美軍F-35戰(zhàn)斗機飛行模擬器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢分析

在20世紀20年代后期，美國人艾德溫·林克（Edwin Link）發(fā)明了一款從外面看像玩具的地面簡易訓練器，將木制短機翼和機身安裝萬向節(jié)上，降低了飛行訓練的成本，直到1934年才被外界正視，由美陸軍航空勤務隊采購了6臺，單價3500美元。到第二次世界大戰(zhàn)時， 林克訓練器成為了美國和盟國每所航校的標準裝備，累計生產(chǎn)了不少于1萬臺，每臺生產(chǎn)時間只需要45分鐘。

在20世紀50年代早期，英國雷迪豐公司（Redifon，后泰雷茲訓練與仿真公司，2012年8月民用固定翼飛機模擬器業(yè)務被美國L3技術公司旗下的英國L3林克仿真與訓練公司收購）為“彗星”1客機開發(fā)了一種沒有視景和運動平臺，但能有效模擬儀表飛行的模擬器。在20世紀60年代，逐漸將視景、聲音和多自由度運動平臺融入飛行仿真系統(tǒng)。盡管在20世紀70年代，民用航空監(jiān)管機構提出了飛行仿真系統(tǒng)的標準化要求，但是軍用模擬器一般不受這些控制，更偏向于用戶的實際需求。飛行仿真一直是虛擬訓練技術重要組成。當前， 軍用飛行模擬器作為真實、虛擬和構造（LVC） 技術的重要組成部分得到了更廣泛的應用，節(jié)省大量的成本，提高了地面訓練效果。同時， 為了可以滿足體系對抗所需要的更復雜、更真實的訓練場景，軍用模擬器也逐漸往標準化方向發(fā)展。

典型飛行模擬器系統(tǒng)簡介

典型的飛行模擬器包含三個基本組成部分：

——駕駛艙系統(tǒng)（包括儀器、設備、面板和操縱裝置）。

——視景系統(tǒng)。該系統(tǒng)決定了模擬器內機組人員的觀看方式和內容。目前模擬器基本已采用了可跨平臺使用的通用視景系統(tǒng)。顯示器可以是平板、圓頂、部分圓頂，完全自適應視覺環(huán)境（Complete Adaptive Visual Environment，CAVE） 等；有的顯示器還可以是頭戴式或頭盔式的。模擬器的逼真度部分取決于視景系統(tǒng)的視場（field-of-view，F(xiàn)oV）、分辨率、屏幕紋理和圖像生成器的更新率。精確的數(shù)據(jù)庫有助于沉浸效果。

——運動平臺。該系統(tǒng)讓機組人員擁有與實際平臺上相同的運動感覺。目前，更注重任務訓練的部分軍用模擬器上已經(jīng)不使用運動平臺了。比較常見的是在三或六個自由度運動平臺。六自由度運動平臺通常用于作戰(zhàn)飛行訓練器和全任務模擬器。運動提示裝置如運動座椅提供小的運動提示，如振動和微小運動、安全帶收緊和小加速度。這類座椅通常用于直升機模擬器。過載提示座椅在戰(zhàn)斗機模擬器中提供強大的運動提示，主要用于垂直方向加速度提示。學員在這種模擬器中訓練時，需要穿抗荷服。這些座椅可以模擬抗荷服壓力、“座椅”壓力、安全帶收緊、縱向加速度和頭部／頭盔負荷等模擬。

模擬器的選擇取決于參訓人員的類型和訓練任務。飛行仿真系統(tǒng)的范圍涵蓋從基于PC機的程序模擬器到全任務模擬器。典型的模擬器分類有：

——駕駛艙程序訓練器。這類模擬器通常是基于PC機，用于學員熟悉駕駛艙，并向其介紹飛機各系統(tǒng)和航空電子設備；支持學員練習基本的駕駛艙程序。

——子任務訓練器。這類訓練器專門用于整體訓練任務中的子任務訓練。例如電子戰(zhàn)訓練器或運輸機裝載人員訓練器。

——作戰(zhàn)飛行訓練器（OperaTIonal Flight Trainer，OFT）。飛行訓練裝置一般用于飛行訓練， 而不是戰(zhàn)術或武器訓練。OFT通常擁有運動平臺， 可支持真實的儀器飛行訓練。

