陳 勇，劉炳磊，李 寧

(中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

在國內(nèi)，目前仿真應用研究主要集中在綜合電子信息系統(tǒng)裝備的論證和設計分析階段，但隨著系統(tǒng)裝備全壽命管理的需要，以及綜合電子信息系統(tǒng)裝備體系的逐步建立和戰(zhàn)場環(huán)境仿真技術的逐步成熟，已越來越需要仿真系統(tǒng)與實兵實裝系統(tǒng)實施信息交互，為系統(tǒng)綜合集成、測試評估、模擬訓練等提供支撐環(huán)境和工具。為了更好滿足試驗對多類型、多批、多架次兵力的需要，針對可參試兵力資源類型和數(shù)量無法滿足試驗需求的情況，需研究虛實兵力混合試驗技術進行試驗真實兵力補充，以保證在投入最小規(guī)模兵力條件下實現(xiàn)試驗效益的最大化。因此，大規(guī)模開展實裝兵力與虛擬兵力混合試驗技術研究將成為仿真測試領域的一個趨勢。

1 虛實兵力混合試驗技術體系

虛實兵力混合試驗研究的技術體系應如圖1 所示。包括技術基礎支撐層，共性支撐層和應用層。其中，基礎技術支撐層主要是基于多分辨率建模方法，建立滿足不同試驗場景的不同仿真粒度的虛擬兵力，包括兵力實體、環(huán)境、指揮控制模型等。共性技術支撐層包括虛實結(jié)合仿真試驗的仿真導調(diào)控制、虛實兵力時空統(tǒng)一技術、艦艇/飛機隊形保持技術、虛實兵力實時交互技術研究。應用層主要有虛擬兵力實時指揮控制、虛實兵力互聯(lián)互通和虛實兵力混合試驗技術。

通過以上技術體系開展研究，可逐步形成完善虛實兵力混合的仿真測試和試驗方法，構(gòu)建測試評估、模擬訓練等的基礎環(huán)境，實現(xiàn)實裝實兵環(huán)境下的虛擬兵力的在線試驗。

圖1 虛實兵力混合試驗技術體系示意圖Fig.1 Architecture diagram of virtual and real combing test

2 虛實兵力信息交互控制技術研究

2.1 虛實兵力控制技術研究

虛擬兵力建?？蓮男袨樘匦院托畔⑻匦? 個方面進行描述。例如，描述一類虛擬兵力，行為特性為隨實兵艦艇(或飛機)組成特定編隊并保持其編隊隊形;信息特性為具備與真實兵力一致的信息接口、可接收并自動處理指揮引導信息、依據(jù)指揮引導命令調(diào)整運動特性、可接收指揮文電等信息特性。那么這樣構(gòu)建而成的艦船(飛機)虛擬兵力即可滿足特定作戰(zhàn)樣式下，開展的虛實兵力混合試驗，達到補充真實兵力不足、降低試驗開銷、縮短試驗周期、更加方便靈活的組織試驗流程等目的。

虛擬兵力與真實兵力實時控制示意圖如圖2 所示。

如圖2 所示，在虛實結(jié)合仿真系統(tǒng)的支持下，在實裝網(wǎng)絡內(nèi)形成與真實兵力保持特定編隊隊形、具備隨動轉(zhuǎn)向的虛擬兵力實體，并且在仿真系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)虛擬兵力的航跡信息、作戰(zhàn)命令、文電信息等在實裝網(wǎng)絡上的分發(fā)共享，進一步實現(xiàn)實裝兵力與該虛擬兵力實體之間的信息交互、實時控制。

2.2 虛擬兵力互操作技術設計

實兵兵力和虛擬兵力之間的互操作，需基于分布在廣域網(wǎng)異構(gòu)試驗環(huán)境下的各個虛、實兵力實體的互聯(lián)互通條件下實現(xiàn)。試驗中，在實裝環(huán)境中嵌入仿真代理，從而實現(xiàn)虛實兵力之間的互聯(lián)互通。實裝環(huán)境在接收探測感知系統(tǒng)上報的實兵態(tài)勢的同時也接收并處理各級仿真代理報送的信息(含態(tài)勢、作戰(zhàn)命令等)。仿真代理將實裝環(huán)境中的態(tài)勢信息和作戰(zhàn)命令等虛擬兵力所需的實時運行參數(shù)發(fā)送到仿真環(huán)境中來，仿真環(huán)境依據(jù)當前態(tài)勢和指揮命令、作戰(zhàn)流程等進行計算，實時將虛擬兵力所需運行的航跡、響應的命令等向?qū)嵮b環(huán)境發(fā)送，從而實現(xiàn)虛擬兵力和實兵兵力的互操作。

