基于混合现实的空战演训系统研究
赵良玉 陈成 张铎 白晓亮
摘要：针对现代空战演训成本高、演训空域环境受限、训练效果不全面、难以进行视距内作战演训等问题，提出基于混合现实的空战演训系统设计方案，通过将真实作战演训场景和特定虚拟环境融合在一起构造虚实融合性战场，能够为飞行员提供多样化的航空作战环境演训，更加快速有效地贯彻最新空战训练理念与作战战术，可以在降低演习训练成本的同时，快捷、全方位地提高演训效果、提升飞行员的作战能力。
关键词：混合现实;空战演训;作战能力;系统设计;智能化
中图分类号：TJ760;TP271文献标识码：A文章编号：1673-5048（2019）01-0063-07[SQ0]
0引言
2015年发布的名为《中国的军事战略》新版国防白皮书，明确指出要加快战斗力生成模式转变，运用信息系统把各种作战力量、作战单元、作战要素融合集成为整体作战能力，逐步构建作战要素无缝链接、作战平台自主协同的一体化联合作战体系[1]。由此可见信息化、网络化的联合作战已经成为提高军事力量，保证部队战场生存能力的重要作战方式。为了实现在信息化战争中“能打仗，打胜仗”的强军目标，非战时的有效作战演训成为检验并强化军队军事能力的重要方式。
为有效满足现代空战演训的总体需求，列装实弹与装备嵌入式空战演训系统成为了现代空战演训的主要方式。与之相比，飞行训练模拟器虽然能够有效提升飞行员的驾驶技能和操作经验，但是其效果主要依赖于计算机系统和伺服运动系统的模拟仿真，对比在真实环境下的空战演训存在真实感不足、实战性不强、难以进行多兵种联合演训等缺点，因此更加适用于飞行员平时的课程及理论学习训练。
美国著名的空战实装演训“红旗军演”从1975年延续至今，曾参加过演训的国家已达20多个，多年的演训结果表明实装演训确实能够有效提高飞行员的空战素质和作战效能，增加了“實战经验”。但是实装演训成本非常高昂，容易造成装备损毁，且演训机型较为固定，无法轻易将其他国家的典型战机纳入演训，很难做到“知己知彼”。
嵌入式演训系统是将仿真训练设备嵌入到航空作战装备中，可在一定程度上将实际演训环境与模拟仿真环境相结合，实现真实战机之间、真实战机与虚拟目标之间的空战演训。美国针对嵌入式训练技术的研究始于20世纪50年代，随着“四代机”的列装，原有的外挂式空战机动仪器（AirCombatManeuveringInstrumentation，ACMI）吊舱在隐身等性能方面已经无法满足需求。为了实现F-35战斗机“AnyTimeandAnyWhere”的训练目标，并降低其对战斗训练协调所需的资源依赖，美军提出了嵌入式训练系统（EmbededTrainingSystem，ETS）的概念，该系统的核心思想是实现单机或多机的自主虚拟训练[2]。此外，中国、以色列、荷兰等国家也都已成功研制并装备了各自的嵌入式空战演训系统。虽然与实装空战演训相比，嵌入式演训系统具有一定程度减少演训成本、降低组训难度、提供真实战场环境体验等优点，但是仍存在诸如沉浸感不强、场景逼真度不够、视距内作战困难等问题，这些也是其未来发展亟待解决的问题。
建立在虚拟现实基础上的混合现实技术（MixedReality，MR）具有融合真实现实和虚拟现实的特点[3]，混合现实技术借助于沉浸技术可将增强现实和增强虚拟包容起来[4]，显然这非常有利于战场真实环境的模拟，若将其应用到空战演训中，不仅能够有效实现从超视距战场环境到视距内战场环境的转变，给飞行员提供更具沉浸感、真实感的演训体验，还可以通过人为控制或人工智能控制与之对战的虚拟战机，提高“敌机”在演训过程中的真实性和灵活性，增加对战难度，提升演训效果。本文由此提出将混合现实与现代空战演训系统相结合，设计基于混合现实的空战演训系统，为实现未来空战演训和多兵种联合演训提供了解决思路。
1空战演训系统总体方案
1.1混合现实与虚实演训
