美军虚拟鱼雷工程及联合试验训练技术

赵占伟

(中国人民解放军91388部队,广东湛江 524022)

科技的飞速发展给靶场带来了许多挑战。首先是武器系统功能上变得越来越综合,结构上变得越来越复杂,单一功能的靶场无法完成全部试训任务。其次是新武器系统和作战概念出现的时间间隔越来越短,靶场面临着越来越重的试训任务。第三是维护、更新和新建靶场试验设施的费用越来越高,造成试验训练成本越来越高。面对这些挑战,为了使新武器装备和作战概念尽快形成战斗力,需要研究新的试验训练手段,提升靶场试验训练能力。在尽快形成战斗力、降低试验训练成本和提升靶场试验训练能力方面,美军提出了构建广域的逻辑靶场实现联合试验训练的概念。在逻辑靶场中,美军提出了试验训练资源的概念,将靶场试验训练所需要的一切事物都称为试验训练资源。逻辑靶场试验训练资源既包括分布于美军各大靶场和训练机构的各种软硬件设施,也包括美国国内各大高校、公司和研究机构的一些重要的研究设施,将这些试验训练资源通过专用的试验训练网络连接起来,然后按照美军的试验训练使能体系结构(TENA)进行接口封装和标准化改造就构成了一个逻辑上的国家广域靶场。在逻辑靶场中,针对具体的试验训练任务,美军可以很方便地从试验训练资源仓库中抽取所需的试验训练资源,方便快捷地构成针对该任务的试验训练靶场能力,高效地完成试验训练训练任务。

虚拟鱼雷工程项目是美军1997年在水下战领域进行联合试验训练的一次研究尝试,目的是利用位于纽波特的海军水下战中心的建模和仿真设施(主要是鱼雷半实物仿真设施),通过卫星和水声无线网络等专用网络和外场真实的水下、水面和空中实装连接起来,构建逼真的水下战对抗训练环境,以此来达到减少训练成本,提高训练质量的目标,同时还为其后续的联合试验训练积累经验教训[1]。

1 美军虚拟鱼雷工程概述

美军虚拟鱼雷工程项目主要分为三个阶段进行,第一阶段使用潜艇发射虚拟的鱼雷对抗真实的潜艇目标,第二阶段利用直升机平台发射空投虚拟鱼雷对抗真实的潜艇,第三阶段主要考虑利用水面舰平台发射虚拟鱼雷来对抗真实的潜艇。其第一阶段是在1997年6月18-19日进行的,主要是在巴哈马群岛的安德罗斯岛美军大西洋水下试验与评估中心完成的。首先是运行在该中心试训海域的一艘真实的潜艇跟踪并锁定一艘真实的目标潜艇,当艇上作战人员通过战术装备向艇上武器仿真接口发出鱼雷预置和发射命令时,该火力控制命令通过通信设施传向位于罗得岛的纽波特海军水下战中心的鱼雷半实物仿真设施,通过该设施提供虚拟鱼雷,以进行鱼雷战术攻击。作战控制命令和鱼雷遥测数据(包括位置和武器状态数据)通过卫星、海面和海底的声学调制解调器和岸上的专用骨干网络在水下潜艇、陆上鱼雷设施和评估中心间传递通信。具体场景如图1所示。

美军在该项目第一阶段任务中,利用半实物仿真设施共发射了8条Mk48重型鱼雷,其中4条命中,2条明确未命中,2条疑似未命中。疑似未命中的结果可能由于在鱼雷发射序列期间岸上软件错误导致,而且来自于鱼雷半实物仿真设施的通信数据成功地传递到了潜艇作战控制系统。除了2条疑似未命中,所有仿真的鱼雷都完成了其作战运行过程(包含命中爆炸或命令关机),并成功将线导指令从潜艇作战系统传递到仿真鱼雷。整个试验期间水声下行链路(潜艇到岸)通信过程很好,水声上行链路(岸到潜艇)在试验窗口期间经历了一段不可用的时间。

