中国指挥与控制学会会刊 
1 美军训练系统发展现状
美军对训练系统建设高度重视,在建设过程中,通过自上而下设计,创建了各军兵种统一的LVC集成架构,架构覆盖实兵和模拟器的通用标准(SCARS)和用于构造环境仿真的接口标准(SEDRIS),规范各军兵种训练系统采用统一标准,形成实兵-虚拟-构造一体的训练环境,实现不同专业、不同平台和不同层次系统的统一集成[3]。
1.1 美海军嵌入式训练系统(OBTS)
美海军嵌入式训练系统(Onboard Embedded Training System,OBTS)是一种嵌入水面舰艇战斗系统内部的训练系统。搭载这种嵌入式训练系统(OBTS)允许受训者在舰上使用真实装备进行训练,且不依赖于岸基资源[6]。这样做有以下优点:
•相较于传统实兵演习,具有较高的安全性和较低的训练成本;
•可以生成不同想定情况下的战场环境,满足不同任务的训练需求;
•嵌入战斗系统的模式,可增加训练的真实感;
•OBTS应与其他舰艇的OBTS系统协同使用,以提供联合编队训练;
•能够提供高效的海上混合训练。
截至目前,OBTS嵌入式训练系统的典型代表是美海军作战战术训练系统(BFTT)。
美海军作战战术训练系统BFTT(Battle Force Tactical Trainer)是由Naval Sea System Command 于1992年组织开发,系统由岸基、舰载、通信三部分组成。岸基部分由想定开发、导调控制、裁决、讲评等工具组成,为分布式训练提供想定分发和演练总控。该部分内容2004年被联合半自动兵力JSAF(Joint Semi-Automatic Force)所代替。舰载部分基于美军舰宙斯盾作战系统实装,通过舰载模拟设备产生虚拟训练环境,带动全舰进行对岸、对海、对空、反潜等战术训练。无线通信网络则可以将不同地域的舰艇、潜艇连接起来进行合同训练[7]。这种训练方式费效比较低,训练场景丰富,能够满足受训人员对不同科目训练的需求,现阶段在美军训练中广泛使用。
1.2 美军空战训练系统(SLATE)
美军空战训练系统SLATE(Secure LVC Advanced Training Environment),实际上是利用“真实(Live)-虚拟(Virtual)-构造(Constructive)”(简称LVC)技术,通过加载在作战飞机的训练吊舱,创建真实、复杂的训练场景,为美军作战飞机(目前主要是四代机)开展日常训练提供更加专业、更贴近实战的蓝军训练环境[8]。训练中,通过利用数据链网络,实现不同地域飞行训练模拟器与真实飞机建网训练。
目前,美军还正在进行五代机F-35嵌入式P5训练系统的测试工作。P5训练系统是美军SLATE空战训练系统的机载端部分,用于接入美军现有的SLATE训练环境,实现F-35与四代机利用SLATE训练系统进行对抗训练。P5训练系统是由机载子系统和地面站子系统组成,机载子系统用来收集飞行数据,地面站用来提供实时运动控制和任务结束总结。该训练系统有效地解决了美军四代机、五代机训练中蓝军数量受限、潜在对手作战平台和武器装备构设不真实、训练环境场景不丰富以及各战机协同对抗训练组织难的问题。
2 军事训练需求分析
2.1 新时期水面舰艇军事训练需求
随着新的信息技术在军事领域中不断应用,海上作战样式不断发生变化,水面舰艇军事训练有了新的特点和方向,总的来看,新时期水面舰艇军事训练主要有以下四个方面需求。
一是需要满足复杂电磁环境训练。复杂电磁环境已经成为信息对抗作战的主要特征,能否构建复杂电磁环境是提高水面舰艇军事训练效益的关键。复杂电磁环境下舰艇军事训练,是指以电子对抗条件下指挥信息系统训练和实际使用武器训练为重点,构建近似实战的复杂电磁环境,以提高海军舰艇信息化条件下综合作战能力为目的的训练。
