浅析美军机载真实、虚拟和构造(LVC)训练技术发展

云脑智库 2022-10-02 00:00
据罗克韦尔柯林斯公司官网2022年7月18日消息,美空军正式确立P6作战训练系统P6CTS)纳入其下一代空战训练计划,将利用该公司已为美海军研制的战术战斗训练系统-增量Ⅱ(TCTS Ⅱ)为基础进一步标准化空战训练,通过开放式架构系统满足跨军种和盟友的互操作性,并在全生命周期内利用技术及保障的通用性发挥规模经济优势。P6CTS计划已获得资金支持,将逐步替换美空军约在55个训练靶场部署的P5CTS。此前,TCTS Ⅱ在海军高级技术演习(ANTX-21和ANTX-22)中成功展示了“真实、虚拟和构造”(LVC)仿真训练能力,飞行员在机上可通过自定义威胁环境载入高保真的训练场景,即所谓的合成注入实装(SITL)功能。美海军计划于2022年底在法伦基地(NAS Fallon)形成初始作战能力,计划于2023年初开始全速率生产。

一、机载LVC发展需求


第五代战斗机机载训练所需的假想敌部队支持严重不足。LVC环境可以通过利用虚拟和构造仿真(VC,也称合成环境)来补充实时实装训练,从而显著减少传统模式威胁能力的不足。实现这一点的最佳方法是将为作战空军分布式任务作战(CAF DMO)开发的模拟器网络环境集成到实装飞机平台中。也就是说以地面模拟器网络(VC)的现有条件,接入现有P5CTS系统的训练能力。这将允许合成环境激励实时飞机传感器,并以低成本补充/替代一些实装假想敌部队和防空系统。机载训练实时性高,要求有尽可能连续且精准的数据,因此需要可靠、低延迟的网络,并将网络交换数据实时集成到实装航电系统中。综上,在实装飞机和地面模拟系统之间构建安全可靠低延时的网络是机载LVC解决方案的关键。
机载LVC训练概念图(网络图片)
二、SLATE主要内容
2015年,美空军研究实验室(AFRL)作战人员战备研究部启动了一项名为安全LVC高级训练环境(SLATE)的先进技术演示计划。该项目的主要目的是开发LVC技术和基础设施范例,为美海军TCTS Ⅱ和美空军P6CTS做技术能力储备。SLATE使用P5CTS吊舱为基础,对吊舱的更改包括一个新的无线电/数据链路和训练波形、吊舱主处理器、嵌入式LVC处理器和一个4信道加密机。其他地面设备包括5G-ATW地面站及端机、加密机、与CAF DMO兼容的模拟器和计算机兵力生成软件(CGF)等。项目已于2018年底验收,以F-15EF/A-18E为核心进行了虚实结合环境下的飞行测试,各机型都配有改进的作战飞行程序(OFP),证明了其机载LVC环境基本成熟,技术成熟度至少达到了7级。
挂载SLATE吊舱进行验证的F-15E(网络图片)
SLATE研究的主要内容:
——在政府拥有的非专有架构中验证LVC基础设施、接口控制和数据标准
——演示多个独立安全级别(MILS)加密技术和规则集
——评估支持MILS的加密机、无线电、数据链路和第五代高级训练波形(5G-ATW)
——验证吊舱外形参数设计;
——与主机单位一起研究作战飞行计划(OFP)变更
——利用综合LVC能力分析训练效果和综合收益。
三、机载LVC主要技术特点
机载LVC环境的挑战包括信息安全/网络、频谱可用性/兼容性、延迟、可靠性、带宽、数据准确性和平台集成性等。
SLATE机载系统图(罗克韦尔柯林斯公司图片)
1.信息安全
通过CAF DMO这种合成环境的支持,由“仿真”扮演的假想敌、近距空中支援管制员(JTAC)、预警机和其他很少可用于现场实装训练的指挥与控制和情报资产不会产生昂贵系统维护、飞行时间或相关成本。但是,CAF DMO安全认证目前不包括实装数据或射频传输网络。
