美國(guó)空軍正在采用SCARS模擬器來(lái)進(jìn)行作戰(zhàn)訓(xùn)練

美空軍的《2035年前空軍作戰(zhàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)設(shè)施飛行計(jì)劃》（AF Operational Training Infrastructure 2035 Flight Plan，作戰(zhàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)稱(chēng)為OTI）于2017年9月制定，目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)現(xiàn)實(shí)的、綜合的訓(xùn)練環(huán)境，使部隊(duì)能夠訓(xùn)練作戰(zhàn)和相關(guān)戰(zhàn)術(shù)，以實(shí)現(xiàn)和維持全譜系的戰(zhàn)備狀態(tài)。

美空軍在計(jì)劃中已確定為實(shí)現(xiàn)OTI的目標(biāo)所需的共13條OTI重點(diǎn)發(fā)展路線，其中第3條、第12條分別強(qiáng)調(diào)了合成環(huán)境集成實(shí)裝的能力（Synthetic-To-Live Capability）和統(tǒng)一的模擬器架構(gòu)（Common Architecture）。合成環(huán)境與實(shí)裝集成就是真實(shí)-虛擬-構(gòu)造仿真（Live-Virtual-Constructive，LVC），LVC的概念美軍已經(jīng)持續(xù)強(qiáng)調(diào)了將近20年；統(tǒng)一的模擬器架構(gòu)即模擬器通用架構(gòu)要求和標(biāo)準(zhǔn)（Simulator Common Architecture Requirements &Standards，SCARS）。

美空軍訓(xùn)練概念圖

美空軍廣泛部署全球范圍的超過(guò)50種平臺(tái)，超過(guò)2380個(gè)訓(xùn)練設(shè)備

美空軍希望通過(guò)訓(xùn)練在OODA環(huán)上擴(kuò)大與對(duì)手的優(yōu)勢(shì)

開(kāi)發(fā)模擬器通用架構(gòu)——SCARS

美軍的武器裝備的供應(yīng)商很廣泛，某一個(gè)平臺(tái)是由一個(gè)承包商建造的，而該平臺(tái)模擬器也可能是由另一個(gè)承包商建造的。盡管美軍模擬器已經(jīng)能夠在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，但是還達(dá)不到期望的效果。比如當(dāng)穿云時(shí)，有的模擬器能看到地面有的則看不到。用手機(jī)為例，過(guò)去存在各種各樣的設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)，如諾基亞、黑莓、iPhone、Android等已基本轉(zhuǎn)移到兩種常見(jiàn)的基礎(chǔ)架構(gòu)即IOS和Android，非常方便進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)、升級(jí)以及設(shè)備之間的交互。美空軍想讓模擬器也按照手機(jī)的發(fā)展規(guī)律，正在尋找一家公司來(lái)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，幫助解決數(shù)十種、上千臺(tái)模擬器之間的互操作性問(wèn)題。美空軍在2018年12月發(fā)布了SCARS招標(biāo)書(shū)，為期10年，合同金額高達(dá)9億美元，計(jì)劃在2020年簽署首個(gè)SCARS合同。

SCARS由空軍生命周期管理中心的模擬器部門(mén)（AFLCMC / WNS）負(fù)責(zé)管理。在過(guò)去的模擬器相關(guān)合同主要考慮因素是滿(mǎn)足性能指標(biāo)、可靠性指標(biāo)。如今，更嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全要求也成為了必須考慮的因素。為了響應(yīng)最新的國(guó)防部手冊(cè)8500.01和8510.01，空軍手冊(cè)AFI33-200和33-210中新的網(wǎng)絡(luò)安全要求，AFLCMC / WNS正在探索模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)采購(gòu)與維護(hù)方法的變化，包括底層系統(tǒng)架構(gòu)。面對(duì)不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)威脅，模塊化的推廣和開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的結(jié)合有望使模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)的采購(gòu)和維護(hù)更加高效。AFLCMC / WNS也正在通過(guò)明確標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，增加體系結(jié)構(gòu)之間的通用性，探索“技術(shù)基準(zhǔn)”的概念。這些要求和標(biāo)準(zhǔn)將解決系統(tǒng)架構(gòu)、接口和數(shù)據(jù)模型，目的是以減少技術(shù)、進(jìn)度和成本風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)威脅環(huán)境正迫使模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)的更新和修改頻率比以前部署的系統(tǒng)更高，要求能夠快速修改以合并新的安全功能并消除新發(fā)現(xiàn)的潛在漏洞。

