美國空軍正在采用SCARS模擬器來進(jìn)行作戰(zhàn)訓(xùn)練

美空軍的《2035年前空軍作戰(zhàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)設(shè)施飛行計劃》（AF Operational Training Infrastructure 2035 Flight Plan，作戰(zhàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)設(shè)施簡稱為OTI）于2017年9月制定，目標(biāo)是構(gòu)建一個現(xiàn)實的、綜合的訓(xùn)練環(huán)境，使部隊能夠訓(xùn)練作戰(zhàn)和相關(guān)戰(zhàn)術(shù)，以實現(xiàn)和維持全譜系的戰(zhàn)備狀態(tài)。

美空軍在計劃中已確定為實現(xiàn)OTI的目標(biāo)所需的共13條OTI重點發(fā)展路線，其中第3條、第12條分別強調(diào)了合成環(huán)境集成實裝的能力（SyntheTIc-To-Live Capability）和統(tǒng)一的模擬器架構(gòu)（Common Architecture）。合成環(huán)境與實裝集成就是真實-虛擬-構(gòu)造仿真（Live-Virtual-Constructive，LVC），LVC的概念美軍已經(jīng)持續(xù)強調(diào)了將近20年；統(tǒng)一的模擬器架構(gòu)即模擬器通用架構(gòu)要求和標(biāo)準(zhǔn)（Simulator Common Architecture Requirements &Standards，SCARS）。

美空軍訓(xùn)練概念圖

美空軍廣泛部署全球范圍的超過50種平臺，超過2380個訓(xùn)練設(shè)備

美空軍希望通過訓(xùn)練在OODA環(huán)上擴(kuò)大與對手的優(yōu)勢

開發(fā)模擬器通用架構(gòu)——SCARS

美軍的武器裝備的供應(yīng)商很廣泛，某一個平臺是由一個承包商建造的，而該平臺模擬器也可能是由另一個承包商建造的。盡管美軍模擬器已經(jīng)能夠在網(wǎng)絡(luò)上運行，但是還達(dá)不到期望的效果。比如當(dāng)穿云時，有的模擬器能看到地面有的則看不到。用手機(jī)為例，過去存在各種各樣的設(shè)計和操作系統(tǒng)，如諾基亞、黑莓、iPhone、Android等已基本轉(zhuǎn)移到兩種常見的基礎(chǔ)架構(gòu)即IOS和Android，非常方便進(jìn)行程序開發(fā)、升級以及設(shè)備之間的交互。美空軍想讓模擬器也按照手機(jī)的發(fā)展規(guī)律，正在尋找一家公司來開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，幫助解決數(shù)十種、上千臺模擬器之間的互操作性問題。美空軍在2018年12月發(fā)布了SCARS招標(biāo)書，為期10年，合同金額高達(dá)9億美元，計劃在2020年簽署首個SCARS合同。

SCARS由空軍生命周期管理中心的模擬器部門（AFLCMC / WNS）負(fù)責(zé)管理。在過去的模擬器相關(guān)合同主要考慮因素是滿足性能指標(biāo)、可靠性指標(biāo)。如今，更嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全要求也成為了必須考慮的因素。為了響應(yīng)最新的國防部手冊8500.01和8510.01，空軍手冊AFI33-200和33-210中新的網(wǎng)絡(luò)安全要求，AFLCMC / WNS正在探索模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)采購與維護(hù)方法的變化，包括底層系統(tǒng)架構(gòu)。面對不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)威脅，模塊化的推廣和開放體系結(jié)構(gòu)的結(jié)合有望使模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)的采購和維護(hù)更加高效。AFLCMC / WNS也正在通過明確標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，增加體系結(jié)構(gòu)之間的通用性，探索“技術(shù)基準(zhǔn)”的概念。這些要求和標(biāo)準(zhǔn)將解決系統(tǒng)架構(gòu)、接口和數(shù)據(jù)模型，目的是以減少技術(shù)、進(jìn)度和成本風(fēng)險。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)威脅環(huán)境正迫使模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)的更新和修改頻率比以前部署的系統(tǒng)更高，要求能夠快速修改以合并新的安全功能并消除新發(fā)現(xiàn)的潛在漏洞。

SCARS將分為三個階段：

第一階段：開發(fā)一種滿足模擬器的性能目標(biāo)的體系架構(gòu)，同時展示模塊化開放系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵特征。該體系結(jié)構(gòu)必須能夠進(jìn)行快速修改以合并新的安全功能，消除已標(biāo)識的潛在漏洞，并具備最佳可行性，最小化或自動化所需的回歸測試，確認(rèn)系統(tǒng)性能未受到修改的不利影響；

