高级教练机嵌入式训练系统应用

刘 纯，李 维，刘 洁，余 奎，赵平均，滕建方

(1.中航工业洪都650飞机设计研究所，南昌 330024； 2.海军航空工程学院，山东 烟台 264001)



【装备理论与装备技术】

高级教练机嵌入式训练系统应用

刘 纯1，李 维1，刘 洁2，余 奎1，赵平均1，滕建方1

(1.中航工业洪都650飞机设计研究所，南昌 330024； 2.海军航空工程学院，山东 烟台 264001)

从嵌入式训练系统的基本概念、基本原理阐述出发，介绍了国际先进高级教练机嵌入式训练系统的发展现状和应用情况，分析了机载嵌入式训练系统的技术特征，提出了嵌入式训练系统的发展趋势是发展剧情游戏的嵌入式训练、基于多平台的联合嵌入式训练、基于人工智能的嵌入式训练等方面。

嵌入式训练系统；高级教练机；空战训练

现代化战争将是一种环境复杂、多维度、多军种的作战形式。随着空地一体战、空海一体战及空天一体战等现代作战概念的提出[1-2]，空军在现代化战争中不仅肩负着夺取制空权的重任，还要对海、陆、空、天、赛博空间进行火力攻击和支援。随着具有先进能力的新一代战斗机的应用，飞行员在高机动、高敏捷的作战过程中，对态势感知、信息综合、武器使用、战术运用、决策控制等能力的训练要求不断增强。在复杂的战场态势下，各类机载传感器的信息、地面信息、通过数据链获取的外部战场信息，给飞行员带来巨大的信息量，它在帮助飞行员全面掌握战场态势的同时，也大幅度提高了对战场决策、判断力等方面的要求。如何训练飞行员的综合任务管理能力，如何使其能迅速对所获信息进行全面分析并配合辅助决策系统在战场上快速作出正确判断的能力成为现代空战战斗员面临的重大课题。

由于在和平时期实战机会少，利用实兵扮演“蓝军”的演习成本高、训练空域需求复杂、难以有效模仿敌方空面威胁特性，训练地点固定、参训人员在身体感知和情景意识方面存在明显不足。因此，以任务为向导、贴近实战的空战对抗训练形式的嵌入式空战训练技术应运而生。各国军方及空战训练研究机构都开始将目光投向嵌入式训练系统[3-14]。

1 嵌入式训练概念

在美军《四年防务评估报告》中，对嵌入式空战训练系统概念作以下描述：嵌入式空战训练是指利用作战装备对操作和维护该装备的人员进行训练，嵌入式空战训练系统依靠嵌入内部的或简单附加的部分，如计算机教学、仿真场景、软件等，对训练素材进行适当规划并对反馈和所学课程的效果进行评估[10]。

荷兰国家宇航实验室则说：嵌入式空战训练是一种内置的作战功能系统，它是在机载计算中虚拟空对空或面对空威胁，使飞行员在所设计的生动而充满挑战性的虚拟场景中对抗大量的逼真虚拟对手，以提高或保持操作者技术熟练水平的训练[11-12]。

简言之，机载嵌入式训练是指在飞机上增加或集成嵌入式仿真子系统，使飞机在不装备或不使用真实武器和传感器的情况下，通过计算机仿真虚拟目标/威胁、虚拟传感器、虚拟电子战、虚拟武器或其他作战要素，并将所产生的虚拟信息与飞机航电系统相融，低成本高效地实现单机、多机或联合战术训练。通过将训练设备嵌入在实际装备中，在近似实战的逼真环境下实施训练，使受训者获得与实战相符的心理与生理适应性，大幅提升训练品质。嵌入式空战训练系统可以与武器装备同时配置，能够在和平时期和作战间隙为部队提供全时段、全方位和不间断的训练，有效提高部队的战备能力和应付突发事件的反应能力。