——武器系統(tǒng)訓練器（Weapons Systems Trainers，WST）/武器戰(zhàn)術訓練器（Weapons TacTIcs Trainers，WTT）/后艙訓練器（Rear Cabin Trainers，RCT）。這類訓練器通常擁有復雜地形數(shù)據(jù)庫、寬視場、高分辨率的視覺系統(tǒng)以及高計算能力。其廣泛用于訓練空面作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)或ISR飛機的飛行員、傳感器操作員和機載戰(zhàn)術官。

——作戰(zhàn)飛行與戰(zhàn)術訓練器。這類訓練器比作戰(zhàn)飛行訓練器的能力更強，但在武器訓練方面不如武器系統(tǒng)訓練器或任務仿真器/全任務模擬器。其也可以被稱為戰(zhàn)術作戰(zhàn)飛行訓練器（TacTIcal OperaTIonal Flight Trainer，TOFT）。

——全任務／作戰(zhàn)任務模擬器。這類模擬器用來開展全要素的任務訓練，并結合OFT/ TOFT和WST/WTT/RCT的功能。

視景系統(tǒng)在沉浸程度方面起著至關重要的作用。視覺系統(tǒng)包括圖像生成、環(huán)境數(shù)據(jù)庫和顯示系統(tǒng)。圖像生成程序存儲圖像數(shù)據(jù)來創(chuàng)建合成圖像，模擬視窗外的場景或傳感器系統(tǒng)（如雷達或電光系統(tǒng)，包括前視紅外、微光電視和夜視護目鏡）的輸出。這類圖像包括2D和3D元素，通常被稱為計算機生成圖像（Computer-generated Imagery，CGI）或計算機圖像生成（computer image generation，CIG）。數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建過程包括獲取原始數(shù)據(jù)源并將其合成以便由圖像生成器處理。精準的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建對于增強真實感和沉浸感起著關鍵作用。2016年，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)標準化實現(xiàn)重大突破，即開放地理空間聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）批準了通用數(shù)據(jù)庫（Common Database，CDB）標準。

全球領先的F-35戰(zhàn)斗機模擬器

美軍對F-35的仿真訓練能力提了嚴格的要求，一方面原因是F-35作為第五代戰(zhàn)斗機，其先進能力（包括傳感器和航空電子設備）不能在真實環(huán)境下開展充分的驗證；另一方面F-35是一種在降低成本后仍然高達8000萬美元的單座機，用實裝訓練的成本極其昂貴。

F-35 全任務仿真器

為此， 洛馬公司為F-35研發(fā)了全任務仿真器（Full Mission Simulators，F(xiàn)MS），價格應該已經(jīng)下降到小于1200萬美元。FMS的交付與實裝保持同步，第一臺FMS于2011年交付埃格林空軍基地。所有任務類型均可在FMS上進行仿真訓練，包括模擬電子干擾和模擬機載武器對放空導彈陣地的攻擊效果。電子干擾的模擬不可能在傳統(tǒng)模擬器中實現(xiàn)。另一方面，F(xiàn)-35模擬器可使飛行員在實戰(zhàn)或者演習前能夠安全、廉價地訓練電子戰(zhàn)任務。F-35約45%至55%的初始資格訓練（IQT）是在模擬器上進行的。為了實現(xiàn)這一目標，洛馬公司在幾乎所有F-35駐地都部署了FMS。

