一种基于虚实结合的内外场一体化训练实现方法 *

胡宝洁，宫福红，贺方君，王盼

（中国人民解放军63893 部队，河南 洛阳 471000）

0 引言

空袭与防空作战的体系性强、涉及武器装备多，在训练中面临力量体系构全难和战场态势难构建等问题。外场实兵实装训练具有对抗激烈、操控感强、体验真实等优点，但是存在模拟环境构设难、训练消耗大、组织协同难，且过程重复性差等不足；内场仿真训练具有不受条件限制、可重构性强、效费比高等优势，但存在体验不够真实、逼真度不够高等不足。

基于内外场资源条件，综合集成真实、虚拟、构造（live，virtual，construction，LVC）资源，采用虚实结合的手段，构建同时具有真实目标和虚拟目标的电磁威胁训练环境，设置更加连贯完整的体系架构，将成为提升部队能力水平和训练层次质量，推动训练模式方法创新的重要手段［1-4］。

1 内外场一体化训练基本概念

外场训练是指传统的实兵实装训练。内场训练是基于开放可重构、大数据、虚拟现实等技术的一种低消耗、可重复训练方式，主要包括计算机仿真训练、半实物仿真训练等［5-6］。内外场一体化训练方法是基于“科技+”赋能的新型组训模式，其核心是将异地分布、形态不同的数字仿真模型、半实物模拟装备和实体装备映射到时空一致的虚拟战场空间，实现物理上互联互通、行动上实时交互、效果上耦合传递，形成“逻辑一体、虚实结合、效应一致”的体系训练环境，在统一战情驱动下开展红蓝体系对抗，是提高训练资源使用效率、增强对抗训练体系性的重要手段。具有以下特点优势：

（1） 注重同实际一致的感受

通过电磁目标信号侦察与反演复现，让受训人员真实感受强敌电磁威胁；按照实案构设战场态势，基于统一战情驱动作战进程，确保作战节奏和对抗强度贴近实战；根据指挥流程和信息流转关系，牵引筹划决策和对抗博弈，增强受训人员战场沉浸感。

（2） 体系对抗特征更加突出

以外场实兵为主体，采用虚拟兵力补全红蓝交战体系，构建更加完整的指挥线和行动线，便于在更加完备的作战空间深化编配部署、情报融合、目标分配，推动电磁交战效果有效叠加于体系作战效能。

（3） 对抗态势更加灵活可控

基于内外场一体联动，可以设置更加丰富的战情、更加多元的目标、更加复杂的场景，能力摸边探底更加充分；通过“虚飞”代替“实飞”、“打数据”代替“打实弹”等手段，便于开展高风险、高难度训练科目。

（4） 可重复性强便于溯源分析

聚焦典型场景和关键问题，可多次迭代训练，获取大样本数据，便于对作战效能、影响机理进行客观评价和深化分析。

（5） 资源高效集成效费比高

通过军地资源共享、异地资源融合，实现多靶场高效联动，形成一体化练兵格局。

2 虚实结合关键技术分析

基于虚实结合的内外场一体化训练涉及信息、信号2 个层面的虚实交互感知，兵力空间属性上包括实装空间和虚拟空间之间、虚拟空间内部的相互感知与互操作［7］。虚实结合要求真实兵力和虚拟兵力之间能够感知到对方的存在，并能够根据实际作战规则进行协同或对抗交互活动［8-9］。实现虚实结合主要解决两大技术难题：①实兵感知和抗击虚兵的技术，指在实兵的雷达显示终端上显示其探测范围内的虚兵，并对虚兵开展抗击行动；②虚兵感知实兵技术，在虚拟空间作战平台上感知到真实装备的主要作战动作，裁定实兵对虚兵的毁伤情况。

2.1 基于空馈方式的实兵感知虚兵技术

实兵感知和抗击虚兵的基本要求为目标航迹可控、可选目标类型、可增加电磁干扰手段。具体实现方法为：使用雷达目标回波模拟器，依据其接收到的虚兵模型，在数据驱动下进行空间信号辐射，红方雷达进行实时探测，在雷达显示终端上显示虚兵的状态和行为信息，进而将虚兵信息融入到真实的战场环境中。雷达目标回波模拟器通过模拟空袭目标的回波，使雷达屏幕上真实地显示虚拟目标的飞行航迹，这就要求对模拟器产生的回波参数进行精确控制，使模拟目标的回波与真实目标的回波“真假难辨”，才能在雷达上产生更加逼真的虚拟航迹，主要涉及到目标回波控制、航迹控制和多雷达航迹统一［10-12］。