第二階段：完成并驗證在第一階段開發(fā)的基準(zhǔn)模擬器架構(gòu)，并使用空勤人員訓(xùn)練模擬器應(yīng)用程序進(jìn)行概念性演示。演示該體系結(jié)構(gòu)具有開放性的特征，并且可以通過最小化回歸測試對其進(jìn)行修改；

第三階段：最終確定該架構(gòu)，以供美國政府及其承包商開發(fā)和升級美空軍模擬器和培訓(xùn)系統(tǒng)時使用。

模擬器聯(lián)網(wǎng)是LVC的核心

在過去的20年里，美空軍一直在尋求滿足其空勤人員訓(xùn)練需求的方法，主要方向就是開發(fā)LVC訓(xùn)練技術(shù)，但是在現(xiàn)階段的主要辦法就是增強模擬器訓(xùn)練。分布式任務(wù)作戰(zhàn)（Distributed Mission Operations, DMO）是一項空軍戰(zhàn)備計劃，幫助美空軍在國內(nèi)或海外部署的作戰(zhàn)人員保持基本戰(zhàn)備狀態(tài)，在必要時可模擬作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行任務(wù)預(yù)演。

DMO將把當(dāng)前和未來的武器系統(tǒng)、高保真模擬器和仿真系統(tǒng)與其他指揮、控制、通信、計算機(jī)、情報、監(jiān)視和偵察（C4ISR）系統(tǒng)連接起來，以創(chuàng)建一個交互式作戰(zhàn)環(huán)境。美軍將DMO成為空軍訓(xùn)練轉(zhuǎn)型的基石。

為何將LVC作為提升訓(xùn)練能力關(guān)鍵？

盡管美空軍綜合實力保持世界第一很多年，并且在實戰(zhàn)經(jīng)驗和訓(xùn)練投入方面無人能及，但是其還是想進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢。

美空軍認(rèn)為給指揮員和戰(zhàn)斗員的訓(xùn)練強度不夠。首先，對于訓(xùn)練如聯(lián)合空中作戰(zhàn)中心（combined air operations center, CAOC）的指揮類人員來說，其需要的訓(xùn)練強度比當(dāng)今任何一場演習(xí)帶來的工作量要大得多才行，像“紅旗”這樣的大型演習(xí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。標(biāo)準(zhǔn)化的“紅旗”可能在數(shù)百平方千米的陸地和領(lǐng)空上進(jìn)行了涉及數(shù)十架飛機(jī)執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，但也不會給CAOC造成任何壓力。美軍所需要的是一種模擬數(shù)百個獨立行動的實體，還可以引入意外事件并在作戰(zhàn)計劃上加大壓力的方法，其目的是將CAOC的指揮員推向極限，并觀察他們的反應(yīng)。

其次，飛行員也需要在復(fù)雜、快速變化且擁擠的戰(zhàn)場中訓(xùn)練。DMO架構(gòu)使機(jī)組人員可以更近距離地了解現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的空戰(zhàn)情況，其中許多偵察機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、加油機(jī)、無人機(jī)和地面部隊都在同一個廣域網(wǎng)下有數(shù)據(jù)、語音交互。此外，還可以模擬故障、干擾或其他特情，更好地對飛行員施加壓力。

訓(xùn)練經(jīng)費問題也是美軍的考慮之一。飛機(jī)的飛行成本越來越高，從F-16 Block 50每小時飛行成本約7500美元到F-35的約44000美元。這使得必須提升模擬器訓(xùn)練占比，因為如F-16的模擬器每小時訓(xùn)練成本僅為900美元。從2012年開始，作為對國防部長要求提高效率的回應(yīng)，美空軍減少了實裝飛行時間，估計在2012至2016財政年度節(jié)省約17億美元。將實裝飛行與模擬器訓(xùn)練相結(jié)合可以降低成本，包括降低維護(hù)成本和相關(guān)的后勤成本。但是關(guān)于這約17億美元，缺乏確定模擬器訓(xùn)練費用的方法，因此在估計中考慮的不周全。美空軍僅根據(jù)實際飛行時間的減少來估算節(jié)省費用，而不考慮機(jī)組人員前往模擬器、承包商人員安排和使用模擬機(jī)以及購買額外模擬器的費用。由于費效比的問題還不清晰且缺乏明確的責(zé)任制和戰(zhàn)略來指導(dǎo)其規(guī)劃和投資決策，還需要空軍進(jìn)一步研究。

