基于FLAMES的衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)

楊 彬，張順健，方勝良

(電子工程學院，安徽 合肥 230037)

基于FLAMES的衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)

楊 彬，張順健，方勝良

(電子工程學院，安徽 合肥 230037)

針對衛(wèi)星對抗作戰(zhàn)行動效果難以檢驗的問題，提出了基于FLAMES的衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)，介紹了FLAMES仿真平臺基本理論，搭建了衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)，對各分系統(tǒng)接口進行了設(shè)計。

FLAMES；衛(wèi)星對抗；仿真實驗

0 引 言

衛(wèi)星對抗具有組成要素眾多、大量運用高新技術(shù)、參展裝備類型復雜、政治影響大等特點，這就使得衛(wèi)星對抗在作戰(zhàn)運用和效果檢驗方面存在以下問題：一是組成要素眾多，自成體系，難以定性分析作戰(zhàn)效果；二是大量運用高新技術(shù)，戰(zhàn)場空間遠離地面，行動效果難以得到實踐檢驗；三是裝備類型復雜，既有地基、空中裝備，又有天基裝備，若動用實裝實兵，則代價太大，難以承受；四是開展衛(wèi)星對抗作戰(zhàn)行動的影響較大，容易招致世界輿論的譴責，給敵對勢力授以口實，也容易提前暴露我技術(shù)、裝備、理論，留給強敵充分的準備時間。為了解決以上問題，本文提出了基于FLAMES的衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)，采用計算機仿真實驗的手段來檢驗衛(wèi)星對抗的效果。

1 FLAMES簡介

FLAMES[1](Flexible Analysis and Modeling Effectiveness System)是由美國Ternion公司20世紀80年代中期研發(fā)并于2001年公布的仿真開發(fā)軟件。FLAMES是基于行為仿真的開放式仿真框架軟件，其軟件本身并不能滿足用戶的具體仿真要求，而是需要用戶通過以該仿真框架為基礎(chǔ)，建立各種裝備模型、行為模型和消息模型來滿足自己的仿真需求。FLAMES內(nèi)核可以看作是一個軟件服務(wù)包，能夠為所有基于FLAMES的應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)服務(wù)，F(xiàn)LAMES提供四大標準應(yīng)用程序[2]：FORGE、FIRE、FLASH和FLARE，具體關(guān)系如圖1所示。

FORGE是用于創(chuàng)建和執(zhí)行FLAMES想定的基礎(chǔ)應(yīng)用程序，它將FLAMES多用戶輸入的數(shù)據(jù)保存在想定數(shù)據(jù)庫中，在想定執(zhí)行過程中，可調(diào)用模型來模擬戰(zhàn)場環(huán)境、平臺機動、傳感器探測等。FIRE是另一個執(zhí)行FLAMES想定的程序，它通過從FLAMES數(shù)據(jù)庫中找到歸檔的想定，并調(diào)用事先建立的相關(guān)模型來執(zhí)行想定。FLASH將想定執(zhí)行所得仿真數(shù)據(jù)作為輸入，利用二維和三維圖形顯示技術(shù)把想定中的各種作戰(zhàn)行動以可視化的形式輸出。FLARE讀取想定執(zhí)行結(jié)果，并將其轉(zhuǎn)換到關(guān)系數(shù)據(jù)庫列表中，利用SQL語言的查詢功能，對記錄的數(shù)據(jù)進行分析。

2 基于FLAMES的衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

基于FLAMES的衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計總體思路[3]：以模擬各類干擾裝備對抗衛(wèi)星為出發(fā)點，利用二維和三維圖形、數(shù)據(jù)報表等表現(xiàn)形式展現(xiàn)不同作戰(zhàn)方案的作戰(zhàn)效能；采用基于FLAMES的開放式仿真框架，以作戰(zhàn)能力評估模型作為實體模型、行為模型和消息模型定量計算的基礎(chǔ)，利用實體模型、行為模型和消息模型三者之間的協(xié)同和交互，完成場景內(nèi)的衛(wèi)星對抗能力的仿真。該系統(tǒng)主要包括想定編輯分系統(tǒng)、仿真推演分系統(tǒng)、綜合評估分系統(tǒng)和仿真資源管理分系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示。

2.1 想定編輯分系統(tǒng)

想定編輯分系統(tǒng)主要對衛(wèi)星對抗仿真實驗進行規(guī)劃和設(shè)計，建立支持衛(wèi)星對抗仿真實驗的方案，指導和驅(qū)動仿真實驗的運行和分析。該分系統(tǒng)能為仿真實驗進行頂層設(shè)計、規(guī)劃，完成仿真實驗數(shù)據(jù)準備，包括仿真實體編輯模塊、作戰(zhàn)想定編輯模塊和想定轉(zhuǎn)換模塊等。

