水面舰艇编队嵌入式训练系统关键技术设计

2022-09-14饶世钧

火力与指挥控制 2022年7期

饶世钧，姜宁，洪俊

（海军大连舰艇学院信息系统系，辽宁大连 116018）

0 引言

水面舰艇是维护国家海洋权益的重要力量，是应对海上威胁的主要作战平台。水面舰艇编队在海上执行任务过程中，训练组织实施存在着诸多难点，嵌入式训练成为一种必要手段，对编队形成作战能力有着重要支撑作用。以欧美为代表的世界军事强国对水面舰艇嵌入式训练高度重视，美海军水面舰艇部队构建了作战部队战术训练系统（BFTT）、AN/USQT47（V）BEWT 电子战训练器、ACTS“宙斯盾”作战模拟器等嵌入式训练手段，以色列海军建设了舰载嵌入式训练系统（OBTS），形成了先进的嵌入式训练平台架构和成熟的技术解决途径。文献［1-3］重点就美军联合仿真训练的体系架构、组织形式和系统内容进行了阐述。文献［4］主要对舰船机动控制嵌入式训练系统总体结构和关键技术进行了研究，但对于全流程全要素嵌入式训练还缺乏系统论述。文献［5］重点就美军JLVC 平台的建设思路、主要组成、遵循标准和实现方法进行了分析，这些思路和方法对水面舰艇编队嵌入式训练系统建设有着较好的借鉴作用，但在架构设计和关键技术解决途径上还需要进一步深化研究。文献［6］主要对嵌入式训练原理、结构和关键性技术进行了总结评述，但对舰艇编队嵌入式特点分析不够，其关键技术的解决方案还难以适应舰艇编队嵌入式训练要求。因此，针对舰艇编队嵌入式训练存在的现实问题，结合水面舰艇编队嵌入式训练特点，借鉴美国海军嵌入式训练系统设计理念，提出水面舰艇编队嵌入式训练关键技术解决方案，对于提升水面舰艇编队实战化训练水平有着重要的军事意义。

1 水面舰艇编队嵌入式训练特点分析

嵌入式训练是指将训练系统嵌入到实际装备中，在真实装备环境下实施的训练，具有逼真度高、操作真实、训练效果好等特点，是提升部队战斗力的重要训练手段之一。水面舰艇嵌入式训练与其他军兵种嵌入式训练相比，有着其特殊性，主要体现在以下4 方面。

1.1 分布区域广，实战训练同步难

水面舰艇大多以编队的形式在海上遂行各种任务，由于任务方向和活动区域不同，不同任务编队海上分布广，相距较远，嵌入式训练通信链路保障较为复杂。特别是不同任务编队开展统一想定背景下对抗训练时，存在着训练态势不同步、训练空间不匹配、训练反馈不及时等问题，直接影响了水面舰艇编队嵌入式训练的效果。

1.2 配合兵力少，虚实兵力合训难

为提高编队嵌入式训练的对抗性，需要预警机、攻击机、潜艇等兵力配合，由于受到训练海区、航行安全等方面限制，海上实际配合的兵力较少，难以满足训练要求。通常按照想定背景，产生所需的虚拟兵力，用于完成水面舰艇编队嵌入式训练，在这种情况下如何实现虚拟兵力与实际兵力的密切协同十分关键，也存在一定难度。

1.3 海上威胁大，训练模式转换难

编队在海上组织嵌入式训练时，各任务编队随时都可能面临对手侦察机、攻击机、干扰机、潜艇等目标的威胁，在作战系统中会出现实际威胁目标、虚拟训练目标交织的情况。为排除虚拟训练目标对指挥员行动决策的影响，应当根据海上实际威胁目标情况，适时组织训练作战模式转换，如何实现作战与训练模式的快速准确转换，是嵌入式训练面临的难题。

1.4 信号样式多，训练目标生成难

编队嵌入式训练虚拟目标环境通常通过舰艇自身模拟训练设备产生，还可通过电磁、声等射频信号注入舰艇侦察预警系统产生。无论哪种产生方式，舰艇侦察预警系统需要根据目标数据生成目标视频回波、点迹及航迹信息，由于舰艇侦察预警系统目标生成方式各异，信号样式复杂，实现目标信号或数据与侦察预警装备最佳匹配较为困难。

2 水面舰艇编队嵌入式训练系统体系架构

体系架构是水面舰艇编队嵌入式训练系统设计的重要内容，直接关系到系统建设的质量与效果。在系统架构设计上，借鉴美军JLVC 设计理念，着眼联合训练潜艇、航空兵、陆战队等接入需求，按照“统一平台、统一架构、统一标准、统一链路、统一模型”的主要思路统筹推进系统建设，构建海上实兵、模拟兵力、构造兵力有效管理与深度融合的LVC 开放式架构，集成海上实兵、模拟兵力和构造性仿真环境与模型，能够根据训练想定快速进行兵力合成、模型组配与仿真训练，能够根据实兵、模拟器提供的交战过程进行数据计算、实时裁决与临机导调，从而保持系统架构的先进性和开放性。

