基于虛實一體的艦艇編隊戰術訓練系統設計?

王 苗 陳 奇 饒世鈞

（海軍大連艦艇學院信息系統系 大連 116018）

1 引言

美海軍20世紀末即實現實兵訓練、虛擬模擬與推演模擬三種訓練方式結合在一起的虛實結合訓練（LVC）。此類訓練既可以體現實兵訓練的真實性，又具備模擬訓練的高效性和靈活性，有較好的訓練效果和較高的效費比［1～3］。

現階段各國海軍都面臨水面艦艇執行任務多，訓練時間緊張，編隊對抗訓練次數少，現有的實裝配套裝備的模擬訓練軟件存在對抗性不足、訓練相對固定獨立等問題.如能借鑒美軍LVC訓練方式，運用虛實結合訓練設計理論與工程方法，對艦艇進行實裝軟硬件嵌入式設計，可有效解決海上編隊實兵對抗訓練組織難度大、成本高、純模擬訓練逼真受限等編隊海上對抗性訓練難題［4～5］，實現水面艦艇訓練效益的跨越式提升。

文獻［6～7］中對能夠實現這一功能目標的虛實一體艦艇編隊戰術訓練系統進行了需求分析和初步構建，這里在前期構建的體系架構基礎上，對系統內部各部分的軟、硬件組成及數據交互進行進一步的研究。

2 系統設計

為更好依托實裝開展虛實結合的水面艦艇編隊海上對抗訓練，需要對艦艇作戰系統進行升級改造，實現虛擬兵力部分相關的戰場電磁環境、兵力與兵器實體等仿真生成與實裝注入；具備虛實一體化管控的作戰時鐘推進、戰場態勢生成、戰果裁決、采集評估等功能的綜合訓練導調控制［8～9］。

因此，設計如圖1所示的由編隊導調控制系統、綜合態勢模擬系統和綜合訓練網絡三部分組成的水面艦艇編隊戰術訓練系統。

圖1 編隊戰術訓練系統組成

2.1 編隊導調控制系統設計

編隊導調控制系統，是組織參訓艦艇進行虛實結合訓練的核心。訓練中，它既扮演導調控制的角色，又是虛實兵力交互的仿真平臺，實際運用中部署于組訓編隊艦所載的編隊模擬綜合導控評估設備中。在準備階段，其根據訓練內容，設置作戰想定、加載戰場環境與生成虛擬兵力，訓練過程中，通過內部數據收發管理設備完成與各參訓艦艇之間的數據交互，實現對訓練過程的導調控制，包括戰場態勢生成與發布、虛實交戰過程一體化仿真、戰果裁決等功能，還能實現訓練監控、數據采集與評估、記錄與回放訓練管理功能。

根據任務功能，該系統主要由計算機仿真子系統、綜合態勢顯示子系統、導調控制子系統、數據庫子系統、代理管理子系統、訓練監控與裁決子系統和訓練評估子系統七個部分組成，其軟件功能如圖2所示。

圖2 編隊導調控制系統軟件組成

2.2 綜合態勢模擬系統設計

綜合態勢模擬主要是針對于參訓艦艇而言的，訓練中如何有效地讓參訓艦艇感知到戰場各虛實兵力態勢的變化是提高訓練逼真度的關鍵。在這里可以采用以下兩種方式，一是通過在艦艇內部嵌入模塊終端來完成訓練目標信號的生成與注入，實現參訓艦艇對戰場各兵力態勢的感知。二是在外部通過半實物仿真，利用有人/無人等平臺攜帶便攜式載荷進行目標信號的模擬。根據模擬的方式，我們將綜合態勢模擬系統分為艦艇嵌入式訓練系統和半實物仿真系統兩部分［10］。

1）艦艇嵌入式訓練系統

艦艇嵌入式訓練系統，主要由虛實交互控制終端、傳感器嵌入式終端、武器系統嵌入式終端以及導航仿真系統組成，組成結構如圖3所示。

圖3 艦艇嵌入式訓練系統組成

通過對水面艦艇進行模塊終端嵌入，使其既可以與編隊導調控制系統進行數據交互，又能驅動嵌入傳感器系統、武器系統內部的模塊終端和導航仿真系統，完成對目標的感知、打擊與地理環境的模擬，實現帶動不同戰位參與復雜環境下的編隊對抗訓練。它是參訓艦艇實現虛實結合訓練的重要基礎。

（1）虛實交互控制終端

虛實交互控制終端主要包括仿真計算機、虛實融合終端、操控臺三部分。它是驅動參訓艦艇傳感器（嵌入終端）系統、軟硬武器（嵌入終端）系統、導航仿真系統產生作用的重要部分，是參訓艦艇進行虛實結合訓練的關鍵。

