美海军模拟训练体系研究

刘梦觉,孙 侃,窦林涛,贾 贞

(1. 中国人民解放军91776部队,北京 100161;2. 中国人民解放军92942部队,北京 100161;3. 江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

美国海军从联合、海军合同、平台、系统四个层次规划了模拟训练体系,并建设了可分、可联动训练的模拟系统。在联合训练层次,构建了联合国家训练能力(Joint National Training Capability,JNTC)系统,通过该系统把海军、陆军和空军集成到一个虚拟的战场空间中进行联合训练。在海军合同训练层次,构建了海军持续训练环境(Navy Continuous Training Environment,NCTE),通过该系统把水面舰艇、潜艇、舰载机集成到一个虚拟的战场空间中进行合同训练。在单平台训练层次,针对水面舰艇、潜艇、舰载机等不同兵种,分别构建了水面舰艇作战部队战术训练系统(Battle Force Tactical Trainer,BFTT)、潜艇多使命团组训练器(Submarine Multi-Mission Team Trainer,SMMTT)、飞机训练器(FLAMES Automated Simulation Trainer,FAST)等系统,用于实现全舰艇作战系统的训练。在子系统训练层次,针对电子战、协同交战能力(Cooperative Engagement Capability,CEC),构建了作战部队电子战训练系统(BFTT Electronic Warfare Trainer,BEWT)和CEC训练设备(CEC Training Adjunct,CTA)。每一个上层训练系统均能够带动下层进行联动训练,互相支撑完成海军所有的模拟训练科目。

美海军模拟训练体系如图1所示,本文重点描述模拟训练体系中的三个核心部分:美海军持续训练环境、舰载模拟训练设备和舰载作战系统训练支持能力。

图1 美海军模拟训练体系示意图[5]

1 美海军持续训练环境

NCTE是美海军舰队训练的基础设施,它通过集成BFTT、SMMTT、FAST等训练系统,能够实现舰艇编队在驻泊地的综合训练,包括海军定级性质的作战熟练程度训练、互操作性训练、使命演习训练和多军种联合互操作性训练。NCTE的体系架构如图2所示。

图2 NCTE体系架构

NCTE由建模与仿真系统、战术训练场、舰载或机载的训练设施、受驱动的指挥控制系统、训练专用网络,以及标准规范组成。其中,舰载或机载的训练设施主要是指BFTT、SMMTT、FAST、便携式飞机生存能力训练器(Man-Portable Aircraft Survivability Trainer,MAST)等;受驱动的指挥控制系统主要是指GCCS-M;战术训练场是美海军模拟训练体系的岸基部分,共分成三个等级,不同等级的训练场具有不同的配置和能力。以下详细介绍建模与仿真系统、训练专用网络、战术训练场和互操作标准规范。

1.1 建模与仿真系统

NCTE核心是联合虚拟兵力生成系统(Joint Semi-Automated Force,JSAF),它是一个实体或平台级的仿真系统,部署于岸基,用于带动舰艇编队以上兵力开展协同训练。JSAF具有以下功能:

1)训练导控,完成整个训练的导调与控制;

2)兵力仿真,舰船、飞机、车辆、步兵、坦克、建筑物以及岸基雷达等的仿真;

3)环境仿真,提供二维地图数据、全球三维地形数据高程数据、数字深度数据、数字地貌分析数据、地球资源卫星热成像图、海洋大气与空间环境服务(Ocean Atmospheric Space Environment Services,OASES)数据;

4)C4I接口,完成与GCCS-M的数据转换,向GCCS-M发送情报信息,接收并响应指挥所GCCS-M的指挥信息;

5)数据收集与分析,提供基于二/三维地图的作战指挥、兵力行动等关键事件回放,战损比、资源消耗、作战时间统计,以及系统效能/性能评估,采用定量与定性相结合的方式完成训练效果评估。

1.2 专用训练网络

NCTE训练网络采用有线与无线相结合的构建方式。有线通信网络主要用于远程异地分布式编队训练数据交互,该网络是一个单独、永久存在的网络,专用于海军训练,通过网关可与GCCS-M相连接。无线通信网络主要利用舰艇平台已有的无线通信设备,在编队内部平台之间传输训练数据。专用训练网络总体连接如图3所示。

图3 NCTE训练网络[10]

NCTE训练网络允许作战数据链和训练数据链混用加入,接受舰船自防御系统(Ship Self-Defense System,SSDS)的统一演练管理。NCTE训练网络中的数据要求贴标签,以便与作战数据区分。当SSDS收到演练终止命令,根据当前运行模式分配相应的策略,SSDS收到命令后应在规定时间内从训练模式切换到作战模式。

