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美国军事虚拟仿真VR技术发展综述
2010年10月18日    评论:    分享:

 摘 要 虚拟现实(Virtual Reality , 简称VR) 技术是当今世界前沿科学之一, 具有举足轻重的作用。国外经济发达国家一直将其列为国防高科技重点发展的关键技术, 迄今已成为研发、生产大型而复杂的武器装备及军事教育训练的重要工具。VR 技术是人类智慧高度集中的具体体现, 进入VR 环境将会使人类的智慧得到更高的升华。扼要综述其在武器系统研制、生产及军事教育与训练中的应用。

     引 言

    虚拟现实或称灵境技术, 实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World) 的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界, 并通过头盔显示器( HMD) 、数据手套等辅助传感设备, 提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面。使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化, 产生沉浸感。因而VR 被誉为人机接口技术的一场深刻革命。实际上, VR 技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、信息技术、传感与测量技术、仿真技术、多媒体技术、语音与模式识别技术、人机接口技术、软件工程、网络技术和人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。

    它同时具有沉浸性(immersion) 、交互性( interaction) 和构想性(imagination) , 使人们能沉浸其中, 超越其上, 出入自然, 形成具有交互效能多维化的信息环境。总之, VR 是一种表现形态生动灵活的技术, 心理学、生理学及认知学是VR 技术的物理学基础。VR 是信息科学领域中的新兴技术, 它具有广泛深入研究的内涵和宽阔的应用前景, 目前正引起多个学科领域众多学者的高度关注。

    VR 技术是系统仿真中新兴技术之一。它实际上是一种采用计算机技术制作仿真的假想世界的技术, 它采用计算机产生一个被仿真世界的动态、三维视觉环境, 使操作者产生一种身临其境的感觉, 对探讨大量需要借助形象思维的问题颇有帮助。采用此项新技术, 参与者使用硬件, 如键盘、数据手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、空间球、眼球跟踪装置、超声波头部跟踪器、头盔显示器、摄录像设备、立体护目镜、音响、耳机、语音识别与合成装置及数据服以获得所需的感知, 来体验计算机世界境况。实际上, VR 属于一种特殊设计的信息数据库, 它可将数据库信息转换成可视化的三维视觉显示图像。利用这些数据信息描述两维或三维的图形与图像, 构成三维的虚拟世界。它是计算机图形学和人2机交互技术发展之产物,VR 更是计算机图形学中的一种功能倍增技术, VR 技术将人类用户同计算机产生的虚拟世界综合为一体, 达到人与技术最为完美的结合。人在整个系统中占有十分重要的地位。利用VR 技术的手段, 突破现有技术手段的局限, 手段愈高明, 愈能使我们对所研究的对象和环境获得“身临其境”的美妙感受。

    VR 技术的发展源于航天和军事部门。VR 之最新技术成果往往被率先用于航天和军事领域。21 世纪军事科技的发展将更加依赖于VR 技术, 同时必将对VR 技术提出日趋增高的要求。VR 技术将为武器装备确定需求、设计、制作样机、批量生产, 为部队的模拟训练、战备,为制定合成作战条令和应急作战计划, 为战后评估及战史分析等几乎全部军事活动提供一种一体化的作战环境。这将有助于从虚拟武器及战场顺利地过渡到真实武器与战场, VR 技术对各种军事活动的影响将是极为深远的,有着极为广泛的军事应用前景。

    VR 系统由于具有良好的高效性、可控性、安全性、无破坏性、使用灵活性、易于修改、不受气象影响、不受空间和场地的限制、可多次重复使用及系统运转费用低等特点, 故引起世界各国军界高度关注。迄今, VR 技术在军事领域中正发挥着重要的作用, 它被广泛用于军事教育、军事训练、武器装备研制与生产等领域。

    1  军事教育与训练

    1. 1  军事教育

    对军事人员在战略性规划、作战及预算等方面的培训是VR的一个普遍应用领域。研讨式VR 和途径式VR 通常由作战指挥学院及军事指挥部门用来提高军事人员认识并理解高技术局部战争的能力; 用于研究、分析、训练及教学的军事行动的仿真,以加深对现代战争的理解。它包括让人们在一个实际或假想的情况下在信息处理或决策任务方面通过使用规划、数据和过程来指导军事行动。实践证明, 人类对基于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力。作为军事院校的一种辅助教学手段, 这无疑是一种解决学员上机操作的好方法。某些电子设备使用寿命较短, 不宜进行长时间大量操作,此时使用VR 训练设备有其独特的优点。利用建立在网络基础上的分布式VR 系统可建立一个“虚拟教室”。在该虚拟教室中,借助使用控制台、键盘和显示设备等相互联系的学员站与教官站联网, 各参与者都处于同一虚拟的战场环境之中。在“虚拟教室”内还备有一台能显示三维图像并配有立体音响效果的大屏幕彩投机。在大屏幕上显示出由计算机生成的诸种活动图像, 如模拟的天空、气象、海面、地面各种复杂地形及诸种目标(如飞机、坦克、装甲车、军舰及导弹等) 。

