舰载机对海作战训练仿真系统设计与关键技术

王述运，杨继坤，柴守权，岳付昌

(1.海军航空大学，山东 烟台 264001;2.中国人民解放军92493部队，辽宁 葫芦岛 125001)

舰载机是航母编队夺取制空权和制海权的核心力量，主要担负肃清空域、压制防空、打击敌空中高价值目标、攻击敌水面舰艇、实施对陆空中遮断等任务。随着航母编队装备体系技术的革新和作战能力的提升，我军更加重视和强化以舰载机为基点的对海突击力量建设，相关研究主要集中在舰载机选型、机载反舰武器配备、舰载机编队力量编成、战术攻击阵位的配置、预警机/电子战飞机的配合，以及反舰作战能力评估等领域。

当前，关于作战仿真的研究可大致划分为基于体系框架的理论方法构建和基于兵力实体的具象建模两大类，但从研究主体看，舰载机对海作战仿真的研究比较匮乏。同时，针对舰载机的训练仅仅停留在单一系统、单一受众、单一模拟器的环节。而美军早已把训练模式从基于单平台、单系统的个人训练拓展到以任务执行为核心的整体性训练，其组织方式、仿真系统、实施策略、环境构设和体系评估等方面均值得我军借鉴［1］。随着装备体系手段逐步丰富、强度日益增强，在仿真架构动态变化、快速建模技术、多分辨率自适应等方面，对传统仿真技术提出了巨大挑战，促使新的仿真技术不断涌现。同时，随着战斗力生成方式的转变和实战化训练能力的提升，基于体系的舰载机对海作战训练理念和方法将逐步走向实践，致使相关条件建设和总体规划成为必然。

本文立足舰载机对海作战能力提升，根据典型任务流程，系统分析舰载机对海作战特点和训练需求，提出训练仿真系统构建的总体设计与关键技术，为航母舰载机分布式训练实践提供技术支撑。

1 舰载机对海作战训练仿真需求

1.1 典型任务流程

受任务属性、敌我实力、战场态势、作战环境等因素共同制约，舰载机主要作战样式可分为连续对海突击和集中对海突击。航母的主要任务是保障舰载机的起降和指挥引导，根据实际作战需求，将舰载机的作业区域从远到近划分为任务区、引导区、待机区、进场区和着舰区。

舰载机对海作战的典型流程可分为甲板作业流程和空中作战流程，按照逻辑顺序包括［2-3］:挂弹、热机、滑跃起飞、空中集结、引导出航、引导交接、攻击行动、效果评估、返航、敌我识别、进近管理、马歇尔等待、下滑道飞行、钩索、逃逸复飞、一站式保障，待下一个甲板作业周期重新起飞，如果发生战损即刻拉入机库进行维修作业，如图1所示。

图1 舰载机对海作战流程

1.2 作战训练主要特点分析

舰载机对海作战的固有特征决定其训练仿真系统呈现以下特点:1)海空一体决定协同要求高。舰载机作战环境复杂、跨度大、机动性强、对象多元，对训练协同开展的影响因素众多;2)体系联动决定导调控制难。舰载机对海作战是态势、指控、打击、保障等综合集成的任务体系，参训装备多、人员多、环节多，按照典型流程，训练实施需要要素间实现紧密耦合联动;3)虚实结合决定技术难度高［4］。开展此类训练，完全实兵实装的方式成本高、风险大，充分利用基于LVC的技术体制是有效的途径，实装与仿真训练系统相融合，信息交互、态势共享等技术难度高;4)探索性强决定创新要求高。舰载机对海打击训练兼顾战法创新和部队训练的双重任务，必须在训练进程中强化创新意识，找到薄弱环节，不断反馈装备建设和战术战法改进。