SCARS將分為三個(gè)階段：

第一階段：開(kāi)發(fā)一種滿(mǎn)足模擬器的性能目標(biāo)的體系架構(gòu)，同時(shí)展示模塊化開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵特征。該體系結(jié)構(gòu)必須能夠進(jìn)行快速修改以合并新的安全功能，消除已標(biāo)識(shí)的潛在漏洞，并具備最佳可行性，最小化或自動(dòng)化所需的回歸測(cè)試，確認(rèn)系統(tǒng)性能未受到修改的不利影響；

第二階段：完成并驗(yàn)證在第一階段開(kāi)發(fā)的基準(zhǔn)模擬器架構(gòu)，并使用空勤人員訓(xùn)練模擬器應(yīng)用程序進(jìn)行概念性演示。演示該體系結(jié)構(gòu)具有開(kāi)放性的特征，并且可以通過(guò)最小化回歸測(cè)試對(duì)其進(jìn)行修改；

第三階段：最終確定該架構(gòu)，以供美國(guó)政府及其承包商開(kāi)發(fā)和升級(jí)美空軍模擬器和培訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)使用。

模擬器聯(lián)網(wǎng)是LVC的核心

在過(guò)去的20年里，美空軍一直在尋求滿(mǎn)足其空勤人員訓(xùn)練需求的方法，主要方向就是開(kāi)發(fā)LVC訓(xùn)練技術(shù)，但是在現(xiàn)階段的主要辦法就是增強(qiáng)模擬器訓(xùn)練。分布式任務(wù)作戰(zhàn)（Distributed Mission Operations, DMO）是一項(xiàng)空軍戰(zhàn)備計(jì)劃，幫助美空軍在國(guó)內(nèi)或海外部署的作戰(zhàn)人員保持基本戰(zhàn)備狀態(tài)，在必要時(shí)可模擬作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行任務(wù)預(yù)演。

DMO將把當(dāng)前和未來(lái)的武器系統(tǒng)、高保真模擬器和仿真系統(tǒng)與其他指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視和偵察（C4ISR）系統(tǒng)連接起來(lái)，以創(chuàng)建一個(gè)交互式作戰(zhàn)環(huán)境。美軍將DMO成為空軍訓(xùn)練轉(zhuǎn)型的基石。

為何將LVC作為提升訓(xùn)練能力關(guān)鍵？

盡管美空軍綜合實(shí)力保持世界第一很多年，并且在實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和訓(xùn)練投入方面無(wú)人能及，但是其還是想進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

美空軍認(rèn)為給指揮員和戰(zhàn)斗員的訓(xùn)練強(qiáng)度不夠。首先，對(duì)于訓(xùn)練如聯(lián)合空中作戰(zhàn)中心（combined air operations center, CAOC）的指揮類(lèi)人員來(lái)說(shuō)，其需要的訓(xùn)練強(qiáng)度比當(dāng)今任何一場(chǎng)演習(xí)帶來(lái)的工作量要大得多才行，像“紅旗”這樣的大型演習(xí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。標(biāo)準(zhǔn)化的“紅旗”可能在數(shù)百平方千米的陸地和領(lǐng)空上進(jìn)行了涉及數(shù)十架飛機(jī)執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，但也不會(huì)給CAOC造成任何壓力。美軍所需要的是一種模擬數(shù)百個(gè)獨(dú)立行動(dòng)的實(shí)體，還可以引入意外事件并在作戰(zhàn)計(jì)劃上加大壓力的方法，其目的是將CAOC的指揮員推向極限，并觀察他們的反應(yīng)。

