基于混合現(xiàn)實(shí)的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)研究

趙良玉 陳成 張鐸 白曉亮

摘要：針對(duì)現(xiàn)代空戰(zhàn)演訓(xùn)成本高、演訓(xùn)空域環(huán)境受限、訓(xùn)練效果不全面、難以進(jìn)行視距內(nèi)作戰(zhàn)演訓(xùn)等問題，提出基于混合現(xiàn)實(shí)的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過將真實(shí)作戰(zhàn)演訓(xùn)場(chǎng)景和特定虛擬環(huán)境融合在一起構(gòu)造虛實(shí)融合性戰(zhàn)場(chǎng)，能夠?yàn)轱w行員提供多樣化的航空作戰(zhàn)環(huán)境演訓(xùn)，更加快速有效地貫徹最新空戰(zhàn)訓(xùn)練理念與作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)，可以在降低演習(xí)訓(xùn)練成本的同時(shí)，快捷、全方位地提高演訓(xùn)效果、提升飛行員的作戰(zhàn)能力。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實(shí);空戰(zhàn)演訓(xùn);作戰(zhàn)能力;系統(tǒng)設(shè)計(jì);智能化

中圖分類號(hào)：TJ760;TP271文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2019）01-0063-07[SQ0]

0引言

2015年發(fā)布的名為《中國的軍事戰(zhàn)略》新版國防白皮書，明確指出要加快戰(zhàn)斗力生成模式轉(zhuǎn)變，運(yùn)用信息系統(tǒng)把各種作戰(zhàn)力量、作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)要素融合集成為整體作戰(zhàn)能力，逐步構(gòu)建作戰(zhàn)要素?zé)o縫鏈接、作戰(zhàn)平臺(tái)自主協(xié)同的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)體系[1]。由此可見信息化、網(wǎng)絡(luò)化的聯(lián)合作戰(zhàn)已經(jīng)成為提高軍事力量，保證部隊(duì)?wèi)?zhàn)場(chǎng)生存能力的重要作戰(zhàn)方式。為了實(shí)現(xiàn)在信息化戰(zhàn)爭中“能打仗，打勝仗”的強(qiáng)軍目標(biāo)，非戰(zhàn)時(shí)的有效作戰(zhàn)演訓(xùn)成為檢驗(yàn)并強(qiáng)化軍隊(duì)軍事能力的重要方式。

為有效滿足現(xiàn)代空戰(zhàn)演訓(xùn)的總體需求，列裝實(shí)彈與裝備嵌入式空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)成為了現(xiàn)代空戰(zhàn)演訓(xùn)的主要方式。與之相比，飛行訓(xùn)練模擬器雖然能夠有效提升飛行員的駕駛技能和操作經(jīng)驗(yàn)，但是其效果主要依賴于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的模擬仿真，對(duì)比在真實(shí)環(huán)境下的空戰(zhàn)演訓(xùn)存在真實(shí)感不足、實(shí)戰(zhàn)性不強(qiáng)、難以進(jìn)行多兵種聯(lián)合演訓(xùn)等缺點(diǎn)，因此更加適用于飛行員平時(shí)的課程及理論學(xué)習(xí)訓(xùn)練。

美國著名的空戰(zhàn)實(shí)裝演訓(xùn)“紅旗軍演”從1975年延續(xù)至今，曾參加過演訓(xùn)的國家已達(dá)20多個(gè)，多年的演訓(xùn)結(jié)果表明實(shí)裝演訓(xùn)確實(shí)能夠有效提高飛行員的空戰(zhàn)素質(zhì)和作戰(zhàn)效能，增加了“實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)”。但是實(shí)裝演訓(xùn)成本非常高昂，容易造成裝備損毀，且演訓(xùn)機(jī)型較為固定，無法輕易將其他國家的典型戰(zhàn)機(jī)納入演訓(xùn)，很難做到“知己知彼”。

