何曉驍 王秉涵

摘 要：隨著航空兵聯(lián)合對抗訓練和航空裝備實戰(zhàn)化作戰(zhàn)試驗需求的快速增長， “實況-虛擬-構(gòu)造”（Live-Virtual-Constructive， LVC）仿真技術(shù)呈現(xiàn)進步迅速、 演示驗證頻繁的發(fā)展趨勢。 國內(nèi)外的軍方和工業(yè)部門持續(xù)研究LVC相關技術(shù)， 利用LVC技術(shù)提高場景保真度、 費效比和安全性方面的優(yōu)勢， 使其在軍事領域發(fā)揮更大的作用。 本文分析LVC技術(shù)的需求與發(fā)展特點， 較為全面地梳理了美軍基于LVC技術(shù)開展的航空兵聯(lián)合訓練及相關作戰(zhàn)試驗的發(fā)展現(xiàn)狀， 結(jié)合國外相關領域的研究基礎和部署， 總結(jié)歸納美軍LVC技術(shù)的發(fā)展特點和趨勢。

關鍵詞：???? 實況-虛擬-構(gòu)造; 空戰(zhàn)訓練; 作戰(zhàn)試驗; 飛行模擬器; 航空兵; 仿真技術(shù)

中圖分類號：???? TJ765.4; V448.15+3文獻標識碼：??? A文章編號：???? 1673-5048（2021）06-0014-05

0 引? 言

根據(jù)美國《2018年國防戰(zhàn)略》要求， 美軍把國防戰(zhàn)略從反恐作戰(zhàn)轉(zhuǎn)向大國沖突， 這促使美國需要恢復高度戰(zhàn)備狀態(tài)， 保持一支能夠應對大國沖突的軍隊。 隨著美軍對復雜環(huán)境下航空裝備訓練和試驗需求的增長， 實況-虛擬-構(gòu)造仿真（Live-Virtual-Constructive， LVC）技術(shù)作為一種可以將物理域和數(shù)字域混合使用的手段， 發(fā)展和應用較為迅速， 并初見成效。 LVC技術(shù)的應用擴大了美軍在試驗訓練領域的體系化、 實戰(zhàn)化和安全性方面的優(yōu)勢， 使試驗訓練更加有效果、 有效率。

1 LVC技術(shù)的概念與需求

1.1 LVC技術(shù)的概念

LVC技術(shù)是一種對仿真建模的分類方法， 指在仿真系統(tǒng)中同時具有實況仿真、 虛擬仿真和構(gòu)造仿真。 1996年， 國際上成立了“仿真互操作標準組織”（Simulation Interoperability Standards Organization， SISO）， 該國際組織致力于促進建模與仿真的互操作性， 以及在更大范圍內(nèi)重用建模與仿真成果。 SISO的重大貢獻之一就是明確LVC技術(shù)， 并使其成為一種常用的模型與仿真分類方法。 實況仿真是指真實的人使用真實的裝備在真實環(huán)境中的活動; 虛擬仿真是指真實的人操作模擬的系統(tǒng)在數(shù)字環(huán)境中模擬作戰(zhàn); 構(gòu)造仿真是指計算機兵力生成和分析工具， 通常用模擬的人操作模擬的系統(tǒng)。

LVC剛提出的時候， 國際上只是把建模仿真進行了區(qū)分， 并沒有混合使用實況、 虛擬、 構(gòu)造仿真。 隨著后來混合LVC概念的推廣， 目前國際上已經(jīng)基本統(tǒng)一， 使用LVC表示混合LVC。 由于虛擬和構(gòu)造仿真都更傾向于用數(shù)字化手段進行模擬， 所以也將虛擬和構(gòu)造仿真的組合稱為合成環(huán)境[1-2]。

1.2 需求分析

目前， LVC技術(shù)在航空領域主要有兩個方向的使用需求比較清晰明確： 一是將LVC技術(shù)應用于航空兵體系化對抗訓練; 另一個是將其應用于航空裝備的作戰(zhàn)試驗、 試驗鑒定， 以及工業(yè)部門在設計過程中的相關測試工作[3]。

