據(jù)美軍“真實(shí)－虛擬－構(gòu)造”（Live－Virtual－Constructive，LVC）仿真訓(xùn)練的總承包商立方體公司網(wǎng)站于2019年8月7日發(fā)布的公告，其防務(wù)業(yè)務(wù)部門和作戰(zhàn)空間仿真公司（BSI）簽署協(xié)議，聯(lián)合開(kāi)發(fā)LVC訓(xùn)練解決方案。BSI是模擬威脅環(huán)境和計(jì)算機(jī)兵力生成工具的領(lǐng)導(dǎo)者。根據(jù)協(xié)議，雙方將把BSI的現(xiàn)代空戰(zhàn)環(huán)境（Modern Air Combat Environment，MACE）整合到立方體公司的空中和地面訓(xùn)練產(chǎn)品中，以滿足軍方日益增長(zhǎng)的在現(xiàn)實(shí)和復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中訓(xùn)練的需求。MACE將提供多域計(jì)算機(jī)兵力生成，包括模擬武器制導(dǎo)和發(fā)射、最先進(jìn)的武器系統(tǒng)和基于物理的電磁波譜仿真。LVC環(huán)境作為未來(lái)主流的訓(xùn)練手段，為何會(huì)選中MACE？

一、MACE簡(jiǎn)介    BSI公司的MACE 是一種美軍用于聯(lián)合作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)訓(xùn)練和目標(biāo)生成的計(jì)算機(jī)兵力生成／半自動(dòng)生成（CGF ／ SAF）應(yīng)用程序。MACE允許用戶配置平臺(tái)、武器、環(huán)境的參數(shù)，以及雷達(dá)脈沖、掃描范圍和波束特性等。支持分布式交互仿真（DIS）體系結(jié)構(gòu)，包括仿真管理、實(shí)體狀態(tài)、毀傷評(píng)估和數(shù)據(jù)記錄等，具有大規(guī)模和用戶可擴(kuò)展的作戰(zhàn)環(huán)境，能夠適用于多種仿真層級(jí)，尤其在交戰(zhàn)級(jí)具有極高的逼真度。此外，MACE的視景系統(tǒng)能用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和聯(lián)合近距支援的實(shí)裝訓(xùn)練中。MACE可以模擬五代機(jī)（國(guó)內(nèi)稱第四代）平臺(tái)，包括低可觀測(cè)平臺(tái)、有源和無(wú)源電子掃描陣列（AESA和PESA雷達(dá)）以及復(fù)雜電磁環(huán)境的戰(zhàn)場(chǎng)

MACE經(jīng)認(rèn)證可用于美空軍的分布式任務(wù)操作網(wǎng)絡(luò)（DMON），非常適合獨(dú)立場(chǎng)景創(chuàng)建、任務(wù)預(yù)演和分布式任務(wù)模擬。憑借MACE強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄模塊，可以記錄DIS網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)并且實(shí)時(shí)添加標(biāo)注，顯示出各類關(guān)鍵事件發(fā)生時(shí)間。最新版本的MACE已經(jīng)加入了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)鏡頭下的實(shí)時(shí)沙盤（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

二、MACE主要特點(diǎn)

