淺析仿真技術(shù)在無人機訓(xùn)練中的應(yīng)用

李建國， 王 濤

（國防科技大學(xué) 系統(tǒng)工程學(xué)院，湖南 長沙 410073）

隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，智能化戰(zhàn)爭是未來戰(zhàn)爭的發(fā)展趨勢，而無人機更是智能化戰(zhàn)爭中的關(guān)鍵角色，無人機在各領(lǐng)域應(yīng)用的深度和廣度不斷增加［1］。目前，無人機系統(tǒng)在偵察監(jiān)視、目標指示、火力引導(dǎo)、電子對抗、空中格斗、反導(dǎo)攔截、誘敵惑敵、通信中繼、對地攻擊等各類作戰(zhàn)運用中發(fā)揮著重要作用［2］。

而仿真技術(shù)以其經(jīng)濟性、可重復(fù)性優(yōu)勢，可在無人機訓(xùn)練中發(fā)揮輔助作用，通過在無人機實際飛行前組織仿真研究與評估工作，可以極大地降低無人機試飛風(fēng)險，提高科研和訓(xùn)練效率［3-4］。通過建立無人機仿真平臺，用虛擬傳感器代替無人機的真實傳感器等方式［5］，將部分無人機實飛訓(xùn)練遷移到仿真訓(xùn)練上來，促進訓(xùn)練效益和經(jīng)濟效益提升?！盁o人機訓(xùn)練＋仿真”在無人機全過程訓(xùn)練過程中有著巨大前景。

1 無人機單兵訓(xùn)練中仿真應(yīng)用

1.1 無人機系統(tǒng)單兵訓(xùn)練現(xiàn)狀

無人機系統(tǒng)是科技領(lǐng)域不可或缺的重要角色，發(fā)展快，應(yīng)用廣，技術(shù)水平高，通常由無人機體、任務(wù)載荷、控制站、通信系統(tǒng)等部分［6］組成。不同類型的無人機（大、中、小、微）其造價不同，訓(xùn)練消耗也不同。對于新手來講，極易造成無人機訓(xùn)練損耗，而建模與仿真技術(shù)由于其經(jīng)濟性、可重復(fù)性、高效性可增強訓(xùn)練效率，提升單兵訓(xùn)練效果，使操作者最短時間內(nèi)了解裝備、掌握裝備。目前，國內(nèi)已開發(fā)出小型無人機飛行控制模型并投入使用［7］，實現(xiàn)對無人機的全過程飛行監(jiān)控。利用試驗平臺控制、模擬器指令、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)中心與設(shè)備交互等功能，實現(xiàn)對無人機地面飛行仿真、地面檢測和故障診斷，但尚無成體系單兵仿真輔助訓(xùn)練系統(tǒng)。

1.2 無人機虛擬仿真訓(xùn)練

1.2.1 數(shù)據(jù)搜集與建模

虛擬仿真本質(zhì)是利用虛擬系統(tǒng)（軟件模型）來模擬真實系統(tǒng)，其模擬過程是建立在真實系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。通過對真實數(shù)據(jù)的搜集整理，選取影響訓(xùn)練的關(guān)鍵因素，作為仿真模型建立的參數(shù)，并選取合理算法，建立適宜的訓(xùn)練模型。

針對無人機系統(tǒng)，要區(qū)分旋翼、固定翼類型，根據(jù)其任務(wù)載荷（武器、偵察、通信中繼等）、體型大小等，對不同組成部分（無人機、控制單元、通信系統(tǒng)等）分別統(tǒng)計實踐數(shù)據(jù)，確定訓(xùn)練目標，按照可行、可信、經(jīng)濟、集成原則［8］選取指標參數(shù)并建立合適的數(shù)學(xué)模型。

1.2.2 軟、硬件開發(fā)

根據(jù)建立的訓(xùn)練模型，選用成熟的軟、硬件，如光纖、集成電路、軟件工具、內(nèi)存、顯卡、處理器、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)等軟件。

