決勝視距外：無人載具 (UAV) 戰術模擬與多光譜感測技術解密

在現代非對稱作戰與高科技戰爭中，無人機（UAV）已從單純的偵查工具演變為具備精確打擊能力的戰略節點，然而操作一架造價數百萬美元的軍用無人機（如 MQ-9 Reaper 或 Bayraktar TB2），其難度遠超乎想像。操作員不僅是「飛行員」，更是「任務指揮官」與「情資判讀員」。

如何讓操作員在未升空前，就能熟練掌握光電/紅外線（EO/IR）感測器的物理特性、判讀熱顯像中的敵軍偽裝，並與地面部隊協同作戰？答案在於結合了高階氣動力學模型與物理級感測器渲染的無人載具模擬系統，本文將深入剖析 Quantum3D UAV 無人機訓練系統 背後的關鍵技術，解構如何打造一個「看不見敵人，卻能決戰千里」的虛擬戰場。

UAV 無人機訓練系統結合高擬真飛行模擬、任務規劃與感測器模擬功能，支援多機型操作與團隊任務訓練。可攜式 IP67 結構，適用於教室與野外訓練環境。

無人載具模擬是什麼？為何重要？

無人載具模擬器（UAV Simulator）是一套專為無人機操作員（Pilot）、酬載操作員（Payload Operator）及任務指揮官設計的整合訓練系統，與一般飛行模擬器不同，UAV 模擬的核心挑戰不在於「駕駛艙的體感」，而在於「地面控制站（GCS）的邏輯重現」與「感測器畫面的極致擬真」。

這項技術的重要性體現在三個層面：

1. 降低高昂成本與風險：
   真實的高階 UAV 飛行小時成本極高，且在實機訓練中無法隨意模擬墜機、鏈路遺失或極端天候。
2. 感測器判讀訓練：
   現代戰爭多發生在夜間或視距外，操作員必須依賴紅外線或雷達影像，模擬器能產生精確的熱訊號（Heat Signature），訓練學員識別偽裝目標。
3. 載具協同（Manned-Unmanned Teaming）：
   透過聯網，UAV 模擬器能與其他模擬器（如刺針飛彈小組、直升機）連線，進行複雜的聯合兵種演習。

核心原理深入解析：從氣動力學到感測器物理

一個合格的軍用級 UAV 模擬器，其運作邏輯包含三個核心引擎的即時運算：

1. 載具動態與氣動力學模型

系統內建通用的空氣動力學模型，可針對定翼機（Fixed Wing）或旋翼機（Rotary Wing）進行參數調整，模擬範圍涵蓋：

• 物理慣性： 模擬滿載武器與空載時的操控差異。
• 環境影響： 風切、亂流對輕型無人機的影響遠大於有人戰機。
• 系統故障： 模擬引擎熄火、控制面卡死、GPS 訊號干擾或資料鏈（Data Link）延遲的情境。

2. 地面控制站（GCS）模擬

模擬器的介面必須與真實的 GCS 完全一致，Quantum3D 的方案通常採用強固型外箱（Rugged Case）部署，內含多螢幕顯示：

• 戰術地圖（Tactical Map）： 顯示航點（Waypoints）、禁飛區與友軍位置。
• 情資畫面（Sensor View）： 即時呈現無人機鏡頭回傳的影像。
• 遙測數據（Telemetry）： 顯示電量/油量、高度、速度與鏈路訊號強度。

3. 多光譜感測器渲染 (Multispectral Sensor Rendering)

這是技術含量最高的部分，模擬器必須即時產生 EO（可見光）與 IR（紅外線）影像，這不僅僅是把畫面變黑白，而是基於物理材質的運算（Physics-Based Computation），系統利用 ViXsen 等感測器模組，計算不同材質（金屬、植被、水體）在不同溫度與時段下的輻射率（Radiance）。

關鍵技術細節與規格探討

要支撐「視距外作戰」的訓練需求，軟硬體規格需達到嚴苛標準：

1. 材質分類與熱訊號模擬 (Material Classification)

在Mantis 影像產生軟體中，場景中的每個物體都具備「材質屬性」。

• 熱像儀模擬： 系統會模擬坦克引擎排氣口的「熱點（Hot spots）」與履帶摩擦產生的熱訊號，甚至海洋與內陸水域的溫度差異、浪花（Whitecaps）與尾流（Wake）的熱特徵都能被獨立控制。
• 日夜週期影響： 模擬器計算太陽輻射對地表的加熱效應。白天時，岩石可能比金屬熱；夜晚時，金屬降溫快，岩石散熱慢，導致熱對比度反轉（Thermal Crossover），這是高階 IR 訓練的關鍵細節。

MANTIS 為 Quantum3D 研發的即時影像產生軟體，支援 CDB、感測器模擬、環境特效、飛行與車輛模擬等應用，提供高擬真 3D 圖形，適用於訓練與模擬市場。
 

Quantum3D Mantis 海上救援影片展示

2. 龐大的 3D 實體模型庫 (Facets Models)

為了讓情資判讀員能準確識別目標，Quantum3D 的 Facets 資料庫提供了數千種軍用模型。

• 精細度： 包含各國主力戰車（如 T-90, M1A2）、防空系統（SA-10, SA-20）、艦艇（航母、驅逐艦）及民用車輛。
• 破壞狀態： 支援破壞效果模擬，讓操作員能進行戰損評估（Battle Damage Assessment, BDA）。

