據(jù)美軍“真實－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)合開發(fā)LVC訓(xùn)練解決方案。BSI是模擬威脅環(huán)境和計算機兵力生成工具的領(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的在現(xiàn)實和復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中訓(xùn)練的需求。MACE將提供多域計算機兵力生成，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)境作為未來主流的訓(xùn)練手段，為何會選中MACE？

一、MACE簡介    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)生成的計算機兵力生成／半自動生成（CGF ／ SAF）應(yīng)用程序。MACE允許用戶配置平臺、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、實體狀態(tài)、毀傷評估和數(shù)據(jù)記錄等，具有大規(guī)模和用戶可擴展的作戰(zhàn)環(huán)境，能夠適用于多種仿真層級，尤其在交戰(zhàn)級具有極高的逼真度。此外，MACE的視景系統(tǒng)能用于無人機系統(tǒng)和聯(lián)合近距支援的實裝訓(xùn)練中。MACE可以模擬五代機（國內(nèi)稱第四代）平臺，包括低可觀測平臺、有源和無源電子掃描陣列（AESA和PESA雷達(dá)）以及復(fù)雜電磁環(huán)境的戰(zhàn)場

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），非常適合獨立場景創(chuàng)建、任務(wù)預(yù)演和分布式任務(wù)模擬。憑借MACE強大的數(shù)據(jù)記錄模塊，可以記錄DIS網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)并且實時添加標(biāo)注，顯示出各類關(guān)鍵事件發(fā)生時間。最新版本的MACE已經(jīng)加入了增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

增強現(xiàn)實鏡頭下的實時沙盤（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

二、MACE主要特點

1．用戶范圍廣

MACE部署地點（美國作戰(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多個生產(chǎn)許可證。MACE目前應(yīng)用于美空軍A－10項目、第160特種作戰(zhàn)航空團(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多套已部署和訂購中的聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練設(shè)備，包括先進(jìn)的空中國民警衛(wèi)隊聯(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，美空軍研究實驗室（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”無人機的綜合網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)環(huán)境（PRINCE）中使用MACE。兩個主要的MQ－9“死神”收割者訓(xùn)練系統(tǒng)最近也切換到了MACE（這兩個項目之間總共有大約100個系統(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，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都具有相同的信號生成能力。MACE－EW的區(qū)別在于包括兩個獨立的全向接收機、方位顯示器、一個模擬的ALE－50拖曳誘餌和一個模擬的USQ－113通信干擾機。由于MACE－EW具有生成高保真雷達(dá)信號的仿真能力，也被廣泛用作獨立的或可聯(lián)網(wǎng)的電子戰(zhàn)模擬訓(xùn)練。BSI為英國和澳大利亞提供了兩個獨立的電子戰(zhàn)培訓(xùn)教室。此外，所有美國空軍作戰(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，可以全球任何地點創(chuàng)建適合于訓(xùn)練和任務(wù)預(yù)演的場景。MACE是多線程的，可以提供極快的視覺和空氣動力學(xué)計算，支持實時、多機對抗的快速解算。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別。MACE支持DTED0－DTED3，以及30米和90米SRTM。

地理信息圖片（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

對雷達(dá)通視仿真圖（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

市場上大多數(shù)的具備對抗功能的CGF／SAF項目要么是由部隊的分支機構(gòu)專門開發(fā)的，要么是為具體裝備專門開發(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，降低軟件混亂的問題。

軟件實體模型庫界面（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

3．復(fù)雜電磁環(huán)境下的高強度對抗模擬

MACE可以模擬復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，包括由預(yù)警機、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單規(guī)則觸發(fā)雷達(dá)活動的仿真軟件的最大區(qū)別。MACE還可以通過DIS模擬先進(jìn)的第五代AESA和PESA雷達(dá)。每個傳感器都被建模為脈沖級，由高保真發(fā)射器動態(tài)生成電磁波。MACE模擬空對空和地對空導(dǎo)彈以及空對地武器模型和彈道。教員可以通過添加或移動威脅（包括地空導(dǎo)彈系統(tǒng)和裝備機載雷達(dá)和空對空導(dǎo)彈的飛機）來對場景進(jìn)行實時動態(tài)輸入。MACE用戶界面使場景管理變得簡單。MACE允許用戶添加和刪除實體、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，而不會中斷任何場景。

在MACE中，對作戰(zhàn)空間中的每個傳感器執(zhí)行一個復(fù)雜的算法。MACE回答了大多數(shù)人對電子戰(zhàn)仿真的質(zhì)疑：傳感器對目標(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，而不僅僅是簡單的“最大范圍”數(shù)字？雷達(dá)站是獨立運行的，還是鏈接到IADS？節(jié)點是否仍能與其上級或下級通信？目標(biāo)是否已分配給其他目標(biāo)跟蹤站？哪個目標(biāo)最有威脅？ 所有在MACE中以視覺和聽覺呈現(xiàn)的威脅雷達(dá)信號實際上都是由威脅系統(tǒng)的參數(shù)動態(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（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

