王思卿，喬勇軍，王力超

(海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

0 引 言

隨著空戰(zhàn)環(huán)境越來越復雜，作戰(zhàn)人員在進行空中對抗、多機協(xié)同、防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術訓練時面臨著實裝耗資巨大，人員裝備組織調度困難，安全壓力大的困難[1-2]。對此，模擬仿真訓練作為作戰(zhàn)指揮人員進行戰(zhàn)術演習、裝備訓練等大規(guī)模性仿真的重要手段，達到了減少裝備損耗、增強訓練安全性、提升作戰(zhàn)能力的目的[3]。通過計算機程序對CGF空中目標的產生和行為進行控制，使目標數量增多且行為具有自主智能水平，能夠根據戰(zhàn)場實時態(tài)勢做出反應、判斷及決策，以此為作戰(zhàn)訓練人員提供“高質量”的對手或友軍。目前在此研究領域中大多學者都將研究重心放在了CGF系統(tǒng)的體系結構設計上，對其實體模型的構建過于簡單，無法滿足作戰(zhàn)訓練要求[4-5]，因此本文對CGF系統(tǒng)模型的構建展開分析與研究，根據作戰(zhàn)訓練需要建立了目標機動模型、雷達火控模型及智能決策模型，并以某型防空武器目標模擬器為研究對象，運用計算機兵力生成技術實現目標的生成和其自治行為，實現具有攻防對抗效果的實戰(zhàn)化戰(zhàn)術訓練，通過ACoreOS天脈操作系統(tǒng)機理以及系統(tǒng)仿真平臺[6-7]，實現對系統(tǒng)界面及交戰(zhàn)態(tài)勢的可視化仿真。

1 CGF空中目標分析

1.1 模型粒度分析

在建模與仿真過程中，模型粒度的選擇關系到對細節(jié)的描述程度，用不同粒度描述的仿真實體在模型中發(fā)揮的功能與影響也不盡相同[8]。因此，選擇合適的粒度對所建立模型的應用范圍、功能用途都息息相關。CGF空中目標由幾個功能性組件構成，包括機動模型、雷達火控模型、決策模型、戰(zhàn)術規(guī)則庫及動作庫等，關系相對獨立，且將這幾個組件之間的調用方式進行了定義，因此CGF空中目標屬于平臺級作戰(zhàn)模型，是所有功能組件的集合[9]。并且在仿真模擬訓練系統(tǒng)中所構建的CGF空中目標具備感知戰(zhàn)場態(tài)勢、對外部環(huán)境的變化做出反應、進行智能決策與行動的能力，能夠與仿真環(huán)境中的其他實體進行通信與交互，從而受到整個CGF系統(tǒng)集中統(tǒng)一的導調管理。

1.2 系統(tǒng)構成及模型框架

基于模型粒度分析，CGF系統(tǒng)模型一般由實體機動模型、實體決策模型和動作執(zhí)行模型構成[10-11]。實體機動模型對運動實體進行物理解算，通過動力學方程得到其姿態(tài)、位置等狀態(tài)參數；實體決策模型通過分析實時戰(zhàn)場態(tài)勢，根據戰(zhàn)術規(guī)則庫做出最優(yōu)決策；動作執(zhí)行模型通過推理機制得出結論，執(zhí)行機構對實體的相應參數進一步進行解算[12]。

為了使CGF系統(tǒng)更加完備高效，本文在此基礎上增加命令解析模塊，并將CGF系統(tǒng)各模塊具體化，如圖1所示。包括命令解析模塊、目標機動模型、雷達火控模型、智能決策模型、戰(zhàn)術規(guī)則庫及動作庫。命令解析模塊主要是將命令解析為計算機可以識別和處理的形式；目標機動模型模擬飛機或導彈的真實飛行狀態(tài)，輸出其重要狀態(tài)參數；雷達火控模型通過對雷達搜索、截獲跟蹤、導彈瞄準、發(fā)射制導等基本功能的仿真，實現基礎的仿真實體攻防對抗效果；智能決策模型通過分析戰(zhàn)場態(tài)勢和敵我局勢，將信息傳遞給機動模塊，根據戰(zhàn)術規(guī)則庫和動作庫做出一系列具有智能性的決策動作。并且，CGF空中目標構建有自主與受控兩種方式。受控是指通過外接接口實現人為的修改目標參數，如利用鼠標、操作桿等，并通過網絡將命令信息傳入解析模塊，系統(tǒng)將根據指令進行解算從而完成戰(zhàn)術動作，并將結果反饋到戰(zhàn)場環(huán)境中；自主是指模擬器自主生成具有一定智能性的目標，具備基礎的攻防兼?zhèn)浜椭悄軟Q策能力，根據雷達火控模型提供的實體信息進行決策，引導目標進行進攻、防御、規(guī)避等戰(zhàn)術動作。