1.3 战术训练场

NCTE中定义了3个等级的训练节点,具体如下:

1)等级1训练节点:包括太平洋训练基地(Tactical Training Groups Pacific,TTGP)、大西洋训练基地(Tactical Training Group Atlantic,TTGL),可以执导一个大型演习训练,例如:舰队综合训练-作战指挥官(Fleet Synthetic Training-Warfare Commander,FST-WC)、舰队综合训练-多打击群(Fleet Synthetic Training-Multiple Strike Group,FST-M)、舰队综合训练-联合(Fleet Synthetic Training-Joint,FST-J)、联合任务部队演习(Joint Task Force Exercise,JTFEX)。

2)等级2训练节点:包括大西洋远征战训练基地(Expeditionary Warfare Training Group Atlantic,EWTGLANT)、太平洋训练大队横须贺特遣部队(TTGP Yokosuka),可以执导一个小型演习训练,不需要等级1训练节点的资源。

3)等级3训练节点:需要使用等级1或等级2训练节点提供仿真和IP语音通话能力,可以参与训练活动,但不能自行组织训练,主要用于单个科目的训练。水面舰艇训练节点(Afloat Training Group,ATG)包括:美国梅波特(ATG Mayport)、美国布雷默顿(ATG Bremerton)、日本佐世保(ATG Sasebo);航空兵训练节点(Distributed Mission Training,DMT)包括:美国奥西安纳(Oceana F-18 DMT)、美国勒莫尔(Lemoore F-18 DMT)、美国惠德贝岛(Whidbey Island MAST);潜艇训练节点包括:美国格罗顿(SMMTT Groton)、英国诺福克(SMMTT Norfolk)。

1.4 训练互操作标准规范

NCTE为了实现把不同目的、不同技术、不同开发商的训练系统综合起来,发布了训练互操作指南,重点包括以下内容:

1)采用高级体系架构(High Level Architecture,HLA)技术。所有加入NCTE环境的仿真成员都必须遵守HLA标准,必须使用HLA对象模型模板(Object Model Template,OMT)的联邦对象模型(Federation Object Model,FOM)进行互操作接口描述。在HLA六类服务中必须能够实现联邦管理、声明管理、对象管理、数据分发管理中必须调用、不能调用的服务,并明确使用所有权管理、时间管理、辅助支持中的所有服务。

2)构建标准的海军训练联邦对象模型。NCTE在借鉴单输入单输出的实时平台参考联邦对象模型的基础上,采用基本对象模型(Basic Object Model,BOM)思想,形成了一套海军训练建模与仿真的基本对象模型集合,包含仿真实体、发射器、敌我识别、海洋大气空间环境等各类模型。

3)建立共用数据标准,明确数据来源。NCTE中明确了重要的数据标准,包括数据模型和数据编码。为了使各交互仿真之间对自然环境、实体表达(军用、非军用)、实体行为等理解一致,不同建模与仿真系统的实体有自己的接口,但两个仿真应用使用的地形必须相同,对象类和交互类接口中地形对传感器性能、遮挡、折射等参数的影响结果必须相同。

4)使用模型位置递推(Dead Reckoning,DR)算法和数据分发管理机制(Data Distribution Management,DDM),减少网络数据量。采用DR技术后,可将网络通信量降低到原来的1/10至1/50。DDM能够进一步减少发送方、接收方之间无用数据的收发,降低网络数据流量。

2 舰载模拟训练设备

BFTT是高度柔性、交互式的战术作战系统,能够提供涵盖所有海军兵力要素的动态交互式的作战环境,支持综合兵力或者单舰的训练。BFTT家族包括BFTT、BEWT、训练通信子系统(Training Communication Sub-System,TCSS)和训练模拟器激励器系统(Training Simulator/Stimulator System,TSSS),为舰载作战系统提供协调的激励/模拟,使作战系统团队更容易开展训练,并具备在武装冲突范围内实施逼真的联合作战训练能力,以及在所有主要作战区域内实施逼真的单元级团队训练能力。

BFTT在充分利用美军水面舰艇宙斯盾作战系统实装的基础上,通过构建少量的舰载模拟训练环境,实现舰艇在驻泊地、航行状态下的训练。BFTT主要由岸基、舰载、通信三部分组成,如图4所示。

图4 BFTT组成示意图

2.1 BFTT岸基部分

岸基部分由完成多舰艇训练、舰队综合训练所需要的想定开发、讲评工具组成,为分布式训练提供演练总控和想定分发。但岸基部分的功能已于2004年被NCTE环境中的JSAF系统所代替。

