艦載直升機機載武器保障與使用實驗室建設初探

孫心豐， 姚科明， 鄂 群

（海軍大連艦艇學院艦船指揮系，遼寧大連116018）

0 引 言

艦載直升機以水面艦艇為活動平臺，在艦艇編隊立體、多維的體系作戰能力發揮中扮演著重要的角色，可掛載多型武器，遂行攻潛作戰、對海攻擊、火力壓制等多種使命任務［1-3］。為提高艦載直升機作戰效能，作為水面艦艇航空專業人員，需要熟練掌握艦載直升機機載武器的基本工作原理、掛卸保障流程以及作戰使用方法。為提高人才培養質量，需要建立艦載直升機機載武器保障與使用實驗室，并在此基礎上研制艦載直升機機載武器模擬訓練系統，用于專業人才培養、保障訓練以及使用決策［4-5］，這樣將會貼近艦載直升機機載武器保障和使用訓練實際需求［6-8］，并有效擴大培訓覆蓋范圍和層次，有利于提高院校和部隊人員的訓練、操作水平，達到按綱施訓的目的，盡快滿足院校專業學員適應崗位任職以及艦艇部隊航空保障和指揮人員培訓、輪訓的需求。

1 實驗室功能及組成

1.1 功 能

艦載直升機機載武器保障與使用實驗室擬通過采用“三維模型仿實裝＋虛擬現實互動”等多種方式，構建一套分布合理、結構完整，能清晰反映武器實裝內部結構、操作流程和作戰使用的模擬訓練系統，滿足學院相關專業高等教育、艦艇航空部門人員培訓等多層次培訓教學的實作實操訓練。

系統主要針對各型艦載直升機機載武器的結構組成、工作原理、彈道過程進行建模仿真，對機載武器的掛卸保障進行VR虛擬操作，對機載武器的使用決策進行仿真分析。通過本系統，可使受訓人員能夠掌握艦載直升機機載武器的結構組成、基本工作原理、彈道過程、掛載和卸載操作流程、不同戰場態勢下的作戰使用方法等，從而達到受訓人員對于艦載直升機機載武器保障和指揮能力培養的要求，更好地適應我海軍艦艇航空專業人才隊伍建設的需要。系統的主要功能包括：機載武器結構組成、工作原理可視化認知教學及模擬訓練；機載武器單人及多人協同掛卸操作教學及模擬訓練；不同戰場態勢下的多型機載武器作戰使用決策教學及模擬訓練。

1.2 組 成

艦載直升機機載武器保障和使用實驗室可包括機載武器結構原理認知訓練區、掛卸保障虛擬操作訓練區和作戰使用決策訓練區三部分，其中，機載武器結構原理認知訓練區包含5套VR操作設備（包括頭戴設備、定位基站、操作手柄和計算機顯控臺）；掛卸保障虛擬操作訓練區包含1個VR工作站、動作捕捉區域和5套VR操作設備（包括頭戴設備、定位基站、手部光學定位追蹤器和數據手套）；作戰使用決策訓練區包含5個操作臺，各訓練區的臺位通過網絡交換機互聯，由主控臺分發、下達任務和進行考核評估，并連通音頻、視頻、投影系統，其組成與布局的設計如圖1所示。

圖1 艦載直升機機載武器實驗室組成和布局圖

2 分系統設計

根據艦載直升機機載武器保障與使用實驗室的主要功能，擬構建的艦載直升機機載武器模擬訓練系統由機載武器結構原理認知訓練分系統、機載武器掛卸保障操作訓練分系統、機載武器作戰使用決策訓練分系統3套分系統和任務分發及綜合評價系統組成。各個分系統之間有機聯系，共同滿足實驗室的功能需求。

2.1 機載武器結構原理認知訓練分系統

通過建立多型機載武器三維模型，采用立體的形式進行多角度展示，并利用三維動畫展示模擬各武器關鍵組件的結構和動作過程，用于仿實裝演示教學及認知訓練，完成各型機載武器結構組成認知。系統軟件考慮包括示范教學模塊、模擬訓練模塊和考核評估模塊，其中，示范教學模塊包括模型動畫演示、音頻、文字描述等；模擬訓練模塊包括交互式操作等；考核評估模塊采用接收任務，以主觀操作形式進行武器結構原理認知考評，并包括計分、提示和過程回放等。