二是需要突出编队体系对抗训练。网络一体化作战将成为未来军事斗争的主要形式,以舰艇编队为主的体系对抗训练将是未来重要发展方向。在训练内容上突出整体协同训练,在训练效果上强调对编队内所有传感器、软硬武器等平台资源的综合运用,提高编队整体作战能力。
三是需要具有真实的训练环境。所谓训练环境真实,主要体现在构设的战场环境真实、模拟的作战对手真实以及具有真实的操作环境三个方面。现代海战场作战环境越来越复杂,作战对手的作战样式越来越丰富,能否建立符合真实作战情况下的战场环境模型、兵力装备模型以及兵力相关作战行动模型是提高训练环境真实程度、提升训练效果的重要保证。组织水面舰艇军事训练需要根据信息化条件下海上作战的特点,满足训练环境贴近真实作战环境的基本要求。具体表现为训练中战场环境模型逼真,作战对手真实,虚拟蓝军攻击手段多样、作战想定丰富,对抗激烈等特点。同时,组织训练应尽可能基于实装,使受训人员具有真实的实装操作环境,提高训练效果。
四是能够带动多地域的训练资源。未来水面舰艇军事训练将呈现异地分布的特点,为了更好地组织不同地域兵力进行训练,一是需要具有远程通信技术保障,二是需要运用综合集成技术建立同一架构,将分布在不同地方的实装兵力平台、模拟仿真训练系统等训练资源连接在一起,形成一个广域训练环境,实现更多兵力进行协同训练[9]。
2.2 虚实结合(LVC)训练
虚实结合训练,是受训舰艇(实兵)与计算机生成兵力、半实物仿真兵力在一个虚拟空间交互的训练。
训练中需要有导演部和配训兵力。导演部对训练进行总体控制,完成训练中作战想定编辑与生成、计算机兵力生成、训练过程的导调与控制、兵力交战情况的实时裁决、训练状态监控、数据收集以及训练结束后总结讲评等工作。配训兵力是指配合受训舰艇进行训练的虚拟兵力,通常包括计算机生成兵力和半实物虚拟兵力[10],需要依据不同科目训练、不同作战对手、不同战场环境、不同作战方案进行配置。
下面以编队防空反导训练为例,对虚实结合训练进行描述,图1 为虚实结合训练概念示意图。舰艇1和舰艇2是受训舰艇,其中舰艇1也是导演部所在舰艇,通过舰载编队模拟设备对训练实施导调控制。舰艇3(红方)、E-2C预警机(蓝方)、EA-18G电子战飞机(蓝方)、F-16战斗机(蓝方)为计算机生成的配训兵力。“捕鲸叉”反舰导弹为半实物仿真的配训兵力。受训舰艇1和舰艇2通过指令驱动嵌入其作战系统内部的模拟器完成对配训兵力的感知和交互。所有虚实兵力在虚实融合联邦(HLA高层体系结构)内的虚拟空间进行交互。
要想实现这样的训练,从体系架构上来看,构建虚实结合的水面舰艇战术训练系统需要包括三个部分,即综合导调控制系统、舰载嵌入式终端和战术训练网络。
综合导调控制系统是导调人员掌握综合战场态势,实施导调控制的有效途径,是所有虚实兵力完成交互对抗的仿真环境支撑,是融合虚实兵力态势信息、完成训练资源统一调配、实现对训练活动全程控制的重要保证。
舰载嵌入式终端是指嵌入舰艇内部的各模块终端,终端通常会嵌入传感器系统、武器系统和导航系统,在接收指令后对各系统进行激励,可让受训舰艇有效地感知战场各兵力状态与行为的变化,模拟不同时刻软硬武器的使用情况,对舰艇的位置、航向、航速等导航信息进行仿真,实现战场虚实兵力的交互,完成不同作战空间的转换,它是实装舰艇进行虚实结合训练的关键。
战术训练网络则是为训练数据在不同受训舰艇之间、受训舰艇各系统内部的传输提供重要支撑。
3 系统能力需求分析
针对未来水面舰艇军事训练特点,为了更好地满足基于虚实结合的训练要求,水面舰艇战术训练系统应该具有什么样的能力是构建需要着重考虑的问题。下面从系统基本性能、基础服务能力和综合业务能力三个方面对系统进行需求分析。图2 为系统能力需求体系框架。
3.1 基本性能需求
从训练对象、训练内容、训练模式、训练环境、训练形式和配训兵力六个方面对系统基本功能进行分析。