    学员们坐在外观与实体几乎一样的操作控制台前。控制台上装有各种功能按钮、键盘、数据手套、鼠标器、头盔显示器及数据服等。学员们可根据当时的作战态势或教官的命令, 在控制台上进行各种操作, 如模拟驾驶飞机、坦克及机动舰船, 还可发射各种飞航导弹并能观看到其发射的效果等。VR 技术尤为适用于进行指挥决策模拟、智能分析模拟及战场环境模拟。战略决策模拟仿真的主要方法包括: 研讨式对抗模拟、技术性对抗模拟、政治2军事性对抗模拟及紧急预测与反应模拟等。20 世纪80 年代初, 为帮助美海军分析未来10~20 年内航母作战群的发展需求, 约翰·霍普金斯大学作战分析实验室研究出一种研讨式对抗模拟方法,即研讨式对策( Seminar Gaming) 。该法后来逐渐发展成结构较为标准而规范的高层模拟教学方式。所谓研讨式对抗模拟, 是指将圆桌会议式的研讨与计算机模拟相结合, 进行大规模的对抗模拟, 通过研讨来形成作战设想、解决未来战争诸种问题。这属于一种开放式对抗模拟, 为参与者提供一种研究与分析现代战争问题的场所。它按照一种结构化的、经过训练且机动灵活的方式, 将诸方面军事专家的知识及观点结合在一起, 及时地处理实战中出现的问题。研讨中将试验、仿真及军事情报分析之结果作为分析研讨的对象, 亦可借助计算机进行更为详实的模拟后再作进一步的研讨。模拟仿真过程中, 参与研讨的人员扮演着一系列的局中人, 并代表其进行决策, 决策的后果由局中人以对阵式的研讨来判定。处理复杂问题的对策式研讨, 是一种连续推演、重复推演的反复过程, 有时甚至需进行数月。需要的话, 在研讨过程中, 可将技术与作战战术诸问题一并提交给相应的军事专家进行单独解决, 随后将解决的结果再反馈到后期的研讨中。

    1. 2  军事训练

    军事训练是和平时期提高部队战斗力的主要途径。如何利用现代高科技手段确保并提高部队训练质量, 已成为世界各国军界最为关注的热点之一。现代军事模拟训练系统大多是VR 系统。VR 技术的最大特点是受训者能与虚拟战场环境进行自然而灵活的交互。VR 系统是提高部队战斗力的最佳训练装备, 它能使作战人员无需动用实际武器装备,便能在各种复杂的战场场景下进行诸种近于实战的军事训练与演习, 不断积累作战经验; 它还能使指挥官全身心地投入到虚拟作战环境中去, 验证其战术思想和指挥效果, 确定诸种武器系统的最优使用方法和时机。各种高新技术武器装备造价高, 运行维护费用昂贵, 组织实施训练难度大, 经常操作使用还会对武器装备的磨损和使用寿命带来严重影响, 采用VR 系统进行军事训练, 既可大大节省训练费用, 又能取得颇佳的训练效果, 使部队的作战训练呈现出前所未有的活力。超前的VR 模拟仿真将成为未来军事训练的最高层次特征。VR 技术以全息显示和超前的训练方式使未来的部队能在VR 战场环境中体验战争, 进而掌握战争。

    因而, VR 技术必将成为21世纪部队的主要训练方式。目前, 随着科学技术的飞速发展, 军事作战模拟训练仿真技术出现了新的飞跃。通常作战模拟训练分为实地军事演习、现场实验、沙盘作业、图上作业、战争对策、计算机模拟仿真和分析模拟仿真。其中计算机作战模拟训练仿真运算速度快、准确、科学、可靠性高、损耗代价小, 是一种崭新的模拟训练仿真方式。因此, VR 技术作为一种最新的计算机人机交互技术, 首当其冲应该用于军事作战模拟训练领域。它可模拟各种形式的战争,如核大战、战区常规战(陆战、海战、空战及合成军作战) 等。在模拟战争中分析包括紧急决策、战争、战争升级和战争结束等与政治息息相关的诸种因素。