2.2 機載武器掛卸保障操作訓練分系統

通過創建基于任務的艦載直升機機載武器作戰保障虛擬現實場景，建立機載武器懸掛發射裝置三維模型和作業人物模型，采用增強虛擬現實技術，運用VR頭顯、手套、動作捕捉等設備，完成各型機載武器的掛卸模擬操作［9］。系統軟件考慮包括示范教學模塊、模擬訓練模塊、考核評估模塊。示范教學模塊用于機載武器作戰保障操作及流程的示范教學，嚴格依據裝備實操的規范要求，展現基于不同任務的直升機機載武器轉運、掛載、試投、卸載的規范性操作方法和步驟；模擬訓練模塊用于進行各標準化操作，既能滿足單人操作的模擬訓練，也能滿足多人協同作戰保障流程的模擬訓練；考核評估模塊用于實時采集人員的操作動作和協同作業流程，作業結束后與標準化動作和作業流程相比對，自動生成考核評估結果。

2.3 機載武器作戰使用決策訓練分系統

通過開發虛擬戰場環境，模擬武器火控系統，根據戰場態勢情況對武器的各項參數進行模擬設定操作；利用虛擬現實技術模擬武器發射或投放后的彈道，推演實際作戰效果，用于進行機載武器使用決策訓練［10-12］。系統軟件考慮包括示范教學模塊、模擬訓練模塊、考核評估模塊。示范教學模塊用于機載武器彈道過程的示范教學，展現機載武器發射或投放后的彈道，演示不同設定參數情況下彈道和武器攻擊過程的變化，并能夠根據相關模型計算，推演實際作戰效果。模擬訓練模塊用于進行不同戰場態勢下的武器使用決策模擬操作?？己嗽u估模塊用于通過記錄戰場態勢信息，根據相關模型推算出相關態勢下的武器參數設定信息，與采集到的操作人員設定信息比對，從實際作戰效果等方面為戰場指揮員決策的正確與否提供判據，并自動生成考核評估結果。

2.4 任務分發及綜合評價系統

通過開發綜合管理系統，用于選定不同的訓練科目，分發訓練任務，顯示學員訓練過程并進行綜合評價。系統軟件考慮包括數據管理模塊、示范教學模塊、任務設置模塊、導調控制模塊、考核評估模塊，用于對學員數據信息管理、示范教學、任務下達、模擬訓練、考核評估及成績評定。

3 關鍵問題分析

艦載直升機機載武器實驗室建設內容復雜，艦載直升機機載武器模擬訓練系統各分系統之間緊密結合，三維場景和模型建立數量多，技術難度較高［13-14］?？紤]到建設目標和功能需求，認為艦艇場景仿真、戰場態勢模擬和考核評估為系統需要解決的關鍵問題。

3.1 艦艇場景仿真

艦載直升機機載武器的保障操作是在艦艇飛行甲板上進行的，操作的步驟和復雜程度受艦艇環境影響較大。因此需要對艦艇場景進行仿真，主要包括艦艇運動模擬與飛行甲板三維場景仿真兩部分［15］。合理的艦艇運動模型和逼真的三維場景仿真是提高艦載直升機機載武器保障操作訓練的重要保證。在艦載直升機機載武器模擬訓練系統中，VR工作站用于接收主控臺發送的氣象、海情等參數，根據艦艇運動模型，得到艦艇運動參數，包括艦艇的航向、航速、橫搖角、縱搖角、垂蕩值、橫搖角速度、縱搖角速度、首搖角速度以及位置信息。三維場景仿真能夠實時顯示艦艇飛行甲板的布局，系留在飛行甲板上的艦載直升機模型、保障操作所需要的裝備和武器模型，以及艦艇運動姿態，使受訓人員能直觀地感受不同的艦艇環境。在這里，三維場景仿真主要接收兩方面的數據：①艦艇環境信息，由艦艇運動數學模型提供，這部分數據主要用于展現艦艇的運動姿態和所處的氣象、海況等；②艦型、機型、機載武器的選擇指令，這部分數據主要是為了創建相應的訓練場景，滿足不同的訓練科目。需要注意的是艦艇場景仿真對艦載直升機機載武器保障操作流程有一定的影響，如在能見度不良情況下，要額外開啟哪些裝備；艦艇搖擺幅度較大時，應當額外采取哪些固定武器的手段等。這樣，再加上VR的沉浸式體驗，使受訓人員能夠身臨其境，根據艦艇環境積極思考訓練流程的改變、訓練過程中的注意事項，從而達到提高訓練效果的作用。