其次，飛行員也需要在復(fù)雜、快速變化且擁擠的戰(zhàn)場(chǎng)中訓(xùn)練。DMO架構(gòu)使機(jī)組人員可以更近距離地了解現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的空戰(zhàn)情況，其中許多偵察機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、加油機(jī)、無(wú)人機(jī)和地面部隊(duì)都在同一個(gè)廣域網(wǎng)下有數(shù)據(jù)、語(yǔ)音交互。此外，還可以模擬故障、干擾或其他特情，更好地對(duì)飛行員施加壓力。

訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)問(wèn)題也是美軍的考慮之一。飛機(jī)的飛行成本越來(lái)越高，從F-16 Block 50每小時(shí)飛行成本約7500美元到F-35的約44000美元。這使得必須提升模擬器訓(xùn)練占比，因?yàn)槿鏔-16的模擬器每小時(shí)訓(xùn)練成本僅為900美元。從2012年開(kāi)始，作為對(duì)國(guó)防部長(zhǎng)要求提高效率的回應(yīng)，美空軍減少了實(shí)裝飛行時(shí)間，估計(jì)在2012至2016財(cái)政年度節(jié)省約17億美元。將實(shí)裝飛行與模擬器訓(xùn)練相結(jié)合可以降低成本，包括降低維護(hù)成本和相關(guān)的后勤成本。但是關(guān)于這約17億美元，缺乏確定模擬器訓(xùn)練費(fèi)用的方法，因此在估計(jì)中考慮的不周全。美空軍僅根據(jù)實(shí)際飛行時(shí)間的減少來(lái)估算節(jié)省費(fèi)用，而不考慮機(jī)組人員前往模擬器、承包商人員安排和使用模擬機(jī)以及購(gòu)買(mǎi)額外模擬器的費(fèi)用。由于費(fèi)效比的問(wèn)題還不清晰且缺乏明確的責(zé)任制和戰(zhàn)略來(lái)指導(dǎo)其規(guī)劃和投資決策，還需要空軍進(jìn)一步研究。

一個(gè)強(qiáng)大的、穩(wěn)定的通信體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，再加上先進(jìn)的模擬器，將創(chuàng)造一種新的訓(xùn)練能力，這種能力可以從單裝備級(jí)別開(kāi)始，并通過(guò)一系列組合進(jìn)行聚合，最終形成戰(zhàn)區(qū)級(jí)別的任務(wù)預(yù)演能力。分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)（DMO Networks, DMON）是美空軍實(shí)現(xiàn)聯(lián)合訓(xùn)練的中心節(jié)點(diǎn)，其以地面有線網(wǎng)絡(luò)為主，各分系統(tǒng)（如模擬器、計(jì)算機(jī)生成部隊(duì)）向著DMON集成。但要實(shí)現(xiàn)LVC同樣需要集成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如將P5空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)集成到DMON中需要考慮專(zhuān)用訓(xùn)練鏈、靶場(chǎng)測(cè)控鏈和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的集成和協(xié)同。同樣，實(shí)裝需要靠視覺(jué)和傳感器的激勵(lì)來(lái)與模擬的實(shí)體交互，目前正在將“嵌入式訓(xùn)練”能力更完美的融入到飛機(jī)中，使飛機(jī)傳感器能夠準(zhǔn)確探測(cè)并向飛行員顯示模擬實(shí)體。