1.2.1 空戰(zhàn)訓練領域的需求

采用實兵實裝對抗的日常訓練、 軍事演習是各國部隊維持戰(zhàn)斗力和提高體系對抗能力的主要訓練方式之一， 但如今面臨許多急需解決的問題。

首先是訓練強度不夠。 實兵實裝演習受物理環(huán)境的限制， 呈現(xiàn)出飛機起落時間長、 任務訓練時間短、 機型不全、 協(xié)同較少的問題。 目前， 為了給飛行員營造真實的戰(zhàn)場態(tài)勢， 需要以一定數(shù)量飛機充當假想敵， 營造威脅環(huán)境， 訓練飛行員在實裝中應對危險時的反應。 隨著部分國家第四代戰(zhàn)斗機的批量裝備， 使四代機形成作戰(zhàn)能力并維持作戰(zhàn)能力成為棘手的問題。

其次是演習成本高昂。 實兵實裝演習中部隊轉(zhuǎn)場調(diào)動、 燃油彈藥消耗、 裝備損耗折壽， 導致演習成本高， 且需要做大量的組織協(xié)調(diào)工作， 因此演習的頻率不高， 無法按照體系對抗的標準訓練[4-5]。

最后是訓練架次不足。 對大國空軍而言， 現(xiàn)有的飛行訓練架次受到各種因素影響， 遠遠不能滿足戰(zhàn)備訓練架次的需求。 以美軍五代機訓練架次需求為例， 現(xiàn)有的訓練架次需求已經(jīng)是批復架次數(shù)的一倍以上。 此外， 到2020年， 前五代機的訓練架次的占比都不到50%， 但到2030年， 五代機訓練需求大約會達到80 000架次， 使傳統(tǒng)依靠實裝、 教練機、 陪練公司的模式無法有效開展。 到2030年， 美軍的訓練將極大程度地依賴LVC技術(shù)， 其中使用仿真配合飛行員真實飛行訓練占比將達總訓練架次的70%， 詳見圖1。

1.2.2 試驗測試等領域的需求

在體系能力的形成過程中， 并非單項裝備的能力越高越好， 關鍵要實現(xiàn)裝備之間的合理配合。 要重視研究裝備在作戰(zhàn)體系中的作用， 弱化對裝備單項性能指標的測試驗證， 使整個體系最優(yōu)化， 提升裝備的體系貢獻率， 達到“1+1>2”的整體效果。 在體系作戰(zhàn)大環(huán)境下， 小范圍的測試不足以反應出裝備在實戰(zhàn)中的作戰(zhàn)效能， 不能滿足對體系貢獻率研究的需要， 無法測試到裝備在體系作戰(zhàn)中的能力邊界。

以第四代戰(zhàn)斗機為例， 其任務系統(tǒng)功能復雜、 能力全面， 導致四代機的測試成本高、 測試不全面， 部分測試項不能通過傳統(tǒng)外場飛行試驗完成。 四代機及其后續(xù)機型所需要的開發(fā)和測試環(huán)境遠超過傳統(tǒng)飛機的需求。 傳統(tǒng)型號大部分的復雜性體現(xiàn)在實驗室硬件配置中， 但隨著航空裝備能力的增加， 其復雜性也體現(xiàn)在測試任務系統(tǒng)模型、 飛機系統(tǒng)模型與環(huán)境（包括大氣、 地形、 目標、 武器和威脅）的交互。

LVC技術(shù)用于裝備測試可以構(gòu)建一個人在環(huán)、 裝備在環(huán)的仿真系統(tǒng)， 具有開放式架構(gòu)、 可定制化、 方便擴展的特點， 如圖2所示。 能夠充分利用現(xiàn)有資產(chǎn)和條件， 將已有設施、 模型、 成果、 方法和工具集成使用， 滿足新裝備開發(fā)、 作戰(zhàn)測試和互用性測試， 提高體系環(huán)境下的經(jīng)濟性和測試效率。 LVC技術(shù)的應用已經(jīng)將部分測試和驗證工作向高保真的數(shù)字樣機測試轉(zhuǎn)移。