1．用戶范圍廣

MACE部署地點(diǎn)（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

MACE得到美空軍分布式任務(wù)作戰(zhàn)（CAF－DMO）認(rèn)證，擁有800多個(gè)生產(chǎn)許可證。MACE目前應(yīng)用于美空軍A－10項(xiàng)目、第160特種作戰(zhàn)航空?qǐng)F(tuán)（SOAR）、分布式任務(wù)作戰(zhàn)中心（DMOC）、分布式訓(xùn)練作戰(zhàn)中心（DTOC）、分布式訓(xùn)練中心（DTC）、任務(wù)準(zhǔn)備作戰(zhàn)中心（MROC）以及100多套已部署和訂購(gòu)中的聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練設(shè)備，包括先進(jìn)的空中國(guó)民警衛(wèi)隊(duì)聯(lián)合末端攻擊控制員（JTAC）訓(xùn)練系統(tǒng)、聯(lián)合終端控制訓(xùn)練和演習(xí)系統(tǒng)（JTC TRS）、JTAC／“戰(zhàn)術(shù)空中控制組”（TACP）作戰(zhàn)模擬套件、美海軍聯(lián)合虛擬環(huán)境（CAVE）等。此外，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）在其5米JTAC球幕以及聯(lián)合戰(zhàn)區(qū)空地模擬套件中使用MACE進(jìn)行空中支援作戰(zhàn)中心（ASOC）訓(xùn)練，并在其MQ－1“捕食者”／MQ－9“死神”無(wú)人機(jī)的綜合網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)環(huán)境（PRINCE）中使用MACE。兩個(gè)主要的MQ－9“死神”收割者訓(xùn)練系統(tǒng)最近也切換到了MACE（這兩個(gè)項(xiàng)目之間總共有大約100個(gè)系統(tǒng)）。美軍特種作戰(zhàn)司令部最近宣布，他們所有的模擬器將升級(jí)，使用MACE作為構(gòu)造環(huán)境，包括AC－130、MC－130和CV－22模擬器。

MACE和MACE－EW都具有相同的信號(hào)生成能力。MACE－EW的區(qū)別在于包括兩個(gè)獨(dú)立的全向接收機(jī)、方位顯示器、一個(gè)模擬的ALE－50拖曳誘餌和一個(gè)模擬的USQ－113通信干擾機(jī)。由于MACE－EW具有生成高保真雷達(dá)信號(hào)的仿真能力，也被廣泛用作獨(dú)立的或可聯(lián)網(wǎng)的電子戰(zhàn)模擬訓(xùn)練。BSI為英國(guó)和澳大利亞提供了兩個(gè)獨(dú)立的電子戰(zhàn)培訓(xùn)教室。此外，所有美國(guó)空軍作戰(zhàn)系統(tǒng)軍官（CSO）使用BSI模擬的電子戰(zhàn)顯示套件進(jìn)行飛行訓(xùn)練。

電子戰(zhàn)顯示套件（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

2．環(huán)境大、裝備全

MACE有成熟的地理信息系統(tǒng)（GIS），使用了從OpenStreetmap全球柵格服務(wù)器和道路數(shù)據(jù)庫(kù)，可以全球任何地點(diǎn)創(chuàng)建適合于訓(xùn)練和任務(wù)預(yù)演的場(chǎng)景。MACE是多線程的，可以提供極快的視覺(jué)和空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，支持實(shí)時(shí)、多機(jī)對(duì)抗的快速解算。MACE既支持?jǐn)?shù)字地形高程數(shù)據(jù)（DTED）又支持天基雷達(dá)地形任務(wù)（SRTM）高程數(shù)據(jù)，還可以直接從一些最流行的商業(yè)圖像生成器中讀取高程以實(shí)現(xiàn)極其精確的武器效果，甚至可以達(dá)到子彈彈道仿真的級(jí)別。MACE支持DTED0－DTED3，以及30米和90米SRTM。

地理信息圖片（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

對(duì)雷達(dá)通視仿真圖（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

市場(chǎng)上大多數(shù)的具備對(duì)抗功能的CGF／SAF項(xiàng)目要么是由部隊(duì)的分支機(jī)構(gòu)專門開(kāi)發(fā)的，要么是為具體裝備專門開(kāi)發(fā)的，MACE從源頭上是一種通用的作戰(zhàn)模擬的全裝備范圍軟件，在聯(lián)合作戰(zhàn)和聯(lián)合防空模擬領(lǐng)域表現(xiàn)出色。MACE可以幫助用戶淘汰掉多種專用仿真CFG，降低軟件混亂的問(wèn)題。

