淺析仿真技術在無人機訓練中的應用

李建國， 王 濤

（國防科技大學 系統工程學院，湖南 長沙 410073）

隨著現代科技的迅速發展，智能化戰爭是未來戰爭的發展趨勢，而無人機更是智能化戰爭中的關鍵角色，無人機在各領域應用的深度和廣度不斷增加［1］。目前，無人機系統在偵察監視、目標指示、火力引導、電子對抗、空中格斗、反導攔截、誘敵惑敵、通信中繼、對地攻擊等各類作戰運用中發揮著重要作用［2］。

而仿真技術以其經濟性、可重復性優勢，可在無人機訓練中發揮輔助作用，通過在無人機實際飛行前組織仿真研究與評估工作，可以極大地降低無人機試飛風險，提高科研和訓練效率［3-4］。通過建立無人機仿真平臺，用虛擬傳感器代替無人機的真實傳感器等方式［5］，將部分無人機實飛訓練遷移到仿真訓練上來，促進訓練效益和經濟效益提升。“無人機訓練＋仿真”在無人機全過程訓練過程中有著巨大前景。

1 無人機單兵訓練中仿真應用

1.1 無人機系統單兵訓練現狀

無人機系統是科技領域不可或缺的重要角色，發展快，應用廣，技術水平高，通常由無人機體、任務載荷、控制站、通信系統等部分［6］組成。不同類型的無人機（大、中、小、微）其造價不同，訓練消耗也不同。對于新手來講，極易造成無人機訓練損耗，而建模與仿真技術由于其經濟性、可重復性、高效性可增強訓練效率，提升單兵訓練效果，使操作者最短時間內了解裝備、掌握裝備。目前，國內已開發出小型無人機飛行控制模型并投入使用［7］，實現對無人機的全過程飛行監控。利用試驗平臺控制、模擬器指令、數據獲取、數據中心與設備交互等功能，實現對無人機地面飛行仿真、地面檢測和故障診斷，但尚無成體系單兵仿真輔助訓練系統。

1.2 無人機虛擬仿真訓練

1.2.1 數據搜集與建模

虛擬仿真本質是利用虛擬系統（軟件模型）來模擬真實系統，其模擬過程是建立在真實系統數據基礎上。通過對真實數據的搜集整理，選取影響訓練的關鍵因素，作為仿真模型建立的參數，并選取合理算法，建立適宜的訓練模型。

針對無人機系統，要區分旋翼、固定翼類型，根據其任務載荷（武器、偵察、通信中繼等）、體型大小等，對不同組成部分（無人機、控制單元、通信系統等）分別統計實踐數據，確定訓練目標，按照可行、可信、經濟、集成原則［8］選取指標參數并建立合適的數學模型。

1.2.2 軟、硬件開發

根據建立的訓練模型，選用成熟的軟、硬件，如光纖、集成電路、軟件工具、內存、顯卡、處理器、數據庫、操作系統等軟件。

這一過程是將實踐數據轉化為虛擬模型的關鍵，要采用相對成熟的仿真技術、圖像處理技術等，利用運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器和環境仿真器等設備將無人機系統操作訓練過程轉化為通過人機接口（如控制手柄、鼠標鍵盤）操作軟件的過程，通過計算機中軟件界面輸出無人機起飛、航行、任務操作（如射擊、拍照、引導、定位、通信）、回收等一系列操作模擬結果。

1.2.3 情境模擬與訓練

要建立不同類型無人機系統不同環境下訓練場景數據庫，針對不同任務、不同環境（天氣、地理等）建立不同情境，根據訓練任務要求選取不同情境，根據模擬結果數據，調整優化操作方法，提升訓練效率，盡快掌握操作方法。