(1) 仿真實體編輯模塊主要通過友好的用戶界面，實現(xiàn)仿真實體模型的可視化編輯。在FLAMES想定中，每一個實體默認情況下是一個空殼，其功能是由加載到實體上的仿真基礎(chǔ)模型(裝備模型、認知模型以及消息模型)來完成的。因此，仿真實體編輯模塊的主要作用是依據(jù)衛(wèi)星裝備實體的組成和功能，將仿真基礎(chǔ)模型進行可視化組裝，并利用FLAMES腳本生成仿真實體模型，同時生成XML格式的仿真實體字典文件。

(2) 作戰(zhàn)想定編輯模塊主要通過可視化的作戰(zhàn)態(tài)勢部署，實現(xiàn)軍事想定的錄入。首先通過讀取仿真實體字典文件自動生成待部署的裝備實體列表，然后依據(jù)軍事想定構(gòu)建裝備體系并進行態(tài)勢標繪，實現(xiàn)作戰(zhàn)想定的編輯。其主要功能有：定義想定的時間跨度和各個作戰(zhàn)階段的起止時間；確定實體行動的地域、空域、海域范圍；依據(jù)軍事想定，構(gòu)建對抗雙方裝備體系并設(shè)置指控關(guān)系；根據(jù)實體部署情況，進行簡單的部署分析(如通視分析、視距分析、作用距離和范圍等)。

(3) 想定轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn)實驗方案的轉(zhuǎn)換工作。由于XML格式的作戰(zhàn)想定文件不能直接用于仿真運行，因此需要通過轉(zhuǎn)換模塊對仿真實體字典文件和作戰(zhàn)想定文件進行綜合處理，轉(zhuǎn)換生成仿真引擎可執(zhí)行的FLAMES想定文件。FLAMES想定文件采用特定編碼,它包含的主要內(nèi)容有：想定名稱、仿真起止時間、仿真步長、調(diào)用的模型庫信息等。FLAMES想定文件并不是作戰(zhàn)想定的全部記錄，它只是一個索引，仿真引擎通過它可以調(diào)用仿真所需的各類模型進行仿真運行。

2.2 仿真推演分系統(tǒng)

仿真推演分系統(tǒng)[4]根據(jù)作戰(zhàn)想定文件，調(diào)用相關(guān)仿真模型實現(xiàn)對整個衛(wèi)星對抗作戰(zhàn)過程的仿真，實時采集仿真數(shù)據(jù)并將態(tài)勢數(shù)據(jù)發(fā)送出去供態(tài)勢顯示。推演進程中，可以由仿真人員執(zhí)行暫停、繼續(xù)、終止等操作。仿真推演分系統(tǒng)主要包括4個功能模塊：想定執(zhí)行模塊、仿真控制模塊、態(tài)勢顯示模塊和仿真數(shù)據(jù)采集模塊。

(1) 想定執(zhí)行模塊是仿真推演分系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，其核心是FLAMES仿真引擎，它根據(jù)想定文件中的信息，讀取作戰(zhàn)想定數(shù)據(jù)庫，加載仿真模型并初始化仿真狀態(tài)，實現(xiàn)對整個作戰(zhàn)過程的仿真。想定執(zhí)行模塊具有3種仿真方式：最快仿真，即以操作系統(tǒng)的運算速度作為仿真速度；時鐘同步仿真，即以現(xiàn)實世界時鐘同樣的速度作為仿真速度；加速/減速仿真，即以現(xiàn)實世界時鐘的任意倍數(shù)作為仿真速度(若超過系統(tǒng)運算速度，則以系統(tǒng)運算速度作為仿真速度)。

(2) 仿真控制模塊主要提供仿真管理、狀態(tài)監(jiān)視和運行控制等功能。它可以啟動、暫停、繼續(xù)和終止仿真運行過程；可以通過操作人員發(fā)送命令對場景中的仿真實體進行控制，實現(xiàn)人在回路的仿真；在分布式交互仿真條件下，它還可以對聯(lián)邦成員進行管理，遠程激活和終止仿真成員的運行。

(3) 態(tài)勢顯示模塊主要是基于STK和MGS構(gòu)建了可視化二維/三維綜合態(tài)勢顯示環(huán)境。其中二維綜合態(tài)勢顯示環(huán)境基于MGS地理信息平臺實現(xiàn)，實時接收仿真輸出的二維態(tài)勢信息并呈現(xiàn)在態(tài)勢圖上；三維綜合態(tài)勢顯示環(huán)境則通過STK的可視化模塊(STK/VO)來實現(xiàn)，由FLAMES仿真推演產(chǎn)生的態(tài)勢數(shù)據(jù)通過STK提供的接口——STK/Connect模塊實時發(fā)送到STK/VO模塊，最終通過STKX控件實現(xiàn)衛(wèi)星對抗三維場景的顯示。

