面向实兵交战训练的时间统一技术研究 *

候梦清，华思亮，周九州，郝嘉

（1. 中国航空研究院，北京 100029；2. 北京工业大学，北京 100124）

0 引言

“实战化训练”已成为检验军事训练系统的黄金标准。实兵交战训练是以实兵实装为基础平台，通过多平台分布式实时仿真，模拟武器攻击、命中毁伤过程的实战化军事训练。实兵交战训练可在军兵种范围内开展，也可跨军兵种跨域组织实施；参训平台涵盖多军兵种异构实装平台、模拟器以及虚拟兵力（live virtual constructive，LVC），各平台时间基础差异较大。为确保实兵交战训练分布式实时仿真系统中事件发生顺序和数据交互与现实保持一致，时间管理变得尤为重要。

国内外开展众多分布式仿真系统研究，如平台级分布交互仿真（distributed interactive simulation，DIS）、聚合级仿 真协议（aggregate level simulation protocol，ALSP）、高层体系结构（high level architecture，HLA）和试验与训练使能体系结构（test and training enabling architecture，TENA）等，均具备时间管理功能，可保证仿真系统各成员之间事件发生顺序一致［1］。但DIS，ALSP 以及HLA 等分布式仿真系统时间的管理暂不能满足大量实装平台、模拟器、虚拟兵力之间实时数据共享需求；TENA 可提供实时时间管理服务，但美军尚未公开标准［2］。此外，时间管理设计大多采用中心式时间管理方式实现各平台时间统一控制，而实兵交战训练功能作为实装参训平台众多功能之一，需尽可能尊重实装参训平台实际时间逻辑，完全采用中心式时间管理方式存在现实困难，因此亟须开展面向实兵交战训练的时间统一技术研究。

本文采用卫星时间作为时间统一标准，此外同步结合内同步方式，通过参训平台自主时间推进结合训练系统中心式时间推进的时间管理模式完成实兵交战训练参训平台时间同步；在此基础上考虑通信网络传输时延补偿，完成多源数据汇聚节点训练信息时间对齐；并通过周期性时间一致性校验进一步增加时间可靠性，从而形成实兵交战训练应用层时间统一技术方案，既可充分尊重实装平台实际时间逻辑避免大规模加改装，又可实现模拟器、虚拟兵力及地面系统等时间统一，满足实兵交战全流程训练时间需求。

1 实兵交战训练

1.1 主要组成

实兵交战训练可充分利用实兵实装平台及其传感器、武器发控装置等设备，结合实时仿真生成的虚拟武器、虚拟目标及其他作战要素，通过数据实时组网传输，模拟构建真实交战对抗过程，并对交战结果实时裁决告知，实现情报、指挥、打击、保障等环节OODA 闭环，保证实战化训练效果。主要依托于参训平台、通信网络及地面系统等实现，如图 1 所示。参训平台包含实装平台、模拟器及虚拟兵力，主要完成训练数据采集处理及实时仿真等［3］；通信网络主要完成参训平台通信组网及训练信息传输；地面系统主要实现训练场景想定规划、训练全流程实时显示、训练评估及回放分析等功能。

图1 实兵交战训练主要组成Fig. 1 Main composition of live combat training

1.2 运行逻辑

实兵交战训练在规划场景中开展对抗，各参训平台仿真运行逻辑中关键环节如下：

（1） 数据采集

实时采集参训平台状态数据、传感器数据、武器发控数据等，并标记数据采集时刻，数据主要来源于参训平台数据总线。

（2） 组网传输

完成训练信息在参训平台之间（攻击方与被攻击方）组网传输，支撑交战训练裁决解算；同时在参训平台与地面系统间传输，支撑战场态势、武器攻击过程等综合显示。

（3） 裁决解算

依据实时采集的本平台数据以及通信网络传输的其他平台相关数据，完成参训平台武器弹道仿真、武器命中解算、武器毁伤解算等攻击全过程仿真，并实时裁决对抗结果。解算过程可由攻击方、被攻击方或地面系统执行，不同阶段解算方可根据实际情况选取，无需全流程保持一致［4］。