    这不仅为研究现代战争问题、作战的指挥、武器装备的操作与使用及部队训练提供了科学方法,使研究的进程更为逼真地接近于实战, 而且使研究结果可信, 有利于作战指挥艺术和作战技能的提高, 更有利于武器系统性能的改进及效能的提高。此外, 还适用于培训武器装备操作人员。

    1. 2. 1  VR 飞行训练

    在美军VR 技术应用较为成熟的飞行训练中, 飞行员先在电子控制的飞机座舱内, 由计算机提供飞机的飞行数据, 头盔显示器展示出高分辨率的图像, 根据逼真的虚拟战场态势进行判断,并作出诸种反应。在虚拟战场环境中较为熟练地撑握飞行操纵技术和作战技能后才进行实机训练。美国海军和空军对新兴的VR 系统的研究尤为积极。其中Cyber View 便是用于美国海军战斗机飞行员训练的一种虚拟环境系统。这种系统主要为飞行员提供大规模的态势强化训练, 而且系统能向飞行员直观地展示出飞行错误, 并允许飞行员以更佳的状态重新飞行。利用VR 系统, 飞行员可进行基本飞行训练、夜视操作训练、超低空飞行训练及有危险性高难度动作的飞行训练等。采用VR 技术的飞行模拟器较常规的飞行模拟器具有更为显著的优越性, 它可帮助飞行员及时而准确地掌握更多的有用信息, 使受训人员能轻易地进入虚拟三维战场环境, 在该虚拟战场环境中, 飞行员能相对灵活地飞行, 对环境中的实体进行各种操作, 并能自动地作出简单的逻辑判断, 从而减轻飞行员采集信息时进行归纳推理的负担, 使飞行员能在紧张的作战环境中更迅速而准确地作出判定, 从而极大地提高了飞行训练的质量和效能。据称, 利用VR 技术可缩短飞行训练时间60 % , 节省飞行训练费用70 %。这样可使作战决策者能迅速而顺利地完成战术决策的对比研究, 以优化作战效能, 并为飞行训练提供理想的模拟平台。

    1. 2. 2  VR 战场场景

    1995 年秋在波黑维和行动期间, 美军准备对南联盟进行轰炸之前, 曾利用VR 技术将波黑地区80 %的地形制成虚拟军用地图。美军将此种虚拟军用地图称为“威胁目标标志图”。该图包括三维数字化地形海拔高度的数据及巡航导弹弹药库等。在计算机终端设备屏幕上, 虚拟军用地图清晰地标出南联盟的民宅区、综合性商业区、作战区、战略战术要地及起伏不平的波黑地形。在轰炸前, 美军有效地利用这种虚拟军用地图进行了飞行预演,这对帮助其提高轰炸目标的命中率起着颇为重要的作用。

    为提高VR 系统模拟战场场景有逼真性, 必需建立相应的战场场景图形图像库。此种三维图形图像库内存入战场环境模拟过程中的诸种战场目标对象(如飞机、坦克、火炮、军舰及导弹) 、作战场景及作战双方人员的图像。战场目标对象和作战场景通常是借助VR 系统中的建模软件来实现, 并在模型上贴上真实的图像。作战背景主要是指气象变化, 如云、雨、雾、雪、风暴及雷电等; 沙漠、丛林、森林、河流、湖泊、海浪、山脉、丘陵、城市、村庄、公路、铁路、桥梁、机场、码头、夜景、噪声及干扰等环境背景, 这主要通过VR 的相关技术手段加以实现。至于参战人员的模拟, 则可采用图形建模、图像映射或借助两者的组合来实现。有了三维图形图像库, 参与者才可真正地进入虚拟战场。

    将VR 技术引入作战模拟训练系统仿真的各个阶段, 将使模型的建立和验证更为简便。它能逼真地显示出虚拟战场场景和整个作战过程, 供军事专家制定出合适的作战训练方案, 还能模拟决策的过程, 向参与者解释VR系统的行为机制, 因而受到作战指挥人员的普遍欢迎。现代作战模拟训练系统VR 实验室的任务是对作战模拟训练系统的战术和运行环境进行仿真。现代战争的明显发展趋势是, 在高层决策制定过程中日趋强调VR 的应用。

