舰载直升机机载武器保障与使用实验室建设初探

孙心丰， 姚科明， 鄂 群

（海军大连舰艇学院舰船指挥系，辽宁大连116018）

0 引 言

舰载直升机以水面舰艇为活动平台，在舰艇编队立体、多维的体系作战能力发挥中扮演着重要的角色，可挂载多型武器，遂行攻潜作战、对海攻击、火力压制等多种使命任务［1-3］。为提高舰载直升机作战效能，作为水面舰艇航空专业人员，需要熟练掌握舰载直升机机载武器的基本工作原理、挂卸保障流程以及作战使用方法。为提高人才培养质量，需要建立舰载直升机机载武器保障与使用实验室，并在此基础上研制舰载直升机机载武器模拟训练系统，用于专业人才培养、保障训练以及使用决策［4-5］，这样将会贴近舰载直升机机载武器保障和使用训练实际需求［6-8］，并有效扩大培训覆盖范围和层次，有利于提高院校和部队人员的训练、操作水平，达到按纲施训的目的，尽快满足院校专业学员适应岗位任职以及舰艇部队航空保障和指挥人员培训、轮训的需求。

1 实验室功能及组成

1.1 功 能

舰载直升机机载武器保障与使用实验室拟通过采用“三维模型仿实装＋虚拟现实互动”等多种方式，构建一套分布合理、结构完整，能清晰反映武器实装内部结构、操作流程和作战使用的模拟训练系统，满足学院相关专业高等教育、舰艇航空部门人员培训等多层次培训教学的实作实操训练。

系统主要针对各型舰载直升机机载武器的结构组成、工作原理、弹道过程进行建模仿真，对机载武器的挂卸保障进行VR虚拟操作，对机载武器的使用决策进行仿真分析。通过本系统，可使受训人员能够掌握舰载直升机机载武器的结构组成、基本工作原理、弹道过程、挂载和卸载操作流程、不同战场态势下的作战使用方法等，从而达到受训人员对于舰载直升机机载武器保障和指挥能力培养的要求，更好地适应我海军舰艇航空专业人才队伍建设的需要。系统的主要功能包括：机载武器结构组成、工作原理可视化认知教学及模拟训练；机载武器单人及多人协同挂卸操作教学及模拟训练；不同战场态势下的多型机载武器作战使用决策教学及模拟训练。

1.2 组 成

舰载直升机机载武器保障和使用实验室可包括机载武器结构原理认知训练区、挂卸保障虚拟操作训练区和作战使用决策训练区三部分，其中，机载武器结构原理认知训练区包含5套VR操作设备（包括头戴设备、定位基站、操作手柄和计算机显控台）；挂卸保障虚拟操作训练区包含1个VR工作站、动作捕捉区域和5套VR操作设备（包括头戴设备、定位基站、手部光学定位追踪器和数据手套）；作战使用决策训练区包含5个操作台，各训练区的台位通过网络交换机互联，由主控台分发、下达任务和进行考核评估，并连通音频、视频、投影系统，其组成与布局的设计如图1所示。

图1 舰载直升机机载武器实验室组成和布局图

2 分系统设计

根据舰载直升机机载武器保障与使用实验室的主要功能，拟构建的舰载直升机机载武器模拟训练系统由机载武器结构原理认知训练分系统、机载武器挂卸保障操作训练分系统、机载武器作战使用决策训练分系统3套分系统和任务分发及综合评价系统组成。各个分系统之间有机联系，共同满足实验室的功能需求。

2.1 机载武器结构原理认知训练分系统

通过建立多型机载武器三维模型，采用立体的形式进行多角度展示，并利用三维动画展示模拟各武器关键组件的结构和动作过程，用于仿实装演示教学及认知训练，完成各型机载武器结构组成认知。系统软件考虑包括示范教学模块、模拟训练模块和考核评估模块，其中，示范教学模块包括模型动画演示、音频、文字描述等；模拟训练模块包括交互式操作等；考核评估模块采用接收任务，以主观操作形式进行武器结构原理认知考评，并包括计分、提示和过程回放等。

