陳 云，王 磊，劉榮林

(1. 天津七一二通信廣播股份有限公司，天津 300462；2. 陸軍裝備部航空軍事代表局駐天津地區(qū)航空軍事代表室，天津 300462)

1 引言

近年來，隨著世界各國軍隊(duì)軍事訓(xùn)練轉(zhuǎn)型不斷深入，實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練水平已經(jīng)成為衡量當(dāng)代軍事強(qiáng)國的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。軍隊(duì)的實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練著眼信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)，通過組織實(shí)戰(zhàn)環(huán)境對抗演練、融合集成訓(xùn)練方法、強(qiáng)化心理素質(zhì)訓(xùn)練和科學(xué)規(guī)范考核評估等途徑，著力構(gòu)建貼近實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練條件和環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)熟悉作戰(zhàn)預(yù)案、檢驗(yàn)武器性能、演練戰(zhàn)法效果和提升作戰(zhàn)效能等多重目的。

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展及實(shí)戰(zhàn)化的訓(xùn)練要求，傳統(tǒng)訓(xùn)練模擬設(shè)備和軍事模擬系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足飛行部隊(duì)的訓(xùn)練需求，嵌入式訓(xùn)練設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。通過機(jī)上加裝嵌入式訓(xùn)練設(shè)備，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)目標(biāo)虛擬、武器仿真、導(dǎo)彈擊中評估、訓(xùn)練監(jiān)控等功能，可以隨時(shí)隨地開展“實(shí)”對“虛”、“實(shí)”對“實(shí)”對抗訓(xùn)練，最大程度的貼近實(shí)戰(zhàn)場景，提高空戰(zhàn)技戰(zhàn)術(shù)水平。

目前，嵌入式訓(xùn)練已成為各國軍事飛行訓(xùn)練的首選方式，本文基于某型戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

2 嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)分類

根據(jù)嵌入形式的差異，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)主要分為獨(dú)立式、集成式及混合式三種架構(gòu)，其中：

a) 獨(dú)立式

獨(dú)立式訓(xùn)練系統(tǒng)與航電系統(tǒng)彼此獨(dú)立，沒有任何隸屬關(guān)系。嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)、視頻等總線與機(jī)上其它系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行交聯(lián)。獨(dú)立式架構(gòu)主要應(yīng)用于成品飛機(jī)，在保持原機(jī)構(gòu)造條件下，采用附加部件方式來增加相應(yīng)訓(xùn)練功能。

b) 集成式

集成式訓(xùn)練系統(tǒng)隸屬于航電系統(tǒng)，在航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)既充分考慮訓(xùn)練功能設(shè)計(jì)。集成式訓(xùn)練系統(tǒng)與航電系統(tǒng)高度集成，聯(lián)系緊密，顯示與訓(xùn)練效果更逼真，為當(dāng)前主流嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)。

c) 混合式

混合式訓(xùn)練系統(tǒng)為部分采用獨(dú)立式或集成式的設(shè)計(jì)方法，在既有航電系統(tǒng)條件下，增加其訓(xùn)練功能。

本文研究對象為已交付飛機(jī)，綜合考慮研制成本、研制風(fēng)險(xiǎn)和研制進(jìn)度等多方面因素，該機(jī)型采用獨(dú)立式訓(xùn)練架構(gòu)設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 獨(dú)立式架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 嵌訓(xùn)功能需求分析

在嵌入式訓(xùn)練中，為確保實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練目的，雷達(dá)、光雷等傳感器操作、攻擊武器選擇、防御戰(zhàn)術(shù)等元素需與實(shí)戰(zhàn)環(huán)境保持高度一致。同時(shí)，盡量確保訓(xùn)練安全和訓(xùn)練水平的科學(xué)評估也十分重要。因此，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)訓(xùn)練計(jì)劃的編輯及加載；

2)慣導(dǎo)、雷達(dá)、武器狀態(tài)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)及傳輸；

3)虛擬目標(biāo)場景模擬；

4)虛擬武器仿真及攻擊實(shí)時(shí)評估；

5)空地?zé)o線通信鏈路的組網(wǎng)；

6)飛機(jī)作戰(zhàn)訓(xùn)練狀態(tài)地面實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 加裝嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)可行性分析

本文主要從以下三個(gè)方面對該機(jī)型加裝嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析：

a) 航電系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)