    当前对军事作战模拟训练系统的发展可产生变革性作用的一种技术, 便是VR 战场场景技术与分布式网络交互作用的仿真。

    1. 2. 3  VR 诸军兵种合成训练

    实兵实弹军事演习周期长,耗费大, 多军种联合作战难以实施, 安全保密性无保障, 而现有的常规集中式模拟亦存在较大的局限性。VR 系统最适用于进行诸军兵种合成训练, 提高部队的协同作战和联合作战能力。它能以较小的代价, 在较短的时间内实施大规模的战区、战略级军事演习, 并通过多次演习或一次演习多种作战方案来发现并解决实战中可能会出现的问题, 这对于进行作战研究颇有益处。如美海军海洋系统中心(NOSC) 、海军水下系统中心(NUSC) 及海军研究与开发中心(NRADC) 已研制开发了对舰员训练、实时作战使命更新与控制、增强交战协同能力及海陆空三军与导弹部队协同作战等系统。未来战争的一个基本特点便是多军兵种作战协同化、指挥一体化, 常规集中式模拟或实兵实弹演习难以达到这种高标准的协同训练目的。

    采用作战VR 系统进行军事训练主要还包括对高、中、低级指挥员的指挥、谋略、决策水平研究; 单兵和群体技能水平的训练等。雷达侦察干扰/ 无源干扰训练模拟仿真器, 可逼真地对电子战军官及操作手进行操作方面的训练, 提高受训人员的操作水平, 可训练电子战人员在实战情况下的快速反应能力, 提高受训人员在作战时的心理素质。

    1. 2. 4  分布式VR 系统

    随着计算机技术的最新发展, 为模拟更大的作战空间出现了分布式虚拟现实系统(Dis2t ributed VR) , 实际上它是在VR灵境系统基础上, 将各种用户(观测者) 连接在一起, 共享同一个较大的虚拟空间, 使用户们达到一个更宽阔的观测境界。创建“综合虚拟环境”的基本途径就是开发分布式VR 系统, 用合成网络将各军兵种、各级部队、各军事院校及各军事科研单位等用户联成一体。其原理都是以VR 灵境系统为基础, 只是分布式VR系统在共享虚拟环境资源的同时, 采用各自的交互手段而已。

    在分布式VR 系统工作时, 多军兵种的合成训练最能发挥其特长。如在合成军作战中, 装甲兵、机械化步兵、海军、海军陆战队、陆军航空兵、海军航空兵、武装直升机和固定翼飞机、歼击机、舰艇、坦克、火炮以及野战集团军防空导弹部队等进入分布式虚拟现实系统后, 可在高度逼真视听的虚拟环境中参与相互对抗的军事演习。由于VR 技术具有特殊的“进入”功能, 故VR 系统不仅是战场仿真中颇为有效的训练工具, 而且还可利用它建立一种强有力的多军兵种合成指挥系统。在综合军事电子信息系统中, 利用分布式虚拟现实系统来达到作战模拟、决策及作战演习的效果。通过分布式VR系统, 进行各种复杂的作战任务的训练, 以降低训练费用, 确保参战人员与设备的安全及降低其对环境的影响。在战争对策VR环境中利用大规模并行处理机的建模与仿真技术, 可精确地再现战区作战态势, 逼真地模拟仿真战场环境, 并且增强预见性, 高精度地使未预料的战术、战略进展提前发生。这样便可利用VR技术开发应用于海陆空作战的战略/ 战术任务规划和支援系统。