Quantum3D Facets 即時 3D 模型庫針對 Quantum3D Independence 系統優化，確保高效能運行、低延遲渲染，並提供極致擬真的 3D 模擬體驗，滿足各類 視覺模擬與影像產生需求；模型庫涵蓋 空中、地面、海上、建築、人員與飛彈 等場景類別。


Quantum3D Facets 即時 3D 模型庫可根據任何即時系統進行優化，確保高效能與低延遲渲染，適用於多種視覺模擬與影像產生應用，模型類別涵蓋 空中、地面、海上、太空、飛彈與其他武器，支援多層級細節（LOD）、感測器模擬、受損狀態與即時動畫，可靈活整合至各類訓練與模擬環境，提供卓越的擬真體驗。

3. 氣候與大氣效應模擬

• 體積雲與霧： 利用 Mantis 的 Advanced Weather 插件，模擬立體雲層與分層霧氣，這對 UAV 而言至關重要，因為光電鏡頭（EO）無法穿透雲層，但紅外線（IR）或合成孔徑雷達（SAR）可能具有不同程度的穿透力。
• 感測器雜訊： 模擬訊號傳輸過程中的雜訊與干擾，訓練操作員在劣質畫面中鎖定目標。

Quantum3D MANTIS 直升機飛行影片展示

技術比較與優劣勢分析

製造或實作挑戰與研究突破

1. 異質系統的即時連線 (Interoperability)

• 挑戰： UAV 模擬器常需與地面部隊（如刺針飛彈小組）連線，若雙方看到的雲層位置或目標位置不同步，訓練將無效。
• 突破： 採用 CIGI (Common Image Generator Interface) 標準與 DIS/HLA 協定，確保多個模擬器在同一虛擬時空中，共享完全一致的地理座標與環境狀態。

2. 海量地形資料的串流

• 挑戰： UAV 執行長程偵察任務，飛越範圍可能橫跨數百公里，傳統載入方式無法負荷。
• 突破： 導入 CatalystSE 資料庫 產生系統與串流技術，支援從衛星影像快速產生合成環境，並動態載入全球地形（Global Terrain Paging），讓 UAV 能無縫飛越廣大區域。

CatalystSE DBGS 提供可自訂配置、基於 PC 的開放架構 COTS 資料庫解決方案，使客戶能開發、修改及維護大範圍、高解析度的地理特定合成環境；支援 ESRI ArcGIS、Quantum3D MANTIS、Adobe Photoshop 等專業工具。

應用場景與市場潛力

1. 偵察與監視 (ISR) 訓練

這是目前最主要的應用，學員學習操作雲台攝影機（Gimbal Camera），在複雜的城市或叢林背景中，利用變焦與熱影像找出隱藏的敵軍車輛（如隱藏在樹林中的 T-72 坦克）。

2. 無人機攻擊任務 (Strike Mission)

模擬發射地獄火飛彈（Hellfire）或遊蕩彈藥（Loitering Munition），訓練重點在於雷射標定（Laser Designation）的穩定性，以及發射後的導引邏輯，Mantis 軟體甚至支援模擬雷射光束在感測器視角中的不可見/可見特性。

3. 無人地面載具 (UGV) 操控

隨著地面機器人投入戰場，UGV 的模擬需求大增，Quantum3D 的技術同樣適用於 UGV，模擬其在崎嶇地形的運動能力、機械手臂操作以及自主路徑規劃（Autonomous Task Capability）。

BARKAN 無人地面載具（UGV）具備自主導航、7.62mm 武器系統、遠端控制與蜂群作戰能力，適用於偵察、監視、運輸及武裝任務，提升作戰效能並降低風險。

未來發展趨勢與技術展望

1. AI 輔助的目標識別訓練：
   模擬器將整合 AI 輔助識別系統，先在虛擬環境中訓練 AI 演算法識別偽裝目標，再將演算法部署到真實無人機上。
2. 電子戰 (EW) 環境模擬：
   未來的 UAV 模擬將更強調電磁頻譜環境，模擬 GPS 欺騙（Spoofing）與通訊干擾，強迫操作員在「斷鏈」或導航失效的情況下完成任務。
3. 群體智能 (Swarm) 模擬：
   模擬數十甚至數百架小型無人機的蜂群戰術，這需要極高的運算效能來處理大量實體的物理碰撞與通訊邏輯。

結論

無人載具改變了戰爭的面貌，而高擬真的模擬訓練則決定了這些載具在戰場上的效能上限，Quantum3D 透過整合 Mantis 的多光譜渲染能力、Facets 的豐富模型庫以及高度模組化的 GCS 硬體，提供了一個「數位雙生」級的訓練環境，在這個環境中，操作員學到的不僅是飛行，更是如何透過冰冷的螢幕與傳感器數據，解讀瞬息萬變的戰場，對於追求國防現代化的軍隊而言，投資這樣的高階模擬系統，其價值甚至高於購買更多的實體無人機。

Q3D 解決方案介紹

針對無人系統的訓練需求，Quantum3D 提供以下專業模組：

• UAV 訓練模擬器
  完整的一站式解決方案，包含強固型教官站（IOS）、飛行員/酬載操作員工作站，支援多種 UAV 氣動模型與全球地形。
• Facets® Models
  必備的擴充套件，提供經優化的海陸空單位模型（如 T-90, SA-20, 各類艦艇），確保紅外線與雷達截面積（RCS）模擬的正確性。
• Mantis® (with ViXsen)：
  核心影像產生軟體。若您需自行開發模擬器，Mantis 提供了業界領先的傳感器渲染（Sensor Rendering）能力，支援 NVG、EO/IR 等多種波段。