嵌入式演訓(xùn)系統(tǒng)是將仿真訓(xùn)練設(shè)備嵌入到航空作戰(zhàn)裝備中，可在一定程度上將實(shí)際演訓(xùn)環(huán)境與模擬仿真環(huán)境相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真實(shí)戰(zhàn)機(jī)之間、真實(shí)戰(zhàn)機(jī)與虛擬目標(biāo)之間的空戰(zhàn)演訓(xùn)。美國針對(duì)嵌入式訓(xùn)練技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代，隨著“四代機(jī)”的列裝，原有的外掛式空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)儀器（AirCombatManeuveringInstrumentation，ACMI）吊艙在隱身等性能方面已經(jīng)無法滿足需求。為了實(shí)現(xiàn)F-35戰(zhàn)斗機(jī)“AnyTimeandAnyWhere”的訓(xùn)練目標(biāo)，并降低其對(duì)戰(zhàn)斗訓(xùn)練協(xié)調(diào)所需的資源依賴，美軍提出了嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)（EmbededTrainingSystem，ETS）的概念，該系統(tǒng)的核心思想是實(shí)現(xiàn)單機(jī)或多機(jī)的自主虛擬訓(xùn)練[2]。此外，中國、以色列、荷蘭等國家也都已成功研制并裝備了各自的嵌入式空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)。雖然與實(shí)裝空戰(zhàn)演訓(xùn)相比，嵌入式演訓(xùn)系統(tǒng)具有一定程度減少演訓(xùn)成本、降低組訓(xùn)難度、提供真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境體驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是仍存在諸如沉浸感不強(qiáng)、場(chǎng)景逼真度不夠、視距內(nèi)作戰(zhàn)困難等問題，這些也是其未來發(fā)展亟待解決的問題。

建立在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MixedReality，MR）具有融合真實(shí)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)[3]，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助于沉浸技術(shù)可將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬包容起來[4]，顯然這非常有利于戰(zhàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境的模擬，若將其應(yīng)用到空戰(zhàn)演訓(xùn)中，不僅能夠有效實(shí)現(xiàn)從超視距戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境到視距內(nèi)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的轉(zhuǎn)變，給飛行員提供更具沉浸感、真實(shí)感的演訓(xùn)體驗(yàn)，還可以通過人為控制或人工智能控制與之對(duì)戰(zhàn)的虛擬戰(zhàn)機(jī)，提高“敵機(jī)”在演訓(xùn)過程中的真實(shí)性和靈活性，增加對(duì)戰(zhàn)難度，提升演訓(xùn)效果。本文由此提出將混合現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)代空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于混合現(xiàn)實(shí)的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)未來空戰(zhàn)演訓(xùn)和多兵種聯(lián)合演訓(xùn)提供了解決思路。

1空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)總體方案

1.1混合現(xiàn)實(shí)與虛實(shí)演訓(xùn)

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以看作是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)主要是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)事物信息進(jìn)行模擬、仿真，將虛擬世界內(nèi)容疊加到真實(shí)世界中，以豐富加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界;虛擬現(xiàn)實(shí)則是通過建立沉浸式的虛擬環(huán)境，能夠在虛擬世界中營造部分現(xiàn)實(shí)世界的感受;而混合現(xiàn)實(shí)可以融合現(xiàn)實(shí)和虛擬世界，建立其之間的交互關(guān)系，在利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生的全新可視化環(huán)境中，物理和數(shù)字對(duì)象共存并實(shí)時(shí)互動(dòng)?；诨旌犀F(xiàn)實(shí)的虛實(shí)融合演訓(xùn)系統(tǒng)是根據(jù)真實(shí)戰(zhàn)機(jī)飛行及作戰(zhàn)環(huán)境，面向飛行員綜合戰(zhàn)力的演習(xí)和訓(xùn)練需要，通過在演訓(xùn)戰(zhàn)機(jī)上加裝MR系統(tǒng)，有效地在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下融合虛擬作戰(zhàn)武器及其他戰(zhàn)場(chǎng)信息，構(gòu)建敵我雙方虛擬對(duì)抗演習(xí)，使飛行員可以實(shí)時(shí)觀察到虛擬飛機(jī)、導(dǎo)彈甚至虛擬地面與海面軍隊(duì)。

近些年隨著各種網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境可視化技術(shù)[5]等關(guān)鍵技術(shù)及高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得建立切實(shí)有效的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，模擬實(shí)際對(duì)抗演習(xí)，以提高軍隊(duì)在真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)上的作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)水平成為了可能。

1.2混合現(xiàn)實(shí)與嵌入式演訓(xùn)系統(tǒng)

