某型战斗机嵌入式训练系统设计技术研究

2022-03-01刘荣林

计算机仿真 2022年1期

陈云，王磊，刘荣林

(1. 天津七一二通信广播股份有限公司，天津 300462；2. 陆军装备部航空军事代表局驻天津地区航空军事代表室，天津 300462)

1 引言

近年来，随着世界各国军队军事训练转型不断深入，实战化训练水平已经成为衡量当代军事强国的重要标准之一。军队的实战化训练着眼信息化条件下的联合作战，通过组织实战环境对抗演练、融合集成训练方法、强化心理素质训练和科学规范考核评估等途径，着力构建贴近实战的训练条件和环境，以实现熟悉作战预案、检验武器性能、演练战法效果和提升作战效能等多重目的。

随着嵌入式技术的不断发展及实战化的训练要求，传统训练模拟设备和军事模拟系统已经无法满足飞行部队的训练需求，嵌入式训练设备应运而生。通过机上加装嵌入式训练设备，实现飞机目标虚拟、武器仿真、导弹击中评估、训练监控等功能，可以随时随地开展“实”对“虚”、“实”对“实”对抗训练，最大程度的贴近实战场景，提高空战技战术水平。

目前，嵌入式训练已成为各国军事飞行训练的首选方式，本文基于某型战斗机进行嵌入式训练系统设计技术研究。

2 嵌入式训练系统分类

根据嵌入形式的差异，嵌入式训练系统主要分为独立式、集成式及混合式三种架构，其中：

a) 独立式

独立式训练系统与航电系统彼此独立，没有任何隶属关系。嵌入式训练系统通过数据、视频等总线与机上其它系统设备进行交联。独立式架构主要应用于成品飞机，在保持原机构造条件下，采用附加部件方式来增加相应训练功能。

b) 集成式

集成式训练系统隶属于航电系统，在航电系统设计时既充分考虑训练功能设计。集成式训练系统与航电系统高度集成，联系紧密，显示与训练效果更逼真，为当前主流嵌入式训练系统。

c) 混合式

混合式训练系统为部分采用独立式或集成式的设计方法，在既有航电系统条件下，增加其训练功能。

本文研究对象为已交付飞机，综合考虑研制成本、研制风险和研制进度等多方面因素，该机型采用独立式训练架构设计，其系统连接关系如图1所示。

图1 独立式架构设计

3 嵌训功能需求分析

在嵌入式训练中，为确保实战化训练目的，雷达、光雷等传感器操作、攻击武器选择、防御战术等元素需与实战环境保持高度一致。同时，尽量确保训练安全和训练水平的科学评估也十分重要。因此，嵌入式训练系统主要实现如下功能：

1)训练计划的编辑及加载；

2)惯导、雷达、武器状态等数据的实时采集、存储及传输；

3)虚拟目标场景模拟；

4)虚拟武器仿真及攻击实时评估；

5)空地无线通信链路的组网；

6)飞机作战训练状态地面实时监控。

4 嵌入式训练系统设计

4.1 加装嵌入式训练系统可行性分析

本文主要从以下三个方面对该机型加装嵌入式训练系统的可行性进行分析：

a) 航电系统总线结构

航电系统采用三总线结构分别进行飞行、作战及武器数据传输，三者分工明确，便于嵌入式训练系统的扩展。嵌入式训练机载分系统作为BM挂载于三条总线，实时监控总线数据。

b) 按键设计

航电综合控制板上丰富的按键冗余设计，便于在保持飞行员操作习惯的基础上增加嵌入式训练功能启动按键。

c) POP设计

在既有的多功能显示器上仅增加嵌入式训练POP界面即可，无需更改其它页面。

4.2 系统组成及功能划分

嵌入式训练系统与航电系统设备交联关系如图2所示：

图2 ETS与航电系统设备交联关系图

嵌入式训练系统主要由嵌入式训练机载分系统(ETAS)、无线通信分系统(WCS)以及地面实时监控分系统(GMS)三部分组成，其中：

a) 嵌入式训练机载分系统

嵌入式训练机载分系统主要负责完成飞机作战训练相关数据信息的采集和记录、武器仿真、训练实时评估功能，其内部设备组成如图3所示。

图3 嵌入式训练机载分系统内部组成图

数据采集器作为RT及BM双重角色接入航电系统总线。RT时，实时响应MMP的训练计划加载、训练参数修改指令，并实时上报空地组网状态至MMP；BM时，实时监控总线数据并按需采集作战训练相关信息，如：飞机位置信息，飞行姿态信息，武器准备、发射、制导信息。

数据记录器负责存储训练数据，便于训练结束后进行数据分析。

虚拟目标生成器主要完成空中虚拟目标场景的模拟，如：虚拟飞机进入的位置，飞行姿态，虚拟目标的作战角色。

武器仿真评估器主要完成虚拟武器全生命周期的模拟功能和实时攻击效果评估功能。

b) 无线通信分系统

无线通信分系统负责飞机与地面指挥所之间的数据加解密和组网通信功能，内部设备组成如图4所示。

图4 无线通信分系统组成图

机载端机与地面站端机之间采用固定频段的无线电波进行组网通信。机载端机负责将雷达状态、飞行姿态、燃油量等数据通过机载天线发射出去，地面站端机通过地面天线接收数据并实时传输至地面实时监控分系统。

c) 地面实时监控分系统

地面实时监控分系统以三维动画的方式将飞机位置、飞行航姿、雷达状态、目标锁定状态、导弹飞行轨迹等信息实时显示在监控界面，便于指挥员直观了解当前飞行员的操作，并实现对飞机状态、告警信息的有效监控。