2 LVC技術(shù)的發(fā)展特點

2.1 各域獨立發(fā)展

美軍的實戰(zhàn)化演訓工作起步早、 效果好， LVC技術(shù)使其將合成的虛假實體融入到真實環(huán)境中， 用數(shù)字構(gòu)建生成的力量擴大了場景范圍， 并真實地創(chuàng)建了與飛行員在真正沖突中實際看到的相似訓練環(huán)境， “欺騙”飛機傳感器， 以增加試訓的復雜性和真實性， 實現(xiàn)了實裝和合成實體的無縫集成。 但由于不同機構(gòu)、 部隊、 人員對軍事仿真的需求不同， 這導致了航空裝備仿真在實況、 虛擬、 構(gòu)造三個方向上分別都取得了突破， 基本滿足了各行各業(yè)的需求[6]。

2.1.1 實兵實裝持續(xù)發(fā)展

50多年前， 美國空軍和海軍在越南上空總結(jié)出了“像實戰(zhàn)一樣的訓練”這一教訓， 這也促使了美國首先在空戰(zhàn)訓練方面得到了突破。

越南戰(zhàn)爭初期， 由于缺乏足夠的訓練， 美國在空戰(zhàn)中遭受了意想不到的損失。 為了應對越南空戰(zhàn)帶來的挑戰(zhàn)， 空軍和海軍全面改造了訓練體系， 創(chuàng)建了空戰(zhàn)訓練學校和先進訓練場， 研發(fā)了第一代空戰(zhàn)訓練系統(tǒng)。 這些創(chuàng)新非常有效， 強化訓練的結(jié)果是在越南的空戰(zhàn)交換比從2∶1大幅提高到12∶1。 到了“沙漠風暴”行動的時候， 即使是新飛行員也能執(zhí)行復雜的任務。

此后， 美國防部對空戰(zhàn)訓練系統(tǒng)繼續(xù)投入巨資， 確保飛行員的訓練盡可能貼近實戰(zhàn)。 空軍和海軍開展了真實、 實時的空對空、 空對地、 地對空和電子戰(zhàn)作戰(zhàn)訓練。 美國空軍現(xiàn)役的P5空戰(zhàn)訓練系統(tǒng)已經(jīng)支持空軍能夠在本場以及大型聯(lián)合演習中進行實時對抗訓練， 提高了單位飛行小時內(nèi)的訓練效率， 如圖3所示。 通過美軍發(fā)布的研制需求來看， 下一代P6空戰(zhàn)訓練系統(tǒng)在形態(tài)、 功能、 用途等方面上與現(xiàn)役的P5空戰(zhàn)訓練系統(tǒng)區(qū)別不大， 主要是提出了對LVC技術(shù)更強烈的需求， 以及對鏈路性能和機載端處理能力的提升要求。

2.1.2 模擬訓練網(wǎng)絡健全

21世紀初期， 隨著仿真技術(shù)的進步， 飛行模擬器的保真度有所突破， 且形成了一定部署規(guī)模。 2000年， 美國空軍依托建模仿真局（Air Force Agency for Modeling and Simulation， AFAMS）將模擬器聯(lián)網(wǎng)訓練， 拉開了首次“虛擬旗（Virtual Flag）”軍演的大幕。 模擬器組成虛擬訓練網(wǎng)絡， 能讓分布在世界各地的飛行員共享虛擬的訓練環(huán)境， 切磋戰(zhàn)法戰(zhàn)術(shù)。 2020年7月1日， 洛克希德·馬丁公司、 F-35項目辦和美國空軍在內(nèi)利斯空軍基地進行的分布式任務訓練最終驗收測試。 在模擬對抗環(huán)境中成功連接了F-35， F-22， F-16和E-3飛行模擬器。 這次模擬培訓活動是這些平臺首次虛擬連接; 其他平臺（如F-15）也可以連接到此共享虛擬環(huán)境[7-8]。

