中国指挥与控制学会会刊 
航空兵分队模拟训练系统是一套以所仿真飞机型号为模拟对象,兼顾基础飞行技术训练和战术对抗训练的模拟训练系统。该系统主要由若干台仿真终端、教员控制台、综合信息显示系统(二维态势、三维态势、三方观察)、飞参再现系统、模拟塔台指挥系统、战术指控台以及其他辅助分系统等组成。系统中单台仿真终端不仅可以完成基本驾驶术训练,还可通过网络与其他仿真终端或系统互连,实现仿真终端之间以及与计算机生成兵力CGF之间的战术对抗训练。在战术训练方面,该系统能够满足飞行员熟悉战场环境,识别打击目标,进行小规模空空对抗和空面突击等训练任务的需要,可以实现复杂电磁环境下红蓝双方多人、多机、空地协同的对抗训练,解决了部队全要素训练的难题,有效提高飞行员的对抗作战能力[1]。系统的基本组成结构如图1 所示。
基于航空兵分队模拟训练系统的功能介绍与需求分析,需要对传统单机的飞行训练模拟器中的教员控制台进行重新设计与功能扩展,用于满足战术训练以及虚拟装备与实装相结合训练等方面的研制要求。
1 系统分析
1.1 功能要求
1)飞行训练设置。主要包括以下方面内容:① 飞行机场选择,选择起飞、降落、备降机场并对机场的相关参数进行设置;② 环境参数设置,包括风向、风速、云顶高、云低高、淡入距离、淡出距离、能见度、时间、天气情况、雨雪级别设置等方面;③ 武器挂载方案设置;④ 训练科目设置等方面。
2)数据实时显示。包括飞行参数和武器挂载数据、空情态势等方面。
3)训练过程仿真控制。包括起飞、冻结、解冻、复位、集合以及记录和重现等,能够对模拟器运行全过程进行精准控制。
4)特殊情况处置训练。能够根据驾驶守则中相应的特殊情况进行训练。
5)飞行成绩评定。按模拟飞行训练大纲中的相关要求和算法对飞行过程进行定性和定量的计算和分析,给出训练成绩。
6)系统检测与监控。负责仿真系统的开关机并对其运行状态进行监控,实现故障的报警、分析判断与隔离。
基于航空兵分队级可进行战术训练的教员控制台应该扩展及增加以下功能:
1)飞行训练模拟器的敌我属性及初始战术态势设置,即可灵活地对模拟器进行红蓝分组,利用空中集合等功能快速进行战术态势布势,便用于开展空空战术对抗,演练各种战术战法。
2)打击目标与威胁目标的设置。包括固定目标设置、移动目标设置(具体分为不同运动方式不同类型的地面目标及海上目标)、雷达辐射源、地面防空威胁设置等多种方式,便用开展空地突击训练。
3) 更加多样化的空战战术训练能力。以编队战术机动训练为例:提供根据计算机生成兵力(CGF)规划的、本机实际模拟飞行过程录制生成的数据以及跟随分队中的其他模拟器等方法开展灵活多样的编队机动训练。同时还具备与实装真实飞行参数交互的能力,包括在模拟器上实现用实装飞参驱动模拟器重现飞行过程,使用实装飞参驱动模拟器作为教练机或靶机,用其他模拟器尾随跟飞或攻击。
4) 进一步加强对训练数据的管理以及对数据的挖掘及分析。由于航空兵分队模拟训练系统内模拟器数量较多,每台模拟器又都是多个参训人员根据不同的训练科目在多个阶段、多次重复使用,在每次训练完毕后需要根据定性和定量的评估指标,开展训练评估。因此必须使用数据库对训练进行有效的数据管理,后续还可以通过对大量训练数据的深层次的分析和运用,有针对性、个性化的制定对每个参训人员的训练计划,进一步提升训练质量与效益。另外通过数据库还可以加入模拟器的使用时间与频次、维护保障信息等方面内容为后续的模拟器效能评价、经济性分析等方面提供准确的依据与支撑。
1.2 系统结构
