美空军发展联合仿真环境，助力试训能力提升

中国指挥与控制学会

2021年1月报道，美空军表示其联合仿真环境（JSE）正在建设过程中，尽管技术方面的挑战依然存在，但已经实现了将四代机和五代机的模拟器连接以进行高保真度试验和训练。在联合仿真环境建设中存在两个主要的挑战：一是在安全的网络环境中连接模拟器，并需要确保它们能用最新的作战飞行程序（OFP）进行更新，这是使联合仿真环境能完成使命任务的核心技术；二是开发联合仿真环境中使用的数字模型，并验证其是否可以替代露天试验场的部分作用。美空军的两套联合仿真环境计划于2023年实现初始作战能力。

一、美空军联合仿真环境总体情况

复杂、多域作战能力的发展对美军快速设计、研制、部署、保障、试验和训练下一代武器装备提出了挑战。未来的试验能力需要通过先进的建模和仿真技术来增强，形成一个能够以短周期、低成本的方式满足研制、试验和训练需求的虚拟试验场，即联合仿真环境。

1、发展历程

2017年，美空军参谋长首次提出空军需要综合试验能力，即联合仿真环境，用于解决当前和未来的试验和训练能力的不足。从2019财年，空军开始为这项工作提供经费，并在试验领域内成立了一个领导机构（位于美国加利福尼亚州爱德华兹空军基地的第412试验联队）。空军试验鉴定办公室（AF/TE）要求第412试验联队需要在2023年前分别在爱德华兹和内华达州内利斯空军基地开发和部署联合仿真环境，使其具备初始作战能力。这项工作与目前美海军正在建设中的、位于马里兰州帕图克森特河海军航空站（NAS）的联合仿真环境紧密联系，美海军目前建设的该环境由美海军、美空军和情报机构联合参与。美空军于2020年11月在内利斯空军基地启动了第一个联合仿真环境设施的建设，并将于2021年2月在加州爱德华兹空军基地开始第二个联合仿真环境的建设工作。内利斯空军基地的联合仿真环境将专注于作战试验以及高端战术和训练，而爱德华兹空军基地的联合仿真环境将专注于多平台、多域和多层级安全性研究。

美海军首先在帕图克森特河海军航空站部署的联合仿真环境（美空军图片）

2、总体目标

美空军联合仿真环境能力的总体设想是提高开发和作战试验的质量和效率，为跨平台高级训练和战术发展提供可靠、安全的环境，通过多保真度试验和能力论证，提高装备体系规模结构分析的质量，更好地为未来的采办决策提供信息支持。具体的目标包括：

（1）多平台高级建模仿真能力，克服现有露天试验场限制，包括系统可用性、威胁密度以及安全问题；

（2）使用开放式体系结构，可实现不同保真度模型的集成，包括红蓝双方人在回路的飞行模拟器、威胁、武器、地形和天气；

（3）可与联合仿真环境内的其他公共服务系统和盟友互操作，以及对其他所需模拟环境的扩展；

（4）具备国际试验和训练／实验的条件。

二、美空军联合仿真环境需求论证

威胁的升级、技术的进步、信息为中心的战争以及试验复杂性推动了对新试验能力的需求。目前的露天试验场难以满足下一代武器系统的试验和训练需要。美空军联合仿真环境需求开发工作主要涉及三个领域：

（1）现有露天试验场的试验限制；

（2）对未来能力和相关需求的预测；

（3）成本与风险的平衡。

需求1：现有露天试验场的试验限制

联合仿真环境试图通过开发虚拟试验场来消除或限制这些约束，以在试验系统或体系时增加试验手段。

（1）地理上的限制测试装备的能力，需要使之能够在较大规模的作战中针对空中、地面威胁或综合防空系统交战、使用远程武器、机动中验证作战概念或技战术程序。

（2）技术限制阻碍了试验过程中实装与建模仿真的集成，例如不能利用复杂信号实时复制威胁环境。

（3）电子战限制包括用数字格式实时复制复杂的电子战环境。通过使用复杂的全数字信号来实现电磁环境的仿真，将使模拟环境能够短周期、低成本扩展环境，更好呈现出现代战场的复杂电磁环境。