在上述阶段任务中,美军对其早期的两种体系结构分布式交互仿真(DIS)和高层体系结构(HLA)进行了尝试使用,在前3条鱼雷攻击训练过程中,在整个广域异构试验训练网络上使用了基于DIS的分布式交互仿真体系结构构建联合试验训练环境,而在后面的5条鱼雷攻击训练过程中,在整个广域异构试验训练网络上使用了基于HLA的高层体系结构构建联合试验训练环境。结果显示这两种体系结构在当时的试验条件下都能满足试验训练要求,而且分布式交互仿真DIS体系结构由于当时技术比较成熟有更多的支撑工具可用,显得比高层体系结构HLA更适用,但这两种体系结构都显示出了对联合试验训练支持方面的短板。如当时两种体系结构都缺乏对试验训练过程中所有数据捕获录取的能力;同一个联邦软件不能兼具支持实时显示和事后回放;真实的外场实测数据由于存在野值问题,导致不经平滑直接发布给仿真模型可能会给仿真模型内部计算带来问题,且两种体系结构都没有工具软件解决这个问题;两种体系结构都缺乏对底层试验网络健康状态维护监测的工具;两种体系结构部署时都需要大量的人力物力来支持,成本较高。这些短板促使了后来美军在试验训练领域针对体系结构问题开展专门的研究,从而导致试验训练体系结构TENA的产生。

在仿真建设上,美军通过该项目还得出需要在仿真精度、仿真复杂度和成本之间进行认真的权衡。如当系统中其他系统都被精确建模时,一旦出现某个系统没有很好地被仿真建模,当接收到来自靶场“坏的跟踪数据”时,也表现为整个系统模型没有建好的问题,即单个子系统成员的仿真建模精度会影响整个系统对外的仿真精度,构建仿真系统时需要认真权衡确定仿真精度,合理分配建设成本。

2 靶场联合试验训练问题研究

2.1 实现联合试验训练的意义

新的试验鉴定条例将原来以性能鉴定试验为主的试验模式扩展到性能试验、作战试验、在役考核三个阶段,对武器装备试验鉴定提出了新要求,要求在真实的多种条件下考核武器装备的性能,具体体现在下面几个方面:

1)试验环境真实性要求在贴近实战、复杂环境、对抗环境下考核;

2)参试装备体系性要求在体系中试验装备的作战效能;

3)参演兵力对抗性要求在有对手对抗中试验装备作战效能;

4)作战流程完整性要求情报、指控、攻击等要素参与评估;

5)操作人员的典型性要求真正的作战人员参与闭环操控装备

6)考核评估的独立性要求试验鉴定独立于研制和采购。

对照上述试验鉴定新要求,传统的试验模式难以适用试验鉴定的新要求,必须构建联合试验训练模式,对靶场试验训练能力进行提升。

2.2 联合试验训练的资源问题研究

1)联合试验训练的资源定义

美军的联合试验训练将参试资源根据其性质分为三类:真实的(Live)、虚拟的(Virtual)、构造的(Constructive),简称LVC资源,这些资源包含分布于美军国内外各个靶场、科研机构、大学实验室中的各种设施,以充分利用国家现有的各种资源,可快速形成能力,节省时间和金钱[8]。

真实的资源:指真实的、物理的设施,包括士兵、飞机、坦克、舰船和武器系统。

虚拟的资源:指上述物理设施的仿真器,提供给真实世界作战人员接口和人在回路仿真,如飞机仿真器、坦克仿真器。

构造的资源:指纯仿真,或者由人控制(半自动兵力)或者完全自动运行不需要人参与(称为“闭环仿真”)。

2)联合试验训练资源能力问题

美军对联合试验训练资源提出了三种能力建设要求:互操作、可重用、可组合。通过这三种能力使试验训练资源在体系结构下具有快速、灵活性构建试训能力的能力,从而可满足不同试验训练任务。

其中互操作能力定义为:一组独立开发的组件、应用或系统的特性,即它们可以工作在一起,作为一些业务流程的组成部分,实现用户所定义的目标。根据能力层级至下向上又细分为6个层级[2],如图2所示。

孤立的-软件功能上自包含。元素之间互相孤立,不能分享公共的计算资源,如网络。

共存的-当使用某种公共基础设施服务时,软件元素共存,在同时运行时,互相不冲突使用共享资源。

语法级-软件元素通过消息或数据库交换数据,因为数据交换存在,这个级别需要一个公共的数据模式。

语义级-元素共享一个公共的对象模型和一组公共的服务,从而完全定义论述的领域。系统和应用间可能有重复的功能。

无缝级-元素因为针对某一特定领域有充分定义的对象和技术进程,所以元素可实现综合功能。对于运行在这个级别上的一组软件元素,其单个组件功能间没有重叠,且可产生有效的端到端功能和进程上的集成。