下面对航空兵分队模拟训练系统教员控制台的建模与实现方法进行具体介绍,系统的模块结构设计如图2 所示。
1)配置模块,主要包括以下内容:①系统配置文件,主要包括系统IP地址,数据收发端口号,数据库登录密码等信息;②机场信息文件,主要包括机场的经纬度、标高、跑道角、磁差、跑道长等相关信息;③训练计划,主要包括每台模拟器的起飞机场、降落机场、武器挂载、环境参数、集合位置等信息。
2)飞行训练设置模块,包括飞行机场选择、综合战场环境参数设置、武器挂载方案设置、训练科目设置等多个功能部件,该模块中的多数功能部件根据配置模块进行初始化,也可以在运行时根据需要进行改变并自动或手动保存至相应的文件或数据库中,用于下次训练初始状态设置。
3)仿真控制模块,包括敌我属性设置、编队(单机)起飞、集合、冻结、解冻、复位、记忆、重现等功能。控制模块中的命令全部根据训练的实际需要由人工操作产生。
4)信息显示与监控模块,分为两个部分,第一部分为信息显示用于各个模拟器的状态数据;第二部分为监控整个大系统的运行状态以及异常处理。
5)通信模块,分为两接收与发送两个部分。①网络数据接收与分析功能部件,负责监听网络中传输的广播数据,判断并接收传输给本端口的广播数据,将实时接收到的每一帧数据。根据其数据类型进行解析,分解为飞机飞行数据、飞机特殊情况数据、碰撞数据、弹丸等模型数据,传递给相应的其他模块。②数据发送功能部件,负责将控制命令、生成或录制的虚拟目标数据发送到公网上,生成被打击的目标。
6)数据库模块,主要管理训练法规类、计划类、过程类以及模拟器自身相关数据;为训练情况统计、训练效果评价、模拟器使用与维护、效能及效益分析以及后续的进一步数据挖掘、分析等大数据应用提供有力支撑。
7)目标生成模块,根据训练科目需要,在空中生成各种类型及智能程度的CGF目标,CGF模型中包括人的行为决策模型,能够在一定程度实现上实现对抗训练。在地面、海面中虚拟生成各种不同类型的打击及威胁目标,并能够与飞参再现系统协作共同实现虚实结合训练。
8)管理模块,实施对教员控制台从启动到退出的整个运行过程的总体控制,协调与统领各个模块,保证系统在有序、可按的状态下稳定运行。系统的运行过程如图3 所示。
2 系统实现难点及对策
传统的单机飞行训练模拟器教员控制台系统作为子系统已经随着各个型号的飞行模拟器发展多年,相关技术较为成熟与可靠。以下着重从高效组织、管理以及实施训练任务的角度对航空兵分队模拟训练系统中由于模拟器的数量增加,训练方式方法发生变化等因素而出现的相关问题进行分析并给出解决方案。
2.1 综合管控设计
航空兵分队模拟训练系统中模拟器数量多,通信速率快(仿真周期为10 ms),数据类型多,数据量很大,教员控制台分系统需要在同一界面上完成对多个模拟器的控制,并同时完成实时记录每一台模拟器的飞行训练状态,监控系统工作状态等多项任务,需要保证界面有良好的可操作性及易用性。另一方面,为保证仿真的效果及实时性都采用UDP方式进行网络通信,UDP的方式传输数据必然会带来数据的不可靠,而对训练全过程实施有效管控最重要的就是要保证模拟器能够及时收到并响应从教员控制台中发出相关指令,针对以上难点采用以下方法加以解决:
1)多任务并行机制保证
采用多线程编程技术同时进行多项任务并减少系统内部的性能瓶颈,提高实时性与界面操作的响应。如发送命令时创建线程,发送完毕后线程自然退出。接收网络数据也在相应的线程中,另外读取与写入训练脚本配置文件以及把飞行参数写入对应的记录文件等多个过程都使用了多线程技术,避免了界面卡顿等现象发生,保证了系统的可操作性。
