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美空军LVC 训练系统集成策略浅析
 
作者:吕志超
  10736  次浏览      15
 2020-11-9 
 
编辑推荐:

本文主要介绍了美空军LVC训练系统的概念与内涵、操作标准、集成系统策略及应用案例等。
来自于沈阳所扬州院,由火龙果软件Linda译、推荐。

01引言

众所周知,飞行员在和平时期开展空战训练是提高其空战技能最有效的方式,飞速发展的仿真技术为参训成员提供了经济高效的训练模式,使部队保持高度战备状态。

美空军基于多种网络技术和协议标准/架构,将已有真实的(Live,L)、虚拟的(Virtual,V)、构造的(Constructive,C)系统/武器装备进行集成,构建了LVC训练系统,主要目的是使参训成员能够像作战一样进行训练,有效缩短空战人员的观察-判断-决策-执行(OODA)循环,同时大幅度降低空战训练效费比。

02 概念与内涵

美空军LVC训练系统就是L、V、C系统/装备,在一个虚拟合成的作战场景中进行互联、互通与互操作,是典型的分布式仿真系统。在此环境下,可开展高逼真度、沉浸式、具有挑战性的大规模空战演习,飞行员可完成飞行技能、武器与传感器操作、战术决策、特情处理与编队协同等科目训练,提高其空战技能。

图 1 LVC空战训练场景示意图

美国国防部对 LVC定义如下:

1)L是指真实场景下真实的人操作真实的装备,例如飞机,地防系统与舰船等;

2)V是指真实的人操作虚拟系统,是一种人在环模拟,也是一种半实物仿真,例如飞行模拟器、电子战威胁模拟器、模拟的拖曳诱饵等;

3)C是指在仿真场景中仿真人物使用仿真装备,人物和装备都由计算机生成,都根据软件规则运行,而不是人的指导。例如半自动化部队(SAF)与计算机生成兵力(CGF)等。

北大西洋公约组织(NATO)建模和仿真标准简介(NMSSP)将LVC分布式仿真系统互操作性定义如下:“模拟物理连接,向其他仿真系统提供服务,或接收其他仿真系统提供的服务,并通过这些交互的服务高效工作的能力”。

03 典型互操作标准

美国已经相继开发了分布式交互仿真(DIS)、高层体系结构 (HLA)、实时平台级参考联邦对象模型(RPR-FOM)、 测试与训练使能架构(TENA)、聚合级仿真协议(ALSP)、通用训练与仪器架构(CTIA)、用于多平台链接评估的标准接口(SIMPLE)、战术数据信息链(SISO-J)和联合靶场扩展应用协议(JREAP)等互操作标准。其中,常用的五种先进分布式仿真架构主要是DIS、ALSP、HLA、TENA和CTIA,虽然这些技术各有特点,开发初衷不尽相同,但它们都致力于解决L、V、C系统之间互操作问题,图2显示了这些体系结构的应用情况。

图 2 美国体系结构应用的典型分布

04 系统集成策略

目前,美空军构建LVC训练系统的方法主要是开发通用的数据模型、网关、网桥等实现异构系统的集成与互操作。采用“中间件+网关”的集成方案,以某种中间件(如HLA RTI、TENA中间件、DDS等)为通用数据传输通道,同时开发网关,对各类仿真系统进行“封装”,解决异构仿真系统之间无法进行识别和交互的问题,实现异构系统之间的互操作,如图3所示。

图 3 美空军LVC训练系统框架

基于“中间件+网关”的美空军LVC训练系统,可兼容不同的体系架构,扩展更加灵活、开发风险与成本较低。

美空军典型LVC训练系统的核心基础组件主要包括:

1) LVC中间件

中间件是LVC训练系统的核心组件之一,其作用相当于一条“总线”,连接所有的实装飞机、飞行模拟器、计算机生成兵力、地防系统与训练评估中心等参训成员,提供所有异构系统之间的消息传递分发,异构系统之间的交互数据都基于一致的信息表述,所有信息的传输都要通过中间件进行传递。例如,一架真实飞机或飞行模拟器的位置数据,通过LVC中间件消息传递功能路由到相应的数字仿真飞机。LVC中间件还支持“发布/订阅”功能,允许数据通过系统进行目标路由。

