何晓骁 王秉涵

摘 要：随着航空兵联合对抗训练和航空装备实战化作战试验需求的快速增长， “实况-虚拟-构造”（Live-Virtual-Constructive， LVC）仿真技术呈现进步迅速、 演示验证频繁的发展趋势。 国内外的军方和工业部门持续研究LVC相关技术， 利用LVC技术提高场景保真度、 费效比和安全性方面的优势， 使其在军事领域发挥更大的作用。 本文分析LVC技术的需求与发展特点， 较为全面地梳理了美军基于LVC技术开展的航空兵联合训练及相关作战试验的发展现状， 结合国外相关领域的研究基础和部署， 总结归纳美军LVC技术的发展特点和趋势。

关键词：     实况-虚拟-构造; 空战训练; 作战试验; 飞行模拟器; 航空兵; 仿真技术

中图分类号：     TJ765.4; V448.15+3文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2021）06-0014-05

0 引  言

根据美国《2018年国防战略》要求， 美军把国防战略从反恐作战转向大国冲突， 这促使美国需要恢复高度战备状态， 保持一支能够应对大国冲突的军队。 随着美军对复杂环境下航空装备训练和试验需求的增长， 实况-虚拟-构造仿真（Live-Virtual-Constructive， LVC）技术作为一种可以将物理域和数字域混合使用的手段， 发展和应用较为迅速， 并初见成效。 LVC技术的应用扩大了美军在试验训练领域的体系化、 实战化和安全性方面的优势， 使试验训练更加有效果、 有效率。

1 LVC技术的概念与需求

1.1 LVC技术的概念

LVC技术是一种对仿真建模的分类方法， 指在仿真系统中同时具有实况仿真、 虚拟仿真和构造仿真。 1996年， 国际上成立了“仿真互操作标准组织”（Simulation Interoperability Standards Organization， SISO）， 该国际组织致力于促进建模与仿真的互操作性， 以及在更大范围内重用建模与仿真成果。 SISO的重大贡献之一就是明确LVC技术， 并使其成为一种常用的模型与仿真分类方法。 实况仿真是指真实的人使用真实的装备在真实环境中的活动; 虚拟仿真是指真实的人操作模拟的系统在数字环境中模拟作战; 构造仿真是指计算机兵力生成和分析工具， 通常用模拟的人操作模拟的系统。

LVC刚提出的时候， 国际上只是把建模仿真进行了区分， 并没有混合使用实况、 虚拟、 构造仿真。 随着后来混合LVC概念的推广， 目前国际上已经基本统一， 使用LVC表示混合LVC。 由于虚拟和构造仿真都更倾向于用数字化手段进行模拟， 所以也将虚拟和构造仿真的组合称为合成环境[1-2]。

1.2 需求分析

目前， LVC技术在航空领域主要有两个方向的使用需求比较清晰明确： 一是将LVC技术应用于航空兵体系化对抗训练; 另一个是将其应用于航空装备的作战试验、 试验鉴定， 以及工业部门在设计过程中的相关测试工作[3]。

1.2.1 空战训练领域的需求

采用实兵实装对抗的日常训练、 军事演习是各国部队维持战斗力和提高体系对抗能力的主要训练方式之一， 但如今面临许多急需解决的问题。

首先是训练强度不够。 实兵实装演习受物理环境的限制， 呈现出飞机起落时间长、 任务训练时间短、 机型不全、 协同较少的问题。 目前， 为了给飞行员营造真实的战场态势， 需要以一定数量飞机充当假想敌， 营造威胁环境， 训练飞行员在实装中应对危险时的反应。 随着部分国家第四代战斗机的批量装备， 使四代机形成作战能力并维持作战能力成为棘手的问题。

其次是演习成本高昂。 实兵实装演习中部队转场调动、 燃油弹药消耗、 装备损耗折寿， 导致演习成本高， 且需要做大量的组织协调工作， 因此演习的频率不高， 无法按照体系对抗的标准训练[4-5]。

最后是训练架次不足。 对大国空军而言， 现有的飞行训练架次受到各种因素影响， 远远不能满足战备训练架次的需求。 以美军五代机训练架次需求为例， 现有的训练架次需求已经是批复架次数的一倍以上。 此外， 到2020年， 前五代机的训练架次的占比都不到50%， 但到2030年， 五代机训练需求大约会达到80 000架次， 使傳统依靠实装、 教练机、 陪练公司的模式无法有效开展。 到2030年， 美军的训练将极大程度地依赖LVC技术， 其中使用仿真配合飞行员真实飞行训练占比将达总训练架次的70%， 详见图1。

