基于DWK的飛機(jī)平臺(tái)模型研究

張 宇，張高峰

（中國人民解放軍91336部隊(duì)，河北秦皇島066326）

隨著武器裝備的不斷發(fā)展和高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化、智能化程度越來越高，戰(zhàn)術(shù)研究的技術(shù)手段和方法也越來越多，作戰(zhàn)模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為戰(zhàn)法研究提供了有效手段[1-2]。參試兵力作戰(zhàn)行動(dòng)模擬的逼真度，將成為戰(zhàn)術(shù)研究和戰(zhàn)法檢驗(yàn)的關(guān)鍵，同時(shí)也為戰(zhàn)法提出了合理的修正，為戰(zhàn)法推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件[3-5]。

目前，軍用飛機(jī)仿真技術(shù)是軍事仿真領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)并具有廣泛的應(yīng)用前景[6]。飛機(jī)平臺(tái)模型在海軍作戰(zhàn)理論研究、戰(zhàn)法推演、模擬訓(xùn)練、裝備效能評(píng)估等方面有著重要作用，是整個(gè)飛行仿真模型的核心內(nèi)容[7-9]，并為飛行仿真系統(tǒng)的其它組成部分提供仿真的基礎(chǔ)平臺(tái)，其仿真的效果將直接影響到飛機(jī)仿真模型的精度和置信度。

文中基于數(shù)字武器開發(fā)平臺(tái)（DWK，Digital Weapon Kit），給出了飛機(jī)平臺(tái)模型的開發(fā)思路和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程?；谀K化建模方法，將飛機(jī)平臺(tái)模型劃分為各個(gè)功能模塊，并結(jié)合組件化開發(fā)思想，將各個(gè)模塊進(jìn)行組件化開發(fā)實(shí)現(xiàn)，大大提高了模型的通用性、可移植性和可擴(kuò)展性，對(duì)戰(zhàn)法研究具有重要意義。

1 數(shù)字武器開發(fā)平臺(tái)概述

1.1 數(shù)字武器開發(fā)平臺(tái)簡介

數(shù)字武器開發(fā)平臺(tái)DWK是神州普惠公司為了滿足復(fù)雜仿真系統(tǒng)開發(fā)需求而研發(fā)的一套高效、快捷的分布式仿真系統(tǒng)開發(fā)工具，數(shù)字武器開發(fā)平臺(tái)DWK產(chǎn)品充分借鑒MDA思想，采用面向仿真組件開發(fā)的方法，支持組件組裝，提供仿真應(yīng)用開發(fā)，運(yùn)用所需的一系列工具，能夠與第三方仿真工具集成，構(gòu)建了全新的開發(fā)式一體化仿真開發(fā)過程，降低了仿真開發(fā)難度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)仿真應(yīng)用全生命周期的支撐，使用戶無需了解HLA的復(fù)雜技術(shù)細(xì)節(jié)即可進(jìn)行仿真應(yīng)用開發(fā)[10-11]。

1.2 基于DWK的建模過程

作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)通常包括飛機(jī)平臺(tái)模型、飛機(jī)顯控模型、電子信息裝備模型和指揮控制系統(tǒng)模型4個(gè)部分，其中飛機(jī)平臺(tái)模型是作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)的核心，也為其它組成部分提供仿真的基礎(chǔ)平臺(tái)。基于分布式交互仿真平臺(tái)DWK，并結(jié)合其支持組件化開發(fā)的建模特點(diǎn)，對(duì)飛機(jī)平臺(tái)進(jìn)行建模仿真，以提高模型的可重用性和可擴(kuò)展性。

基于DWK開發(fā)平臺(tái)，飛機(jī)平臺(tái)模型的設(shè)計(jì)過程如圖1所示。首先對(duì)飛機(jī)平臺(tái)模型進(jìn)行需求分析，然后分析模型的功能，其次對(duì)模型接口及算法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后完成模型的組件開發(fā)和功能測試工作。

圖1 基于DWK的仿真模型設(shè)計(jì)過程

2 飛機(jī)平臺(tái)模型需求分析

根據(jù)需求不同，飛機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能仿真模型可簡可繁，如當(dāng)研究突防問題時(shí)，就關(guān)心飛機(jī)在不同時(shí)刻的空間位置，這時(shí)只需建立描述飛機(jī)空間位置隨時(shí)間變化規(guī)律的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[12-14]。但當(dāng)評(píng)估飛機(jī)技戰(zhàn)術(shù)性能或用于戰(zhàn)術(shù)研究時(shí)，就需要了解每一時(shí)刻飛機(jī)的空間位置及其姿態(tài)變化，要能反映飛機(jī)在飛行員的操縱下完成機(jī)動(dòng)動(dòng)作的情況，這就需要根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和飛行動(dòng)力學(xué)原理，建立能夠反映飛機(jī)飛行時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力、空氣動(dòng)力（升力和阻力）以及自身重力的綜合作用下，其空間位置和姿態(tài)隨諸力的變化而變化的動(dòng)力學(xué)方程。