航電系統(tǒng)采用三總線結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行飛行、作戰(zhàn)及武器數(shù)據(jù)傳輸，三者分工明確，便于嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的擴(kuò)展。嵌入式訓(xùn)練機(jī)載分系統(tǒng)作為BM掛載于三條總線，實(shí)時(shí)監(jiān)控總線數(shù)據(jù)。

b) 按鍵設(shè)計(jì)

航電綜合控制板上豐富的按鍵冗余設(shè)計(jì)，便于在保持飛行員操作習(xí)慣的基礎(chǔ)上增加嵌入式訓(xùn)練功能啟動(dòng)按鍵。

c) POP設(shè)計(jì)

在既有的多功能顯示器上僅增加嵌入式訓(xùn)練POP界面即可，無需更改其它頁面。

4.2 系統(tǒng)組成及功能劃分

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與航電系統(tǒng)設(shè)備交聯(lián)關(guān)系如圖2所示：

圖2 ETS與航電系統(tǒng)設(shè)備交聯(lián)關(guān)系圖

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)主要由嵌入式訓(xùn)練機(jī)載分系統(tǒng)(ETAS)、無線通信分系統(tǒng)(WCS)以及地面實(shí)時(shí)監(jiān)控分系統(tǒng)(GMS)三部分組成，其中：

a) 嵌入式訓(xùn)練機(jī)載分系統(tǒng)

嵌入式訓(xùn)練機(jī)載分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成飛機(jī)作戰(zhàn)訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集和記錄、武器仿真、訓(xùn)練實(shí)時(shí)評估功能，其內(nèi)部設(shè)備組成如圖3所示。

圖3 嵌入式訓(xùn)練機(jī)載分系統(tǒng)內(nèi)部組成圖

數(shù)據(jù)采集器作為RT及BM雙重角色接入航電系統(tǒng)總線。RT時(shí)，實(shí)時(shí)響應(yīng)MMP的訓(xùn)練計(jì)劃加載、訓(xùn)練參數(shù)修改指令，并實(shí)時(shí)上報(bào)空地組網(wǎng)狀態(tài)至MMP；BM時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控總線數(shù)據(jù)并按需采集作戰(zhàn)訓(xùn)練相關(guān)信息，如：飛機(jī)位置信息，飛行姿態(tài)信息，武器準(zhǔn)備、發(fā)射、制導(dǎo)信息。

數(shù)據(jù)記錄器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，便于訓(xùn)練結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

虛擬目標(biāo)生成器主要完成空中虛擬目標(biāo)場景的模擬，如：虛擬飛機(jī)進(jìn)入的位置，飛行姿態(tài)，虛擬目標(biāo)的作戰(zhàn)角色。

武器仿真評估器主要完成虛擬武器全生命周期的模擬功能和實(shí)時(shí)攻擊效果評估功能。

b) 無線通信分系統(tǒng)

無線通信分系統(tǒng)負(fù)責(zé)飛機(jī)與地面指揮所之間的數(shù)據(jù)加解密和組網(wǎng)通信功能，內(nèi)部設(shè)備組成如圖4所示。

圖4 無線通信分系統(tǒng)組成圖

機(jī)載端機(jī)與地面站端機(jī)之間采用固定頻段的無線電波進(jìn)行組網(wǎng)通信。機(jī)載端機(jī)負(fù)責(zé)將雷達(dá)狀態(tài)、飛行姿態(tài)、燃油量等數(shù)據(jù)通過機(jī)載天線發(fā)射出去，地面站端機(jī)通過地面天線接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸至地面實(shí)時(shí)監(jiān)控分系統(tǒng)。

c) 地面實(shí)時(shí)監(jiān)控分系統(tǒng)

地面實(shí)時(shí)監(jiān)控分系統(tǒng)以三維動(dòng)畫的方式將飛機(jī)位置、飛行航姿、雷達(dá)狀態(tài)、目標(biāo)鎖定狀態(tài)、導(dǎo)彈飛行軌跡等信息實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控界面，便于指揮員直觀了解當(dāng)前飛行員的操作，并實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)狀態(tài)、告警信息的有效監(jiān)控。

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的接口通信方式和數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)流圖