3 一種虛實結(jié)合編隊隊形保持算法

3.1 編隊隊形保持主要原則

在虛實兵力結(jié)合的試驗中，由于真實艦艇、飛機的航路與預定的航路可能不完全一致，尤其是根據(jù)試驗任務需要，過程中需進行的航路調(diào)整。因此，虛擬兵力也需要根據(jù)真實的艦艇、飛機位置和隊形參數(shù)適時地進行調(diào)整，以滿足虛實兵力需要與真實兵力編隊隊形保持一致的要求。

虛實結(jié)合編隊隊形保持技術研究需要遵守的原則主要有:

1)虛擬兵力編隊隊形的保持參數(shù)主要考慮:兵力橫向間距、縱向間距;

2)虛擬兵力的航行干預參數(shù)主要考慮:航行速度、航向;

3)設置誤差報警門限，超出門限則進行航行參數(shù)的調(diào)整，從而確保不用頻繁干預虛擬兵力的航行參數(shù)，更符合實際;

4)應建立虛擬兵力隨真實兵力進行隊形變換的變換算法/方法，虛擬兵力隊形變換要貼近實際，要按照真實兵力的航行控制原則進行調(diào)整;

5)艦艇、飛機編隊航行主要是定直航行和為了改變航向的轉(zhuǎn)彎航;

6)真實兵力的航行參數(shù)傳送到虛擬兵力模型有可能會斷續(xù)，需要采用一定的方法去保證編隊隊形的連續(xù)性;

7)航行隊形是個范圍值，盡量避免反復調(diào)整，應建立一個原則確保不用持續(xù)調(diào)整仿真艦艇的參數(shù)，保證與真實艦艇的實際操縱過程相符合;

8)虛擬兵力應作為真實兵力的編隊成員節(jié)點，并接收編隊指揮節(jié)點的參數(shù)輸入。應可接收部分指揮節(jié)點的指揮命令、文電信息，并自動響應命令且給出命令回執(zhí)。

3.2 編隊定速直線航行時的算法

為了讓成員艦(虛擬兵力)快速進入規(guī)定的編隊位置且保留在該位置處，本文采用時間最短的最佳控制方法。確保只需切換一次速度和航向即可實現(xiàn)在最短時間內(nèi)進入編隊指定位置點，保證隊形一致。在這里，采用以時間最短為性能指標的最佳控制，控制流程如圖3 所示。

圖3 編隊直航時的控制流程圖Fig.3 Control flow chart of formation in a straight line navigation

對于該問題，性能指標為

采用相對坐標系，原點固定在指揮艦上，則虛擬編隊成員的相對速度與位移為

其中vm，xm，v，x 分別為指揮艦與虛擬兵力的絕對速度與位移。

定義哈密頓函數(shù)為:

允許控制u(t)的約束條件為

其中amax與amin分別為最大可用加速度與最小可用加速度。

通過計算推導，可得到最佳控制算法為［5］:

采用時間最短的最佳控制，在指揮艦勻速直線運動時，編隊成員虛擬兵力只需切換一次加、減速控制，就可以在最短時間內(nèi)進入到編隊位置點處，并在該處停留下來。對于改變航向的運動，同樣可利用時間最短的最佳控制方法來實現(xiàn)。