(4) 仿真數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是根據(jù)仿真數(shù)據(jù)采集計劃，記錄仿真運行過程中的各種仿真數(shù)據(jù)，供體系評估子系統(tǒng)使用。在仿真推演前，用戶依據(jù)仿真數(shù)據(jù)采集表，利用仿真數(shù)據(jù)采集模塊進行相應(yīng)的設(shè)置；在仿真推演過程中，仿真數(shù)據(jù)采集模塊負責接收仿真數(shù)據(jù)并將其保存到指定的Excel文件中。

2.3 綜合評估分系統(tǒng)

綜合評估分系統(tǒng)主要針對不同實驗?zāi)康模凑諉栴}評價指標體系，綜合運用各種評估方法、數(shù)據(jù)分析方法及相應(yīng)手段對輸出的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行融合、評估和分析，得出可信度較高的結(jié)論。其主要采取探索性分析和多維數(shù)據(jù)分析2種策略，多維數(shù)據(jù)分析運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從多次仿真結(jié)果數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有價值信息，探索性分析運用各類搜索算法對不確定性能力空間、策略空間以及環(huán)境空間進行探索分析。綜合評估分系統(tǒng)評估指標體系構(gòu)建、評估執(zhí)行和評估結(jié)果顯示3個模塊。

(1) 評估指標體系構(gòu)建模塊根據(jù)評估對象和評估需求，通過人機界面建立一套相對完整的多目標、多層次效能評估指標體系，供評估執(zhí)行采用。

(2) 評估執(zhí)行模塊通過人機界面從仿真資源庫中調(diào)用所需的指標算法和評估模型，對衛(wèi)星對抗效能進行綜合評估。

(3) 評估結(jié)果顯示模塊可對評估結(jié)果進行分析(如靈敏度分析等)，并能以數(shù)據(jù)、報表、圖形、文檔等形式進行評估結(jié)果的顯示。

2.4 仿真資源管理分系統(tǒng)

仿真資源管理分系統(tǒng)主要為實驗準備、實驗運行和實驗分析環(huán)節(jié)的不同工具提供各種模型、數(shù)據(jù)、算法等仿真資源，并對仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)和運行過程中使用和產(chǎn)生的各種資源進行綜合有效的管理，為衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)和運行提供底層支撐。它主要由模型庫管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和仿真資源庫等組成，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1) 模型庫管理模塊主要實現(xiàn)對各類仿真模型和評估模型的管理，具備對模型的添加、刪除、修改等功能。其中對各類仿真模型的管理主要通過FLAMES數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。為了便于模型的重用和重組，在模型庫中詳細記錄各模型的功能、接口、運行環(huán)境要求以及相關(guān)的開發(fā)信息。

(2) 數(shù)據(jù)庫管理模塊[5]主要實現(xiàn)對仿真運行和評估驗證所需的各類數(shù)據(jù)(包括實驗方案、裝備數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)、算法等)進行有效的管理和維護，具備對各類數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改等功能。根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，各類數(shù)據(jù)的讀取和存儲均采用XML數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式進行管理。對于非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，如想定文件、實驗方案等，要素較多，類型復雜，應(yīng)采用XML數(shù)據(jù)格式進行存儲和交互；對于裝備數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對規(guī)則、數(shù)據(jù)檢索率高等特點，應(yīng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)字典，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行存儲。

(3) 仿真資源庫主要用于存儲建模與仿真領(lǐng)域相關(guān)的各類資源，由仿真模型庫、評估模型庫、軍事想定庫、裝備數(shù)據(jù)庫、環(huán)境數(shù)據(jù)庫和算法庫等6個庫組成，是實現(xiàn)建模與仿真資源重用性和提高仿真應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)效率的重要支撐。

3 基于FLAMES的衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)接口設(shè)計

3.1 想定編輯分系統(tǒng)接口設(shè)計

想定編輯分系統(tǒng)的接口主要包括想定讀寫接口、仿真模型庫接口和人機交互接口，如圖4所示。

(1) 想定讀寫接口

通過想定讀寫接口，想定編輯分系統(tǒng)可以將編輯完成的想定信息進行保存，生成XML格式的仿真實體字典文件和作戰(zhàn)想定文件以及FLAMES想定文件；也可以讀取已有的想定文件進行修改。

(2) 仿真模型庫接口

通過仿真模型庫接口，想定編輯分系統(tǒng)可以從仿真模型庫中加載仿真基礎(chǔ)模型以進行仿真實體的編輯，還可以將創(chuàng)建的仿真實體模型存入模型庫中。

(3) 人機交互接口

想定編輯分系統(tǒng)主要與想定制作人員和軍事人員進行交互。首先軍事人員提出軍事想定，供想定制作人員進行作戰(zhàn)想定編輯；然后軍事人員對提交的作戰(zhàn)想定進行綜合檢查，并提出修改意見，反饋給想定制作人員。