3.2 戰場態勢模擬

艦載直升機機載武器的使用決策是航空專業人才作戰指揮能力培養的一個重要內容，要求受訓人員能夠根據戰場態勢的不同，合理使用機載武器對目標實施攻擊。因此，模擬戰場態勢是艦載直升機機載武器模擬訓練系統的關鍵問題之一。戰場態勢可分為環境構建和目標配置兩部分。環境構建包括隨機生成的大氣環境中的風、雨、霧等，海洋環境中的涌浪、水深等，海區環境中的島礁布局等；目標配置包括增加各型直升機及其機載武器，敵潛艇、水面艦艇等活動目標，以及影響武器使用效能的干擾器、氣幕彈等假目標。戰場態勢的生成可通過兩種方式來實現，①基于真實環境的需要。先通過收集現實海區情況的資料，建立戰場環境庫，使用時利用主控臺可隨時調取；再通過不斷去各部隊調研，明確戰場環境庫中各海域可能出現的敵目標以及我軍可使用的兵力，進而生成更貼近實戰的戰場態勢。②基于訓練任務的需要。先針對不同的訓練科目，如艦載直升機攻潛作戰、對海攻擊、對地火力壓制等，通過主控臺的設置，隨機創建戰場環境；再根據任務想定，通過調整敵目標的數量、方位、距離等參數，增減用于影響武器攻擊彈道的假象干擾目標，進而生成可以調整訓練難易程度的戰場態勢。如此一來，可以提高受訓人員在各種戰場態勢下正確使用各型機載武器對目標實施攻擊的決策能力。

3.3 考核評估

考核評估主要是對受訓對象的訓練情況進行評價，給出訓練成績，指出訓練存在的問題。根據分系統的設計，艦載直升機機載武器模擬訓練系統的考核評估分為原理認知、保障操作、使用決策3個科目進行，并進行綜合評價，最后給出一個總的評估結果。這里需要綜合考慮兩個方面的因素。①每個科目的權重因素。對于不同層次的受訓對象來說，每個訓練科目的重要性是不同的。比如對于專業士兵來說，他們主要完成進行武器協同掛載保障以及簡單故障診斷和排除任務，因此，原理認知和保障操作的權重應該大一些；對于專業軍官來說，他們主要完成指揮部門人員進行武器掛載保障和根據戰場態勢為指揮員提供武器使用建議的任務，保障操作和使用決策的權重應該大一些。此外，對于不同機載武器來說，其認知、掛載、使用的難易程度均不同，因此每個訓練科目子科目的考核權重也要充分考慮各方面因素后確定。②對非標準化動作的處理。雖然每個科目的考核均有“標準答案”，但在實際訓練中，雖然與“標準答案”不一致，但也能完成訓練任務。比如保障操作科目中，一個訓練任務所需的部分操作步驟可以不分孰先孰后；使用決策科目中，武器投放參數的設定可以略有差別，那么如何根據任務完成情況對受訓者的訓練效果進行評估，是訓練考核評估必須面對的一個問題。這里，通過加入“任務完成時間”“受外在條件影響情況”等因素，采取軟件自動評估和教員人工評價相結合的方法，對于軟件能評估的，由軟件給出考核分數；軟件無法評判的，由教員進行人工評判。

4 結 語

該文針對艦艇航空專業人才培養的迫切需求，提出了艦載直升機機載武器保障與使用實驗室建設的初步方案。該實驗室的建設和發展與實戰化訓練相契合，可作為集各型機載武器的結構原理教學、作戰保障操作訓練和作戰使用決策的一體化綜合性訓練平臺。對于提高艦載航空專業人才的培養，提升院校教學能力以及提高部隊艦機協同作戰能力具有重要意義。