（4） 综合显示

在地面系统中实时显示参训平台位置、速度、姿态等状态信息，显示武器模拟攻击过程和命中毁伤结果，以及电磁环境等综合态势信息。

典型流程如图2 所示。

图2 实兵交战训练典型流程Fig. 2 Typical process of live combat training

T0时刻：攻击方发射武器，并启动武器弹道仿真解算；

T1时刻：攻击方稳定截获目标，结合被攻击方时空位置信息启动武器命中解算；

T2时刻：武器仿真弹道截止。如命中被攻击方，则将命中结果发送至被攻击方，由被攻击方进行武器毁伤解算，形成武器毁伤效果；如未命中，毁伤结果解算流程不启动。

1.3 时间基础

为保证实兵交战训练过程中事件发生顺序和交互关系与实际保持一致，各参训平台及地面系统仿真逻辑时间均需与实际时间同步。目前，实装参训平台跨代异构，在训练过程中广域分布，基于卫星信号可用范围广、所受干扰小、授时精度高、实时性好等优势［5］，可基于卫星授时结合平台守时开展时间同步。

授时能力方面，多数参训平台具备卫星授时能力，但仍存在部分老旧平台、模拟器、虚拟兵力平台及地面系统需结合授时设备完成卫星授时。此外卫星授时能力受信号接收情况影响，参训平台高机动情况下因天线遮蔽，卫星授时也可能中断。守时能力方面，参训平台及地面系统多通过晶振计数中断实现自守时，实际晶振频率会随时间缓慢漂移，引入时间累积误差。因此，可基于卫星时间开展实兵交战训练时间统一，但仍需重点关注不具备卫星授时能力的平台及状况。

实兵交战训练过程中，实装平台训练信息传输多采用专用数据链或卫星通信链路，传输时延为百毫秒至秒级［6］，该时间段内参训平台存在位置变化，尤其对于飞机、导弹等高速运动平台，对武器解算裁决准确性影响较大。因此实兵交战训练时间统一应在确保参训平台时间同步的基础上，充分考虑通信网络传输时延影响，在信息处理层面完成训练信息时间对齐。

2 时间统一技术基础

2.1 卫星授时

卫星授时用户可通过加装卫星接收机接收授时信号：一种是同步秒脉冲（pulse per second，PPS）；另一种是与1PPS 脉冲前沿对应的国际标准时间和日期（时、分、秒和日、月、年），即1PPS 的时间标记［7-8］。

目前主流卫星授时技术主要包括3 类：通信卫星授时、卫星导航系统授时、国际权度局（bureau international des poids et measures，BIPM）体系高精度授时，具体授时技术与精度如表1 所示。实兵实装平台多采用卫星导航系统授时，精度基本达到纳秒级甚至更精确［9］，远小于实兵交战训练通信网络R32E 传输时延。

表1 卫星授时技术与精度Table 1 Satellite timing technology and accuracy

2.2 网络时间同步

现行网络时间同步主要基于“时间服务器+网络时间同步协议”的方式，时间服务器可通过卫星授时获取标准时钟，也可以采用完全独立于其他时间系统的时间标准；网络时间协议是以标准定义方式通过网络传输提供时间服务，主要包括NTP（network time protocol） 与 PTP（precision timing protocol） 2 种［10］。

NTP 是由RFC 1305 定义的网络时间同步协议，用于分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步，主要通过时间传递报文往返所标记的时戳，计算本地时钟相对于参考源时钟的偏移量，从而修正本地时钟，其授时精度在局域网内可达0.1 ms。PTP 是由IEEE 1588 定义的网络时间同步协议，其各节点设备按照一定主从关系（master-slave）进行时间同步，主时钟周期性发布时间同步协议及时间信息，从时钟接收主时钟发来的时间信息，据此计算出主从线路时间差，并利用该时间差调整本地时间，与主设备时间保持一致，其授时精度在局域网可达亚微秒级［11］。

采用NTP 网络时间同步手段即可实现实兵交战训练相关模拟器、虚拟兵力及地面系统标准时间同步。

3 实兵交战训练时间统一技术

3.1 参训平台时间同步

3.1.1 外同步

时间外同步是指参训平台周期性地接收外部时间源信息，直接以外部时间源为基准调整本地时间；外部时间源选取卫星时间，满足实兵交战训练参训平台高机动广域分布情况下的时间同步需求。