    1. 2. 5  美军的VR 系统

    SIMNET ( Simulation Net2work) 是从1982 年开始由美国高级研究计划局(DARPA) 与陆军联合开发的。SIMNET 是一个基于VR 技术的虚拟对抗作战系统。其核心是管理、指挥和控制接口, 它由一个与计算机主机平台相连的网络群组成, 其中包括与虚拟战术作战中心的参谋监视控制网络的联网。SIMNET最初是用来训练坦克群, 主要目的是降低训练费用, 同时增强安全性, 减少环境破坏(是指火力攻击及坦克行驶轨迹对训练场地的破坏) 。SIMNET 联结了包括美军和德军在内的近300 台坦克模拟仿真器、飞机飞行模拟器、作战指挥所仿真器、计算机生成兵力(CGF) 仿真器及导弹发射仿真器等。每台模拟仿真器作为计算机网络上的一个节点, 这些分布式节点通过局域网(LAN) 、广域网(WAN) 及远程通信网连接在一起, 亦可通过卫星以远程网络方式连接在一起, 可实现资源共享, 随时调用数据库、模型库、图形图像库及知识库的信息。假如将装甲兵、机械化步兵、直升机、歼击机、舰艇、反舰导弹、巡航导弹、海军陆战队和诸如A210S 和F216S 固定翼飞机以及野战集团军防空发射阵地临时接入网络, 则立即可使用高逼真度视听方法参加相互的军事演习。借助与多个模拟仿真器的连接, 班长可在各种VR 战场中以相互对抗和以敌我双方部队对抗的方式训练其部队。SIMNET系统除对参战人员进行诸种作战任务的训练外, 还可对各种武器系统的性能和效能进行研究与评估, 更可进行包括各种武器平台的大规模虚拟军事演习。上述各种任务都是在由SIMNET 系统所提供的综合虚拟战场环境内进行, 分布在不同地理位置的各种武器平台借助网络互联, 共享这一描述在同一时间和同一空间内的综合性虚拟战场环境, 以进行体系对抗的模拟。海湾战争期间, 美军用VR 技术和分布式交互仿真技术进行攻击前的模拟预演, 以验证其作战计划并提高其攻击效能。20 世纪90 年代中期, 美军耗资10 亿美元建成近战战术训练系统(CCTT) 。该系统利用众多性能先进的主干光纤网及分布式VR 系统, 将分布在不同地理位置上的各级部队、各军事院校及作战分队的众多模拟训练仿真器连接在一起, 建立综合性虚拟作战环境, 可与从韩国至欧洲约65 个工作站相连接。

    各站之间可迅速传送飞机、坦克、装甲车、各类战车、火炮及导弹等武器装备的信息与数据,使士兵能在动态的虚拟作战环境中进行军事演习; 可进行战术、战役理论的探讨及作战计划的验证, 并预测军事行动和执行作战计划的效果, 更可评估武器系统的总体性能, 以启迪新颖的作战思想。建成近战战术训练系统后, 借助局域网、广域网及远程通信网可将美陆军的各级战术训练系统、空军合成战术训练系统、野战炮兵合成战术训练系统、工程兵合成战术训练系统及防空合成战术训练系统连成一体。至2000 年, 美陆军已拥有一个包括综合作战环境所用作战单元的CCTT 模拟仿真器。目前, 美军正在开发空军的任务支援系统(AFMSS) 和海军的特种作战部队计划和演习系统(SOF2PARS) 。美国国防部打算在未来4 年内至少投资5 亿美元建立VR 联合军兵种战术训练仿真器, 将其列入美军七大军事技术需求之一, 并将其列为21 世纪重点发展的关键技术。

    2  武器系统的研制与生产
   
    计算机技术为武器系统的研制与生产提供灵活而先进的设计手段, 很大程度上提高了武器系统设计、研制及生产的技术水平和生产效率, 特别是新近发展起来的VR 技术的应用突破了常规基于两维的人2机界面模式及交互方式的局限性, 极大地增强了人的主动性和仿真方法的灵活性。VR 技术可将用高新技术设计的VR 仿真模型, 与实际的工程结构模型相结合, 实现从分析模型到工程模型及两者在虚拟的未来战场环境中的互操作, 以此来预测高新技术在未来武器系统中的应用前景。利用VR 系统, 可根据现代战争的特点和各种作战需求, 设置诸种典型的战场环境、作战背景及敌我态势, 并使其具有重演功能。在此种颇为逼真的“虚拟合成战场环境”中, 可论证新型武器系统及新军事技术的可用性, 演示“虚拟武器装备”的技术可行性、作战适用性及经济上可承受性。各种已有新型武器系统亦可借助由计算机生成的“虚拟战场”进行各种操作、演练或演习, 以提高部队使用新型武器系统的作战能力, 并及时地发现其不足, 以便对其加以改进。利用VR 系统还能对武器系统的作战效能进行合理的评估, 从而使其战技性能指标更接近于实战的需求。在武器系统开发、研制与生产方面, VR 技术可发挥其众多的重要作用。

    2. 1  武器系统体系顶层设计

    VR 技术在武器系统研制过程中, 可为军方提供先期演示,让研制者和军方共同进入虚拟的作战环境中对武器系统进行虚拟操作。研制者和军方能充分利用分布式交互模拟方法检验武器系统的设计方案和战技性能及其合理性, 避免那种在实际研制过程中经常会出现设计方案反复多变的不合理现象。从而达到从其总体质量和效能上去发展武器系统, 提高整个武器系统的技术优势, 实现武器系统体系顶层设计思想和最优的投资选案。