圖1 CGF空中目標模型框架

2 CGF空中目標模型構建

為體現實戰(zhàn)，構建出的空中目標應能準確地體現其真實飛行特性及戰(zhàn)術指標，能正確模擬出實戰(zhàn)化飛行目標的性能。開始模擬仿真訓練后，作戰(zhàn)人員根據訓練需要設置目標參數，或根據戰(zhàn)場態(tài)勢自主調用不同參數指標的空中目標，實現起飛、攻擊、防御、飛行等戰(zhàn)術動作，并完成隊形保持、雷達探測、導彈制導等戰(zhàn)術行為，模擬作戰(zhàn)人員的智能操作行為進行決策，對實時戰(zhàn)場態(tài)勢的變化做出反應[13]。

2.1 目標機動模型

目前文獻中對實體機動模型的構建一般采用六自由度動力學參數仿真。它的基本思想是將實體看作是一個剛體，實體所有運動都被分解為質心運動、繞質心運動或兩種運動的結合。操作過程為將駕駛桿或舵面的操縱量輸入進行相關參數解算，根據動力學方程、速度及加速度方程等計算實體實時狀態(tài)，從而輸出飛機動作。采用六自由度動力學參數仿真的方法可以準確描述實體運動狀態(tài)，但計算復雜，運算量大，控制器設計需要進行反復的測試調整參數，控制復雜度較高，難以在應用中實現實時動態(tài)仿真[14]。并且，作戰(zhàn)操作人員通常根據戰(zhàn)術目標確定飛機的機動動作，再根據動力學方程解算各項參數。然而，采用六自由度機動模型無法將操縱量與飛機機動緊密聯系，并且無法體現良好的動力學特性與戰(zhàn)術指標。因此，在精度要求不算特別高的情況下，考慮使用既可以準確描述飛機機動動作又能緊密聯系作戰(zhàn)目標的面向作戰(zhàn)任務的飛機CGF機動模型。模型輸入為機動過載大小和方向、發(fā)動機狀態(tài)或速度等參數，良好地將作戰(zhàn)操作人員的作戰(zhàn)意圖轉化為了飛機機動控制的輸入。

采用這樣的方法有兩個優(yōu)勢。第一，具有一定的準確性。按照飛機機動模型解算出的參數，能夠更加符合實際的動力學特性，能夠保證戰(zhàn)術推論的可用性。需要注意的是，要充分考慮飛機機動能力的相關限制，使用可行的機動過載確定飛機各項參數。第二，具有一定的實用性。作戰(zhàn)操作人員關注的是飛機的機動動作，根據作戰(zhàn)目的將飛機預期動作分解為速度、過載、方向等，并將其作為模型輸入接口，這樣建立的機動模型能夠使飛機預期機動動作與各項參數保持一致，最終可實現基于一定戰(zhàn)術目的的作戰(zhàn)仿真。

基于以上分析，本文建立的飛機機動模型既可以滿足仿真中的作戰(zhàn)目的，也可以準確描述出飛機的動力學特性，將作戰(zhàn)操作人的作戰(zhàn)意圖轉化為對飛機的機動控制。

圖2 飛機機動運動模型框架

為了滿足不同作戰(zhàn)需求和機動要求，將模型分為給定發(fā)動機推力狀態(tài)或給定飛行速度兩部分。當給定發(fā)動機推力狀態(tài)時，發(fā)動機動力模型對推力進行計算，并提供解算速度的約束條件。當給定飛行速度時，發(fā)動機動力模型計算動力限制條件，從而約束飛行速度。因此機動模型的輸入量為(ny,γs,vtr)|t或(ny,γs,φ)|t，式中φ為油門位置，vtr為真空速。

飛機的質心動力學方程為：

(1)

為了簡化模型，假設操作人員始終使得側滑角很小，令β=0，Z=0， 簡化了輸入量和氣動側力的計算。將輸入量分解在合力中，得到合力表達式為：

(2)

式中，P為發(fā)動機動力模型的推力值，當機動輸入是速度時，P滿足航跡切線方向合力平衡，Q為阻力，Y為升力，由過載和氣動導數求出，Z為側力。Cht，Chq,Chd為飛機機體軸系，速度軸系，地面軸系到飛機航跡軸系的坐標轉換矩陣?？捎搔?，γs，φs，α，β等參數求出。