3.2 仿真推演分系統(tǒng)接口設(shè)計

仿真推演分系統(tǒng)的接口主要包括想定讀寫接口、模型庫讀取接口、仿真數(shù)據(jù)輸出接口、人機交互接口和HLA接口5類，如圖5所示。

(1) 想定讀取接口

通過想定讀取接口對仿真實體文件和作戰(zhàn)想定文件進行訪問，實現(xiàn)作戰(zhàn)想定錄入和作戰(zhàn)仿真運行。

(2) 模型庫讀取接口

模型庫讀取接口主要用于各類仿真模型的加載和解算。

(3) 仿真數(shù)據(jù)輸出接口

仿真推演分系統(tǒng)將仿真推演過程中采集到的仿真數(shù)據(jù)保存到Excel文件中，供體系評估子系統(tǒng)進行仿真結(jié)果分析與體系評估。

(4) 人機交互接口

仿真推演分系統(tǒng)主要與管控人員和操作人員進行交互。在仿真運行過程，管控人員通過管控席位對仿真成員進行監(jiān)視、管理和控制。操作人員主要根據(jù)仿真運行情況進行態(tài)勢顯示操作，以便最佳展示全局和局部的對抗態(tài)勢。此外，操作人員還負責完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

(5) HLA接口

HLA接口主要是在采用HLA分布式交互仿真時，被用來實現(xiàn)各個仿真成員之間的仿真數(shù)據(jù)交互，包括實體信息交互和仿真事件交互。

3.3 綜合評估分系統(tǒng)接口設(shè)計

綜合評估分系統(tǒng)外部接口包括仿真數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)庫訪問接口和人機交互接口3類，如圖6所示。

(1) 仿真數(shù)據(jù)接口

通過仿真數(shù)據(jù)接口，綜合評估分系統(tǒng)在仿真推演進行前將仿真數(shù)據(jù)采集計劃提交給仿真推演子系統(tǒng)，并在仿真推演結(jié)束后讀取仿真數(shù)據(jù)記錄文件，獲取評估所需的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)庫訪問接口

綜合評估分系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫訪問接口調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)算法和評估模型，進行衛(wèi)星對抗效能評估。

(3) 人機交互接口

評估人員通過人機交互接口對仿真結(jié)果進行分析評估，并將評估報告提交給軍事人員。

4 結(jié)束語

當前FLAMES作為新一代仿真開發(fā)平臺，在各個仿真領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，比較典型的有英國在FLAMES基礎(chǔ)上開發(fā)了聯(lián)合無人空中交戰(zhàn)仿真系統(tǒng),霍普金斯大學將FLAMES嵌入到其虛擬仿真程序中進行網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的數(shù)據(jù)分析,美國空軍采用FLAMES研究了無人戰(zhàn)斗飛行器的協(xié)同作戰(zhàn)能力與成本效率問題等。本文作為將FLAMES應(yīng)用于衛(wèi)星對抗仿真實驗系統(tǒng)的一種探索，具有模型重用性好、仿真逼真度高、適用于大規(guī)模仿真系統(tǒng)的建設(shè)、仿真系統(tǒng)開發(fā)速度快和仿真過程靈活的優(yōu)點，有效解決了衛(wèi)星對抗在作戰(zhàn)運用和效果檢驗方面的問題，有較高的實用價值。

[1] FLAMES Simulation Framework-Ternion Corperation[EB/OL].[2008-05-12].http://www.ternion.com.

[2] 楊正，曹志耀.FLAMES的仿真框架研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用，2009(2)：358-362.

[3] 張宏欣，王永斌，劉宏波.基于FLAMES的通信對抗仿真研究[J].綜合電子信息技術(shù)，2012(38)：56-58.

[4] 戴健偉.蔣曉原等.基于HLA的武器對抗仿真系統(tǒng)開發(fā)研究[J].計算機仿真，2002，19(2)：11-14.

[5] 胡良勝.孔向華，王然輝等.基于FLAMES的戰(zhàn)場目標仿真設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報，2010，22(11)：2502-2510.

Simulation Experiment System of Satellite Countermeasure Based on FLAMES

YANG Bin，ZHANG Shun-jian，F(xiàn)ANG Sheng-liang

(Electronic Engineering Institute，Hefei 230037,China)

Aiming at the problem that the effect of satellite countermeasure combat action is difficult to test,this paper puts forward the simulation experiment system of satellite countermeasure based on FLAMES,introduces the basic theory of FLAMES simulation platform,sets up the simulation experiment system of satellite countermeasure,designs the interface of each subsystem.

FLAMES;satellite countermeasure;simulation experiment

2016-03-24

TP391.9

A

CN32-1413(2017)01-0050-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.011