一個強大的、穩(wěn)定的通信體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，再加上先進(jìn)的模擬器，將創(chuàng)造一種新的訓(xùn)練能力，這種能力可以從單裝備級別開始，并通過一系列組合進(jìn)行聚合，最終形成戰(zhàn)區(qū)級別的任務(wù)預(yù)演能力。分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)（DMO Networks, DMON）是美空軍實現(xiàn)聯(lián)合訓(xùn)練的中心節(jié)點，其以地面有線網(wǎng)絡(luò)為主，各分系統(tǒng)（如模擬器、計算機(jī)生成部隊）向著DMON集成。但要實現(xiàn)LVC同樣需要集成無線網(wǎng)絡(luò)，如將P5空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)集成到DMON中需要考慮專用訓(xùn)練鏈、靶場測控鏈和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的集成和協(xié)同。同樣，實裝需要靠視覺和傳感器的激勵來與模擬的實體交互，目前正在將“嵌入式訓(xùn)練”能力更完美的融入到飛機(jī)中，使飛機(jī)傳感器能夠準(zhǔn)確探測并向飛行員顯示模擬實體。

逐步提高模擬器訓(xùn)練的占例

美空軍計劃制定一個戰(zhàn)略來調(diào)整虛擬訓(xùn)練計劃和目標(biāo)，明確如何確定實戰(zhàn)和虛擬訓(xùn)練的組合以滿足訓(xùn)練需求。隨著技術(shù)更先進(jìn)飛機(jī)的部署，預(yù)計空軍將越來越依賴虛擬訓(xùn)練。以前，其三大司令部空中機(jī)動司令部、空軍特種作戰(zhàn)司令部和空戰(zhàn)司令部都利用由專家組成的訓(xùn)練需求評審組來確定特定飛機(jī)的訓(xùn)練需求。這些評審組根據(jù)具體的作戰(zhàn)指揮任務(wù)需求以及模擬器性能和網(wǎng)絡(luò)能力等因素，確定哪些訓(xùn)練需求可以在真實或虛擬環(huán)境中完成。例如，從2012年開始，空戰(zhàn)司令部設(shè)定了通過模擬器訓(xùn)練滿足25%（平均）的訓(xùn)練需求的目標(biāo)。其他兩個司令部的目標(biāo)是通過模擬器完成50%（平均）的訓(xùn)練。

DMON的發(fā)展

DMON的建設(shè)主要由諾斯羅普·格魯門公司公司完成，自1999年啟動以來諾格一直是作戰(zhàn)空軍分布式任務(wù)訓(xùn)練作戰(zhàn)與整合計劃的主要承包商。自2002年以來，DMON都被用于在一個普通的合成戰(zhàn)場上提供有效的戰(zhàn)術(shù)和小范圍訓(xùn)練。DMON還用于支持每年兩到三次的“虛擬旗”演習(xí)。AFLCMC授予諾斯羅普·格魯門公司價值4.9億美元，為期五年的DMON2.0服務(wù)合同，交付期限將延長至2023年6月。在DMON2.0中，將繼續(xù)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并提升接入實裝的能力。目前，每年各種規(guī)模的DMO訓(xùn)練活動數(shù)量超過380次。

美軍的訓(xùn)練設(shè)施并非都始于同一個網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點是位于科特蘭空軍基地（Kirtland AFB）的分布式任務(wù)作戰(zhàn)中心（DMOC）。國防部廣域網(wǎng)（WAN）有許多種類，如分布式任務(wù)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)（DMON）、聯(lián)合訓(xùn)練和實驗網(wǎng)絡(luò)（JTEN）、國防研究工程網(wǎng)絡(luò)（DREN）、分布式訓(xùn)練中心網(wǎng)絡(luò)（DTCN）和第505部隊的廣域網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)由不同的單位和機(jī)構(gòu)管理，可以連接到位于科特蘭的DMOC，支持國防部的特定計劃和作戰(zhàn)人員的訓(xùn)練要求。

一些有線網(wǎng)絡(luò)也包括有無線的部分，這些無線網(wǎng)絡(luò)通常是有線網(wǎng)絡(luò)的短期擴(kuò)展，其實也算是有線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)通常不受射頻頻譜可用性、帶寬、范圍的限制。但目前有線網(wǎng)絡(luò)使用的通信協(xié)議通常不適合在帶寬受限、長距離、高數(shù)據(jù)的情況下使用，因為需在整個網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量數(shù)據(jù)以滿足工作，通常稱為“網(wǎng)絡(luò)開銷”。網(wǎng)絡(luò)開銷減少了可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