逐步提高模擬器訓(xùn)練的占例

美空軍計(jì)劃制定一個(gè)戰(zhàn)略來(lái)調(diào)整虛擬訓(xùn)練計(jì)劃和目標(biāo)，明確如何確定實(shí)戰(zhàn)和虛擬訓(xùn)練的組合以滿(mǎn)足訓(xùn)練需求。隨著技術(shù)更先進(jìn)飛機(jī)的部署，預(yù)計(jì)空軍將越來(lái)越依賴(lài)虛擬訓(xùn)練。以前，其三大司令部空中機(jī)動(dòng)司令部、空軍特種作戰(zhàn)司令部和空戰(zhàn)司令部都利用由專(zhuān)家組成的訓(xùn)練需求評(píng)審組來(lái)確定特定飛機(jī)的訓(xùn)練需求。這些評(píng)審組根據(jù)具體的作戰(zhàn)指揮任務(wù)需求以及模擬器性能和網(wǎng)絡(luò)能力等因素，確定哪些訓(xùn)練需求可以在真實(shí)或虛擬環(huán)境中完成。例如，從2012年開(kāi)始，空戰(zhàn)司令部設(shè)定了通過(guò)模擬器訓(xùn)練滿(mǎn)足25%（平均）的訓(xùn)練需求的目標(biāo)。其他兩個(gè)司令部的目標(biāo)是通過(guò)模擬器完成50%（平均）的訓(xùn)練。

DMON的發(fā)展

DMON的建設(shè)主要由諾斯羅普·格魯門(mén)公司公司完成，自1999年啟動(dòng)以來(lái)諾格一直是作戰(zhàn)空軍分布式任務(wù)訓(xùn)練作戰(zhàn)與整合計(jì)劃的主要承包商。自2002年以來(lái)，DMON都被用于在一個(gè)普通的合成戰(zhàn)場(chǎng)上提供有效的戰(zhàn)術(shù)和小范圍訓(xùn)練。DMON還用于支持每年兩到三次的“虛擬旗”演習(xí)。AFLCMC授予諾斯羅普·格魯門(mén)公司價(jià)值4.9億美元，為期五年的DMON2.0服務(wù)合同，交付期限將延長(zhǎng)至2023年6月。在DMON2.0中，將繼續(xù)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并提升接入實(shí)裝的能力。目前，每年各種規(guī)模的DMO訓(xùn)練活動(dòng)數(shù)量超過(guò)380次。

美軍的訓(xùn)練設(shè)施并非都始于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)是位于科特蘭空軍基地（Kirtland AFB）的分布式任務(wù)作戰(zhàn)中心（DMOC）。國(guó)防部廣域網(wǎng)（WAN）有許多種類(lèi)，如分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)（DMON）、聯(lián)合訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（JTEN）、國(guó)防研究工程網(wǎng)絡(luò)（DREN）、分布式訓(xùn)練中心網(wǎng)絡(luò)（DTCN）和第505部隊(duì)的廣域網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)由不同的單位和機(jī)構(gòu)管理，可以連接到位于科特蘭的DMOC，支持國(guó)防部的特定計(jì)劃和作戰(zhàn)人員的訓(xùn)練要求。

一些有線網(wǎng)絡(luò)也包括有無(wú)線的部分，這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常是有線網(wǎng)絡(luò)的短期擴(kuò)展，其實(shí)也算是有線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)通常不受射頻頻譜可用性、帶寬、范圍的限制。但目前有線網(wǎng)絡(luò)使用的通信協(xié)議通常不適合在帶寬受限、長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)的情況下使用，因?yàn)樾柙谡麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量數(shù)據(jù)以滿(mǎn)足工作，通常稱(chēng)為“網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)”。網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)減少了可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

DMON上的模擬器任務(wù)訓(xùn)練中心（Mission Training Center, MTC）采用分布式交互仿真（DIS）協(xié)議，但也有少數(shù)MTC使用高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）來(lái)驅(qū)動(dòng)仿真環(huán)境。隨著各種各樣的仿真成熟度、協(xié)議、任務(wù)和技術(shù)出現(xiàn)，確保它們能夠有效地達(dá)到用戶(hù)要求的互操作程度是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。盡管IEEE 1278（DIS）和IEEE 1516（HLA）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了語(yǔ)法（數(shù)據(jù)共享）級(jí)別的互操作性，但它們本身并沒(méi)有提供所需的語(yǔ)義（數(shù)據(jù)含義）通用性。

