真的虚拟战场，为多军兵种联合力量提供训练。

借助专用差分信号采集探头，将示波器接入线路，通过协议分析仪配合端口触发进行波形抓取。发现设备D3的端口0x350在进入RPT之前回复从帧正常，但是经过RPT之后，从帧消失。为了排除RPT自身原因，更换RPT后再进行试验，故障依旧存在。

图8 以色列EHUD吊舱

EHUD系统已经可靠的记录超过130，000飞行小时，当前已向用户交付超过650具吊舱，其用户包含德国、意大利、英国、法国、葡萄牙、以色列、荷兰、比利时、泰国等国家空军，可靠的操作应用软件是该吊舱用户持续增长的主要因素之一。EHUD已在包含台风、幻影系统、米格系列、F-15、F-16、F-18、F-4、F-5、A-4等在内的16种主战飞机上安装和测试。

图9 以色列IAI提供空战训练解决方案示意图

EHUD 系统是一款独立的空战训练、评估、飞行安全增强系统。EHUD吊舱采用与常规空空导弹相同的外形和接口，如AIM-9、魔术和R60；讲评地面站(DGS)支持地面监控，可进行训练过程回放及讲评；作战实时跟踪和定位系统(RTTP)可对飞机的实时跟踪和定位。

EHUD 系统提供先进的空对空和空对地训练和讲评能力，可实时进行武器模拟和评分，其功能示意图如图10。可将电子战和新型安全套件结合起来，支持高速数据链和飞行轨迹计算的空中避撞告警，内置三维地形数据库的撞地告警，超过100种可选的音频和视觉告警能力，如超出训练空域、超出飞行包线、违反训练规则等即发出告警信息。

图10 EHUD 系统A-A/A-G训练及评估功能示意图

EHUD系统配套的Smart Data Link (智能型数据链)具备动态、无中心组网能力；不依赖地面站，无需进行规划；支持大量网络成员，自适应、高速数据更新率；可自动中继转发；具备多重保密数传能力。其数传带宽为600 kbps，支持V/UHF、L和S波段，输出功率为50W，作用距离超过120 km。

3 战斗机空战战术训练系统技术特征分析及发展问题探讨

3.1 技术特征分析

通过对国际上当前及发展中的战斗机空战战术训练系统进行分析，战斗机空战战术训练系统的特点主要体现在以下几方面：

一是空战战术训练系统在硬件形式上与战斗机更加集成，逐渐成为战斗机的基本能力之一。由于在役或已经完成研制的作战飞机其航电系统已定型，为适应部队空战训练需求，若再次进行大幅改动，存在成本高、改动周期长、安全风险高等缺陷，因此，对这类飞机常通过外挂物吊舱的形式，提供空战训练及评估能力，如早期的P5 CTS仍采用吊舱形式。到2006年，为满足先进隐身战斗机的训练需求或在新研飞机上，美国摒弃外挂吊舱，采用内置式“ACMI”的发展思路。由此可见，美军在发展思路上，逐步将战术训练系统与飞机航电系统进行综合设计，即空战训练装备开始由外挂物吊舱形式(ACMI训练系统)向内嵌式(嵌入式训练系统)方向发展。且无论是以吊舱的形式存在还是嵌入到战斗机内部，空战战术训练系统已成为战斗机的基本能力。

二是战斗机可充分利用自身先进传感器及武器技术优势，降低开发成本，提高训练逼真度。战斗机嵌入式训练系统可将虚拟目标/威胁的激励信号注入传感器和武器系统，进行传感器虚拟探测和武器虚拟解算，无需独立对传感器和武器进行模拟，飞行员通过操控真实的机载传感器探测、跟踪虚拟威胁，同时利用虚拟的武器攻击虚拟威胁，可使空战训练更回接近实战。

三是虚拟目标类人程度及虚拟战术场景逼真度要求越来越高。空战战术训练系统的核心是虚拟目标，虚拟目标的类人程度从某种意义上可决定空战战术训练的效果。随着人工智能技术的发展和完善，智能目标和基于剧情的战术训练场景将成为未来空战战术训练系统的开发重点。

