01引言

眾所周知，飛行員在和平時期開展空戰(zhàn)訓(xùn)練是提高其空戰(zhàn)技能最有效的方式，飛速發(fā)展的仿真技術(shù)為參訓(xùn)成員提供了經(jīng)濟(jì)高效的訓(xùn)練模式，使部隊(duì)保持高度戰(zhàn)備狀態(tài)。

美空軍基于多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)/架構(gòu)，將已有真實(shí)的（Live，L）、虛擬的（Virtual，V）、構(gòu)造的（Constructive，C）系統(tǒng)/武器裝備進(jìn)行集成，構(gòu)建了LVC訓(xùn)練系統(tǒng)，主要目的是使參訓(xùn)成員能夠像作戰(zhàn)一樣進(jìn)行訓(xùn)練，有效縮短空戰(zhàn)人員的觀察-判斷-決策-執(zhí)行（OODA）循環(huán)，同時大幅度降低空戰(zhàn)訓(xùn)練效費(fèi)比。

02 概念與內(nèi)涵

美空軍LVC訓(xùn)練系統(tǒng)就是L、V、C系統(tǒng)/裝備，在一個虛擬合成的作戰(zhàn)場景中進(jìn)行互聯(lián)、互通與互操作，是典型的分布式仿真系統(tǒng)。在此環(huán)境下，可開展高逼真度、沉浸式、具有挑戰(zhàn)性的大規(guī)?？諔?zhàn)演習(xí)，飛行員可完成飛行技能、武器與傳感器操作、戰(zhàn)術(shù)決策、特情處理與編隊(duì)協(xié)同等科目訓(xùn)練，提高其空戰(zhàn)技能。

圖 1 LVC空戰(zhàn)訓(xùn)練場景示意圖

美國國防部對 LVC定義如下：

1)L是指真實(shí)場景下真實(shí)的人操作真實(shí)的裝備，例如飛機(jī)，地防系統(tǒng)與艦船等；

2)V是指真實(shí)的人操作虛擬系統(tǒng)，是一種人在環(huán)模擬，也是一種半實(shí)物仿真，例如飛行模擬器、電子戰(zhàn)威脅模擬器、模擬的拖曳誘餌等；

3)C是指在仿真場景中仿真人物使用仿真裝備，人物和裝備都由計算機(jī)生成，都根據(jù)軟件規(guī)則運(yùn)行，而不是人的指導(dǎo)。例如半自動化部隊(duì)（SAF）與計算機(jī)生成兵力（CGF）等。

北大西洋公約組織（NATO）建模和仿真標(biāo)準(zhǔn)簡介（NMSSP）將LVC分布式仿真系統(tǒng)互操作性定義如下：“模擬物理連接，向其他仿真系統(tǒng)提供服務(wù)，或接收其他仿真系統(tǒng)提供的服務(wù)，并通過這些交互的服務(wù)高效工作的能力”。

03 典型互操作標(biāo)準(zhǔn)

美國已經(jīng)相繼開發(fā)了分布式交互仿真(DIS)、高層體系結(jié)構(gòu) (HLA)、實(shí)時平臺級參考聯(lián)邦對象模型（RPR-FOM）、 測試與訓(xùn)練使能架構(gòu)(TENA)、聚合級仿真協(xié)議(ALSP)、通用訓(xùn)練與儀器架構(gòu)(CTIA)、用于多平臺鏈接評估的標(biāo)準(zhǔn)接口（SIMPLE）、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息鏈(SISO-J)和聯(lián)合靶場擴(kuò)展應(yīng)用協(xié)議（JREAP）等互操作標(biāo)準(zhǔn)。其中，常用的五種先進(jìn)分布式仿真架構(gòu)主要是DIS、ALSP、HLA、TENA和CTIA，雖然這些技術(shù)各有特點(diǎn)，開發(fā)初衷不盡相同，但它們都致力于解決L、V、C系統(tǒng)之間互操作問題，圖2顯示了這些體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況。

