浅析仿真技术在无人机训练中的应用.pdf

2023 年 5 月第 19 卷 第 2 期系统仿真技术System Simulation TechnologyMay，2023Vol.19，No.2浅析仿真技术在无人机训练中的应用李建国，王涛（国防科技大学 系统工程学院，湖南 长沙 410073）摘要：为了解决无人机训练技术要求高、损耗大的问题，提升无人机从单兵到集体全过程训练效率，提出“无人机训练仿真”新型训练模式。综合运用仿真技术方法，充分利用已有软、硬件条件，通过在无人机不同训练阶段，系统采用虚拟仿真技术、虚拟现实技术、分布交互式仿真技术、网格技术、集成环境仿真技术，探讨无人机训练中仿真技术全过程融入，充分发挥仿真技术辅助训练的可重复性、经济性和科学性优势，充分提升训练效能。关键词:无人机；仿真技术；辅助训练Brief Analysis of Simulation Technology Application to Military Unmanned Aerial Vehicle TrainingLI Jianguo，WANG Tao（System Engineering Institute，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）Abstract：In order to solve the problem of high requirement for technology and great loss in UAV（Unmanned aerial vehicle）training，a new mode of“UAV training+Simulation”has been proposed to improve the efficiency of UAV training from individual stage to comprehensive stage.In different training stage，by comprehensively using existing technologies such as Virtual Simulation，Virtual Reality，Distributed Interactive Simulation，Grid Technology and Integrated Environment Simulation，the advantages of the repeatability，economy and feasibility of simulaion technology application to assistant training is investigated，and the training efficiency can be greatly improved.Key words：unmanned aerial vehicle；simulation technology；assistant training随着现代科技的迅速发展，智能化战争是未来战争的发展趋势，而无人机更是智能化战争中的关键角色，无人机在各领域应用的深度和广度不断增加1。目前，无人机系统在侦察监视、目标指示、火力引导、电子对抗、空中格斗、反导拦截、诱敌惑敌、通信中继、对地攻击等各类作战运用中发挥着重要作用2。而仿真技术以其经济性、可重复性优势，可在无人机训练中发挥辅助作用，通过在无人机实际飞行前组织仿真研究与评估工作，可以极大地降低无人机试飞风险，提高科研和训练效率 3-4。通过建立无人机仿真平台，用虚拟传感器代替无人机的真实传感器等方式5，将部分无人机实飞训练迁移到仿真训练上来，促进训练效益和经济效益提升。“无人机训练仿真”在无人机全过程训练过程中有着巨大前景。1 无人机单兵训练中仿真应用 1.1无人机系统单兵训练现状无人机系统是科技领域不可或缺的重要角色，发展快，应用广，技术水平高，通常由无人机体、任务载荷、控制站、通信系统等部分6组成。不同类型的无人机（大、中、小、微）其造价不同，训练消耗也不同。对于通信作者：李建国，E-mail:中图分类号:TP391.9 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.02.003系统仿真技术第 19 卷 第 2 期新手来讲，极易造成无人机训练损耗，而建模与仿真技术由于其经济性、可重复性、高效性可增强训练效率，提升单兵训练效果，使操作者最短时间内了解装备、掌握装备。目前，国内已开发出小型无人机飞行控制模型并投入使用7，实现对无人机的全过程飞行监控。利用试验平台控制、模拟器指令、数据获取、数据中心与设备交互等功能，实现对无人机地面飞行仿真、地面检测和故障诊断，但尚无成体系单兵仿真辅助训练系统。1.2无人机虚拟仿真训练1.2.1数据搜集与建模虚拟仿真本质是利用虚拟系统（软件模型）来模拟真实系统，其模拟过程是建立在真实系统数据基础上。通过对真实数据的搜集整理，选取影响训练的关键因素，作为仿真模型建立的参数，并选取合理算法，建立适宜的训练模型。针对无人机系统，要区分旋翼、固定翼类型，根据其任务载荷（武器、侦察、通信中继等）、体型大小等，对不同组成部分（无人机、控制单元、通信系统等）分别统计实践数据，确定训练目标，按照可行、可信、经济、集成原则8选取指标参数并建立合适的数学模型。1.2.2软、硬件开发根据建立的训练模型，选用成熟的软、硬件，如光纤、集成电路、软件工具、内存、显卡、处理器、数据库、操作系统等软件。