DMON上的模擬器任務(wù)訓(xùn)練中心（Mission Training Center, MTC）采用分布式交互仿真（DIS）協(xié)議，但也有少數(shù)MTC使用高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）來驅(qū)動仿真環(huán)境。隨著各種各樣的仿真成熟度、協(xié)議、任務(wù)和技術(shù)出現(xiàn)，確保它們能夠有效地達(dá)到用戶要求的互操作程度是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管IEEE 1278（DIS）和IEEE 1516（HLA）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了語法（數(shù)據(jù)共享）級別的互操作性，但它們本身并沒有提供所需的語義（數(shù)據(jù)含義）通用性。

DMON的網(wǎng)關(guān)通過使用推算技術(shù)來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)流量，以減少狀態(tài)更新的需要。將MTC從局域網(wǎng)（LAN）轉(zhuǎn)換到廣域網(wǎng)（WAN）協(xié)議并返回，從而確保遠(yuǎn)程MTC看起來就像與其他本地MTC在同一個LAN上一樣。必要時，網(wǎng)關(guān)在DIS和HLA協(xié)議之間轉(zhuǎn)換，并提供支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路互操作性和跨域控制接口實現(xiàn)的其他數(shù)據(jù)流調(diào)節(jié)功能。因為網(wǎng)關(guān)配置是集中管理的，所以事件管理器能夠預(yù)測規(guī)劃入網(wǎng)的MTC的需求，并根據(jù)每個MTC的已知平臺限制進(jìn)行更改。

DMO將來為了更好集成實裝，需要兼容TENA協(xié)議。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，諾斯羅普·格魯門公司將提供一個在TENA、HLA和DIS之間實現(xiàn)可互操作的解決方案。通過標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口向DMO合成作戰(zhàn)空間提供即插即用的現(xiàn)場音頻；使用了一個Cubic公司TENA v4.1網(wǎng)關(guān)，它將實時靶場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能兼容的TENA v4.1對象。

DMO在非國防部擁有的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)上運行，使用的主要網(wǎng)絡(luò)的帶寬可變，空軍只為使用的帶寬付費。目前，使用商業(yè)網(wǎng)絡(luò)來承載作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)流量存在“一定的風(fēng)險”。能夠進(jìn)入仿真的人不僅可以觀察到它，而且可以記錄動作以供分析，就像監(jiān)視互聯(lián)網(wǎng)用戶的活動以更好地推送廣告一樣。

不過在將來，DMO將使用全球信息柵格（Global Information Grid, GIG），GIG是一種正在開發(fā)的地面通信網(wǎng)絡(luò)。隨著DMO過渡到國防部為解決帶寬和安全性問題而建立的GIG，許多問題將得到解決。

小結(jié)

加快制定模擬器標(biāo)準(zhǔn)。SCARS計劃旨在為其模擬器開發(fā)具有改進(jìn)的安全性和升級功能的開放式架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)彈性并施加更嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)，最小化生命周期成本。模擬器像手機(jī)一樣使用通用開放式架構(gòu)，全面考慮硬件、軟件、應(yīng)用程序，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。還需要支持由網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遠(yuǎn)程接收軟件更新，滿足經(jīng)常變換的訓(xùn)練需求。

發(fā)揮模擬器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。DMO可以確保聯(lián)合作戰(zhàn)中的空中平臺在不受飛行安全考慮限制（尤其是對大型特種平臺的限制），充分執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)和完成動作，同時降低外派率和訓(xùn)練預(yù)算，節(jié)省機(jī)隊的飛行時間。

提升模擬器訓(xùn)練占比。在訓(xùn)練效率和戰(zhàn)備不受損害的情況下，提高模擬器訓(xùn)練的占比。模擬器狀態(tài)需要與飛機(jī)狀態(tài)保持一致，以提供及時、經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。但一些實裝訓(xùn)練項目不能或不應(yīng)該被模擬器取代，需要有效地平衡實裝訓(xùn)練和合成訓(xùn)練。避免模擬器保真度不足造成的遺漏、負(fù)面效應(yīng)或提供了不正確或過時的知識或技能。保真度問題是模擬器最大的挑戰(zhàn)，如果訓(xùn)練不夠真實會適得其反。