无人机模拟训练发展及运用研究综述_矫永康.pdf

书书书收稿日期:20210324修回日期:20210521第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02000105无人机模拟训练发展及运用研究综述矫永康，沈如松，李德栋，徐焕翔(海军航空大学航空作战勤务学院，山东 烟台 264001)摘要:模拟训练作为培养无人机操作员的有效训练手段已被世界各国广泛采用。通过对国内外无人机模拟训练系统的发展动态与典型运用研究，采用“分类合并、总结归纳、中外对比、问题剖析”的方式，总结出当前无人机模拟训练系统存在通用化程度不高、与任务训练融合度不够、分布式联合训练缺乏等问题;结合无人机模拟训练所涉及的系统架构、通用化互操作、战场环境构建、模拟训练评估等关键技术发展，展望了无人机模拟训练系统“实战化、体系化、精细化、通用化、作训一体化”的发展趋势。关键词:无人机;模拟训练;关键技术;发展趋势中图分类号:TP391.9文献标识码:AAn Overview of UAV Simulation Training Developmentand ApplicationJIAO Yongkang，SHEN usong，LI Dedong(Aeronautical Operation Institute，Naval Aeronautical University，Yantai Shandong 264001，China)ABSTACT:Simulation training has been widely adopted by countries all over the world as an effective trainingmethod for cultivating UAV operators The development trends and typical applications of UAV simulation trainingsystems at home and abroad were compared in the paper，and countermeasures were put forward through classification and consolidation，summary and induction，Chinese and foreign comparisons，and problem analysis Itwas concluded that the current UAV simulation training system has problems such as low generalization，insufficientintegration with task training，and lack of distributed joint training Combined with the development of keytechnologies such as system architecture，generalized interoperability，battlefield environment construction，and simula-tion training evaluation involved in UAV simulation training，the article looked forward to the development trend of theUAV simulation training system in terms of actual combat，systemization，refinement，generalization，and training inte-grationKEYWODS:UAV;Simulation training;Key technology;Development trend1引言与实装训练相比，模拟训练具有不受场地、空间和气候条件限制的优点12，当前各军方已基本形成了共识，把模拟训练作为培养无人机操作员非常有效的方式。美国空、海军都提出了进行 100%综合模拟训练的目标要求，美陆军也希望能够在模拟器上进行大部分的训练。印度在以色列的协助下，成立了无人机专职训练机构，也利用模拟训练系统开展无人机操作员训练。据俄“织女星”公司透露，俄军2014 年开始装备该公司生产的无人机操控员模拟训练系统，该系统可通过 3D 模拟环境培训无人机操控员，并全程记录操控员动作，教练员可通过遥控系统和视频回放对学员进行指导。此外，新加坡、加拿大都开始采购无人机模拟训练系统开展训练工作。2国外无人机模拟训练系统发展现状目前，外军无人机模拟训练系统供应商及产品主要如下表 1 所示。表 1典型无人机模拟训练系统序号供应商产品1L3 通信公司“捕食者”机组人员任务训练系统(PMATS)1序号供应商产品2CAE 公司S7000 集成化运行支撑仿真环境3悉尼大学菲尔德机器人中心多任务 UAV 实时分布架构仿真训练系统4诺斯罗普公司无人机训练集成控制与支持系统5英国塔莱斯公司和赛莱克斯公司“守望者”无人机模拟训练系统6MetaV 公司舰载 MQ8B/C 型火力侦察无人机模拟器2.1“捕食者”模拟训练系统2007 年，L3 通信公司签署合同，在 18 个月内向克里奇空军基地提供 5 部“捕食者”机组人员任务训练系统(PMATS)3。PMATS 训练逼真度很高，提供完全沉浸的训练环境，便于实际操作，尤其是仿真模拟软件、实际飞行运行程序软件和地面控制硬件的相互集成，能提供飞机平台、传感器和武器装备的高逼真度模型。其模拟合成环境考虑了昼夜、风、恶劣天气和热效应等因素，并支持下一代“捕食者”和其它无人机系统，参考画面见图 1。图 1“捕食者”高逼真实时飞行仿真画面和任务捕获画面PMATS 的升级版中，能模拟“MQ9 收割者”(eaper)无人机系统。