2)指控指令的可靠性保证
首先在发送前根据参数的含义设定合法性规则,对所有关键数据进行检查并且在每帧数据前加入数据报头(对数据类型说明、命令接收模拟器的ID号、数据帧流水序号等内容加以标识)然后用多次发送的方法保证数据正确和相关系统能够可靠接收[5],最后通过接收到的各个模拟器回传的实时数据去验证指令的有效性,如发出空中集合命令后,相应的模拟器的位置坐标出现变化,发送冻结命令后,其位置坐标应保持不变等等,仔细观察会得出命令是否有效的结论,然后采取有针对性的措施,防止出现影响训练整个进程的正确实施的问题发生。
2.2 灵活高效的组训能力设计
在战术训练中,模拟器要完成装备战术性能综合仿真,准确反映实装的机动性能、作战性能、通信性能等,在虚拟战场条件下对指战员进行专业技能、机组协同、分队战术、兵种指挥和战术对抗等训练,需要“仿得全”,“仿得真”[6],还需要“好用”、“易用”。为了更加高效地根据训练需求(科目)在多种训练场景中使用模拟器,充分发挥模拟训练的优势,在设计时除了注意实现模拟器群整体训练课目以外,还需要注意将每一台模拟器的配置及训练内容独立于系统环境,能够独立设置训练科目、战场环境、部署位置以及执行任务区域、航线、武器外挂、目标等作战任务设置。这样就可以保证,在同一时刻的每一台模拟器可以在各自不同的战场环境、训练科目中进行单独训练而互不影响,使训练过程更有针对性和灵活性,极大提高训练的效率及效益,比如一台模拟器可以在白天进行特殊情况处置训练,而另外一台可以在夜间进行起落航线训练。或者这几台模拟器实施某一课目的战术对抗训练,而与此同时另外几台可以进行其他课目战术对抗训练或基础技能操作训练。在系统具体实现中是以每台模拟器的唯一标识MAINID为索引分开设置控制管理数据结构与相应的模拟器进行交互。另外,将其中的一些关键信息如起降机场、战场环境、武器挂载方案、各类武器现有数量、对抗目标信息与状态及时存入以MAINID为索引的配置文件中,保证在下一次训练时保持上次的各种设置状态。
2.3 系统管理与监测
航空兵分队模拟训练系统相比单台模拟器的硬件节点数量、要素大大增加,数据类型也更加多样,系统较为复杂,这就对系统的管理与监控提出了很高的要求。系统的开关机、运行状态监控及故障诊断、各类训练信息存储都需要进行统筹管理与处理。系统开关机采用网络唤醒与关闭技术,并将计算机的启动及关闭状态显示在维护界面上。系统运行状态监控及故障诊断模块实现过程中,从网络中收到数据后首先对数据进行严格的检查,防止出现因异常造成的程序崩溃,然后再根据收到的数据判断并显示系统运行状态,若有故障发生,调用故障诊断专家库得到处置措施,同时提示及指导维护人员及时开展保障工作。另外,各类训练信息也根据自身的特点选用合适的方法进行存储与管理,如受训人员信息、成绩、模拟器使用记录、故障诊断专家库、教学参考资料等信息存储在数据库中,而系统配置、模拟器飞参记录采用数据文件的格式存储在本机,并将其索引号加入数据库中。
3 系统实现与实际应用
4 结束语
近年以来,我部已经成功研制多型(套)航空兵分队模拟训练系统,均已交付部队实际使用。其中教员控制台分系统健壮稳定,功能强大完善,用户界面友好。以该分系统为组织和管理训练的人机交互平台,依托航空兵分队模拟训练系统,实现了常态化战术对抗和基本驾驶技能模拟飞行训练,取得良好效果。今后,该平台也将用于更多后继研制任务中,发挥更大的作用与效益。