嵌入式仿真在炮兵模拟训练系统中的应用

白文瑞，赵志宁

（炮兵指挥学院，河北 宣化075100）

现代战争中，随着高新技术武器装备的广泛运用对炮兵作战训练产生了重大的影响。传统的模拟设备不能对炮兵作战训练任务进行全时空的覆盖，并且真实感和训练效果都达不到令人十分满意的效果，已不能完全满足部队的需要。实装训练实现了训练的真实环境，但费用昂贵，各种保障很难经常满足。因此，应加强对嵌入式仿真在炮兵模拟训练系统中的应用的研究，在真实武器平台中嵌入虚拟的武器系统，以提高训练的逼真性。

1 嵌入式仿真的概念与特点

1.1 嵌入式仿真的概念

美军对嵌入式仿真研究得较早。早在1996年，美军训练与条令司令部就提出了嵌入式仿真训练的新思想。目前，美军仿真训练与设备司令部（STRICOM）和自行坦克研究开发与工程中心（TAREDC）正式提出了嵌入式仿真（Embedded Simulation）概念，即在真实武器平台中嵌入虚拟武器系统。嵌入式仿真利用了计算机生成兵力（CGF）和虚拟现实（VR）等技术，在实际装备中构建虚拟装备，从而提供最真实的训练环境。实质上，它是在装备中嵌入一种功能，使人员通过实装操作，能够“进入”虚拟战场，完成各种任务。

1.2 嵌入式仿真的主要特点

由于嵌入式仿真系统是嵌入到真实的武器装备中，使得作战人员能够在真实的武器装备上展开操作与战术训练。所以，嵌入式仿真具有以下特点：一是嵌入式仿真能够最大程度地提高仿真的真实感。二是不受时空的限制。由于受人力、物力、空间的限制，目前基于实装的武器系统联调都在靶场等特殊的地方和时间进行，而安装了嵌入式仿真系统的装备，可以随时随地模拟整个武器系统的功能，并对整个训练过程进行评估。三是多用途、少设备、低消耗。嵌入式仿真技术既能够支持训练又能够支持作战，并且在武器装备的全生命周期中都能够得到应用。有了嵌入式仿真系统，训练使用的仿真器和辅助设备将会减少，相应的资源消耗也大幅降低。四是仿真过程具有可控、可测性。利用嵌入式仿真，在实战前进行高逼真度的演习，并对其进行控制，评估其结果，提高了演习、训练的可控性和可测性，为指挥决策人员对即将发生的战术、战役决策提供可靠及有效的参考，减少决策失误。五是填补了战区内实装仿真训练的空白。使用嵌入式仿真器取代独立的仿真器或训练设施后，无论装备和人员部署在任何地方，都可在野战条件下，针对所要执行的任务进行演习和训练，这将极大地提高部队的战斗力。

2 嵌入式仿真系统的体系结构

嵌入式仿真系统的体系结构显然不是孤立的，它应当是整个武器系统的一部分，它与战技装备、测试装备一起构成了整个武器系统。所以，就嵌入式仿真的概念而言，它也包含了体系上的“嵌入式”意味。

2.1 嵌入式仿真系统的三种体系结构

一是独立的嵌入式仿真系统，它是一个独立的子系统，有自己的处理器、图像生成设备以及软件，它通过数据线、视频线和电源线与武器相连。二是集成式仿真系统，它使用武器本身的设备，通过设备升级完成嵌入式仿真的功能。第三种是混合系统，即前两种体系结构的混和。

2.2 嵌入式仿真系统的一般组成结构

嵌入式仿真系统的一般组成结构如图1所示[1]。实时数据接口是嵌入式仿真系统的瓶颈，它将仿真系统与原型系统连接起来，通过它得到的原型系统数据的实时性与可靠性关系到嵌入式仿真系统的真实度和仿真效果。面向不同原型系统建立的实时数据接口具有针对性，只有一般的构建方法，没有通用的实时数据接口。数据接口的建立不仅要考虑仿真系统本身的稳定性，还必须避免对原型系统产生干扰。

2.3 现有武器装备的嵌入式仿真系统常用的组成结构

由于独立嵌入式仿真系统研发难度小，与武器的接口最少，并且在必要的时候可以卸载，所以目前现有武器装备的嵌入式仿真系统常采用独立式结构。如图2所示，具有独立嵌入式仿真系统的武器系统有三个组成部分：武器装备、1—Kit和2—Kit。2—Kit是一个与具体被嵌入的武器无关的子系统，其硬件由处理器、存储器、控制器等组成，软件主要由图像生成、CGF、仿真控制、地形数据等组成。它使得被嵌入的装备能够完成嵌入式训练、增加作战功能、基于仿真的采办、虚拟测试和评估等。1—Kit是将2—Kit应用于武器所必须的硬件和软件，它一般使用网络、视频线、音频线、控制线等与武器相连。