相比于1975年的“紅旗（Red Flag）”軍演， “虛擬旗”軍演具有以下優(yōu)勢： （1）成本低， 安全性高， 不用消耗燃油、 彈藥和損耗裝備; （2）參訓裝備全， 使美國空軍全譜系作戰(zhàn)裝備都能參與其中， 場景中同時活動的飛機超過300架， 大于“紅旗”幾十架的規(guī)模; （3）訓練強度大， 演習一般會持續(xù)一周左右， 基本上每天都處于任務飽和的狀態(tài)， 如特種飛機機組連續(xù)工作時間會超過15 h， 同時指揮比“紅旗”數(shù)量更多的飛機; （4）訓練范圍廣， 虛擬作戰(zhàn)區(qū)域面積不受限制， 而“紅旗”作戰(zhàn)區(qū)域面積一般只有3.8×104 km2左右; （5）演習更自由， 在演習中可以隨時調(diào)整部署甚至暫停、 復盤， 減少起降和集結(jié)的耗時; （6）場景更真實， 可以使“陣亡者”實時“消失”， 不存在實裝訓練中的攪局者。

2.1.3 構(gòu)造仿真效果提升

構(gòu)造仿真是用于聯(lián)合作戰(zhàn)、 電子戰(zhàn)訓練和目標生成的計算機兵力生成/半自動生成應用程序， 允許用戶配置平臺、 武器、 環(huán)境的參數(shù)， 以及雷達脈沖、 掃描范圍和波束特性等。 此類軟件一般具有良好的可擴展性。 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式， 用戶可以添加或編輯自己的威脅數(shù)據(jù)， 以及電子戰(zhàn)相關參數(shù)。 支持分布式交互仿真， 包括仿真管理、 實體狀態(tài)、 毀傷評估和數(shù)據(jù)記錄等， 具有大規(guī)模和用戶可擴展的作戰(zhàn)環(huán)境， 能夠適用于多種仿真層級， 尤其在交戰(zhàn)級具有極高的逼真度。

構(gòu)造仿真經(jīng)認證可用于分布式模擬器網(wǎng)絡中， 非常適合獨立場景創(chuàng)建、 任務預演和分布式任務模擬， 包括一個龐大的實體庫： 民用和軍用飛機、 地對空威脅、 車輛、 目標建筑物和人員。 實裝和模擬器訓練都需要構(gòu)造仿真的配合才能發(fā)揮更好的效果， 如實裝與構(gòu)造仿真結(jié)合是機載嵌入式訓練系統(tǒng)目標生成的實現(xiàn)方式[9]。

2.2 各域按需互聯(lián)互通

通過分布式網(wǎng)絡設計， 實現(xiàn)跨系統(tǒng)、 軟件之間互聯(lián)互通， 匯聚各自優(yōu)勢和強項， 解決更為復雜的問題。

2.2.1 現(xiàn)有主要仿真架構(gòu)

LVC仿真體系由人員、 硬件和軟件構(gòu)成， 以網(wǎng)絡為中心， 通過通用協(xié)議、 規(guī)范標準和接口將三個不同的環(huán)境結(jié)合起來， 進行數(shù)據(jù)收集、 管理、 檢索、 實時交換等。 使用規(guī)范、 統(tǒng)一的仿真架構(gòu)將有助于分布式仿真的實現(xiàn)。 國際組織的很多建模范式和架構(gòu)都可能被用于軍事建模仿真， 仿真器聯(lián)網(wǎng)（SIMNET）和聚合級仿真協(xié)議（ALSP）已經(jīng)不再使用， 而分布式交互仿真（DIS）、 高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）、 測試與訓練使能架構(gòu)（TENA）等仍在廣泛使用， 詳見圖4。

DIS為IEEE.1278， 是關于分布式交互仿真的標準， 由一個大型團體開發(fā)， 以支持模擬器和實體級仿真。 該標準定義了實時系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)包， 即協(xié)議單元數(shù)據(jù)， 描述了預定的標準化事件， 如向另一個實體開火、 無線電通信、 物體碰撞等。

HLA為IEEE.1516， 為仿真系統(tǒng)組成的集合定義了規(guī)則， 為仿真系統(tǒng)運行時基礎架構(gòu)提供了一組服務， 并使用對象模型模板定義系統(tǒng)間的交互數(shù)據(jù)。 HLA是一個通用分布式仿真架構(gòu)， 沒有任何專門針對作戰(zhàn)建模的具體特征， 但非常適合用于作戰(zhàn)建模的實現(xiàn)。