1.3 無人機虛擬現實訓練

無人機虛擬現實訓練是利用虛擬仿真技術［9］，讓操作者“沉浸”在模擬環境中觀察、操作、檢測無人機并與其進行交互，實現現實復雜環境再現。

由于虛擬仿真現實更加直觀形象，可以使操作者在模擬訓練時感受到實機訓練時所產生的視覺、聽覺、觸覺以及嗅覺，可迅速提升訓練效果。

開發虛擬仿真系統要建立在開發虛擬仿真技術的基礎上，根據無人機控制過程設計仿真系統。由于其實現復雜、功能相對單一，只能模擬部分功能，應將仿真重點放在飛行控制上。

要綜合運用模擬器［10］（轉臺、負載器、紅外、壓力模擬器）、視景系統、音響系統，考慮在人體行為規律的基礎上充分利用機電技術、傳感技術、人工智能技術，設計合理的訓練情境，讓操作者通過人機接口進行輸入、反饋、控制，利用仿真情境有效地提升操作人員訓練效果。

2 無人機編組訓練中的仿真應用

2.1 無人機編組訓練現狀

在無人機單兵訓練完成后，要轉入編組訓練，進一步發揮無人機作戰效能。編組訓練建立在個體熟練操控無人機的基礎上，根據任務需要實施人機協同、自主協同、“蜂群”攻擊、癱體失能作戰等。為了提升訓練效果，要進行編隊訓練、對抗訓練，這類訓練對操作者要求更高，風險更大。

2.2 無人機分布交互式仿真訓練

2.2.1 分布交互式虛擬仿真無人機訓練

分布交互式仿真［11］融合了仿真技術與網絡技術，讓仿真終端在網絡支持下完成分組交互。分布交互式虛擬仿真，即通過網絡技術將不同層級、不同點位的虛擬仿真系統連接起來，在線共享訓練信息，讓有協同需求的編組成員實時通過虛擬仿真系統操控無人機，在統一的虛擬平臺上進行戰術演練。

該訓練方式需要建立統一的管理平臺，通過該平臺將不同點位的虛擬仿真訓練系統整合到網格體系中，實時傳輸數據。通過設置不同環境條件，針對不同成員數量進行編隊組合，通過接力通信，完成行動協同和分組對抗；通過不斷演練戰術戰法，提升戰斗力水平。

2.2.2 分布交互式虛擬現實無人機訓練

分布交互式虛擬現實訓練技術通過將分布交互式仿真技術與虛擬仿真技術結合，讓編組訓練人員在接近實戰的視聽環境中完成操作訓練，該種訓練方式對硬件、軟件平臺的要求更高，對數據傳輸及實時反饋要求更嚴。要充分利用計算機技術、虛擬空間技術、人機交互技術、網絡技術和多媒體技術，讓操作者通過虛擬仿真設備“真實”地看到、聽到所操控的無人機在各類模擬環境中編隊、接力、配合、分散各階段狀態，共同完成訓練任務。

2.3 面向對象的無人機仿真技術

無人機系統發展至今，種類、型號十分繁雜，在完成作戰任務時需要不同類型的無人機合理編組，但不同類型的無人機對應不同的仿真模型，要使這些模型相互作用，重新開發仿真系統十分復雜，而面向對象仿真技術則可簡化這一過程。

面向對象的仿真訓練是通過面向對象的仿真技術，將編組內不同類型的無人機看作相互作用的對象，將整個訓練編組視為一個整體，整體行為由各個無人機對象通過數據接口（操作端）相互交換信息。

面向對象技術由于有更好的封裝性，可在更高層次的體系結構上實現不同仿真系統互操作，提升仿真系統的可重用性，便于不同層次和粒度的無人機模型相互作用，更好地輔助各類無人機在編組訓練中實現仿真。

3 無人機綜合演練中仿真應用

3.1 無人機綜合演練現狀

在完成單兵訓練、編組訓練后，無人機訓練將轉入綜合演練階段。該階段通過各類綜合性演練對無人機訓練效果、無人機作戰效能進行檢驗。目前無人機裝備已滲透到各類綜合性演練中，并發揮出不可替代的作用。目前，綜合演練中人機協同演練、高對抗環境下無人集群編組訓練、復雜環境下無人機適應訓練成為訓練重點內容。