1.3 训练仿真系统建设需求及策略

系统应能够满足闭环舰载机对海作战训练仿真所需，仿真对象应包括舰载战斗机、机载雷达、空舰导弹、反辐射导弹、制导炸弹和普通航弹、航空兵指挥系统、航空保障系统、编队作战指挥系统等。流程分辨率到平台级，数据分辨率到武器级。主要解决以下几方面的军事需求:1)运用飞行模拟器模拟舰载机起降过程，用以训练飞行员的驾驶技术;2)运用航空保障系统模拟器模拟对舰载机的指挥引导、起降监控，用以训练LSO和塔台指挥员的起降指挥控制能力;3)模拟航指系统、预警机指挥引导流程，用以训练航空兵指挥员、预警机指挥员对舰载机的引导能力;4)模拟舰载机对敌水面舰艇的跟踪识别、导弹打击过程，训练飞行员的实战能力;5)模拟区域防空群指对舰载机的归航识别、进近引导，训练舰机指挥员的态势感知能力。

鉴于舰载机训练仿真系统组成复杂、地位重要、体系贡献突出、实现技术难度大、各方高度关注，其建设策略主要包括:1)使命牵引、能力递进、分步实现;2)资源统筹、虚实合成、综合集成;3)注重流程、强化态势、体现感知。

2 舰载机对海作战训练仿真系统

2.1 总体架构设计

本文按照航母编队作战指挥仿真顶层设计要求，继承相关子系统研制成果，充分考虑舰载机对海作战训练需求，采用网络化、服务化技术，实现“一网六域”的应用架构设计，逻辑上由通信支撑网、资源管理服务域、想定生成域、导调控制域、环境构设域、训练执行域和认知评估域组成。架构上可进一步分为仿真资源层、支撑层和应用层［5］，如图2所示。

图2 仿真体系架构

资源层。在联合训练环境构建支撑平台的框架下，通过通信支撑网将基础数据、计算存储、时空基准、安全保密、态势感知等资源连接形成的泛在网络，开展数据的实时交互、计算处理、联合分发。资源管理服务域通过对各类资源以及用户身份的联网共享、组网运用，提供体系化的资源管理和资源服务。

支撑层。通过分布式交互中间件实现资源层和应用层的逻辑连接，集成与仿真训练相关的软件、数据、服务和界面。为应用层提供想定生成应用注册、导调控制组合交互、环境构设资源集成等应用服务，为训练执行和认知评估提供基础数据服务［6-7］。

应用层。构建各类训练对象系统，包括飞行员起降训练、LSO引导训练、对海作战训练、舰长对空防御训练、航空兵指挥引导训练等。

2.2 功能模块设计

作战想定与剧情生成模块［8-9］主要从训练用户角度出发，提供舰载机对海作战任务的典型任务场景，包括任务筹划、模型编译、模型校验、想定生成、兵力生成、虚实环境初始生成、想定推演等子模块，具体承担任务背景和要求描述、参训人员装备体系构成、战场态势描述、对抗威胁条件设置、规则战术库装订等活动，最终通过计算机兵力与剧情生成，进行方案推演，评估训练实施计划的合理性和可行性。

训练运行控制与管理模块主要从训练监管角度出发，为训练以及训练仿真的有效开展提供运行保障，主要包括导调控制、红蓝模拟、交战裁决、训练代理、分布管理、模型调用和行为支撑等子模块，具体从白方视角承担红蓝双方对抗行为监视、战术效果裁决、进程控制等工作，从训练管理视角开展训练仿真代理、分布式训练组织实施、具体训练评判准则制定等工作。

目标特性与环境构设模块主要从假想敌的角度出发，解决以往训练对手不真、环节逼真度不高等问题。其主要包括LVC集成环境、模拟器、战术对抗环境、电磁干扰环境、气象水文环境、平台机动、目标探测等子模块，能够为舰载机对海作战提供海战场背景下所需复杂电磁、岛岸背景、海杂波、快速海面目标等环境，以及虚实合成的解决方案。

