黃安祥,馮曉文

(空軍指揮學院,北京 100097)

0 引 言

在新軍事革命不斷發(fā)展的新形勢下,空軍已由數量規(guī)模型逐漸演變成質量效能型,具體體現在：技術和主戰(zhàn)裝備上升到信息火力一體化,力量結構和編成進入到空天系統集成型,空軍作戰(zhàn)理論研究以遠程精確打擊和空天一體癱瘓為重點。新的作戰(zhàn)理論、武器裝備、戰(zhàn)略戰(zhàn)術,使戰(zhàn)爭形態(tài)變化極其迅速,如何預測及檢驗武器裝備和戰(zhàn)爭參與者在戰(zhàn)爭中的效能,成為一個首要問題。過去 “從戰(zhàn)爭中學習戰(zhàn)爭”、“從歷史中學習戰(zhàn)爭”的基本方法,已經越來越不適應新軍事發(fā)展的需要。模擬仿真,被認為是第三種認識世界的有效途徑,對于戰(zhàn)爭這種非常復雜又極其特殊的事物,更具有特殊的意義。利用戰(zhàn)爭模擬技術創(chuàng)造出來的 “虛擬實踐”方法,可以使我們徹底改變以往研究軍事問題的方式。我們可以 “從實驗室中學習戰(zhàn)爭”、“從未來中學習戰(zhàn)爭”,而這個 “未來”,正是通過戰(zhàn)爭模擬系統在戰(zhàn)爭實驗室中創(chuàng)造出來的。戰(zhàn)爭實驗室,使反復實驗某個軍事理論,研究某一個戰(zhàn)爭問題,驗證某種武器裝備體系的作用,甚至完整地 “經歷”一場戰(zhàn)爭成為可能。事實上,美國空軍在1996年夏就開始啟動作戰(zhàn)實驗室計劃,目前共組建有信息作戰(zhàn)、空間戰(zhàn)斗、空中遠征部隊、指揮控制與作戰(zhàn)管理、部隊保護、無人機和空中機動7個作戰(zhàn)實驗室,美軍近10年來參與的幾場戰(zhàn)爭,都經過大量的戰(zhàn)爭模擬研究,而且發(fā)揮了關鍵的無以替代的作用。

信息化戰(zhàn)爭的復雜性,要求航空兵的訓練和作戰(zhàn)仿真必須按照全新的理念和思路進行。本文針對各國空軍作戰(zhàn)仿真技術發(fā)展的現狀以及新技術的發(fā)展趨勢,綜述并進一步探討了單機、多機對抗、作戰(zhàn)單元、指揮以及協同等5大仿真系統。

1 單機仿真

為使現代軍機形成戰(zhàn)斗力,必須開發(fā)單機仿真系統。單機仿真系統除了完成基本駕駛術、特情處置外,重點開發(fā)火控、火器、電子對抗及信息戰(zhàn)設備的使用,并為現代軍機作戰(zhàn)、訓練、戰(zhàn)法研究等提供輔助決策和必要的技術支持。

隨著虛擬現實技術的發(fā)展,軍機仿真系統也由低逼真度發(fā)展為高逼真度、由技術型 (基本駕駛術、特情處置、火控武器使用)上升到戰(zhàn)術對抗型和具有虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的作戰(zhàn)演練型,其主要特點是：

1)仿真環(huán)境的立體性。現代軍機作戰(zhàn)仿真的建模和顯示都在三維或多維坐標系中進行,其戰(zhàn)場描述范圍具有立體性。

2)作戰(zhàn)方式的多樣性?，F代軍機作戰(zhàn)所涉及到的武器類型、數量以及作戰(zhàn)單位有其自身的特殊性,其交戰(zhàn)方式包括空—空、空—地、地—空等方式。

3)定量分析的復雜性?？諔?zhàn)仿真需要對作戰(zhàn)飛機的機動、空戰(zhàn)動作的選擇、攻擊條件的構成與判斷等進行詳細地描述。各種精確制導武器的仿真涉及到彈道學、攻擊區(qū)理論、射擊誤差和命中精度分析等多種定量分析方法。

4)戰(zhàn)術與技術的密切性。隨著電子技術、隱身技術、精確制導技術、空空導彈技術的飛速發(fā)展,空戰(zhàn)的觀念、形式和戰(zhàn)術都發(fā)生了很大的變化。因此,作戰(zhàn)仿真訓練需要解決兩方面的問題：①如何把航空武器裝備的技術優(yōu)勢轉化為戰(zhàn)術優(yōu)勢,使其變?yōu)檎嬲膽?zhàn)斗力,即所謂的技術性向戰(zhàn)術性轉化的問題;②裝備技術相對落后的一方如何“揚長避短”,運用合理的戰(zhàn)術來彌補裝備技術的差距,從而 “以劣勝優(yōu)”,也就是戰(zhàn)法研究的問題。