鑒于本模型主要應(yīng)用于戰(zhàn)法研究，需要建立遠(yuǎn)距離直航、近距離直航和旋回運(yùn)動(dòng)的模型，模擬加速、減速運(yùn)動(dòng)，并考慮姿態(tài)角對(duì)飛機(jī)飛行帶來的影響，同時(shí)計(jì)算燃油消耗量。另外，為了檢驗(yàn)指揮員的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用能力，需要考慮作戰(zhàn)飛機(jī)的一些戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，如起飛、降落、爬升、降高、超音速飛行、超低空飛行等。但不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力、空氣動(dòng)力（升力和阻力）以及自身重力對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響，不對(duì)其進(jìn)行建模。

3 飛機(jī)平臺(tái)模型設(shè)計(jì)

3.1 模型功能分析

模塊化是指解決一個(gè)復(fù)雜問題時(shí)，自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程[15]。本文基于模塊化設(shè)計(jì)思想，兼顧飛機(jī)平臺(tái)模型的功能特點(diǎn)，將其分為飛機(jī)起飛降落功能、單機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬功能、航路規(guī)劃功能、編隊(duì)運(yùn)動(dòng)模擬功能、敵我識(shí)別模擬功能和導(dǎo)調(diào)控制響應(yīng)功能6個(gè)功能模塊，功能模塊組成如圖2所示。

圖2 飛機(jī)平臺(tái)模型功能模塊組成圖

各個(gè)模塊的主要功能如下：

1）飛機(jī)起飛降落功能：能夠模擬飛機(jī)的起飛降落過程。飛機(jī)在機(jī)場?？繒r(shí)，有一級(jí)戰(zhàn)備和二級(jí)戰(zhàn)備兩種狀態(tài)，如果飛機(jī)處于一級(jí)戰(zhàn)備狀態(tài)，則可以通過飛機(jī)顯控操縱飛機(jī)起飛，完成起飛動(dòng)作[16]。也可以通過飛機(jī)顯控選擇可降落的機(jī)場，并發(fā)出降落請(qǐng)求，得到機(jī)場應(yīng)答允許后，完成飛機(jī)降落動(dòng)作；

2）單機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬功能：能夠模擬飛機(jī)的直線、旋回、加速、減速運(yùn)動(dòng)；能夠模擬飛機(jī)在不同速度下的偏航、滾轉(zhuǎn)、傾斜等姿態(tài)變化；能夠模擬飛機(jī)的超音速和超低空飛行能力；能夠模擬不同掛載、不同速度和不同高度下的油料消耗對(duì)飛機(jī)飛行航程的影響，能夠計(jì)算飛機(jī)的剩余續(xù)航里程；

3）航路規(guī)劃功能：能夠模擬開放航路和封閉航路兩種航跡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；

4）編隊(duì)運(yùn)動(dòng)模擬功能：能夠模擬飛機(jī)獨(dú)立飛行和編隊(duì)飛行兩種飛行模式，編隊(duì)飛行模式又分為保持隊(duì)形和獨(dú)立轉(zhuǎn)向兩種編隊(duì)飛行方式；

5）敵我識(shí)別模擬功能：能夠模擬敵我識(shí)別器，并可設(shè)置開或關(guān)兩種狀態(tài)；

6）導(dǎo)調(diào)控制響應(yīng)功能：能夠模擬導(dǎo)調(diào)控制指令的響應(yīng)功能，包括對(duì)生存狀態(tài)、位置、油料狀態(tài)和毀傷判定模式導(dǎo)調(diào)指令的響應(yīng)，以及對(duì)起飛、降落、高度、航速、航向和敵我識(shí)別器狀態(tài)等控制指令的響應(yīng)。

3.2 模型接口設(shè)計(jì)

通過系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，能夠清楚的描述模型內(nèi)部各部分之間的交互關(guān)系，模型與外部的交互接口。圖3對(duì)飛機(jī)平臺(tái)模型內(nèi)部組件之間的交互關(guān)系進(jìn)行了直觀的描述，主要包括信息接收存儲(chǔ)部件、平臺(tái)導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件、攻擊結(jié)果處理部件、飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬部件、飛機(jī)油耗計(jì)算部件和信息發(fā)送生成部件，以及各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。各個(gè)部件內(nèi)部具有獨(dú)立的算法處理功能，并通過交互接口完成信息收發(fā)。

圖3 飛機(jī)平臺(tái)模型邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.3 模型組件化設(shè)計(jì)

基于飛機(jī)平臺(tái)模型的接口設(shè)計(jì)部分，對(duì)平臺(tái)導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件、攻擊結(jié)果處理部件、飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬部件、飛機(jī)油耗計(jì)算部件4個(gè)核心部分進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)其算法流程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.3.1 平臺(tái)導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件

飛機(jī)平臺(tái)接收來自導(dǎo)演部和飛機(jī)顯控的平臺(tái)導(dǎo)調(diào)控制消息，通過對(duì)接收ID的判斷，確定導(dǎo)調(diào)的目標(biāo)平臺(tái)為本平臺(tái)，然后針對(duì)相應(yīng)的導(dǎo)調(diào)控制項(xiàng)目參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，最后得到導(dǎo)調(diào)后的最新狀態(tài)。平臺(tái)導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件算法流程如圖4所示。