圖 2 美國體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的典型分布

04 系統(tǒng)集成策略

目前，美空軍構(gòu)建LVC訓(xùn)練系統(tǒng)的方法主要是開發(fā)通用的數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋等實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的集成與互操作。采用“中間件+網(wǎng)關(guān)”的集成方案，以某種中間件（如HLA RTI、TENA中間件、DDS等）為通用數(shù)據(jù)傳輸通道，同時開發(fā)網(wǎng)關(guān)，對各類仿真系統(tǒng)進(jìn)行“封裝”，解決異構(gòu)仿真系統(tǒng)之間無法進(jìn)行識別和交互的問題，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作，如圖3所示。

圖 3 美空軍LVC訓(xùn)練系統(tǒng)框架

基于“中間件+網(wǎng)關(guān)”的美空軍LVC訓(xùn)練系統(tǒng)，可兼容不同的體系架構(gòu)，擴(kuò)展更加靈活、開發(fā)風(fēng)險與成本較低。

美空軍典型LVC訓(xùn)練系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)組件主要包括：

1) LVC中間件

中間件是LVC訓(xùn)練系統(tǒng)的核心組件之一，其作用相當(dāng)于一條“總線”，連接所有的實(shí)裝飛機(jī)、飛行模擬器、計算機(jī)生成兵力、地防系統(tǒng)與訓(xùn)練評估中心等參訓(xùn)成員，提供所有異構(gòu)系統(tǒng)之間的消息傳遞分發(fā)，異構(gòu)系統(tǒng)之間的交互數(shù)據(jù)都基于一致的信息表述，所有信息的傳輸都要通過中間件進(jìn)行傳遞。例如，一架真實(shí)飛機(jī)或飛行模擬器的位置數(shù)據(jù)，通過LVC中間件消息傳遞功能路由到相應(yīng)的數(shù)字仿真飛機(jī)。LVC中間件還支持“發(fā)布/訂閱”功能，允許數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)路由。

2) LVC網(wǎng)關(guān)

LVC網(wǎng)關(guān)是異構(gòu)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的橋接器，可實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。一方面，網(wǎng)關(guān)將系統(tǒng)需要公布的信息轉(zhuǎn)換成與中間件要求格式一致的數(shù)據(jù)包，通過底層信息傳輸設(shè)施發(fā)送出去；另一方面，網(wǎng)關(guān)從底層信息傳輸設(shè)施接收系統(tǒng)訂購的信息，將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識別的數(shù)據(jù)格式并發(fā)送給該系統(tǒng)。例如，基于HLA的LVC訓(xùn)練系統(tǒng)，HLA應(yīng)用不需要借助網(wǎng)關(guān)，可直接與基礎(chǔ)服務(wù)支持框架（RTI）進(jìn)行互連，非HLA應(yīng)用則需要通過網(wǎng)關(guān)與RTI互連，這是各類系統(tǒng)進(jìn)行互操作的一種網(wǎng)關(guān)應(yīng)用方式。

05 待解決的問題

美空軍LVC訓(xùn)練系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)、模擬器、計算機(jī)生成兵力等異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作，系統(tǒng)集成設(shè)計過程中主要面臨以下問題：

1)不同的體系結(jié)構(gòu)具有不同的標(biāo)準(zhǔn)對象模型或沒有標(biāo)準(zhǔn)對象模型。需要在語法和語義上協(xié)調(diào)對象模型，這通常比集成協(xié)議本身更加困難；

2)不同的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議無法實(shí)現(xiàn)互操作，必須設(shè)計同種類型的翻譯資源（網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)橋等），由于這些資源通常受開發(fā)成本約束，其通用性、開放性往往較差；

3)已有的系統(tǒng)（依賴和使用一種體系結(jié)構(gòu)）如果采用另一種體系結(jié)構(gòu)，其改動往往非常大；

4)不同體系結(jié)構(gòu)提供的服務(wù)存在差異，例如，HLA提供時間管理服務(wù)，而DIS不提供。通常，解決服務(wù)差異意味著整個仿真活動只能應(yīng)用所有體系結(jié)構(gòu)共有的那些服務(wù)。