2 嵌入式训练系统工作原理

2.1 嵌入式训练系统结构

嵌入式训练系统主要分为以下3种结构[15-18]：

a) 独立式嵌入式训练系统

独立式嵌入式训练系统是与载机航电系统相对独立的子系统，它拥有自己的处理控制模块、图像生成模块及显示模块，通过航空数据总线、视频线以及电源线及其他接口装置与武器装备相连。独立式嵌入式训练系统一般是在武器装备已交付部队后，为增加相应的训练功能或提升训练能力，在尽量不改动原机系统的条件下，通过额外附加部件安装在载机中。

b) 集成式嵌入式训练系统

集成式嵌入式训练系统是在飞机航电系统设计之初即综合考虑嵌入式训练能力，将嵌入式训练系统作为航电系统的一个子系统进行综合设计，与航电系统集成度高、可靠性好，由于与航电系统完全融为一体，其显示及训练效果更逼真。但同时它增加了航电系统的设计难度，延长了研制周期。

c) 混合式嵌入式训练系统

混合式嵌入式训练系统是指在不便进行独立式或集成式嵌入式训练系统设计的情况下，部分采用独立式或集成式的设计思路，进行嵌入式训练系统的设计。混合式嵌入式训练系统设计通常是在航电系统已完成设计的条件下，增加嵌入式训练系统功能。

不同类型的嵌入式训练系统虽然在嵌入形式上存在差异，但它们都具备某些共同的训练特征或功能，主要包含：

提供适当的威胁场景，或提供在战斗前(战斗中)产生的相关信息；提供传感器或武器仿真能力；提供训练结果评估(打分)能力；提供训练数据采集和管理训练能力。

2.2 嵌入式训练系统工作原理

嵌入式训练系统的本质是通过计算机仿真技术产生虚拟目标/威胁，仿真各类机载传感器，虚拟各类空空、空面、面空武器，构建各种作战训练场景，使受训人员在所规划的生动而充满挑战性的虚拟场景中，使用虚拟传感器、武器，对抗大量的逼真虚拟对手。嵌入式训练系统工作原理如图1所示，通常分为机载和地面两部分，机载部分包含嵌入式训练计算机和机载数据链，地面部分包含任务规划系统和回放/讲评系统。

图1 嵌入式训练系统工作原理示意图

嵌入式训练计算机与载机航电系统交联，根据训练任务需要可仿真各型虚拟对手飞机，具备相应型号飞机的机动性能；可仿真空空及空面各型传感器，如空空雷达、空面雷达、激光雷达、红外前视、光电瞄准吊舱等等；可仿真各类武器或威胁，如空中威胁(航炮、火箭弹、导弹等)、地面威胁(如地空导弹、火炮等)、海面威胁(如舰基导弹、炮等)；可仿真各类作战训练场景，如近距作战、中远距作战、多机编队对抗、空地协同、对地攻击、多军兵种联合作战等场景。嵌入式训练计算机产生或从数据链接收到的目标信息、传感器信息、武器信息、威胁信息、虚拟战场态势/场景通过航电系统显示与控制系统进行显控。

机载数据链是嵌入式训练过程中载机与友机、敌机间，进行目标/威胁信息、传感器信息、武器信息交互的媒介。同时，还可实时将训练信息下传至地面，供地面监控或地面学员在线学习，或在空面联合训练时实施信息交互或指挥控制。

地面任务规划系统可进行目标/威胁特征及性能参数规划，可进行传感器、武器性能参数规划，可规划各类作战训练场景或剧情，并实现将规划数据加载进机载嵌入式训练计算机。

地面回放/讲评系统可通过数据链实时接收训练信息实现在线指挥控制、在线计分、地面学习。可采集载机记录设备数据、嵌入式训练计算机记录模块数据、地面监控数据，实现训练过程重现，供教员飞行后讲评及学员技能提升。

3 国外高级教练机嵌入式训练系统

3.1 韩国T50飞机嵌入式训练系统[3]