    VR 系统可作为武器系统体系顶层设计的有效手段, 并提供有力的技术保障。开发、研制与生产武器系统的主要任务之一是进行体系的顶层设计, 这需要根据高技术局部战争中体系与体系对抗的特点, 深入开展武器系统体系对抗的研究。由于武器系统体系结构的复杂性及试验与演示的高难度性, 唯有采用VR 系统方能在这种研究中取得满意的结果。VR 系统可对未来高技术局部战争的战场环境、武器系统的战技性能及战术运用等进行作战模拟, 以便选用那些对提高武器系统体系效能作用大、耗资少及技术可行性强的武器系统进行重点开发、研制与生产, 从而实现优化武器系统体系的整体质量及其效能。

    2. 2  缩短研制周期, 降低武器系统全寿命周期费用

    设法降低新型武器系统的造价, 并缩短研制周期, 其基本做法是: 先以VR 技术模型在人工合成的战场环境中进行试验, 通过试验的结果来确定技术设计的参数, 最后才进行首部样机的制造。利用VR 技术, 可建立“虚拟武器系统样机”。借助“虚拟武器系统样机”, 通过建模和仿真方法, 便可对武器系统的方案论证、设计、研制、生产、操作培训、使用及维护等, 在人工合成的虚拟环境中进行模拟仿真。这样不仅可缩短研制周期, 而且在武器系统工程研制阶段开始之前, 便可确定武器系统90 %的全寿命周期费用, 避免武器系统在实际研制、生产及装备部队各阶段中, 由于决策重大失误而造成资金巨大浪费, 或由于市场竞争激烈及技术的迅速发展使武器系统性能变得落后。故采用VR 技术, 能在军事需求日趋变化、技术飞速发展的时代, 以实时适用及高效费比的方式来发展武器系统。借助“虚拟武器系统样机”,还可减少研制武器系统实物样机所花费的人力、物力、财力和时间, 研究工作直接涉及到人机工程学等因素, 在设计阶段便能及早发现生产、装配及维修中将会出现的问题, 这些问题可在早期设计阶段所谓的“虚拟现场”中得到妥善解决。美陆军的“自动虚拟环境室”(CAVE) 属于一个典型的VR 仿真系统, 约耗资2 600万美元。该虚拟环境室利用三维VR 技术发展武器系统的全寿命周期仿真。它是一个借助全息图创建VR 场景与环境的试验室。

    美陆军打算在武器系统从开发到装备使用的全寿命周期, 用上述系统进行武器系统的开发、设计、研制、生产、采办、测试与评估、训练、维护、作战及后勤保障等。如美军完成M21 改进型主战坦克的作战试验, 采用实物模拟, 需花费两年时间, 耗资4 000 万美元, 而采用VR 技术,则只需3 个月时间, 耗资仅640万美元, 其效果显而易见。

    2. 3  有效地确定飞航导弹系统的作战空域, 实现省弹、省钱及省时

    飞航导弹系统性能的评定,尤其是作战空域的确定, 是各型号飞航导弹系统研制工作中的重要研究课题。传统的观念仅承认以飞航导弹靶场实弹飞行试验的结果作为依据。为全面验证飞航导弹作战空域并取得必要的统计数据, 便需有可观的飞航导弹试验发数, 就要花费昂贵的代价。

    若为了省钱而大量减少飞航导弹试验发数, 便会降低靶试结果的置信度。新的概念是, 主要以VR 技术试验作为依据来确认飞航导弹系统的作战空域, 而实弹靶试则仅作为一种有效性的验证手段。以VR 技术打靶试验替代部分乃至大部分实弹靶试。此种VR 技术概念在国外已付诸实用。现以美空军响尾蛇空空导弹发展的三个型号为例加以说明。

    由于采用VR 技术, 每个型号研制靶试实弹数, 由AIM29D 型的129 发减至AIM29M 型的35 发。实弹数的减少, 型号间的继承性固然是一个因素, 但更主要的是采用了VR 技术。根据国外对三种不同类型的爱国者、罗兰特及尾刺地空导弹研制过程中的情况统计分析, 可得到如下结论: 由于采用VR 技术, 使靶试实弹数减少了30 %~60 %; 研制费用节省了10 %~40 %; 研制周期缩短了30 %~40 % , 其效益颇高。