4.3 嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)使用分析

嵌入式訓(xùn)練主要分為訓(xùn)練準(zhǔn)備、訓(xùn)練啟動(dòng)、目標(biāo)捕捉、攻擊實(shí)施四個(gè)階段：

起飛前，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)定并加載訓(xùn)練計(jì)劃、組網(wǎng)通信、虛擬目標(biāo)等參數(shù)至嵌入式訓(xùn)練機(jī)載分系統(tǒng)。

b) 訓(xùn)練啟動(dòng)

飛機(jī)升空并飛行至訓(xùn)練空域后，飛行員操作嵌入式訓(xùn)練顯控畫面，對訓(xùn)練計(jì)劃、工作波道以及虛擬目標(biāo)生成功能進(jìn)行選擇并確認(rèn)后，啟動(dòng)嵌入式訓(xùn)練。

c) 目標(biāo)捕捉

訓(xùn)練開始后，如圖6 中訓(xùn)練場景一所示，虛擬目標(biāo)生成器生成一架虛擬飛機(jī)。飛行員練習(xí)目標(biāo)探測、追蹤和截獲操作。

圖6 嵌入式訓(xùn)練場景圖

d) 攻擊實(shí)施

截獲目標(biāo)后，如圖6 中訓(xùn)練場景二所示，飛行員進(jìn)行武器選擇、攻擊實(shí)施、武器制導(dǎo)等練習(xí)。武器仿真評估器完成武器仿真、目標(biāo)匹配、彈道模擬以及攻擊結(jié)果實(shí)時(shí)評估。

訓(xùn)練全程，數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)將飛機(jī)狀態(tài)、飛行姿態(tài)、雷達(dá)狀態(tài)、武器彈道、殺傷結(jié)果等信息傳輸至地面指揮所。指揮員對飛行員飛行水平、作戰(zhàn)能力一目了然，可以客觀科學(xué)地給出訓(xùn)練評估。通過回放功能，飛行員可以直觀了解自己的不足之處，以便采取針對性訓(xùn)練措施，提高實(shí)戰(zhàn)水平。

“游之”“記之”是對物象特征的記錄、記憶，“悟之”則是對事物的分析、思考和概括提煉，需要去蕪存精，深思熟慮，由表面而及本質(zhì)，去立意，去構(gòu)思，“意在筆先”“胸有成竹”如此而達(dá)到開悟的境界。

4.4 關(guān)鍵技術(shù)

該機(jī)型嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：

a) 嵌入式技術(shù)

如何在即有成熟穩(wěn)定航電系統(tǒng)架構(gòu)戰(zhàn)機(jī)上合理嵌入訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)備是該型機(jī)加裝嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。需要對設(shè)備安裝位置、外形尺寸特征、重量約束條件、線纜長度及布局、電磁兼容性、易安裝維護(hù)性等諸多方面進(jìn)行反復(fù)推敲及充分論證，結(jié)合整機(jī)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)、可靠性、適應(yīng)性、可維護(hù)性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練系統(tǒng)與航電系統(tǒng)的完美結(jié)合，在不影響既有航電系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，保證訓(xùn)練系統(tǒng)可靠、高效地執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)。

b) 訓(xùn)練信息交互技術(shù)

嵌入式訓(xùn)練功能本質(zhì)上是戰(zhàn)機(jī)實(shí)裝航電系統(tǒng)設(shè)備與嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)備之間飛行航姿、空間位置、雷達(dá)工作狀態(tài)、武器彈道、電子干擾等信息數(shù)據(jù)的交互通信。因此，航電系統(tǒng)與嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)之間的交互通道必須安全可靠，交互數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)快捷。訓(xùn)練信息交互技術(shù)主要涉及通信接口設(shè)計(jì)，交互數(shù)據(jù)協(xié)議制定，數(shù)據(jù)傳輸可靠性及實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，是訓(xùn)練信息采集、處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)的綜合。

c) 虛擬目標(biāo)生成技術(shù)