4．模型高保真

雷達(dá)測距方程。MACE包括一個非常高保真的“目標(biāo)模型”，用于作戰(zhàn)空間中的每個傳感器，足以讓MACE運行脈沖級動態(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)地對空導(dǎo)彈（SAM）的最大射程。左邊的分析是由一個沒有足夠數(shù)據(jù)來運行雷達(dá)測距方程的程序運行結(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，會在SAM的運動范圍內(nèi)產(chǎn)生限制。這種特殊的分析針對的是雷達(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)的圖不會改變，但右側(cè)的MACE檢測范圍會更小。

雷達(dá)距離模型對比圖，其中右圖為MACE（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）    基于能量的飛機氣動模型。MACE使用基于能量的空氣動力學(xué)模型進(jìn)行飛機飛行仿真。單位剩余功率（Ps）是描述飛機飛行性能的主要因素。當(dāng)PS為正值時，飛機可以自由轉(zhuǎn)彎、爬升或加速；當(dāng)PS為負(fù)值時，飛機被迫減速或俯沖或兩者兼而有之。PS也可用于描述飛機的包線，如果PS達(dá)到零，飛機既不能爬升也不能加速，因此飛機已經(jīng)達(dá)到其最高或最高水平速度。當(dāng)飛機機動時，根據(jù)在當(dāng)前高度、馬赫數(shù)和載荷的單位剩余功率，計算爬升率、滾轉(zhuǎn)角和加速度。隨著飛機的高度、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)�；�于能量的氣動模型在模擬大量CGF時，在合理計算接近的飛機性能和有限的CPU使用之間是一個很好的平衡。最后的方程產(chǎn)生了一種相對簡單的方法來開發(fā)包含必要參數(shù)（即推力、重量、阻力、載荷系數(shù)、機翼面積、馬赫數(shù)和動態(tài)壓力）的數(shù)據(jù)表，以產(chǎn)生精確的PS數(shù)據(jù)。

單位剩余功率計算方法（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

MACE包括適用于所有旋翼機的6自由度模型、適用于所有地面、水面和水下平臺的6自由度水動力模型以及適用于快速移動戰(zhàn)斗機和慢速移動攻擊型飛機的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“足夠真實”的飛行模型，用于模擬飛機對人在環(huán)飛行中對控制輸入的響應(yīng)。在MACE中，您可以快速地將一個實體從構(gòu)造（計算機）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，以支持藍(lán)軍。這些模型可以應(yīng)用于MACE的任何航空實體。

MACE采用基于物理的空氣動力學(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)出來的。武器推力由發(fā)動機的質(zhì)量流量和比沖計算。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算。當(dāng)發(fā)射藥燃燒時，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高拋、直接攔截或俯沖剖面，同時將目標(biāo)保持在導(dǎo)引頭的框架范圍內(nèi)。MACE還使用了一個基于物理的炸彈空氣動力學(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算。武器的傾斜角度與它的飛行軌跡相匹配。彈道模型對于炸彈、火炮和子彈來說足夠靈活。

5．軟件擴展性好

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

LVC應(yīng)用示意圖（美國作戰(zhàn)空間仿真公司圖片）

MACE采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，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還具有一個插件API，用于編寫自己的代碼來擴展（Visual Studio 2017）。

MACE同時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)實體。MACE包括一個龐大的實體庫，包括民用和軍用飛機、地對空威脅、車輛、目標(biāo)建筑物和人員。實體的例子包括飛行操縱面、機械雷達(dá)運動、人的動作（如運行或升起武器）和車輛控制（如剎車燈和運動部件）。

三、小結(jié)

第一，MACE的用戶界面設(shè)計非常友好，并且功能強大，足以快速的構(gòu)建簡單或復(fù)雜的場景。此外，還有極高的保真度、通用性和用戶可擴展性。為了適應(yīng)未來主流的“虛”與“實”相結(jié)合的仿真，BSI公司也在對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，并且軟件迭代升級很快。在優(yōu)化升級過程中得到了很多一線部隊和軍方機構(gòu)的大力支持，利用實戰(zhàn)經(jīng)驗完善仿真工具。

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”，可能說明美軍目前LVC仿真訓(xùn)練中“構(gòu)造”能力不足，也可能說明“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

篇名

發(fā)表日期

1

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

2019年1月4日

2

美軍在五代機測試真實－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－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”特點分析（即本篇）

8月20日

有興趣的讀者，可點擊相關(guān)文章的“篇名”閱讀原文。

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心  何曉驍）

本篇供稿：系統(tǒng)工程研究所

運 營：李沅栩