嵌入式訓練是一種簡化的“真實-虛擬-構造” 訓練

空天防務觀察
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什么是嵌入式訓練?

在和平時期開展航空兵體系化、信息化對抗訓練是一種能有效維持和提升戰斗力的手段。嵌入式訓練(Embedded Training,ET)不僅僅是在安裝形式上對吊艙式ACMI空戰訓練系統的嵌入化處理,同時在飛機的任務系統中增加了生成具有強對抗性的空中和地面虛擬目標的能力,使飛機能隨時隨地的開展“實”對“虛”的對抗訓練。傳統的ACMI訓練系統采用實裝對抗的方式,訓練中沒有加入虛擬目標。ET技術將構造成分和真實飛行的結合,構造出的虛擬實體的行為和能力可定制,將虛擬實體融入到機載傳感器后,飛行員可以按照裝備本身方式使用武器系統。

嵌入式訓練(ET)與“真實-虛擬-構造”(Live-Virtual-Constructive, LVC)訓練相比來說有相似的地方。ET是LVC訓練的簡化版本,不包括虛擬(V)部分,即沒有人在環的模擬器參與。可以說,ET是一種LC訓練模式,只包含真實飛機(L)和構造部分(C),構造部分主要是用計算機生成兵力和渲染戰場環境。ET無需復雜的LVC組織保障訓練,使用ET的參與人員更少、資產使用少、成本更低。

ET訓練概念圖(NLR圖片)

NLR嵌入式訓練發展歷程

自20世紀90年代末以來,荷蘭宇航院(The Royal Netherlands Aerospace Centre,NLR)一直致力于研究嵌入式訓練,通過十余年的努力,將嵌入式訓練從概念轉變為了現實。2004年4月,荷蘭皇家空軍的一架F-16戰機演示了單機的嵌入式訓練能力,證明了這種機上訓練系統在技術上是可行的,并且確實能以安全、靈活的方式提供更激烈、更真實的訓練。

F-16飛機的ET設備安裝在機身中軸線掛架中(NLR圖片)

2007年,F-35項目辦公室提出想進一步了解多機(小編隊)的嵌入式訓練能力,并提升技術成熟度。2009年初,NLR獲得了美國洛馬公司的許可,為F-35戰斗機開發嵌入式訓練能力。該合同于2009年10月7日簽訂,并且在2012年左右完成了合同交付。

多機聯合的嵌入式訓練能力可以讓戰斗機飛行員在一個共享的戰術環境中訓練,為了實現這一能力,每架飛機都配備了一個帶有嵌入式訓練軟件的計算機,該軟件使用現有的數據鏈路,以確保每架飛機具有相同的戰術畫面。

最終目標是將嵌入式作戰訓練系統(Embedded Combat Aircraft Training System,E-CATS)配備在每一架F-35中,該系統不是作為一個可選的配置升級,而是作為一個標準配置的全功能訓練系統。E-CATS也將被納入F-35的訓練大綱中。F-35的嵌入式作戰訓練系統為未來LVC訓練提供了基礎。除了在當前嵌入式訓練的技術下可以不依賴地面設施,在任何時間、任何地點進行訓練外,未來,通過使用機載E-CATS,戰斗機飛行員可以參加LVC范圍內的任務訓練。

NLR嵌入式訓練LOGO(NLR圖片)

NLR嵌入式訓練系統簡介

嵌入式訓練通常可以定義為一種內置于操作系統中的訓練能力,允許飛行員通過沉浸在一個任務場景中,并通過與之虛擬目標交互來增強他們的訓練強度和真實性。飛行員能夠充分利用其飛機的能力,并在具有挑戰性的情況下應對大量空中和地面威脅。該系統與飛機任務系統接口,實現數據交換。ECAT的輸入是飛行參數、武器選擇和其他飛行員動作。注入任務系統的ECAT輸出是虛擬目標位置和傳感器設置。任務系統對虛擬目標進行處理,就好像它們被飛機的傳感器捕獲一樣。

F-16嵌入式訓練機內畫面(NLR圖片)

虛擬威脅具有智能的行為,向參訓飛機模擬發射導彈,并在受到攻擊時采取反制措施。E-CATS為戰斗機提供了LVC訓練中的L和C,給后續集成V奠定了基礎,對LVC訓練開展有促進作用。

1.NLR嵌入式訓練組成

——訓練管理模塊

在ET模式下訓練時,訓練管理模塊執行選擇訓練場景、啟動和停止訓練演習等功能。

——本機仿真模塊

本機仿真模塊包括與ET相關的飛機系統模型,如火控雷達、導彈、箔條和雷達告警接收機。本機仿真模塊的另一個功能是真實地評估敵方武器的有效性,包括命中計算和殺傷概率計算。

——虛擬環境仿真模塊

虛擬環境仿真模塊包括虛擬地面和空中威脅、及其武器和動態行為,涉及戰略、戰術、機動和對抗,包括避免出現可被預測的行為。

——安全模塊

如果存在嚴重的安全風險,安全模塊會自動關閉訓練場景的執行,以使飛行員重新獲得對真實世界的態勢感知。如果飛行員飛出了TRA的邊界、達到了設定的剩余油量告警狀態或者無意間激活了軍械開關時,ECAT系統會提示飛行員并自動關閉,所有虛擬目標也將隨之消失。

