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嵌入式训练是一种简化的“真实-虚拟-构造” 训练

什么是嵌入式训练?

在和平时期开展航空兵体系化、信息化对抗训练是一种能有效维持和提升战斗力的手段。嵌入式训练(Embedded Training,ET)不仅仅是在安装形式上对吊舱式ACMI空战训练系统的嵌入化处理,同时在飞机的任务系统中增加了生成具有强对抗性的空中和地面虚拟目标的能力,使飞机能随时随地的开展“实”对“虚”的对抗训练。传统的ACMI训练系统采用实装对抗的方式,训练中没有加入虚拟目标。ET技术将构造成分和真实飞行的结合,构造出的虚拟实体的行为和能力可定制,将虚拟实体融入到机载传感器后,飞行员可以按照装备本身方式使用武器系统。

嵌入式训练(ET)与“真实-虚拟-构造”(Live-Virtual-Constructive, LVC)训练相比来说有相似的地方。ET是LVC训练的简化版本,不包括虚拟(V)部分,即没有人在环的模拟器参与。可以说,ET是一种LC训练模式,只包含真实飞机(L)和构造部分(C),构造部分主要是用计算机生成兵力和渲染战场环境。ET无需复杂的LVC组织保障训练,使用ET的参与人员更少、资产使用少、成本更低。

ET训练概念图(NLR图片)

NLR嵌入式训练发展历程

自20世纪90年代末以来,荷兰宇航院(The Royal Netherlands Aerospace Centre,NLR)一直致力于研究嵌入式训练,通过十余年的努力,将嵌入式训练从概念转变为了现实。2004年4月,荷兰皇家空军的一架F-16战机演示了单机的嵌入式训练能力,证明了这种机上训练系统在技术上是可行的,并且确实能以安全、灵活的方式提供更激烈、更真实的训练。

F-16飞机的ET设备安装在机身中轴线挂架中(NLR图片)

2007年,F-35项目办公室提出想进一步了解多机(小编队)的嵌入式训练能力,并提升技术成熟度。2009年初,NLR获得了美国洛马公司的许可,为F-35战斗机开发嵌入式训练能力。该合同于2009年10月7日签订,并且在2012年左右完成了合同交付。

多机联合的嵌入式训练能力可以让战斗机飞行员在一个共享的战术环境中训练,为了实现这一能力,每架飞机都配备了一个带有嵌入式训练软件的计算机,该软件使用现有的数据链路,以确保每架飞机具有相同的战术画面。

最终目标是将嵌入式作战训练系统(Embedded Combat Aircraft Training System,E-CATS)配备在每一架F-35中,该系统不是作为一个可选的配置升级,而是作为一个标准配置的全功能训练系统。E-CATS也将被纳入F-35的训练大纲中。F-35的嵌入式作战训练系统为未来LVC训练提供了基础。除了在当前嵌入式训练的技术下可以不依赖地面设施,在任何时间、任何地点进行训练外,未来,通过使用机载E-CATS,战斗机飞行员可以参加LVC范围内的任务训练。

NLR嵌入式训练LOGO(NLR图片)

NLR嵌入式训练系统简介

嵌入式训练通常可以定义为一种内置于操作系统中的训练能力,允许飞行员通过沉浸在一个任务场景中,并通过与之虚拟目标交互来增强他们的训练强度和真实性。飞行员能够充分利用其飞机的能力,并在具有挑战性的情况下应对大量空中和地面威胁。该系统与飞机任务系统接口,实现数据交换。ECAT的输入是飞行参数、武器选择和其他飞行员动作。注入任务系统的ECAT输出是虚拟目标位置和传感器设置。任务系统对虚拟目标进行处理,就好像它们被飞机的传感器捕获一样。

F-16嵌入式训练机内画面(NLR图片)

虚拟威胁具有智能的行为,向参训飞机模拟发射导弹,并在受到攻击时采取反制措施。E-CATS为战斗机提供了LVC训练中的L和C,给后续集成V奠定了基础,对LVC训练开展有促进作用。

1.NLR嵌入式训练组成

——训练管理模块

在ET模式下训练时,训练管理模块执行选择训练场景、启动和停止训练演习等功能。

——本机仿真模块

本机仿真模块包括与ET相关的飞机系统模型,如火控雷达、导弹、箔条和雷达告警接收机。本机仿真模块的另一个功能是真实地评估敌方武器的有效性,包括命中计算和杀伤概率计算。

——虚拟环境仿真模块

虚拟环境仿真模块包括虚拟地面和空中威胁、及其武器和动态行为,涉及战略、战术、机动和对抗,包括避免出现可被预测的行为。

——安全模块

如果存在严重的安全风险,安全模块会自动关闭训练场景的执行,以使飞行员重新获得对真实世界的态势感知。如果飞行员飞出了TRA的边界、达到了设定的剩余油量告警状态或者无意间激活了军械开关时,ECAT系统会提示飞行员并自动关闭,所有虚拟目标也将随之消失。