    美空军的先进中程空空导弹(AMRAAM) 的系统仿真极为成功。由于仿真试验充分, 在三次实弹试验后便签订了导弹生产合同。美国波音公司亦对VR 技术作过效益分析, 它用一实例来说明问题。假若做3 000 发实弹试验需两年时间, 耗资1. 2 亿美元, 而作同样次数的VR 技术试验, 仅需三周时间, 花费10 万美元。

    综上所述, 可得到如下的结论: 采用VR 技术可有效地确定飞航导弹系统的性能及作战空域, 型号研制得到颇高的经济效益。

    2. 4  弥补外场飞行试验之不足

    对于现代多模多功能飞航导弹的制导系统, 仅靠单一的飞行试验难以作出恰如其分的评估。一个多模复合系统, 为测试其多项功能, 便需在一个受控环境内, 输入各种模式情况下所需的各种激励信号, 并确定飞航导弹系统对激励信号的响应灵敏度。由于受外场飞行试验条件的限制, 多功能测试难以实现。由于某些因素, 如需在靶场实现多种特定的地面特性, 外场试验条件难以实现。比较同样型号的一个飞航导弹系统与另一个飞航导弹系统之间的差异, 外场试验亦难以实现。鉴于上述情况, VR 技术试验可弥补飞行试验之不足。

    此外, 由于飞行试验费用昂贵,不允许借助大量的试验来取得统计性数据, 而VR 技术试验则可较为简便地取得统计性数据。

    2. 5  有效地评估飞航导弹系统性能之重要方法

    现以飞航导弹制导控制系统VR 技术仿真为例加以阐述。借助于从飞行试验前的准备至飞行试验实施的全过程, 逐步形成了对飞航导弹系统性能评估方法分级的概念。以逼真程度和复杂程度作为性能评估方法分级的依据, 从工作台测试到实际作战可将飞航导弹系统性能评估方法分为如下7 级。现分别给予介绍:

    1) 工作台测试 用于提供测试单个硬件的性能参数;

    2) 设计分析 用来预测各分系统间的相互作用;

    3) 计算机仿真 又称全数字仿真, 作为一种分析工具用于预测整个飞航导弹系统的性能;

    4) 动态飞行试验 如将导引头挂在飞机上进行试验, 用以评估导引头硬件在飞行时的性能, 但不修正运动时的动态效应;

    5) 半实物闭合回路仿真 是含实物的闭合回路仿真, 如导引头在三轴转台上, 在受控的环境中进行闭合回路半实物仿真,用主计算机来实现飞航导弹的飞行动力学仿真模型;

    6) 制导飞行试验 这是在试验靶场进行的飞航导弹飞行试验, 试验中以一种特定的环境替代实际威胁的情景;

    7) 实弹发射 这是对飞航导弹系统有效性最高层次的测定。
   
    通常, 从工作台测试到实弹发射, 共分为7 级, 逐步增强其复杂性和真实性, 但实际情况仍需根据具体问题具体分析。如同一级性能评估方法亦可实现不同层次的真实性; 如制导飞行试验选用的目标, 可以是信号源、航模、靶标乃至具有代表性的威胁。环境条件可以是无干扰乃至有严重的敌对干扰等。当其采用较逼真的实际威胁的目标模型时, 计算机仿真、动态飞行试验及半实物闭合回路仿真等不同级的性能评估方法亦可实现相似层次的逼真程度。

    无论是VR 技术试验还是飞行试验, 都要根据需要验证的问题与方案, 恰当地选取逼真程度是绝对必要的。高逼真度是通过增加系统的复杂性、增大成本及花费较长的研制时间来获取的。

    过份的要求将会浪费有价值的资源。反之, 不满足逼真度要求时, 回答系统问题所得出的答案将是无意义的。上述7 级性能评估方法, 不应将其视为无关的,而应将其视为有着内在有机联系的。如计算机数学仿真和半实物仿真都将成为飞行试验分析有价值的工具。另一方面, 飞行试验数据将成为一种基准, 用于判断仿真预测的真实性。

    2. 6  能为飞航导弹技术和管理决策提供科学的依据

    近10 多年来, VR 技术在飞航导弹系统研制中已有了飞速的发展, 从单项应用发展到全系统应用, 从某一阶段应用发展到全过程的应用。现代VR 系统的建立与完善已成为飞航导弹系统从研制到装备不可缺少的重要组成部分。一个飞航导弹系统的全寿命周期包含可行性论证阶段、方案设计阶段、工程研制阶段、批量生产阶段及装备使用阶段。在这些大阶段中, 由前一阶段转入后一阶段时, 存在着带根本性的关键时刻, 此时需要作出技术性和管理性的决策, 一种日趋感到重要并具有颇高价值的能用于决策的信息资源是飞航导弹系统的仿真。因为仿真系统可提供如下优越性:·进行成本有效性的分析, 并寻找到有效降低研制成本的途径;·颇具说服力的系统认证;·可信赖的系统性能评估,包括不同方案、不同状态及不同技术参数时的性能比较;·按预定日程装备部队的可行性分析;

