无人机模拟训练发展及运用研究综述

矫永康，沈如松，李德栋，徐焕翔

(海军航空大学航空作战勤务学院，山东 烟台 264001)

1 引言

与实装训练相比，模拟训练具有不受场地、空间和气候条件限制的优点[1-2]，当前各军方已基本形成了共识，把模拟训练作为培养无人机操作员非常有效的方式。美国空、海军都提出了进行100%综合模拟训练的目标要求，美陆军也希望能够在模拟器上进行大部分的训练。印度在以色列的协助下，成立了无人机专职训练机构，也利用模拟训练系统开展无人机操作员训练。据俄“织女星”公司透露，俄军2014年开始装备该公司生产的无人机操控员模拟训练系统，该系统可通过3D模拟环境培训无人机操控员，并全程记录操控员动作，教练员可通过遥控系统和视频回放对学员进行指导。此外，新加坡、加拿大都开始采购无人机模拟训练系统开展训练工作。

2 国外无人机模拟训练系统发展现状

目前，外军无人机模拟训练系统供应商及产品主要如下表1所示。

表1 典型无人机模拟训练系统

2.1 “捕食者”模拟训练系统

2007年，L-3通信公司签署合同，在18个月内向克里奇空军基地提供5部“捕食者”机组人员任务训练系统(PMATS)[3]。PMATS训练逼真度很高，提供完全沉浸的训练环境，便于实际操作，尤其是仿真模拟软件、实际飞行运行程序软件和地面控制硬件的相互集成，能提供飞机平台、传感器和武器装备的高逼真度模型。其模拟合成环境考虑了昼夜、风、恶劣天气和热效应等因素，并支持下一代“捕食者”和其它无人机系统，参考画面见图1。

在具体的教学过程中，教师应该以人为本、一视同仁，认真对待班级中的每一名学生，保护学生的自尊心。在运用慕课开展小学语文教学的过程中，教师还需要对教学时间进行一定的把控，切忌过度依赖慕课教学，使教学进度受到影响。

现在的祝国寺是1993年异地重建，距老祝国寺遗址8公里。经过20多年的发展，新祝国寺已形成五进五院的建筑群落，成为集佛教文化、园林艺术和休闲于一体的揽胜之地。

图1 “捕食者”高逼真实时飞行仿真画面和任务捕获画面

PMATS的升级版中，能模拟“MQ-9收割者”(Reaper)无人机系统。并在控制台实现任务规划，该系统具有数字化信息系统(DIS)和高层体系结构(HLA)兼容性，可实现多机联合模拟。

方干又有七律《游称心寺中岛》，据《雍正浙江通志》越州称心寺条载：“会昌中废，大中三年，观察使李褒奏重建。”[5]6431因而可以判断方干游历镜湖中的称心寺并留下诗作是在大中三年(849)方干40岁之后。

智慧水务战略是水务公司转型发展的重要动力，在战略顶层设计中需要水务公司高层的大力支持，在战略实施中也为水务公司带来了实实在在的运营管理水平提升，解决了企业在人力、流程、财务、客户服务等方面存在的若干管理问题和漏洞，未来将进一步为企业创新发展提供更加坚实的基础支撑平台。

2.2 CAE公司S7000系列高逼真无人机任务训练系统

CAE公司的S7000提供集成化、完备的运行和支撑仿真环境，具备无人系统(UAS)任务训练、任务计划、任务操作人员管理以及数据分析等功能，如图2所示。该任务训练系统可与任何UAS的地面控制站(GCS)配置完成模拟任务训练和评估，还可在模拟仿真和真实飞行状态之间切换。在模拟仿真状态下，任务管理站具有不同地形、天气等环境因素设置能力，还允许指导教师设定虚拟的任务和练习脚本提供给受训人员练习。

