摘 要：水面艦艇綜合防空仿真系統(tǒng)可實現在攻防對抗條件下防空作戰(zhàn)過程的仿真，用于研究防空作戰(zhàn)方法，驗證新型武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能，論證各種防空武器裝備的作戰(zhàn)需求。分析水面艦艇綜合防空仿真系統(tǒng)的功能、組成和特點，并探討了系統(tǒng)基于 HLA 的體系結構、仿真模型及有關的關鍵技術。

關鍵詞：水面艦艇；防空作戰(zhàn)；仿真模型；HLA

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2008)02-169-04

Surface Ship Integrated Air Defense Simulate System Design

HU Ping，ZHAO Zhijun，ZHANG Jianwei，XIE Guoxin

(Department of Training，Naval Arms Command Academy，Guangzhou，510430，China)

Abstract：Surface ship integrated air defense simulate system can implement air defense combat simulation in the process for offense and defense，research air defense combat method，authenticate the war power of new model weapon system，demonstrate the demand of air defense weapon.This paper analyzes the function，composition and speciality of surface ship integrated air defense simulate system and studies the system structure based on HLA，simulation model and correlative critical technology. 

Keywords：surface ship;air defense;simulate model;HLA

1 引 言

作戰(zhàn)仿真是世界各國軍事研究領域的重要發(fā)展方向之一。作戰(zhàn)仿真一方面可以提供對兵力兵器使用效能及戰(zhàn)法的檢驗，另一方面又避免了組織復雜、代價昂貴的實兵演習。水面艦艇防空作戰(zhàn)包括艦艇機動、電子對抗和火力抗擊等作戰(zhàn)行動，涉及包括水面艦艇、來襲飛機和艦艦、艦空導彈等多種兵力兵器之間的協同和對抗，是十分復雜的作戰(zhàn)過程。水面艦艇綜合防空仿真系統(tǒng)采用 HLA 技術，將水面艦艇和多種防空武器系統(tǒng)的模型連接在一起，通過實體間的數據交換，構成時空一致性的分布式仿真環(huán)境。利用綜合防空仿真系統(tǒng)，可以檢驗防空作戰(zhàn)的戰(zhàn)術思想、行動方法，分析評估武器裝備、水面艦艇以及編隊的防空作戰(zhàn)效能，對新造艦艇和新造裝備進行仿真環(huán)境下的作戰(zhàn)驗證；進而提出對防空武器裝備性能的進一步的需求，為水面艦艇防空裝備的發(fā)展研究、性能評估和防空戰(zhàn)法的研究提供研究平臺。

2 綜合防空仿真系統(tǒng)的功能、組成和特點

2.1 系統(tǒng)的功能

綜合防空仿真系統(tǒng)主要研究在攻防對抗條件下，各種防空武器裝備在綜合作戰(zhàn)環(huán)境中的仿真應用，并對其戰(zhàn)術性能和作戰(zhàn)效能進行驗證與評估。其主要功能為：

(1) 構建逼真的艦艇、飛機和導彈、炮彈間的對抗戰(zhàn)場環(huán)境；

(2) 實現水面艦艇及相關防空武器裝備系統(tǒng)的綜合防空過程的仿真；

(3) 進行各種防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能及效能的測試評估研究；

(4)進行綜合防空戰(zhàn)法研究；

(5) 對防空戰(zhàn)法的效果進行分析研究；

(6) 進行綜合防空模型的有效性研究。

2.2 系統(tǒng)的組成

綜合防空仿真系統(tǒng)以現代條件下防空作戰(zhàn)需求為牽引，重點實現各防空平臺及武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)過程仿真。主要的防空武器系統(tǒng)有遠程警戒雷達、相控陣雷達、炮瞄跟蹤雷達、艦空導彈、主炮、速射炮和電子對抗設備等。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)的特點

綜合防空仿真系統(tǒng)采用 HLA 技術將多種防空武器仿真子系統(tǒng)連接在一起，通過仿真實體間的數據交換，構成時空一致的攻防對抗仿真環(huán)境。其主要特點為：