在單機仿真系統中按照功能和逼真度可分為全任務型、任務型和對手型3大類。

1.1 全任務型

全任務型仿真訓練系統為飛行員提供改裝訓練、技術提高訓練、特情處置訓練、綜合戰(zhàn)斗科目訓練、戰(zhàn)術訓練和戰(zhàn)術的應用研究與開發(fā)等項目,任務覆蓋率＞90%。具體可劃分為技能和作戰(zhàn)兩大訓練任務：

1)技能訓練：以基本駕駛術訓練為基礎,同時完成視距空戰(zhàn)、超視距空戰(zhàn)、對地攻擊、密集編隊、機群協同作戰(zhàn)、空中加受油、超低空飛行、復雜氣象飛行及特情處置等訓練任務。

2)作戰(zhàn)訓練：作戰(zhàn)仿真是指運用各種定量方法,借助飛行仿真系統等先進電子設備,對現代軍機作戰(zhàn)過程中的戰(zhàn)術運用、策略選擇、新武器裝備的戰(zhàn)法及空戰(zhàn)指揮決策等問題進行定性和定量分析,從而為現代軍機作戰(zhàn)、訓練、戰(zhàn)法研究等提供輔助決策和必要的技術支持。

為完成這兩大任務,全任務型飛行訓練仿真系統不僅要進行全面的功能仿真,還要通過設置軟、硬件環(huán)境為受訓人員提供逼真的訓練氛圍。針對現代軍機設備復雜和仿真功能多等特點,可將總系統劃分為多個分系統,便于模塊化開發(fā)、集成和控制。圖1顯示了全任務型軍機仿真系統的典型構成,包括座艙系統、仿真解算系統、主控制系統、全視野的視景系統、較逼真動感系統、電傳操縱系統、人感系統、自動駕駛系統、電子對抗系統、火控系統、音響系統、診斷系統、智能化教員指揮臺等,為飛行員提供了一個逼真的訓練環(huán)境和良好的訓練氛圍。

1.2 任務型

圖1 軍機仿真系統組成結構框圖Fig.1 System structure diagram

由于全任務型仿真系統研制費用高、規(guī)模大,搬遷難,不易于全方位配發(fā)到作戰(zhàn)部隊和跟隨作戰(zhàn)部隊使用,因此,需要開發(fā)具有針對性的任務型(單任務或多任務)模擬器。任務型模擬器主要有兩方面的作用：①關鍵設備的使用;②作戰(zhàn)環(huán)境的預演。受訓人員可以利用這種任務型模擬器熟悉新裝備的操作使用技巧和作戰(zhàn)性能,并通過 “機上演兵”的形式來研究和確立新裝備的作戰(zhàn)使用方法。例如在波黑戰(zhàn)爭期間,美軍利用先進的計算機技術,將高分辨率衛(wèi)星圖像與波黑戰(zhàn)場數字地圖相結合,生成逼真的戰(zhàn)場仿真環(huán)境,飛行員通過在這個虛擬的合成環(huán)境中演練,熟悉了預定飛行線路以及作戰(zhàn)目標的特性,從而使美國空軍只需出動原定飛行架次的50%就可以摧毀預定目標。

任務型仿真訓練設備有儀表飛行訓練、火控系統仿真、電子武器仿真等,其系統的總體結構可根據實際需求對全任務型仿真訓練系統進行簡化。

1.3 對手型或武器使用訓練器

對手型或武器使用訓練器是一種簡易的火控武器模擬訓練器。通常與主模擬器聯機形成智能化的近距目標和超視距目標,既可以構成簡易的多機對抗空戰(zhàn)模擬訓練環(huán)境,也可以單獨用作武器部分系統設備的輔助訓練。這類仿真設備的硬件較簡單,可以模擬多個機種,例如可根據需要模擬幻影2000-5、F-16飛機等。

對手型或武器使用訓練器由簡易的駕駛和火控操縱設備環(huán)境,必要的座艙顯示系統和視景系統環(huán)境構成。

2 多機空戰(zhàn)對抗仿真

戰(zhàn)爭是一種全方面綜合能力的對抗,空軍尤其如此。在現代戰(zhàn)爭中,信息化的應用使空戰(zhàn)對抗變得更為復雜?？諔?zhàn)對抗型仿真系統為提高飛行員的對抗作戰(zhàn)能力和在復雜危險環(huán)境下的心理素質提供了有效的訓練工具。據美軍統計,從未參加過實戰(zhàn)的飛行員,在首次執(zhí)行任務時生存的概率只有60%,但是經過計算機模擬對抗訓練后,生存的概率可以提高到90%。