纳入病例后发现不符合纳入标准或未能按照治疗方案完成治疗的患者；未按规定用药者或接受其他治疗者；贴敷过敏者；发生严重不良事件或并发症，无法继续进行治疗者。

图2 CAE S7000系列高逼真无人机任务训练系统

2.3 UAV多任务实时分布式架构仿真训练系统

当前无人机型号种类繁多，所配套的地面控制站和模拟器在人机交互设计上也是五花八门，操作按键和显示界面的位置千差万别，在这种背景下经常出现生长培养的无人机操控员难以胜任岗位，还需再改装培训，造成时间和资源的浪费，同时由于人机界面的巨大差异，固有的操作习惯也会增大人为差错发生的概率，因此必须研究通用化互操作技术，开发通用化地面站。

图3 多任务UAV实时分布架构仿真训练系统

2.4 美国诺斯罗普公司无人机训练“集成控制与支持系统”

美国诺斯罗普公司为无人机操作人员训练研制了“集成控制与支持系统(ICSS)”[4-5]。该项目旨在发展一套符合当今技术发展水平的，以计算机为基础的飞行训练系统，来增强当前和未来无人机的操作性能。ICSS系统能够自动完成任务计划，使控制人员能更有效地计划、模拟并执行实际无人机飞行任务。

总之，生态林业的主要目的是改善环境质量，进而促进整个生态建设重点工程。造林技术推广，林业的发展是非常重要的，所以在新的时代背景下，为了更好地提高造林技术建设质量，相关人员必须重视林业推广技术，必须结合具体情况林业在相关领域的发展，要有一定的针对性，现阶段，我国北方地区正在积极开展植树造林活动。开展森林复垦活动，改善我国生态环境意义重大。森林资源的减少对我国未来的发展非常不利，因此在当前的发展过程中增加森林资源总量和造林是非常必要的。相信随着我国林业部门的不断努力，北方的森林资源总量将逐步增加，北方的经济水平也将提高。

2.5 英国国防部“守望者”无人机沉浸式模拟训练计划

美国海军在马里兰州帕图森特河海军航空站建造并开始运行多个便携式的舰载MQ-8B/C型火力侦察无人机模拟器，使用MetaVR公司的带有3D全景海洋状态的虚拟现实场景生成器VRSG。该模拟器主要用于舰载作战，帮助飞行器操作员(负责驾驶飞机)和执行任务军官(控制搭载的传感器等)学习并获取火力侦察能力。虚拟现实场景生成器(VRSG)的窗口外视图首先由海军相关传感器模拟处理，然后在训练系统上提供光电和红外传感器模式。通过前视光电红外模拟，操作员可以在不同的环境条件下，利用高倍率视角对MetaVR公司的3D船舶模型细节进行远程分类。

2.6 美海军MQ-8B型舰载火力侦察兵模拟器

“守望者”无人机由塔莱斯公司和赛莱克斯公司联合研制，英国国防部投入大量资金研制了“守望者”无人机的模拟训练系统，并制定了“守望者”无人机人员培训计划。其训练基地位于拉克希尔市的英国皇家炮兵学院，使用马歇尔公司研制的全任务模拟器，能真实地还原地面操控站操作过程，能够捕捉和记录训练环境下的重要时间节点并全程记录语音通信内容，而且教官可以对其进行标注，用于训练评估与讲评。

图4 MQ-8B火力侦察兵模拟训练虚拟现实场景

目前无人机的训练方式主要包括实战和模拟训练，两者都存在一定的局限性：实战训练资源消耗大、成本高、维护保障相对复杂，难以引入西方国家主力作战机型参与，训练模式受到实际条件约束，特情训练不足；模拟训练实战化水平低，客观评估难度大，对作战人员的心理训练不足。为解决上述问题，国外开展了基于将实战(Live)、虚拟(Virtual)、构建(Constructive)集成的训练架构研究[8-14]，突破实际作战环境与虚拟作战环境平行互动关键技术。

要想不断提升教学质量，应用型民办本科高校必须高度注重“双师型”教师队伍的建设。目前，很多企业在招聘时，既要求教师具备丰富的理论知识，还要求他们具有一定的实践经验。因此，“双师型”教师深受企业青睐，而企业为吸引这些教师便不断提高福利待遇，这就导致大量教师离开应用型民办本科高校而另谋职业。为改善这一现状，应用型民办本科高校必须建立健全教师奖励机制，对表现好的教师给予一定的奖励。这不仅可提高教师的生活水平，还可充分激发他们的工作积极性，从而全面提升应用型民办本科高校的教学质量。