2.1.1 目标回波控制

雷达目标回波模拟器目标航迹生成主要基于数字射频存储器（digital radio frequency memory，DRFM）技术实现，原理如图1 所示，其中R为模拟目标与雷达的距离，R1为雷达目标回波模拟器与雷达的距离。模拟目标的距离参数主要通过控制信号延迟来实现，以接收到雷达发射脉冲前沿作为触发条件开始脉冲采集和延迟计时，在完成延迟计时后进行采集的全脉冲转发，每个脉冲转发延迟时长为

图1 雷达目标回波模拟器原理示意图Fig. 1 Schematic diagram of the radar echo simulator

式中：γ为DRFM 的硬件响应时间；c为光速。

为防止雷达在动目标显示（moving target indicator，MTI）模式下将模拟运动目标回波对消，需要对模拟目标的回波进行多普勒频率调制。假设模拟目标迎面向雷达飞行，多普勒频率为正，设目标运动速度为v，波长为λ，需要调制的多普勒频移为

雷达目标回波模拟器的使用模式包含机载模式和地面模式2 种类型，其工作时应当保证天线架设高度大于雷达天线阵面高度，并且符合远场条件，雷达目标回波模拟器与雷达的距离为

式中：L为雷达天线的直径。

雷达目标回波模拟器发射的回波信号功率应当保证实体雷达接收到的信号功率符合雷达方程，即雷达在探测模拟目标的回波信号时，天线收到的回波平均功率与模拟目标距离的四次方成反比关系；而雷达接收雷达目标回波模拟器发射的回波模拟信号的功率与两者之间距离的平方成反比关系。若保证雷达实际接收到的模拟器信号功率与应当接收到的模拟目标回波信号相等，则模拟器在某一时刻的发射功率应当为

式中：Pr为雷达发射峰值功率；Gr为雷达天线增益；Gj为模拟器天线增益；ρ为极化失配损失；σ为模拟目标的平均雷达散射截面积（radar cross section，RCS）。

在雷达信号检测能力测试中，需要进一步模拟目标的RCS 闪烁特性，利用其设计不同均值大小、起伏变化周期的RCS，形成不同作战类型的空中目标，如直升机、预警机、战斗机、反辐射导弹等，为雷达装备指挥员与操作手提供丰富、多样的空中威胁态势。

2.1.2 基于仿真数据驱动的航迹模拟

基于仿真数据驱动的航迹模型设计决定了所生成空中目标的飞行相关参数，如位置、速度、高度等。首先在经纬坐标系下依据预先设计的航迹生成一系列仿真点迹数据，然后基于仿真点迹数据与当前雷达装备所在位置进行数据融合，实现对雷达装备的自定义目标航迹设置。目前可设计的航迹有径向俯冲航迹、径向水平航迹、切向水平航迹。

径向俯冲航迹模拟需利用无人机载平台将目标回波模拟器固定于相应高度，设定模拟目标的飞行高度、速度、与雷达的起止距离后，将雷达回波模拟器天线对准雷达的天线阵面，实现雷达信号的接收与目标模拟信号的辐射，即可完成对雷达径向俯冲航迹的模拟。

径向水平航迹模拟中，模拟目标的方位是不变的，其对雷达是相向飞行的，因此模拟目标相对雷达只有距离和俯仰角度的变化，具体模拟方法如图2 所示。雷达在点O位置，雷达目标回波器起始位置为M1，竖直运动至位置M2，起始高度为h，模拟目标飞行起始位置为A，匀速飞行至点B，飞行高度恒为H，飞行距离为

图2 径向水平航迹模拟方法Fig. 2 Radial track simulation method

式中：v为模拟目标的速度；Δt为模拟目标从点A运动至B用时间。

由相似关系可得，点B在水平面投影与雷达位置点O间的距离可表示为

同理由相似关系可知，雷达目标回波模拟器运动的高度可表示为

则搭载雷达目标回波器的无人机载平台的运动速度为

通过控制无人机载平台的竖直运动速度保持为vt，可实现模拟目标以速度v从A点匀速运动至B点，当模拟目标做变速运动时同理可计算出无人机载平台的运动速度。

切向水平航迹的模拟除了需要模拟目标相对雷达在距离和俯仰角度上的变化，还需要模拟目标在不同方位上的辐射变化。切向航迹的模拟原理如图3 所示，O点为雷达观测点，M1-M2是搭载雷达目标回波器的无人机载平台飞行路线，A-B是模拟目标的飞行路线。