与地面光纤或其他有线网相比,通过射频(RF)网络传输涉密数据会带来额外的信息安全和网络风险。射频链路需要额外的安全防护,一是让传输信号更加隐蔽使其难以截获;二是对链路上传输的数据进行加密保护。5G-ATW数据链路同时具有这两种能力。该链路可在频率信道之间随机跳频,还随时间改变其20个短数据脉冲,使链路数据更难截获和解码。
虽然加密机现在已经较为普遍,但按照P5CTS吊舱的尺寸约束去研制一个体积足够小、功耗足够低的高性能多级加密机仍是一项挑战具有调整性的工作。美空军实验室与国家安全局(NSA)、Cubic公司合作,研制并批准了新型KOV-135加密机。KOV-135加密机安装在P5CTS吊舱中,提供四通道MILS加密功能,允许对机载网络数据进行加密/解密。MILS加密功能允许四个独立安全区域同时运行。SLATE展示了四个的安全区域:紫色、蓝色、红色和绿色(共用)。如果所需的区域与为CAFDMO定义区域相同,则SLATE架构将允许复用或调整现有CAF DMO规则和交互设备设置。为了发挥其作用,Cubic公司设计了一个基于规则的系统,能够实现安全规则下数据交换,证明了技术可行性。这可以使五代机能够同时与四代机及盟友联合训练。
2.网络
(1)频谱可用性/兼容性
1755–1780MHz的商用频谱主要由手机移动通信和卫星通信公司占用,后续1780-1850MHz商用频谱也很有可能被出售。这要求目前使用该频谱的军方设施和装备要么转移到其他效率较低的频段,要么能够与商用系统同时工作互不干扰。
5G-ATW波形的设计特点和功能提供了极大的灵活性,并允许其1780–1850MHz频段与商用系统共存。5G-ATW是一种支持64档的跳频波形,频谱范围高达100MHz,可在任何给定频率上产生相对较低的平均功率,以减少或消除对其他非跳频波形的干扰。每条消息由4个同步脉冲和16个数据脉冲组成。这20个脉冲以不同的频率传输。每个无线电使用不同的频率/时间模式来限制干扰。在SLATE中,每个无线电的频率模式和时间模式是固定的,但在未来这些模式可能会动态调整。这可以通过改变跳频模式来“跳过”其他用户正在使用的频率来避免干扰。
(2)无线最大通信距离
SLATE有两种不同的使用模式。第一种是机载端在有地面体系结构支持下运行(美军形象称之为“系留模式);第二种是机载端在没有地面体系结构支持下运行(非系留模式)。
在“系留”模式下,通过使用多个地面中继站,可以创建几乎无限制的信号覆盖能力。机载吊舱将信息传输至地面站,该数据通过地面网络分发到所有地面站。然后所有地面站重新传输数据以供所有机载吊舱接收。
在“非系留”模式下,没有地面站来中继网络消息。在这种情况下,系统受到空对空传输的最大范围限制以及机载无线电中继数据能力的限制。在SLATE中,无中继最大空对空通信范围暂时设计为80海里(约148公里)。未来可能通过增加射频发射功率并优化吊舱天线来实现更大覆盖范围。
机载无线电能够使用类似于组播系统监听一个或多个地面站。这种能力允许机载无线电在数据速率较低时监听所有地面站,然后随着数据速率增加逐渐过滤掉部分地面站,直到可以仅接受单个地面站发送的数据。上述功能在SLATE演示期间是手动完成的,当操作员观察到高数据速率时从地面站发送控制消息切换,但其实也支持使用控制软件自动调整。该机制允许在低数据速率下有多个接收消息机会,从而确保接收可靠性,同时保持在高数据速率下仅监听单个地面站的能力。
(3)LVC消息所需的带宽
与地面网络相比,射频带宽极其有限。SLATE利用CAF DMO标准,该标准已证明能够通过航迹推算和阈值在广域网(WAN)上运行,与固定时间更新速率系统相比,显著减少了所需更新的数量。与固定时间更新系统相比,SLATE通过使用航迹推算和阈值来显著减少所需更新的数据包数量。SLATE充分利用现有网络,而不是通过5G-ATW网络发送所有数据。使用网关将仿真的Link16和语音无线电数据与实装Link16和话音无线电连接起来。这意味着无需通过5G-ATW网络发送话音或Link16数据。将剩余的非话音和Link16消息称为“LVC”消息。