3 嵌入式仿真在炮兵模拟训练系统中的应用

3.1 嵌入式仿真在炮兵模拟训练系统中的应用方法

嵌入式仿真应用于炮兵模拟训练系统，即炮兵嵌入式模拟训练系统，其基本的设计思想是：在不改变现有武器系统内部结构，不影响装备作战性能的前提下，以一定的技术手段，将仿真设备嵌入到装备内部，并充分利用其内部通信设备组网，形成与实际环境相融合的完整的模拟训练系统，从而实现实装环境下的训练和演习功能。

根据装备的具体情况，应用方法也有所不同。牵引式火炮、便携式导弹等，宜采用独立式系统；指挥信息系统、火控系统、车载式导弹系统、自行火炮系统等，设备较先进的宜采用集成式系统，设备较落后的宜采用混合式系统。总体上，嵌入式模拟训练系统一般由主控系统、显示设备和通信系统等组成。

仿真主控系统实质上是安装于装备内部的嵌入式计算机（装备自身的或另外嵌入的），其主要功能是：获取系统相关设备的数据，按战场预设和训练内容仿真运算生成虚拟战场和目标；射击前，根据虚拟目标信息解算射击诸元；射击后，对弹着点进行预估；实时将虚拟目标和射击情况等信息输出到显示设备。

仿真显示设备根据系统的不同而有所差别，独立式系统可以采用有嵌入显示投影装置的瞄准镜，集成式系统可以利用装备自身的显示装置，混合式系统可以根据具体情况在前两者间进行选择。其主要功能是生成或合成战场视景，显示各种战技信息。在仿真训练时，训练模式不同，景象生成内容也有所不同。在全虚拟训练模式时，显示设备反映的是主控计算机生成的完全虚拟的战场景况，在半虚拟训练模式时，显示设备一方面反映真实的战场景况，另一方面需将主控计算机生成的虚拟目标融入到真实的战场环境中。无论何种训练模式，显示设备都能将战场情况、仿真目标和射击效果等虚拟情节逼真地反映出来，从而使操作手能够象正常作战一样从中获取所需要的战场信息。

仿真通信系统由装备自身的或另外扩展的数据传输系统等组成，其主要功能是完成各子系统间仿真数据的传输，包括虚拟目标参数、战场预设、战斗结果以及对仿真交战结果进行的评估和分析。

3.2 嵌入式仿真在炮兵模拟训练系统中的应用技术难点

将仿真器嵌入到武器内部，并通过通信系统连接构成模拟训练系统，是一项艰巨的任务，需要解决许多技术难题，主要包括：一是仿真虚拟目标与实弹射击融合到同战场视景之中的问题。仿真目标是由嵌入仿真器按照一定的建模要求，根据仿真算法产生的虚拟目标，是在瞄准镜或显示器上生成的图像信息，因此，如何评判实际弹着点与虚拟目标的关系是首先需要解决的一个关键问题。二是更精确地判断在模拟交战中攻击的有效性问题。炮（号）手攻击了仿真目标，还是遭到仿真目标的攻击。这些都应该通过瞄准镜（显示器）显示给操作手，同时外部指挥信息系统也应实时掌握这些情况。三是多部仿真器的同步问题，以确保参训的武器系统能同时发现相同的目标。由于仿真器嵌入武器中，各仿真器所在的空间位置会随之不同，虚拟目标也要按一定规则运动，造成武器与虚拟目标位置间的关系时时发生变动。为了精确模拟射击时的战场景况，必须保证各仿真器时间和空间的同步，否则难以实现部队的作战协同训练。

随着仿真技术的发展，上述技术问题已经不同程度地获得了解决，但是，为了提高嵌入式模拟训练效果，还需要对有关问题进行深入研究。因此，应不断加强嵌入式仿真在炮兵模拟训练系统中应用的研究，密切关注嵌入式仿真技术在互联互操作和通用化方向的发展，取其精髓，为我所用，加快炮兵信息化建设的步伐，实现跨越式发展。

1 ZACHARY W.The Advanced Embedded Training System（AETS）：An Intelligent Embedded Tutoring System for Tactical Team Training[J].International Journal of Artificial Intelligence in Education（S1560—4292），1999（10）：257—277.

2 庞国峰.虚拟战场导论[M].北京：国防工业出版社，2007.

3 樊世友，朱元昌.嵌入式仿真研究[J].计算机仿真，2005，（12）：10—13.

4 张柏林.在转型中大显神通的嵌入式仿真训练系统[J].计算机仿真，2005，（1）：2—5.

5 MCDONALD L B，BAHR H A.Research on the CostEffectiveness of Embedded Training[C]//Proceedings of the Spring 1998 Simulation Interoperability Workshop.1998.

6 LAYMAN G，GIOOVANISG.Embedded Training for the Global Command and Control System[C]//Proceedings of the 21stInterservice/Industry Training，Simulation and Education Conference.1999.