3.3.2 攻擊結(jié)果消息處理部件

飛機(jī)平臺(tái)可被艦空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈和空空導(dǎo)彈所攻擊，即會(huì)收到三類導(dǎo)彈的對(duì)空導(dǎo)彈攻擊結(jié)果消息；也會(huì)被高炮、航炮和艦炮所攻擊，收到三類火炮的火炮攻擊結(jié)果消息。攻擊結(jié)果消息處理部件通過對(duì)這兩類消息的處理，改變飛機(jī)平臺(tái)的生存狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)性能。攻擊結(jié)果消息處理部件算法流程如圖5所示。

圖4 平臺(tái)導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件算法流程圖

3.3.3 平臺(tái)油耗計(jì)算部件

飛機(jī)平臺(tái)的油耗速率主要受飛行速度、飛行高度和導(dǎo)彈掛載的影響。平臺(tái)油耗計(jì)算部件通過接收導(dǎo)彈武器系統(tǒng)狀態(tài)消息和飛機(jī)平臺(tái)信息獲得各類導(dǎo)彈的掛載量和飛機(jī)飛行狀態(tài)，從而計(jì)算出油耗影響因子來改變油料消耗的速率，并計(jì)算出飛機(jī)的剩余飛行航程。平臺(tái)油耗計(jì)算部件算法流程如圖6所示。

圖5 攻擊結(jié)果消息處理部件算法流程圖

圖6 平臺(tái)油耗計(jì)算部件算法流程圖

3.3.4 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬部件

飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬部件是飛機(jī)平臺(tái)的核心部件，它通過接收飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息、平臺(tái)控制參數(shù)和平臺(tái)性能參數(shù)來更新飛機(jī)平臺(tái)的位置信息、姿態(tài)信息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。并可以通過高度變化實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的爬升和降高[14]，航向的變化實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的左右回旋，也可以模擬飛機(jī)超音速和超低空飛行，以及編隊(duì)航行和獨(dú)立航行等航行模式。飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬部件算法流程如圖7所示。

圖7 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬部件算法流程圖

4 仿真模型開發(fā)與測試

飛機(jī)平臺(tái)模型的開發(fā)是基于DWK開發(fā)平臺(tái)，通過生成模型代碼框架，利用C++語言，對(duì)模型進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

仿真模型測試過程分為兩個(gè)階段，第一階段為單機(jī)測試階段，主要通過測試模塊對(duì)模型輸入輸出接口及算法功能進(jìn)行單機(jī)測試。

第二階段為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試階段，通過制定作戰(zhàn)想定，進(jìn)行方案部署，對(duì)模型間的信息流和算法功能進(jìn)行全面測試。測試效果如圖8所示，模擬某戰(zhàn)法推演過程中，飛機(jī)模型根據(jù)戰(zhàn)術(shù)要求，完成基本戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。其中，A、B兩點(diǎn)是飛機(jī)開始左回旋、右回旋動(dòng)作的起點(diǎn)；C點(diǎn)為飛機(jī)被摧毀狀態(tài)，當(dāng)需要該飛機(jī)完成接下來的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)時(shí)，可以通過實(shí)時(shí)導(dǎo)調(diào)的方式，導(dǎo)調(diào)飛機(jī)生存狀態(tài)為正常；D、E為飛機(jī)爬升、降高過程；F點(diǎn)為飛機(jī)收到降落機(jī)場命令后的降落過程。通過導(dǎo)演部導(dǎo)調(diào)控制軟件，可以實(shí)時(shí)導(dǎo)調(diào)飛機(jī)的油料狀態(tài)。

圖8 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)模型戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作效果圖

通過兩個(gè)階段的測試，本文設(shè)計(jì)開發(fā)的飛機(jī)平臺(tái)模型，可以成功應(yīng)用于戰(zhàn)法推演過程中。通過改變性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同機(jī)型的模擬，具有很好的可重用性和可擴(kuò)展性，對(duì)戰(zhàn)法研究具有重要意義。

5 結(jié) 論

在數(shù)字武器開發(fā)平臺(tái)DWK研究的基礎(chǔ)上，為了戰(zhàn)法研究的實(shí)際需求，本文基于模塊化分析方法，并結(jié)合組件化設(shè)計(jì)思想，完成了飛機(jī)平臺(tái)模型的需求分析、功能分析、接口設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)和開發(fā)測試工作。通過應(yīng)用驗(yàn)證，該模型具有很好的可重用性和可擴(kuò)展性，并可以根據(jù)實(shí)際需求，通過改變性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同機(jī)型的模擬。目前，該模型已經(jīng)在某戰(zhàn)法推演系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用，模型功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)檢驗(yàn)作戰(zhàn)預(yù)案的合理性，提高戰(zhàn)法的運(yùn)用能力具有重要意義。