外同步过程分为外部时间源授时及精确时间同步两阶段。外部时间源授时阶段主要依靠卫星接收机完成，可得到与标准卫星时间同步的秒脉冲信号及其时间标记［12］。鉴于实兵交战参训平台机动性及武器仿真步长要求，仍需进一步完成精确时间同步。此时可将卫星授时得到的秒脉冲信号作为高精度时间基准，通过FPGA（field programmable gate array）毫秒计数逻辑判断或者将整秒切分输出1 kHz 脉冲信号，实现毫秒级精确时间同步，并使用卫星授时秒脉冲周期校准，以减少毫秒同步带来的积累误差。

3.1.2 内同步

时间内同步是指选择某一参训平台、地面系统或者专用时间基准设备作为内同步时基站，时基站采用卫星时间作为时钟源进行时间内同步。时基站可在网络参数消息中周期发布时间基准信息，其他参训平台接收到系统时间基准信息后，根据本平台位置及时基站位置信息，补偿传播时延后调整本地时钟，实现参训平台时间同步。

根据参训成员与时基站之间相对位置信息进行相对距离计算，考虑地球曲率影响，参训成员纬经高位置信息（lati，long，heig）向直角坐标系位置（x，y，z）转换方法如下：

式中：RN为考虑地球曲率影响下参训成员位置在地球表面投影点与地心的距离；Re为地球长轴半径，即Re= 6 378 137 m；e为第一偏心率，e= 0.081 819 221。

3.1.3 内外同步结合运行流程

为保证实兵交战训练全流程时间基准稳定可靠，避免授时设备加改装工作及平台高机动带来的外同步中断，并实现模拟器、虚拟兵力平台时间同步，选择内外同步结合方式增强时间基准可靠性，流程如图3 所示。参训平台及地面系统完成初始化后以当前时间进入自守时。地面系统通过NTP 服务器完成卫星授时，当参训平台入网后，地面系统可通过网络参数周期发布系统内同步时间基准。各参训平台在满足卫星授时条件时，优先进入卫星授时外同步流程；对于不具备卫星授时能力的平台或卫星信号遮蔽时，解析网络参数中的时间基准信息，补偿传播时延完成内同步。参训平台时间同步过程中，周期进行平台时间校核，若连续3 个周期无法完成时间同步，则提示参训平台故障。

图3 实兵交战训练平台时间同步Fig. 3 Process of platform time synchronization

3.2 训练信息时间对齐

3.2.1 训练信息时间对齐方法

以参训平台时间同步为基础，数据采集、通信组网及裁决解算环节相关训练信息均标记参训平台当前时间。由于参训平台时间同步精度远小于网络传输时延，因此训练信息解算时间对齐仅考虑网络传输时延。时间对齐基准可基于实际训练需求选取，可选取为关键事件发生时刻，也可选取相关训练信息汇集至本平台的当前时刻，但各平台需选取统一的时间对齐基准原则，并以相同处理方式完成。

训练信息时间对齐基准若选取关键事件发生时刻，相关训练信息需向前对齐，即需在多源信息解算处理平台进行信息缓存，缓存时长至少为最大网络传输时延，以确保关键事件发生时刻本平台相关训练信息可用。训练信息向前对齐更适用于通信传输时延不大、对裁决解算实时性要求较为宽松的实兵交战训练场景。

训练信息时间对齐基准若选取当前时刻，相关训练信息需向后对齐，即需在本解算平台对收到的其他参训平台相关训练信息进行外推，完成当前时刻其他参训平台训练状态预测。目前外推算法相对成熟，如DR（dead-recording）外推算法等［13］。训练信息向后对齐更适用于对解算裁决实时性要求较高，同时参训平台运动规律性强机动较少的实兵交战训练场景。

3.2.2 训练信息时间对齐流程

训练信息时间对齐流程如图4 所示。实兵交战训练过程中，多源数据解算处理平台周期采集本平台训练信息，并通过网络接收其他参训平台训练信息，根据系统设计指定的向前对齐或向后对齐要求，完成训练信息时间对齐，支持实兵交战训练裁决解算。地面系统通过对所有参训平台训练信息绝对时间与当前时刻差值和最大网络时延进行对比，校核检验训练系统时间统一情况，并完成训练过程融合显示。

图4 实兵交战训练信息时间对齐Fig. 4 Process of information time alignment

3.3 时间一致性校验

鉴于实兵交战训练为多平台分布式解算，全系统时间一致性由各参训平台及地面系统分别维护，周期性开展时间一致性校验可及时发现参训平台时间故障，避免实兵交战训练场次无效。