軟件實(shí)體模型庫(kù)界面（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

3．復(fù)雜電磁環(huán)境下的高強(qiáng)度對(duì)抗模擬

MACE可以模擬復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，包括由預(yù)警機(jī)、地面雷達(dá)網(wǎng)和防空火力組成的一體化防空系統(tǒng)（IADS）。IADS可以從FalconView（4．0或更高版本）導(dǎo)入，也可以在MACE中創(chuàng)建，甚至可以以PCI格式導(dǎo)入真正的電子作戰(zhàn)命令（EOB），這是MACE與別的依賴腳本或簡(jiǎn)單規(guī)則觸發(fā)雷達(dá)活動(dòng)的仿真軟件的最大區(qū)別。MACE還可以通過(guò)DIS模擬先進(jìn)的第五代AESA和PESA雷達(dá)。每個(gè)傳感器都被建模為脈沖級(jí)，由高保真發(fā)射器動(dòng)態(tài)生成電磁波。MACE模擬空對(duì)空和地對(duì)空導(dǎo)彈以及空對(duì)地武器模型和彈道。教員可以通過(guò)添加或移動(dòng)威脅（包括地空導(dǎo)彈系統(tǒng)和裝備機(jī)載雷達(dá)和空對(duì)空導(dǎo)彈的飛機(jī)）來(lái)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸入。MACE用戶界面使場(chǎng)景管理變得簡(jiǎn)單。MACE允許用戶添加和刪除實(shí)體、重新加載武器、使用武器、改變環(huán)境因素、電子戰(zhàn)以及執(zhí)行各種數(shù)據(jù)分析功能，而不會(huì)中斷任何場(chǎng)景。

在MACE中，對(duì)作戰(zhàn)空間中的每個(gè)傳感器執(zhí)行一個(gè)復(fù)雜的算法。MACE回答了大多數(shù)人對(duì)電子戰(zhàn)仿真的質(zhì)疑：傳感器對(duì)目標(biāo)是否通視？目標(biāo)是否被防區(qū)外干擾遮蔽？如果存在干擾，傳感器是否“燒壞”了？在分辨率單元中有投放箔條？雷達(dá)是否已經(jīng)跟蹤其最大目標(biāo)數(shù)量？目標(biāo)是否超出了雷達(dá)距離方程確定的傳感器最大范圍，考慮到傳感器的頻率和目標(biāo)的雷達(dá)反射橫截面，而不僅僅是簡(jiǎn)單的“最大范圍”數(shù)字？雷達(dá)站是獨(dú)立運(yùn)行的，還是鏈接到IADS？節(jié)點(diǎn)是否仍能與其上級(jí)或下級(jí)通信？目標(biāo)是否已分配給其他目標(biāo)跟蹤站？哪個(gè)目標(biāo)最有威脅？ 所有在MACE中以視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)呈現(xiàn)的威脅雷達(dá)信號(hào)實(shí)際上都是由威脅系統(tǒng)的參數(shù)動(dòng)態(tài)生成的，將各種掃描速率和模式準(zhǔn)確地呈現(xiàn)給用戶。

人工發(fā)射控制界面（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

4．模型高保真

雷達(dá)測(cè)距方程。MACE包括一個(gè)非常高保真的“目標(biāo)模型”，用于作戰(zhàn)空間中的每個(gè)傳感器，足以讓MACE運(yùn)行脈沖級(jí)動(dòng)態(tài)雙向雷達(dá)距離方程。下圖顯示了目標(biāo)跟蹤雷達(dá)（TTR）的視線分析，其中外圓表示相關(guān)地對(duì)空導(dǎo)彈（SAM）的最大射程。左邊的分析是由一個(gè)沒(méi)有足夠數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行雷達(dá)測(cè)距方程的程序運(yùn)行結(jié)果，其一直延伸到最大射程。在右圖中，MACE的分析包括地形和雷達(dá)距離方程，在這種情況下，會(huì)在SAM的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)產(chǎn)生限制。這種特殊的分析針對(duì)的是雷達(dá)截面積為1平方米的目標(biāo)。如果使用RCS較小的目標(biāo)，左側(cè)的圖不會(huì)改變，但右側(cè)的MACE檢測(cè)范圍會(huì)更小。