SLATE架构图(罗克韦尔柯林斯公司图片)
为了进一步降低带宽需求,美空军实验室开发了压缩DIS(C-DIS)标准,该标准能够将标准DIS LVC消息数据压缩60–70%,具体取决于DIS消息的实际内容。数据压缩对于在5G-ATW网络上尤其重要(在5G-ATW网络上每条消息只有768位,而标准DIS实体状态消息有1152位)。这意味着DIS实体状态消息必须压缩34%或更多,才能转化为5G-ATW上的单个消息。如果没有压缩后达不到,则需要两条消息来发送每个DIS实体状态消息。
压缩DIS协议精度摘要表(罗克韦尔柯林斯公司表格)
通常,在传统多级网络中,特定安全区域所需的所有数据都通过本区域的网络发送。在传统四区域系统中,将在每个区域中产生许多冗余、相同的消息。如果加密后通过公共射频网络发送,则每个相同消息的带宽将增加四倍。SLATE使用了“公共区域”方法。从紫色、蓝色或红色区域发送到绿色区域的任何消息都将被阻止通过其自己区域的网络(紫色、蓝色和红色)发送,大意就是能通过绿色收发的消息就不再通过其他颜色点对点收发。吊舱为接收所有数据将监听自己所在颜色区域和绿色(公共)区域。
4个独立安全区域示意(罗克韦尔柯林斯公司图片)
尽管可以通过数据压缩和优化网络路由方案减少带宽需求,但仍然需要一个高带宽、低延迟的网络来交换数据。5G-ATW通过允许多个发射机同时发射来实现高带宽,并依赖接收机具有足够的接收资源来同时解码消息。理论上,基于4.8Mbits/sec带宽的非重叠同步脉冲宽度,可能会发生156次同步传输,但这在现实中不太可能实现,因为数据脉冲中会发生大量干扰,并且需要大量接收机资源。
SLATE中,5G-ATW使用两部无线电,每部无线电在两个25MHz频带中具有八个接收机资源,以避免边发射边接收互相干扰。另外,P5CTS的天线基本上位于吊舱的前端,因此SLATE使用两个单独的25MHz频段的无线电和两个天线,都安装在吊舱前端。由于频带的分离可有效地消除同时发射接收之间的干扰。一台无线电可以向地面发射而不会干扰正在另一频带上接收地面发射的无线电。接收机被编程到现场可编程门阵列(FPGA)中。在系留模式下,一部无线电侧重于空对地传输,另一台侧重于地对空接收,每部无线电在最大接收速率限制为8条消息。另外,SLATE尝试了从一个地面站发送一半数据,同时从另一个地面站发送另一半数据的使用模式,验证未来以400Mps或更高速率运行的可行性。另一种提高有效带宽的方法是只监听需要的数据,忽略不需要的数据。中继数据使用特定的组播,这些组仅由需要中继服务的吊舱使用,其他吊舱可以忽略此数据。
(4)延迟
5G-ATW允许任何节点实时传输,而无需任何时间同步。这意味着无线电不需要与其他无线电保持同步,也不需要高精度的全球定位系统(GPS)授时。系统不需要像时分多址(TDMA)系统那样等待时隙,并且随着网络节点数量的增加,不需要分配或管理时隙分配。
5G-ATW最多允许4条消息交错同时发送。如果同时发送4条消息,第1条消息将立即发送,第2条消息将在250微秒后开始,第3条消息在500微秒之后开始,第4条消息在750微秒以后开始。如果同时排队的消息超过4条,则第5条消息将经历20毫秒的延迟,等待前面消息发送完成。但在实装飞机上几乎不会出现这种等待情况。
同步消息包(罗克韦尔柯林斯公司图片)
在“非系留”模式下,机载无线电还必须额外传输构造仿真实体(CGF)信息。这带来额外的数据流量,并可能增加延迟。吊舱极限传输速率为200Mps,考虑到持续高速率的散热问题,其被人为限制到(平均)为50Mps。