1.2.2 试验测试等领域的需求

在体系能力的形成过程中， 并非单项装备的能力越高越好， 关键要实现装备之间的合理配合。 要重视研究装备在作战体系中的作用， 弱化对装备单项性能指标的测试验证， 使整个体系最优化， 提升装备的体系贡献率， 达到“1+1>2”的整体效果。 在体系作战大环境下， 小范围的测试不足以反应出装备在实战中的作战效能， 不能满足对体系贡献率研究的需要， 无法测试到装备在体系作战中的能力边界。

以第四代战斗机为例， 其任务系统功能复杂、 能力全面， 导致四代机的测试成本高、 测试不全面， 部分测试项不能通过传统外场飞行试验完成。 四代机及其后续机型所需要的开发和测试环境远超过传统飞机的需求。 传统型号大部分的复杂性体现在实验室硬件配置中， 但随着航空装备能力的增加， 其复杂性也体现在测试任务系统模型、 飞机系统模型与环境（包括大气、 地形、 目标、 武器和威胁）的交互。

LVC技术用于装备测试可以构建一个人在环、 装备在环的仿真系统， 具有开放式架构、 可定制化、 方便扩展的特点， 如图2所示。 能够充分利用现有资产和条件， 将已有设施、 模型、 成果、 方法和工具集成使用， 满足新装备开发、 作战测试和互用性测试， 提高体系环境下的经济性和测试效率。 LVC技术的应用已经将部分测试和验证工作向高保真的数字样机测试转移。

2 LVC技术的发展特点

2.1 各域独立发展

美军的实战化演训工作起步早、 效果好， LVC技术使其将合成的虚假实体融入到真实环境中， 用数字构建生成的力量扩大了场景范围， 并真实地创建了与飞行员在真正冲突中实际看到的相似训练环境， “欺骗”飞机传感器， 以增加试训的复杂性和真实性， 实现了实装和合成实体的无缝集成。 但由于不同机构、 部队、 人员对军事仿真的需求不同， 这导致了航空装备仿真在实况、 虚拟、 构造三個方向上分别都取得了突破， 基本满足了各行各业的需求[6]。

2.1.1 实兵实装持续发展

50多年前， 美国空军和海军在越南上空总结出了“像实战一样的训练”这一教训， 这也促使了美国首先在空战训练方面得到了突破。

越南战争初期， 由于缺乏足够的训练， 美国在空战中遭受了意想不到的损失。 为了应对越南空战带来的挑战， 空军和海军全面改造了训练体系， 创建了空战训练学校和先进训练场， 研发了第一代空战训练系统。 这些创新非常有效， 强化训练的结果是在越南的空战交换比从2∶1大幅提高到12∶1。 到了“沙漠风暴”行动的时候， 即使是新飞行员也能执行复杂的任务。

此后， 美国防部对空战训练系统继续投入巨资， 确保飞行员的训练尽可能贴近实战。 空军和海军开展了真实、 实时的空对空、 空对地、 地对空和电子战作战训练。 美国空军现役的P5空战训练系统已经支持空军能够在本场以及大型联合演习中进行实时对抗训练， 提高了单位飞行小时内的训练效率， 如图3所示。 通过美军发布的研制需求来看， 下一代P6空战训练系统在形态、 功能、 用途等方面上与现役的P5空战训练系统区别不大， 主要是提出了对LVC技术更强烈的需求， 以及对链路性能和机载端处理能力的提升要求。

2.1.2 模拟训练网络健全

21世纪初期， 随着仿真技术的进步， 飞行模拟器的保真度有所突破， 且形成了一定部署规模。 2000年， 美国空军依托建模仿真局（Air Force Agency for Modeling and Simulation， AFAMS）将模拟器联网训练， 拉开了首次“虚拟旗（Virtual Flag）”军演的大幕。 模拟器组成虚拟训练网络， 能让分布在世界各地的飞行员共享虚拟的训练环境， 切磋战法战术。 2020年7月1日， 洛克希德·马丁公司、 F-35项目办和美国空军在内利斯空军基地进行的分布式任务训练最终验收测试。 在模拟对抗环境中成功连接了F-35， F-22， F-16和E-3飞行模拟器。 这次模拟培训活动是这些平台首次虚拟连接; 其他平台（如F-15）也可以连接到此共享虚拟环境[7-8]。

相比于1975年的“红旗（Red Flag）”军演， “虚拟旗”军演具有以下优势： （1）成本低， 安全性高， 不用消耗燃油、 弹药和损耗装备; （2）参训装备全， 使美国空军全谱系作战装备都能参与其中， 场景中同时活动的飞机超过300架， 大于“红旗”几十架的规模; （3）训练强度大， 演习一般会持续一周左右， 基本上每天都处于任务饱和的状态， 如特种飞机机组连续工作时间会超过15 h， 同时指挥比“红旗”数量更多的飞机; （4）训练范围广， 虚拟作战区域面积不受限制， 而“红旗”作战区域面积一般只有3.8×104 km2左右; （5）演习更自由， 在演习中可以随时调整部署甚至暂停、 复盘， 减少起降和集结的耗时; （6）场景更真实， 可以使“阵亡者”实时“消失”， 不存在实装训练中的搅局者。