3.2 发展问题探讨

战斗机战术训练系统研究涉及问题广泛，以下两个问题是战斗机空战战术训练系统用户(飞行员)和技术人员关注很高的。

问题一：ACMI吊舱发展已较为完善，为何F-35不直接采用ACMI吊舱的形式进行训练？

F-35飞机的空战训练功能不采用ACMI吊舱而采用内置ACMI的原因主要有：① 吊舱占用额外的武器外挂，破坏F-35飞机隐身性能；② F-35作为新研飞机具有装备内置式ACMI的条件。配置VTM的意义在于实现“Any Where/Any Time”训练能力，根据需要可在飞行中随时启动虚拟训练，避免传统训练的地面准备和协调工作。VTM模块内置于ICP中，其原因主要为F-35航电系统采用ICP架构，综合程度高，ICP具备很强的处理和存储能力，并且具备多任务处理能力和高任务可靠性，考虑到虚拟训练场景与原机系统的高度融合，放置在ICP中较为便利。

F-35进行虚拟训练的一个重要目的在于实现F-35多机编队的协同攻击作战训练，而协同攻击的关键环节之一是低时延的宽带数据链(统称武器协同数据链)，因此采用F-35上装备的该类数据链支持多机编队虚拟训练，即直接采用作战数据链进行训练。而针对ACMI训练能力，由于美军已建立起完善的ACMI训练体系，因此F-35上的数据链应与常规ACMI训练体系兼容，满足其与其他型号飞机进行非对称空战训练的需求。

问题二：在具备内置式ACMI技术后，ACMI吊舱方案是否仍有价值？

关于ACMI是否还有训练使用价值，可从以下几方面进行分析：

一是现役战斗机使用ACMI吊舱可降低各种风险。在许多现有的战斗机平台上，采用ACMI吊舱方案实现空战训练能力是成本代价和技术风险相对较小的方式，因为ACMI吊舱可基本独立的进行研制，除研制阶段的少量联试外，不会产生每架飞机的改装和试飞工作量。

二是对原机改动小。ACMI吊舱自带数据链，且具备时空位置测定能力，可避免在现有平台上增装数据链天线，同时在飞机的航电系统不便于提供飞行数据(位置、速度、姿态等)，可通过吊舱自带传感器测量，避免对原机航电系统的更改。

三是安装和拆卸方便。对于ACMI吊舱，在非训练状态则可快速拆除，拆装方式与空空导弹一致。

由此可见，现阶段乃至未来相当长的一段时间内，ACMI吊舱仍存在较高的使用和训练价值。

4 发展趋势与展望

对战斗机空战战术训练系统的发展轨迹进行分析可发现，对于现役战斗机其空战训练系统，更多通过吊舱实现，如美国的ACTS、以色列的EHUD等；对新研战斗机，其训练系统更多的是通过内嵌式空战训练系统。由此可见，嵌入式空战战术训练系统代表着未来空战训练的发展方向，由于与航电系统同步综合设计，与飞机传感器系统、武器系统统筹规划，使其更倾向于成为航电系统的一项基本功能，训练兼容性更强。由于战斗机均有性能较好的传感器和火控解算系统，因此，战斗机嵌入式战术训练系统未来发展重点不在模拟传感器和武器，而是模拟类人程度更高，战术水平更高，战术决策库丰富、更智能的虚拟目标以及模拟更加逼真和接近实战的作战场景。

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(责任编辑 周江川)

Research on the Application of Foreign Fighter Air Combat Tactical Training System

WU Xiong1， LIU Chun2

(1.Equipment Research Institute of the Navy, Shanghai 200436, China;2.The No. 650 Aircraft Design Institute of AVIC, Nanchang 330024, China)

Beginning with the basic concept, principle and significance of the fighter air combat tactical training, we studied the development, application of the fighter air combat tactical training system. The technical characteristics and related developing problems of the fighter air combat tactical training system are also analyzed in this paper. The author believe that developing a embedded tactical training system and synthetic targets that like a real pilot flying a fighter, a strong database of tactical decision-making and realistic battlefield scene will become the trend of the fighter air combat tactical training system.

fighter; air combat tactical training; embedded training system

10.11809/scbgxb2017.07.007

2017-03-20；

2017-04-15

吴雄(1977—)，男，博士，主要从事飞行器设计研究。

刘纯(1985—)，男，博士，主要从事航电系统、嵌入式训练系统设计研究。

format:WU Xiong，LIU Chun.Research on the Application of Foreign Fighter Air Combat Tactical Training System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):31-37.

TJ8

A

2096-2304(2017)07-0031-07

本文引用格式：吴雄，刘纯.外军战斗机空战战术训练系统应用研究[J].兵器装备工程学报，2017(7):31-37.