2.2 机载武器挂卸保障操作训练分系统

通过创建基于任务的舰载直升机机载武器作战保障虚拟现实场景，建立机载武器悬挂发射装置三维模型和作业人物模型，采用增强虚拟现实技术，运用VR头显、手套、动作捕捉等设备，完成各型机载武器的挂卸模拟操作［9］。系统软件考虑包括示范教学模块、模拟训练模块、考核评估模块。示范教学模块用于机载武器作战保障操作及流程的示范教学，严格依据装备实操的规范要求，展现基于不同任务的直升机机载武器转运、挂载、试投、卸载的规范性操作方法和步骤；模拟训练模块用于进行各标准化操作，既能满足单人操作的模拟训练，也能满足多人协同作战保障流程的模拟训练；考核评估模块用于实时采集人员的操作动作和协同作业流程，作业结束后与标准化动作和作业流程相比对，自动生成考核评估结果。

2.3 机载武器作战使用决策训练分系统

通过开发虚拟战场环境，模拟武器火控系统，根据战场态势情况对武器的各项参数进行模拟设定操作；利用虚拟现实技术模拟武器发射或投放后的弹道，推演实际作战效果，用于进行机载武器使用决策训练［10-12］。系统软件考虑包括示范教学模块、模拟训练模块、考核评估模块。示范教学模块用于机载武器弹道过程的示范教学，展现机载武器发射或投放后的弹道，演示不同设定参数情况下弹道和武器攻击过程的变化，并能够根据相关模型计算，推演实际作战效果。模拟训练模块用于进行不同战场态势下的武器使用决策模拟操作。考核评估模块用于通过记录战场态势信息，根据相关模型推算出相关态势下的武器参数设定信息，与采集到的操作人员设定信息比对，从实际作战效果等方面为战场指挥员决策的正确与否提供判据，并自动生成考核评估结果。

2.4 任务分发及综合评价系统

通过开发综合管理系统，用于选定不同的训练科目，分发训练任务，显示学员训练过程并进行综合评价。系统软件考虑包括数据管理模块、示范教学模块、任务设置模块、导调控制模块、考核评估模块，用于对学员数据信息管理、示范教学、任务下达、模拟训练、考核评估及成绩评定。

3 关键问题分析

舰载直升机机载武器实验室建设内容复杂，舰载直升机机载武器模拟训练系统各分系统之间紧密结合，三维场景和模型建立数量多，技术难度较高［13-14］。考虑到建设目标和功能需求，认为舰艇场景仿真、战场态势模拟和考核评估为系统需要解决的关键问题。

3.1 舰艇场景仿真

舰载直升机机载武器的保障操作是在舰艇飞行甲板上进行的，操作的步骤和复杂程度受舰艇环境影响较大。因此需要对舰艇场景进行仿真，主要包括舰艇运动模拟与飞行甲板三维场景仿真两部分［15］。合理的舰艇运动模型和逼真的三维场景仿真是提高舰载直升机机载武器保障操作训练的重要保证。在舰载直升机机载武器模拟训练系统中，VR工作站用于接收主控台发送的气象、海情等参数，根据舰艇运动模型，得到舰艇运动参数，包括舰艇的航向、航速、横摇角、纵摇角、垂荡值、横摇角速度、纵摇角速度、首摇角速度以及位置信息。三维场景仿真能够实时显示舰艇飞行甲板的布局，系留在飞行甲板上的舰载直升机模型、保障操作所需要的装备和武器模型，以及舰艇运动姿态，使受训人员能直观地感受不同的舰艇环境。在这里，三维场景仿真主要接收两方面的数据：①舰艇环境信息，由舰艇运动数学模型提供，这部分数据主要用于展现舰艇的运动姿态和所处的气象、海况等；②舰型、机型、机载武器的选择指令，这部分数据主要是为了创建相应的训练场景，满足不同的训练科目。需要注意的是舰艇场景仿真对舰载直升机机载武器保障操作流程有一定的影响，如在能见度不良情况下，要额外开启哪些装备；舰艇摇摆幅度较大时，应当额外采取哪些固定武器的手段等。这样，再加上VR的沉浸式体验，使受训人员能够身临其境，根据舰艇环境积极思考训练流程的改变、训练过程中的注意事项，从而达到提高训练效果的作用。

