艦船編隊防空聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

嚴兵，房霄

(1.海裝天津局，北京 100073； 2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

在信息化戰(zhàn)爭的需求牽引和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展驅(qū)動下，以往以武器平臺為中心的“平臺中心戰(zhàn)(platform centric warfare，PCW)”將退出歷史舞臺。取而代之的是以信息網(wǎng)絡(luò)為中心的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(network centric warfare，NCW)”，其將所用作戰(zhàn)資源集合成為一個統(tǒng)一高效的作戰(zhàn)信息網(wǎng)絡(luò)體系，使部隊的作戰(zhàn)潛力得以充分發(fā)揮[1]。

在未來的海上戰(zhàn)場中，大量超視距、高速度的掠海高精度武器的使用必然對艦隊安全造成嚴重威脅。因此更加凸顯了以“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”為核心的編隊網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的優(yōu)勢[2]。艦隊指揮員可以通過艦船編隊數(shù)據(jù)鏈掌控整個防區(qū)情形，根據(jù)目標威脅度對相應(yīng)艦船下達合理的攻擊指令，充分調(diào)動整個艦隊火力資源，提高編隊作戰(zhàn)能力[3]。

當(dāng)艦船編隊防空成為未來海戰(zhàn)的必然趨勢時，一套能夠模擬多種海上攻擊模式的聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)將能夠極大地提升海軍指戰(zhàn)員的戰(zhàn)術(shù)水平。本文正是在此背景下，提出了一套能夠廣泛應(yīng)用于艦隊日常訓(xùn)練的聯(lián)合模擬系統(tǒng)[4-5]。

1 系統(tǒng)概述

艦船編隊防空聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要針對艦隊聯(lián)合防空訓(xùn)練應(yīng)用而設(shè)計，該系統(tǒng)可以提升艦隊指揮員應(yīng)對未來戰(zhàn)場復(fù)雜情況的處置決策能力，以及火力單元指戰(zhàn)員對武器的操作能力。

面對艦隊聯(lián)合防空模擬訓(xùn)練的需求，該系統(tǒng)具有以下幾個特點：

(1) 能夠靈活配置和構(gòu)建出復(fù)雜場景空情環(huán)境；

(2) 能夠?qū)崿F(xiàn)空情信息的一致性分發(fā)，在艦隊中形成統(tǒng)一空情信息場；

(3) 能夠進行空情目標的動態(tài)反饋。

對于復(fù)雜空情場景的構(gòu)建，考慮到在未來戰(zhàn)場上對艦隊生存最大的威脅將是超聲速反艦導(dǎo)彈、攜帶高精度制導(dǎo)武器的飛機以及攻擊固定目標的戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈(tactical ballistic missile， TBM)。因此本訓(xùn)練模擬系統(tǒng)也著重于構(gòu)建超聲速反艦導(dǎo)彈、氣動目標、TBM的攻擊模型。同時在模型構(gòu)建時考慮攻擊場景的靈活配置，使作戰(zhàn)參謀可以根據(jù)需要設(shè)置不同的場景科目。

空情信息的一致性分發(fā)是本系統(tǒng)的另一項核心技術(shù)，主要目的就是在所有受訓(xùn)艦船中營造出統(tǒng)一的目標空情場。本訓(xùn)練系統(tǒng)通過艦隊數(shù)據(jù)鏈作為通信底層鏈路，同時采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(data distribution service, DDS)技術(shù)實現(xiàn)艦船間的數(shù)據(jù)分發(fā)。在數(shù)據(jù)處理方面，本系統(tǒng)采用時空對準補償算法使所有受訓(xùn)艦艇火力單元都能享有低失真度的統(tǒng)一空情數(shù)據(jù)。

空情目標的動態(tài)反饋的作用是使得訓(xùn)練模擬效果更為接近實戰(zhàn)。該聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在發(fā)布空情數(shù)據(jù)的同時，也可以通過火力單元的反饋信息進行空情的處理和判斷。其可以對制導(dǎo)雷達所跟蹤的目標實現(xiàn)機動，對已擊毀的目標實現(xiàn)碎片墜落處理等。通過這種非預(yù)案的空情動態(tài)反饋，更能夠鍛煉指戰(zhàn)員在作戰(zhàn)過程中的緊急處理和判斷。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