并在控制台实现任务规划，该系统具有数字化信息系统(DIS)和高层体系结构(HLA)兼容性，可实现多机联合模拟。2.2CAE 公司 S7000 系列高逼真无人机任务训练系统CAE 公司的 S7000 提供集成化、完备的运行和支撑仿真环境，具备无人系统(UAS)任务训练、任务计划、任务操作人员管理以及数据分析等功能，如图 2 所示。该任务训练系统可与任何 UAS 的地面控制站(GCS)配置完成模拟任务训练和评估，还可在模拟仿真和真实飞行状态之间切换。在模拟仿真状态下，任务管理站具有不同地形、天气等环境因素设置能力，还允许指导教师设定虚拟的任务和练习脚本提供给受训人员练习。2.3UAV 多任务实时分布式架构仿真训练系统悉尼大学菲尔德机器人中心开发了多任务无人机(UAV)实时分布架构仿真训练系统，该系统以以太网为总线结构，可以同时控制 3 架或更多 UAV 的实时飞行和任务载荷。该系统同时使用数字 UAV 模型和任务模型进行任务模图 2CAE S7000 系列高逼真无人机任务训练系统拟和验证，具备实时飞行和任务载荷的实际操纵与模拟仿真训练双重功能，如图 3 所示。图 3多任务 UAV 实时分布架构仿真训练系统2.4美国诺斯罗普公司无人机训练“集成控制与支持系统”美国诺斯罗普公司为无人机操作人员训练研制了“集成控制与支持系统(ICSS)”45。该项目旨在发展一套符合当今技术发展水平的，以计算机为基础的飞行训练系统，来增强当前和未来无人机的操作性能。ICSS 系统能够自动完成任务计划，使控制人员能更有效地计划、模拟并执行实际无人机飞行任务。2.5英国国防部“守望者”无人机沉浸式模拟训练计划“守望者”无人机由塔莱斯公司和赛莱克斯公司联合研制，英国国防部投入大量资金研制了“守望者”无人机的模拟训练系统，并制定了“守望者”无人机人员培训计划。其训练基地位于拉克希尔市的英国皇家炮兵学院，使用马歇尔公司研制的全任务模拟器，能真实地还原地面操控站操作过程，能够捕捉和记录训练环境下的重要时间节点并全程记录语音通信内容，而且教官可以对其进行标注，用于训练评估与讲评。2.6美海军 MQ8B 型舰载火力侦察兵模拟器美国海军在马里兰州帕图森特河海军航空站建造并开始运行多个便携式的舰载 MQ8B/C 型火力侦察无人机模拟器，使用 MetaV 公司的带有 3D 全景海洋状态的虚拟现实场景生成器 VSG。该模拟器主要用于舰载作战，帮助飞2行器操作员(负责驾驶飞机)和执行任务军官(控制搭载的传感器等)学习并获取火力侦察能力。虚拟现实场景生成器(VSG)的窗口外视图首先由海军相关传感器模拟处理，然后在训练系统上提供光电和红外传感器模式。通过前视光电红外模拟，操作员可以在不同的环境条件下，利用高倍率视角对 MetaV 公司的 3D 船舶模型细节进行远程分类。图 4MQ8B 火力侦察兵模拟训练虚拟现实场景从相关资料和国外用户使用情况分析，以美军捕食者无人机为例，其地面控制站不具备嵌入式训练功能。所有模拟训练课程依托训练模拟器完成，具备飞行训练(含飞行前检查、起飞、巡航、着陆、故障)和任务训练(EO 电视/红外、武器、故障、任务系统)，链路仿真(延时、降级、故障)及教员控制等功能，一次 1 名教员可培训一个由飞行员和任务员组成的双人机组控制 1 架捕食者无人机6。迄今已有 26 套PMATS 交付美空军，尚未见到美军无人机训练模拟器联入美军分布式任务操作网络(DMON)的报道。3国内无人机模拟训练系统发展现状国内主要研制的无人机模拟训练系统有:北京航空航天大学无人机综合控制指挥/模拟训练车、彩虹无人机模拟训练系统、“天翅 3”无人机地面指挥和模拟训练系统、翼龙和翼龙察打一体无人机模拟训练系统等。3.1综合控制指挥/模拟训练车北京航空航天大学利用仿真模拟技术自主地设计实现了“综合控制指挥/模拟训练车”一体化，如图 5 所示。2010年，分别在河北沙河和内蒙古包头进行了飞行试验，效果良好。图 5综合控制指挥/模拟训练车3.2“天翅 3”无人机地面指挥和模拟训练系统“天翅 3”无人侦察机的地面指挥与仿真模拟训练系统，为该机提供了嵌入式地面操纵、指挥和模拟训练功能，设计合理，使用方便可靠，如图 6 所示。图 6“天翅 3”地面指挥和模拟训练系统3.3翼龙和翼龙察打一体无人机模拟器翼龙 I 无人机训练模拟器功能与 MQ1 捕食者 A 无人机训练模拟器相当，一次12 名教员可培训两名由飞行员和任务员组成的双人机组控制 1 架翼龙 I 无人机。翼龙 II 无人机训练模拟器在翼龙 I 无人机训练模拟器基础上进一步加强了任务和特情训练功能，一次12 名教员可培训两名由飞行员和任务员组成的双人机组控制 1 架翼龙 II 无人机或分别控制 2 架翼龙 II 无人机，实现了一站控双机的模拟训练功能。3.4彩虹无人机模拟训练系统中国航天科技集团有限公司第十一研究院自主研发的彩虹系列无人机模拟训练系统，可兼容彩虹系列多种型号无人机平台及武器系统，实现全任务流程仿真训练，如图 7 所示。并创新地加入了交互式教学系统及任务系统，可用于战术战法训练、敌我对抗训练及战前演练等用途，更加贴近实战需要。自 2015 年第一代方舱版按照真实地面站布局进行设计，第二代无人机模拟训练系统的载荷操作席位，外观及操作界面与新一代通用地面指控站保持一致，同时，还装载了基于视景仿真技术的战场三维态势系统。为了提高互动性，系统装载了针对载荷及武器操作手的初级训练任务。图 7彩虹无人机第一代、第二代模拟训练系统各研制单位主要面向单型无人机的流程操作模拟训练，所构建模拟环境的逼真度不高，主要存在产品种类数量不足、功能性能不完善、缺少总体规划等问题，主要体现在认识层次较低、功能层次偏弱、通用化程度不高、与任务训练融合度不够7。34无人机模拟训练关键技术发展现状无人机模拟训练系统一般由仿真激励分系统、考核评估分系统、模拟控制分系统组成，系统关键技术主要包括:系统架构技术、通用化互操作技术、战场环境构建技术、模拟训