為貼近實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練，生成的虛擬目標(biāo)飛行、機(jī)動(dòng)等各方面性能必須貼近真實(shí)飛機(jī)，且具備一定的智能水平，且飛行、規(guī)避等動(dòng)作的設(shè)計(jì)算法必須精確。虛擬目標(biāo)生成軟件啟動(dòng)后，根據(jù)加載目標(biāo)數(shù)量、初始位置、尺寸、攜帶武器參數(shù)，在指定區(qū)域生成目標(biāo)飛機(jī)；根據(jù)加載飛行方式及特性參數(shù)，進(jìn)行直線、圓形、8字或者橢圓形軌跡飛行仿真；根據(jù)加載智能水平參數(shù)，模擬單純靶機(jī)、具備逃逸能力靶機(jī)、具備逃逸及攻擊能力靶機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。虛擬目標(biāo)生成軟件周期傳輸目標(biāo)機(jī)位置、航姿、速度等信息至機(jī)載雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，用于目標(biāo)探測、追蹤和截獲訓(xùn)練；至武器仿真評估器，用于目標(biāo)匹配及攻擊結(jié)果實(shí)時(shí)評估。虛擬目標(biāo)生成技術(shù)是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、人工智能和仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

d) 武器仿真

武器仿真技術(shù)主要是構(gòu)建該型機(jī)可攜帶各種武器的數(shù)學(xué)模型，輸出武器彈道數(shù)據(jù)，進(jìn)行武器仿真。為保證嵌入式訓(xùn)練的攻擊效果無限貼近實(shí)際結(jié)果，武器的有效攻擊范圍、工作方式、彈道解算周期等武器模型的算法必須盡可能的與真實(shí)武器的性能水平保持一致。武器仿真算法基于各種真實(shí)武器的工作特性，結(jié)合CPU運(yùn)算處理能力及嵌入式訓(xùn)練實(shí)際需求，建立真實(shí)武器軟件模型，需要不斷迭代驗(yàn)證，提高模型的真實(shí)性和可用性。

e) 攻擊效果實(shí)時(shí)評估

攻擊效果實(shí)時(shí)評估技術(shù)是對戰(zhàn)機(jī)飛行員訓(xùn)練過程中戰(zhàn)術(shù)選擇、戰(zhàn)機(jī)把握能力做出的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的評判。因此，評估算法的設(shè)計(jì)必須貼近實(shí)際，準(zhǔn)確可信。實(shí)戰(zhàn)中，武器殺傷結(jié)果涉及武器性能、飛機(jī)航姿、彈目距離等多方面因素，嵌入式訓(xùn)練攻擊效果實(shí)時(shí)評估時(shí)，需要充分考慮這些因素的影響，保證評估與實(shí)戰(zhàn)結(jié)果相一致。不同武器、不同攻擊位置、不同攻擊距離、被攻擊機(jī)的不同防御操作都直接作用到攻擊效果，實(shí)時(shí)評估算法針對上述各種情況的組合，需要反復(fù)驗(yàn)證，不斷優(yōu)化，提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。

f) 無線組網(wǎng)通信

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及實(shí)時(shí)性，以及后續(xù)多機(jī)聯(lián)合訓(xùn)練的可擴(kuò)展性，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容、封裝格式、傳輸周期、重傳機(jī)制，必須結(jié)合航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)層面的統(tǒng)籌策劃，給出合理設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方式。在充分考慮后續(xù)多機(jī)、多地面站聯(lián)合協(xié)同訓(xùn)練場景需求的基礎(chǔ)上，該型機(jī)采用TDMA方式，劃分多個(gè)空空及地空時(shí)隙實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信；為了保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸，結(jié)合通信帶寬的要求，采取了事件、條件周期、周期相結(jié)合的傳輸方式，嚴(yán)格控制大數(shù)據(jù)量消息的傳輸頻率，同時(shí)引入了優(yōu)先級及重傳機(jī)制，保證重要消息的可靠傳輸。

5 結(jié)束語

本文通過對某機(jī)型加裝嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)需求和可行性進(jìn)行分析，給出嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、接口通信方式及通信數(shù)據(jù)流。原理樣機(jī)通過了航電系統(tǒng)地面綜合測試和空中飛行測試，證明設(shè)計(jì)已符合該機(jī)型加裝嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的要求。

隨著實(shí)戰(zhàn)化嵌入式訓(xùn)練的深入開展，可以預(yù)見在空軍全部機(jī)型之間，不同軍種之間都將開展聯(lián)合嵌入式訓(xùn)練，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)必將在部隊(duì)的日常訓(xùn)練中大顯神通，為高素質(zhì)、高水平作戰(zhàn)能力的軍隊(duì)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。