这一过程是将实践数据转化为虚拟模型的关键，要采用相对成熟的仿真技术、图像处理技术等，利用运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器和环境仿真器等设备将无人机系统操作训练过程转化为通过人机接口（如控制手柄、鼠标键盘）操作软件的过程，通过计算机中软件界面输出无人机起飞、航行、任务操作（如射击、拍照、引导、定位、通信）、回收等一系列操作模拟结果。1.2.3情境模拟与训练要建立不同类型无人机系统不同环境下训练场景数据库，针对不同任务、不同环境（天气、地理等）建立不同情境，根据训练任务要求选取不同情境，根据模拟结果数据，调整优化操作方法，提升训练效率，尽快掌握操作方法。1.3无人机虚拟现实训练无人机虚拟现实训练是利用虚拟仿真技术9，让操作者“沉浸”在模拟环境中观察、操作、检测无人机并与其进行交互，实现现实复杂环境再现。由于虚拟仿真现实更加直观形象，可以使操作者在模拟训练时感受到实机训练时所产生的视觉、听觉、触觉以及嗅觉，可迅速提升训练效果。开发虚拟仿真系统要建立在开发虚拟仿真技术的基础上，根据无人机控制过程设计仿真系统。由于其实现复杂、功能相对单一，只能模拟部分功能，应将仿真重点放在飞行控制上。要综合运用模拟器10（转台、负载器、红外、压力模拟器）、视景系统、音响系统，考虑在人体行为规律的基础上充分利用机电技术、传感技术、人工智能技术，设计合理的训练情境，让操作者通过人机接口进行输入、反馈、控制，利用仿真情境有效地提升操作人员训练效果。2 无人机编组训练中的仿真应用 2.1无人机编组训练现状在无人机单兵训练完成后，要转入编组训练，进一步发挥无人机作战效能。编组训练建立在个体熟练操控无人机的基础上，根据任务需要实施人机协同、自主协同、“蜂群”攻击、瘫体失能作战等。为了提升训练效果，要进行编队训练、对抗训练，这类训练对操作者要求更高，风险更大。2.2无人机分布交互式仿真训练2.2.1分布交互式虚拟仿真无人机训练分布交互式仿真11融合了仿真技术与网络技术，让仿真终端在网络支持下完成分组交互。分布交互式虚拟仿真，即通过网络技术将不同层级、不同点位的虚拟仿真系统连接起来，在线共享训练信息，让有协同需求的编组成员实时通过虚拟仿真系统操控无人机，在统一的虚拟平台上进行战术演练。该训练方式需要建立统一的管理平台，通过该平台将不同点位的虚拟仿真训练系统整合到网格体系中，实时传输数据。通过设置不同环境条件，针对不同成员数量进行编队组合，通过接力通信，完成行动协同和分组对抗；通过不断演练战术战法，提升战斗力水平。2.2.2分布交互式虚拟现实无人机训练分布交互式虚拟现实训练技术通过将分布交互式仿真技术与虚拟仿真技术结合，让编组训练人员在接近实战的视听环境中完成操作训练，该种训练方式对硬件、软件平台的要求更高，对数据传输及实时反馈要求更严。要充分利用计算机技术、虚拟空间技术、人机交互技术、网络技术和多媒体技术，让操作者通过虚拟仿真设备“真实”地看到、听到所操控的无人机在各类模拟环境中编队、接力、配合、分散各阶段状态，共同完176李建国，等：浅析仿真技术在无人机训练中的应用成训练任务。2.3面向对象的无人机仿真技术无人机系统发展至今，种类、型号十分繁杂，在完成作战任务时需要不同类型的无人机合理编组，但不同类型的无人机对应不同的仿真模型，要使这些模型相互作用，重新开发仿真系统十分复杂，而面向对象仿真技术则可简化这一过程。面向对象的仿真训练是通过面向对象的仿真技术，将编组内不同类型的无人机看作相互作用的对象，将整个训练编组视为一个整体，整体行为由各个无人机对象通过数据接口（操作端）相互交换信息。面向对象技术由于有更好的封装性，可在更高层次的体系结构上实现不同仿真系统互操作，提升仿真系统的可重用性，便于不同层次和粒度的无人机模型相互作用，更好地辅助各类无人机在编组训练中实现仿真。3 无人机综合演练中仿真应用 3.1无人机综合演练现状在完成单兵训练、编组训练后，无人机训练将转入综合演练阶段。该阶段通过各类综合性演练对无人机训练效果、无人机作战效能进行检验。目前无人机装备已渗透到各类综合性演练中，并发挥出不可替代的作用。目前，综合演练中人机协同演练、高对抗环境下无人集群编组训练、复杂环境下无人机适应训练成为训练重点内容。在该阶段要想充分发挥仿真技术的辅助作用，必须利用网格军事仿真技术、集成环境仿真技术，助力演训效果，提升作战效能。3.2无人机仿真想定系统想定是对一个或多个事件进行的假想12，通过假想对战斗过程进行预演预判。鉴于无人机在战场应用中仍属新生事物，对想定环境有特殊要求，最大限度地发挥无人机的作战潜力，提升战斗效能，在综合性军事演练中有必要设计专门的无人机仿真想定系统。无人机综合演练仿真系统要根据不同任务目标（如侦察、引导、通信、打击等）对任务环境系统进行全面分解，区分自然环境、数据、无人机体、作战标记等对象进行数据化转换，并利用统一的数据编辑器规范数据格式。根据任务目标、任务背景、任务环境、任务阶段、时限要求等开发仿真想定系统。通过统一的想定模型，确保演练过程各层次数据的规范化、标准化、程序化，提升仿真系统置信度和可靠性。3.3基于网格仿真技术的无人机综合演练分布交互式仿真技术在局域网内实现无人机模拟终端的交互。在此基础上，通过构建地图信息系统想定环境，充分利用数据库及通信基础设施，实现设备无缝连接，借助网格完成仿真建模、制作、集成和实验，即网格军事仿真技术。综合演练中涉及的要素（地形、水文、气象、地质、人员、装备、通信、后勤、攻防）仅仅依靠专门的分布交互网络已难以满足任务需求，这就需要网格技术将网络中各类计算资源、存储资源、通信资源、模拟资源整合起来，通过大数据、作战云来统筹演练对象各类行动，对其数据进行采集、分析、反馈。