雷達(dá)距離模型對(duì)比圖，其中右圖為MACE（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）    基于能量的飛機(jī)氣動(dòng)模型。MACE使用基于能量的空氣動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行飛機(jī)飛行仿真。單位剩余功率（Ps）是描述飛機(jī)飛行性能的主要因素。當(dāng)PS為正值時(shí)，飛機(jī)可以自由轉(zhuǎn)彎、爬升或加速；當(dāng)PS為負(fù)值時(shí)，飛機(jī)被迫減速或俯沖或兩者兼而有之。PS也可用于描述飛機(jī)的包線，如果PS達(dá)到零，飛機(jī)既不能爬升也不能加速，因此飛機(jī)已經(jīng)達(dá)到其最高或最高水平速度。當(dāng)飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)，根據(jù)在當(dāng)前高度、馬赫數(shù)和載荷的單位剩余功率，計(jì)算爬升率、滾轉(zhuǎn)角和加速度。隨著飛機(jī)的高度、速度和載荷的變化，其能量狀態(tài)也隨之變化。能量模型不斷地更新可用的過(guò)剩功率，并調(diào)整其爬升率、滾轉(zhuǎn)角和加速度，更新能量狀態(tài)�；�于能量的氣動(dòng)模型在模擬大量CGF時(shí)，在合理計(jì)算接近的飛機(jī)性能和有限的CPU使用之間是一個(gè)很好的平衡。最后的方程產(chǎn)生了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來(lái)開(kāi)發(fā)包含必要參數(shù)（即推力、重量、阻力、載荷系數(shù)、機(jī)翼面積、馬赫數(shù)和動(dòng)態(tài)壓力）的數(shù)據(jù)表，以產(chǎn)生精確的PS數(shù)據(jù)。

單位剩余功率計(jì)算方法（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

MACE包括適用于所有旋翼機(jī)的6自由度模型、適用于所有地面、水面和水下平臺(tái)的6自由度水動(dòng)力模型以及適用于快速移動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)和慢速移動(dòng)攻擊型飛機(jī)的5自由度基于物理的可飛行模型。這些模型并非旨在提供飛行訓(xùn)練，而是構(gòu)建一個(gè)“足夠真實(shí)”的飛行模型，用于模擬飛機(jī)對(duì)人在環(huán)飛行中對(duì)控制輸入的響應(yīng)。在MACE中，您可以快速地將一個(gè)實(shí)體從構(gòu)造（計(jì)算機(jī)）控制轉(zhuǎn)移到虛擬（人在環(huán)）控制，然后再返回。例如，一名白軍操作員可以控制并駕駛一架F－16戰(zhàn)斗機(jī)，以支持藍(lán)軍。這些模型可以應(yīng)用于MACE的任何航空實(shí)體。

MACE采用基于物理的空氣動(dòng)力學(xué)模型和制導(dǎo)模型進(jìn)行導(dǎo)彈仿真。導(dǎo)彈的力學(xué)特性是從武器的推力、阻力和重量中推導(dǎo)出來(lái)的。武器推力由發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量流量和比沖計(jì)算。阻力由導(dǎo)彈的阻力參考面積、阻力系數(shù)（亞音速和超音速）、速度和飛行高度的大氣條件計(jì)算。當(dāng)發(fā)射藥燃燒時(shí)，導(dǎo)彈重量減小。制導(dǎo)模型將使導(dǎo)彈的飛行軌跡形成一個(gè)高拋、直接攔截或俯沖剖面，同時(shí)將目標(biāo)保持在導(dǎo)引頭的框架范圍內(nèi)。MACE還使用了一個(gè)基于物理的炸彈空氣動(dòng)力學(xué)模型。彈道飛行軌跡由阻力和重量決定。阻力由武器的阻力參考面積、阻力系數(shù)（亞音速和超音速）、速度和飛行高度的大氣條件計(jì)算。武器的傾斜角度與它的飛行軌跡相匹配。彈道模型對(duì)于炸彈、火炮和子彈來(lái)說(shuō)足夠靈活。