06 應(yīng)用實(shí)例

1) “紅旗”軍演

近年來，基于LVC訓(xùn)練系統(tǒng)，美軍在“紅旗”、“虛擬旗”、“北方利刃”等大型軍演都開展了多次LVC空戰(zhàn)演習(xí)，訓(xùn)效成果受到軍方高度認(rèn)可。

以 2005年聯(lián)合“紅旗”軍演[1]為例，此次軍演涉及到Kirtland、Nellis、McChord與Robins等多個空軍基地，分布在20個廣域網(wǎng)（WAN）中的100多個局域網(wǎng)（LAN）將以上基地大量的實(shí)裝飛機(jī)、飛行模擬器與計算機(jī)生成兵力系統(tǒng)與分布式任務(wù)作戰(zhàn)中心（DMOC）進(jìn)行連接，構(gòu)建逼真的大型虛擬作戰(zhàn)場景。如圖4所示，軍演應(yīng)用的WAN包括聯(lián)合訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（JTEN）、分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)（DMON）、導(dǎo)彈防衛(wèi)局網(wǎng)絡(luò)（MDANet）、國防研究與工程網(wǎng)絡(luò)（DREN）、分布式訓(xùn)練中心網(wǎng)絡(luò)（DTCN）和15種不同的T-1連接。這些網(wǎng)絡(luò)用于在異構(gòu)仿真系統(tǒng)之間交換不同的協(xié)議（DIS、HLA、TENA、北約-訓(xùn)練數(shù)據(jù)(NATO-EX)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)字信息鏈接-J（TADIL-J）、遠(yuǎn)程視頻（VTC）等）。整個訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計非常復(fù)雜，涉及不同類型的網(wǎng)關(guān)、過濾器和信息轉(zhuǎn)換服務(wù)組件等軟件工具，主要包括TENA 網(wǎng)關(guān)、DIS/HLA網(wǎng)關(guān)、DIS過濾器、DMON 端口與TSR軟件路由器（TACCSF（航空航天指揮與控制設(shè)施）SR），支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音與圖像信息的交互，如圖5所示。

圖 4 聯(lián)合紅旗軍演真實(shí)/虛擬/構(gòu)造廣域網(wǎng)

圖 5 LVC數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2) 人在環(huán)無人機(jī)分布式LVC測試環(huán)境的搭建

2015年，美國國家航空航天局（NASA）的國家空域系統(tǒng)項(xiàng)目—人在環(huán)無人機(jī)測試[2]，開發(fā)了一個分布式LVC測試環(huán)境，目的是減少無人飛機(jī)進(jìn)入常規(guī)空域的障礙。測試環(huán)境采用HLA協(xié)議、LVC網(wǎng)關(guān)與LVC工具箱，將真實(shí)、虛擬與構(gòu)造的飛機(jī)進(jìn)行集成，形成了無人機(jī)測試環(huán)境核心基礎(chǔ)架構(gòu)。其中，工具箱與構(gòu)造的目標(biāo)生成器，LVC網(wǎng)關(guān)和飛行模擬器連接，用于將軟件組件的消息轉(zhuǎn)換為定義的HLA接口。

圖 6 LVC集成的飛行測試體系結(jié)構(gòu)

（NASA Ames 研究中心圖片）

07 總結(jié)

美軍從成本可承受性、技術(shù)可行性與實(shí)現(xiàn)周期考慮，在盡量保持原有L、V、C系統(tǒng)的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的情況下，致力于開發(fā)和設(shè)計跨越各種體系結(jié)構(gòu)的通用網(wǎng)關(guān)、通用組件化對象模型和通用聯(lián)邦協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)資源，實(shí)現(xiàn)混合體系結(jié)構(gòu)的集成與互操作。因此，美空軍的LVC訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)際上是一個“架構(gòu)群的架構(gòu)”在為系統(tǒng)提供服務(wù)，架構(gòu)群由許多不同的架構(gòu)與協(xié)議組成，通用網(wǎng)關(guān)、通用組件化對象模型和通用聯(lián)邦協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)資源等標(biāo)準(zhǔn)資源使參與的所有真實(shí)、虛擬與構(gòu)造系統(tǒng)具備互操作性。