美军典型空战训练系统发展及关键技术研究

候梦清，郝 嘉，周九州

（1.中国航空研究院，北京 100029；2.北京工业大学，北京 100124）

0 引言

空战是一种环境复杂、多装备、多维度、高机动的体系对抗过程，对态势综合、武器操纵、战术运用、决策控制等能力要求极高，如何构建真实作战环境，实现“像作战一样训练”，已成为空战训练的核心研究方向。

最初的空战训练主要由机组人员在飞行过程中手动记录，事后进行复现评估；随着机载设备技术发展，参训平台增加了音视频记录功能，但平台位置、目标距离方位等参数的确定仍受到限制，影响空战训练效能［1-3］。为此，自动实时评估空战训练过程的仿真系统随之诞生，即空战训练系统。

1 空战训练系统

空战训练系统是指通过在参训平台上加装训练仿真系统，利用参训平台传感器、武器发控装置等实装设备，结合训练仿真系统生成的虚拟武器弹道、虚拟目标及其他作战要素，模拟真实战场环境；并对空战训练结果实时裁决告知及回放评估，从而降低训练成本，提高实战化训练水平的训练系统。

空战训练系统一般由机载分系统、通信网络分系统、地面分系统组成，如图1 所示。机载分系统主要指加装于参训平台上的机载设备，以完成空战训练数据采集处理及仿真等工作；通信网络分系统主要包括空空、空地/地空及地面通信网络，以完成参训单元组网及数据传输等工作；地面分系统主要包括地面规划及综合显示等设施，以完成各类训练场景、作战想定规划加载，空战训练过程实时显示、训练评估及回放分析等［2］。

图1 空战训练系统组成Fig.1 Composition of air combat training system

2 美军主要空战训练系统

2.1 空战机动仪ACMI

美国空军开展空战机动仪（air combat maneuvering instrumentation，ACMI）研究至今40 余年，历经5 代20 多个型号，如图2 所示，其本土和30 多个海外常驻基地都装备了ACMI［4-5］。

图2 美军空战训练系统发展历程Fig.2 The development history of us air combat training system

图3 TCTS Inc II 空战训练场景图Fig.3 The air combat training scenario of TCTS Inc II

ACMI 机载分系统以吊舱形式挂装于参训平台挂点，从早期仅可采集武器发射信号，逐渐发展到可实时采集处理训练相关数据，仿真武器攻击过程，实现武器杀伤结果实时告知［6-7］。其通信网络分系统早期不支持参训单元直接通信，依赖地基跟踪塔实现固定区域空战训练，随着全球定位系统、战术数据链等技术发展，逐渐实现了高保密无固定区域通信。地面分系统随计算机技术发展实现训练过程实时显示、训练评估及回放分析等综合化多样化。

目前，第5 代作战训练系统/战术作战训练系统（combat training system/tactical combat training system，P5 CTS/TCTS）成为ACMI 主流空战训练系统，其主要功能性能如表1 所示。

表1 P5 CTS/TCTS 主要功能性能Table 1 Main function and performance of P5 CTS/TCTS

除传统机载吊舱外，P5 CTS/TCTS 还为F-35 战斗机设计了嵌入式子系统（P5IS），以独立可更换单元的形式安装在飞机内部，与载机共享大气、惯导、GPS、武器控制等数据，共用语音告知、数据链天线等系统，实现了设备功能高度综合化，同时具备与挂载P5CTS/TCTS 吊舱的其他参训单元对抗能力［8-9］。

2.2 战术作战训练系统TCTS

美国海军与空军几乎同期开展空战训练系统研究，早期战术作战训练系统（tactical aircrew combat training system，TACTS）与同期空军ACMI 的组成、功能性能等基本保持一致［10-11］，具备实时跟踪、集成、处理和显示参训平台数据，模拟武器系统使用，支持数据记录回放分析等功能。

随着实装-模拟-构造（live-virtual-constructive，LVC）技术的发展，美海军、空军联合参与“安全保密的LVC 高级训练环境”（secure LVC advanced training environment，SLATE）训练系统演示，验证了混合LVC 空战训练能［12］。以此为基础，柯林斯航宇公司发展出了战术作战训练系统-增量II（tactical combat training system IncII，TCTS Inc II），并完成飞行测试正式装备部队使用。

