卞金来 蔡慧敏 刘水 王思臣
摘要：本文研究了机载训练系统的概念及发展历程，给出了其基本结构及功能组成，分析系统的优缺点，对机载训练系统的发展进行了分析展望。
关键词：嵌入式;虚拟仿真系统;训练系统
1 概述
嵌入式训练系统可以定义为一种嵌入到军事系统中的可操作系统，机载嵌入式训练系统是一种嵌入到机载航电系统中的可操作系统，它可以与其他机载系统相互作用、相互影响，飞行员可以利用嵌入式训练系统进行虚拟作战训练，它可以利用计算机生成虚拟情境，使操作者能够通过相关设备与所设定的情境进行交互。
特别对于战斗机而言，机载嵌入式训练系统生成了可以与飞行员相互影响的虚拟物体，使得飞行员能够沉浸在逼真的训练环境中。这样，飞行员可以利用其飞机的全部功能来参加包含空中和地面威胁的虚拟作战。
将虚拟仿真系统嵌入机载设备上，实现仿真部件与实际装备紧密而有机的结合，利用虚拟的生成兵力形成作战训练所需的外部目标，飞行员可采用与实际作战相同的方式来控制飞机与虚拟目标进行对抗。并且利用虚拟仿真系统的特点，还可以较方便完成战场可视化和作战效果评估等功能。
2 应用现状
早在20世纪50年代，美军就开始将嵌入式训练技术应用于作战训练。与之类似的是，半自动战场环境系统通过虚拟仿真技术来模拟敌方空中目标，并将目标信息显示在雷达屏幕上，从而来训练操作人员。联合军种指控系统中嵌入全球军事指挥和控制系统，嵌入系统集成多种作战场景和相关辅助软件，用于在训练模拟下，训练作战操作人员。对于在飞机上的嵌入式训练系统，美军在F16飞机上加装机上电子战模拟器，该模拟器嵌入在吊舱内，在飞行训练时，可根据训练任务需要模拟雷达告警信号。
除了美国，欧洲也在上个世纪90年代中期，通过在F-16MLU飞行模拟器中嵌入训练软件，辅助飞行员进行训练，对嵌入式训练的概念、优势和可行性进行了评估、验证。
由于机载嵌入式训练系统对飞行训练效果的提升，使其在教练机领域得到较为广泛的应用，特别是其通过虚拟技术，模拟多种训练所需场景和各类信号，扩展了教练机的训练科目，并且飞行员通过采用了嵌入式训练系统的教练机训练后，可更快更好地适应实际战斗机的特性。欧洲研发的一种用于高级教练机的机载嵌入式训练系统（ETS），利用一块嵌入式虚拟航电卡，与机载任务机交联到一起。加装ETS系統后，可以根据训练需求，模拟目标信息，并将目标符号显示在飞机的多功能显示器和平视显示器上，从而给飞行员提供给一个较为真实的作战场景。系统不仅能模拟显示目标信息，还能通过内嵌的地形数据，模拟战场地理环境。
在空战训练方面，本世纪初荷兰为了演示嵌入式训练技术，深入获取其与战斗机机载设备集成应用的可行性和成熟性，进行“E-CATS”嵌入式空战训练系统的仿真演示，评估了该项技术在战斗机空战训练应用的可行性。嵌入式训练计算机系统（ EmbeddedTraining Computer System，ETCS）和嵌入式训练雷达网关（EmbeddedTraining Radar Gate）通过机载航电总线（MIL-STD-1553B）与飞机航电系统交联，模块化任务计算机（ Modular Mission Computer，MMC）为任务系统的核心，是主要的总线控制器。在此基础上，美国洛克希德·马丁公司与荷兰国家宇航实验室、荷兰空间局联合研发出F-35的嵌入式训练系统，使F-35成为首个具有多机嵌入式协同训练功能的战斗机。
3 系统组成
通过对外军嵌入式训练系统的研究，其现有的主要架构有下列两种方式：
第一种是独立式，系统在飞机上为独立的LRU，通过数据总线和视频线与飞机航电设备相联，向系统提供模拟信号、数据或视频图像。
第二种是集成式，采用该方式时，通过升级飞机现有的系统设备，在设备中增加嵌入式硬件模块，实现与现有装备的结合。
机载嵌入式训练系统一般由多种功能模块组成，每个模块都有自己特殊的作用。
3.1 本机仿真/激励模块
机载嵌入式训练系统的主要功能是将空中和地面的虚拟威胁注入到战斗机系统中，并估计这些虚拟威胁对飞机的影响，因此训练系统需要模拟相关的子系统，以便于对虚拟的威胁进行侦查，其中包括对火控雷达（Fire Control Radar，FCR）以及雷达告警接收机（Radar Waming Receiver，RWR）的模拟。这个功能会在本机仿真/激励模块中体现出来，除此之外，本机导弹、箔条投放效果以及虚拟导弹对本机的损伤也都会在这个模块中进行计算。
3.2 虚拟情境仿真模块
机载嵌入式训练系统利用计算机来生成虚拟情境，虚拟情境包含所有训练所需的虚拟物体以及它们的行为，甚至它们可以对方案中其他真实或者虚拟物体的相关行为做出逼真的反应，因此，与本机和真实世界相关的信息需要传送给虚拟情境产生器以进行进一步处理。
3.3 仿真管理模块
飞行员可以通过多功能显示器（ Multi-Function Display，MFD）上的界面对机载嵌入式训练系统进行操作或对虚拟情境与嵌入式训练方案进行管理，训练的方案选择结果或者错误信息同样会在多功能显示器上向飞行员展示出来，相关数据都应该由仿真管理模块进行管理。
3.4 安全保障模块