5．軟件擴(kuò)展性好

MACE具有集成測(cè)試和訓(xùn)練使能結(jié)構(gòu)（TENA）的接口，可與靶場(chǎng)進(jìn)行互操作，適用于LVC仿真。任何MACE平臺(tái)都可以是構(gòu)造或虛擬的，用操縱桿可以對(duì)構(gòu)造性實(shí)體進(jìn)行人在環(huán)虛擬控制。

LVC應(yīng)用示意圖（美國(guó)作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

MACE采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，用戶可以添加或編輯自己的威脅數(shù)據(jù)，以及電子戰(zhàn)先關(guān)參數(shù)。MACE還具有一個(gè)插件API，用于編寫自己的代碼來(lái)擴(kuò)展（Visual Studio 2017）。

MACE同時(shí)使用分布式交互仿真（DIS）標(biāo)準(zhǔn)的圖像接口（Common Image Generator Interface， CIGI），以便在3D作戰(zhàn)空間中呈現(xiàn)實(shí)體。MACE包括一個(gè)龐大的實(shí)體庫(kù)，包括民用和軍用飛機(jī)、地對(duì)空威脅、車輛、目標(biāo)建筑物和人員。實(shí)體的例子包括飛行操縱面、機(jī)械雷達(dá)運(yùn)動(dòng)、人的動(dòng)作（如運(yùn)行或升起武器）和車輛控制（如剎車燈和運(yùn)動(dòng)部件）。

三、小結(jié)

第一，MACE的用戶界面設(shè)計(jì)非常友好，并且功能強(qiáng)大，足以快速的構(gòu)建簡(jiǎn)單或復(fù)雜的場(chǎng)景。此外，還有極高的保真度、通用性和用戶可擴(kuò)展性。為了適應(yīng)未來(lái)主流的“虛”與“實(shí)”相結(jié)合的仿真，BSI公司也在對(duì)MACE做改善以提高在LVC環(huán)境中的互操作性。

第二，MACE在美軍和北約內(nèi)廣泛使用，并且軟件迭代升級(jí)很快。在優(yōu)化升級(jí)過(guò)程中得到了很多一線部隊(duì)和軍方機(jī)構(gòu)的大力支持，利用實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)完善仿真工具。

第三，美軍LVC訓(xùn)練總承包商立方體公司選擇MACE作為其LVC仿真中的“C”，可能說(shuō)明美軍目前LVC仿真訓(xùn)練中“構(gòu)造”能力不足，也可能說(shuō)明“構(gòu)造”在LVC中發(fā)揮的作用很大。

何曉驍先生已為《空天防務(wù)觀察》提供9篇專欄文章，如下表：

序號(hào)

篇名

發(fā)表日期

1

美軍“安全保密的真實(shí)－虛擬－構(gòu)造高級(jí)訓(xùn)練環(huán)境”（SLATE）空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)分析

2019年1月4日

2

美軍在五代機(jī)測(cè)試真實(shí)－虛擬－構(gòu)造空戰(zhàn)訓(xùn)練技術(shù)

2019年1月23日

3

以色列自主研發(fā)空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)

2月28日

4

空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)鼻祖——美國(guó)立方體公司

3月20日

5

美軍“聯(lián)合仿真環(huán)境”的組成與建設(shè)發(fā)展

4月15日

6

美軍真實(shí)－虛擬－構(gòu)造空戰(zhàn)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及發(fā)展規(guī)劃

4月24日

7

空戰(zhàn)訓(xùn)練中電子戰(zhàn)威脅模擬專家——萊昂納多DRS公司

6月3日

8

美軍分布式的仿真訓(xùn)練及“虛擬旗”軍演情況分析

6月24日

9

美軍現(xiàn)代空戰(zhàn)環(huán)境仿真軟件“MACE”特點(diǎn)分析（即本篇）

8月20日

有興趣的讀者，可點(diǎn)擊相關(guān)文章的“篇名”閱讀原文。

（中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心  何曉驍）

本篇供稿：系統(tǒng)工程研究所

運(yùn) 營(yíng)：李沅栩