多機空戰(zhàn)仿真系統由多臺對應飛機型號的仿真器、必要的電磁環(huán)境以及教員指揮系統構成。鑒于目前的先進戰(zhàn)機大多是兩機編隊為一個作戰(zhàn)小組,進行超視距和視距內各種飛行機動、電磁信息、電子對抗和武器對抗,因此,在空戰(zhàn)對抗仿真系統中,可以設計成2對2模式,即由四機構成的雙機對抗,其它附加的各類武器 (包括飛機)可采用計算機生成兵力的技術,圖2顯示了一套多機對抗仿真系統的結構。

圖2 簡單的多機空戰(zhàn)仿真結構Fig.2 Multi-planes combat simulation structure

高質量空戰(zhàn)對抗仿真系統的建設是非常復雜的,既要有相應的高性能單機仿真器,又要對目前的許多技術進行重大改進,并且還要突破一些新的技術難點。其中應重點研究下述幾項技術：

1)通用仿真軟件平臺。通用仿真軟件平臺可實現系統聯網,從而進行體系作戰(zhàn)訓練。因此,運用現代高新技術開發(fā)基于網絡化、適應不同機型飛機、具有全任務仿真功能的通用仿真軟件平臺是飛行仿真一個重點發(fā)展方向。

2)標準化的空戰(zhàn)通訊協議。空戰(zhàn)時各仿真系統單獨解算,隨著環(huán)境復雜程度的增加,其相互之間的通訊信息量也大量增加,同時還因戰(zhàn)場態(tài)勢的變化而有所改變。為了使整體系統穩(wěn)定可靠的工作,必須制定出標準化的空戰(zhàn)通訊協議。

3)全系統網絡延遲。軍機仿真系統是人在回路的仿真,最大的難題之一是全系統的延遲,戰(zhàn)役級的延遲一般要求在6 s左右,而軍機對抗仿真系統最大延遲≤30 ms。

4)各種電子對抗仿真模型的開發(fā)?？諔?zhàn)對抗首先進行的就是電子對抗,需要良好的電子對抗模型,對抗解算模型是空戰(zhàn)對抗的關鍵技術。

5)各種導彈等武器的效能分析仿真模型。空戰(zhàn)對抗仿真必須開發(fā)精確的彈道模型和毀傷效能模型,這樣才能真實反映對抗的效果。

6)統一的、隨作戰(zhàn)時間變化的動態(tài)視景數據庫,人在虛擬環(huán)境的仿真。隨著計算機網絡技術的飛速發(fā)展,多武器仿真訓練平臺的技術日趨成熟,將各分散地域的軍事仿真系統、計算機系統、訓練環(huán)境產生器和有關設備連接為一個整體,形成在空間和時間上相符合的虛擬電子作戰(zhàn)環(huán)境,受訓人員不再局限在單獨的人在回路的仿真,而是處于一個多武器、多兵種的虛擬環(huán)境 (包括戰(zhàn)場環(huán)境和任務環(huán)境)中,通過這個虛擬環(huán)境可以實現體系對抗演練。

3 作戰(zhàn)單元仿真系統

現代戰(zhàn)爭均是一體化作戰(zhàn),是圍繞統一的作戰(zhàn)目的,以各種作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)要素高度融合的作戰(zhàn)體系為主體,充分發(fā)揮整體作戰(zhàn)效能,在多維作戰(zhàn)空間打擊或抗擊敵方的軍事行動。作戰(zhàn)單元系統仿真訓練,通常采取實裝系統與仿真系統相結合,依托一體化通信網絡,將各類要素進行編組和部署,組織集中或異地分布式聯網訓練。一般可按照力量部署訓練、分環(huán)節(jié)訓練、連貫演練3個步驟進行。力量部署訓練,就是根據演練條件,將各受訓要素按一體化聯合作戰(zhàn)的要求進行作戰(zhàn)編組、任務區(qū)分和實際部署,構建一體化作戰(zhàn)要素系統。分環(huán)節(jié)訓練,就是按作戰(zhàn)流程和行動關節(jié)點,合理劃分若干訓練環(huán)節(jié),分段組織實施訓練,為連貫演練奠定基礎。連貫演練,就是按演練課題連貫實施,訓練的重點是各個環(huán)節(jié)的相互銜接與融合。作戰(zhàn)單元訓練系統的構成可根據部隊的編制和任務需求進行配置。