韩国T-50高级教练机嵌入式训练系统由韩国航空工业公司(KAI)开发，具备空空、空地作战等多种模拟训练能力。T-50嵌入式训练系统概念如图2所示，具有空中目标/威胁，地面固定(移动)目标/威胁，海面固定(移动)目标/威胁，虚拟友军，可模拟虚拟传感器、武器，具备空空/空地数据链信息交互能力。

图2 韩国航空工业公司开发嵌入式训练系统概念图[3]

KAI 嵌入式训练系统功能可划分为几个部分：1)虚拟目标/威胁模拟；2)虚拟传感器模拟；3)虚拟武器模拟；4)嵌入式数据链；5)地面站支持。

其中，1)、2)、3)通过计算机建立模型仿真，4)为真实设备，5)为嵌入式训练任务规划、回放和讲评。

KAI嵌入式训练系统中，虚拟传感器从目标模型中获取所需目标信息，并将所生成的虚拟威胁当成真实威胁进行处理。当虚拟传感器完成对虚拟目标/威胁的处理，受训飞行员可投放或发射虚拟武器攻击相应的虚拟目标/威胁。当虚拟武器发射后，可马上获得攻击的计分结果。在KAI嵌入式训练系统架构模型中，目标/威胁数据库是主要的组成部分，虚拟传感器、设备和武器可从同一数据源头共享目标/威胁模块数据，场景编辑器可虚拟作战场景，友机同样可以通过数据链共享训练信息。

KAI嵌入式训练系统虚拟目标/威胁模拟

在KAI嵌入式训练系统中，虚拟威胁被定义为攻击友军的对象，虚拟目标被定义为被友军攻击的对象。虚拟目标/威胁应采用面向对象的方法来建立，虚拟目标/威胁可以模拟虚拟敌方飞机的动作、轰炸目标、虚拟地面防空导弹、虚拟敌方雷达等。

KAI嵌入式训练系统虚拟传感器/设备模拟

嵌入式训练系统虚拟传感器被定义为：通过计算机仿真，可以像真实传感器一样为受训人员或载机获取目标/威胁信息的可替换单元。KAI嵌入式训练系统虚拟传感器/设备包含火控雷达(FCR)、雷达告警接收机(RWR)、对策分发系统(CMDS)、先进敌我识别(AIFF)、外挂管理计算机(SMC)及目标瞄准吊舱(TP)。

KAI嵌入式训练系统虚拟武器模拟

KAI嵌入式训练系统设计的武器如表1所示。

表1 KAI嵌入式训练系统模拟的武器

KAI嵌入式训练系统已开展飞行测试，其演示及测试结果可保证KAI及韩国空军足够的训练效能。如表2所示，KAI当前嵌入式训练系统可覆盖至少31%的LIFT训练大纲(Lead-In Fighter Training syllabus),规划或扩展的KAI嵌入式训练系统则可覆盖71%的LIFT训练大纲。

表2 KAI嵌入式训练系统估算覆盖训练大纲范围

3.2 意大利M-346 飞机嵌入式战术训练系统

意大利M-346空战训练系统，官方名称为嵌入式战术训练仿真(Embedded Tactical Training Simulation,ETTS)，它是M-346高级教练机的核心特征之一，它与航电系统综合集成设计，以板卡形式插入航电任务管理计算机内，M-346 ETTS使M-346具备了全范围的仿真训练能力，可为学员及教员提供以下仿真训练：

战术环境仿真(包含虚拟目标及威胁的数字地图环境)；

虚拟兵力生成(地面或空中的友军和敌军)；

机载传感器仿真(如多模雷达、主/被动电子战设备)；

武器仿真；

因此，对于M-346飞机在进行空战训练时，无需装备真实的面/空威胁，无需配备各种昂贵的机载传感器，无需携带真实的训练武器，无需多架真实飞机进行编队，即可开展空战战术训练，训练成本大幅降低。