3 国内无人机模拟训练系统发展现状

基于现实增强技术的战场环境构建技术能够有效提高战场环境的逼真度，增强现实生成的虚拟场景基于数据库驱动，地形数据和威胁数据库是其核心组成部分，其它的数据由飞行航路、报警信息、状态提示、大气数据、跑道信息等组成。地形的数据由海拔高度信息构成，也包括卫星图像、特征数据、趋势矢量数据、潜在的障碍物等。这些数据可以分为动态数据和静态数据两个部分，静态信息是由导航数据、地形高度数据、障碍物数据及机场数据等组成。动态数据是由各种传感器反馈的实时数据，如敌方威胁信息、方位数据、数据链、雷达数据、红外图像数据等组成。系统中通过这些数据综合生成飞行轨迹、威胁/障碍物和地形等信息。增强现实信息采用三维显示可增加真实感和沉浸感，三维增强现实信息必须支持多视点显示，实现高效空间定位与态势感知，增强现实场景处理机三维图形引擎需实时完成与真实场景坐标的关联，将虚拟场景图形信息拼装成显示画面，传送给增强现实显示终端显示。

3.1 综合控制指挥/模拟训练车

北京航空航天大学利用仿真模拟技术自主地设计实现了“综合控制指挥/模拟训练车”一体化，如图5所示。2010年，分别在河北沙河和内蒙古包头进行了飞行试验，效果良好。

图5 综合控制指挥/模拟训练车

3.2 “天翅3”无人机地面指挥和模拟训练系统

“天翅3”无人侦察机的地面指挥与仿真模拟训练系统，为该机提供了嵌入式地面操纵、指挥和模拟训练功能，设计合理，使用方便可靠，如图6所示。

1.1 研究对象 选择2016年12月-2018年9月在本院自然分娩，在产后42d常规复查时，通过超声检查（经腹和阴超）发现盆底器官位置异常，然后进行产后盆底康复训练的产妇62例纳入研究。患者平均年龄（28.4±0.61)岁，孕次（1.4±0.31)次，产次(2.3±0.41)次，产后平均(105.2±21.54）d。选择同期非妊娠年轻女性45例作为对照组，平均年龄 (24.1±0.76)岁，有性生活史，未孕未育。

图6 “天翅3”地面指挥和模拟训练系统

3.3 翼龙Ⅰ和翼龙Ⅱ察打一体无人机模拟器

翼龙I无人机训练模拟器功能与MQ-1捕食者A无人机训练模拟器相当，一次1～2名教员可培训两名由飞行员和任务员组成的双人机组控制1架翼龙I无人机。翼龙II无人机训练模拟器在翼龙I 无人机训练模拟器基础上进一步加强了任务和特情训练功能，一次1～2名教员可培训两名由飞行员和任务员组成的双人机组控制1架翼龙II无人机或分别控制2架翼龙II无人机，实现了一站控双机的模拟训练功能。

3.4 彩虹无人机模拟训练系统

中国航天科技集团有限公司第十一研究院自主研发的彩虹系列无人机模拟训练系统，可兼容彩虹系列多种型号无人机平台及武器系统，实现全任务流程仿真训练，如图7所示。并创新地加入了交互式教学系统及任务系统，可用于战术战法训练、敌我对抗训练及战前演练等用途，更加贴近实战需要。自2015年第一代方舱版按照真实地面站布局进行设计，第二代无人机模拟训练系统的载荷操作席位，外观及操作界面与新一代通用地面指控站保持一致，同时，还装载了基于视景仿真技术的战场三维态势系统。为了提高互动性，系统装载了针对载荷及武器操作手的初级训练任务。

图7 彩虹无人机第一代、第二代模拟训练系统

各研制单位主要面向单型无人机的流程操作模拟训练，所构建模拟环境的逼真度不高，主要存在产品种类数量不足、功能性能不完善、缺少总体规划等问题，主要体现在认识层次较低、功能层次偏弱、通用化程度不高、与任务训练融合度不够[7]。