DMON的網(wǎng)關(guān)通過(guò)使用推算技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)流量，以減少狀態(tài)更新的需要。將MTC從局域網(wǎng)（LAN）轉(zhuǎn)換到廣域網(wǎng)（WAN）協(xié)議并返回，從而確保遠(yuǎn)程MTC看起來(lái)就像與其他本地MTC在同一個(gè)LAN上一樣。必要時(shí)，網(wǎng)關(guān)在DIS和HLA協(xié)議之間轉(zhuǎn)換，并提供支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路互操作性和跨域控制接口實(shí)現(xiàn)的其他數(shù)據(jù)流調(diào)節(jié)功能。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)配置是集中管理的，所以事件管理器能夠預(yù)測(cè)規(guī)劃入網(wǎng)的MTC的需求，并根據(jù)每個(gè)MTC的已知平臺(tái)限制進(jìn)行更改。

DMO將來(lái)為了更好集成實(shí)裝，需要兼容TENA協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，諾斯羅普·格魯門(mén)公司將提供一個(gè)在TENA、HLA和DIS之間實(shí)現(xiàn)可互操作的解決方案。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口向DMO合成作戰(zhàn)空間提供即插即用的現(xiàn)場(chǎng)音頻；使用了一個(gè)Cubic公司TENA v4.1網(wǎng)關(guān)，它將實(shí)時(shí)靶場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能兼容的TENA v4.1對(duì)象。

DMO在非國(guó)防部擁有的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，使用的主要網(wǎng)絡(luò)的帶寬可變，空軍只為使用的帶寬付費(fèi)。目前，使用商業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)流量存在“一定的風(fēng)險(xiǎn)”。能夠進(jìn)入仿真的人不僅可以觀察到它，而且可以記錄動(dòng)作以供分析，就像監(jiān)視互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的活動(dòng)以更好地推送廣告一樣。

不過(guò)在將來(lái)，DMO將使用全球信息柵格（Global Information Grid, GIG），GIG是一種正在開(kāi)發(fā)的地面通信網(wǎng)絡(luò)。隨著DMO過(guò)渡到國(guó)防部為解決帶寬和安全性問(wèn)題而建立的GIG，許多問(wèn)題將得到解決。

小結(jié)

加快制定模擬器標(biāo)準(zhǔn)。SCARS計(jì)劃旨在為其模擬器開(kāi)發(fā)具有改進(jìn)的安全性和升級(jí)功能的開(kāi)放式架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)彈性并施加更嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)，最小化生命周期成本。模擬器像手機(jī)一樣使用通用開(kāi)放式架構(gòu)，全面考慮硬件、軟件、應(yīng)用程序，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。還需要支持由網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遠(yuǎn)程接收軟件更新，滿(mǎn)足經(jīng)常變換的訓(xùn)練需求。

發(fā)揮模擬器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)。DMO可以確保聯(lián)合作戰(zhàn)中的空中平臺(tái)在不受飛行安全考慮限制（尤其是對(duì)大型特種平臺(tái)的限制），充分執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)和完成動(dòng)作，同時(shí)降低外派率和訓(xùn)練預(yù)算，節(jié)省機(jī)隊(duì)的飛行時(shí)間。

提升模擬器訓(xùn)練占比。在訓(xùn)練效率和戰(zhàn)備不受損害的情況下，提高模擬器訓(xùn)練的占比。模擬器狀態(tài)需要與飛機(jī)狀態(tài)保持一致，以提供及時(shí)、經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。但一些實(shí)裝訓(xùn)練項(xiàng)目不能或不應(yīng)該被模擬器取代，需要有效地平衡實(shí)裝訓(xùn)練和合成訓(xùn)練。避免模擬器保真度不足造成的遺漏、負(fù)面效應(yīng)或提供了不正確或過(guò)時(shí)的知識(shí)或技能。保真度問(wèn)題是模擬器最大的挑戰(zhàn)，如果訓(xùn)練不夠真實(shí)會(huì)適得其反。
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