(1) 采用 HLA 結構，支持仿真應用間的互操作性和仿真部件的重用性，具有較好的靈活性、可擴充性，并可有效減少網絡中冗余數據的傳輸；

(2) 采用統(tǒng)一標準的協議、規(guī)范、數據庫、開發(fā)工具使系統(tǒng)具有較好的規(guī)范性；

(3) 采用分層結構和網絡環(huán)境，系統(tǒng)組成靈活，能支持不同系統(tǒng)的應用需求，具有較好的開放性；

(4) 系統(tǒng)設計采用多項先進技術，具有綜合性和可重用性；

(5) 系統(tǒng)以水面艦艇防空作戰(zhàn)和防空武器在攻防對抗環(huán)境下的作戰(zhàn)運用為背景，著重解決防空作戰(zhàn)中水面艦艇防空作戰(zhàn)方法仿真研究和綜合防空武器系統(tǒng)效能驗證仿真試驗的機理、方法，有較強的實用性。

3 基于 HLA 的仿真系統(tǒng)體系結構

3.1 HLA概述

分布交互仿真技術 DIS 主要集中于連續(xù)、實時、人在回路、硬件在回路的平臺級仿真，不能解決不同類型仿真間的互操作和重用問題。為此，美國國防部在 1996年8月正式頒布了建模與仿真領域的通用高層體系結構(High Level Architecture，HLA)，其目的是為解決在國防領域內所有類型的模型、仿真和 C4I系統(tǒng)的互操作和可重用性問題。

HLA是一個通用的仿真技術框架，他定義了構成仿真各部分的功能和相互間的關系。HLA涉及以下幾個基本概念：

(1)聯邦（Federation）

為實現某種特定的仿真目的而組織到一起，并能彼此進行交互作用的仿真系統(tǒng)、支撐軟件和其他相關的部件就構成一個聯邦，其執(zhí)行過程稱為聯邦執(zhí)行。

(2)聯邦成員（Federate）

組成聯邦的各仿真應用系統(tǒng)稱為聯邦成員，簡稱邦員。

(3)對象（Object）

指對某一應用領域內所要進行仿真的物體建立的模型。

HLA主要由規(guī)則（Rules）、對象模型模板（Object Model Template，OMT ） 和 運 行 支 撐 系 統(tǒng) （Run-Time Infrastructure，RTI）的接口規(guī)范說明（Interface Specification）3部分組成。其中，規(guī)則描述了聯邦成員和 RTI的責任及關系，是仿真實現正確交互的基礎；HLA 規(guī)則規(guī)定，所有的聯邦和聯邦成員必須按照對象模型模板（OMT）提供各自的對象模型，即聯邦對象模型（Federation Object Model，FOM）和聯邦成員的仿真對象模型（Simulation Object Model，SOM）。對象模型模板（OMT）的作用就是提供一種標準的文檔格式描述聯邦及其成員對象的模型信息。FOM 和SOM 被存入相應的數據庫中，作為仿真需求分析、建模及聯邦執(zhí)行過程使用。HLA 接口規(guī)范以服務的方式定義了聯邦中聯邦成員進行信息交互的方式，包括可調用的服務和應提供的回調服務，分為聯邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理和數據分布管理6類服務。

RTI是HLA接口規(guī)范的具體實現，他是聯邦中各個聯邦成員進行交互的基礎。他提供6大類共 63 個服務，這些服務可區(qū)分為2種類型：一種是由聯邦成員調用，RTI提供服務；另一種由 RTI調用，聯邦成員響應。下面以 MAK公司的RTI為例，介紹 RTI的組成。

RTI由RTI全局執(zhí)行進程RtiExec，聯邦執(zhí)行進程FedExec 和 LibRTI 庫組成，如圖2所示。

RtiExec：是一個全局進程，主要功能是管理聯邦的創(chuàng)建、結束以及管理多個不同的聯邦，每個聯邦成員通過與RtiExec通信進行初始化，加入相應的聯邦中。

FedExec：管理聯邦成員的加入和退出，為聯邦成員之間進行數據通信和協調運行提供支持。

LibRTI：是一個C++庫，為開發(fā)者提供HLA 接口規(guī)范中定義的服務。聯邦成員使用 LibRTI庫來調用HLA服務。LibRTI庫中有2個主要類：RTIAmbassador和FederateAmbassador。RTIAmbassador類捆綁了RTI提供的服務，聯邦成員對RTI的所有請求都要調用RTIAmbassador類的成員函數；FederateAmbassador 是一個抽象類，他向聯邦成員提供回調函數，每個聯邦成員必須對FederateAmbassador 類所聲明的成員函數進行具體的實現。