自适应-软件在运行时自组织以适应条件、资源、威胁等改变,根据它们当前环境的状态执行功能。

可重用性能力定义:一个特定组件、应用或系统的特性,即它可以在超出它原先设计的目的、配置或情形下使用。可重用性指一个特定产品除了在它开发的地方外还可以在多个靶场或设施中使用。

可组合性能力定义:从一池可重用的、互操作的元素中快速组装、初始化、测试和执行逻辑靶场的能力。

3)联合试验训练资源非集中开发问题

联合试验训练需要不同的参试资源,不同的参试资源必然有不同的研制单位、厂家、人员在不同的时间、不同的地点以不同的方式研制开发。这些不同的参试资源必然存在许多差异性,美军最早意识到参试资源的差异性会对互操作能力实现带来严重的问题, 尤其是接口和信息交互协议的差异,影响设备资源间的互操作[4]。解决这个问题的传统方法是按任务需求事先将大家聚在一起起草书面的接口规范,然后根据统一的书面协议开发或修改参试资源互操作协议。这样做在试验训练资源规模较小时实施较易,但当试验训练资源大量增加时,涉及的单位人员会很多,需大量的沟通协调,工作效率低下,成本花销大,执行非常困难,而且对书面的协议不同的开发人员由于理解的差异也会造成开发出的协议存在错误和歧义,在具体运行调试时出现错误,无法实现互操作问题,耗费大量的排故调试精力。进一步讲，这种在某一时刻按任务召集起草的协议不具有后续的通用性和稳定性,当下一个任务来临需要加入其他参试资源时，可能需要做重复的工作,浪费时间、金钱,效率不高。

针对上述非集中开发带来的问题,需要找到合适的解决方法才能有效进行联合试验训练。美军针对此问题通过在TENA体系结构框架下提供接口校验工具,以使所有参试资源在加入联合试验训练之前就先进行接口校核,确保在联合试验训练时不会出现因接口错误和歧义带来的问题。

4)联合试验训练资源“真实效应”问题

“真实的效应”是指在联合试验训练中要着重考虑人员和飞机、坦克、舰艇等实装因素的影响,主要是时间和成本的影响,在联合试验训练中,由于有前述真实资源参与,所以仿真时间要以真实的时间为基准,不需要纯仿真那样按仿真特点进行时间加速、暂停或减慢,没有时间管理要求。联合试验训练组织实施非常复杂,当在调试或试验过程中出现故障或失败时,会对参试真实的实装资源带来试验成本的增加和效率的降低问题。因此需要运行之前充分准备,周密筹划,研究制定联合试验训练运行程序,尽量减少失败和故障。

2.3 联合试验训练体系结构问题研究

美军将体系结构定义为一个系统(或系统的系统)的分割,如识别主要部分和系统的研制目的、功能、接口和内部关联性以及系统在一段时间内发展变化的指导原则。体系结构可对系统研发人员进行约束,这些约束使获得高等级目标成为可能。美军形象地将体系结构定义为系统从需求到设计之间的一座桥梁。

基于体系结构的开发已经成为通用工程实践的一部分,无论是构建武器系统级的复杂试验环境,还是构建有攻防对抗条件的复杂战场环境,都需要整合靶场试验训练资源,改造和重用靶场遗留系统,而良好的体系结构设计是实现复杂环境构建的基础。

目前试验训练常用的体系结构有高层体系结构HLA、数据分发服务DDS和试验训练使能体系结构TENA。高层体系结构HLA侧重应用于仿真领域,尤其是数字仿真,具有时间管理功能模块,通过RTI提供的服务提高了信息传输的实时性、可靠性和带宽[5]。数据分发服务DDS由对象管理组织OMG提出,主要用于分布式实时通信,采用发布/订阅体系架构,强调以数据为中心,提供丰富的QoS服务质量策略,能保障数据进行实时、高效、灵活地分发,可满足各种分布式实时通信应用需求,军事上美国海军将其用于舰艇内部数据通信,如美军的宙斯盾系统就是用了DDS架构[3]。TENA是美军专门面向靶场试训领域提出的试验训练使能体系结构。吸收了HLA、DDS等体系结构的优点,针对美军的试验训练领域增加了领域特定功能,提供了丰富的产品线产品以支持美军联合试验训练,如接口校验工具,解决了非集中开发问题。

由于美军专门面向其试验训练领域的体系结构TENA对我国是不公开的,且该体系结构除了相应的技术产品外还有一套适应其国内实际的运行管理机制,我国照搬过来是不适宜的,因此国内靶场要开展联合试验训练工作也需要根据国内的实际情况构建适应于我国国情的试验训练领域体系结构。