飞机和飞行员的安全是也一个需要考虑的问题，因此有必要设置一个特殊的安全保障功能，当发生了飞机飞离训练区域、与民航客机距离过近或发生系统错误等危险情况的时候，安全设施会关闭机载嵌入式训练系统开关，使飞机回到正常状态，便于飞行员及时处理。
如果机载嵌入式训练系统正在运行并且没有检测到安全隐患，仿真系统的输出数据会被传输到飞机的数据总线上，其他的飞机航电和武器系统就如同从真实传感器得到数据一样对输入的仿真数据做出回应，这样，在运行机载嵌入式训练系统的情况下，动态发射区（ Dynamic Launch Zone，DLZ）同样会被计算出来。
3.5 数据记录模块
数据记录模块的工作是进行任务报告和必要条件的分析。从嵌入式训练任务中得到的数据会被储存到数据记录模块中，这些数据可以从飞机上下载下来并在地面的回放工具中进行重放，在自动表现评估工具中也会用到这些数据进行训练效果评估。
4 系统优缺点
机载嵌入式训练系统作为一种新兴的机载操作系统，有其独特的使用优势，但同时也会存在一些不足。
机载嵌入式训练系统的优点包括：
（1）成本低。在没有使用嵌入式训练的真实战斗训练中，真实飞机扮演敌军。这些所谓的“蓝方”飞机的成本较大，而且只给飞行员作战训练提供了有限的训练价值。结合在飞机航行时间上预算的限制，使用机载嵌入式训练系统生成的“蓝方替代者”会使成本大大减小。
（2）只需要相对而言更小的空域。现在和将来许多空对空战斗都会是超视距（Beyond Visual Range，BVR）作战，侦查敌军，身份验证，武器投放以及电子战都会发生在距离双方之间相对较远的地方。在真实的超视距战斗训练中，训练区域广达海里。然而，如果利用机载嵌入式训练系统进行训练，只需要为真实飞机提供必要的训练区域即可完成整个训练过程，这会大大减少所需的训练空域。由于对于每个国家军事训练的空域都是有限的，嵌入式训练提供了可观的后勤优势，尤其是对于欧洲国家，嵌入式训练可以缓解训练区域不足所产生的负面影响。
（3）地面威胁的真实模拟。在目前的战术战斗训练中，真实地面威胁的加入会花费很大的人力、物力和财力，并且有时候在技术上还是不可实现的。然而，嵌入式训练技术拥有对地面威胁的真实模拟的能力，此外，地面威胁可以按需要复制许多次，可以放置在任何位置甚至是在海域上。
（4）嵌入式训练提供空中威胁的灵活模拟。与使用真实的蓝方飞机相对比，虚拟的目标有构造灵活、可塑性强等特点，理论上可以被赋予任何特性，这相应地增加了训练方案的种类和数量。
（5）保密優势。由于受训飞机的友机是虚拟飞机，一个不友好的观察员不能通过观察训练成果来推论整体战术态势。
（6）方便在飞行后估计训练结果。机载嵌入式训练系统可以向飞行员实时进行状态反馈，例如“受伤”或者“被击毁”等。
目前机载嵌入式训练系统存在的不足包括：
（1）增加了开发和维护成本。机载嵌入式训练系统的前期开发以及后期的维护和升级工作会增加额外的人力与物力的需求，进而导致开发和维护成本的增加。
（2）缺乏已有的分析，限制了对训练效力和效率的指导。主要由于对机载嵌入式训练系统的研究目前尚属于一个较新的阶段，许多关于训练效果的分析还不完善，还不能直接对飞行员在具体操作问题上进行指导。
（3）对飞行和装备有一定的安全方面的影响。增加了机载嵌入式训练系统后，会在原有机载航电系统的稳定性上产生安全隐患，这需要不断地在极端飞行条件下对系统进行硬件软件测试。
5 小结
由于早期飞机机载设备设计加改装成本较高，技术实现较为困难，并且在飞机上加装训练系统后，飞机的安全性和可靠性无法得到有效保障，嵌入训练系统在早期并没有得到大量应用。随着电子和软件技术的进步，特别是现代三代、四代飞机的航电系统架构的发展，嵌入式训练系统与航电系统的集成从技术上来说更加容易实现。近年来，在飞行训练领域嵌入式训练系统在各国发展较快。
由于嵌入式训练的重要性，在我国新一代军用飞机设计规划中，将嵌入式训练系统纳入飞机系统总体设计方案之中，为缩短在航空领域与其他军事强国的差距，对嵌入式训练系统的研究势在必行。
参考文献
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[4] Yoon K S， Kim I G， Ryu K S. An efficient embeddedsystem architec ture for pilot
training [C]. DigitalAvionics Systems Conference， IEEE/AIAA. IEEE， 2011.
作者简介
卞金来（1980-），男，江苏省兴化市人。讲师，硕士学位。研究方向为航空电子。
蔡慧敏（1977-），女，河北省献县人。副教授，硕士学位。研究方向为航空电子。
刘水（1978一），男，辽宁省盖县人。讲师，大学本科学历。研究方向为航空电子。
王思臣（1981-），男，山东省郓城县人。讲师，硕士学位。研究方向为航空电子。
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