上一小節(jié)已描述了艦船編隊防空聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)和所需要具備的能力，根據(jù)空情一致性分發(fā)要求，該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用典型星形網(wǎng)絡(luò)拓撲的數(shù)據(jù)分發(fā)機制實現(xiàn)。系統(tǒng)框架設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 艦船編隊防空聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure of naval vessels formation anti-air co-training platform

該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)按組件(component)劃分，主要分為防空反導(dǎo)通用空情模擬器以及主從空情一致性處理器2個部分。

防空反導(dǎo)通用空情模擬器用于構(gòu)建出復(fù)雜場景空情環(huán)境，并提供良好的人機界面，方便作戰(zhàn)參謀設(shè)計攻擊場景。攻擊場景能夠覆蓋超音速反艦導(dǎo)彈、氣動目標、TBM的攻擊模型。

主從空情一致性處理器分為2部分，服務(wù)端和客戶端。服務(wù)端又稱為主控制器，負責(zé)進行空情信息的標準化工作以及標準空情信息的下發(fā)，同時負責(zé)匯總所有連接的客戶端的反饋信息，將信息反饋至防空反導(dǎo)通用空情模擬器進行空情目標的處理。客戶端又稱為從控制器，負責(zé)接收標準空情信息并分發(fā)至不同的空情信息接收終端(信息接收終端可以根據(jù)不同場景有所不同，例如某艦遠程防空導(dǎo)彈武控系統(tǒng)可以直接接收該空情信息進行處理，其他艦艇防空導(dǎo)彈武控系統(tǒng)需要將統(tǒng)一空情信息進行仿真處理后再接入)。從控制器還具有空情信息融合功能，可以通過和主控制器之間的交互，將空情信息在協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)同步。同時從控制器還可以提供戰(zhàn)情搜集接口，各艦防空導(dǎo)彈武控系統(tǒng)通過該接口將攔截情況、跟蹤情況上報。從控制器將信息融合處理后，反饋至主控制器，完成信息的閉環(huán)處理。

該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的通用性好，在運行過程中不需要依賴特定的訓(xùn)練裝備，僅需要在編隊指揮艦防空導(dǎo)彈武控系統(tǒng)中加裝空情模擬器和主控制器軟件，在所需要配合的其他艦艇武控系統(tǒng)中加裝從控制器以及相應(yīng)接口軟件，就可以完成該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的部署。

2.2 空情產(chǎn)生模塊設(shè)計

編隊防空聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的空情產(chǎn)生模塊由防空反導(dǎo)通用空情模擬器承擔(dān)。為了實現(xiàn)復(fù)雜空情場景的靈活配置和動態(tài)反饋，空情模擬器軟件的架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

(1) 人機接口模塊設(shè)計

人機接口模塊為使用者提供了良好的交互接口，使得用戶可以根據(jù)自己的作戰(zhàn)需求靈活設(shè)計模擬空襲場景。為了簡化開發(fā)過程，空情模擬器采用Qt界面框架實現(xiàn)。其中包括了2個主界面框架以及下屬若干子界面框架。其關(guān)系如圖3所示。

空情想定主界面主要用于建立空情想定方案。建立空情想定方案需要提供目標特性，目標航跡2項內(nèi)容。目標特性是指氣動目標的最小升限，最大升限，最小速度，最大速度和轉(zhuǎn)彎過載屬性，TBM目標的射程屬性以及超聲速反艦導(dǎo)彈的最小升限，最大升限屬性。這些參數(shù)都將影響目標航跡的生成。

對目標特性設(shè)置完成后，可以開始制作空情想定?？涨檐壽E的生成采用特殊航跡點法進行計算。對于氣動目標，需要在地圖中選取該目標飛行過程中所經(jīng)過的點，通過這些點勾畫出整個飛行軌跡。對于航跡點的描述，采用空間坐標、速度、過載來進行定義。對于TBM目標，則采用2點法確定其運動軌跡，從界面中輸入發(fā)射起點和終點，模型將計算出其運動軌跡。對于超聲速巡航導(dǎo)彈，采用與氣動目標相同的航跡點描述，不同的是不需要進行速度的設(shè)置，只需要指定其飛行的空間坐標即可。

