2021年1月報道，美空軍表示其聯合仿真環境（JSE）正在建設過程中，盡管技術方面的挑戰依然存在，但已經實現了將四代機和五代機的模擬器連接以進行高保真度試驗和訓練。在聯合仿真環境建設中存在兩個主要的挑戰：一是在安全的網絡環境中連接模擬器，并需要確保它們能用最新的作戰飛行程序（OFP）進行更新，這是使聯合仿真環境能完成使命任務的核心技術；二是開發聯合仿真環境中使用的數字模型，并驗證其是否可以替代露天試驗場的部分作用。美空軍的兩套聯合仿真環境計劃于2023年實現初始作戰能力。

一、美空軍聯合仿真環境總體情況

復雜、多域作戰能力的發展對美軍快速設計、研制、部署、保障、試驗和訓練下一代武器裝備提出了挑戰。未來的試驗能力需要通過先進的建模和仿真技術來增強，形成一個能夠以短周期、低成本的方式滿足研制、試驗和訓練需求的虛擬試驗場，即聯合仿真環境。

1、發展歷程

2017年，美空軍參謀長首次提出空軍需要綜合試驗能力，即聯合仿真環境，用于解決當前和未來的試驗和訓練能力的不足。從2019財年，空軍開始為這項工作提供經費，并在試驗領域內成立了一個領導機構（位于美國加利福尼亞州愛德華茲空軍基地的第412試驗聯隊）。空軍試驗鑒定辦公室（AF／TE）要求第412試驗聯隊需要在2023年前分別在愛德華茲和內華達州內利斯空軍基地開發和部署聯合仿真環境，使其具備初始作戰能力。這項工作與目前美海軍正在建設中的、位于馬里蘭州帕圖克森特河海軍航空站（NAS）的聯合仿真環境緊密聯系，美海軍目前建設的該環境由美海軍、美空軍和情報機構聯合參與。美空軍于2020年11月在內利斯空軍基地啟動了第一個聯合仿真環境設施的建設，并將于2021年2月在加州愛德華茲空軍基地開始第二個聯合仿真環境的建設工作。內利斯空軍基地的聯合仿真環境將專注于作戰試驗以及高端戰術和訓練，而愛德華茲空軍基地的聯合仿真環境將專注于多平臺、多域和多層級安全性研究。

美海軍首先在帕圖克森特河海軍航空站部署的聯合仿真環境（美空軍圖片）

2、總體目標

美空軍聯合仿真環境能力的總體設想是提高開發和作戰試驗的質量和效率，為跨平臺高級訓練和戰術發展提供可靠、安全的環境，通過多保真度試驗和能力論證，提高裝備體系規模結構分析的質量，更好地為未來的采辦決策提供信息支持。具體的目標包括：（1）多平臺高級建模仿真能力，克服現有露天試驗場限制，包括系統可用性、威脅密度以及安全問題；（2）使用開放式體系結構，可實現不同保真度模型的集成，包括紅藍雙方人在回路的飛行模擬器、威脅、武器、地形和天氣；（3）可與聯合仿真環境內的其他公共服務系統和盟友互操作，以及對其他所需模擬環境的擴展；（4）具備國際試驗和訓練／實驗的條件。

二、美空軍聯合仿真環境需求論證

威脅的升級、技術的進步、信息為中心的戰爭以及試驗復雜性推動了對新試驗能力的需求。目前的露天試驗場難以滿足下一代武器系統的試驗和訓練需要。美空軍聯合仿真環境需求開發工作主要涉及三個領域：（1）現有露天試驗場的試驗限制；（2）對未來能力和相關需求的預測；（3）成本與風險的平衡。