基于目前各國空軍的主要編制和裝備建設,本文提出一種作戰(zhàn)單元仿真系統的總體構成：以作戰(zhàn)單元最高指揮員為核心,設置情報信息、指揮控制、聯合打擊、綜合保障4個集成訓練分隊,每個分隊由相應的小分隊構成,見圖3。4個訓練分隊的功能如下：

圖3 作戰(zhàn)單元仿真系統構成Fig.3 Battle unit simulation system structure

1)情報信息仿真。完成對各類作戰(zhàn)信息的探測、傳輸、處理和分發(fā)訓練,實現戰(zhàn)場信息的順暢流動和信息傳輸的無縫鏈接,實時準確生成戰(zhàn)場態(tài)勢圖,并從信息的有效分發(fā)與使用中獲得行動優(yōu)勢。

2)指揮控制仿真。完成戰(zhàn)場態(tài)勢實時共享、分布式任務規(guī)劃與協調決策、實時作戰(zhàn)評估等內容的訓練,實現各種指揮控制信息順暢流動和近乎實時的指揮控制。

3)聯合打擊仿真。將作戰(zhàn)單元所轄分散配置的火力、兵力等最小作戰(zhàn)單位,按照任務和作戰(zhàn)要求集成為一體化打擊系統。通過情報、指揮、打擊一體化訓練,作戰(zhàn)行動自主式協調訓練和打擊力量快速重組訓練,圍繞戰(zhàn)場需求和打擊效果,實現打擊力量的隨機組合和精確打擊。

4)綜合保障仿真。將作戰(zhàn)單元或體系后方指揮所、直屬及下轄后勤、裝備保障實體融合在一起,載入數字化信息保障系統,構成一體化綜合保障系統。通過戰(zhàn)場保障信息獲取、綜合保障態(tài)勢圖生成和分發(fā)、快速物流配送等內容的訓練,實現實時、精確、動態(tài)的一體化保障。

作戰(zhàn)單元訓練仿真系統的主要目的是通過對各相關部門及人員進行綜合作戰(zhàn)訓練,共同完成進攻、防空、空空、空地、地空、空降、電子、網絡對抗等重大作戰(zhàn)任務。各相關部門及人員包括飛行員、指揮員、作戰(zhàn)、情報、通信、機要、領航、飛行管制、氣象、雷達等業(yè)務參謀,以及政治、后勤、裝備等人員。

4 作戰(zhàn)指揮仿真系統

自古舉兵興師,勝敗系于將帥。正因為指揮員及其指揮機關所組成的指揮系統是軍隊的靈魂和命脈,因此,敵我指揮系統的對抗成為雙方對抗十分重要的組成部分,雙方都試圖首先癱瘓甚至摧毀對方的指揮機構。隨著計算機技術及一系列相關高科技的迅速發(fā)展,指揮訓練手段已從沙盤、實戰(zhàn)演習、半實戰(zhàn)半模擬演習,發(fā)展為純模擬演習。研制指揮訓練模擬系統對促進軍事訓練手段的現代化、作戰(zhàn)指揮研究的科學性和指揮人員的高質量培訓都有著十分重要的意義。指揮機構及指揮系統的訓練包括兩大任務：

1)指揮員訓練系統。訓練指揮員的戰(zhàn)前布兵能力、作戰(zhàn)中緊急狀態(tài)的應變能力。

2)指揮機構保障系統。訓練指揮機構關鍵人員在戰(zhàn)爭中出現緊急情況時的對策應變能力。

指揮員訓練系統主要實現雙方對抗訓練。在教員的總導演下,可完成雙方單個指揮員之間的對抗訓練,以及雙方指揮班子之間的對抗訓練。既可對單個指揮員的作戰(zhàn)方案、作戰(zhàn)指揮藝術等作戰(zhàn)行為進行考核,又可對雙方指揮班子的作戰(zhàn)謀略、作戰(zhàn)效能進行評估。系統的主要功能框圖見圖4。

5 協同仿真系統

高技術條件下的局部戰(zhàn)爭是多軍兵種的聯合作戰(zhàn),空軍將在其中擔任極為重要的角色。為應對未來戰(zhàn)爭,除單兵種、單武器平臺訓練外,還需要從聯合作戰(zhàn)角度進行多兵種、多武器平臺的協同與配合。如果采用實兵、實裝訓練模式,不僅費用高、周期長、組訓難,而且由于缺乏真實的 “作戰(zhàn)對象”和 “戰(zhàn)場環(huán)境”,往往難以獲得理想的效果。