嵌入式训练系统架构主要包括基础层、支撑层和应用层，具体体系架构如下页图1 所示。基础层主要根据编队嵌入式训练需求，建立训练想定库、训练模型库、兵力生成库、装备数据库和海战场环境库，提供数据和模型访问服务，以达到统一模型目的；支撑层结合海上异地分布式训练特点，建立远程无线专用通信链路，构建DDS、GBB、Socket 等专用通信构件，提出并行互为备份通信策略，形成灵活协同的通信服务框架，提供远程嵌入式训练信息交互服务，以达到统一链路目的；应用层采用LVC 开放式架构，建立“通用化平台+专用构件”的基本组配关系，针对编队嵌入式训练特点建立训练想定、态势干预、数据采集与回放、训练裁决评估专用构件，具备向海上联合训练拓展的能力，以达到统一平台、统一架构、统一标准目的。

图1 水面舰艇编队嵌入式训练系统体系架构

3 水面舰艇编队嵌入式训练关键技术设计

3.1 训练时空一致性匹配处理

3.1.1 基于微服务的导调控制架构

先进的导调控制平台架构是实现训练时空一致性处理的核心。借鉴美国海军JLVC 体系架构设计理念，建立架构开放、服务云化、异构集成和智能融入的导调控制平台，形成“模型+引擎”微服务化运行模式，支持实兵、模拟器材和构造兵力按需随遇接入。

针对时空匹配问题，基于数据中心架构实现高效的公布订购数据分发机制，针对不同类型数据采用不同形式和协议进行传输，保证训练过程中数据传输的实时性；采用动态质量控制QoS，在应用层提供质量控制策略，在进行大数据量交互时，最大程度地平衡系统运行的稳定性和高效性；根据实际需要使用RTPS、组播、TCP、UDP 等数据传输通道，且不同通道之间能够灵活切换，支持跨局域网异地互联和广域网互联，时空一致性匹配设计架构如图2 所示。

图2 时空一致性匹配设计架构

3.1.2 通信链路设计

可靠的通信链路保障是实现训练时空一致性处理的基础。根据编队嵌入式训练需求，构建通信带宽宽、数据交互实时性高、数据误码率低、无线通信安全性高的专用数据链路，具备链路实时监控调整能力，以满足编队嵌入式训练异地无线通信需要。

针对通信链路阻塞问题，岸基系统间采用有线通信方式，岸基系统与海上水面舰艇间、视距外水面舰艇间采用卫星通信方式，视距内水面舰艇间采用超短波通信方式，以保证通信的可靠性；根据实时通信数据传输需求，改进远程异地训练互联互通通信架构，优化远程数据交互接口协议，通信带宽满足200 个节点数据交互要求，最大限度减少通信延迟，以满足训练时空一致性要求；建立互为备份、高效协同的通信保障策略，改造数据链、卫通等远程通信手段，保证不同节点同一时刻有两种或两种以上通信达成方式，以确保大海域远程异地通信快速可靠。

3.1.3 时空一致性匹配处理机制

合理的匹配处理机制是实现训练时空一致性处理的保证。根据不同训练想定不同训练阶段，充分考虑远程异地、异构系统、网络阻塞等特殊情况，建立异构系统兼容性强、多任务并行桥接、网络自适应的时空一致匹配机制，以满足远程异地时空一致匹配处理要求。

依据特定作战样式与作战节点训练数据处理要求，按训练阶段与目标特点划分非实时、弱实时、强实时和苛刻实时4 个层次进行时空同步；针对异构系统互连问题，创建桥接成员，将位于不同网络环境和不同地域的多个联邦进行互联，并运用多联邦系统任务并行处理技术，针对不同任务创建多联邦数据接收和发送线程，满足异构系统时空匹配处理要求；针对远程异地互连问题，运用双缓冲并行桥接技术，在桥接转换部件中开辟多联邦数据发送与接收缓冲区，通过缓冲区协同解决网络阻塞问题，运用网络性能自适应技术，建立网络拥堵、延迟变化剧烈等异常情况处理机制，提高对不可靠网络的适应性，从而保证时空一致处理的有效性。

3.2 虚实结合

水面舰艇编队在开展嵌入式训练时，有驱逐舰、护卫舰、作战支援舰等海上实际兵力参加训练，还有计算机根据模型组配生成的虚拟兵力作为配合兵力参加训练，这两种兵力共存需要解决实时交互与统一控制等问题。

3.2.1 虚实兵力交互

驱护舰等海上实际兵力和计算机生成的虚拟兵力存在于不同战场空间，二者交互存在着空间不一致、坐标不统一、交互转换复杂等问题。针对这些问题，在编队导调控制分系统中构建驱护舰等海上实际兵力的映射，生成与其类型、功能和性能一致的映像，建立实际兵力与对应映像的状态交互和控制同步，保持二者在模型和参数上的一致性。在虚拟交互空间中，虚拟兵力间采用高层体系结构（HLA）框架，根据训练兵力和训练任务，灵活组建训练联邦，从而保证系统的灵活性、开放性和可重用性。