需求1：現有露天試驗場的試驗限制

聯合仿真環境試圖通過開發虛擬試驗場來消除或限制這些約束，以在試驗系統或體系時增加試驗手段。（1）地理上的限制測試裝備的能力，需要使之能夠在較大規模的作戰中針對空中、地面威脅或綜合防空系統交戰、使用遠程武器、機動中驗證作戰概念或技戰術程序。（2）技術限制阻礙了試驗過程中實裝與建模仿真的集成，例如不能利用復雜信號實時復制威脅環境。（3）電子戰限制包括用數字格式實時復制復雜的電子戰環境。通過使用復雜的全數字信號來實現電磁環境的仿真，將使模擬環境能夠短周期、低成本擴展環境，更好呈現出現代戰場的復雜電磁環境。（4）頻譜干擾限制了露天試驗場電子信號類型和強度。這可不僅包括電子戰信號，而且包括敵我識別和話音無線電信號，可能與商業頻譜相鄰，導致意外的電磁泄漏。（5）作戰限制妨礙了任務效果呈現和殺傷鏈中的交戰環節，即限制了在有人系統附件使用實彈。（6）安全問題還涉及多平臺在有限空域中大幅度機動交戰，還需要考慮到地形因素限制。保持安全距離是試驗飛機過程中主要關心的問題，但安全會影響試驗的效果及真實性。

需求2：對未來能力和相關需求的預測

未來的試驗將不僅包括先進的平臺和武器，而且包括基于信息的密切協同。聯合仿真環境可能是試驗未來基于信息的平臺／體系殺傷鏈的唯一可行手段。

（1）戰場密度／復雜性：聯合仿真環境需要能夠產生大量不同復雜性的實體，將虛擬實體和建設性實體的組合送到被測系統（SUT）與之交互。

（2）特定地理位置／時間試驗：聯合仿真環境需要生成世界任何地區特定地理地形的能力。

（3）多域集成：聯合仿真環境須具有試驗跨越多個領域（包括空中、太空、海洋、陸地和網絡）的殺傷鏈的能力。

（4）未來殺傷鏈：聯合仿真環境須具有測試殺傷鏈的能力，覆蓋發現、鎖定、跟蹤、瞄準、交戰和評估（F2T2EA）全流程。

（5）消息協同：由美國和北約組織擁有的平臺／傳感器必須在戰場內協同工作，并動態共享原始和／或處理的信息。

（6）自主化的試驗：未來的作戰系統將繼續改進自動化，需要支持試驗各個層次的自主性的能力，從輔助飛行員的自主性到完成無需人工干預的自主性。

（7）特定天氣：露天試驗場無法控制天氣，但聯合仿真環境可以在試驗環境中提供動態變化的天氣條件。天氣條件將非成像和成像傳感器、網絡和節點相關聯。需求3：成本與風險的平衡

（1）原型的使用：在海軍聯合仿真環境的基礎上繼續開發，空軍利用這些先前的投資以降低開發風險。

（2）有限開發：空軍將通過在現有環境中模型／組件的重用來限制環境開發。目前環境中的重用率超過60％。

（3）被測系統通常將包含由主機所提供的由實裝遷移來的作戰飛行程序代碼，將被測系統與聯合仿真環境集成在一起。

（4）開發一個信息交互中介對于確保聯合仿真環境按設計運行至關重要，負責支持時統、導調、路由和其他服務的消息交換。該信息交互中介被稱為信息交換服務矩陣（IESM）。它不是專用于試驗的，還可用于訓練和作戰實驗。

（5）分布式操作：試驗和訓練未來將連接地理上分布的站點，從而能夠進行更大和更多樣化的科目。

（6）將商用產品和政府現貨產品（COTS／GOTS）融合在一起。

三、美空軍聯合仿真環境架構

美空軍首先對聯合仿真環境定義了三個區域。區域A是被測系統所在的區域，以及對被測系統試驗發揮重要作用的其他實體或組件。區域A中的實體與被測系統直接交互。區域B實體可以對被測系統產生直接影響，并且在有限的情況下與被測系統交互。區域C實體為更廣泛的場景提供補充，并且不直接與被測系統交互。