混合现实技术可以看作是增强现实和虚拟现实技术的进一步发展。增强现实主要是利用计算机技术对事物信息进行模拟、仿真，将虚拟世界内容叠加到真实世界中，以丰富加强现实世界;虚拟现实则是通过建立沉浸式的虚拟环境，能够在虚拟世界中营造部分现实世界的感受;而混合现实可以融合现实和虚拟世界，建立其之间的交互关系，在利用混合现实技术产生的全新可视化环境中，物理和数字对象共存并实时互动。基于混合现实的虚实融合演训系统是根据真实战机飞行及作战环境，面向飞行员综合战力的演习和训练需要，通过在演训战机上加装MR系统，有效地在真实作战环境下融合虚拟作战武器及其他战场信息，构建敌我双方虚拟对抗演习，使飞行员可以实时观察到虚拟飞机、导弹甚至虚拟地面与海面军队。
近些年随着各种网络信息技术、虚拟战场环境可视化技术[5]等关键技术及高性能计算机的发展，使得建立切实有效的虚拟战场环境，模拟实际对抗演习，以提高军队在真实战场上的作战能力和作战水平成为了可能。
1.2混合现实与嵌入式演训系统
嵌入式空战演训系统通常由机载（外挂吊舱或嵌入式航电/任务系统[6-7]）和地面（任务规划和回放/讲评系统）两大部分组成。嵌入式空战演训系统可根据演训需求对各类型虚拟敌机、虚拟武器、虚拟威胁进行仿真，并通过航电系统及控制系统进行显示，通过机载数据链的交联，结合地面任务规划系统的规划数据，完成具体的作战演训任务。但是其存在一个致命缺陷就是很难进行视距内作战演训，无法实现从超视距空战到视距内空战的转移过渡。尽管未来空战会从超视距交战开始，但是近距格斗仍然是其重要组成部分[8]，因此飞行员无法完整体验所有空战状态，实际训练效果会大打折扣。
航空兵器2019年第26卷第1期
赵良玉，等：基于混合现实的空战演训系统研究基于混合现实的空战演训系统与嵌入式空战演训系统设计思路相似，但是前者的战场模拟复杂度及演训战术水平更高，不仅能够模拟更加丰富、智能的虚拟目标和虚拟物，还能同时实现超视距及视距内作战演训，且其战场环境真实度及模拟逼真度更高、显示沉浸感更强。
1.3空战演训系统架构
借鉴已基本发展成熟且得到广泛应用的分布式网络架构[9]，对基于混合现实的空战演训系统进行设计实现。该系统包括作战部署系统、战况观摩系统、战机终端、战场子系统、虚拟战机仿真控制端（可选）及战场态势动态解算服务器6个组成部分，各组成部分之间可建立网络通讯连接，系统的整体架构如图1所示。其中作战部署系统可利用混合现实技术实时交互的特点[10]，在真实作战环境的虚拟三维沙盘上部署蓝军战力及其他作战要素，
可以有针对性地设定蓝军兵力分布、战场工事、对抗干扰等作战环境参数，红军可以通过战机终端的MR系统在真实战机座舱里观察到战场环境中己方的设定。战机终端安装有精确定位系统，可实时将战机方位及开火状态通过网络传输到战场态势动态解算服务器上，同时进行战场态势的实时虚实融合运算，进而推演出整个战场态势分布，并通过战况观摩系统动态呈现。虚拟战机仿真控制端作为一个可扩展选项，可利用虚拟现实技术動态操控蓝军的虚拟战机及导弹发射，增加战术中的人为控制因素，增强红军对抗演训的复杂性，提高对抗演训的真实性。
1.4系统工作原理
由于虚实演训系统的主体是“人”，为了实现人在回路的飞行系统仿真，需要对人的行为、人和武器的实体交互、以及存在的众多不确定性问题进行有效模拟，具有极强的复杂性[11-12]。如果想要更加真实地模拟出信息化战争的真实战场环境，并将“人”这一主体有效代入，需要解决很多关键性问题，如需要建立合理完备的演训系统工作流程，实现对各个分系统之间的协调控制，保证各个环节之间的有效数据传递等。
系统工作流程如图2所示。登录系统后，战机终端和虚拟战机仿真控制端接收并进入作战部署系统下发的作战任务，红蓝双方开始进行作战对抗演训，各子系统将产生的数据实时传递至战场态势动态解算服务器，由服务器对数据进行融合运算，计算更新战场态势，并将运算结果输出至战机终端、虚拟战机仿真控制端以及战况观摩系统。作战任务完成后生成本次作战演训任务分析报告，并结束本次演训。
