美軍F-35戰(zhàn)斗機(jī)飛行模擬器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢分析

在20世紀(jì)20年代后期，美國人艾德溫·林克（Edwin Link）發(fā)明了一款從外面看像玩具的地面簡易訓(xùn)練器，將木制短機(jī)翼和機(jī)身安裝萬向節(jié)上，降低了飛行訓(xùn)練的成本，直到1934年才被外界正視，由美陸軍航空勤務(wù)隊(duì)采購了6臺(tái)，單價(jià)3500美元。到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)， 林克訓(xùn)練器成為了美國和盟國每所航校的標(biāo)準(zhǔn)裝備，累計(jì)生產(chǎn)了不少于1萬臺(tái)，每臺(tái)生產(chǎn)時(shí)間只需要45分鐘。

在20世紀(jì)50年代早期，英國雷迪豐公司（Redifon，后泰雷茲訓(xùn)練與仿真公司，2012年8月民用固定翼飛機(jī)模擬器業(yè)務(wù)被美國L3技術(shù)公司旗下的英國L3林克仿真與訓(xùn)練公司收購）為“彗星”1客機(jī)開發(fā)了一種沒有視景和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，但能有效模擬儀表飛行的模擬器。在20世紀(jì)60年代，逐漸將視景、聲音和多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)融入飛行仿真系統(tǒng)。盡管在20世紀(jì)70年代，民用航空監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出了飛行仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化要求，但是軍用模擬器一般不受這些控制，更偏向于用戶的實(shí)際需求。飛行仿真一直是虛擬訓(xùn)練技術(shù)重要組成。當(dāng)前， 軍用飛行模擬器作為真實(shí)、虛擬和構(gòu)造（LVC） 技術(shù)的重要組成部分得到了更廣泛的應(yīng)用，節(jié)省大量的成本，提高了地面訓(xùn)練效果。同時(shí)， 為了可以滿足體系對(duì)抗所需要的更復(fù)雜、更真實(shí)的訓(xùn)練場景，軍用模擬器也逐漸往標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

典型飛行模擬器系統(tǒng)簡介

典型的飛行模擬器包含三個(gè)基本組成部分：

——駕駛艙系統(tǒng)（包括儀器、設(shè)備、面板和操縱裝置）。

——視景系統(tǒng)。該系統(tǒng)決定了模擬器內(nèi)機(jī)組人員的觀看方式和內(nèi)容。目前模擬器基本已采用了可跨平臺(tái)使用的通用視景系統(tǒng)。顯示器可以是平板、圓頂、部分圓頂，完全自適應(yīng)視覺環(huán)境（Complete Adaptive Visual Environment，CAVE） 等；有的顯示器還可以是頭戴式或頭盔式的。模擬器的逼真度部分取決于視景系統(tǒng)的視場（field-of-view，F(xiàn)oV）、分辨率、屏幕紋理和圖像生成器的更新率。精確的數(shù)據(jù)庫有助于沉浸效果。

——運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。該系統(tǒng)讓機(jī)組人員擁有與實(shí)際平臺(tái)上相同的運(yùn)動(dòng)感覺。目前，更注重任務(wù)訓(xùn)練的部分軍用模擬器上已經(jīng)不使用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)了。比較常見的是在三或六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通常用于作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練器和全任務(wù)模擬器。運(yùn)動(dòng)提示裝置如運(yùn)動(dòng)座椅提供小的運(yùn)動(dòng)提示，如振動(dòng)和微小運(yùn)動(dòng)、安全帶收緊和小加速度。這類座椅通常用于直升機(jī)模擬器。過載提示座椅在戰(zhàn)斗機(jī)模擬器中提供強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)提示，主要用于垂直方向加速度提示。學(xué)員在這種模擬器中訓(xùn)練時(shí)，需要穿抗荷服。這些座椅可以模擬抗荷服壓力、“座椅”壓力、安全帶收緊、縱向加速度和頭部／頭盔負(fù)荷等模擬。

模擬器的選擇取決于參訓(xùn)人員的類型和訓(xùn)練任務(wù)。飛行仿真系統(tǒng)的范圍涵蓋從基于PC機(jī)的程序模擬器到全任務(wù)模擬器。典型的模擬器分類有：

——駕駛艙程序訓(xùn)練器。這類模擬器通常是基于PC機(jī)，用于學(xué)員熟悉駕駛艙，并向其介紹飛機(jī)各系統(tǒng)和航空電子設(shè)備；支持學(xué)員練習(xí)基本的駕駛艙程序。