由運動學關系，得出飛機空間位置：

(3)

由下式決定飛機姿態(tài)參數：

(4)

Ctd=Cth·Chd

(5)

2.2 雷達火控模型

在飛行設備實裝中一般裝配有火控計算機、武器系統(tǒng)以及雷達紅外探測設備，作戰(zhàn)人員通過操控座艙內的設備開關按鈕等來實現導彈發(fā)射、制導攔截、雷達探測、識別跟蹤等操作，過程相對復雜，需要操作的環(huán)節(jié)多[15-16]。但在仿真模擬訓練中，仿真的重點在于武器裝備功能的體現，對其他細節(jié)的高度還原要求不高，因此可以對飛行設備中的操作過程進行簡化與提煉，只保留最關鍵的操作步驟，省去其余細節(jié)，實現相對重要的作戰(zhàn)環(huán)節(jié)，從而完成整個作戰(zhàn)過程，如圖3所示。

圖3 雷達火控模型仿真流程

建立CGF空中目標雷達模型時，設定雷達自動進入空戰(zhàn)模式，當雷達接收到目標實體的航跡信息時，根據雷達距離方程和雷達干擾方程、目標反射截面積RCS、雷達各項參數等對能否探測到目標進行判斷。其中，目標回波功率強度為：

(6)

雷達接收機熱噪聲平均功率強度為：

N=KT0BrF

(7)

在雷達受到有源壓制性干擾的情況下，雷達接收機的干擾功率強度為：

(8)

在自由空間中的信噪比可由公式(6)和公式(7)可得出：

(9)

在復雜電磁環(huán)境中，雷達接收機輸出端的信干比可由公式(6)和公式(8)得出：

(10)

式中：Dj為綜合抗有源干擾綜合改善因子。在得到信噪比或信干比的基礎上，發(fā)現概率Pd和虛警概率Pf可將雷達探測性能具體量化。發(fā)現概率Pd可簡化計算為：

(11)

u是取[0,1]區(qū)間上的一個隨機變量，做均勻分布，且當u≤Pd時，判斷為雷達發(fā)現目標，此時CGF空中實體將會飛向威脅指數最大的目標直到雷達將目標截獲；當u>Pd時，判斷為雷達沒有發(fā)現目標。

同時，假設導彈在空戰(zhàn)過程中都處于良好狀態(tài)，雷達判斷為截獲目標后系統(tǒng)隨即進行相關火控計算，若目標滿足以下發(fā)射條件：

(12)

則第i批目標可能進入殺傷區(qū)而被攔截。

式中：Pi為目標的航路捷徑，Hi為目標高度，Vti為目標速度；Pmax為火力單元確保能夠以預期概率將目標殺傷時目標的最大航路捷徑，Hmin為最小高度，Hmax為最大高度，Vmax為最大速度。

可采用的三點引導方法(又稱重合法)對導彈速度進行擬合。三點引導法是指將制導站、導彈與目標始終控制在一條直線上的引導方法。如圖4所示。

圖4 三點法示意圖

三點法的引導方程為：

(13)

式中：εd為導彈視線高低角；εm目標視線高低角；βd為導彈視線方位角；βm為目標視線方位角。

為簡化模型設計，在滿足系統(tǒng)真實需求和仿真實際情況的基礎上，建立以下準則：

(1) 當目標位置與導彈間距離小于導彈的有效發(fā)射距離時，立即進行導彈發(fā)射操作。

(2)導彈可進行連續(xù)發(fā)射，且連續(xù)發(fā)射時間間隔須大于等于5 s。

(3)通過運用三點法擬合導彈飛行速度變化曲線，對導彈的飛行運動過程進行仿真，將導彈飛行速度矢量與仿真步長相結合對導彈的空間位置坐標進行計算。

(4) 當某個目標被導彈連續(xù)命中兩次則認為該目標消亡，失去作戰(zhàn)能力。

2.3 智能決策模型

仿真模擬訓練針對的是一個不斷變化的實時戰(zhàn)場態(tài)勢，提升訓練效果的關鍵在于使CGF實體具有和作戰(zhàn)人員一樣的“智能”，能夠對周圍戰(zhàn)場環(huán)境做出反應、分析和決策，最終實現協(xié)同作戰(zhàn)或戰(zhàn)術對抗。CGF空中目標的智能決策模型主要通過專家系統(tǒng)來實現，由知識庫、規(guī)則庫、動作庫及決策模塊構成[17-18]。