2.4 联合试验训练网络基础设施问题研究

美军为了支持联合试验训练能力,构建了专门的试验训练网络,并针对联合试验训练网络特点,开展专门研究,同时研究开发出了一些网络维护诊断工具,如网络诊断和测量工具,提高网络的性能。表1是 美军对其未来联合试验训练网络性能指标的要求[7]。

美军的研究重点其一主要针对试验训练网络异构性问题进行研究,试验训练网络的异构性主要体现在网络类型覆盖各种有线/无线、蜂窝、卫星、水声和射频通信等网络链路。网络链路的异构性和可变品质将要极大地约束试验训练的能力,试验训练任务将不可能容忍这种异构链路条件下的低数据率、低带宽、链路频繁失效等问题,需要优化使用这种有限的网络资源,提高网络性能。

表1 美军未来联合试验训练网络性能指标

其二针对网络节点特性,网络节点包括各种各样的网络节点,如传感器节点、卫星节点、水声节点、移动网络设备节点(指iPhone&iPod Touch,片上计算机,平板电脑,智能手机等)等。目前这些无线网络节点存在计算能力弱、功率低、存储空间和能量供应有限等缺点,无法使当前的美军TENA中间件有效地部署在这些节点上,极大地约束试验训练的能力,需要开发更有效的轻量级TENA中间件,提高订购/发布效率,充分利用节点的能力[6]。

构建我国的联合试验训练能力同样也需要建立专门的试验训练网络,同时针对提升试验训练网络能力开展相关的技术研究,如网络测量诊断技术、网络拥塞控制技术、网络可靠性技术等。此外,试验训练数据传递过程中需要加密,防止被敌方捕获,尤其是面对无线链路时,网络安全性也是联合试验训练需要重点研究解决的重要问题。

2.5 联合试验训练运行管理机制问题研究

美军在联合试验训练中技术产品TENA的研发维护由科学应用国际公司(SAIC)负责,产品的推广使用由美国国防部负责,建立了一套从上到下的管理运行机制,并且针对靶场现有资源的现状制定了详细的升级改造计划,以使未来所有靶场资源都符合TENA相关标准。未来靶场设备供应商提供的设备如果不符合TENA相关标准,就不能进入靶场领域。

由于联合试验训练资源广泛分布于不同的地方,将这些分散的资源系统组织起来,实施难度相当大,因此实现联合试验训练能力需要制定良好的组织实施程序。美军在联合试验训练运作中,将联合试验训练的整个过程划分为试验训练前、试验训练中、试验训练后三个阶段和5个活动。其中每个阶段和活动又细分为若干个子过程,这些子过程详细列举说明了整个联合试验训练的运作情形。

此外,联合试验训练还需要制定一些相关的试验训练标准和标准评价机制,如针对联合试验训练运作机制制定相应的运行机制标准,规范化地指导联合试验训练运作过程;针对试验训练体系结构制定资源接入的接口规范和封装标准,从而规范试验训练资源,使其纳入到体系结构中。

3 结束语

从国内靶场实际情况出发,完全实现联合试验训练能力目前还需要一个过程,这是因为靶场目前对联合试验训练并没有充分的认识,且在技术上持认可态度的靶场科技专家尚不多,而且往往将联合试验训练和仿真试验看成一样,导致联合试验训练能力建设推进困难。事实上,从试验训练资源角度看,仿真试验资源只是联合试验训练资源中的一种资源,除此之外,联合试验训练资源还包含其他一些实兵实装资源。从传统认知上讲,仿真试验只是纯粹利用仿真设施进行的一种局部小范围的试验,与联合试验训练是有本质区别的。还有一点原因是靶场目前已经投入了大量经费和人力构建了许多半实物和数字仿真试验训练资源,但是由于靶场仿真试验发展的关键技术问题还没有很好的解决,导致靶场的大量投入和仿真建设具体产生的效益尚没有成正比,使很多靶场专家将仿真建设发展中的现状与联合试验训练建设发展联系在了一起,造成了目前联合试验训练能力发展建设中的困境。

所以提高认识,统一思想是发展和构建联合试验训练能力首先要解决的问题。联合试验训练和仿真试验两种试验能力发展是可相互促进的,联合试验训练能力的提升需要仿真试验训练资源能力建设的提升,而联合试验训练充分利用仿真试验训练资源也可以提高仿真试验训练资源的应用效益,促进仿真试验能力建设的提升。