TENA的設計目的是為美軍測試與訓練靶場及其用戶帶來便捷的互操作性。 通過使用大規(guī)模、 分布式、 實時的綜合環(huán)境， TENA的設計促進了基于采辦的集成測試和仿真。 綜合環(huán)境綜合了測試、 訓練、 仿真和高性能計算， 使用公共架構(gòu)， 在“邏輯靶場”上可以實現(xiàn)真實的裝備之間、 及其與仿真武器和兵力的交互， 不論這些兵力實際上存在于世界的哪個地方[10]。

2.2.2 仿真架構(gòu)的共存和統(tǒng)一

建模和仿真領域的最終目標是創(chuàng)建統(tǒng)一的LVC集成架構(gòu)（Live-Virtual-Construction Integrating Architecture， LVC-IA）， 可以快速集成模型和開展仿真， 形成一個有效的LVC環(huán)境， 可以用來飛行訓練、 戰(zhàn)術(shù)協(xié)同、 制定作戰(zhàn)計劃和評估作戰(zhàn)情況等。

盡管TENA是基于這個目的開發(fā)的， 但是也沒能有效解決仿真架構(gòu)多樣性的問題。 特別是DIS和HLA， 繼續(xù)得到廣泛甚至不斷增長的建模與仿真用戶的支持。 對LVC-IA的研究還需要不斷發(fā)展， 但在一定時期內(nèi)遷移到單個仿真架構(gòu)是不切實際的， 將仍然是多個仿真架構(gòu)共存的狀態(tài)。? 在需要使用某些LVC仿真系統(tǒng)的情況下， 這些仿真系統(tǒng)必須具有跨多個仿真架構(gòu)的接口。 因此， 網(wǎng)關、 代理、 中間件與協(xié)議是連接多個異構(gòu)站點以支持大規(guī)模LVC集成的主要方法手段[11]。

3 美軍LVC技術(shù)的現(xiàn)狀

3.1 在空戰(zhàn)訓練領域的項目進展

3.1.1 SLATE-ATD項目

美軍已將建模與仿真技術(shù)作為提升戰(zhàn)備能力， 促進部隊現(xiàn)代化、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段。 這種虛實結(jié)合的訓練方法是外場試訓的一種增強和補充， 在一定程度上緩解了可用空域不足的問題， 是一種先進的試訓環(huán)境， 能夠有效模擬在外場中無法模擬的高級威脅環(huán)境以及其他大量的敵我雙方實體， 對裝備開展全面、 充分的測試驗證。 2015年， 美國空軍實驗室牽頭研究“安全虛實對抗訓練環(huán)境”（Secure LVC Advanced Training Environment， SLATE）， 目標是提升LVC技術(shù)成熟度。 2018年6月～9月， 在內(nèi)利斯空軍基地成功開展了最后一輪系統(tǒng)驗證， 包括8架F-15和8架F/A-18戰(zhàn)機、 4臺F-16和F/A-18戰(zhàn)機人在環(huán)模擬器， 以及數(shù)百個由計算機構(gòu)建的空中和地面兵力模型。 本次驗證證實了SLATE技術(shù)成熟度達到8級（實用水平）， 比國防部預期進度提前了8年。 參與SLATE-ATD的飛機在翼尖搭載了由立方體公司制造的吊艙， 該吊艙在以前的P5吊艙基礎上安裝了可以處理新波形的新組件， 并增加了LVC處理機， 將（敵對的）合成實體注入到SLATE靶場環(huán)境中， 去“欺騙”飛機傳感器和飛行員， 吊艙見圖5。

3.1.2 安全實時空對空任務演示驗證項目

安全實時空對空任務演示是美國海軍主導的LVC訓練技術(shù)驗證。 2019年4月， 柯林斯航宇系統(tǒng)公司與美國愛荷華大學的作戰(zhàn)效能實驗室合作， 展示了混合LVC空戰(zhàn)訓練能力。 演示過程中， 柯林斯航宇系統(tǒng)公司的聯(lián)合安全空戰(zhàn)訓練系統(tǒng)與美國防部批準的下一代威脅系統(tǒng)和現(xiàn)代空戰(zhàn)環(huán)境軟件的地面系統(tǒng)連接， 愛荷華大學則提供了裝有LVC吊艙的飛機。 演示證明如今已經(jīng)可以使用量產(chǎn)硬件在LVC系統(tǒng)中注入合成實體的能力， LVC技術(shù)已經(jīng)具備推廣應用的條件[12-13]。