    当出现新型威胁时, 可迅速反映出对飞航导弹系统的影响。迄今飞航导弹系统仿真已从研制性仿真发展到全寿命周期仿真。当然, 研制性仿真仍然是极为重要的组成部分。所谓全寿命周期是指从研究确定战术技术指标开始, 直至装备部队使用的全过程。通常可分为如下7 个阶段;

    1) 技术可行性论证阶段;

    2)设计阶段(包括概念设计、方案设计和工程设计) ;

    3) 工程试制阶段;

    4) 飞行试验阶段;

    5) 鉴定和定型阶段;

    6) 批量生产阶段;

    7) 装备使用阶段。

    前5 个阶段都属于研制性仿真。这7 个阶段中任一阶段都有相应的仿真内容, 各阶段的仿真应用如下:

    1) 可行性论证阶段 

    用于研究战术技术指标的合理性与可行性,主要进行技术基础的研究,包括风险评估、技术途径探讨、新概念的形成、新概念的可行性分析及新概念的选用等;

    2) 设计阶段 

    用于比较并选定飞航导弹系统方案, 并确定对分系统的主要参数要求, 包括技术论证、新概念确认、系统总体设计、体系结构优化及合理选取资源等;

    3) 工程试制阶段 

    用于理解系统、摸清系统性能及对飞航导弹系统性能作出初步评估, 亦包括开发系统作战软件等;

    4) 飞行试验阶段

    用于验证设计的合理性并对系统性能作出评估, 包括试飞前试飞性能的预测、试飞后结果分析、故障原因分析、数学模型修正及对飞航导弹系统的某些参数的修改等;

    5) 鉴定和定型阶段

    利用已确认的具有较高置信度的仿真系统, 进行统计性试验, 得到整个作战空域各种作战情况下对诸种目标的杀伤概率;

    6) 批量生产阶段

    用于投产前决策研究, 包括对飞航导弹系统的确认等, 从生产成本和工艺可行性着眼, 在可生产性和技术指标之间作出最优选取, 调整某些测试参量的公差范围, 在确保系统质量的基础上设法降低成本;

    7) 装备使用阶段

    用于暴露飞航导弹系统的薄弱环节, 评价系统改进方案, 评估对新型威胁的响应能力及进行操作使用培训仿真等。

    由于VR 系统拥有充分而可信的大量仿真信息, 从而减少了研制工作的盲目性和不确定因素, 使技术和管理决策正确、合理、及时并有依据, 因此建造一个贯穿于飞航导弹系统研制、生产及装备的各阶段并能为各阶段决策服务的仿真系统是必需的,从上述介绍可见, VR 技术在飞航导弹系统研制、生产及装备中所起的重要作用。

    3  语束语

    自20 世纪90 年代以来,VR 技术的研究规模及应用范围愈益扩展。当今世界上众多经济发达国家都在大力地研究与开发VR 技术, VR 技术之所以能被掀起如此大的研究热潮, 根本原因并不在于其自身的理论发展与完善,而在于它在诸领域内富有成效的应用效益及其宽阔的发展前景。VR 技术是21 世纪国防高科技发展的一个重要方向。

    它的发展必将对诸多领域产生重大的影响。21 世纪亦将是人类普遍应用VR 技术的时代。若能尽快将VR 技术应用于军事教育与训练、武器系统的研制与生产, 必将对我国国防工业建设产生深远的影响。

    参考文献

    1  蒋庆全. 虚拟现实技术的军事应用. 现代防御技术, 2001 (2) : 44~49

    2  王保存. 军用虚拟现实技术. 外国军事学术, 1998 (3) :62~64

    3  石怀林. 虚拟现实技术在军事上的应用. 外国军事学术,1997 (10) :58~64

    4  刘映国. 虚拟现实技术及其军事应用. 现代军事,1997 (11) :45~46

    5  蒋庆全. 仿真技术在军事电子信息系统中的应用. 情报指挥控制系统与仿真技术, 1998 (7 、8) :54~60 55~61

标签:美国军事
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