在训练对象上,系统应该满足带动各级指挥员、岗位操作手等多层级人员训练。在训练内容上,根据水面舰艇的使命任务,满足对空、对海、对潜以及对岸等战术训练,尤其是要满足在复杂电磁环境条件下的训练需求。在训练模式上,满足受训舰艇既可以进行单舰艇训练,也可以与不同地域的舰艇一起进行虚实结合的编队体系对抗训练。在训练环境上,能够提供不同训练海域、自然环境(水深、海况、气象等海上条件)和复杂电磁环境下的训练。在训练形式上,既可以实现受训舰艇在驻泊地训练,也可以满足海上航行状态中进行训练的要求。在配训兵力上,需要满足对潜在作战对手现役兵力及其作战样式、“代差级”武器装备以及未来新型作战力量模拟的要求。
3.2 基础服务能力需求分析
基础服务能力是水面舰艇编队战术训练系统运行的有力支撑,是组织编队对抗训练的根本保障。从满足受训舰艇进行虚实结合训练的要求来看,系统应该为训练提供以下四个方面的服务。
1)运行环境基础服务
组织异地分布的实装舰艇进行虚实结合训练,首先需要建立统一的运行环境,运行环境需要有统一的交互规则、交互对象模型模板(Object Model Template, OMT)、时统服务以及联邦运行支撑环境(Run-Time Infrastructure, RTI)。运行支撑环境RTI可对整个训练中联邦成员之间接口标准进行规范,完成联邦管理、对象管理、所有权管理、声明管理、时间管理以及数据分发管理六种管理服务,实现联邦内部成员之间互操作行为。虚实兵力可以作为联邦成员通过发布/订阅的方式实现彼此之间的交互[11-12],从而解决所有虚实兵力的交互问题,实现真实兵力与虚拟兵力之间、各虚拟兵力之间的正常感知和对抗。
2)数据传输基础服务
一是数据互联互通服务。组织多舰艇进行虚实结合训练,需要解决实装舰艇、计算机推演模拟、半实物仿真等系统异构性问题,建立统一的内部技术体系和标准规范,解决数据格式不同、内部数据通信的协议不一致引发的冲突,实现多种异构技术体系结构之间的转换[13]。
二是数据实时传输服务。为了保证训练有序开展,需要通信链路提供实时、有效、可靠的数据传输保障。在数据传输方式上可采用多种通信手段,能够进行自动优化设置,实现通信链路的合理使用,保证重要数据传输的实时可靠。
三是数据安全传输服务。为了提高训练数据传输的安全性,需要在数据的发送与接收端进行加密与解密处理,数据收发终端需要进行相关加/解密设备的加装,实现对训练数据安全传输。
3)舰艇嵌入式终端硬件支撑服务
舰艇嵌入式终端是嵌入舰艇战斗系统的激励器,它是虚实结合训练中所有虚实兵力交互信息的末梢执行终端,是操作真实装备进行虚拟仿真训练的硬件环境支撑。从功能和需求上,应包括数据收发设备、激励模块终端和接口设备三部分。
一是数据收发设备。设备既可以接收综合导调控制系统的指令,驱动嵌入作战系统内部的各嵌入式激励模块,使受训舰艇实现对目标的感知与对抗,也可以实时采集受训舰艇的动静态信息,发送至导调控制系统,实现对受训舰艇的训练数据采集、实时监控及交战裁决。
二是嵌入作战系统的各激励模块终端。模块需要嵌入舰艇内部各传感器、武器系统及导航设备。模块激励传感器产生相应战场态势信息,完成战场态势感知,激励武器系统产生武器使用效果,模拟武器使用,激励导航系统产生舰艇导航信息,实现不同海域、不同航行情况的训练。
三是接口设备。需要提供数据收发设备与各激励模块、各激励模块与相应系统的数据交换接口,完成训练数据的转换交互。
4)模型数据基础服务
模型数据是运用训练系统组织虚实结合训练的基础,能否很好地建立符合真实作战情况下的战场环境模型、兵力及相关作战行动模型是提高训练环境真实程度、提升训练效果的重要保证。
①战场环境模型