這一過程是將實踐數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛擬模型的關(guān)鍵，要采用相對成熟的仿真技術(shù)、圖像處理技術(shù)等，利用運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器和環(huán)境仿真器等設(shè)備將無人機系統(tǒng)操作訓(xùn)練過程轉(zhuǎn)化為通過人機接口（如控制手柄、鼠標鍵盤）操作軟件的過程，通過計算機中軟件界面輸出無人機起飛、航行、任務(wù)操作（如射擊、拍照、引導(dǎo)、定位、通信）、回收等一系列操作模擬結(jié)果。

1.2.3 情境模擬與訓(xùn)練

要建立不同類型無人機系統(tǒng)不同環(huán)境下訓(xùn)練場景數(shù)據(jù)庫，針對不同任務(wù)、不同環(huán)境（天氣、地理等）建立不同情境，根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)要求選取不同情境，根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，調(diào)整優(yōu)化操作方法，提升訓(xùn)練效率，盡快掌握操作方法。

1.3 無人機虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練

無人機虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練是利用虛擬仿真技術(shù)［9］，讓操作者“沉浸”在模擬環(huán)境中觀察、操作、檢測無人機并與其進行交互，實現(xiàn)現(xiàn)實復(fù)雜環(huán)境再現(xiàn)。

由于虛擬仿真現(xiàn)實更加直觀形象，可以使操作者在模擬訓(xùn)練時感受到實機訓(xùn)練時所產(chǎn)生的視覺、聽覺、觸覺以及嗅覺，可迅速提升訓(xùn)練效果。

開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)要建立在開發(fā)虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)無人機控制過程設(shè)計仿真系統(tǒng)。由于其實現(xiàn)復(fù)雜、功能相對單一，只能模擬部分功能，應(yīng)將仿真重點放在飛行控制上。

要綜合運用模擬器［10］（轉(zhuǎn)臺、負載器、紅外、壓力模擬器）、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)，考慮在人體行為規(guī)律的基礎(chǔ)上充分利用機電技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)，設(shè)計合理的訓(xùn)練情境，讓操作者通過人機接口進行輸入、反饋、控制，利用仿真情境有效地提升操作人員訓(xùn)練效果。

2 無人機編組訓(xùn)練中的仿真應(yīng)用

2.1 無人機編組訓(xùn)練現(xiàn)狀

在無人機單兵訓(xùn)練完成后，要轉(zhuǎn)入編組訓(xùn)練，進一步發(fā)揮無人機作戰(zhàn)效能。編組訓(xùn)練建立在個體熟練操控?zé)o人機的基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)需要實施人機協(xié)同、自主協(xié)同、“蜂群”攻擊、癱體失能作戰(zhàn)等。為了提升訓(xùn)練效果，要進行編隊訓(xùn)練、對抗訓(xùn)練，這類訓(xùn)練對操作者要求更高，風(fēng)險更大。

2.2 無人機分布交互式仿真訓(xùn)練

2.2.1 分布交互式虛擬仿真無人機訓(xùn)練

分布交互式仿真［11］融合了仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓仿真終端在網(wǎng)絡(luò)支持下完成分組交互。分布交互式虛擬仿真，即通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將不同層級、不同點位的虛擬仿真系統(tǒng)連接起來，在線共享訓(xùn)練信息，讓有協(xié)同需求的編組成員實時通過虛擬仿真系統(tǒng)操控?zé)o人機，在統(tǒng)一的虛擬平臺上進行戰(zhàn)術(shù)演練。

該訓(xùn)練方式需要建立統(tǒng)一的管理平臺，通過該平臺將不同點位的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)整合到網(wǎng)格體系中，實時傳輸數(shù)據(jù)。通過設(shè)置不同環(huán)境條件，針對不同成員數(shù)量進行編隊組合，通過接力通信，完成行動協(xié)同和分組對抗；通過不斷演練戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，提升戰(zhàn)斗力水平。