——场景生成模块

通过场景生成模块,可以根据特定的训练需求定制场景。验证场景后,将数字化的场景集合的加载到飞机中。

——汇报模块

任务汇报模块用于回放飞行后的任务汇报和训练评估。为飞行员及其教员提供了一个交互式工具,用于同步回放飞行中记录的数据,生成驾驶舱画面、飞机飞行轨迹和事件列表等。

NLR嵌入式训练结构图(NLR图片)

2.嵌入式训练过程

嵌入式训练任务流程(NLR图片)

从飞行员的角度来看,ECAT训练任务的准备工作将与任何正常任务一样。利用现有的任务规划系统,对目标数据、情报数据、气象数据等输入数据进行分析,将其转化为机载数据。在将任务数据上传到飞机上的同时,还将上传训练场景。ECAT训练任务需要一个额外的步骤,即选择虚拟飞机和地对空武器的类型、航线和战术。

在训练开始之前,飞行员必须将军械开关设置为“模拟”,然后选择其中一个多功能显示器(MFD)上的ECAT,选择几个场景中的一个,随后进入训练场景,地面规划的目标即将出现。在训练状态下,所有的飞机传感器都能正常工作,捕捉真实的目标。ECAT系统现在将模拟目标叠加到驾驶舱显示器上,如HUD和MFD。这些“虚拟”目标在符号旁边会多显示一个“V”。使用ECATS的飞行员可以像在真实的战斗环境中那样完成飞行控制、操作传感器、显控和武器系统。

NLR嵌入式训练机内画面,对雷达告警接收机也进行了改装(NLR图片)

在机载计算机上,预先定义好的一块空域被标记为训练区域,叫临时限制空域(TRA)。TRA一般选择在海上或者人口稀疏的平坦区域,以便完成超音速飞行或者低空飞行。空中和地面威胁可能在TRA的边界之外,但飞行员必须留在TRA的边界之内已确保没有空域冲突。

地面目标和地对空威胁可以放在TRA内或者外,飞行员可以像攻击真实目标一样攻击这些虚拟目标。在没有ET之前,很多部队没有地对空武器用于实装对抗训练;在海上对抗时也无法部署实装的地对空武器。

嵌入式训练防空武器任务规划(NLR图片)

到达指定训练区域后,飞行员选择一个可用场景。启动场景后,飞行员将面临虚拟威胁。当场景运行时,ECAT记录所有必要的数据,以便在落地后任务回放。

讲评系统图(NLR图片)

对于任务评估,ECAT汇报工具使飞行员或教员能够回放任务执行期间发生的所有事件。例如:模拟训练开始和停止、导弹发射、脱锁机动、攻防对抗过程等。信息将以三维和二维图形的形式呈现。任务回放同步显示的多个通道,还将包含计划的训练场景数据。

3.NLR开发智能化的虚拟目标

NLR的“灵巧盗贼”(Smart Bandits)程序给“敌人”可以自动做出反应并独立做出比较真实的行动,这种程序代替了过去的预先编程行为,使虚拟敌人“更加人性化”。“敌人”会对飞行员的行动产生实时响应,因此飞行员无法预测虚拟目标的行为,飞行员需要提前判断“敌人”的行动并调整战术。这使“敌人”的行为举止更加真实,增加了训练的价值。数字化武器弹道仿真和实时评估是在机载计算机里完成的,因此飞行员会立即知道自己是被击中还是被击落。“敌人”的模拟雷达也可以把工作状态发送到飞机总线中,激励本机的告警设备做出响应。

目前,“灵巧盗贼”已可以支持最多4V4的战术训练。

“灵巧盗贼”架构图(NLR图片)

小结

第一,尽管嵌入式训练系统有安装和维护成本,并且占用了内部空间,增加了飞机重量,但是从长远使用来看总体效果很好,是一种省钱、高效的训练手段。使用ET可以在任何时间、任何地点的开展空对空和防空压制等科目的训练;减少了对专业假想敌部队的需求,提高了飞行时间质量;加入了虚拟C4ISR,减少了对这类稀缺装备的占用;减少训练空域受限制的影响。

第二,嵌入式训练系统中智能化、高保真的“敌人”是提升训练效果的关键因素。近些年来人工智能技术飞速发展,并且在空战对抗中已经可以在1对1、多对多空战中战胜人类飞行员。目前有的用机器学习方法开发的空战程序已经表现出了动作准确、反应快、信息处理快、以及最重要的在特定范围内几乎不犯错误的优势。

第三,嵌入式训练已经包含了LVC训练中的L和C,实现了一种在本机上完成“实”“虚”对抗模式,是实现LVC前的一个关键部分。本机内的“实”“虚”对抗不涉及到在LVC训练网络中实时传输大量数据的问题,相对来说没有带宽、时延、数据丢失等问题。

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