（4）频谱干扰限制了露天试验场电子信号类型和强度。这可不仅包括电子战信号，而且包括敌我识别和话音无线电信号，可能与商业频谱相邻，导致意外的电磁泄漏。

（5）作战限制妨碍了任务效果呈现和杀伤链中的交战环节，即限制了在有人系统附件使用实弹。

（6）安全问题还涉及多平台在有限空域中大幅度机动交战，还需要考虑到地形因素限制。保持安全距离是试验飞机过程中主要关心的问题，但安全会影响试验的效果及真实性。

美军航空兵长期将防空系统作为主要威胁（美军图片）

需求2：对未来能力和相关需求的预测

未来的试验将不仅包括先进的平台和武器，而且包括基于信息的密切协同。联合仿真环境可能是试验未来基于信息的平台／体系杀伤链的唯一可行手段。

（1）战场密度／复杂性：联合仿真环境需要能够产生大量不同复杂性的实体，将虚拟实体和建设性实体的组合送到被测系统（SUT）与之交互。

（2）特定地理位置／时间试验：联合仿真环境需要生成世界任何地区特定地理地形的能力。

（3）多域集成：联合仿真环境须具有试验跨越多个领域（包括空中、太空、海洋、陆地和网络）的杀伤链的能力。

（4）未来杀伤链：联合仿真环境须具有测试杀伤链的能力，覆盖发现、锁定、跟踪、瞄准、交战和评估（F2T2EA）全流程。

（5）消息协同：由美国和北约组织拥有的平台／传感器必须在战场内协同工作，并动态共享原始和／或处理的信息。

（6）自主化的试验：未来的作战系统将继续改进自动化，需要支持试验各个层次的自主性的能力，从辅助飞行员的自主性到完成无需人工干预的自主性。

（7）特定天气：露天试验场无法控制天气，但联合仿真环境可以在试验环境中提供动态变化的天气条件。天气条件将非成像和成像传感器、网络和节点相关联。

（8）电子战：联合仿真环境可以避免露天试验场上的电子战问题。联合仿真环境的电子战信号不能被敌人观察到（不在物理空间中传播），也不侵犯商业频谱。

（9）数据安全性：当各种程序在一个共同的作战空间内互用时，联合仿真环境必须解决安全问题。

需求3：成本与风险的平衡

（1）原型的使用：在海军联合仿真环境的基础上继续开发，空军利用这些先前的投资以降低开发风险。

（2）有限开发：空军将通过在现有环境中模型／组件的重用来限制环境开发。目前环境中的重用率超过60%。

（3）被测系统通常将包含由主机所提供的由实装迁移来的作战飞行程序代码，将被测系统与联合仿真环境集成在一起。

（4）开发一个信息交互中介对于确保联合仿真环境按设计运行至关重要，负责支持时统、导调、路由和其他服务的消息交换。该信息交互中介被称为信息交换服务矩阵（IESM）。它不是专用于试验的，还可用于训练和作战实验。

（5）分布式操作：试验和训练未来将连接地理上分布的站点，从而能够进行更大和更多样化的科目。

（6）将商用产品和政府现货产品（COTS/GOTS）融合在一起。

三、美空军联合仿真环境架构

美空军首先对联合仿真环境定义了三个区域。区域A是被测系统所在的区域，以及对被测系统试验发挥重要作用的其他实体或组件。区域A中的实体与被测系统直接交互。区域B实体可以对被测系统产生直接影响，并且在有限的情况下与被测系统交互。区域C实体为更广泛的场景提供补充，并且不直接与被测系统交互。

联合仿真环境试验区域描述（美军图片）

在区域A、B和C的开发中遵循系统工程的思想。在系统工程中，在系统边界（区域A）内实现系统高分辨率和高保真度的精确细节是非常必要的。在区域B，被测系统还必须与其他系统进行交互，但保真度较低（对被测系统性能的影响较小）。在区域C，额外的补充实体可能会影响被测系统，但不受被测系统的影响。区域A的边缘服务主要为各种飞机迁移的作战飞行程序和高保真模拟器的集成，以及由核心服务（通过信息交换服务矩阵）通过定义驱动的公共服务（射频环境、红外环境、视线、天气、武器和电子战接口。区域A/B边缘服务包括使用下一代威胁模拟（NGTS）和其他综合防空系统模型，提供广泛、复杂和密集的试验环境。

1、关于联合仿真环境中的服务

美空军在联合仿真环境架构中主要是利用了迈特里公司（MITRE）在建立信息交换服务矩阵方面所做的工作。信息交换服务矩阵作为信息中介将服务分解为四个服务类，分别是核心服务、通用服务、边缘服务、演训服务。

（1）核心服务：分发具有正确格式和准确时戳的信息。核心服务与公共服务和边缘服务进行交互。核心服务对所有服务和实体都是必不可少的，提供基本的信息中介。

（2）公共服务：确保联合仿真环境中的公平竞争。公共服务为了确保公平，将包括射频、红外、天气、武器弹药模型、通信模型等仿真。

（3）边缘服务：仿真系统、模拟器等独特组件。边缘服务提供联合仿真环境所需的功能以支持任务运行，主要为代表装备系统的仿真应用。虑到联合仿真环境面向对象和可组合的特性，只要边缘服务仿真符合联合仿真环境分布式仿真体系结构，就可以在体系结构内快速替换模型（作为边缘服务）。

（4）演训服务：帮助用户操作联合仿真环境进行试验或培训的工具。演习服务允许用户定义、任务规划、配置、执行和分析结果。

联合仿真环境架构实体图，强调了需要接口控制文件（ICD）来管理这些不同服务之间的消息交互（美军图片）

2、关于联合仿真环境的运行

信息交换服务矩阵中包含的核心服务允许联合仿真环境中的各种服务以无缝的方式运行。联合仿真环境用户使用演训服务中作战相关任务规划工具来规划任务。规划后形成的作战想定传递给仿真工程师，通过将所需的功能分配给可用的组件/服务，支持仿真环境的配置。配置过程对用户是透明的，但对于试训人员来说至关重要，需要确保适当的保真度支持试训需求。配置完成后，试训人员运行经过确认的想定。最后，收集的运行过程中数据，进行分析确认是否达到了试验或训练目的。