2) LVC网关

LVC网关是异构系统之间实现互联的桥接器,可实现通信协议与数据格式转换。一方面,网关将系统需要公布的信息转换成与中间件要求格式一致的数据包,通过底层信息传输设施发送出去;另一方面,网关从底层信息传输设施接收系统订购的信息,将其转换成系统可识别的数据格式并发送给该系统。例如,基于HLA的LVC训练系统,HLA应用不需要借助网关,可直接与基础服务支持框架(RTI)进行互连,非HLA应用则需要通过网关与RTI互连,这是各类系统进行互操作的一种网关应用方式。

05 待解决的问题

美空军LVC训练系统需要实现飞机、模拟器、计算机生成兵力等异构系统之间的互操作,系统集成设计过程中主要面临以下问题:

1)不同的体系结构具有不同的标准对象模型或没有标准对象模型。需要在语法和语义上协调对象模型,这通常比集成协议本身更加困难;

2)不同的体系结构和协议无法实现互操作,必须设计同种类型的翻译资源(网关,网桥等),由于这些资源通常受开发成本约束,其通用性、开放性往往较差;

3)已有的系统(依赖和使用一种体系结构)如果采用另一种体系结构,其改动往往非常大;

4)不同体系结构提供的服务存在差异,例如,HLA提供时间管理服务,而DIS不提供。通常,解决服务差异意味着整个仿真活动只能应用所有体系结构共有的那些服务。

06 应用实例

1) “红旗”军演

近年来,基于LVC训练系统,美军在“红旗”、“虚拟旗”、“北方利刃”等大型军演都开展了多次LVC空战演习,训效成果受到军方高度认可。

以 2005年联合“红旗”军演[1]为例,此次军演涉及到Kirtland、Nellis、McChord与Robins等多个空军基地,分布在20个广域网(WAN)中的100多个局域网(LAN)将以上基地大量的实装飞机、飞行模拟器与计算机生成兵力系统与分布式任务作战中心(DMOC)进行连接,构建逼真的大型虚拟作战场景。如图4所示,军演应用的WAN包括联合训练和实验网络(JTEN)、分布式任务作战网络(DMON)、导弹防卫局网络(MDANet)、国防研究与工程网络(DREN)、分布式训练中心网络(DTCN)和15种不同的T-1连接。这些网络用于在异构仿真系统之间交换不同的协议(DIS、HLA、TENA、北约-训练数据(NATO-EX)、战术数字信息链接-J(TADIL-J)、远程视频(VTC)等)。整个训练网络集成设计非常复杂,涉及不同类型的网关、过滤器和信息转换服务组件等软件工具,主要包括TENA 网关、DIS/HLA网关、DIS过滤器、DMON 端口与TSR软件路由器(TACCSF(航空航天指挥与控制设施)SR),支持数据、语音与图像信息的交互,如图5所示。

图 4 联合红旗军演真实/虚拟/构造广域网

图 5 LVC数据传输示意图

2) 人在环无人机分布式LVC测试环境的搭建

2015年,美国国家航空航天局(NASA)的国家空域系统项目—人在环无人机测试[2],开发了一个分布式LVC测试环境,目的是减少无人飞机进入常规空域的障碍。测试环境采用HLA协议、LVC网关与LVC工具箱,将真实、虚拟与构造的飞机进行集成,形成了无人机测试环境核心基础架构。其中,工具箱与构造的目标生成器,LVC网关和飞行模拟器连接,用于将软件组件的消息转换为定义的HLA接口。

图 6 LVC集成的飞行测试体系结构

(NASA Ames 研究中心图片)

07 总结

美军从成本可承受性、技术可行性与实现周期考虑,在尽量保持原有L、V、C系统的协议和标准的情况下,致力于开发和设计跨越各种体系结构的通用网关、通用组件化对象模型和通用联邦协议等标准资源,实现混合体系结构的集成与互操作。因此,美空军的LVC训练系统实际上是一个“架构群的架构”在为系统提供服务,架构群由许多不同的架构与协议组成,通用网关、通用组件化对象模型和通用联邦协议等标准资源等标准资源使参与的所有真实、虚拟与构造系统具备互操作性。

 

   
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