仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础,以计算机和专用设备为工具,用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门多学科的综合性技术。由于仿真技术具有良好的可控性、经济性、无破坏性,并具有不受外界条件限制、可多次重复使用等特点,所以仿真技术在军民两个方面的应用非常广泛。
一、仿真技术的军事应用
军事领域历来是人类高新技术的主要发源地和试验场,军事教育领域历来是人类最新教育技术的孕育地和实验室,这早已被人类科学技术和教育技术的发展史所证明。仿真技术也不例外地在各军事领域得到广泛应用,并在军事应用中得以持续发展。
(一)训练模拟
仿真技术在军事领域中最早、最普遍、收效最大的应用是训练模拟应用。在世界发达国家的军队中,训练模拟器材的应用早已非常普遍。目前,北约各国都将模拟器材列为部队的正式装备。凡是装备武器,就装备相应的仿真器,以加速武器系统的装备过程,节省训练费用。如英军规定,“米兰”导弹要在仿真器上训练1000次以上,方可进行实弹训练。
我军虽然在训练模拟器材研制和应用方面起步比较晚,但到1996年,已经在许多方面取得了很大的成绩。在该年度举办的全军训练模拟器材展览中,展示了苏-27飞机仿真训练系统、某型导弹仿真训练系统等一大批高水平的成果。特别是近年来全军贯彻军委提出的“科技兴训”要求,仿真技术在“训练模拟化”中发挥着更重要的作用。
(二)作战模拟
利用计算机和通信网络,在仿真的作战背景中(包括假想敌、地理、天候等),把仿真的各军兵种指挥机构和仿真的各作战单位组织一个分布式交互仿真系统(模拟战场),进行分布式交互仿真对抗演练和演习,训练指挥员在高技术条件下局部战争中的实时决策能力;验证采用的战略、战术是否得当;研究和检验新思想、新方案;为武器装备的研制提供明确的作战要求等。
美国在海湾战争前,利用扩展的防空仿真系统(EADSIM)对1991年1月17日海湾战争最初18小时的空袭过程进行作战任务预演。飞行员在作战前,先在飞行作战仿真器上进行仿真作战飞行,熟悉作战航线的地形地貌、目标情况、气象情况、昼夜变化、可能遇到的敌方火力及电磁威胁,并对飞行员所采取的对策进行评估、修正,然后执行战斗任务,从而保证安全、高效地完成作战任务。
(三)研究试验
在国内外军事装备研制中,从方案设计到生产定型都广泛使用仿真技术。如美国F-16战斗机的研制,一开始就使用计算机仿真,从1600种方案中筛选出16种,然后再进行风洞试验,确定出最佳方案。我军各种军用通信装备设计、定型前,也首先通过仿真试验系统进行通信效能及抗干扰性能试验。据美国对“爱国者”、“罗兰特”、“针刺”三种型号导弹试验定型的统计,采用仿真试验,实弹试验次数可平均减少43.6%,节省经费上亿美元。
在军事领域发展起来的仿真总体技术、仿真理论和方法、建模与验模方法、仿真工程数据库、仿真计算机等,同时又有着广阔的民用前景,具有巨大的经济效益和社会效益。如在制造业中,加工过程仿真可以使制造工程师及时发现设计过程的问题;生产线作业仿真可以检验计划和调度是否合理,有效减少库存。如在农业中,通过仿真可以使农药用量准确、适时;通过仿真植物与环境、养分、虫害等相互关系,改进农业管理,增大收获。
二、仿真技术的发展趋势
信息技术和网络技术的发展,完全改变了传统的仿真概念,出现了分布式交互仿真。分布式交互仿真是一种新兴的仿真技术,它采用协调一致的结构、标准、协议和数据库,通过局域网和广域网将分散在各地的人、仿真器形成一个时间和空间上相互耦合的虚拟战场环境。从而把分散在不同地点的新武器系统、新技术开发试验者、使用者联系在一起,使他们能有效地进行交互作用。这不但使新技术、新武器信息能从开发者向使用者“前馈”,还能使作战概念、条令从作战研究人员向新技术开发者“反馈”。
作为21世纪具有战略性的技术,仿真技术将深刻影响国民经济和国防科学技术的发展。为适应21世纪信息社会发展的需要,信息处理和仿真应系统建立在一个多维的信息空间上,建立在一个定性和定量相结合、感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中,形成人机和谐的仿真环境。