数据采集与云端处理模块主要从训练产生的大量数据出发，解决数据采集、存储、计算、显示、维护和挖掘等难题，为开展训练评估做基础准备。主要包括数据订购分发、边缘计算、高性能计算、分布存储、综合显示、复盘支持和分析评估等子模块［10］，数据类型涉及距离、方位、精度等格式化数据和视频、图像等非格式化数据。

2.3 数学模型框架设计

舰载机的作战使命和航母的特殊起降环境，对出动回收、飞行安全、指挥引导、效能评估等OODA环节有极为严苛的要求。鉴于此，本文提出由出动回收模型、指挥引导模型、预警探测模型、交战过程模型、弹道与毁伤模型、辅助决策模型构成的舰载机对海作战训练仿真模型框架，如图3所示。

图3 数学模型组成框架

出动回收模型利用工程模拟器解决舰载机运动、起降姿态、过载控制、座舱模拟、视景观测等构造模型，建立一整套气动力数据库和控制率参数，模拟舰尾流、低空紊流和舰面流场条件下的起降性能;利用数字仿真解决航母运动、起飞与着舰系统、甲板几何、甲板作业等虚拟模型，与舰载机相关模型进行交互。指挥引导模型利用航空管制、航空兵指挥与预警机等等效模拟器，通过数据链和语音建立与舰载机任务执行的交互关系模型。预警探测模型通过建立雷达方程、引入外部信息源接口，解决信息保障和目标识别问题。交战过程模型需要实时解算飞机航线、高度、航向和攻击角等要素，装订导弹飞行参数，准实时计算载机和导弹的突防概率。弹道与毁伤模型利用实验室资源实时计算导弹发射后直至命中目标过程中，导弹弹道仿真和目标易损性仿真。辅助决策模型解决典型的战术决策问题。

2.4 训练仿真流程设计

根据舰载机对海作战训练特点和要求，考虑设计空间、随机因素、训练层级和能力形成等因素，形成基于“训练要素识别、任务场景构建、红蓝战术映射、层次对抗训练、智能导调裁决”的业务流程，如图4所示。

其中，训练要素识别是开展相关研究的基础，针对不同训练要素，任务想定不同，构成的装备体系也有区别，要素识别主要是对训练历程、对象、阶段和目标的界定;任务场景构建主要为整个训练仿真设定一个脚本，具体包括使命任务、环境构设、方案生成、态势模拟等步骤;红蓝战术映射通过双方的仿真模型交互，将宏观的能力和规则映射为可操作的战术和行动［11-12］;层次对抗训练实现基于实装、半实物和虚拟构造系统的浸入性、分布式训练;智能导调裁决利用基于智能体的算法对整个训练任务进行规划和仿真控制，运用空间域模型进行数据分析处理。

图4 训练仿真业务流程图

3 系统关键技术

3.1 想定与仿真控制技术

联合训练环境的构建势必带来动用实兵多、组织效率低、周期不可控等问题，必须在任务开展前进行反复推演，实现基线想定目标，并逐步扩展能力边界。主要涉及想定演示推演技术、时空一致性控制技术和数据过滤匹配技术等。

演示推演技术模拟在给定试验条件下，进行兵力行动和信息交互等关键环节的预演，发现方案缺陷，预估训练效果，进一步提出资源需求，采用基于插件的模型编辑和想定编辑动态生成技术，解决当前普遍采用人工计算、领域专家研讨的方式。

时空一致性控制技术，采用时间自治策略，部分时戳和前瞻量设计，通过合理划分实时粒度，解决联合试验环境所集成的资源信息交互的时间异步性，控制资源协调运行、虚实仿真时空一致。

数据过滤匹配技术主要采用基于区域、网格和排序三种数据过滤匹配算法，解决无效数据对上层应用的干扰，开展云端数据的自适应计算，减少批量数据的处理压力，提高传输效率。

3.2 兵力行为模型支撑技术

为支撑本仿真训练系统众多实体的行为控制和交战规则，以及虚实融合环境下的实时、准实时、非实时交互，提出了包含零编程资源封装与建模、基于规则的决策建模、虚实兵力互感互抗等兵力行为模型支撑技术。