F-35模擬器明顯不同于傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機模擬器。傳統(tǒng)的模擬器使用代碼模仿實際的飛機，而F-35的FMS則使用實際作戰(zhàn)飛行程序（Operational Flight Program，OFP） 來實現(xiàn)這一點。這也使F-35模擬器能與實裝任務系統(tǒng)同步升級。

大部分F-35的FMS不安裝運動平臺， 除了位于英國沃頓的F-35艦載機模擬器安裝了六自由度運動平臺。該設施已廣泛應用于“伊麗莎白女王”級航母的短距起飛和垂直著陸（S h o r t Ta k e - off and Vertical L a n d i n g s，STOVL）訓練和短距著陸（Ship-borne Rolling V e r t i c a l L a n d i n g s，SRVL） 訓練，SRVL對著陸姿態(tài)要求高，這可能是F-35QEC用運平臺的原因之一。

F-35 的“伊麗莎白女王”級航母訓練設施

FMS采用高保真360°球幕視景和分布式投影機，并且視景系統(tǒng)可以與頭盔顯示器結合，為學員提供了全面的態(tài)勢感知。美國柯林斯航宇系統(tǒng)公司為模擬器提供了視景系統(tǒng)，包括EP-80圖像生成器，可確保所有視頻信道的100%同步，由此實現(xiàn)在圖像在通道邊界上沒有明顯的偽影；“鷹獅”（Griffin）球幕投影采用丙烯酸材料，不會分散視覺效果。它可以同時運行多達25個窗口和7個傳感器通道；WholeEarth合成環(huán)境的數(shù)據(jù)庫支持在世界任何地方進行模擬飛行，并支持用戶創(chuàng)建自己的要素；SimEye SX50TⅡ頭盔顯示器（Helmet Mounted Display，HMD） 模擬了F-35飛行頭盔的視覺效果。該頭盔顯示器與集成在“鷹獅”圓頂上的頭盔跟蹤系統(tǒng)相連。

電驅動的運動平臺

此外，美軍也對分布式仿真訓練有需求。2018年3月，洛馬公司收到一份總額為850萬美元的合同，為F-35開發(fā)分布式任務訓練（Distributed Mission Training，DMT）。該技術目標實現(xiàn)F-35飛行員能夠與異地部署的其他戰(zhàn)斗機、加油機和偵察機一起開展飛行訓練。將進一步把現(xiàn)有的支持4臺模擬器協(xié)同訓練提高到支持12臺模擬器協(xié)同訓練的能力。DMT預計將在2021年前在全球范圍內推廣應用。

英國F-35B 采用的“艦上滑行垂直著陸”（SRVL） 降落模式更類似于在美海軍航母著艦的姿態(tài)，但不用攔阻索。飛機在下滑中始終保持一定的飛行速度，靠機翼產(chǎn)生部分升力，提高著艦重量。傳統(tǒng)垂直著艦模式需要飛機由平飛改為懸停后移動到甲板上方完成垂直著艦

飛行模擬器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1．模擬器體系結構標準化

航空兵部隊對虛擬現(xiàn)實和模擬器都寄予厚望，希望其能高效的實現(xiàn)訓練目標。自林克訓練器問世以來，飛行仿真技術得到了顯著發(fā)展， 已經(jīng)從各類飛機定制化訓練器向著體系架構的標準化轉變?？呻S地部署的模擬器也越來越受部隊的歡迎，并要求模擬器具備能夠在多個地點進行互操作的能力。這些模擬器使人員能夠在駐地進行訓練，從而提高訓練靈活性和效率， 并節(jié)省將人員運送到訓練固定設施的時間和成本。

美空軍在模擬器體系結構的標準化方面比較領先，其“模擬器通用體系結構需求與標準”（Simulator Common Architecture Requirements and Standards，SCARS） 的主合同預計將在2019財年授予，其中包括一份價值約為2～3億美元的五年期基礎合同， 另外還有五個一年期合同，總價值可能達到9億美元。SCARS計劃將提高網(wǎng)絡彈性和響應能力，并將美國空軍模擬器的全壽命周期成本降到最低。SCARS計劃將通過每年發(fā)布通用標準，使美國空軍訓練系統(tǒng)按照體系化、系列化發(fā)展。