——子任務(wù)訓(xùn)練器。這類訓(xùn)練器專門用于整體訓(xùn)練任務(wù)中的子任務(wù)訓(xùn)練。例如電子戰(zhàn)訓(xùn)練器或運(yùn)輸機(jī)裝載人員訓(xùn)練器。

——作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練器（Operational Flight Trainer，OFT）。飛行訓(xùn)練裝置一般用于飛行訓(xùn)練， 而不是戰(zhàn)術(shù)或武器訓(xùn)練。OFT通常擁有運(yùn)動(dòng)平臺(tái)， 可支持真實(shí)的儀器飛行訓(xùn)練。

——武器系統(tǒng)訓(xùn)練器（Weapons Systems Trainers，WST）/武器戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練器（Weapons Tactics Trainers，WTT）/后艙訓(xùn)練器（Rear Cabin Trainers，RCT）。這類訓(xùn)練器通常擁有復(fù)雜地形數(shù)據(jù)庫、寬視場、高分辨率的視覺系統(tǒng)以及高計(jì)算能力。其廣泛用于訓(xùn)練空面作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)或ISR飛機(jī)的飛行員、傳感器操作員和機(jī)載戰(zhàn)術(shù)官。

——作戰(zhàn)飛行與戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練器。這類訓(xùn)練器比作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練器的能力更強(qiáng)，但在武器訓(xùn)練方面不如武器系統(tǒng)訓(xùn)練器或任務(wù)仿真器/全任務(wù)模擬器。其也可以被稱為戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練器（Tactical Operational Flight Trainer，TOFT）。

——全任務(wù)／作戰(zhàn)任務(wù)模擬器。這類模擬器用來開展全要素的任務(wù)訓(xùn)練，并結(jié)合OFT/ TOFT和WST/WTT/RCT的功能。

視景系統(tǒng)在沉浸程度方面起著至關(guān)重要的作用。視覺系統(tǒng)包括圖像生成、環(huán)境數(shù)據(jù)庫和顯示系統(tǒng)。圖像生成程序存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)來創(chuàng)建合成圖像，模擬視窗外的場景或傳感器系統(tǒng)（如雷達(dá)或電光系統(tǒng)，包括前視紅外、微光電視和夜視護(hù)目鏡）的輸出。這類圖像包括2D和3D元素，通常被稱為計(jì)算機(jī)生成圖像（Computer-generated Imagery，CGI）或計(jì)算機(jī)圖像生成（computer image generation，CIG）。數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建過程包括獲取原始數(shù)據(jù)源并將其合成以便由圖像生成器處理。精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建對(duì)于增強(qiáng)真實(shí)感和沉浸感起著關(guān)鍵作用。2016年，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)重大突破，即開放地理空間聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）批準(zhǔn)了通用數(shù)據(jù)庫（Common Database，CDB）標(biāo)準(zhǔn)。

全球領(lǐng)先的F-35戰(zhàn)斗機(jī)模擬器

美軍對(duì)F-35的仿真訓(xùn)練能力提了嚴(yán)格的要求，一方面原因是F-35作為第五代戰(zhàn)斗機(jī)，其先進(jìn)能力（包括傳感器和航空電子設(shè)備）不能在真實(shí)環(huán)境下開展充分的驗(yàn)證；另一方面F-35是一種在降低成本后仍然高達(dá)8000萬美元的單座機(jī)，用實(shí)裝訓(xùn)練的成本極其昂貴。

F-35 全任務(wù)仿真器

為此， 洛馬公司為F-35研發(fā)了全任務(wù)仿真器（Full Mission Simulators，F(xiàn)MS），價(jià)格應(yīng)該已經(jīng)下降到小于1200萬美元。FMS的交付與實(shí)裝保持同步，第一臺(tái)FMS于2011年交付埃格林空軍基地。所有任務(wù)類型均可在FMS上進(jìn)行仿真訓(xùn)練，包括模擬電子干擾和模擬機(jī)載武器對(duì)放空導(dǎo)彈陣地的攻擊效果。電子干擾的模擬不可能在傳統(tǒng)模擬器中實(shí)現(xiàn)。另一方面，F(xiàn)-35模擬器可使飛行員在實(shí)戰(zhàn)或者演習(xí)前能夠安全、廉價(jià)地訓(xùn)練電子戰(zhàn)任務(wù)。F-35約45%至55%的初始資格訓(xùn)練（IQT）是在模擬器上進(jìn)行的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，洛馬公司在幾乎所有F-35駐地都部署了FMS。

F-35模擬器明顯不同于傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)模擬器。傳統(tǒng)的模擬器使用代碼模仿實(shí)際的飛機(jī)，而F-35的FMS則使用實(shí)際作戰(zhàn)飛行程序（Operational Flight Program，OFP） 來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這也使F-35模擬器能與實(shí)裝任務(wù)系統(tǒng)同步升級(jí)。