战场环境模型是特定战场空间中仿真实体和关系的抽象[14]。建立的模型数据需要从两方面考虑,一是战场环境仿真实体,二是战场环境仿真实体同其他仿真实体之间的关系。
考虑水面舰艇主要是基于海上作战,仿真实体环境因素主要包括海洋环境、大气环境以及电磁环境。海洋环境因素主要有海水水深、温度、盐度、密度,海面状态(海风、浪情况)等。大气环境因素主要有海上风力大小、能见度、大气压、大气湿度以及云、雾、降雨等。电磁环境因素主要是指某特定的战场空间中电磁信号密度、类型、频域范围以及各辐射源信号在四域(时域、频域、能域、空域)中相互重叠,动态变化的电磁态势[14]。
战场环境对舰艇传感器、软硬武器、通信等装备作战效能有重要的影响,建立仿真实体模型需要考虑不同环境下其与其他军事仿真实体(传感器、武器装备)之间的相互关系,有效建立不同战场环境下兵力作战性能模型是提升训练环境逼真度的关键。
②作战兵力及作战行动模型
作战兵力模型整体上应该涵盖各类水面舰艇、潜艇、作战飞机等海上作战兵力,兵力的模型既要满足作战兵力各传感器、通信设备、软硬武器等平台的战技性能要求,也要符合其应对不同作战场景和作战任务而进行的一系列战术动作。其在类型上,既要包括己方作战兵力模型,也要有不同作战对手兵力模型。己方兵力模型是针对己方作战兵力而言的,它反映的是对己方兵力作战能力的有效模拟,模型的真实程度往往会影响整个作战的结果。对手兵力模型则是针对潜在作战对手,用于受训舰艇与不同作战对手开展兵力对抗,解决实兵演习无法满足与不同作战对手对抗的问题[15]。
3.3 综合业务能力需求分析
为了更好地支撑训练,从系统组训支持能力、配训支持能力、虚实结合能力、综合战术训练网络保障能力四个方面进行系统综合业务能力需求分析。
1)组训支持能力
①导调控制功能
导调控制系统是训练过程中融合信息、调配资源、掌握进程的“大脑”,是水面舰艇战术训练系统的核心。其功能应该满足以下五个方面:一是可实现演练方案和演练环境的准确布置,对演练全进程中可实时进行导调干预;二是支持演练数据的管理,可实现这些数据的录入、修改、删除、存储、查询等功能;三是能够对参训兵力(包括虚拟兵力)及兵力行动进行指挥控制;四是可实现对计算机仿真过程的控制,包括模型的加载、仿真步长的设定以及仿真开始、暂停、继续、结束等功能;五是可实现时间一致性管理和数据分发有效管理,确保演练中事件发生的逻辑准确。
②训练监控功能
训练监控是实现对训练过程控制的前提所在。其一是能够对训练中各虚实兵力的态势情况进行监控。整个战场态势的监控能给导演部提供各兵力行动的信息,方便其对演练进程进行掌控。二是对训练过程中指挥命令、兵力行动以及实装操作信息的实时监控,便于后期进行训练效果分析评估。
③训练数据采集与效果评估功能
演练过程中需要对训练数据进行实时采集并存储,为后期系统进行分析评估提供数据支撑。数据采集的内容应包括虚实兵力交互信息、指挥命令、实装操作以及文电类信息等数据。训练效果评估主要是利用数据库内的训练数据,对训练效果进行评估并给出训练成绩。
④交战裁决功能
交战裁决是指对兵力交互过程中的态势感知、软硬武器对抗等交战行为的时效性、准确性进行裁决,能够对作战行动中兵力战损、伤亡、战斗力等信息进行准确判定。事后可对训练中作战指挥、作战行动、战损情况以及战损原因进行分析并反馈结果。
2)配训支持能力
①兵力及战场环境模拟能力。为了更好地提高参训人员训练水平,需要系统对战场环境、作战兵力及其相关作战行动具有较好的模拟能力。尤其是在虚拟兵力及其行动模型建立、虚实兵力的对抗裁决以及复杂电磁环境的构设等方面满足高逼真度的要求。