虚拟现实技术是支持人机和谐的仿真环境的主要关键技术。虚拟现实技术在综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种科学技术基础上发展起来,本质上是一种先进的计算机用户接口。虚拟现实能使受训人员有身临其境的真实感,除模拟视、听、触觉外,还能通过数据手套直接操作对象。建立在多维知识网络基础上的分布式虚拟现实系统,是仿真技术的重要发展方向。
三、分布式交互仿真在通信士官教学中的实践
通信兵是技术密集型兵种。我校肩负着面向全军培养通信士官的重任。为培养适应未来高技术局部战争需要的通信士官人才,我校发挥训练模拟研究优势,把分布式交互仿真技术应用于通信士官教学实践,取得了良好效果。“无线电台通信分布式交互仿真训练系统”的研制和应用是成功的一例。它为解决复杂电磁环境下无线电台通信训练这一多年困扰院校和部队的训练难题提供了有力的手段,在院校教学和部队训练中发挥了积极的作用。
系统功能设计
无线电台通信分布式交互仿真训练系统是实战环境下无线电台通信仿真训练平台,主要实现了:
1、为通信组织与训练,特别是复杂电磁条件下的通信组织与训练提供有效的平台;
2、模拟无线信道组网训练;
3、仿真复杂电磁干扰环境,解决实装训练中“强敌”不强的问题;
4、组织司令机关携带通信工具的室内演习;
5、利用仿真系统对通信组织及抗干扰训练进行效能评估。
(二)系统拓朴结构
无线电台通信分布式交互仿真训练系统是一个运行在局域网上的分布式交互仿真环境,运行在Windows 98操作系统上。系统由导控台和若干个仿真结点(军级24结点、师级12结点)构成。拓朴结构如下图:
图表 1:系统拓朴结构图
(三)系统技术实现
系统是一个分布式交互仿真环境,系统利用了计算机网络技术、数据库技术、多媒体技术、计算机控制技术;采用了面向对象的设计思想,突出实时性、真实性、可操作性、可再现性;组态灵活、易于扩充。
系统采用组件化的设计方法,通过软、硬件组件来仿真电台通信。体系结构如下图:
图表2:系统体系结构
下面以无线电台组件仿真、信道和干扰仿真、通信实效仿真等关键技术的具体实现简单表述如下:
1、建立无线电台组件仿真模块库
适应通信装备和通信技术(如跳频、扩频、自适应等)模块化、软件化的发展趋势,利用计算机多媒体技术、组态技术和可视化界面对通信装备组件模块进行仿真,建立无线电台各种组件的仿真模块库,用以合成各类软.硬件无线电台。
2、建立仿真信道和干扰模型
实装电台工作时,作为信息传输媒介的无线电波传播过程中会发生反射、折射、多径传输、信号衰减、多普勒频移等现象,同时受到外部电磁环境的影响,这些物理现象用仿真信道和干扰模型加以描述。
图表3:仿真信道和干扰模型
3、无线电台通信实效仿真
利用数字信号处理技术、语音处理技术,对通信距离、天候情况、地形地貌、天线类型、工作频率、工作时间、工作方式、通信干扰、装备技术水平等对通信效能有较大影响的因素进行分析、运算、综合,对通信实效进行仿真。以研究不同的作战地域、不同的作战时间影响无线电台通信的主要因素,为通信组织方案的制定、调整以及通信装备的研制提供可靠的依据。
4、电子对抗背景下通信技术和战术仿真
根据不同假想敌的电子对抗装备技术资料和组织运用特点模拟敌军电子对抗部队,附以声、像模拟真实的电子战背景,创造与“强敌”对抗的环境,克服实装训练中“强敌”不强和人为因素造成的不真实性,使通信人员真实地感受电子战环境,定量分析、定性评估通信方案的可行性和战法水平,提高通信战斗力。
该系统研制成功后,首先用于我校无线电台专业通信士官教学,取得了良好效果;1999年11月作为竞赛平台用于全军通信兵科技练兵专业竞赛,获全军通信兵科技练兵专业竞赛特等奖;在竞赛中,该项目作为通信兵科技练兵优秀成果向总参首长作了演示汇报;总参通信部将于今年11月在第X、X集团军,步兵第X、X、X师等5个重点方向部队安装该系统,开始在全军进行试点训练。可以相信,“无线电台通信分布式交互仿真训练系统”将会在通信兵无线电台训练中发挥积极的作用,仿真技术也将会在通信部队科技练兵中得到更广泛的应用。