在具體實現過程中，將作戰(zhàn)人員的作戰(zhàn)原則、戰(zhàn)術方法、戰(zhàn)略思想等相關知識轉換為計算機能夠識別和處理的形式，儲存在知識庫中；決策部分采用基于規(guī)則的行為機制，以先前態(tài)勢感知的結果信息(如目標實體位置信息、雷達探測跟蹤結果，導彈攻擊結果等)作為入口，通過IF-THEN結構將決策信息與知識庫中的產生式規(guī)則進行匹配，輸出動作庫中相應的動作策略，從而確定機動模型中的各項參數。輸出的動作策略分為以下三種：目標控制、目標設備操作、對外部命令的應答。因此，提高CGF的智能決策水平，可以通過補充專業(yè)戰(zhàn)術知識，完善作戰(zhàn)知識庫和相關推理機制，或構建全面具體的動作庫，準確輸出實體的機動動作和戰(zhàn)術決策的方法來實現。

3 ACoreOS天脈操作系統(tǒng)

天脈1嵌入式實時操作系統(tǒng)(ACoreOS)及開發(fā)環(huán)境是一款面向多任務應用的強實時性嵌入式系統(tǒng)平臺軟件。它的軟件架構采用三層棧結構：模塊支持層(MSL)、操作系統(tǒng)層(OSL)、應用層(AL)，如圖5所示。這種三層棧結構給予了操作系統(tǒng)更好的可移植性能，也解決了硬件設備的升級、應用軟件的可重用等問題。模塊支持層主要負責為操作系統(tǒng)提供訪問硬件資源的服務；操作系統(tǒng)層負責管理計算機資源，為應用軟件的運行提供有力支撐；應用層主要實現對軟件各功能的控制與管理。

圖5 ACoreOS三層棧結構

ACoreOS憑借一系列優(yōu)勢特性，在國防裝備、軌道交通、工業(yè)控制等多個領域都有了較廣的應用。并且，將其運用在武器裝備中后可達到充分發(fā)揮武器裝備性能、有效節(jié)省時間與成本、提升應用軟件開發(fā)速度的目的。眾所周知，在軍事領域使用國外的操作系統(tǒng)存在著很大的安全隱患，容易造成軍事機密的泄漏，使用我國自主研制的ACoreOS操作系統(tǒng)可有效地避免此類問題，安全有效的對軟件進行開發(fā)。

4 仿真實驗及結果

在本課題研究過程中，硬件仿真平臺是一臺ARM試驗箱，內裝有ACoreOS操作系統(tǒng)，可以通過加載和固化兩種方式將映像文件傳給實驗箱(目標機)。軟件平臺是與ACoreOS機載嵌入式實時操作系統(tǒng)相配套的開發(fā)環(huán)境LambdaAE，用于操作系統(tǒng)和機載應用軟件等的開發(fā)和維護。 LambdaAE開發(fā)環(huán)境具備一系列實用性、高效性的軟件工具，是一個開放的嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境,為開發(fā)嵌入式軟件提供了有力支撐。

在進行仿真時，首先在宿主機上安裝Oracle VM VirtualBox，再在VM虛擬機中搭建LambdaAE開發(fā)環(huán)境，在虛擬Windows XP系統(tǒng)中編譯構建目標代碼文件，最后燒寫、固化進目標機當中。通過以太網與串行口，實現宿主機與目標機的相互連接，如圖6所示。

圖6 實驗平臺結構

最終在實驗箱上顯示所構建的CGF空中目標及參數，以此完成系統(tǒng)仿真的實現。CGF空中目標模擬器運行時的參數設置界面如圖7所示。

圖7 CGF目標模擬器參數設置界面

嵌入式目標模擬控制界面如圖8所示。界面中左上方為一二維地圖，右上方可對模擬實施控制，右下方顯示目標各項參數。

圖8 CGF目標模擬器控制界面

5 結 語

本文根據仿真模擬訓練系統(tǒng)的實際需求，通過分析CGF系統(tǒng)的基本結構和模型粒度，對CGF空中目標的建模進行了研究。構建了目標機動模型、雷達火控模型及智能專家決策模型，并具備自主與受控兩種目標構建方式。該建模和仿真方法已應用到某型仿真模擬器系統(tǒng)中。結果表明，所建模型具有良好的可靠性及真實性，所構建的目標具備一定自治力與智能性，能夠滿足仿真模擬訓練的需要，提高了訓練效果和水平。并且以組件式的開發(fā)模式進行模型框架設計，能夠使模型具備良好的可重用性和交互性。