在區域A、B和C的開發中遵循系統工程的思想。在系統工程中，在系統邊界（區域A）內實現系統高分辨率和高保真度的精確細節是非常必要的。在區域B，被測系統還必須與其他系統進行交互，但保真度較低（對被測系統性能的影響較小）。在區域C，額外的補充實體可能會影響被測系統，但不受被測系統的影響。區域A的邊緣服務主要為各種飛機遷移的作戰飛行程序和高保真模擬器的集成，以及由核心服務（通過信息交換服務矩陣）通過定義驅動的公共服務（射頻環境、紅外環境、視線、天氣、武器和電子戰接口。區域A／B邊緣服務包括使用下一代威脅模擬（NGTS）和其他綜合防空系統模型，提供廣泛、復雜和密集的試驗環境。

1、關于聯合仿真環境中的服務

美空軍在聯合仿真環境架構中主要是利用了邁特里公司（MITRE）在建立信息交換服務矩陣方面所做的工作。信息交換服務矩陣作為信息中介將服務分解為四個服務類，分別是核心服務、通用服務、邊緣服務、演訓服務。（1）核心服務：分發具有正確格式和準確時戳的信息。核心服務與公共服務和邊緣服務進行交互。核心服務對所有服務和實體都是必不可少的，提供基本的信息中介。（2）公共服務：確保聯合仿真環境中的公平競爭。公共服務為了確保公平，將包括射頻、紅外、天氣、武器彈藥模型、通信模型等仿真。（3）邊緣服務：仿真系統、模擬器等獨特組件。邊緣服務提供聯合仿真環境所需的功能以支持任務運行，主要為代表裝備系統的仿真應用。慮到聯合仿真環境面向對象和可組合的特性，只要邊緣服務仿真符合聯合仿真環境分布式仿真體系結構，就可以在體系結構內快速替換模型（作為邊緣服務）。（4）演訓服務：幫助用戶操作聯合仿真環境進行試驗或培訓的工具。演習服務允許用戶定義、任務規劃、配置、執行和分析結果。

聯合仿真環境架構實體圖，強調了需要接口控制文件（ICD）來管理這些不同服務之間的消息交互（美軍圖片）

2、關于聯合仿真環境的運行

信息交換服務矩陣中包含的核心服務允許聯合仿真環境中的各種服務以無縫的方式運行。聯合仿真環境用戶使用演訓服務中作戰相關任務規劃工具來規劃任務。規劃后形成的作戰想定傳遞給仿真工程師，通過將所需的功能分配給可用的組件／服務，支持仿真環境的配置。配置過程對用戶是透明的，但對于試訓人員來說至關重要，需要確保適當的保真度支持試訓需求。配置完成后，試訓人員運行經過確認的想定。最后，收集的運行過程中數據，進行分析確認是否達到了試驗或訓練目的。各種邊緣服務（實機之間遷移的作戰飛行程序、高保真模擬器）和信息交換服務矩陣之間接口控制文件的設計工作具有挑戰性。使用遷移作戰飛行程序的飛機仿真需要跟蹤或融合算法以適當速率輸入適當格式的數據，作為數據激勵確保正確的運行。未能滿足這些實時要求將導致試驗訓練結果無效。這種服務質量（QoS）要求明確了信息交換服務矩陣必須滿足的速度和保真度要求，尤其是對遷移的OFP的運行非常重要。所以信息交換服務矩陣的設計需考慮同時處理多個不同服務質量的信道要求。

當前訓練環境中的許多訓練系統都使用遷移來的作戰飛行程序代碼來表示飛機系統。這些遺留系統利用帶有模擬接口的作戰飛行程序與訓練環境進行互操作。聯合仿真環境必須提供一種方法，將具有不同保真度的作戰飛行程序和非作戰飛行程序模擬器集成到一個無縫的作戰空間中。聯合仿真環境接口文件和服務必須解決系統邊緣服務和作戰空間公共服務之間所需的信息交換，以形成一個適合試驗和訓練的連貫統一作戰空間。