大部分F-35的FMS不安裝運(yùn)動(dòng)平臺(tái)， 除了位于英國沃頓的F-35艦載機(jī)模擬器安裝了六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。該設(shè)施已廣泛應(yīng)用于“伊麗莎白女王”級(jí)航母的短距起飛和垂直著陸（S h o r t Ta k e - off and Vertical L a n d i n g s，STOVL）訓(xùn)練和短距著陸（Ship-borne Rolling V e r t i c a l L a n d i n g s，SRVL） 訓(xùn)練，SRVL對(duì)著陸姿態(tài)要求高，這可能是F-35QEC用運(yùn)平臺(tái)的原因之一。

F-35 的“伊麗莎白女王”級(jí)航母訓(xùn)練設(shè)施

FMS采用高保真360°球幕視景和分布式投影機(jī)，并且視景系統(tǒng)可以與頭盔顯示器結(jié)合，為學(xué)員提供了全面的態(tài)勢感知。美國柯林斯航宇系統(tǒng)公司為模擬器提供了視景系統(tǒng)，包括EP-80圖像生成器，可確保所有視頻信道的100%同步，由此實(shí)現(xiàn)在圖像在通道邊界上沒有明顯的偽影；“鷹獅”（Griffin）球幕投影采用丙烯酸材料，不會(huì)分散視覺效果。它可以同時(shí)運(yùn)行多達(dá)25個(gè)窗口和7個(gè)傳感器通道；WholeEarth合成環(huán)境的數(shù)據(jù)庫支持在世界任何地方進(jìn)行模擬飛行，并支持用戶創(chuàng)建自己的要素；SimEye SX50TⅡ頭盔顯示器（Helmet Mounted Display，HMD） 模擬了F-35飛行頭盔的視覺效果。該頭盔顯示器與集成在“鷹獅”圓頂上的頭盔跟蹤系統(tǒng)相連。

電驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

此外，美軍也對(duì)分布式仿真訓(xùn)練有需求。2018年3月，洛馬公司收到一份總額為850萬美元的合同，為F-35開發(fā)分布式任務(wù)訓(xùn)練（Distributed Mission Training，DMT）。該技術(shù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)F-35飛行員能夠與異地部署的其他戰(zhàn)斗機(jī)、加油機(jī)和偵察機(jī)一起開展飛行訓(xùn)練。將進(jìn)一步把現(xiàn)有的支持4臺(tái)模擬器協(xié)同訓(xùn)練提高到支持12臺(tái)模擬器協(xié)同訓(xùn)練的能力。DMT預(yù)計(jì)將在2021年前在全球范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

英國F-35B 采用的“艦上滑行垂直著陸”（SRVL） 降落模式更類似于在美海軍航母著艦的姿態(tài)，但不用攔阻索。飛機(jī)在下滑中始終保持一定的飛行速度，靠機(jī)翼產(chǎn)生部分升力，提高著艦重量。傳統(tǒng)垂直著艦?zāi)Ｊ叫枰w機(jī)由平飛改為懸停后移動(dòng)到甲板上方完成垂直著艦

飛行模擬器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1．模擬器體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

航空兵部隊(duì)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬器都寄予厚望，希望其能高效的實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練目標(biāo)。自林克訓(xùn)練器問世以來，飛行仿真技術(shù)得到了顯著發(fā)展， 已經(jīng)從各類飛機(jī)定制化訓(xùn)練器向著體系架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變。可隨地部署的模擬器也越來越受部隊(duì)的歡迎，并要求模擬器具備能夠在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行互操作的能力。這些模擬器使人員能夠在駐地進(jìn)行訓(xùn)練，從而提高訓(xùn)練靈活性和效率， 并節(jié)省將人員運(yùn)送到訓(xùn)練固定設(shè)施的時(shí)間和成本。

美空軍在模擬器體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化方面比較領(lǐng)先，其“模擬器通用體系結(jié)構(gòu)需求與標(biāo)準(zhǔn)”（Simulator Common Architecture Requirements and Standards，SCARS） 的主合同預(yù)計(jì)將在2019財(cái)年授予，其中包括一份價(jià)值約為2～3億美元的五年期基礎(chǔ)合同， 另外還有五個(gè)一年期合同，總價(jià)值可能達(dá)到9億美元。SCARS計(jì)劃將提高網(wǎng)絡(luò)彈性和響應(yīng)能力，并將美國空軍模擬器的全壽命周期成本降到最低。SCARS計(jì)劃將通過每年發(fā)布通用標(biāo)準(zhǔn)，使美國空軍訓(xùn)練系統(tǒng)按照體系化、系列化發(fā)展。