ETTS功能可支持单机空战训练，还可通过数据链交互不同飞机间的场景、传感器、友军等数据，实施多机对抗训练或多机联合组网空战训练，其空战训练概念如图3所示。

图3 M-346 ETTS空战训练概念图

M-346 ETTS 机载传感器及场景仿真

M-346 ETTS机载传感器仿真包含：1)雷达仿真；2)EO/IR传感器仿真；3)电子对抗设备(ECM)仿真；4)战术数据链。

M-346 ETTS可模拟各种战术场景，训练学员的空中系统管理能力和战场态势感知能力。使学员学会如何在正确的时机进行正确的机动，如何正确的应对敌机的电子战(EW)、威胁告警和应对实施主动攻击的威胁(如面对空导弹，地面防空火炮等)。

M-346 ETTS机载武器仿真

M-346 ETTS可仿真的机载武器包含：

1) 空对空武器；

2) 空对地武器。

学员可在不使用真实武器的条件下，实施空对空武器攻击模式训练及空对地武器攻击模式训练，可学习武器攻击过程中的典型符号使用、攻击流程、武器投放参数。机载系统还可为飞行学员提供武器攻击计分/评估功能，包含在线即时计分评估和地面任务讲评。

M-346 ETTS 地面部分包含一个基于PC的任务支持地面站(MSS)。 MSS 具备任务规划功能，在任务规划阶段可进行规划任务预演，然后通过一种可移动加载设备将所规划任务加载进飞机航电系统。MSS还具备训练任务完成后回放及讲评功能。

根据意大利马基公司的分析，使用安装ETTS的M-346高级教练机可以为“台风”战斗机的用户节省一半的改装飞行训练时间，节约的训练成本相当可观。

3.3 英国HAWK 嵌入式训练系统

英国BAE系统公司目前也在加紧开发针对Hawk高级教练机的嵌入式训练系统。新一代“Hawk”教练机采用了开放式结构的航电系统,采用制造商介绍的尖端嵌入式训练系统，其配备的系统可以模拟Hawk 没有安装的多种传感器和武器，包括模拟不同性能的雷达和雷达告警接收装置，具备空对空和空对地作战训练所需的目标/威胁、传感器及武器仿真能力，可执行空空飞行任务训练任务、面空导弹攻击的防御飞行训练任务。BAE系统公司曾演示了一个虚拟作战环境,用一架“Hawk”100样机通过数据链与3台地面模拟器相连实施了一场2对2的空战训练,3台模拟器中一台作为虚拟僚机，另两台作为虚拟敌机[19]。

另一方面，由于英国空战主战飞机的机型相对较少，英国Hawk飞机嵌入式训练系统除了通用传感器武器训练外，还针对具体机型的传感器、武器及战术开展嵌入式训练系统开发工作，甚至使用相应战斗机的软件进行嵌入式空战训练。

2013年7月，第一批利用HAWK T Mk2培训的飞行员顺利毕业，并进入作战部队进行训练。作战部队对这批飞行员的能力进行了肯定，特别是飞行员在飞行角色的理解以及飞机系统的管理两个方面表现特别出色。英国皇家空军司令Stephen Dalton 爵士(空军上将)说：“在新式Hawk飞机上完成嵌入式训练课程的飞行员是通过英国高速喷气机训练毕业的最好的一批飞行员之一”。

4 教练机嵌入式训练系统特征

受训练体系影响，早期初级或中级教练机的定位在于对飞行员常规飞行能力的训练，对受训者更强调的是空中飞行的身体和心理的感知、飞机的驾驭能力和飞行技艺。另外，由于初级和中级教练机空战能力极为有限，与作战飞机性能差异较大，空战训练价值不高。

随着先进喷气式高级教练机的出现，且其性能达到三代机的水平，为了降低装备成本和训练费用，同时提供训练的灵活性，高级教练机开始担负空战训练任务，越来越多的战斗入门训练科目或战术训练任务向高级教练机转移，在高级教练机上加装嵌入式训练系统成为国际研究热点。因此，高级教练机嵌入式训练系统在近几年来也得到快速发展。