(5)传输可靠性
SLATE设计了一个网络控制层,该层识别到DIS消息中的协议数据单元(PDU)或提前约定的关键事件例如武器发射、命中信息时,会启动可靠传输功能(关键信息重复传输功能)。一旦发送方收到接收方确认或达到最大重试次数,发送方将停止发送。
3.传输准确度
SLATE使用CAF DMO的分布式交互仿真标准构建训练环境的精度水平。模拟器网络的精度水平可能不足以进行某些工程开发和系统验证。在许多情况下,精度是可用带宽与建模实体数量或系统复杂度之间的折衷。在CAF DMO标准下,在运行中传递控制数据并要求接收端将数据重新生成到平台的保真度水平。这是一种经过充分验证且经济高效的方法,可提供高精度和保真度,同时最小化对带宽的要求。
4.平台集成
(1)作战飞行计划集成
将合成环境集成到实装飞机上可能对作战飞行程序(OFP)的影响很大。它本质上要求实装平台承担许多与CAF DMO中模拟器相同的计算,然后将这些传感器模型计算结果与实装飞机系统合并。机载计算机融合处理虚实两种传感器输入,向机组展示一致的结果显示。
虚实结合的理论和当前实际情况(罗克韦尔柯林斯公司图片)
现役飞机没有为机载LVC预留计算能力。SLATE在吊舱内安装额外计算资源,满足了LVC训练所需的计算要求。波音公司开发了一种小型化多CPU模块,称为LVC处理器模块(LVCPM),可在P5CTS/TCTS系统接口中原位替换。LVCPM包含6个嵌入式4核CPU,目前状态的SLATE只使用其中4个CPU。LVCPM还具有音频生成能力,用于将传感器和武器音频接入座舱。LVCPM采用经过加固处理的商用CPU。不同实装平台所需的专用软件可从外部直接加载,使吊舱满足了多种飞机使用需求。
LVCPM照片(网络图片)
LVCPM中运行一套LVC软件,包括LVC嵌入式仿真框架、1553总线接口模块、F-15E传感器模型套件、作战环境服务器(BigTacTM)、武器服务器、实时杀伤通告和实时网关。其中传感器模块具体包括了APG-82有源相控阵雷达、ALR-56C雷达告警接收机、狙击手瞄准吊舱、空对空询问器/敌我识别器(AAI/IFF)和AIM-9格斗弹导引头等模型。
(2)机载总线带宽限制
与大多数飞机一样,与武器挂件的接口遵照MIL-STD-1760规范。该规范包括与飞机的1553总线连接。尽管一些飞机的武器系统需要更高带宽的以太网,但由于SLATE是基于P5吊舱,它仅通过了基于1553的认证。与射频网络带宽受限类似,飞机上的总线也受到带宽的限制,其设计不能传递大量LVC数据。1553总线的最大理论极限为1Mbit/sec,这还不包括使用武器系统带来的传输限制。此外,1553总线消息通常是固定定义消息。在SLATE中,通过为吊舱设计可变消息接口来支持大规模LVC训练。该接口类似于高级架构(HLA)标准,因为数据字典由主机端和接收端维护,并且只有更改的数据通过总线传输,从而大大降低了所需的总线带宽。
(3)将仿真数据与实装数据相结合
大多数现役主战飞机都具有多传感器融合/集成(MSI)能力,将多个传感器航迹关联起来用于目标识别、跟踪和制导。将合成环境中的数据注入MSI通常有两种方法。第一种是将合成数据注入实装传感器,以便传感器展示轨迹信息,通常称为激励。第二种是修改MSI算法以接受来自其他传感器(即传感器模型)的数据。
第一种方法的优点是不修改MSI,但缺点是需要修改物理传感器以接受合成数据(通过硬件/软件修改,这可能会对武器平台造成相当大的侵入性)。第二种方法具有相反的优点/缺点。在SLATE中选择了修改飞行器任务计算机OFP MSI以接受传感器模型输入
(4)在光学传感器上处理仿真实体