嵌入式空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)通常由機(jī)載（外掛吊艙或嵌入式航電/任務(wù)系統(tǒng)[6-7]）和地面（任務(wù)規(guī)劃和回放/講評(píng)系統(tǒng)）兩大部分組成。嵌入式空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)可根據(jù)演訓(xùn)需求對(duì)各類型虛擬敵機(jī)、虛擬武器、虛擬威脅進(jìn)行仿真，并通過航電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示，通過機(jī)載數(shù)據(jù)鏈的交聯(lián)，結(jié)合地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)，完成具體的作戰(zhàn)演訓(xùn)任務(wù)。但是其存在一個(gè)致命缺陷就是很難進(jìn)行視距內(nèi)作戰(zhàn)演訓(xùn)，無法實(shí)現(xiàn)從超視距空戰(zhàn)到視距內(nèi)空戰(zhàn)的轉(zhuǎn)移過渡。盡管未來空戰(zhàn)會(huì)從超視距交戰(zhàn)開始，但是近距格斗仍然是其重要組成部分[8]，因此飛行員無法完整體驗(yàn)所有空戰(zhàn)狀態(tài)，實(shí)際訓(xùn)練效果會(huì)大打折扣。

航空兵器2019年第26卷第1期

趙良玉，等：基于混合現(xiàn)實(shí)的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)研究基于混合現(xiàn)實(shí)的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)與嵌入式空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路相似，但是前者的戰(zhàn)場(chǎng)模擬復(fù)雜度及演訓(xùn)戰(zhàn)術(shù)水平更高，不僅能夠模擬更加豐富、智能的虛擬目標(biāo)和虛擬物，還能同時(shí)實(shí)現(xiàn)超視距及視距內(nèi)作戰(zhàn)演訓(xùn)，且其戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境真實(shí)度及模擬逼真度更高、顯示沉浸感更強(qiáng)。

1.3空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

借鑒已基本發(fā)展成熟且得到廣泛應(yīng)用的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[9]，對(duì)基于混合現(xiàn)實(shí)的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)包括作戰(zhàn)部署系統(tǒng)、戰(zhàn)況觀摩系統(tǒng)、戰(zhàn)機(jī)終端、戰(zhàn)場(chǎng)子系統(tǒng)、虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端（可選）及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器6個(gè)組成部分，各組成部分之間可建立網(wǎng)絡(luò)通訊連接，系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。其中作戰(zhàn)部署系統(tǒng)可利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)[10]，在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境的虛擬三維沙盤上部署藍(lán)軍戰(zhàn)力及其他作戰(zhàn)要素，

可以有針對(duì)性地設(shè)定藍(lán)軍兵力分布、戰(zhàn)場(chǎng)工事、對(duì)抗干擾等作戰(zhàn)環(huán)境參數(shù)，紅軍可以通過戰(zhàn)機(jī)終端的MR系統(tǒng)在真實(shí)戰(zhàn)機(jī)座艙里觀察到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中己方的設(shè)定。戰(zhàn)機(jī)終端安裝有精確定位系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)將戰(zhàn)機(jī)方位及開火狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器上，同時(shí)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)虛實(shí)融合運(yùn)算，進(jìn)而推演出整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)分布，并通過戰(zhàn)況觀摩系統(tǒng)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端作為一個(gè)可擴(kuò)展選項(xiàng)，可利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)操控藍(lán)軍的虛擬戰(zhàn)機(jī)及導(dǎo)彈發(fā)射，增加戰(zhàn)術(shù)中的人為控制因素，增強(qiáng)紅軍對(duì)抗演訓(xùn)的復(fù)雜性，提高對(duì)抗演訓(xùn)的真實(shí)性。

1.4系統(tǒng)工作原理

由于虛實(shí)演訓(xùn)系統(tǒng)的主體是“人”，為了實(shí)現(xiàn)人在回路的飛行系統(tǒng)仿真，需要對(duì)人的行為、人和武器的實(shí)體交互、以及存在的眾多不確定性問題進(jìn)行有效模擬，具有極強(qiáng)的復(fù)雜性[11-12]。如果想要更加真實(shí)地模擬出信息化戰(zhàn)爭的真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，并將“人”這一主體有效代入，需要解決很多關(guān)鍵性問題，如需要建立合理完備的演訓(xùn)系統(tǒng)工作流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，保證各個(gè)環(huán)節(jié)之間的有效數(shù)據(jù)傳遞等。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。登錄系統(tǒng)后，戰(zhàn)機(jī)終端和虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端接收并進(jìn)入作戰(zhàn)部署系統(tǒng)下發(fā)的作戰(zhàn)任務(wù)，紅藍(lán)雙方開始進(jìn)行作戰(zhàn)對(duì)抗演訓(xùn)，各子系統(tǒng)將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞至戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器，由服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合運(yùn)算，計(jì)算更新戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，并將運(yùn)算結(jié)果輸出至戰(zhàn)機(jī)終端、虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端以及戰(zhàn)況觀摩系統(tǒng)。作戰(zhàn)任務(wù)完成后生成本次作戰(zhàn)演訓(xùn)任務(wù)分析報(bào)告，并結(jié)束本次演訓(xùn)。