TCTS Inc II 机载分系统在传统机载吊舱的基础上增加了LVC 处理模块，通过实时合成注入实装（synthetic inject to live，SITL）技术实现全逼真威胁和武器模拟；通信网络分系统分为地面控制训练及自主训练两种模式，并可通过标准行业接口（HLA、TENA、DIS 等）实现异构训练系统接入；地面分系统中增加飞机、地面防空武器等模拟器以及虚拟兵力构建设备，实现LVC 混合空战训练，其主要功能性能［13］如表2 所示。

表2 TCTS Inc II 主要功能性能Table 2 Main function and performance of TCTS Inc II

2.3 下一代空战训练系统P6CTS

基于美国海军TCTS Inc II 先进研制经验，同时为解决P5CTS/TCTS 到寿以及训练需求不断提高等问题，美国空军在2019 年8 月发布下一代空战训练系统P6CTS 顶层需求及详细信息征询书，计划于2030 年之前实现空军空战训练系统的更新换代。

P6CTS 装备形态及系统划分与P5 CTS/TCTS 区别不大，但对各分系统性能均提出升级需求以满足训练规模、LVC 集成、互操作性、安全保密等需求。其机载分系统进一步扩充参训平台种类、具备机载实虚对抗训练能力；通信网络分系统更新数据链波形、扩大可支持参训平台数量、具备多数据链兼容性并提升安全保密水平；地面分系统提升异构训练系统信息集成、综合显示以及数据回放管理等能力。柯林斯航宇公司完成P6CTS 设计验证，计划于2023 年装备部队，其主要功能性能［14］如下页表3所示。

表3 P6 CTS 主要功能性能Table 3 Main function and performance of P6 CTS

3 空战训练系统主要发展趋势

3.1 硬件形态由外挂吊舱向嵌入式系统发展

空战训练系统机载设备形态目前存在外挂式和嵌入式两种。对于在役装备或对隐身性能要求不高的参训平台，航电系统已定型，为避免装备改装，快速低成本满足其空战训练需求，可直接选择外挂吊舱式空战训练系统。对于先进隐身战机或新研装备等参训平台，更适合采用嵌入式空战训练系统，使得空战训练系统与装备航电系统、武器系统、传感器等统筹规划，实现与参训平台更高程度集成且减少对武器挂点的使用，保证飞机挂载能力及隐身性能。现阶段乃至未来相当长的一段时间内，外挂吊舱空战训练系统与嵌入式空战训练系统将并存，随着研制进程发展，嵌入式空战训练系统将成为主流。

3.2 对抗形式由实装对抗向LVC 混合发展

空战训练系统通过实装参训飞机构建真实作战环境，极大提升了训练效率，然而训练成本高昂，加之环境干扰和训练空域限制等问题，使得实装空战训练愈发受限。相较于实装对抗形式，LVC 混合对抗训练充分利用实装、模拟器和构造兵力各自优势构建虚实结合环境，可通过高逼真度仿真模型，模拟多型号传感器和敌机空战行为，提高空战训练保真度；更灵活配置空中、地面和海上威胁，减少兵力协调、保障难度及空域需求，拓宽空战训练场景；同时避免传统训练飞行航迹和战术动作、雷达光电信号和语音数据泄露，具备更强的安全保密优势。LVC 混合对抗训练已实现对传统实装训练形式的颠覆性改变。

3.3 训练样式由射手训练向体系训练发展

空战训练系统主要满足参训成员攻击占位、武器操纵、规避策略等射手级对抗训练样式需求，随着作战环境紧张加剧，体系化全要素全流程训练成为空战训练系统发展的必然趋势。空战训练系统可支持的参训装备除战斗机、直升机、地面防空武器等射手级攻击平台之外，进一步向预警机、侦察干扰机、电子战飞机、加油机等装备/模拟器/构造兵力扩展，参训要素种类逐步完善；训练场景在传统攻防训练基础上，增加侦察监视、指挥控制、火力打击、综合保障等全流程训练，同时扩展空地协同、空空协同、有人无人协同等新型战法，逐步推动片段式规定场景对抗训练进一步向长周期全要素全流程体系化训练发展。