——場景生成模塊

通過場景生成模塊,可以根據特定的訓練需求定制場景。驗證場景后,將數字化的場景集合的加載到飛機中。

——匯報模塊

任務匯報模塊用于回放飛行后的任務匯報和訓練評估。為飛行員及其教員提供了一個交互式工具,用于同步回放飛行中記錄的數據,生成駕駛艙畫面、飛機飛行軌跡和事件列表等。

NLR嵌入式訓練結構圖(NLR圖片)

2.嵌入式訓練過程

嵌入式訓練任務流程(NLR圖片)

從飛行員的角度來看,ECAT訓練任務的準備工作將與任何正常任務一樣。利用現有的任務規劃系統,對目標數據、情報數據、氣象數據等輸入數據進行分析,將其轉化為機載數據。在將任務數據上傳到飛機上的同時,還將上傳訓練場景。ECAT訓練任務需要一個額外的步驟,即選擇虛擬飛機和地對空武器的類型、航線和戰術。

在訓練開始之前,飛行員必須將軍械開關設置為“模擬”,然后選擇其中一個多功能顯示器(MFD)上的ECAT,選擇幾個場景中的一個,隨后進入訓練場景,地面規劃的目標即將出現。在訓練狀態下,所有的飛機傳感器都能正常工作,捕捉真實的目標。ECAT系統現在將模擬目標疊加到駕駛艙顯示器上,如HUD和MFD。這些“虛擬”目標在符號旁邊會多顯示一個“V”。使用ECATS的飛行員可以像在真實的戰斗環境中那樣完成飛行控制、操作傳感器、顯控和武器系統。

NLR嵌入式訓練機內畫面,對雷達告警接收機也進行了改裝(NLR圖片)

在機載計算機上,預先定義好的一塊空域被標記為訓練區域,叫臨時限制空域(TRA)。TRA一般選擇在海上或者人口稀疏的平坦區域,以便完成超音速飛行或者低空飛行。空中和地面威脅可能在TRA的邊界之外,但飛行員必須留在TRA的邊界之內已確保沒有空域沖突。

地面目標和地對空威脅可以放在TRA內或者外,飛行員可以像攻擊真實目標一樣攻擊這些虛擬目標。在沒有ET之前,很多部隊沒有地對空武器用于實裝對抗訓練;在海上對抗時也無法部署實裝的地對空武器。

嵌入式訓練防空武器任務規劃(NLR圖片)

到達指定訓練區域后,飛行員選擇一個可用場景。啟動場景后,飛行員將面臨虛擬威脅。當場景運行時,ECAT記錄所有必要的數據,以便在落地后任務回放。

講評系統圖(NLR圖片)

對于任務評估,ECAT匯報工具使飛行員或教員能夠回放任務執行期間發生的所有事件。例如:模擬訓練開始和停止、導彈發射、脫鎖機動、攻防對抗過程等。信息將以三維和二維圖形的形式呈現。任務回放同步顯示的多個通道,還將包含計劃的訓練場景數據。

3.NLR開發智能化的虛擬目標

NLR的“靈巧盜賊”(Smart Bandits)程序給“敵人”可以自動做出反應并獨立做出比較真實的行動,這種程序代替了過去的預先編程行為,使虛擬敵人“更加人性化”。“敵人”會對飛行員的行動產生實時響應,因此飛行員無法預測虛擬目標的行為,飛行員需要提前判斷“敵人”的行動并調整戰術。這使“敵人”的行為舉止更加真實,增加了訓練的價值。數字化武器彈道仿真和實時評估是在機載計算機里完成的,因此飛行員會立即知道自己是被擊中還是被擊落。“敵人”的模擬雷達也可以把工作狀態發送到飛機總線中,激勵本機的告警設備做出響應。

目前,“靈巧盜賊”已可以支持最多4V4的戰術訓練。

“靈巧盜賊”架構圖(NLR圖片)

小結

第一,盡管嵌入式訓練系統有安裝和維護成本,并且占用了內部空間,增加了飛機重量,但是從長遠使用來看總體效果很好,是一種省錢、高效的訓練手段。使用ET可以在任何時間、任何地點的開展空對空和防空壓制等科目的訓練;減少了對專業假想敵部隊的需求,提高了飛行時間質量;加入了虛擬C4ISR,減少了對這類稀缺裝備的占用;減少訓練空域受限制的影響。

第二,嵌入式訓練系統中智能化、高保真的“敵人”是提升訓練效果的關鍵因素。近些年來人工智能技術飛速發展,并且在空戰對抗中已經可以在1對1、多對多空戰中戰勝人類飛行員。目前有的用機器學習方法開發的空戰程序已經表現出了動作準確、反應快、信息處理快、以及最重要的在特定范圍內幾乎不犯錯誤的優勢。

第三,嵌入式訓練已經包含了LVC訓練中的L和C,實現了一種在本機上完成“實”“虛”對抗模式,是實現LVC前的一個關鍵部分。本機內的“實”“虛”對抗不涉及到在LVC訓練網絡中實時傳輸大量數據的問題,相對來說沒有帶寬、時延、數據丟失等問題。

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