3.3 編隊轉(zhuǎn)彎時的隊形保持算法

下面分別介紹兩類隨真實兵力轉(zhuǎn)彎時的編隊隊形保持算法，分別為淺轉(zhuǎn)彎和換位轉(zhuǎn)彎方式下的編隊隊形保持算法。

1)淺轉(zhuǎn)彎方法

如圖4 所示為飛機淺轉(zhuǎn)彎的平面圖，其中飛機1 為真實飛機，飛機2 為虛擬兵力飛機。飛機1 的轉(zhuǎn)彎點平面坐標為A(xA，yA)，轉(zhuǎn)彎結(jié)束點平面坐標為A′(x′A，y′A);飛機2 的轉(zhuǎn)彎點平面坐標為B(xB，yB)，轉(zhuǎn)彎結(jié)束點平面坐標為B′(x′B，y′B)。Δθ 為航向變化率，R1為飛機1 的轉(zhuǎn)彎半徑，R2為飛機2 的轉(zhuǎn)彎半徑，D1為飛機1 的轉(zhuǎn)彎點與轉(zhuǎn)彎結(jié)束點的距離，D2為飛機2 的轉(zhuǎn)彎點與轉(zhuǎn)彎結(jié)束點的距離。

圖4 淺轉(zhuǎn)彎法Fig.4 Shallow turning method

已知Δθ，A，A′，B，B′ 四點的坐標點。首先根據(jù)A，A′，B，B′ 四點的坐標點時，可得出轉(zhuǎn)彎的直線距離D1和D2。

則:

相應飛機的轉(zhuǎn)向航程為:

2)換位轉(zhuǎn)彎方法

圖5 為換位轉(zhuǎn)彎法示意圖，其中飛機1 為真實飛機，飛機2 和飛機3 為仿真飛機。從圖中可看出，轉(zhuǎn)彎后飛機2 與飛機3 完成了換位，這樣，可以綜合調(diào)整編隊內(nèi)/外側(cè)的飛機的速度、轉(zhuǎn)彎半徑和負載，降低仿真的復雜性，提高仿真的可行性。此外，由于大部分飛機隊形都有高度差或橫向差，所以即使轉(zhuǎn)彎的航線有交叉點，但是由于轉(zhuǎn)彎飛行的路徑和轉(zhuǎn)彎的圓心不一致，因此不會產(chǎn)生雙機相碰事件，因此，此種仿真方法切實可行。

圖5 換位轉(zhuǎn)彎法Fig.5 Transposition turning method

4 結(jié) 語

本文研究了一種虛擬兵力與實裝相結(jié)合的試驗與測試方法，主要論述了虛實兵力混合試驗技術體系、虛實兵力信息交互控制技術和一種可用于虛實兵力結(jié)合編隊隊形保持算法。為復雜大系統(tǒng)試驗、測試和評估提供理論支持和測試方法。

［1］顧浩，翟永翠，姜豐落，等．海戰(zhàn)場綜合電子信息系統(tǒng)仿真測試技術［J］．計算機仿真，2007(5):274 －278．GU Hao，ZHAI Yong-cui，JIANG Feng-luo，et al．Simulation test technology of naval battle synthesis electronic infor mation system［J］． Computer Simulation，2007(5):274－278．

［2］王泗宏，毛少杰．基于仿真的C3I 系統(tǒng)測試評估技術研究［J］．系統(tǒng)仿真學報，2006(3):881 －883．WANG Si-hong，MAO Shao-jie． Test and evaluation technology of C3I system based on simulation［J］． Journal of System Simulation，2006(3):881 －883．

［3］胡玉農(nóng)，夏正洪，王俊峰，等．復雜電子信息系統(tǒng)效能評估方法綜述［J］．計算機應用研究，2009(3):819 －823．

［4］彭節(jié)，舒暢，張剛，等． C4ISR 系統(tǒng)仿真測試研究［J］． 火力與指揮控制，2009(6):169 －171．

［5］龔光紅，王行仁．計算機生成航空兵力編隊能力的實現(xiàn)［J］．北京航空航天大學學報，1999，6(3):318 －321．

［6］陳煒，王小非．一種艦載指控系統(tǒng)情報處理性能仿真測試評估方法［J］．系統(tǒng)仿真學報，2007(18):4146 －4149．CHEN Wei，WANG Xiao-fei． Approach to simulation and evaluate information frocessing performance of shipborne command control system［J］．Journal of System Simulation，2007(18):4146 －4149．