2.2.2 分布交互式虛擬現(xiàn)實無人機訓(xùn)練

分布交互式虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練技術(shù)通過將分布交互式仿真技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，讓編組訓(xùn)練人員在接近實戰(zhàn)的視聽環(huán)境中完成操作訓(xùn)練，該種訓(xùn)練方式對硬件、軟件平臺的要求更高，對數(shù)據(jù)傳輸及實時反饋要求更嚴。要充分利用計算機技術(shù)、虛擬空間技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)，讓操作者通過虛擬仿真設(shè)備“真實”地看到、聽到所操控的無人機在各類模擬環(huán)境中編隊、接力、配合、分散各階段狀態(tài)，共同完成訓(xùn)練任務(wù)。

2.3 面向?qū)ο蟮臒o人機仿真技術(shù)

無人機系統(tǒng)發(fā)展至今，種類、型號十分繁雜，在完成作戰(zhàn)任務(wù)時需要不同類型的無人機合理編組，但不同類型的無人機對應(yīng)不同的仿真模型，要使這些模型相互作用，重新開發(fā)仿真系統(tǒng)十分復(fù)雜，而面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)則可簡化這一過程。

面向?qū)ο蟮姆抡嬗?xùn)練是通過面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)，將編組內(nèi)不同類型的無人機看作相互作用的對象，將整個訓(xùn)練編組視為一個整體，整體行為由各個無人機對象通過數(shù)據(jù)接口（操作端）相互交換信息。

面向?qū)ο蠹夹g(shù)由于有更好的封裝性，可在更高層次的體系結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)不同仿真系統(tǒng)互操作，提升仿真系統(tǒng)的可重用性，便于不同層次和粒度的無人機模型相互作用，更好地輔助各類無人機在編組訓(xùn)練中實現(xiàn)仿真。

3 無人機綜合演練中仿真應(yīng)用

3.1 無人機綜合演練現(xiàn)狀

在完成單兵訓(xùn)練、編組訓(xùn)練后，無人機訓(xùn)練將轉(zhuǎn)入綜合演練階段。該階段通過各類綜合性演練對無人機訓(xùn)練效果、無人機作戰(zhàn)效能進行檢驗。目前無人機裝備已滲透到各類綜合性演練中，并發(fā)揮出不可替代的作用。目前，綜合演練中人機協(xié)同演練、高對抗環(huán)境下無人集群編組訓(xùn)練、復(fù)雜環(huán)境下無人機適應(yīng)訓(xùn)練成為訓(xùn)練重點內(nèi)容。

在該階段要想充分發(fā)揮仿真技術(shù)的輔助作用，必須利用網(wǎng)格軍事仿真技術(shù)、集成環(huán)境仿真技術(shù)，助力演訓(xùn)效果，提升作戰(zhàn)效能。

3.2 無人機仿真想定系統(tǒng)

想定是對一個或多個事件進行的假想［12］，通過假想對戰(zhàn)斗過程進行預(yù)演預(yù)判。鑒于無人機在戰(zhàn)場應(yīng)用中仍屬新生事物，對想定環(huán)境有特殊要求，最大限度地發(fā)揮無人機的作戰(zhàn)潛力，提升戰(zhàn)斗效能，在綜合性軍事演練中有必要設(shè)計專門的無人機仿真想定系統(tǒng)。

無人機綜合演練仿真系統(tǒng)要根據(jù)不同任務(wù)目標（如偵察、引導(dǎo)、通信、打擊等）對任務(wù)環(huán)境系統(tǒng)進行全面分解，區(qū)分自然環(huán)境、數(shù)據(jù)、無人機體、作戰(zhàn)標記等對象進行數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)換，并利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編輯器規(guī)范數(shù)據(jù)格式。根據(jù)任務(wù)目標、任務(wù)背景、任務(wù)環(huán)境、任務(wù)階段、時限要求等開發(fā)仿真想定系統(tǒng)。

通過統(tǒng)一的想定模型，確保演練過程各層次數(shù)據(jù)的規(guī)范化、標準化、程序化，提升仿真系統(tǒng)置信度和可靠性。

3.3 基于網(wǎng)格仿真技術(shù)的無人機綜合演練

分布交互式仿真技術(shù)在局域網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)無人機模擬終端的交互。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建地圖信息系統(tǒng)想定環(huán)境，充分利用數(shù)據(jù)庫及通信基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)設(shè)備無縫連接，借助網(wǎng)格完成仿真建模、制作、集成和實驗，即網(wǎng)格軍事仿真技術(shù)。