图3 切向航迹模拟方法Fig. 3 Tangential track simulation method

在图3 中，模拟目标由点A运动至点B，高度恒为H，AB段可采样为多个航迹点，时间采样点为T=[t0，t1，t2，t3，…tn，tn+1]，目标运动速度在单个采样间隔内可视为恒定，该采样间隔内速度矢量为vi=雷达目标回波模拟器由点M1运动至M2，同理在该采样间隔内无人机载平台速度矢量为根据相似关系可知，无论模拟目标的运动轨迹为直线或曲线，模拟目标在方位上的连续变化可以近似为雷达目标回波模拟器做相似轨迹的运动，即在距离和速度上都按照比例关系对应计算，即

式中：ti为第i个采样时刻；为模拟目标在ti时刻距离雷达的距离；为无人机载平台在ti时刻距离雷达的距离；R(t0)为模拟目标在t0时刻距离雷达的距离；R1(t0)为无人机机载平台在t0时刻距离雷达的距离。

2.1.3 多雷达航迹统一

理论上由于需要控制模拟目标回波信号只被雷达主瓣接收，所以单个雷达目标回波生成硬件模块只能对单个雷达形成稳定、连续航迹，而对于多个雷达则需要配置多个雷达目标回波生成硬件模块。如图4 所示，这2 类雷达的信号分属于不同频段，因此雷达回波生成模块外接的天线波段，以及模拟目标回波的脉宽、重周、频段也需随所侦察到的雷达信号变化。

图4 预警雷达和火控雷达的模拟目标生成Fig. 4 Simulated target generation of EWR and FCR

预警雷达与火控雷达的距离为D，模拟目标与预警雷达间的距离为Rv，在空间惯性参考坐标系下与预警雷达观测原点的方位角为θ，模拟目标与预警雷达间的距离为Rh，以对预警雷达模拟目标回波时延控制为基准，则需对火控雷达模拟目标回波进行补偿，具体为

式中：Δτ为时延补偿值；Ry(t)为模拟目标距预警雷达的实时距离，由仿真数据计算生成；Rh(t)为模拟目标距火控雷达的实时距离。

设火控雷达的时间分辨率为th，当D较小，|Δτ| ≤th时，通常无需进行时延补偿；当|Δτ| ＞th时，以Δτ对火控雷达目标模拟进行时延补偿。

2.2 基于代理的虚兵抗击实兵技术

虚兵感知实兵的具体实现方法为：在实装上加装数据采集设备作为虚兵代理，实时采集实兵的状态和行为信息，在战情驱动下，通过数据传输到虚拟空间作战平台，实现实兵状态和行为在虚拟空间的实时更新。

雷达目标回波模拟器和实装信号采集设备在实践中作为虚实转换器的角色，实现了信号层面的虚实战情转换。基于实时战情的需要，虚实转换器依托导调控制网在线控制，实现虚拟空情向实体装备的实时映射，以及虚拟平台对实时战情的实时感知，达到了虚实互感互抗的效果。虚兵抗击实兵的工作流程如图5 所示。

图5 虚兵抗击实兵工作流程Fig. 5 Work flow of virtual against real

内场仿真系统事先构建空袭编队模型，根据战情牵引，内场通过导调控制网将仿真数据推送给外场的雷达目标回波模拟器。回波模拟器接收内场仿真数据将其转换为红方实体雷达可探测的电磁波信号，包括空袭编队的雷达回波信号和机载干扰设备释放的干扰信号，实体雷达上显示仿真的空袭编队航迹以及受干扰情况。红方依据作战流程，对目标开展搜索、跟踪、抗击以及抗干扰操作。加装在实装上的采集设备采集抗击信号，通过导调控制网将抗击数据回传给内场仿真系统，系统根据实装抗击的时刻以及虚拟空袭编队的飞行打击数据进行仿真评估，完成一次实装武器系统对虚拟空袭编队的抗击训练。