由于HLA定義的結構規(guī)模大，仿真功能強，提供了異構、分布環(huán)境下仿真系統(tǒng)創(chuàng)建的通用技術支撐框架，使得開發(fā)者的精力可集中在對系統(tǒng)仿真過程的描述和評估上，而不必關心底層的網絡通信、時鐘同步等，因而適合應用于水面艦艇綜合防空這類大規(guī)模仿真系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)的體系結構

根據高層體系結構（HLA）的規(guī)則規(guī)定，建立綜合防空仿真系統(tǒng)的過程如下：

(1) 對水面艦艇編隊艦機協同防空過程進行功能描述，明確信息傳遞流程；

(2) 根據系統(tǒng)的功能及信息流程，將系統(tǒng)分解為具有單一功能的子系統(tǒng)；

(3) 按照 HLA 的規(guī)則，設計聯邦成員和對象，建立聯邦對象模型和仿真對象模型，將有關表、類的屬性和參數等存入 FOM 庫和 SOM 庫中，供開發(fā)使用；

(4) 對水面艦艇遂行防空作戰(zhàn)的典型樣式進行描述，確定仿真用例，并建立有關數據庫，如海洋環(huán)境、水文氣象、武器裝備性能等；

(5) 根據 RTI 提供的服務，對各子系統(tǒng)進行詳細設計；

(6) 系統(tǒng)運行并記錄結果，對結果進行分析評估。

按照此過程，確定系統(tǒng)結構如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)的運行流程

系統(tǒng)各聯邦成員的運行包括3部分：聯邦成員（實體的仿真實現）、RTI大使（RTI Ambassador）和邦員大使（Federate Ambassador）。聯邦成員通過調用 RTI 大使，完成加入聯邦、請求數據初始化、注冊實體對象、時鐘推進、更新數據、發(fā)布交互信息等工作。同時，RTI可以回調邦員大使，發(fā)送、更新實體對象數據，最后注銷、刪除對象，從而完成特定的仿真任務。系統(tǒng)聯邦成員的運行流程如圖4所示。

4 仿真系統(tǒng)模型

4.1 模型體系

系統(tǒng)采用模型庫的管理方式，可以對模型進行集中統(tǒng)一管理，提高模型的編輯、調試和維護能力。

(1)指揮控制模型庫

其負責情況判斷處理和模型調度。包括作戰(zhàn)情報處理模型、目標威脅判斷模型、目標可抗性判斷模型、防空作戰(zhàn)兵力分配與指揮模型、編隊作戰(zhàn)模型、管理調度模型。

(2)編隊作戰(zhàn)模型庫

完成對水面艦艇防空作戰(zhàn)過程的描述。包括組成編隊機動模型、抗擊目標機動模型、規(guī)避機動模型、防空導彈攔截模型、主炮對空射擊模型、近程速射炮攔截模型、電子對抗模型。

(3)來襲目標 CGF

生成具有智能判斷、自主決策和對抗功能及毀傷體現的敵機、空投制導炸彈和反艦導彈。包括任務描述、指揮決策、目標識別、威脅判斷、武器組織、電子對抗、機動規(guī)避等各種描述模型。

(4)實體模型庫

包括聲遠程艦空導彈描述模型、中程艦空導彈描述模型、近程艦空導彈描述模型、主炮描述模型、近程速射炮描述模型、箔條干擾彈描述模型。

(5)環(huán)境模型庫

對與氣象、海況環(huán)境有關的器材的使用門限、跟蹤距離進行描述。包括光電器材跟蹤模型、警戒雷達發(fā)現概率模型、導彈火炮發(fā)射要求描述模型。

(6)戰(zhàn)術計算模型庫

包括各種艦艇機動繪算模型、計算武器射擊諸元模型、計算目標運動要素模型。

(7)效能評估模型庫

通過仿真計算，得到武器裝備以及防空方案的作戰(zhàn)效能。包括雷達搜索概率模型、武器命中概率模型、電子對抗器材的干擾效能模型以及編隊的防空作戰(zhàn)效能模型。