2空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)的組成

本部分對(duì)構(gòu)成空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)的6個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括其功能和組成。

2.1作戰(zhàn)部署系統(tǒng)

作戰(zhàn)部署系統(tǒng)主要用于管理作戰(zhàn)任務(wù)、下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)以及作戰(zhàn)任務(wù)的結(jié)果分析等作戰(zhàn)控制功能。作戰(zhàn)任務(wù)是基于真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境部署作戰(zhàn)演訓(xùn)方案，包括部署計(jì)算機(jī)生成兵力（ComputerGeneratedForces，CGF）、作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)、其他虛擬物及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)等。作戰(zhàn)部署系統(tǒng)中CGF部署以及環(huán)境參數(shù)設(shè)定都基于真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境，在三維沙盤上采用交互式方式完成，具有真實(shí)、直觀、快捷等特點(diǎn)。同時(shí)作戰(zhàn)部署系統(tǒng)也可以對(duì)藍(lán)軍的虛擬戰(zhàn)機(jī)分配操作終端，飛行員可以通過虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端自主操作虛擬戰(zhàn)機(jī)參與演訓(xùn)。未分配虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端的虛擬戰(zhàn)機(jī)則借助人工智能（ArtificialIntelligence，AI）系統(tǒng)，根據(jù)作戰(zhàn)參數(shù)進(jìn)行智能化控制[13]，具體作戰(zhàn)部署系統(tǒng)功能框圖見圖3。

2.2戰(zhàn)況觀摩系統(tǒng)

戰(zhàn)況觀摩系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取戰(zhàn)場(chǎng)子系統(tǒng)監(jiān)控視角的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，并將其呈現(xiàn)在集成化的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)作戰(zhàn)指揮大廳的顯示屏上，供指揮員及學(xué)員觀摩，系統(tǒng)部署效果如圖4所示。

戰(zhàn)況觀摩系統(tǒng)分為兩部分，包括戰(zhàn)況地圖顯示、三維立體實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)顯示。戰(zhàn)況地圖可以在二維戰(zhàn)場(chǎng)地圖上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前兵力情況、戰(zhàn)機(jī)位置、雙方戰(zhàn)損情況、戰(zhàn)損比等，完整地再現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)情況。三維立體實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)則是將戰(zhàn)場(chǎng)情況以三維的形式展示，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可將觀摩視角轉(zhuǎn)換到戰(zhàn)機(jī)終端獲取的虛實(shí)融合性戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境或飛行員的視野內(nèi)容，以實(shí)時(shí)觀察戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)。

2.3戰(zhàn)機(jī)終端

戰(zhàn)機(jī)終端是基于真實(shí)演訓(xùn)戰(zhàn)機(jī)改造而成的MR融合終端，由真實(shí)演訓(xùn)戰(zhàn)機(jī)、精準(zhǔn)定位裝備、真實(shí)場(chǎng)景采集裝備、MR融合頭盔、模擬開火系統(tǒng)和MR戰(zhàn)場(chǎng)融合計(jì)算機(jī)組成。精確定位裝備可以在融合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中實(shí)時(shí)定位戰(zhàn)機(jī)當(dāng)前位置，跟蹤戰(zhàn)機(jī)的姿態(tài)方位，并將位置、姿態(tài)信息通過MR戰(zhàn)場(chǎng)融合計(jì)算機(jī)傳輸給戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器，注冊(cè)更新當(dāng)前作戰(zhàn)終端的方位信息，更新戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，通過MR融合頭盔（如圖5）將實(shí)時(shí)渲染的虛實(shí)融合場(chǎng)景呈現(xiàn)給飛行員。當(dāng)飛行員操作模擬開火系統(tǒng)進(jìn)行開火時(shí)，MR戰(zhàn)場(chǎng)融合計(jì)算機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)將開火信號(hào)傳輸給戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器，解算當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化，并同步傳遞到MR融合頭盔中。