3.4 训练领域由空战训练向联合训练发展

空战训练系统的广泛应用使得飞机、地面防空武器、雷达等空军作战要素之间的空空、空地、地空对抗训练水平大幅提高；然而现代战争的基本形式已转变为陆、海、空、天、火、电等全域要素协同作战，更强调在整个作战空间、作战流程中不同军兵种的协调一致以及战术配合。联合训练仍以“训战一致”为指导方针，从训练需求确定、训练计划制定、联合训练实施和训练效果评估等阶段策划实施，空战训练系统设计过程中也充分考虑联合训练需求，预留其他军兵种异构训练系统数据交互接口，通过规范化行业接口，实现多军种全方位多维协同训练，共同实现战术水平提升。

4 空战训练系统关键技术分析

空战训练系统发展过程中关键技术众多，在系统设计及实现层面主要包括多平台时空统一、高置信度武器建模仿真、高可靠通信组网技术；在系统应用及深化方面主要包括多维度体系化训练评估、智能化LVC 体系融合、标准化训练数据挖掘分析技术等。

4.1 多平台时空统一技术

空战训练系统适配跨代异构多参训平台，各平台导航传感器不尽相同，时空信息精度、刷新率各有差异；甚至单一平台内部时空信息来源也不唯一，训练数据采用的时空信息存在差异，必须实现各平台时空统一，保证空战训练系统正确运行。

多平台时空统一技术是由各参训平台按照系统规定的时空基准，通过内同步或外同步方式进行平台级时空统一，并完成时空一致性校验；同时补偿训练信息网络传输时延，进一步完成信息级时空统一。美军空战训练系统多采用GPS 时空基准，参训单元通过外同步方式，基于多种导航传感器提供的绝对时间和空间信息，根据WGS84 坐标系统和GPST 时间系统要求进行时空统一；并通过通信网络接收其他参训平台的相对时空信息；综合本单元及其他参训单元时空信息，补偿通信传输时延，完成空战训练系统内参训平台及信息时空统一［15］，处理流程如图4 所示。

图4 多平台时空统一流程图Fig.4 Flow chart of unity of time and space of multi-platform

空战训练系统在全域体系训练发展融合过程中，还需考虑异构训练系统选用时空基准的差异性，具备不同时空基准之间灵活准确转换的能力，为联合训练奠定基础。

4.2 高置信度武器建模仿真技术

空战训练系统核心即为武器建模仿真，模型置信度对训练效果起决定性作用。武器仿真模型与实装武器一致性越高，训练效果越好；否则可能引发对武器性能的误解，甚至对实际作战产生致命影响。

高置信度武器建模技术是通过武器分类、攻击过程分段等方式，构建模块化精细化武器仿真模型，并通过与实装武器数据比对，迭代完善，保证模型高置信度。根据武器类型可分为制导类及非制导类，对于非制导武器如航炮、炸弹、火箭弹等，可通过基础仿真模型配合规则或参数配置构建；对于制导武器类型如中、远距空空导弹、激光制导空地导弹、反辐射导弹等，可通过对武器的气动、推力、质量特性、制导控制、导引头探测等要素分别仿真，构建模块化仿真模型。武器攻击过程以中距空空导弹为例，其精细化仿真过程可分为中制导、末制导、毁伤等阶段［16］，如图5 所示。

图5 武器仿真模型运行流程Fig.5 Running process ofweapon simulation model

考虑到空战训练体系化训练样式，类比武器建模仿真高置信度要求，虚拟探测、模拟干扰、训练环境构建等仿真建模技术的置信度同样需关注。

4.3 高可靠通信组网技术

空战训练系统通信网络主要实现参训单元组网交互及信息传输，作为平台训练交联的主要途径，必须保证网络运行可用性、稳定性、安全保密等方面性能可靠。

高可靠通信组网技术是基于实际空战训练需求，从通信协议、频段、通信距离、网络容量、网络运行、扩展能力及安全保密等方面设计，满足通信网络高可靠需求；并且在训练信息传输设计中，对关键信息设置可靠传输手段，进一步提高信息传输鲁棒性。网络主要设计特征如表4 所示。

表4 高可靠通信组网主要设计特征Table 4 Key designed features of high reliable communication networking