艦載仿真計算機根據編隊導調控制系統內的虛實交互情況，接收相關導調控制信息、交互裁決信息以及其他訓練信息，對編隊訓練過程本艦面臨的情況進行仿真，仿真數據指令激勵各嵌入在傳感器系統內部的模塊終端，驅動傳感器系統、軟硬武器系統以及導航仿真系統產生和真實作戰情況相同的效果，從而帶動所有戰位進行訓練。虛實融合終端利用內部的數據接收、信息采集與中間件等模塊，實現與編隊導調控制系統的數據交互功能。操控臺則主要是用于顯示、編輯訓練信息，對訓練過程進行管理控制，該設備主要是在單艦虛實結合訓練中使用。

（2）傳感器嵌入式終端

傳感器嵌入式終端是指嵌入到各傳感器系統顯示與戰術處理顯控臺之前的模塊設備，其按照實裝傳感器信息處理機柜與顯控機柜報文約定，接收由導調控制系統模擬產生的實體仿真信息，在后端進行目標信號的模擬。通過在實裝傳感器設備界面的顯示，實現傳感器對目標的感知。傳感器嵌入式終端主要包括雷達嵌入模塊、電子戰嵌入模塊、紅外/光電嵌入模塊以及聲納嵌入模塊等部分。

（3）武器系統嵌入式終端

武器系統嵌入式終端，是指嵌入到軟硬武器系統內部的各終端模塊，通過接收武器系統武器發射、干擾彈發射等操控命令，模擬不同時刻軟硬武器的使用情況（如箔條干擾、導彈發射、彈藥數量減少等情況），進行軟硬武器系統使用效果的模擬，使得整個訓練更加真實。

（4）導航仿真系統

在海上訓練過程中，一般情況下，可以直接依托當前真實的海域位置和海況信息。但是針對特殊海域的演習，或者是參訓艦艇在駐泊地或者錨泊地時，則需要使用導航仿真系統對艦艇的位置、航向、航速等信息進行模擬仿真，以滿足不同情況下的訓練要求。

系統軟件功能主要包括以下三個部分，即可實現訓練仿真功能、實現訓練過程管理控制功能和實現與編隊導調控制系統交互功能。各軟件功能如圖4所示。

圖4 艦艇嵌入式訓練系統內部功能

2）半實物仿真系統

半實物仿真系統主要是指從艦艇外部對目標信號進行半實物仿真。通常主要是通過有人/無人等平臺攜帶各種便攜式載荷對目標信號、復雜電磁環境進行模擬，使得訓練環境更加真實。

2.3 綜合訓練網絡

綜合訓練網絡主要是為訓練中數據信息的交互提供傳輸通道。由無線通信網絡和艦艇內部以太網兩部分組成。

海上無線通信網絡主要是用于編隊訓練中各參訓艦艇之間、參訓艦艇與組訓艦艇之間進行數據信息傳輸。通常傳輸的數據信息包括作戰指揮信息、導調控制信息、兵力交戰信息三部分［11～12］。作戰指揮信息主要是指參訓艦艇（實兵）之間進行的指揮類信息，它是訓練中編隊指揮員指揮兵力進行作戰的集中體現。導調控制信息主要是指訓練過程中導演部對訓練情況的導調干預信息，主要用于導演部對訓練進行過程導調、控制和監控，從而能夠實現作戰場景的改變，突發情況的設置以及作戰難度的調整，進一步掌控訓練、豐富內容、提升效果。兵力交戰信息則主要是指在聯邦虛擬空間中虛實兵力的交互情況，主要包括實體狀態信息和行為信息，狀態信息主要包括各個兵力的實時速度、位置、戰斗力、任務、受損等信息；行為信息主要是指兵力在戰斗中實施的某一具體動作，主要包括機動行為、軟、硬武器對抗行為、通信行為以及其他的艦艇動作行為。

艦艇內部以太網主要是指在艦艇內部保障訓練數據傳輸的通道。它是艦艇內部虛實交互控制終端、各傳感器（嵌入式終端）系統、武器（嵌入式終端）系統、導航仿真系統、通信系統和指揮控制系統等設備數據交互的重要保障，虛實交互控制終端可利用該網絡驅動嵌入各實裝的模塊終端，實現帶動全艦各戰位進行協同訓練的功能。

3 結語

針對水面艦艇執行任務多、編隊對抗訓練次數少、計算機仿真訓練逼真度較低等問題，通過借鑒美軍LVC虛實結合訓練的優勢經驗，采用系統工程方法，構建基于虛實一體的艦艇編隊戰術訓練系統，對訓練系統的硬件組成、軟件功能以及數據交互進行了設計，明確了虛實訓練工程實現的邏輯架構，在功能上能夠實現帶動多艘艦艇（實兵）參與虛實結合下的編隊訓練，可用于支撐后續詳細技術設計與工程實現，并可為其他虛實結合訓練系統的構建提供借鑒。