3、關于電子戰建模

目前電子戰技術的建模與仿真面臨四個主要挑戰：（1）在密集電子戰環境下實時生成和傳播信號復雜性；（2）在空間上縮放電子戰信號；（3）電子戰信號的驗證與驗證及其在環境中的效果，以及（4）考慮到當今模型中的可用保真度，適當地對電子攻擊和電子保護交互進行建模。電子戰效果通常是被試系統（被測系統）的特定系統和模型特征的函數。通過實驗室或露天試驗場對這些效應進行分類和驗證。網絡效果通常遵循與電子戰相同的方法，需要實驗室或外場試驗來驗證模擬使用的效果。聯合仿真環境將具有生成和檢測射頻信號的雷達特性模型。通常，雷達距離方程的建模也要考慮處理模式選擇或信號處理等其他獨特方面。聯合仿真環境將利用射頻環境來解釋通過空間傳播時的射頻信號損失。額外的大氣參數包括天氣效應（濕度等）、遮蔽物（煙霧等）以及其他會在大氣中對射頻能量造成損失的參數。這些計算在聯合仿真環境中實際是多種因素的函數。在威脅源接收到射頻信號將考慮這些損失，并向威脅提供射頻參數以進行射頻信號檢測，并提供必要的參數以形成射頻回波（雷達截面）以支持發射雷達的探測計算。

下圖描述了在聯合仿真環境中典型射頻交互過程涉及的服務：（1）表示被測系統為探測／跟蹤對方系統用邊緣服務計算發射的射頻信號。（2）邊緣服務利用信息交換服務矩陣提供的核心服務調用公共服務來計算傳播損失、天氣影響等。（3）公共服務向對方系統的邊緣服務提供接收的射頻信號。（4）來自對手系統蒙皮反射由公共服務計算，得到的軌跡在適當的邊緣服務處進行評估。（5）由此產生的信號被公共服務再處理，并將結果與被測系統交互。（6）被測系統接收處理后的信號并計算被測系統的探測／跟蹤性能。（7）基于這些結果，被測系統決定應用電子戰并調用公共服務來相應地修改輻射。（8）當電子戰射頻信號在空間中傳播時，公共服務對其進行適當的效果計算。（9）對手系統通過公共服務接收修改后的電子戰信號，并確定該信號對系統的影響。（10）對手系統通過邊緣服務對被測系統應用電子戰并調用公共服務。（11）公共服務修改考慮射頻傳播、天氣等因素后的電子戰信號。（12）被測系統通過公共服務接收修改后的電子戰信號，并確定電子戰信號對被測系統的影響。

四、小結

作戰理念從以平臺為中心轉變為協同、集成和互操作的作戰體系，需要在試訓理念上進行重大變革。聯合仿真環境是一種基于服務的開放式體系結構，使用的先進建模和仿真技術，將來可以部分解決露天試驗場的地理限制、技術限制、電子戰限制、頻譜干擾、作戰限制和安全等問題。美空軍聯合仿真環境到2023年形成初始作戰能力，還需幾年的時間就可實現在虛擬環境下對當前和未來新能力、新概念的有效開發問題。使用聯合仿真環境這種建模和仿真環境進行實訓的關鍵在于其在用戶心中的可信度，這也是最容易被用戶詬病的問題。就其本質而言，建模和仿真通常利用假設將建模工作重點放在系統／環境中的特性和功能上。美軍聯合仿真環境大量使用了成熟產品的集成，有長期的積累，新開發的工作量不到4成，在環境的校驗、確認（VV＆A）過程中有優勢。

（8）電子戰：聯合仿真環境可以避免露天試驗場上的電子戰問題。聯合仿真環境的電子戰信號不能被敵人觀察到（不在物理空間中傳播），也不侵犯商業頻譜。

（9）數據安全性：當各種程序在一個共同的作戰空間內互用時，聯合仿真環境必須解決安全問題。