②综合配训支持能力。主要是指为参训兵力提供对不同训练内容的能力。为了满足不同训练内容、不同对象的需要,系统可对实装设备与仿真资源进行灵活配置。根据具体的训练任务,调取作战想定库、兵力模型库、作战行动模型库以及战场环境库等数据库内部的信息,完成作战想定生成、兵力行动设置和战场环境加载。利用导调、裁决、评估等工具,通过设置裁判规则、评估标准等内容,实现对训练过程的导调干预、战果裁决和训练评估[16]。
③作战仿真推演能力。主要是指利用计算机仿真技术对虚实兵力对抗推演模拟的能力。主要包括对抗过程模拟的逼真度、仿真推演综合态势显示、仿真推演过程控制以及仿真推演综合态势输出等能力。它是虚实兵力在虚拟战场空间交互的真实体现,是组训人员对虚拟战场综合态势准确掌握的有效途径。
④综合态势信息管理能力,主要是指虚实结合训练中导调控制系统对各态势信息的收集、处理、综合显示以及分发管理等能力。
3)虚实交互能力
为了更好地满足虚实结合训练的要求,系统需要解决虚实兵力态势融合、虚实兵力互感互抗以及受训舰艇对虚实兵力指挥等问题。
①虚实态势融合能力
训练过程中,真实兵力存在于真实战场空间中,而虚拟兵力存在于虚拟战场空间中,为便于导演部对综合态势的掌握,需要系统能够提供具有时空一致性的虚实兵力交互空间,形成统一的战场态势,以便导调人员进行导调干预,实现虚实兵力的交战裁决。
②虚实兵力交互
虚实兵力交互是水面舰艇战术训练系统的重要内容,是实现虚实结合训练的重要保障。交互主要包括虚实兵力相互感知、相互对抗以及受训兵力对虚实兵力的统一指挥。
虚实兵力互感互抗能力,是指使虚实兵力相互感知对方位置、作战行动等动静态信息以及模拟对抗过程的能力。解决训练中真实兵力与虚拟兵力不在同一空间带来的感知、对抗问题。受训兵力对虚实兵力的统一指挥,是指训练中受训舰艇对其所属虚实兵力统一指挥。
4)综合战术训练网络保障能力
组织水面舰艇进行战术训练,训练网络是根本保障,运行的环境主要可分为两部分:舰艇内部网络和无线通信链路。
①舰艇内部网络保障能力
为满足舰艇内部训练操作流程、指挥流程与实际作战流程一致性的要求,需要将舰艇指挥控制系统、各嵌入模块终端、收发控制终端通过内部网络连接在一起,确保训练各环节的真实性。
②无线通信链路保障能力
虚实结合训练中,导演部与各受训舰艇之间、各受训舰艇之间需要进行数据的实时交互,分布式各参训节点需要能够实时获取与其交互的实体数据,通信链路能否实现数据可靠、低延迟性的传输是有效开展训练的基础保障。无线通信链路应当具备以下能力:
•可以实现所有分布式受训节点能够通过网络进行训练数据交互;
•通信链路需要宽带通信,可满足数据实时交互、高速传输的需求;
•数据误码率低,确保数据传输的准确性;
•优化可用带宽的利用率,能够最大限度地减少通信延迟;
•无线通信安全性高;
•可实现对通信链路的实时监控并根据实际情况进行调整;
•需要同舰艇内部网络互通,通过协议确保训练数据的传输。
③训练资源互联共享
训练中,由于指挥信息系统、计算机仿真系统、半实物模拟等系统在体系结构和标准规范上存在一定的差异,使得各个训练资源不能互联共享,为了能够带动更多的训练资源进行一体化联合训练,需要解决异地分布式仿真系统和舰艇指挥信息系统之间的异构问题,规范各训练系统之间的接口标准、数据格式与传输协议,实现不同系统之间的互联互通。一是提供标准的训练数据定义和接口标准规范,为不同系统之间交互奠定基础;二是提供通用的模型算法,实现在相同输入情况下输出结果的一致性;三是提供训练支撑平台,支持不同训练资源动态接入和分布式交互;四是提供统一的注册和发布机制,实现训练资源之间时空一致性的交互。
4 结束语
为了有效提升水面舰艇军事训练效益,本文研究了美军训练系统的特点和发展现状,针对未来军事训练的特点要求,提出构建基于虚实结合的水面舰艇战术训练系统的需求。从基本性能、基础服务能力和综合业务能力三个方面,分析训练系统应具备的能力。为适应新时期军事训练变革需要,构建虚实一体的水面舰艇训练系统提供一定的借鉴。