2.1.3 构造仿真效果提升

构造仿真是用于联合作战、 电子战训练和目标生成的计算机兵力生成/半自动生成应用程序， 允许用户配置平台、 武器、 环境的参数， 以及雷达脉冲、 扫描范围和波束特性等。 此类软件一般具有良好的可扩展性。 采用数据驱动的方式， 用户可以添加或编辑自己的威胁数据， 以及电子战相关参数。 支持分布式交互仿真， 包括仿真管理、 实体状态、 毁伤评估和数据记录等， 具有大规模和用户可扩展的作战环境， 能够适用于多种仿真层级， 尤其在交战级具有极高的逼真度。

构造仿真经认证可用于分布式模拟器网络中， 非常适合独立场景创建、 任务预演和分布式任务模拟， 包括一个庞大的实体库： 民用和军用飞机、 地对空威胁、 车辆、 目标建筑物和人员。 实装和模拟器训练都需要构造仿真的配合才能发挥更好的效果， 如实装与构造仿真结合是机载嵌入式训练系统目标生成的实现方式[9]。

2.2 各域按需互联互通

通过分布式网络设计， 实现跨系统、 软件之间互联互通， 汇聚各自优势和强项， 解决更为复杂的问题。

2.2.1 现有主要仿真架构

LVC仿真体系由人员、 硬件和软件构成， 以网络为中心， 通过通用协议、 规范标准和接口将三个不同的环境结合起来， 进行数据收集、 管理、 检索、 实时交换等。 使用规范、 统一的仿真架构将有助于分布式仿真的实现。 国际组织的很多建模范式和架构都可能被用于军事建模仿真， 仿真器联网（SIMNET）和聚合级仿真协议（ALSP）已经不再使用， 而分布式交互仿真（DIS）、 高层体系结构（HLA）、 测试与训练使能架构（TENA）等仍在广泛使用， 详见图4。

DIS为IEEE.1278， 是关于分布式交互仿真的标准， 由一个大型团体开发， 以支持模拟器和实体级仿真。 该标准定义了实时系统交互数据包， 即协议单元数据， 描述了预定的标准化事件， 如向另一个实体开火、 无线电通信、 物体碰撞等。

HLA为IEEE.1516， 为仿真系统组成的集合定义了规则， 为仿真系统运行时基础架构提供了一组服务， 并使用对象模型模板定义系统间的交互数据。 HLA是一个通用分布式仿真架构， 没有任何专门针对作战建模的具体特征， 但非常适合用于作战建模的实现。

TENA的设计目的是为美军测试与训练靶场及其用户带来便捷的互操作性。 通过使用大规模、 分布式、 实时的综合环境， TENA的设计促进了基于采办的集成测试和仿真。 综合环境综合了测试、 训练、 仿真和高性能计算， 使用公共架构， 在“逻辑靶场”上可以实现真实的装备之间、 及其与仿真武器和兵力的交互， 不论这些兵力实际上存在于世界的哪个地方[10]。

2.2.2 仿真架构的共存和统一

建模和仿真领域的最终目标是创建统一的LVC集成架構（Live-Virtual-Construction Integrating Architecture， LVC-IA）， 可以快速集成模型和开展仿真， 形成一个有效的LVC环境， 可以用来飞行训练、 战术协同、 制定作战计划和评估作战情况等。

尽管TENA是基于这个目的开发的， 但是也没能有效解决仿真架构多样性的问题。 特别是DIS和HLA， 继续得到广泛甚至不断增长的建模与仿真用户的支持。 对LVC-IA的研究还需要不断发展， 但在一定时期内迁移到单个仿真架构是不切实际的， 将仍然是多个仿真架构共存的状态。  在需要使用某些LVC仿真系统的情况下， 这些仿真系统必须具有跨多个仿真架构的接口。 因此， 网关、 代理、 中间件与协议是连接多个异构站点以支持大规模LVC集成的主要方法手段[11]。