將MR顯示設(shè)備與普通飛行員頭盔相結(jié)合，采用非侵入的方式進(jìn)行改造[14]得到MR融合頭盔。與VR顯示設(shè)備不同的是，前者提供的是完全虛擬化場(chǎng)景，存在戰(zhàn)場(chǎng)真實(shí)性和演訓(xùn)安全性問題。而MR顯示設(shè)備可以將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物、虛擬效果與真實(shí)世界疊加[15]，不會(huì)影響飛行員獲取外界真實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互融合。且飛行員佩戴該頭盔時(shí)可自行選擇可視環(huán)境，能在外界真實(shí)環(huán)境與融合作戰(zhàn)環(huán)境之間進(jìn)行選擇切換，以保證演訓(xùn)遇到突發(fā)情況時(shí)融合場(chǎng)景不會(huì)干擾飛行員的正常操作。

2.4虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端

虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端是以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式運(yùn)行于圖形仿真工作站，飛行員可利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等通過仿真控制端操作作戰(zhàn)部署系統(tǒng)分配的虛擬戰(zhàn)機(jī)，虛擬戰(zhàn)機(jī)顯示系統(tǒng)同時(shí)能夠看到虛實(shí)融合戰(zhàn)場(chǎng)及敵方戰(zhàn)機(jī)并進(jìn)行攻擊。作戰(zhàn)部署系統(tǒng)可以設(shè)定虛擬戰(zhàn)機(jī)的裝備型號(hào)、機(jī)載彈藥、開火間隔等參數(shù)。

虛擬戰(zhàn)機(jī)仿真控制端并不只是簡單地結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行模擬器，雖然是憑借虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬戰(zhàn)機(jī)的操控，但是其視景是采集處理得到的虛實(shí)融合戰(zhàn)場(chǎng)視景，飛行員可根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)控制戰(zhàn)機(jī)的飛行以及模擬開火，具備一定的交互能力，能夠提高并豐富飛行員的空戰(zhàn)演訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)。

2.5戰(zhàn)場(chǎng)子系統(tǒng)

空戰(zhàn)模擬演訓(xùn)具有空域大、速度快等特點(diǎn)，這與地面作戰(zhàn)模擬演訓(xùn)有很大不同[16]，因此想要全方位、實(shí)時(shí)地掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)需要合理設(shè)計(jì)演訓(xùn)系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)能為戰(zhàn)況觀摩系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)控視角，其組成包括在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中的精確定位基站、地面定位導(dǎo)航車輛、無線通信基站、數(shù)字通信衛(wèi)星及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)等。其中精確定位基站和地面定位導(dǎo)航車輛主要用于輔助戰(zhàn)機(jī)或其他戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)武器的精確定位與相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。無線通信基站和數(shù)字通信衛(wèi)星則主要負(fù)責(zé)戰(zhàn)機(jī)與地面指揮控制大廳的無線網(wǎng)絡(luò)通信及空地大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)虛實(shí)融合戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，要求能夠?qū)崟r(shí)地反應(yīng)出戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境變化、真實(shí)及虛擬戰(zhàn)機(jī)的飛行狀態(tài)變化、開火后的導(dǎo)彈飛行情況等。

2.6戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器通過交換機(jī)接收其他子系統(tǒng)傳遞的諸如戰(zhàn)機(jī)的飛行姿態(tài)、位置，導(dǎo)彈的發(fā)射、飛行及命中狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器需要在極短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的虛實(shí)融合運(yùn)算，及時(shí)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)分布進(jìn)行計(jì)算更新，并將所得結(jié)果傳遞回各個(gè)子系統(tǒng)中。

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)解算服務(wù)器作為空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)處理終端，要求其具有高速處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力，這對(duì)演訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性具有重要意義。

3空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

作為一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)，要想真正地結(jié)合軍事需求發(fā)揮其強(qiáng)大作用，切實(shí)、高效、低耗費(fèi)地提高飛行員非戰(zhàn)時(shí)的演訓(xùn)水平，需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1作戰(zhàn)場(chǎng)景真實(shí)化三維建模技術(shù)

目前飛行模擬器的視景顯示技術(shù)主要有虛像顯示、球幕實(shí)像顯示，及最常見的板塊式顯示，但是這些技術(shù)存在視場(chǎng)角小、縱深感弱、沉浸感差、通道縫隙等問題，具體如表1所示[17]。隨著技術(shù)條件的進(jìn)一步成熟，成本低廉且具有大視場(chǎng)角的VR/MR顯示技術(shù)已經(jīng)可以滿足實(shí)用要求。但是要在顯示中實(shí)現(xiàn)虛實(shí)的完美融合，并在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中虛擬部署CGF，不僅需要對(duì)顯示技術(shù)要求嚴(yán)格，還要做到對(duì)真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境的1∶1還原虛擬化建模[18]，構(gòu)建真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境的虛擬三維沙盤，保證真實(shí)戰(zhàn)機(jī)和虛擬戰(zhàn)機(jī)（或其他虛擬物）的導(dǎo)彈發(fā)射、命中相一致，并需要考慮真實(shí)環(huán)境的遮擋、虛擬戰(zhàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)等因素。可以在真實(shí)戰(zhàn)機(jī)上安裝場(chǎng)景采集裝置，并利用傾斜攝像三維建模技術(shù)獲取作戰(zhàn)場(chǎng)景，以建立真實(shí)完備的視景數(shù)據(jù)。