为了将合成环境与实装光学传感器(如红外瞄准系统(狙击手)或联合头盔显示系统(JHMCS))相结合,必须设计一种方法,把仿真目标叠加嵌入真实图像中并可瞄准目标及显示相关符号。LVCPM中的传感器模型向飞机任务计算机发送威胁跟踪数据,这跟实装传感器一样。因此,没有机制将传感器模型发现的合成目标发送给飞机进行显示。
SLATE中创建了网络观测的概念。网络观测得到的类型和位置作为附加航迹信息发送给OFP。这类似于在模拟器上的视觉图像生成器场景中放置DIS实体。将网络观测的类型和位置添加到发送给飞机的航迹数据中。这使任务计算机/OFP能够识别出位置并在机载显示器上显示表示物体的符号。如对于F-15E,在狙击手吊舱和JHMCS显示器上,目标物体由一个不明显的球表示,模拟表示视觉空间中的3D物体。这种方法支持未来升级,可替换为更加真实3D模型显示。
(5)敌我识别
假想敌部队必须为训练中的飞行员提供真实的敌方空中威胁。在SLATE中实现了在LVC模式下修改OFP中的引导功能。通过对飞机上的实装传感器和LVCPM中的传感器模型产生的数据进行“伪装,任何携带SLATE吊舱的飞机都可以被识别为敌机。对这虚实两种传感器的“伪装”通过两种方式执行。当实装飞机对抗实装假想敌时,从实装假想敌飞机发送的敌我识别应答码被标注为敌机;当实装飞机对抗合成目标时,从机载吊舱发送的DIS实体信息被直接标注为敌机,并将其作为敌机航迹信息转发给OFP。OFP将这两种方式收集到的敌我识别码一起融合显示在机载态势画面。
5.机载仿真管理
在“非系留”模式下,SLATE提供实况/构造(LC)环境具备分布式计算机生成部队(CGF)能力,不需要地面合成(VC)环境支持。利用标准DIS协议从机载仿真管理器远程控制BigTacTM,该CGF软件在每个吊舱中运行。主场景初始化文件被细分为子场景,子场景的相同副本被加载到所有吊舱上。启用LVC功能的机组人员都可以从其显示器上选择成为主仿真管理器,并选择要运行的场景。仿真管理命令通过网络从主仿真管理器发送,同步启动场景作为一个整体运行。
一个机载吊舱数据链路限制在50Mps左右,这大致相当于实装飞机本身加上另外4架配备武器和传感器的构造仿真飞机(C)产生的DIS通信量。为了创建复杂嵌入式训练(LC)场景,意味着需要额外的实装飞机挂载吊舱加入训练,L和C的比例大约1:4。
机载场景管理菜单(罗克韦尔柯林斯公司图片)
四、小结
建设一个能够支持高级机载战术训练的LVC环境有许多挑战,包括信息安全、实装平台集成、频谱可用性/兼容性、延迟、可靠性和高数据吞吐量要求。SLATE通过演示验证证明了该系统将能够在“系留”模式下使用靶场资源运行或在“非系留”模式下在空中自主运行。在近些年演习演训活动的转化应用表面了其不仅是为航空兵训练装备体系建设打好了技术基础,支撑了TCTS Ⅱ和P6CTS的立项研制,更是在未来利用复杂LVC场景下产生的较为科学全面数据,通过事后数据分析客观衡量飞行员任务表现,转变传统训练考核理论,促进空战训练的理技融合发展。
总的来看,机载LVC训练技术是有需求、有挑战的领域。由于机载使用环境专业性强且约束严苛,航空国家队的责任很大、任务很重。进一步完善技术体系,统筹好科技创新和工程开发之间的平衡,既要依靠演习演训任务去验证,又不能指望通过演习演训任务去带动技术发展。但相对于技术挑战,还有更多来自组织管理和信息安全,可能需要成立稳固“专班”,成体系推进地面模拟器网络建设及相关标准的协同发展。
云脑智库 努力是一种生活态度,与年龄无关!专注搬运、分享、发表雷达、卫通、通信、化合物半导体等技术应用、行业调研、前沿技术探索!专注相控阵、太赫兹、微波光子、光学等前沿技术学习、分享
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