圖2 空情模擬器軟件架構(gòu)設(shè)計框圖Fig.2 Structure of air-sim software

圖3 空情模擬器人機接口模塊界面框架結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of human interface module of air-sim software

進行空情想定設(shè)置時，軟件還提供干擾設(shè)置。從界面中可以對目標加裝干擾機控制?？梢灾С值母蓴_種類包括噪聲干擾、掃頻干擾、多假目標干擾、多普勒干擾、拖曳干擾、箔條干擾。

在空情制作過程中，可以通過目標航跡管理界面對目標進行添加、修改、刪除等操作。

空情想定完成后，切換至空情運行主界面，可以進行空情想定的運行。在運行過程中，可以通過動態(tài)目標軌跡添加界面根據(jù)需要添加臨時目標。也可以通過動態(tài)目標航跡修改界面對原有目標更改其航跡。

(2) 空情想定管理調(diào)度模塊設(shè)計

空情想定管理調(diào)度模塊主要用于在播放中控制空情目標數(shù)據(jù)時間校準與控制。其首先根據(jù)設(shè)定的時間戳產(chǎn)生節(jié)拍，當(dāng)節(jié)拍到達時，立刻計算空情目標在當(dāng)前點的三維坐標位置，三維速度信息以及三維加速度信息?？紤]到計算延遲，空情管理調(diào)度采用串行處理方式進行，處理完一個空情目標，隨即將該目標推送至發(fā)送模塊。

在空情想定管理調(diào)度模塊中，還同步管理目標的增減過程。當(dāng)收到界面中輸入的停止命令或信息反饋模塊接收到目標擊毀命令時，調(diào)度模塊負責(zé)將該空情目標撤銷。

空情想定管理調(diào)度模塊設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 空情模擬器空情想定管理調(diào)度模塊主流程圖Fig.4 Main process of air schedule module of air-sim software

(3) 空情信息發(fā)送與反饋設(shè)計

空情信息發(fā)送模塊接收管理調(diào)度模塊的空情數(shù)據(jù)，每收到一個目標的數(shù)據(jù)包就采用UDP單播發(fā)送至主控制器。同時該模塊接收主控制器的反饋信息。信息接口協(xié)議如表1所示。

表1 空情模擬器對主控制器接口協(xié)議列表Table 1 Protocols table from airsim to main-control software

2.3 空情一致性分發(fā)模塊設(shè)計

空情一致性分發(fā)模塊分為主控制器和從控制器。主要功能是在整個編隊建立統(tǒng)一的空情信息場。主控制器負責(zé)空情信息的一致性發(fā)送，從控制器一面接收主控制器信息，并根據(jù)部署的火力單元情況將目標信息送至火力單元。

為了保證空情信息在艦隊數(shù)據(jù)鏈中的無縫傳輸，主從控制器采用了數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)技術(shù)和空間坐標補償技術(shù)。

(1) 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)技術(shù)

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)技術(shù)主要采用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱通信模型，依照OMG(object managementgroup)提出的DDS Connext通信中間件針對強實時系統(tǒng)進行了優(yōu)化， 是一種不依賴于底層物理鏈路的傳輸方式[6-7]。正是由于該技術(shù)這種特點，DDS可以應(yīng)用于各種基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呐炾爺?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)[8]。

通過DDS中間件，主控制器定時向網(wǎng)絡(luò)總線發(fā)布空情主題(AIROBJECT_TOPIC)，主題發(fā)布策略(Qos)為帶組播的盡力傳輸(BEST_EFFECT with multicast broad)。所有接入艦隊數(shù)據(jù)鏈的DDS節(jié)點，都可以通過訂閱該主題來獲取統(tǒng)一空情數(shù)據(jù)[9-10]。

為了避免各個火力單元因為站址不同而對空情數(shù)據(jù)造成歧義，所有空情主題的目標位置數(shù)據(jù)均采用地心坐標系(geocentric coordinate)發(fā)送。在主控制器定時發(fā)布空情主題時，也同步訂閱網(wǎng)絡(luò)中的火力單元反饋信息。該信息由部署在各火力單元的從控制器發(fā)布。發(fā)布主題為反饋信息主題(FEEDBACK_TOPIC)，主題發(fā)布策略為可靠傳輸(reliability)。主控制器通過訂閱該主題獲取各火力單元對目標的處理[11-12]。