3.2精確定位技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)真實(shí)戰(zhàn)機(jī)與虛擬戰(zhàn)機(jī)（或其他虛擬物）之間的信息融合計(jì)算，必須對(duì)真實(shí)戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行位置和方位追蹤?？梢詫C(jī)載定位導(dǎo)航系統(tǒng)與地面車輛導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，以得到戰(zhàn)機(jī)精準(zhǔn)的地理坐標(biāo)、真北方位及高程[19]，而飛機(jī)的姿態(tài)變化則可以借助高精度姿態(tài)傳感器得到。

3.3虛實(shí)融合信息運(yùn)算技術(shù)

虛實(shí)融合運(yùn)算包括真實(shí)戰(zhàn)機(jī)的虛擬空間注冊(cè)技術(shù)[20]、虛擬戰(zhàn)機(jī)/導(dǎo)彈在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)計(jì)算、真實(shí)戰(zhàn)機(jī)與虛擬物體之間的關(guān)系運(yùn)算以及導(dǎo)彈命中運(yùn)算等運(yùn)算技術(shù)，這是一種將真實(shí)行為與虛擬行為在融合環(huán)境下進(jìn)行分析的關(guān)鍵技術(shù)，也是增強(qiáng)MR真實(shí)感、沉浸感的關(guān)鍵技術(shù)。

3.4MR虛實(shí)融合技術(shù)

MR虛實(shí)融合技術(shù)的應(yīng)用需要對(duì)真實(shí)戰(zhàn)機(jī)的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用影像融合的方法進(jìn)行虛實(shí)融合，整個(gè)過程主要包括真實(shí)場(chǎng)景獲取、虛實(shí)信息融合、融合信息顯示三個(gè)部分。演訓(xùn)系統(tǒng)采用的方案是對(duì)真實(shí)戰(zhàn)機(jī)及飛行員獲取的場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過標(biāo)定等手段確定具體場(chǎng)景參數(shù)，將觀瞄系統(tǒng)采集的影像與飛行員的操作信息、虛擬物信息進(jìn)行疊加，最后把融合后的場(chǎng)景影像傳送至MR融合頭盔中，其原理如圖6所示[21]。

4結(jié)束語

本文所構(gòu)建的空戰(zhàn)演訓(xùn)系統(tǒng)基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可針對(duì)戰(zhàn)機(jī)飛行員作戰(zhàn)演訓(xùn)環(huán)境進(jìn)行模擬，旨在通過將真實(shí)作戰(zhàn)演訓(xùn)場(chǎng)地與特定虛擬物、虛擬環(huán)境融合在一起構(gòu)造虛實(shí)融合性作戰(zhàn)環(huán)境，為多樣化航空作戰(zhàn)演訓(xùn)提供了可能，可大幅減少演訓(xùn)成本，提高作戰(zhàn)人員的演訓(xùn)效率。此外，該演訓(xùn)系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展方案，可裝備到不同的武器系統(tǒng)，打造屬于不同軍兵種的基于混合現(xiàn)實(shí)的虛實(shí)演訓(xùn)系統(tǒng)，還可以將戰(zhàn)艦、坦克、火炮等虛擬合成營裝備通過電腦仿真進(jìn)行人為控制，在不增加演訓(xùn)部署難度和成本的情況下，將對(duì)抗演訓(xùn)快速升級(jí)到陸海空天全方位作戰(zhàn)模式，且在演訓(xùn)過程中不會(huì)有武器消耗和裝備損毀。該系統(tǒng)前期建設(shè)主要考慮虛擬戰(zhàn)機(jī)的單維度作戰(zhàn)演訓(xùn)，后期可逐步擴(kuò)展為基于混合現(xiàn)實(shí)的陸?？仗旄鬈姳N聯(lián)合作戰(zhàn)演訓(xùn)。

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