2空战演训系统的组成
本部分对构成空战演训系统的6个子系统分别进行详细介绍，包括其功能和组成。
2.1作战部署系统
作战部署系统主要用于管理作战任务、下达作战任务以及作战任务的结果分析等作战控制功能。作战任务是基于真实作战环境部署作战演训方案，包括部署计算机生成兵力（ComputerGeneratedForces，CGF）、作战战术、其他虚拟物及战场环境参数等。作战部署系统中CGF部署以及环境参数设定都基于真实作战环境，在三维沙盘上采用交互式方式完成，具有真实、直观、快捷等特点。同时作战部署系统也可以对蓝军的虚拟战机分配操作终端，飞行员可以通过虚拟战机仿真控制端自主操作虚拟战机参与演训。未分配虚拟战机仿真控制端的虚拟战机则借助人工智能（ArtificialIntelligence，AI）系统，根据作战参数进行智能化控制[13]，具体作战部署系统功能框图见图3。
2.2战况观摩系统
战况观摩系统可实时获取战场子系统监控视角的战场态势，并将其呈现在集成化的空战演训系统作战指挥大厅的显示屏上，供指挥员及学员观摩，系统部署效果如图4所示。
战况观摩系统分为两部分，包括战况地图显示、三维立体实时战场显示。战况地图可以在二维战场地图上实时显示当前兵力情况、战机位置、双方战损情况、战损比等，完整地再现整个战场态势情况。三维立体实时战场则是将战场情况以三维的形式展示，根据系统设计可将观摩视角转换到战机终端获取的虚实融合性战场环境或飞行员的视野内容，以实时观察战场状态。
2.3战机终端
战机终端是基于真实演训战机改造而成的MR融合终端，由真实演训战机、精准定位装备、真实场景采集装备、MR融合头盔、模拟开火系统和MR战场融合计算机组成。精确定位装备可以在融合战场环境中实时定位战机当前位置，跟踪战机的姿态方位，并将位置、姿态信息通过MR战场融合计算机传输给战场态势动态解算服务器，注册更新当前作战终端的方位信息，更新战场态势，通过MR融合头盔（如图5）将实时渲染的虚实融合场景呈现给飞行员。当飞行员操作模拟开火系统进行开火时，MR战场融合计算机会实时将开火信号传输给战场态势动态解算服务器，解算当前战场态势变化，并同步传递到MR融合头盔中。
将MR显示设备与普通飞行员头盔相结合，采用非侵入的方式进行改造[14]得到MR融合头盔。与VR显示设备不同的是，前者提供的是完全虚拟化场景，存在战场真实性和演训安全性问题。而MR显示设备可以将计算机生成的虚拟物、虚拟效果与真实世界叠加[15]，不会影响飞行员获取外界真实环境，实现虚实交互融合。且飞行员佩戴该头盔时可自行选择可视环境，能在外界真实环境与融合作战环境之间进行选择切换，以保证演训遇到突发情况时融合场景不会干扰飞行员的正常操作。
2.4虚拟战机仿真控制端
虚拟战机仿真控制端是以虚拟现实的形式运行于图形仿真工作站，飞行员可利用虚拟现实设备等通过仿真控制端操作作战部署系统分配的虚拟战机，虚拟战机显示系统同时能够看到虚实融合战场及敌方战机并进行攻击。作战部署系统可以设定虚拟战机的装备型号、机载弹药、开火间隔等参数。
虚拟战机仿真控制端并不只是简单地结合了虚拟现实技术的飞行模拟器，虽然是凭借虚拟现实设备实现对虚拟战机的操控，但是其视景是采集处理得到的虚实融合战场视景，飞行员可根据战场态势控制战机的飞行以及模拟开火，具备一定的交互能力，能够提高并丰富飞行员的空战演训经验。
2.5战场子系统
空战模拟演训具有空域大、速度快等特点，这与地面作战模拟演训有很大不同[16]，因此想要全方位、实时地掌握战场态势需要合理设计演训系统的战场子系统。该子系统能为战况观摩系统提供实时的战场态势监控视角，其组成包括在真实作战环境中的精确定位基站、地面定位导航车辆、无线通信基站、数字通信卫星及战场态势监控系统等。其中精确定位基站和地面定位导航车辆主要用于辅助战机或其他战场作战武器的精确定位与相关数据传输。无线通信基站和数字通信卫星则主要负责战机与地面指挥控制大厅的无线网络通信及空地大规模数据传输。战场态势监控系统负责对虚实融合战场态势进行实时监控，要求能够实时地反应出战场的环境变化、真实及虚拟战机的飞行状态变化、开火后的导弹飞行情况等。