4.2 模型之間的調用關系

系統(tǒng)模型之間的調用關系如圖5所示。

在仿真管理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下，指揮控制模型庫根據決策的結果，調用作戰(zhàn)模型庫中的相應模型，進行作戰(zhàn)過程的具體描述，調用實體模型進行武器使用的體現，最后調用評估模型庫進行效能評估。

5 綜合防空仿真系統(tǒng)的關鍵技術

5.1 運行時間支撐結構（RTI）

要滿足復雜大系統(tǒng)仿真的需要，必須有高性能的運行時間支撐結構（RTI）的支持。在時間管理上，要保證系統(tǒng)的靈活性與可擴充性，適宜不同仿真系統(tǒng)時間調節(jié)的需要，并盡量保證時間管理模塊的獨立性，減少對其他模塊的影響。數據分布管理（Date Distributed Manage，DDM）服務要盡量減少聯邦成員接收到不需要的數據和流過網絡的信息數據量。作為 RTI體系結構最底層的網絡通信傳輸層，是實際傳輸 RTI 內部各控制消息和傳遞仿真成員之間數據的支撐系統(tǒng)，其性能和服務是滿足實際仿真系統(tǒng)運行需要的關鍵。

5.2 計算機生成兵力（CGF）

為了實現對抗仿真，必須有仿真對抗的智能目標即CGF。開發(fā) CGF 的工作主要是設計、完成能在仿真過程中實現實體自主機動、決策、自動武器應用和毀傷體現的軟件模塊，其實體主要是水面艦艇編隊對抗的目標：飛機、反艦導彈、空投制導炸彈等。由于戰(zhàn)場態(tài)勢復雜、指揮決策難度大、任務使命多等因素的影響，實現來襲目標的CGF在任務描述、指揮決策、武器組織、裝備使用等方面需要進行深入研究。

5.3 仿真模型的構建

仿真模型是實現系統(tǒng)仿真的基礎。要根據我海軍兵力兵器的現狀和在研的武器裝備，構建防空作戰(zhàn)的各種相關仿真模型，進行防空武器系統(tǒng)全過程的計算機仿真描述。同時，考慮到系統(tǒng)開放式的要求，要構建具有標準化、通用性和可擴充性的模型體系。

5.4 場景顯示和過程的可視化

要構造虛擬的防空戰(zhàn)場，系統(tǒng)需要實時顯示逼真的三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境和兵力兵器作戰(zhàn)過程，包括實體、武器應用、氣象和海洋環(huán)境等，以達到仿真的可視化，提高仿真過程的觀賞性和界面的親和性。系統(tǒng)的視景開發(fā)工具采用OpenGVS 及 VEGA 軟件，首先建立三維實體和自然景物模型，然后實時進行背景和特殊效果生成，最后合成立體的動感視景圖像。

6 結 語

水面艦艇綜合防空仿真系統(tǒng)的研究，提出了基于 HLA的系統(tǒng)總體結構和聯邦運行控制流程，建立了實用的仿真模型體系，實現在攻防對抗條件下對防空作戰(zhàn)過程的仿真。系統(tǒng)開放式的結構設計使用戶可以方便地根據需要增減仿真實體，或參與到更高級的仿真中去。系統(tǒng)的研制與應用將在水面艦艇的作戰(zhàn)研究中起到積極的作用。

參 考 文 獻

［1］黃柯隸.系統(tǒng)仿真技術［M］.長沙:國防科技大學出版社，1998.

［2］周林，張文，婁壽春，等.空防對抗仿真系統(tǒng)概要設計［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，2002(3):111-113.

［3］林新，王江云，王行仁，等.基于HLA 的計算機生成兵力研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2000，12(5):478-480.

［4］康鳳舉.現代仿真技術與應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［5］Judith S Dahmann.High Level Architecture for Simulation ［Z］.1999.

［6］馬賢穎，李學軍.基于HLA的防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)研究[J].現代電子技術，2006，29(5):126-129.

［7］李曉峰，陳平.網格環(huán)境下基于HLA的分布式仿真研究[J].現代電子技術，2005，28(6):39-42.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。