美空軍可能已經(jīng)在多個主要司令部安裝了2380多個模擬器和訓練設備。這些設備是在過去幾十年中逐步采辦的，每個設備的采辦都是為了滿足特定平臺的個體作戰(zhàn)訓練需求，而不是根據(jù)從體系化發(fā)展的需求策略。隨著設備使用年限的增加，對維護和升級服務的需求也在增加。從長期來看，SCARS將使快速簡單的升級成為可能，有助于降低設備的全壽命期維護成本。這可以為其他盟國提供一個模式，促進部隊與盟國之間的協(xié)同訓練。

2．訓練體系的虛實結合

真實、虛擬和構造（LVC）是飛行仿真發(fā)展的一個重要趨勢。這三個領域的最佳融合非常重要，因為它可以在現(xiàn)實環(huán)境中提供復雜的場景，這對于集體訓練更為有效。LVC還將有助于實現(xiàn)部隊和盟國之間的互操作性。LVC的目標是提供高度沉浸式的訓練，讓參與者無法辨別實況、虛擬和構造實體之間的差異。合成（虛擬＋構造）環(huán)境在很大程度上加強了任務演習。虛擬數(shù)據(jù)庫越精確，訓練效率越高。利用它們不僅能夠實現(xiàn)機組人員可在未知或不熟悉的環(huán)境中執(zhí)行任務，而且使他們能夠在不必在真實靶場部署的情況下執(zhí)行任務。開放式數(shù)據(jù)庫體系結構有助于快速更新，并支持相關的分布式任務訓練。

美國諾格公司在LVC領域有一定的基礎，在其開發(fā)的分布式任務作戰(zhàn)網(wǎng)絡（DMON） 的基礎上， 開發(fā)了LVC實驗、集成與作戰(zhàn)行動套件（LVC Experimentation, I n t e g r a t i o n , a n d O p e r a t i o n s Suite，LEXIOS），可以將異地的模擬器（如RC-135偵察機的模擬器） 接入LVC訓練環(huán)境，將數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路和無線傳輸?shù)铰?lián)合演習靶場的真實飛機上。

小結

對抗體系化。仿真一直是軍事飛行訓練計劃的主要內容，未來的計劃將繼續(xù)把更多的訓練任務轉移到合成環(huán)境中。無論是從軍方用戶的關注角度，還是從工業(yè)部門的技術發(fā)展角度看，采用LVC技術的虛實結合場景都是飛行仿真領域的一個重點發(fā)展方向。

產(chǎn)品標準化。模擬器作為LVC的關鍵組成， 其體系結構的標準化能促進LVC技術的發(fā)展。美國作為飛行仿真的巨頭之一，其飛行仿真逐漸從專有系統(tǒng)轉向開放式體系結構，對標準化的需求進一步增加。美空軍的SCARS計劃也即將得到大量資金的支持。

效果真實化。F-35的FMS首次使用了與實裝同步的作戰(zhàn)飛行程序（OFP），這使F-35模擬器能與實裝任務系統(tǒng)同步升級，也增強了地面訓練的真實性和效果。FMS中也集成了用于電子戰(zhàn)訓練的能力；其多通道視景系統(tǒng)的沉浸感也非常好，分辨率高，沒有眩暈感并且與聽覺提示保持良好的同步。

效費比最優(yōu)化。隨著高保真模擬器訓練的比重增長，模擬器的訂貨量也變大了。以F-35的FMS為例，其供應商體系復雜，有超過190架的供應商組成。但是FMS的訂貨量持續(xù)增長，供應鏈穩(wěn)定后其成本逐漸下降，2019年8月份單臺價格1200萬美元，后續(xù)使用3D打印等的新技術后有望降低到900萬美元。