3.2.2 虚实兵力控制

在驱护舰等海上实际兵力向对应虚拟兵力映射时，通过时间映射和空间翻转，将所有实际兵力和虚拟兵力的状态、位置等信息映射到同一虚拟空间，形成虚实结合和时空一致的战场态势，建立虚实兵力间的预警探测、指挥控制、信息对抗、攻防对抗等模型，借助模型实时计算与同步仿真，完成虚实兵力间的互感互抗，并通过成员RTI 接口与运行支撑环境RTI 实现交互，各成员基于RTI 相关规则，将具有订购与公布相应关系的对象实例关联匹配起来，实现虚实兵力的统一控制。

3.3 训练作战状态转换

编队在海上实施嵌入式训练时，随时都可能面临着侦察机、干扰机、攻击机、反舰导弹等目标威胁，如何应对这些威胁，及时转入作战状态，是保证编队海上安全的重要问题，这一问题直接关系到编队作战效能发挥。

3.3.1 转换方式

训练作战状态转换可通过硬转换和软转换两种方式完成，硬转换是通过外部硬件控制，断开训练网络阻断输入信号完成转换，这种方式可靠性高，但控制复杂，转换速度慢。软转换是通过内部软件控制，通过威胁判断、智能化目标识别完成转换，这种方式转换速度快，但可靠性相对较低。针对嵌入式训练面临威胁目标的现实问题，充分考虑可靠性原则和转换方式特点，采用“硬转换+ 软转换”相结合的转换方式，即遇到威胁目标后，先进行软切换完成威胁判断和作战训练模式切换，再进行硬切换完成链路断开阻断输入，以保证状态转换的可靠性。

3.3.2 威胁判断转换

根据外部威胁目标特点，建立战术动作判别、辐射源信号判别、传感器感知判别等判别准则，形成战位初判、平台复判、编队研判的判别流程，特别针对目标战术动作变化、目标方位距离变化、目标勾径变化等关键信息及时完成威胁判断，确认威胁后实时完成向作战模式的转换，以保证编队能够及时应对外部威胁，组织武器系统完成抗击。

3.3.3 智能化匹配转换

在编队嵌入式训练时，参训水面舰艇处于训练模式，其侦察预警系统能够根据探测模型计算对虚拟目标的探测威力，对威力范围内的目标在雷达、红外等传感器上显示，这些虚拟目标由编队导调分系统统一产生，其位置、运动等参数能够实时掌握。在训练过程中，通过基于大数据的态势比对技术，实现侦察预警系统掌握目标与编队导调分系统产生虚拟目标的实时比对，并通过智能化识别技术进行态势拟合与威胁判断，当出现实际威胁目标时，立即向作战模式进行转换，以保证海上作战任务的顺利实施。

3.4 侦察预警信号注入

为实现编队全流程全要素嵌入式训练，需要对水面舰艇装备特别是侦察预警装备实施接口匹配，使其具备接收雷达目标信号、干扰信号、辐射源信号、光电信号和红外信号的能力，从而解决编队嵌入式训练前端信号输入问题。目前，电子侦察设备信号通常由微波暗室产生，红外光电信号通常由计算机模拟生成，技术上相对较为成熟，难度较大的是雷达信号注入。根据雷达工作原理与探测目标过程，雷达目标信号可通过射频、中频和视频方式注入。

3.4.1 射频信号注入

射频信号注入是通过产生符合雷达天线接收要求的射频信号，进入雷达接收机，并通过接收机实际解调、放大和处理，在雷达显示器形成目标回波，这种虚拟目标回波较为逼真，和真实目标回波基本相同，目标模拟逼真度高，但需要硬件支持，成本相对较高。雷达射频信号注入可通过电子靶标或移动式雷达信号生成设备产生。在产生射频信号时，通过计算机控制与信号合成技术，形成与目标航向航速相一致的目标点迹，同时保持与雷达扫描和天线位置的完全同步。

3.4.2 中频信号注入

中频信号注入是通过产生符合雷达接收机要求的中频信号，从中频放大器进入雷达接收机，经处理后在雷达显示器上形成目标回波，成本相对较低。雷达中频信号注入通过专用的中频信号生成与注入模块完成，形成虚拟目标模拟回波和干扰回波。中频信号生成与注入模块主要由频率控制器、波形产生器、幅度控制单元、D/A 转换器和脉冲匹配单元组成，产生不同类型信号时组成会有所不同。

3.4.3 视频信号注入

视频信号注入是通过产生目标状态与运动参数，从舰艇内部通信网进入雷达系统形成目标视频，这种方式产生目标较为简单，雷达无须做大的改动，但目标逼真度较差。为提高目标模拟逼真度，可通过嵌入式回波生成与注入模块，通过高级电磁波传播模型，结合雷达参数、目标参数、环境参数和平台参数，计算出指定方位距离目标的视频回波分布。同时可采集雷达本身同类目标的视频数据，进行智能化分析，形成最终目标视频回波数据。