无人机在高对抗环境以及不同环境条件下，采取什么方式完成任务，从作战方案确定、飞行路线选择、任务载荷加载、型号选定、编组方案确定、任务执行到任务成果评估都可以在网格体系内完成评估检验以及复盘重演。3.4无人机综合演练的集成环境仿真任何演练仿真系统中环境集成13都是重要的组成部分。环境集成要通过数学手段对自然环境、电磁环境甚至人文环境进行建模，将人员、装备、通信、情报、后勤、攻防行为进行量化，采用静态或动态的多维数据场拟合方法，充分考虑环境效应（即环境动态变化对仿真结果的影响）。此外还要充分利用现代地图学，将二维地图转化为三维地图，利用虚拟仿真技术将战场环境集成到仿真训练系统中。有学者围绕无人机夜间突防的典型作战样式，设置了模拟实验场景，引入注意力机制中，提升仿真效果14。通过集成环境仿真让参演对象根据环境变化调整无人机编队方式、战斗方案，并及时反馈作战结果数据，在人机交互过程中提升训练水平，选定更优方案，提升战略战术水平。4 无人机训练仿真结果评估 仿真系统是对真实情景的模拟，无法完全替代实机实境训练，需要通过系统校核、验证及确认技术提升仿真系统准确度、效率、可行性、置信度，推动仿真系统向自动化、规范化和集成化发展，进而提升训练实际效益。对此要充分适应无人机系统发展水平，利用信息技术、控制理论、相似原理、系统工程等最新理论成果，依托计算机等设备，开发仿真训练系统同时开发配套训练效果评估检测系统，达到虚实合一的效果。仿真技术在无人机训练中的应用如图1所示。177系统仿真技术第 19 卷 第 2 期5 结 论 综上所述，无人机训练从单兵到编组、从编组到综合是训练由浅入深的进阶过程，不同阶段采用不同的仿真技术，各类仿真技术由虚拟仿真到虚拟现实仿真，由单机仿真到分布交互仿真乃至网格仿真，对仿真软、硬件要求越来越高。由于不同训练机型，不同训练任务所需训练模型复杂繁多，可在以往的仿真系统开发基础上统一技术标准，统一接口规范15，充分采用组件化、标准化技术提升仿真系统的通用性、标准化和程序化，提升各类仿真模型的适应性和可移植性，在提升训练效益的同时压缩开发成本，提升其经济性。参考文献：1LIU C，SZIRNYI T.Real-time human detection and gesture recognition for on-board UAV rescueJ.Sensors，2021，21（6）：2180-2201.2杨积浒.无人机发展运用及对作战的影响 J.军事学术，2013，4：73-74.YANG Jihu.Development and application of UAV and its influence on combat J.Military Scholarship，2013，4：73-74.3MUALLA Y，BAI W，GALLAND S，et al.Comparison of agent-based simulation frameworks for unmanned aerial transportation applications J.Procedia Computer Science，2018，130（5）：791-795.4VALAVANIS K，VACHTSEVANOS G.UAV modeling，simulation，estimation，and identification：introductionJ.Handbook of Unmanned Aerial Vehicles，2015（1）：1215-1215.5张佳，李玥婷，陈文颉.面向自主导航的无人机仿真实验平台构建 J.实验技术与管理，2013，1：71-76.ZHANG Jia，LI Yueting，CHEN Wenjie，Construction of simulation experimental platform for UAV autonomous navigationJ.Experimental Technology and Management，2013，1：71-76.6毛俊生.外军无人机系统的战术运用及启示 J.海军军事学术，2012，3：43.MAO Junsheng.Tactical application of UAV system in foreign army and its enlightenmentJ.Naval Military Academy，2012，3：43.7王文亮.无人机综合仿真与测试平台技术研究 J.计算机测量与控制，2019，27（9）：13-17，27.WANG Wenliang.Design of an UAV ground comprehensive experimental platformJ.Computer Measurement&Control，2019，27（9）：13-17，27.8郑威.军事领域中建模与仿真技术应用探 J.信息化技术应用，2018，10：33.ZHENG Wei.Application of modeling and simulation technology in military field J.Application of information technology，2018，10：33.9牛增瑞.基于系统仿真与虚拟现实的军事体系对抗探究 J.无线互联科技，2019，16（7）：15-16.NIU Zengrui.Research on system antagonism based on system simulation and virtual realityJ.Wireless Internet Technology，2019，16（7）：15-16.10王群辉，张跃军，史建波，等.