4 无人机模拟训练关键技术发展现状

无人机模拟训练系统一般由仿真激励分系统、考核评估分系统、模拟控制分系统组成，系统关键技术主要包括：系统架构技术、通用化互操作技术、战场环境构建技术、模拟训练评估技术等4类。

4.1 系统架构技术

从相关资料和国外用户使用情况分析，以美军捕食者无人机为例，其地面控制站不具备嵌入式训练功能。所有模拟训练课程依托训练模拟器完成，具备飞行训练(含飞行前检查、起飞、巡航、着陆、故障)和任务训练(EO 电视/红外、武器、故障、任务系统)，链路仿真(延时、降级、故障)及教员控制等功能，一次1名教员可培训一个由飞行员和任务员组成的双人机组控制1架捕食者无人机[6]。迄今已有26套PMATS交付美空军，尚未见到美军无人机训练模拟器联入美军分布式任务操作网络(DMON)的报道。

基于LVC无人机模拟训练架构中的三个部分共享相同的视图场景，典型战区级训练场景基于指挥官输入开展，虚拟和构建作战单元由仿真执行人员配置，实现整个战场态势综合与生成，为增强任务逼真度开展三维虚拟模型的增强现实显示信息的画面组织及实时渲染技术研究，以及增强现实立体显示技术研究，形成增强现实信息沉浸感知能力。该架构面向训练对象覆盖无人机作战部队的所有参战人员，能够突破战场资源、空域等限制，支撑大规模、跨区军事演练，能够通过训练/反馈提升训练效能，满足新战术战法、特情演练与评估需要，并节约训练评估成本。基于LVC无人机模拟训练可完成旨在锻炼操作人员的操作水平和机组独自遂行任务能力的集中式训练，以及使无人机操作人员融入体系化作战模式的分布式训练。

4.2 通用化互操作技术

悉尼大学菲尔德机器人中心开发了多任务无人机(UAV)实时分布架构仿真训练系统，该系统以以太网为总线结构，可以同时控制3架或更多UAV的实时飞行和任务载荷。该系统同时使用数字UAV模型和任务模型进行任务模拟和验证，具备实时飞行和任务载荷的实际操纵与模拟仿真训练双重功能，如图3所示。

这里，我们教师从学生感兴趣的故事情景着手，让学生从故事中体验依次不断地重复、无限和循环的数学思想，突破了教学的难点，有效地增进了课堂教学效果。可见，故事的作用在于使问题更接近学生的心理，调动学生的积极性，起到了“引见以语，导以行”的作用。

为满足多种型号无人机的模拟训练任务，模拟器采用通用模块+专用模块的方式实现通用化，通用模块采用统一的软硬件实现通用功能，专用模块采用不同的软硬件实现不同型号的专用功能。所谓的通用功能是从功能中抽象出的与不同无人机之间差异无关或松耦合的应用功能，专用功能则是与不同无人机特殊应用相关的功能。为了实现模拟器开放兼容，在硬件架构、软件架构、物理接口、信息接口、人机接口等方面进行通用化设计。

4.3 战场环境构建技术

目前无人机模拟训练系统信息化战场训练环境(对抗环境、战场环境、协同环境等)建设不足，致使无法有效开展无人机在复杂战场环境下的对抗作战训练、多机协同作战训练等，不能有效支撑实战化训练[15-19]。

国内主要研制的无人机模拟训练系统有：北京航空航天大学无人机综合控制指挥/模拟训练车、彩虹无人机模拟训练系统、“天翅3”无人机地面指挥和模拟训练系统、翼龙Ⅰ和翼龙Ⅱ察打一体无人机模拟训练系统等。

4.4 模拟训练评估技术

目前，先进无人机模拟训练系统中已具备一定的考核评估功能。模拟训练系统建立以作战任务为中心、可操作性训练效果评估指标体系，通过对任务完整度和作战效果分析评判作为关键评价指标，结合任务执行过程的操作和战术使用情况，全面客观地对训练效果进行评价。通过捕捉和记录训练环境下的重要时间节点及语音通信内容，教官可以对训练过程进行标注，用于训练评估与讲评[20-24]。