3.2 在試驗測試領域的項目進展

聯(lián)合仿真環(huán)境（Joint Simulation Environment，JSE）是一個可伸縮、 可擴展、 高保真的政府所有的、 非專有的建模和仿真環(huán)境， 能解決物理實驗環(huán)境中存在的空域限制問題、 GPS干擾限制以及其他安全問題等， 如圖6所示。 JSE的總體目標是允許測試人員和工程師同時測試多個飛機平臺， 為F-35和其他裝備開發(fā)高保真模型和模擬環(huán)境， 提供全新的飛機測試方法。 將LVC技術(shù)用于裝備測試后， 把數(shù)字化手段、 地面模擬器和真實裝備相結(jié)合可以模擬出傳統(tǒng)裝備方法必須用大量實裝才能得到的試驗效果。 利用這種LVC環(huán)境的測試潛力非常大， LVC技術(shù)可以模擬全球某個密集威脅環(huán)境， 可以將其仿真場景用于驗證、 測試和評估， 也可以進行作戰(zhàn)訓練[14]。

F-35強調(diào)根據(jù)合同規(guī)范驗證系統(tǒng)能力， 約43%的測試任務將在F-35實驗室中進行。 JSE不是F-35的專用環(huán)境， 而是一個通用的測試環(huán)境。 JSE需要支持大范圍作戰(zhàn)場景， 可接入大量的真實裝備， 可模擬復雜任務， 可支持極高的保真度， 可完成前所未有的全面驗證評估。 美軍的兩套JSE已經(jīng)開始建設， 預計2023年達到初始作戰(zhàn)能力。

4 結(jié) 束 語

實戰(zhàn)化訓練領域不斷成熟， 新的訓練技術(shù)在融入并豐富訓練場， 為軍方提供更逼真、 更嚴格的訓練環(huán)境。 盡管讓LVC技術(shù)顛覆現(xiàn)有實裝訓練架構(gòu)還為時過早， 但一定比例的虛擬和構(gòu)造仿真繼續(xù)被有計劃地推廣到實戰(zhàn)訓練中， 將傳統(tǒng)實戰(zhàn)訓練進一步帶入LVC環(huán)境中。 這種虛實結(jié)合的試訓方法是外場試訓的一種增強和補充， 在一定程度上緩解了可用空域不足的問題， 能夠有效模擬在外場中無法模擬的高級威脅環(huán)境以及其他大量的敵我雙方實體， 對裝備開展全面、 充分的測試驗證。 未來， 美軍還將繼續(xù)挖掘LVC技術(shù)在軍事中的巨大作用， 以實戰(zhàn)化演訓為前提， 以建模仿真為核心， 以安全高效為目標， 將仿真訓練作為提升戰(zhàn)備能力， 促進部隊現(xiàn)代化、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段。

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Research on Development and Application of

LVC Simulation Technology in US

He Xiaoxiao1， Wang Binghan2*

（1. Aviation Industry Development Research Center， Beijing 100029，China;

2. Unit 95910 of PLA， Jiuquan 735000，China）

Abstract： With the rapid growth of aviation joint combat training and aviation equipment combat test requirements， LVC simulation technology presents the trend of rapid technological progress and frequent demonstration and verification. Military and industrial departments at home and abroad continue to study LVC related technologies. By taking advantage of LVC technology in improving scene fidelity， cost-effectiveness ratio and security， LVC can play a greater role in the military field. In terms of analyzing the requirements and development characteristics of LVC technology， the paper comprehensively combs the development status of joint training and related combat tests of aviation soldiers based on LVC technology. Combined with the research basis and deployment in foreign related fields， the development characteristics and development trend of LVC technology in? US are summarized.

Key words： LVC; air combat training; operational test; flight simulator; aviation; simulation technology