浅析仿真在军事应用中实现的支撑技术 J.电子制作，2015（8）：223.WANG Junhui，ZHANG Yuejun，SHI Jianbo，et al.Analysis of support technologies for simulation in military applications J.Electronic Production，2015（8）：223.11黄勇，孟庆鑫.浅谈仿真技术在军事领域内的应用J.计算机与网络，2015，41（6）：63-67.（下转第184页）图1仿真技术在无人机训练中应用Fig.1Application of simulation technology in UAV training178系统仿真技术第 19 卷 第 2 期40（6）：92-957孔衍，刘学，杨建基于遗传神经网络的联合作战方案评估J火力与指挥控制，2019，44（5）：22-25，30KONG Yan，LIU Xue，YANG Jian Research on evaluation of joint operation scheme based on genetic neural networkJ Fire Control&Command Control，2019，44（5）：22-25，308黄柯棣，赵鑫业，杨山亮，等.军事仿真分析评估系统关键技术综述 J.系统仿真学报，2012，24（12）：2439-2447.HUANG Kedi，ZHAO Xinye，YANG Shanliang，et al.Overview of key technologies of military simulation analysis and evaluation systemJ.Journal of System Simulation，2012，24（12）：2439-2447.9胡晓峰，杨镜宇，司光亚，等战争复杂系统仿真分析与实验 M 北京：国防大学出版社，2009.HU Xiaofeng，YANG Jingyu，SI Guangya，et al.Simulation analysis and experiment of war complex systemM.Beijing：National Defense University Press，2009.10蔡延曦，孙琰，张卓.武器装备体系作战效能评估方法分析 J.兵工自动化，2008，27（10）：24-26.CAI Yanxi，SUN Yan，ZHANG Zhuo.Analysis of combat effectiveness evaluation method of weapon equipment system J.Ordnance Industry Automation，2008，27（10）：24-26.王志勇 男（1976-），河北馆陶人，工程师，主要从事核安保响应力量研究工作。张党辉 男（1975-），河南洛阳人，学士，主要研究领域为人防体系建设，突发事件处置，反恐训法、战法研究，侦察情报专业研究等。HUANG Yong，MENG Qingxin.Application of simulation technology in military field J.Computer and Network，2015，41（6）：63-67.12李玉成，杨明，马萍.军事仿真想定开发方法研究 J.现代防御技术，2007（5）：134-139.LI Yucheng，YANG Ming，MA Ping.A survey of military simulation scenario establishment methods J.Modern Defence Technology，2017（5）：134-139.13孙召鹏，赵东海，李鸿亮.战场环境仿真军事应用探索 J.求知导刊，2018，24：58.SUN Zhaopeng，ZHAO Donghai，LI Hongliang.Military application of battlefield environment simulationJ.Journal of Seeking Knowledge Guide，2018，24：58.14郝 立，张皓迪.面向无人机作战的复杂光照环境下小目标检测方法研究 J.系统仿真技术，2022，18（2）：85-89，95.HAO Li，ZHANG Haodi.Research on small target detection method in complex lighting environment for UAV operationJ.System Simulation Technology，2022，18（2）：85-89，95.15王睿，姜 宁.一种改进的军事训练效果定性评估指标量化方法 J.指挥控制与仿真，2018，40（4）：57-61.WANG Rui，JIANG Ning.An improved quantifi cation method of military training effect qualitative evaluation indexes J.Command Control Simulation，2018，40（4）：57-61.李建国 男(1986-)，河北涞水人，硕士，主要研究方向为公共管理。王 涛 男（1976-），湖南长沙人，副教授，主要研究方向为人工智能。（上接第178页）184