5 无人机模拟训练系统发展趋势

5.1 更加注重满足实战化任务训练需求

现有的训练系统中，往往重视平台操控而忽略任务执行，随着无人机智能化、自主化水平的提高，需要无人机的操作员更多的关注任务的完成情况和执行效果。这就需要在无人机操作员的培养中，尽可能多的使其进行任务操作的训练。

一方面是机组成员密切配合共同完成作战任务，模拟训练必须满足整个机组的协同训练需求。另一方面以体系对抗为主要特征的信息化战争，强调整个力量体系中各战斗单元的协同。高逼真任务模拟训练还必须具备与联合部队分布式任务训练演习协同的能力，实现从单纯的操作技能模拟训练向战术乃至战役模拟训练发展，不断增加虚拟仿真在高度逼真、精确和实时的任务演习训练中的应用，使各类模拟训练系统在高度逼真的综合模拟战场环境中实现共同训练、演练。

5.2 更加注重满足体系化协同和联合训练需求

当今的大规模作战行动通常为联合作战行动，需要并强调各作战单元的相互依赖性，随着无人机技术的发展，无人机在联合体系作战环境下的重要程度日益增加。在这样的作战背景下，需要开展跨平台、舰地协同的联合模拟训练，可以指导各作战部队之间的协同作战，优化各种作战能力的联合运用。

已有的任务操作训练主要通过在无人机的仿真平台上增加侦察载荷、武器载荷的仿真系统，通过视景仿真，模拟完成侦察和打击。训练过程相对简单，对于战场环境、移动目标、特情处置等涉及较少，与实战差距较大，需要一种能够更加贴近实战的任务训练系统，使得无人机机组能够在接近真实的战场环境下，执行特定的任务，并具有处置随时发生的特情的能力。

5.3 训练考核向定量化、精细化转变

无人机模拟训练过程具有不唯一性，因此对训练人员的考核评估不能使用单一答案或流程进行评价。考核评估不但需要考虑受训人员的操作步骤、操作时间、操作方法，还需要对全流程进行记录，综合评价。因此，需要研究并构建科学、量化、准确的无人机模拟训练考核体系，研究针对模拟操作全过程的定性和定量的考核方法。

5.4 产品通用化、标准化水平不断提高

无人机系统类型多，主要表现为任务载荷的多样化，但指挥控制站通用化的趋势明显。为此，各国军方都在力推模拟训练系统的通用化。美国陆军即计划研制一种通用无人机模拟器，可用于“猎人”，“影子”以及新型的“勇士”无人机的模拟训练[25]。同时逐步形成系列，积累一整套高效科学的模块化和标准化研制经验，提高研制效率、降低研制成本。

当前不同类型模拟训练系统完全隔离，没有统一系统架构与顶层设计，不同装备、不同兵种间的协同作战是未来战场的重要样式，通过构建一个适用于多种无人机的系统架构体系，在顶层实现跨装备、跨兵种的协同模拟演练与战法推演，指导无人机模拟训练系统的发展。

5.5 作训一体化设计成为趋势

未来的无人机模拟系统一般包括一个完整的地面控制站、任务管理站和全套模拟的任务载荷，它可针对任何无人机进行重构，可连接到正在操作的地面指挥站，可在控制实际无人机或模拟无人机之间切换，为操作员提供模拟训练和实际作战操作一致的工作界面，实现作战和模拟训练的一体化设计。

6 结束语

无人机模拟训练可用于部队院校、无人机部队(包含消防、武警)及地方院所、无人机使用开发单位的操作人员培训，使受训人员能够在近似实装环境下进行系统监控、任务控制、任务规划、飞行控制等站位的基本技能培训，对提高无人机指挥、操作人员的技战水平和保证训练安全具有重要意义。在民用无人机爆炸式发展的形势下，该项技术将是培养地方无人机人才的重要手段，具有广阔前景和巨大经济社会效益。