嵌入式训练系统的接口通信方式和数据流如图5所示。

图5 嵌入式训练系统通信数据流图

4.3 嵌入式训练系统使用分析

嵌入式训练主要分为训练准备、训练启动、目标捕捉、攻击实施四个阶段：

起飞前，任务规划系统设定并加载训练计划、组网通信、虚拟目标等参数至嵌入式训练机载分系统。

b) 训练启动

飞机升空并飞行至训练空域后，飞行员操作嵌入式训练显控画面，对训练计划、工作波道以及虚拟目标生成功能进行选择并确认后，启动嵌入式训练。

c) 目标捕捉

训练开始后，如图6 中训练场景一所示，虚拟目标生成器生成一架虚拟飞机。飞行员练习目标探测、追踪和截获操作。

图6 嵌入式训练场景图

d) 攻击实施

截获目标后，如图6 中训练场景二所示，飞行员进行武器选择、攻击实施、武器制导等练习。武器仿真评估器完成武器仿真、目标匹配、弹道模拟以及攻击结果实时评估。

训练全程，数据采集器实时将飞机状态、飞行姿态、雷达状态、武器弹道、杀伤结果等信息传输至地面指挥所。指挥员对飞行员飞行水平、作战能力一目了然，可以客观科学地给出训练评估。通过回放功能，飞行员可以直观了解自己的不足之处，以便采取针对性训练措施，提高实战水平。

“游之”“记之”是对物象特征的记录、记忆，“悟之”则是对事物的分析、思考和概括提炼，需要去芜存精，深思熟虑，由表面而及本质，去立意，去构思，“意在笔先”“胸有成竹”如此而达到开悟的境界。

4.4 关键技术

该机型嵌入式训练系统设计主要涉及以下关键技术：

a) 嵌入式技术

如何在即有成熟稳定航电系统架构战机上合理嵌入训练系统设备是该型机加装嵌入式训练系统的关键技术之一。需要对设备安装位置、外形尺寸特征、重量约束条件、线缆长度及布局、电磁兼容性、易安装维护性等诸多方面进行反复推敲及充分论证，结合整机运行环境进行相应结构、可靠性、适应性、可维护性设计，实现训练系统与航电系统的完美结合，在不影响既有航电系统功能基础上，保证训练系统可靠、高效地执行训练任务。

b) 训练信息交互技术

嵌入式训练功能本质上是战机实装航电系统设备与嵌入式训练系统设备之间飞行航姿、空间位置、雷达工作状态、武器弹道、电子干扰等信息数据的交互通信。因此，航电系统与嵌入式训练系统之间的交互通道必须安全可靠，交互数据必须实时快捷。训练信息交互技术主要涉及通信接口设计，交互数据协议制定，数据传输可靠性及实时性设计，是训练信息采集、处理、传输等技术的综合。

c) 虚拟目标生成技术

为贴近实战化训练，生成的虚拟目标飞行、机动等各方面性能必须贴近真实飞机，且具备一定的智能水平，且飞行、规避等动作的设计算法必须精确。虚拟目标生成软件启动后，根据加载目标数量、初始位置、尺寸、携带武器参数，在指定区域生成目标飞机；根据加载飞行方式及特性参数，进行直线、圆形、8字或者椭圆形轨迹飞行仿真；根据加载智能水平参数，模拟单纯靶机、具备逃逸能力靶机、具备逃逸及攻击能力靶机进行训练。虚拟目标生成软件周期传输目标机位置、航姿、速度等信息至机载雷达和电子战系统，用于目标探测、追踪和截获训练；至武器仿真评估器，用于目标匹配及攻击结果实时评估。虚拟目标生成技术是计算机软件技术、人工智能和仿真技术相结合的产物。

d) 武器仿真

武器仿真技术主要是构建该型机可携带各种武器的数学模型，输出武器弹道数据，进行武器仿真。为保证嵌入式训练的攻击效果无限贴近实际结果，武器的有效攻击范围、工作方式、弹道解算周期等武器模型的算法必须尽可能的与真实武器的性能水平保持一致。武器仿真算法基于各种真实武器的工作特性，结合CPU运算处理能力及嵌入式训练实际需求，建立真实武器软件模型，需要不断迭代验证，提高模型的真实性和可用性。

e) 攻击效果实时评估

攻击效果实时评估技术是对战机飞行员训练过程中战术选择、战机把握能力做出的实时准确的评判。因此，评估算法的设计必须贴近实际，准确可信。实战中，武器杀伤结果涉及武器性能、飞机航姿、弹目距离等多方面因素，嵌入式训练攻击效果实时评估时，需要充分考虑这些因素的影响，保证评估与实战结果相一致。不同武器、不同攻击位置、不同攻击距离、被攻击机的不同防御操作都直接作用到攻击效果，实时评估算法针对上述各种情况的组合，需要反复验证，不断优化，提高评估结果的准确性和可信度。

f) 无线组网通信

为了保证数据传输的稳定性及实时性，以及后续多机联合训练的可扩展性，传输的数据内容、封装格式、传输周期、重传机制，必须结合航电系统设计，进行系统层面的统筹策划，给出合理设计及实现方式。在充分考虑后续多机、多地面站联合协同训练场景需求的基础上，该型机采用TDMA方式，划分多个空空及地空时隙实现组网通信；为了保证数据稳定实时传输，结合通信带宽的要求，采取了事件、条件周期、周期相结合的传输方式，严格控制大数据量消息的传输频率，同时引入了优先级及重传机制，保证重要消息的可靠传输。