2.2 BFTT舰载部分

BFTT的舰载部分用于完成单舰作战系统训练,而编队训练需要综合使用岸基、舰载、通信三部分完成。在编队训练时,训练想定由岸基部分统一分发,训练导调控制由岸基部分负责,舰载部分只负责对本舰的导调控制。

2.3 BFTT通信部分

BFTT岸基与舰载部分采用无线方式通信。在岸基码头建有多节点战术训练系统(Multi-Unit Tactical Training System,MUTTS),舰艇可在母港或驻泊地与该系统连接,实现编队训练。

3 舰载作战系统训练支持能力

为建设舰载训练(Onboard Training,OBT)能力,美海军除了使用武器系统现有的嵌入式训练能力外,还对BFTT、导航设备、CEC、传感器系统、武器系统等进行改造。BFTT能够驱动TSSS产生激励信号并注入舰载传感器,或者把真实目标与虚拟目标的合成信息注入作战系统部件。每一型武器系统均有能力解算弹道,并能够对诱饵和有源干扰进行建模,如图 5所示。通过对相关舰载设备的升级改造,为包括航母在内的各类水面舰船提供了很好的舰载训练支持。

为实现舰载训练设备与作战系统实装的集成,BFTT、导航设备、CEC、传感器系统和武器系统需要针对性改造。

3.1 BFTT改造

BFTT必须将计划的训练配置经由综合战场局域网提供给SSDS,即哪些传感器由TSSS激励,哪些传感器是真实的,是否使用CTA、导航模拟器、数据链模拟器和电子战训练器。BFTT必须在得到SSDS的“训练许可”之后,才能将模拟或激励信息注入作战系统。当BFTT收到“禁止训练”或者规定时间内没有收到SSDS发来的“训练许可”时,BFTT将给所有模拟器或激励器发送“停止/中止”报文。如果BFTT与模拟器或激励器的接口不通,规定时间内没有收到“实体状态”报文,模拟器或激励器就将停止输出并清除它们内部的航迹文件。

3.2 导航设备改造

导航模拟器为作战系统训练提供本舰导航信息。码头训练过程中,导航模拟器处于“模拟”模式。它首先模拟生成本舰位置、位置变更、时间、速度运动和姿态,然后分发给作战系统部件作为战术本舰信息和训练本舰信息。航行训练过程中,导航模拟器处于“真实”模式,它首先产生训练本舰的位置和运动信息,然后使用导航设备发来的真实导航数据作为训练本舰姿态。

3.3 CEC设备改造

CEC设备主要是改进协同交战的航迹管理和更新功能,根据传感器数据的虚实标签,提供两种视图。一种视图是在单个显示器上覆盖战术航迹和训练航迹图像,此时能够区分出战术航迹和训练航迹。第二种视图是在单个显示器上覆盖训练航迹和BFTT实际想定数据,使训练主管确保训练想定在作战系统显示中得到合适地反映,也能够看到哪些操作员在战术视图中,哪些在训练视图中。

图5 舰载作战系统训练

3.4 传感器系统改造

改造后的舰载传感器能够接收TSSS的激励信号,TSSS把训练网络上BFTT场景的协议数据单元(Protocol Data Unit,PDU)编译成模拟信号,并注入单个传感器的前端电子器件。传感器电子器件对这些模拟信号进行处理,如同它们来源于真实环境。值得注意的是,虚拟目标和环境条件均能通过该项技术注入传感器前端。监视传感器被激励时也有能力探测真实目标,这就实现了虚拟目标和真实目标同时注入训练场景,但需要对这些目标数据贴标签,以区分数据是来源于真实传感器,还是模拟器或激励器。

3.5 武器系统改造

电子对抗系统改造后,当它处于训练模式时,侦察传感器能接收模拟信号激励,同时处理模拟的激励数据和真实的天线数据,一并传入作战系统。电子对抗操作员能够授权和发起模拟的主动电子对抗(Active Electronic Countermeasure,AECM)或者诱饵/箔条交战,向SSDS反馈交战状态信息,通过对诱饵和AECM的建模,模拟诱饵飞出和AECM交战的效果。

导弹系统进行训练时,对发射延迟和进出导弹的信号进行仿真建模。虽然不发射真实导弹,但是也能为武器控制面板操作员提供高逼真度的训练,使他和作战系统团队的其他人员共同训练。当发射训练开始时,将发射架队列等参数反馈给SDSS,它使用这些参数信息触发导弹的弹道解算模型,生成实体状态PDU和爆炸PDU并提供给BFTT,用于在场景中监视射出的导弹并做出是否对目标造成毁伤的裁决。