各种边缘服务（实机之间迁移的作战飞行程序、高保真模拟器）和信息交换服务矩阵之间接口控制文件的设计工作具有挑战性。使用迁移作战飞行程序的飞机仿真需要跟踪或融合算法以适当速率输入适当格式的数据，作为数据激励确保正确的运行。未能满足这些实时要求将导致试验训练结果无效。这种服务质量（QoS）要求明确了信息交换服务矩阵必须满足的速度和保真度要求，尤其是对迁移的OFP的运行非常重要。所以信息交换服务矩阵的设计需考虑同时处理多个不同服务质量的信道要求。

联合仿真环境的运行概念图（美军图片）

当前训练环境中的许多训练系统都使用迁移来的作战飞行程序代码来表示飞机系统。这些遗留系统利用带有模拟接口的作战飞行程序与训练环境进行互操作。联合仿真环境必须提供一种方法，将具有不同保真度的作战飞行程序和非作战飞行程序模拟器集成到一个无缝的作战空间中。联合仿真环境接口文件和服务必须解决系统边缘服务和作战空间公共服务之间所需的信息交换，以形成一个适合试验和训练的连贯统一作战空间。

3、关于电子战建模

目前电子战技术的建模与仿真面临四个主要挑战：（1）在密集电子战环境下实时生成和传播信号复杂性；（2）在空间上缩放电子战信号；（3）电子战信号的验证与验证及其在环境中的效果，以及（4）考虑到当今模型中的可用保真度，适当地对电子攻击和电子保护交互进行建模。

电子战效果通常是被试系统（被测系统）的特定系统和模型特征的函数。通过实验室或露天试验场对这些效应进行分类和验证。网络效果通常遵循与电子战相同的方法，需要实验室或外场试验来验证模拟使用的效果。联合仿真环境将具有生成和检测射频信号的雷达特性模型。通常，雷达距离方程的建模也要考虑处理模式选择或信号处理等其他独特方面。联合仿真环境将利用射频环境来解释通过空间传播时的射频信号损失。额外的大气参数包括天气效应（湿度等）、遮蔽物（烟雾等）以及其他会在大气中对射频能量造成损失的参数。这些计算在联合仿真环境中实际是多种因素的函数。在威胁源接收到射频信号将考虑这些损失，并向威胁提供射频参数以进行射频信号检测，并提供必要的参数以形成射频回波（雷达截面）以支持发射雷达的探测计算。

美空军第412试验联队负责电子战建模（美军图片）

下图描述了在联合仿真环境中典型射频交互过程涉及的服务：

（1）表示被测系统为探测／跟踪对方系统用边缘服务计算发射的射频信号。

（2）边缘服务利用信息交换服务矩阵提供的核心服务调用公共服务来计算传播损失、天气影响等。

（3）公共服务向对方系统的边缘服务提供接收的射频信号。

（4）来自对手系统蒙皮反射由公共服务计算，得到的轨迹在适当的边缘服务处进行评估。

（5）由此产生的信号被公共服务再处理，并将结果与被测系统交互。

（6）被测系统接收处理后的信号并计算被测系统的探测/跟踪性能。

（7）基于这些结果，被测系统决定应用电子战并调用公共服务来相应地修改辐射。

（8）当电子战射频信号在空间中传播时，公共服务对其进行适当的效果计算。

（9）对手系统通过公共服务接收修改后的电子战信号，并确定该信号对系统的影响。

（10）对手系统通过边缘服务对被测系统应用电子战并调用公共服务。

（11）公共服务修改考虑射频传播、天气等因素后的电子战信号。

（12）被测系统通过公共服务接收修改后的电子战信号，并确定电子战信号对被测系统的影响。

联合仿真环境中射频交互案例（美军图片）

四、小结

作战理念从以平台为中心转变为协同、集成和互操作的作战体系，需要在试训理念上进行重大变革。联合仿真环境是一种基于服务的开放式体系结构，使用的先进建模和仿真技术，将来可以部分解决露天试验场的地理限制、技术限制、电子战限制、频谱干扰、作战限制和安全等问题。美空军联合仿真环境到2023年形成初始作战能力，还需几年的时间就可实现在虚拟环境下对当前和未来新能力、新概念的有效开发问题。

使用联合仿真环境这种建模和仿真环境进行实训的关键在于其在用户心中的可信度，这也是最容易被用户诟病的问题。就其本质而言，建模和仿真通常利用假设将建模工作重点放在系统/环境中的特性和功能上。美军联合仿真环境大量使用了成熟产品的集成，有长期的积累，新开发的工作量不到4成，在环境的校验、确认（VV&A）过程中有优势。

本文来源：空天防务观察

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