2.6战场态势动态解算服务器
战场态势动态解算服务器通过交换机接收其他子系统传递的诸如战机的飞行姿态、位置，导弹的发射、飞行及命中状态等数据信息。战场态势动态解算服务器需要在极短时间内完成对战场态势的虚实融合运算，及时对整个战场态势分布进行计算更新，并将所得结果传递回各个子系统中。
战场态势动态解算服务器作为空战演训系统最重要的数据处理终端，要求其具有高速处理大规模数据的能力，这对演训系统的实时性和有效性具有重要意义。
3空战演训系统关键技术
作为一个虚实结合的空战演训系统，要想真正地结合军事需求发挥其强大作用，切实、高效、低耗费地提高飞行员非战时的演训水平，需要突破以下关键技术。
3.1作战场景真实化三维建模技术
目前飞行模拟器的视景显示技术主要有虚像顯示、球幕实像显示，及最常见的板块式显示，但是这些技术存在视场角小、纵深感弱、沉浸感差、通道缝隙等问题，具体如表1所示[17]。随着技术条件的进一步成熟，成本低廉且具有大视场角的VR/MR显示技术已经可以满足实用要求。但是要在显示中实现虚实的完美融合，并在真实作战环境中虚拟部署CGF，不仅需要对显示技术要求严格，还要做到对真实作战环境的1∶1还原虚拟化建模[18]，构建真实作战环境的虚拟三维沙盘，保证真实战机和虚拟战机（或其他虚拟物）的导弹发射、命中相一致，并需要考虑真实环境的遮挡、虚拟战机的运动性质等因素。可以在真实战机上安装场景采集装置，并利用倾斜摄像三维建模技术获取作战场景，以建立真实完备的视景数据。
3.2精确定位技术
为实现真实战机与虚拟战机（或其他虚拟物）之间的信息融合计算，必须对真实战机进行位置和方位追踪。可以将机载定位导航系统与地面车辆导航系统相结合，以得到战机精准的地理坐标、真北方位及高程[19]，而飞机的姿态变化则可以借助高精度姿态传感器得到。
3.3虚实融合信息运算技术
虚实融合运算包括真实战机的虚拟空间注册技术[20]、虚拟战机/导弹在真实作战环境中的运动计算、真实战机与虚拟物体之间的关系运算以及导弹命中运算等运算技术，这是一种将真实行为与虚拟行为在融合环境下进行分析的关键技术，也是增强MR真实感、沉浸感的关键技术。
3.4MR虚实融合技术
MR虚实融合技术的应用需要对真实战机的瞄准系统进行改造，采用影像融合的方法进行虚实融合，整个过程主要包括真实场景获取、虚实信息融合、融合信息显示三个部分。演训系统采用的方案是对真实战机及飞行员获取的场景数据进行处理，通过标定等手段确定具体场景参数，将观瞄系统采集的影像与飞行员的操作信息、虚拟物信息进行叠加，最后把融合后的场景影像传送至MR融合头盔中，其原理如图6所示[21]。
4结束语
本文所构建的空战演训系统基于混合现实技术，可针对战机飞行员作战演训环境进行模拟，旨在通过将真实作战演训场地与特定虚拟物、虚拟环境融合在一起构造虚实融合性作战环境，为多样化航空作战演训提供了可能，可大幅减少演训成本，提高作战人员的演训效率。此外，该演训系统预留扩展方案，可装备到不同的武器系统，打造属于不同军兵种的基于混合现实的虚实演训系统，还可以将战舰、坦克、火炮等虚拟合成营装备通过电脑仿真进行人为控制，在不增加演训部署难度和成本的情况下，将对抗演训快速升级到陆海空天全方位作战模式，且在演训过程中不会有武器消耗和装备损毁。该系统前期建设主要考虑虚拟战机的单维度作战演训，后期可逐步扩展为基于混合现实的陆海空天各军兵种联合作战演训。
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