綜合演練中涉及的要素（地形、水文、氣象、地質(zhì)、人員、裝備、通信、后勤、攻防）僅僅依靠專門的分布交互網(wǎng)絡(luò)已難以滿足任務(wù)需求，這就需要網(wǎng)格技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)中各類計算資源、存儲資源、通信資源、模擬資源整合起來，通過大數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)云來統(tǒng)籌演練對象各類行動，對其數(shù)據(jù)進行采集、分析、反饋。

無人機在高對抗環(huán)境以及不同環(huán)境條件下，采取什么方式完成任務(wù)，從作戰(zhàn)方案確定、飛行路線選擇、任務(wù)載荷加載、型號選定、編組方案確定、任務(wù)執(zhí)行到任務(wù)成果評估都可以在網(wǎng)格體系內(nèi)完成評估檢驗以及復(fù)盤重演。

3.4 無人機綜合演練的集成環(huán)境仿真

任何演練仿真系統(tǒng)中環(huán)境集成［13］都是重要的組成部分。環(huán)境集成要通過數(shù)學(xué)手段對自然環(huán)境、電磁環(huán)境甚至人文環(huán)境進行建模，將人員、裝備、通信、情報、后勤、攻防行為進行量化，采用靜態(tài)或動態(tài)的多維數(shù)據(jù)場擬合方法，充分考慮環(huán)境效應(yīng)（即環(huán)境動態(tài)變化對仿真結(jié)果的影響）。

此外還要充分利用現(xiàn)代地圖學(xué)，將二維地圖轉(zhuǎn)化為三維地圖，利用虛擬仿真技術(shù)將戰(zhàn)場環(huán)境集成到仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中。有學(xué)者圍繞無人機夜間突防的典型作戰(zhàn)樣式，設(shè)置了模擬實驗場景，引入注意力機制中，提升仿真效果［14］。

通過集成環(huán)境仿真讓參演對象根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整無人機編隊方式、戰(zhàn)斗方案，并及時反饋作戰(zhàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，在人機交互過程中提升訓(xùn)練水平，選定更優(yōu)方案，提升戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)水平。

4 無人機訓(xùn)練仿真結(jié)果評估

仿真系統(tǒng)是對真實情景的模擬，無法完全替代實機實境訓(xùn)練，需要通過系統(tǒng)校核、驗證及確認技術(shù)提升仿真系統(tǒng)準確度、效率、可行性、置信度，推動仿真系統(tǒng)向自動化、規(guī)范化和集成化發(fā)展，進而提升訓(xùn)練實際效益。

對此要充分適應(yīng)無人機系統(tǒng)發(fā)展水平，利用信息技術(shù)、控制理論、相似原理、系統(tǒng)工程等最新理論成果，依托計算機等設(shè)備，開發(fā)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)同時開發(fā)配套訓(xùn)練效果評估檢測系統(tǒng)，達到虛實合一的效果。

仿真技術(shù)在無人機訓(xùn)練中的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 仿真技術(shù)在無人機訓(xùn)練中應(yīng)用Fig.1 Application of simulation technology in UAV training

5 結(jié) 論

綜上所述，無人機訓(xùn)練從單兵到編組、從編組到綜合是訓(xùn)練由淺入深的進階過程，不同階段采用不同的仿真技術(shù)，各類仿真技術(shù)由虛擬仿真到虛擬現(xiàn)實仿真，由單機仿真到分布交互仿真乃至網(wǎng)格仿真，對仿真軟、硬件要求越來越高。由于不同訓(xùn)練機型，不同訓(xùn)練任務(wù)所需訓(xùn)練模型復(fù)雜繁多，可在以往的仿真系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)上統(tǒng)一技術(shù)標準，統(tǒng)一接口規(guī)范［15］，充分采用組件化、標準化技術(shù)提升仿真系統(tǒng)的通用性、標準化和程序化，提升各類仿真模型的適應(yīng)性和可移植性，在提升訓(xùn)練效益的同時壓縮開發(fā)成本，提升其經(jīng)濟性。