4 对美海军模拟训练体系的认识

4.1 模拟训练体系顶层设计

美国海军模拟训练体系理念先进,技术成熟,基础设施建设完善,应用效益明显,对我海军建设作战指挥系统的模拟训练体系具有重要的借鉴意义。

1)顶层设计科学,体系构建完整

美国海军从顶层规范了模拟训练系统体系,按联合、海军协同、平台、系统四个层次建设了可分、可联动训练的模拟系统,即适合单系统、单平台、单兵种的训练,又满足体系对抗训练的需求。

2)注重战训一致,提高训练效费比

大量使用了基于水面舰艇实装、潜艇实装和飞机模拟器的模拟训练方式,并建立了以模拟手段为关键支撑的训练机制和体系,提高了部队的战训一致性,又保证了部队训练的充分性。

3)紧贴训练核心需求,体系配套完备

美军采用信息技术领域迅猛发展的面向服务架构、云计算、人工智能等先进技术,构建按需服务、架构灵活、自由组合的仿真支撑环境与平台作为核心功能,实现模拟训练系统的互操作、可重用、可组合。在训练互联互通方面,美军通过多年建设,其有线、无线等通信设施和手段比较完备,有力地支撑了分布式通信的交互需求。

4)统一标准规范,保证体系互操作性

注重系统的互操作技术,从系统体系结构、模型、数据接口、共享软件等多方面建立了标准、工具,为构建体系对抗的训练环境奠定了基础。

4.2 关键技术研究

美军NCTE通过使用DR技术和HLA的数据分发管理技术降低训练节点间实体运动信息的更新频率,解决训练节点间态势相对不一致性问题;通过使用NCTE对象模型技术实现异构系统的互操作。

1)基于位置姿态外推的DR技术

借鉴IEEE Std1278.1-1995中定义的9种DR算法(见表1)的实现过程,选用FPW、RPW、RVW、FVW四种方法实现世界坐标系下的匀速、匀加速、转动的复合运动,使用FPB、RPB、RVB、FVB四种方法实现实体坐标系下的匀速、匀加速、转动的复合运动。

表1 DR模型算法表[12]

2)基于DDM的数据过滤方法

在大规模异地分布式训练过程中,由于训练节点多、战场实体多、人机交互多,虽然采用分布式交互仿真(Distributed Interactive Simulation,DIS)广播模式,但是网络中的信息量依然很大,因此美海军在NCTE的HLA体系结构中采用DDM技术进一步减少仿真节点间无用数据的收发,大大缓解网络拥塞情况。DDM技术的核心问题是定义路径空间和划分维度大小。如果每个路径空间的维度大小分配不合理,那么DDM中路径空间的匹配计算将会很频繁,既浪费时间又消耗计算资源。

NCTE根据实体类型、目标特性、距离范围等要素定义了多维路径空间,包括:{子空间、一维、二维},子空间包括:地面空间、飞机空间、舰船空间、武器空间、电磁信号空间等。后面两个维度信息根据子空间内容定义为经度、纬度,具体见表2。

表2 NCTE中路径空间及维度

3)基于BOM的训练数据互操作性技术

美海军NCTE的互操作性指南采用BOM技术,借鉴美军实时平台参考FOM内容,建立训练系统中仿真实体、海洋气象环境、发射器、敌我识别器、仿真管理、共享态势、通用分发想定等对象模型标准,构建层次丰富的对象类结构,满足不同粒度模型的互操作性需求。图6描述了仿真实体对象模型的层次关系。

图6 仿真实体对象模型的层次关系

5 结束语

美国海军从联合、海军合同、平台、系统四个层次规划了模拟训练体系,建设了可分、可联动训练的模拟系统,NCTE集成了BFTT、SMMTT、FAST等训练系统,能够实现舰队在驻泊地的综合训练。BFTT通过构建少量的舰载模拟训练环境,实现舰艇在驻泊地、航行状态下的模拟训练。OBT利用SSDS、CEC、BFTT提供的能力以及作战系统内武器系统内嵌的训练能力,提供单舰在码头和航行状态下的作战系统团队训练。在NCTE、BFTT、OBT系统实现过程中, 美军使用了HLA体系结构、DR技术、DDM技术、BOM技术等解决了异构系统的互操作问题,利用IEEE1217、IEEE1516、RPRFOM等标准规范了模拟训练体系结构和接口规范。因此,美国海军成熟的模拟训练体系对我海军建设模拟训练系统具有重要的借鉴意义。