空情一致性分發(fā)模塊的DDS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

(2) 空間坐標補償技術(shù)

考慮到艦隊數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不確定因素，在各個部署的從控制器接收到的數(shù)據(jù)包時間不盡相同。

圖5 DDS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.5 Structure of DDS network

因此為了保證空情數(shù)據(jù)的時空有效性，在從控制器需要對目標數(shù)據(jù)進行空間坐標補償。補償方法采用線性補償算法，算法如下：

(1)

從控制器通過接收報文的時戳和當(dāng)前本地處理時戳進行差值比較。差值Δt越小，補償誤差越小。

3 系統(tǒng)仿真應(yīng)用

3.1 仿真環(huán)境

該套聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)首先在陸上實驗室進行了仿真試驗應(yīng)用。外圍設(shè)備包含2套遠程防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)以及防空作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)。

模擬空襲場景為要地防空演練。用例進攻目標采用多批次編隊進行。如圖6所示，其中1～10號編隊模擬進攻1號目指雷達；11～20號編隊模擬進攻2號目指雷達；21～30號編隊模擬進攻3號目指雷達，旨在在TBM精確攻擊前摧毀防御方反導(dǎo)系統(tǒng)。在編隊進攻后，進攻方從防區(qū)外發(fā)射600 km射程TBM，總共5枚，編號31～35，間隔10 s。

圖6 防空場景示例圖Fig.6 Schematic diagram of anti-air situation

根據(jù)防空空情場景設(shè)置圖，在空情模擬器中規(guī)劃設(shè)計出進攻用例。在空情模擬過程中，主控制器同時連接兩個火力單元的從控制器，同時運行的從控制器向2個航空導(dǎo)彈武控系統(tǒng)實時發(fā)送統(tǒng)一空情信息。

3.2 仿真結(jié)論

通過記錄功能，可以獲取到空情模擬器的標準空情數(shù)據(jù)以及火力單元輸入的空情數(shù)據(jù)。

首先可以通過Matlab進行空情航跡的驗證，通過圖7可以看出空情模擬器可以產(chǎn)生所需要的TBM攻擊軌跡。

圖7 31號TBM攻擊軌跡圖Fig.7 Trajectory schematic of No.31 TBM

然后可以對比空情模擬器的數(shù)據(jù)以及從控制器數(shù)據(jù)，兩者數(shù)據(jù)相似度越高則說明該系統(tǒng)的通用空情一致性精度越高。圖8為攻擊編隊1的坐標數(shù)據(jù)對比。

通過圖8 a)，8 b)可以看出，空情在火力單元級接收的和標準空情幾乎重合，空間吻合度很好。從誤差圖表分析，誤差曲線呈不規(guī)則周期分布。該誤差產(chǎn)生原因主要由網(wǎng)絡(luò)延遲與空情周期之間的同步過程引起的。當(dāng)主控制器空情下發(fā)周期與空情數(shù)據(jù)到達時間不同步時，則會由于外推時間的不同而產(chǎn)生周期性的誤差。從理論分析，當(dāng)目標進行高速機動時，速度和加速度的變化同樣會導(dǎo)致外推軌跡的誤差。外推時間最大誤差為所設(shè)置的空情下發(fā)周期。

圖8 空情一致性精度分析圖Fig.8 Analyze of the accuracy of air object

4 結(jié)束語

通過防空場景設(shè)置仿真試驗，充分體現(xiàn)了艦船編隊防空兩級聯(lián)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對空情場景的靈活配置能力和空情數(shù)據(jù)的一致性分發(fā)能力。從仿真試驗結(jié)果看，可以滿足艦隊聯(lián)合模擬訓(xùn)練的場景需求，跨網(wǎng)絡(luò)傳輸需求以及空情場景一致性需求。然而從訓(xùn)練模擬系統(tǒng)長遠發(fā)展角度，目前的系統(tǒng)還需提供更為便利的人機接口、更為精確的仿真模型和更為完備的訓(xùn)練模擬體驗。

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