美空軍可能已經(jīng)在多個(gè)主要司令部安裝了2380多個(gè)模擬器和訓(xùn)練設(shè)備。這些設(shè)備是在過去幾十年中逐步采辦的，每個(gè)設(shè)備的采辦都是為了滿足特定平臺(tái)的個(gè)體作戰(zhàn)訓(xùn)練需求，而不是根據(jù)從體系化發(fā)展的需求策略。隨著設(shè)備使用年限的增加，對(duì)維護(hù)和升級(jí)服務(wù)的需求也在增加。從長期來看，SCARS將使快速簡單的升級(jí)成為可能，有助于降低設(shè)備的全壽命期維護(hù)成本。這可以為其他盟國提供一個(gè)模式，促進(jìn)部隊(duì)與盟國之間的協(xié)同訓(xùn)練。

2．訓(xùn)練體系的虛實(shí)結(jié)合

真實(shí)、虛擬和構(gòu)造（LVC）是飛行仿真發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。這三個(gè)領(lǐng)域的最佳融合非常重要，因?yàn)樗梢栽诂F(xiàn)實(shí)環(huán)境中提供復(fù)雜的場景，這對(duì)于集體訓(xùn)練更為有效。LVC還將有助于實(shí)現(xiàn)部隊(duì)和盟國之間的互操作性。LVC的目標(biāo)是提供高度沉浸式的訓(xùn)練，讓參與者無法辨別實(shí)況、虛擬和構(gòu)造實(shí)體之間的差異。合成（虛擬＋構(gòu)造）環(huán)境在很大程度上加強(qiáng)了任務(wù)演習(xí)。虛擬數(shù)據(jù)庫越精確，訓(xùn)練效率越高。利用它們不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組人員可在未知或不熟悉的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，而且使他們能夠在不必在真實(shí)靶場部署的情況下執(zhí)行任務(wù)。開放式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)有助于快速更新，并支持相關(guān)的分布式任務(wù)訓(xùn)練。

美國諾格公司在LVC領(lǐng)域有一定的基礎(chǔ)，在其開發(fā)的分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)（DMON） 的基礎(chǔ)上， 開發(fā)了LVC實(shí)驗(yàn)、集成與作戰(zhàn)行動(dòng)套件（LVC Experimentation, I n t e g r a t i o n , a n d O p e r a t i o n s Suite，LEXIOS），可以將異地的模擬器（如RC-135偵察機(jī)的模擬器） 接入LVC訓(xùn)練環(huán)境，將數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路和無線傳輸?shù)铰?lián)合演習(xí)靶場的真實(shí)飛機(jī)上。

小結(jié)

對(duì)抗體系化。仿真一直是軍事飛行訓(xùn)練計(jì)劃的主要內(nèi)容，未來的計(jì)劃將繼續(xù)把更多的訓(xùn)練任務(wù)轉(zhuǎn)移到合成環(huán)境中。無論是從軍方用戶的關(guān)注角度，還是從工業(yè)部門的技術(shù)發(fā)展角度看，采用LVC技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合場景都是飛行仿真領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。模擬器作為LVC的關(guān)鍵組成， 其體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化能促進(jìn)LVC技術(shù)的發(fā)展。美國作為飛行仿真的巨頭之一，其飛行仿真逐漸從專有系統(tǒng)轉(zhuǎn)向開放式體系結(jié)構(gòu)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的需求進(jìn)一步增加。美空軍的SCARS計(jì)劃也即將得到大量資金的支持。

效果真實(shí)化。F-35的FMS首次使用了與實(shí)裝同步的作戰(zhàn)飛行程序（OFP），這使F-35模擬器能與實(shí)裝任務(wù)系統(tǒng)同步升級(jí)，也增強(qiáng)了地面訓(xùn)練的真實(shí)性和效果。FMS中也集成了用于電子戰(zhàn)訓(xùn)練的能力；其多通道視景系統(tǒng)的沉浸感也非常好，分辨率高，沒有眩暈感并且與聽覺提示保持良好的同步。

效費(fèi)比最優(yōu)化。隨著高保真模擬器訓(xùn)練的比重增長，模擬器的訂貨量也變大了。以F-35的FMS為例，其供應(yīng)商體系復(fù)雜，有超過190架的供應(yīng)商組成。但是FMS的訂貨量持續(xù)增長，供應(yīng)鏈穩(wěn)定后其成本逐漸下降，2019年8月份單臺(tái)價(jià)格1200萬美元，后續(xù)使用3D打印等的新技術(shù)后有望降低到900萬美元。
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