為了有效解決這一問題,外軍普遍采取了計算機網絡技術,把各個單一的模擬系統或模擬器聯接起來,構建成分布式任務訓練 (DM T),進行一體化模擬訓練,從而在系統集成中實現戰(zhàn)斗力的整體提高。

分布式任務訓練 (DMT),它是一種無縫的仿真基礎設施,用于無約束的人在回路訓練和部隊在合成戰(zhàn)場中聯合預演。DMT是指由實況仿真、虛擬仿真和結構仿真共同組成的共享性訓練環(huán)境,受訓者可以個體或團體的方式進行各種層次的作戰(zhàn)訓練。例如,不同的受訓者可以在不同的地點進行同樣的訓練,也可以進行內容完全不同的訓練;可以自己獨自地進行自行選定的項目訓練,也可以進行團體間的對抗訓練,即軍事演習。在DMT環(huán)境下,受訓者可以使用網絡提供的任何一種武器或場景,實時互動地模擬各種復雜局面,逼真地展示各種可能發(fā)生的實戰(zhàn)情形,從而為各軍種根據各自的專業(yè)領域或具體部署參加綜合演練創(chuàng)造了條件。所有這些,都有助于形成按需提供、實際自然的訓練環(huán)境,并極大地打破經費、政治、地理、實際技術條件以及組織調度等環(huán)節(jié)的限制,提高訓練的有效性,縮小與實戰(zhàn)之間的差異。

根據指揮員訓練的規(guī)模范圍,分為戰(zhàn)略指揮、戰(zhàn)役指揮和戰(zhàn)斗指揮等訓練系統。

網絡技術及相關標準協議是分布式任務訓練(DMT)的中樞,經過10余年的發(fā)展,高層體系結構 (H LA)已被公認為是能夠滿足復雜系統仿真、實現異地互聯的先進分布式仿真體系結構。它可以實現多種類型仿真系統間的仿真與命令、控制、通訊、計算機與智能系統的交互。HLA能提供更大規(guī)模的,將構造仿真、虛擬仿真、實況仿真集成在一起的綜合環(huán)境,實現各類仿真系統間的互操作、動態(tài)管理、多點通訊、系統和部件的重用、以及建立不同層次和不同程度的對象模型。

一套典型的分布交互仿真體系主要包括若干仿真程序 (如涉及空軍的飛行員操縱環(huán)境、威脅工作站、視覺系統、戰(zhàn)術環(huán)境以及由教官/學員工作站控制的其它系統等),在 HLA中稱為聯邦成員,聯邦成員之間通過網絡進行交互。所有參與仿真的聯邦成員和網絡稱為聯邦。

“按照戰(zhàn)斗中擬用的方式進行訓練”,是開發(fā)分布式任務訓練系統的總體指導思想。它意味著作戰(zhàn)訓練是戰(zhàn)爭在和平時期的一種顯現,訓練系統必須真實展現戰(zhàn)爭的全面性和綜合性,而不能僅限于個別系統的單獨模擬。從這個意義上講,分布式任務訓練代表著未來軍事訓練的總體發(fā)展趨勢。

6 結 語

本文綜述了5種航空兵仿真訓練系統的功能、構成和關鍵技術。目前單機仿真技術已較成熟,研制生產的許多大、中型訓練模擬裝備產品已投入使用。在計算機網絡技術的支持下,以分布式仿真和高層體系結構仿真等先進技術為基礎的預研成果,也為多機對抗、作戰(zhàn)單元、指揮以及協同等仿真系統的產品化研制打下良好的基礎。今后重點研究的方向是：

1)虛實結合仿真技術的研究,將實兵實裝演習與仿真器及人工合成的虛擬環(huán)境聯系起來,利用仿真器產生動態(tài)的、直觀的環(huán)境,配合仿真的地形、煙霧和 “敵人”的武器裝備,使部隊能夠進行生動逼真的軍事演習。

2)多分辨率訓練仿真技術的研究,實現戰(zhàn)術級仿真與戰(zhàn)役級仿真的無縫結合,使飛行員、指揮員及其他戰(zhàn)勤人員均能全身心地投入到虛擬作戰(zhàn)環(huán)境中去,驗證其戰(zhàn)術思想和指揮效果。

3)充分利用云計算在解算復雜計算系統方面的強大計算和存儲空間能力,開發(fā)基于云計算平臺的航空兵訓練仿真系統,實現多機之間的對抗訓練和作為友機進行協同作戰(zhàn)訓練等模式。

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