3 应用举例

3.1 虚实兵力构建原则

（1） “实兵为主、虚兵为补、虚实互补”

尽量保证训练主体的实兵化，即受训方兵力及与其直接交战的兵力尽量采用实兵实装实抗的方式，对部分要素不全或调遣困难的兵力可采用半实物仿真和计算机生成虚兵的方式进行模拟［13］。通过“虚实兵力互补”，充分发挥实兵模拟与虚兵仿真的技术优势，构建模拟要素齐全、虚实融合紧密的训练体系，最大限度为受训部队提供实战化练兵环境。

（2） “逻辑一体、内外联动、虚实互感”

通过构建一个与真实战场空间同步的虚拟战场空间，在虚拟战场中构建要素齐全的对抗体系，通过实兵代理成员，外场实兵与内场虚兵共存于虚拟仿真环境中，逻辑上处在同一战场空间［14-15］。内外场兵力在统一战情驱动下，外场真实战场开展实装实兵对抗，通过虚实融合终端，感知虚兵并进行抗击；内场虚拟战场开展火力打击、效能评估等活动，通过相应的发布与定购策略自动完成对实兵的感知和抗击，将对抗结果实时反馈至真实战场，实时控制战场行动和进程，同步评估训练效果。

3.2 训练总体设计

训练总体架构区分红、蓝、白三方力量，其中红蓝双方参训装备用于构建对抗态势，白方保障装备作为实现内外场一体联动训练的关键要素，体系架构如图6 所示。

图6 内外场一体化训练体系架构Fig. 6 Architecture diagram of integrated training system for inside and outside field

红方以实兵实装对抗为主、虚拟装备补充为辅。实兵实装方面，主要参训力量涵盖雷达、通信、雷达对抗、光电对抗、火力抗击等要素，体系相对较为完善。但侦察和火力相对薄弱，因此可以通过内场仿真资源生成相应虚兵要素加以补充。通过虚实兵力结合，将火力抗击力量在作战使用和抗击行动等方面有机融合，以达到防御目的。

蓝方以虚兵为主、实装为辅。蓝方主要由战斗机、电子战飞机、预警机等组成的飞行编队，同时根据作战进程需要发射巡航导弹、反辐射导弹、精确制导炸弹等武器。通过内场仿真资源计算机生成战斗机、反辐射导弹、精确制导导弹等虚拟目标，同时融合实装飞行目标构建多样化空情。在虚拟战场中，构设多批次进攻编队，在远距离支援干扰、随队干扰、自卫干扰等电磁干扰掩护下，对红方目标实施打击，进而实现复杂战情构建。实装资源方面，使用地面装备实施干扰。在构造的资源方面，使用无人机载雷达干扰设备在战情驱动下以空馈方式对红方雷达实施干扰，模拟自卫干扰行动。使用多个雷达目标回波模拟器以空馈方式在红方雷达上形成各类型目标。

白方，构建“一网一链一平台”。“一网”指的是导调控制网，用于实装数据采集、虚实数据传输、导调控制指令流转等。“一链”指的是信息传输链路，通过对各参训系统节点、交互实体、交互事件等信息进行配置，实现从虚兵到实兵、从实兵到虚兵、从信息层到信号层的交互。“一平台”指的是内外场联动训练平台，利用软件中间件和仿真代理技术，将作战平台实装、武器控制系统实装、真实飞行靶机和内场仿真系统综合集成，构建一个结构分层、地域分布、强弱实时混合、时空一致的平台。

基于参训兵力，充分发挥实兵模拟与虚兵仿真的技术优势，采用“实兵+虚兵”方式补齐红蓝力量要素，建全对抗体系，构建1：1 交战场景，借助“虚实互感”技术模拟多样复杂空情，打通火力打击闭环，营造逼真体系作战环境，完成作战链条完整呈现。

4 结束语

本文所提训练方法综合运用内外场资源，构建了与真实战场空间同步的虚拟战场空间，实时控制战场行动和进程，同步评估训练效果，针对性解决了虚实兵力在信号层面和信息层面的互感互抗等难题。基于虚实结合的内外场一体化训练实现方法在确保训练效果的同时可较好地兼顾训练效费比，为联合作战环境体系构建、训练模式创新提供了一种有效的途径。