教练机嵌入式训练系统的特点主要体现在以下几方面：

一是教练机嵌入式训练系统需模拟各类传感器、武器及威胁环境。与战斗机不同，教练机物理尺寸相对较小，而且受成本限制，不可能在教练机上装备先进的机载传感器和武器系统，无法像战斗机一样可在真实的传感器及武器系统中注入虚拟目标/威胁信号即可实现对虚拟传感器及武器的模拟。因此，教练机嵌入式训练系统需要完整模拟战斗机的各类机载传感器、外挂管理、火控解算、武器系统等，同时还需要根据空战训练需求开发一系列不同类型人程度和威胁等级的虚拟对手/威胁，构建各类空战训练场景。

二是教练机嵌入式训练系统与航电系统密切融合。由于嵌入式训练系统需仿真各类传感器、武器和威胁环境，而以上仿真子系统与航电系统中显示控制管理计算机、任务管理计算机、机电管理系统、多功能显示器、平视显示器、油门杆、驾驶杆等设备均存在密切交联。对当前国际上先进高级教练机而言，嵌入式训练系统软件、硬件接口已深深融入到整个航电系统环境中。因此，嵌入式训练系统开发需要对航电系统的总体架构、设计思想、组成功能、系统兼容性等内容有深刻理解。

三是教练机嵌入式训练系统与战术训练密切相关。嵌入式训练系统的最大难题在于实现战术训练，要实现战术训练，需要研究者或开发者具备一套完整的战术思想和先进的空战训练理念，还需将战术思想及先进训练理论与嵌入式训练系统相融合。

分析相关资料可知，战斗机嵌入式训练系统主要解决外弹道仿真、火控解算、训练效果评估及杀伤概率评估等问题，而教练机嵌入式训练系统不仅需解决外弹道仿真、火控解算、训练效果评估、杀伤概率评估等问题，还需解决传感器模拟、武器模拟、目标模拟及如何实现战术训练等问题。因此，从某种意义上来说，教练机嵌入式训练系统开发难度更大。

5 嵌入式训练系统发展趋势

从国际上几款先进高级教练机上所装配的嵌入式训练系统来看，其训练能力主要停留在：1)训练机载传感器的操作使用，2)训练各类武器的投放流程与时机，3)虚拟对手可进行简单的机动，无智能或智能等级较低。另外还存在诸如训练及场景逼真性、融入联合训练体系、通用性等问题。由此可见，机载嵌入式训练仍然是一个新而充满潜力的领域。

由于未来计算机仿真技术、智能技术、空战训练技术的发展、国际上主要军事大国军费限制以及多军兵种联合训练带来的高成本等，嵌入式训练将成为未来空战训练的主要训练样式，这已从国际上各军事强国对嵌入式训练的重视程度及当代最先进的高级教练机(如T-50、M346、HAWK、L15等)上均装备嵌入式训练系统得到佐证。其未来发展趋势主要体现在以下几方面：

(1)基于剧情游戏的嵌入式训练

当前，基于游戏的空战训练更多是在地面单机或地面模拟座舱中进行，未来基于空战剧情游戏的嵌入式训练将成为一种发展趋势。在保障飞行安全的前提下，使“驾着飞机玩游戏”成为可能。

在基于空战剧情游戏的嵌入式训练中，可随着剧情的发展设计不同难易程度的训练关卡，要突破这些关卡需要掌握相关传感器武器使用、相应的空战战术或空战技巧。根据训练需要剧情可以是一场战役、一个战争故事等等，剧情可包含中远距对抗、中转近空战、近距格斗、中远距到近距全流程作战环节、空面攻击、多军兵种联合作战等在内的各种作战任务场景。基于剧情游戏的嵌入式训练可以开展单机训练，也可以开展多机联合训练，甚至可开发联网训练，既可增强空战训练的趣味性，又可做到“像作战一样训练”的目的。

(2)基于多平台的联合嵌入式训练

当前机载嵌入式训练系统主要面向同一机型展开空战训练，未来空战将是多种类型不同型号空中平台的联合作战。因此，基于多平台的联合嵌入式训练也成为未来空战训练的发展趋势之一。要实现基于多平台的联合嵌入式训练，需要在以下三方面开展大量工作：