3.2 战场态势模拟

舰载直升机机载武器的使用决策是航空专业人才作战指挥能力培养的一个重要内容，要求受训人员能够根据战场态势的不同，合理使用机载武器对目标实施攻击。因此，模拟战场态势是舰载直升机机载武器模拟训练系统的关键问题之一。战场态势可分为环境构建和目标配置两部分。环境构建包括随机生成的大气环境中的风、雨、雾等，海洋环境中的涌浪、水深等，海区环境中的岛礁布局等；目标配置包括增加各型直升机及其机载武器，敌潜艇、水面舰艇等活动目标，以及影响武器使用效能的干扰器、气幕弹等假目标。战场态势的生成可通过两种方式来实现，①基于真实环境的需要。先通过收集现实海区情况的资料，建立战场环境库，使用时利用主控台可随时调取；再通过不断去各部队调研，明确战场环境库中各海域可能出现的敌目标以及我军可使用的兵力，进而生成更贴近实战的战场态势。②基于训练任务的需要。先针对不同的训练科目，如舰载直升机攻潜作战、对海攻击、对地火力压制等，通过主控台的设置，随机创建战场环境；再根据任务想定，通过调整敌目标的数量、方位、距离等参数，增减用于影响武器攻击弹道的假象干扰目标，进而生成可以调整训练难易程度的战场态势。如此一来，可以提高受训人员在各种战场态势下正确使用各型机载武器对目标实施攻击的决策能力。

3.3 考核评估

考核评估主要是对受训对象的训练情况进行评价，给出训练成绩，指出训练存在的问题。根据分系统的设计，舰载直升机机载武器模拟训练系统的考核评估分为原理认知、保障操作、使用决策3个科目进行，并进行综合评价，最后给出一个总的评估结果。这里需要综合考虑两个方面的因素。①每个科目的权重因素。对于不同层次的受训对象来说，每个训练科目的重要性是不同的。比如对于专业士兵来说，他们主要完成进行武器协同挂载保障以及简单故障诊断和排除任务，因此，原理认知和保障操作的权重应该大一些；对于专业军官来说，他们主要完成指挥部门人员进行武器挂载保障和根据战场态势为指挥员提供武器使用建议的任务，保障操作和使用决策的权重应该大一些。此外，对于不同机载武器来说，其认知、挂载、使用的难易程度均不同，因此每个训练科目子科目的考核权重也要充分考虑各方面因素后确定。②对非标准化动作的处理。虽然每个科目的考核均有“标准答案”，但在实际训练中，虽然与“标准答案”不一致，但也能完成训练任务。比如保障操作科目中，一个训练任务所需的部分操作步骤可以不分孰先孰后；使用决策科目中，武器投放参数的设定可以略有差别，那么如何根据任务完成情况对受训者的训练效果进行评估，是训练考核评估必须面对的一个问题。这里，通过加入“任务完成时间”“受外在条件影响情况”等因素，采取软件自动评估和教员人工评价相结合的方法，对于软件能评估的，由软件给出考核分数；软件无法评判的，由教员进行人工评判。

4 结 语

该文针对舰艇航空专业人才培养的迫切需求，提出了舰载直升机机载武器保障与使用实验室建设的初步方案。该实验室的建设和发展与实战化训练相契合，可作为集各型机载武器的结构原理教学、作战保障操作训练和作战使用决策的一体化综合性训练平台。对于提高舰载航空专业人才的培养，提升院校教学能力以及提高部队舰机协同作战能力具有重要意义。