3 美军LVC技术的现状

3.1 在空战训练领域的项目进展

3.1.1 SLATE-ATD项目

美军已将建模与仿真技术作为提升战备能力， 促进部队现代化、 结构优化的重要手段。 这种虚实结合的训练方法是外场试训的一种增强和补充， 在一定程度上缓解了可用空域不足的问题， 是一种先进的试训环境， 能够有效模拟在外场中无法模拟的高级威胁环境以及其他大量的敌我双方实体， 对装备开展全面、 充分的测试验证。 2015年， 美国空军实验室牵头研究“安全虚实对抗训练环境”（Secure LVC Advanced Training Environment， SLATE）， 目标是提升LVC技术成熟度。 2018年6月～9月， 在内利斯空军基地成功开展了最后一轮系统验证， 包括8架F-15和8架F/A-18战机、 4台F-16和F/A-18战机人在环模拟器， 以及数百个由计算机构建的空中和地面兵力模型。 本次验证证实了SLATE技术成熟度达到8级（实用水平）， 比国防部预期进度提前了8年。 参与SLATE-ATD的飞机在翼尖搭载了由立方体公司制造的吊舱， 该吊舱在以前的P5吊舱基础上安装了可以处理新波形的新组件， 并增加了LVC处理机， 将（敌对的）合成实体注入到SLATE靶场环境中， 去“欺骗”飞机传感器和飞行员， 吊舱见图5。

3.1.2 安全实时空对空任务演示验证项目

安全实时空对空任务演示是美国海军主导的LVC训练技术验证。 2019年4月， 柯林斯航宇系统公司与美国爱荷华大学的作战效能实验室合作， 展示了混合LVC空战训练能力。 演示过程中， 柯林斯航宇系统公司的联合安全空战训练系统与美国防部批准的下一代威胁系统和现代空战环境软件的地面系统连接， 爱荷华大学则提供了装有LVC吊舱的飞机。 演示证明如今已经可以使用量产硬件在LVC系统中注入合成实体的能力， LVC技术已经具备推广应用的条件[12-13]。

3.2 在试验测试领域的项目进展

联合仿真环境（Joint Simulation Environment，JSE）是一个可伸缩、 可扩展、 高保真的政府所有的、 非专有的建模和仿真环境， 能解决物理实验环境中存在的空域限制问题、 GPS干扰限制以及其他安全问题等， 如图6所示。 JSE的总体目标是允许测试人员和工程师同时测试多个飞机平台， 为F-35和其他装备开发高保真模型和模拟环境， 提供全新的飞机测试方法。 将LVC技术用于装备测试后， 把数字化手段、 地面模拟器和真实装备相结合可以模拟出传统装备方法必须用大量实装才能得到的试验效果。 利用这种LVC环境的测试潜力非常大， LVC技术可以模拟全球某个密集威胁环境， 可以将其仿真场景用于验证、 测试和评估， 也可以进行作战训练[14]。

F-35强调根据合同规范验证系统能力， 约43%的测试任务将在F-35实验室中进行。 JSE不是F-35的专用环境， 而是一个通用的测试环境。 JSE需要支持大范围作战场景， 可接入大量的真实装备， 可模拟复杂任务， 可支持极高的保真度， 可完成前所未有的全面验证评估。 美军的两套JSE已经开始建设， 预计2023年达到初始作战能力。

4 结 束 语

实战化训练领域不断成熟， 新的训练技术在融入并丰富训练场， 为军方提供更逼真、 更严格的训练环境。 尽管让LVC技术颠覆现有实装训练架构还为时过早， 但一定比例的虚拟和构造仿真继续被有计划地推广到实战训练中， 将传统实战训练进一步带入LVC环境中。 这种虚实结合的试训方法是外场试训的一种增强和补充， 在一定程度上缓解了可用空域不足的问题， 能够有效模拟在外场中无法模拟的高级威胁环境以及其他大量的敌我双方实体， 对装备开展全面、 充分的测试验证。 未来， 美军还将继续挖掘LVC技术在军事中的巨大作用， 以实战化演训为前提， 以建模仿真为核心， 以安全高效为目标， 将仿真训练作为提升战备能力， 促进部队现代化、 结构优化的重要手段。

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Research on Development and Application of

LVC Simulation Technology in US

He Xiaoxiao1， Wang Binghan2*

（1. Aviation Industry Development Research Center， Beijing 100029，China;

2. Unit 95910 of PLA， Jiuquan 735000，China）

Abstract： With the rapid growth of aviation joint combat training and aviation equipment combat test requirements， LVC simulation technology presents the trend of rapid technological progress and frequent demonstration and verification. Military and industrial departments at home and abroad continue to study LVC related technologies. By taking advantage of LVC technology in improving scene fidelity， cost-effectiveness ratio and security， LVC can play a greater role in the military field. In terms of analyzing the requirements and development characteristics of LVC technology， the paper comprehensively combs the development status of joint training and related combat tests of aviation soldiers based on LVC technology. Combined with the research basis and deployment in foreign related fields， the development characteristics and development trend of LVC technology in  US are summarized.

Key words： LVC; air combat training; operational test; flight simulator; aviation; simulation technology