空战训练系统在实战化训练进程中，除持续完善训练专用通信网络可靠性之外，仍需考虑训练系统与装备指挥系统之间信息交互，在符合安全保密要求的前提下实现指挥与训练有机交融。

4.4 多维度体系化训练评估技术

空战训练系统依托于地面分系统实现了训练评估及回放讲评，主要包括对抗训练实时裁决，裁决结果实时告知；实时显示对抗训练过程，直观展示攻击过程中双方态势、弹道轨迹、导引头状态等重要过程数据；并提供未截获原因、未命中原因等查询，完成武器攻击过程实时客观评估。同时提供参训成员操纵能力评估讲评方法，如性能指数（performance index，PI）、敏捷评估系统（readiness estimation system，RES）、战术空间Tac-Space、全向机动指数（all-aspect maneuvering index，AAMI）、机动转换（maneuver conversion，MC）等位置优势模型［17-19］，并增加考虑推力度量、武器攻击包线、友机态势共享等影响因素［20］，综合评估参训平台作战效能。

面向多域体系化联合训练需求，多维度体系化训练评估技术需基于现有攻击过程评估、操纵能力评估等技术，纵向扩展构建完善训练OODA（observe-orient-decide-action，OODA）闭环的预警探测能力、电子防御能力、指挥控制能力及毁伤效果等评估模型，提供面向“指挥控制、情报、火力、投送与机动、防护、维持”全流程分阶段评估；同时，在横向扩展单平台作战效能、装备整体效能、系统训练效果、体系融合效果等评估；并且在使用维度，面向不同使用对象如指挥员、作战员、评估员、甚至科研人员，完成训练评估。

4.5 智能化LVC 体系融合技术

空战训练系统已采用“实兵实装虚弹”模式支撑开展实装对抗训练，LVC 体系训练模式已初步融合模拟器、构造兵力等要素。实装域多依托于装备加改装实现；模拟器域则依托于前期分批采办的特定平台个体化训练模拟器，其空战训练关注的武器模型、传感器模型等置信度差异较大；构造兵力域模型以基础物理模型叠加基础行为模型构成，可完成基于规则及任务规划的构造兵力控制功能。

LVC 体系训练的本质是数据层面的交互，异构成员在统一的虚拟战场环境中进行探测、跟踪、攻击、干扰，智能化LVC 体系融合技术首先构建统一的结构化数据进行成员对象的实体和行为表达，实现数据表达层一致。同时在实装域基于嵌入式训练增加虚拟目标智能化水平，模拟器域采用VR 视景加载真实地形数据、3D 虚拟座舱配合轻量级操纵设备构建高真实人机交互的通用型模拟器，构造兵力域进一步增加实体物理模型置信度，充分吸纳人工智能研究成果，将行为模型自主决策能力进一步提升，达到LVC 体系融合智能化水平。

4.6 标准化训练数据挖掘分析技术

空战训练系统积累了大量实时采集记录的参训单元飞行状态、传感器工作状态、武器发控等数据以及相关音视频。训练数据在系统设计过程中已经通过标准化定义，对数据含义、格式标准、取值范围、分辨率等进行统一规范，为多源空战训练数据挖掘分析奠定基础。

训练数据挖掘分析技术是通过对标准化训练数据进行深入挖掘、聚类分析、特征提取等大数据分析工作，充分反映出参训成员操作习惯、战术战法运用、武器装备性能、装备体系融合能力等，并对不同类型数据之间的关联关系进行分析，可进一步提升参训成员战术水平，促进装备性能升级，推动战法创新，反哺武器、传感器等模型仿真，实现训练数据对后续空战训练系统发展的牵引促进，提升空战训练效费比。

5 结论

美军长期致力于空战训练系统研究、建设及应用，其实战化训练水平处于世界领先地位。当前，我军训练系统建设正处于信息化智能化推进的关键阶段，尤其是在全流程体系化多域联合训练的大趋势下，我军空战训练系统建设应结合实际军情，以实战化训练为核心，基于空战训练实时裁决及回放评估需求，充分吸纳LVC 体系融合、人工智能及大数据等方向先进成果，构建具有我军特色的空战训练系统，实现实战化训练水平的快速提升。