在該階段要想充分發揮仿真技術的輔助作用，必須利用網格軍事仿真技術、集成環境仿真技術，助力演訓效果，提升作戰效能。

3.2 無人機仿真想定系統

想定是對一個或多個事件進行的假想［12］，通過假想對戰斗過程進行預演預判。鑒于無人機在戰場應用中仍屬新生事物，對想定環境有特殊要求，最大限度地發揮無人機的作戰潛力，提升戰斗效能，在綜合性軍事演練中有必要設計專門的無人機仿真想定系統。

無人機綜合演練仿真系統要根據不同任務目標（如偵察、引導、通信、打擊等）對任務環境系統進行全面分解，區分自然環境、數據、無人機體、作戰標記等對象進行數據化轉換，并利用統一的數據編輯器規范數據格式。根據任務目標、任務背景、任務環境、任務階段、時限要求等開發仿真想定系統。

通過統一的想定模型，確保演練過程各層次數據的規范化、標準化、程序化，提升仿真系統置信度和可靠性。

3.3 基于網格仿真技術的無人機綜合演練

分布交互式仿真技術在局域網內實現無人機模擬終端的交互。在此基礎上，通過構建地圖信息系統想定環境，充分利用數據庫及通信基礎設施，實現設備無縫連接，借助網格完成仿真建模、制作、集成和實驗，即網格軍事仿真技術。

綜合演練中涉及的要素（地形、水文、氣象、地質、人員、裝備、通信、后勤、攻防）僅僅依靠專門的分布交互網絡已難以滿足任務需求，這就需要網格技術將網絡中各類計算資源、存儲資源、通信資源、模擬資源整合起來，通過大數據、作戰云來統籌演練對象各類行動，對其數據進行采集、分析、反饋。

無人機在高對抗環境以及不同環境條件下，采取什么方式完成任務，從作戰方案確定、飛行路線選擇、任務載荷加載、型號選定、編組方案確定、任務執行到任務成果評估都可以在網格體系內完成評估檢驗以及復盤重演。

3.4 無人機綜合演練的集成環境仿真

任何演練仿真系統中環境集成［13］都是重要的組成部分。環境集成要通過數學手段對自然環境、電磁環境甚至人文環境進行建模，將人員、裝備、通信、情報、后勤、攻防行為進行量化，采用靜態或動態的多維數據場擬合方法，充分考慮環境效應（即環境動態變化對仿真結果的影響）。

此外還要充分利用現代地圖學，將二維地圖轉化為三維地圖，利用虛擬仿真技術將戰場環境集成到仿真訓練系統中。有學者圍繞無人機夜間突防的典型作戰樣式，設置了模擬實驗場景，引入注意力機制中，提升仿真效果［14］。

通過集成環境仿真讓參演對象根據環境變化調整無人機編隊方式、戰斗方案，并及時反饋作戰結果數據，在人機交互過程中提升訓練水平，選定更優方案，提升戰略戰術水平。

4 無人機訓練仿真結果評估

仿真系統是對真實情景的模擬，無法完全替代實機實境訓練，需要通過系統校核、驗證及確認技術提升仿真系統準確度、效率、可行性、置信度，推動仿真系統向自動化、規范化和集成化發展，進而提升訓練實際效益。

對此要充分適應無人機系統發展水平，利用信息技術、控制理論、相似原理、系統工程等最新理論成果，依托計算機等設備，開發仿真訓練系統同時開發配套訓練效果評估檢測系統，達到虛實合一的效果。

仿真技術在無人機訓練中的應用如圖1所示。

圖1 仿真技術在無人機訓練中應用Fig.1 Application of simulation technology in UAV training

5 結 論

綜上所述，無人機訓練從單兵到編組、從編組到綜合是訓練由淺入深的進階過程，不同階段采用不同的仿真技術，各類仿真技術由虛擬仿真到虛擬現實仿真，由單機仿真到分布交互仿真乃至網格仿真，對仿真軟、硬件要求越來越高。由于不同訓練機型，不同訓練任務所需訓練模型復雜繁多，可在以往的仿真系統開發基礎上統一技術標準，統一接口規范［15］，充分采用組件化、標準化技術提升仿真系統的通用性、標準化和程序化，提升各類仿真模型的適應性和可移植性，在提升訓練效益的同時壓縮開發成本，提升其經濟性。