零编程资源封装与建模技术采用基于协议模板的内嵌式动态数据包编解码，解决用户在资源封装过程中的零编程和装备接口零修改的问题，能够按照统一模式对舰载机对海作战仿真训练资源进行描述、封装和转换，其协议识别、自动解析等关键环节对实时性要求较高。

基于规则的决策建模采用认知域建模技术，利用使命任务、作战能力、威胁态势等条件空间与位置队形、战术决策、火力控制等命令空间的映射，解决蓝方兵力行为的智能性、灵活性等问题，经过多次训练形成想定库、规则库、战术库。

虚实兵力互感互抗技术通过增强现实技术，将虚兵的状态和行为信息通过信号注入或辐射传感等手段传输给实兵上的虚实融合终端，实现实兵感知虚兵;虚兵通过相应的发布与订购策略能够自动完成对实兵的感知;实兵通过虚实融合终端向虚兵发送攻击参数，在虚兵上完成弹道和毁伤仿真，发布虚兵毁伤信息，完成实兵对虚兵的抗击;虚兵依据发布与定购机制能够直接与实兵代理成员进行对抗交互。

3.3 基于LVC实时交互技术

对抗训练仿真的重点技术实现途径是真实、虚拟、构造资源的异构集成，在时空一致的条件下，满足动态组合、按需介入、相互操作的要求，其基础和核心是多分辨率融合技术、实时交互技术以及异构互联技术等［13］。

联合多分辨率邦联技术，采用一体化框架将体系级低分辨率模拟系统和实体级高分辨率模拟系统集成在一起，其中，体系级提供整个战场空间画面，实体级负责对试验空间内单个平台实体的战术行为进行仿真，并能够实现按需选择和更改。

实时交互技术采用时间同步和事件调度策略，综合利用中间件技术、数据分发技术、数据传输技术、云计算技术，实现解耦条件下的模型快速响应，满足异类、分布式部署资源的映射交互。

异构互联技术主要解决仿真训练领域异构集成问题，包括仿真数据、模型、系统、环境等集成，一般采用分系统独立并行开发、逻辑靶场基础平台统一加载、多个分系统同步控制的综合集成技术，关键技术涉及自动加载部署方案规划、基于协同仿真技术、任务资源本地和远程操控等。本系统典型资源以及模拟效果如图5所示。

图5 训练仿真效果图

3.4 导调裁决与评估支持技术

训练仿真系统基于红蓝双方的对抗，产生一系列的数据、响应和效果，需要指挥控制系统进行采集、分析和处理，主要包括导调控制与交战裁决、复盘评估等核心技术。

导调控制与交战裁决技术需重点开展信息互联互通接口标准研究，进行信息共享设计，打通试训战的指挥信息链路，实现红、蓝、白差异化信息服务，利用便携式和固定式裁决终端，实现录取设备、测量设备、环构设备等数据快速融合和判读，包含自适应数据采集技术、认知辅助控制模型和快速智能判决算法研究等。

复盘评估技术主要对训练仿真过程中各类兵力行动、关键事件、导调控制、打击效果运用数字化手段进行回放和追溯，并采用基于能力和基于任务两个维度进行指挥控制、机动、火力打击、全维防护、电子对抗、综合保障等方面的评估，主要能够支持数据关联复盘、过程复盘、同步复盘、协同分析和综合评估等工作。

4 结束语

本文系统研究了舰载机对海作战训练仿真系统设计与关键技术，明确了系统建设的需求，提出了初步设计方案，探讨了关键技术途径。该系统涵盖了舰载机对海作战从起降、引导、指挥、打击、评估等各个环节，训练受众覆盖飞行员、LSO、舰长、航空兵指挥人员等，采用基于LVC集成的技术体制，实现异构训练资源的体系集成，能够为舰载机对海作战训练、战法研究和流程改进提供有效的手段。下一步将进一步细化仿真粒度，提高关键事件的实装接入和响应感知程度。