实兵交战训练时间一致性校验可分为平台级及信息级。平台级时间一致性校验主要由参训平台自主判断，若参训平台连续3 个周期收不到外部时间源或内同步时基站的时间信息，即判定本平台失步。信息级时间一致性校验可由训练全流程信息汇聚节点即地面系统周期执行，主要通过对当前时刻所有训练信息标记的绝对时间进行比对，以最大通信时延为偏差标准，进行时间统一性判断。对训练信息超出偏差标准的参训平台重点关注，如该平台连续3 个周期训练信息均超出时间偏差标准，可判定该平台失步。校验流程如图3，4 所示。

参训平台失步可停止训练数据发送，并以显性化方式提示时间故障；若存在多参训平台同时失步，可考虑提示网络通信问题。

4 典型场景应用分析

结合某场次海空联合训练场景，参训平台主要包含战斗机、预警机、无人机、舰船等平台及相应模拟器等类型。其中预警机、无人机主要负责侦察情报获取，战斗机、舰船及相应模拟器之间形成空空、空海交战关系，地面系统主要参与交战训练实时裁决与训练过程综合显示。训练信息通过专用数据链、卫星通信链及地面有线网络完成交互传输，如图 5 所示。各实装平台时钟均与标准卫星时间同步，模拟器及地面系统时钟为本地时钟。

图5 典型海空联合训练场景Fig. 5 Typical joint air-sea training

4.1 时间统一效果分析

以海空联合训练典型参训平台时间情况为例，每500 ms 对典型平台时间情况进行采用记录，时间完成统一前如图 6 所示，各参训平台之间最大时间差为1 s 426 ms；时间完成统一后如图 7 所示，各参训平台之间最大时间差为2 ms，实现毫秒级时间统一。

图 6 时间统一前典型参训平台时间情况Fig. 6 Time of typical platforms before time unification

图 7 时间统一后典型参训平台时间情况Fig. 7 Time of typical platforms after time unification

4.2 时间统一影响分析

4.2.1 参训平台时间同步影响分析

以空空交战环节为例，实装飞机与飞机模拟器形成空空交战态势，模拟器B 时钟相较于实装飞机A 超前3.01 s，典型参训平台信息如表2所示。

表 2 空空交战典型参训平台信息Table 2 Typical training platform information for air-toair engagement

参训平台时间未同步情况下，03：010 时刻，实装飞机A 以实际时刻为基准计算双机间距为42 610.87 m，模拟器B 以逻辑时刻为基准计算双机间距为43 496.08 m，两者相差884.79 m，双机对战场态势感知情况差异较大。通过内外同步方式结合完成参训平台时间同步，飞机模拟器B 逻辑时刻与实际时刻一致，双机对战场态势感知一致。参训平台时间同步主要影响态势感知、目标探测、武器发射等环节，甚至直接影响训练正常开展。

4.2.2 训练信息时间对齐影响分析

以海空交战环节为例，舰船发射某舰空导弹对目标飞机攻击，由地面系统执行命中解算，舰空导弹信息网络传输时延为1 s，飞机信息网络传输时延为2 s，典型训练信息如表3 所示。

表3 海空交战典型参训平台信息Table 3 Typical training platform information for air-tosea engagement

未考虑通信网络时延情况下，以地面系统相同接收时刻计算弹目距离，即04：397 至06：397 时刻，弹目距离由598.44 m 缩小至82.22 m 又逐渐增大至456.82 m，舰空导弹未命中目标飞机。通过训练信息向前对齐补偿通信网络传输时延后，则以相同发送时刻计算弹目距离，即03：397 至04：397 时刻弹目距离由458.49 m 缩小为0 m，舰空导弹命中目标飞机。训练时间对齐将直接改变训练信息融合处理结果，尤其是影响武器攻击效果继而影响战况。

5 结束语

实兵交战训练时间统一技术主要从参训平台时间同步与训练信息时间对齐2 个层面进行设计，通过内外同步结合方式实现高可靠参训平台时间同步，在此基础上补偿通信网络传输时延实现训练信息时间对齐，并结合时间一致性校验进一步增强时间统一鲁棒性。实兵交战训练时间统一是跨平台信息分发、处理与应用的重要保障，更是信息化实战化训练形成体系对抗能力的前提。实兵交战训练相关系统建设过程中，应结合实际训练需求，将时间统一技术纳入系统设计要求，夯实时间统一基础，实现实战化训练水平的快速提升。