一是构建统一标准、信息格式的训练数据链体系，不同平台间能共享传感器武器及训练信息，实现不同空中平台间信息互联互通。

二是在不同平台上基于标准化、规范化的软硬件及开放式总体架构进行嵌入式训练系统开发，重点研究和探讨嵌入式训练系统不同平台间的可移植性，便于升级换代等。

三是通用型嵌入式训练与专用型嵌入式训练并重。对于教练机可重点开发通用型嵌入式训练系统，让飞行学员学会各类传感器、武器的通用操作流程及使用技巧。同时，教练机还可为提前“下载”前线作战飞机的战术训练而开发专用的传感器、武器及战术训练包，让飞行员在不使用作战飞机真实传感器及武器时也能开展训练，为保持和提高作战水平，可在各类具有挑战性的虚拟场景下开展战术训练。

(3)基于人工智能的嵌入式训练

嵌入式训练的核心是进行战术训练，让飞行员学会如何作战，如何赢得战斗。一个具备智能型、作战经验丰富的虚拟对手对引导飞行员学会如何作战尤为重要。基于人工智能的嵌入式训练也是未来嵌入式训练系统的发展方向之一。基于人工智能的嵌入式训练系统的研究和实践的重点是智能型虚拟目标/威胁，它是一个空战作战专家系统，能综合运用各种空战作战理论，采集并综合运用空战经验丰富飞行员的战术策略，具备综合态势评估能力，能根据载机的战术机动、企图、传感器武器特性进行综合判断，即时生成最优对抗策略，如围棋界中围棋大师与机器人大战一样，实现“空中人机大战”。同时，基于人工智能的嵌入式训练系统能根据飞行员的训练情况，分析出受训者的弱项，并针对该弱项进行针对性训练。

6 结论

由于嵌入式训练系统在空战训练成本、空域需求、组训难度、应用最新训练方法和理念的速度等方面比传统实装训练有着明显优势，成为未来各军事强国空战训练的发展趋势。通过嵌入式训练，可快速培养出具有系统的战术思想和现代化空战理念的飞行员，为顺利进入现代三代以上战斗机的高级科目训练打下坚实基础，加快形成有效战斗力速度。因此，世界上各高级教练机研发单位及相关空战训练机构均高度重视嵌入式训练技术，大力开发具有虚拟目标/威胁、多类机载传感器、空空/空面武器、电子战等功能的嵌入式训练系统，并在场景仿真逼真性、通用性与专用性、人机交互性以及如何将先进训练理念融入现代空战战术思想的嵌入式训练系统等方面进行不懈努力，并随技术的推动向基于剧情游戏的嵌入式训练、基于多平台的联合嵌入式训练、基于人工智能的嵌入式训练等方向发展。

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(责任编辑 周江川)

Application of Advanced Trainer Embedded Training System

LIU Chun1, LI Wei1, LIU Jie2, YU Kui1, ZHAO Ping-jun1, TENG Jian-fang1

(1.The 650 Aircraft Design Institute of Aviation Industry of China Hongdu, Nanchang 330024, China；2.Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Based on the basic concept and principle of embedded training system (ETS), the author studied the development and application status of international advanced trainer ETS, and analyzed the technical characteristics of airborne ETS, and finally pointed out that the game-based, multi-platform-joint-based, artificial intelligence-based ETS will become the development tendency of future ETS.

embedded training system; advanced trainer; air combat training

2016-11-17；

2016-12-15

嵌入式训练系统联合研究项目

刘纯(1985—)，男，博士，主要从事航电系统、嵌入式训练系统设计研究。

10.11809/scbgxb2017.04.006

刘纯，李维，刘洁，等.高级教练机嵌入式训练系统应用[J].兵器装备工程学报，2017(4):26-31.

format:LIU Chun, LI Wei, LIU Jie, et al.Application of Advanced Trainer Embedded Training System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):26-31.

TJ8

A

2096-2304(2017)04-0026-06