基于FLAMES的通信對抗仿真研究

張宏欣，王永斌，劉宏波

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033)

0 引言

通信對抗仿真為通信對抗系統(tǒng)效能和通信對抗裝備性能進行評估提供了重要的驗證手段，對研究如何提高通信對抗系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下實戰(zhàn)能力具有重要意義。對研究如何提高通信對抗系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下實戰(zhàn)能力具有重要意義。關(guān)于通信對抗仿真研究，文獻［2］和文獻［3］設(shè)計了基于HLA的通信對抗仿真系統(tǒng)，文獻［4］開發(fā)了基于HLA/Simulink的通信對抗鏈路仿真系統(tǒng)。而FLAMES作為新一代仿真開發(fā)平臺，以其靈活的開放式仿真框架在各個仿真領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)對FLAMES的研究較少，且用于通信對抗仿真亦不多見。分析了FLAMES仿真平臺的基本框架結(jié)構(gòu)，研究并設(shè)計了基于FLAMES的通信對抗仿真系統(tǒng)。

1 FLAMES簡介

柔性分析建模和演練系統(tǒng) (Flexible Analysis Modeling and Exercise System，F(xiàn)LAMES)是美國Ternion公司開發(fā)的一套開放式體系架構(gòu)的商業(yè)化、跨平臺仿真框架軟件。其本身無法滿足用戶要求，僅是一個仿真框架，主要包括標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用組件和FLAMES內(nèi)核程序，以及相應(yīng)的高級擴展組件。

FLAMES基本組件及組件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FLAMES組件結(jié)構(gòu)框圖

FORGE是FLAMES編輯器，可以完成模型模板定義、模型數(shù)據(jù)庫可視化以及想定腳本編輯等功能，是FLAMES創(chuàng)建和編輯想定的主要程序組件。

FIRE是FLAMES的仿真引擎，它負責(zé)讀取想定文件數(shù)據(jù)、實例化運行想定中的各類模型并執(zhí)行想定腳本，為想定執(zhí)行提供多種時鐘模式的時間推動。

FLASH是仿真過程回放器，可讀取回放文件觀察二維、三維戰(zhàn)場態(tài)勢。

FLARE是FLAMES數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)，保存想定運行中實時記錄的數(shù)據(jù)并形成關(guān)系數(shù)據(jù)庫，支持標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)對其進行操作。

FLAMES內(nèi)核程序(FLAMES Kernel)提供了一套可由用戶調(diào)用的內(nèi)核API函數(shù)，為想定腳本與仿真運行程序提供了實時接口。FLAMES根據(jù)系統(tǒng)行為仿真系統(tǒng)的不同部分，建立了包括裝備模型、消息模型以及認知模型在內(nèi)的基于模型的仿真體系。裝備模型用于仿真裝備屬性及其操作;認知模型用于仿真人為決策和裝備在特定條件下的行為;而消息模型仿真了消息自裝備模型和認知模型的生成及相應(yīng)處理方法。FLAMES采用模型基本框架生成機制，模型類遵循面向?qū)ο罄^承規(guī)則，各類模型均由FLAMES中相應(yīng)基類派生，如裝備模型均派生于基類FEntity。可基于面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)自定義的各類模型以適應(yīng)不同的仿真需求。模型必須依附于特定的單位(Unit)而存在，不同的模型可以依附于同一個單位，從而構(gòu)成該單位具有的功能。一個單位就對應(yīng)了一個直接參與仿真的實體。

2 仿真設(shè)計

通信對抗仿真系統(tǒng)應(yīng)能夠進行想定編輯、模擬對抗雙方的主要通信對抗裝備實體，如通信發(fā)信機、接收機和干擾系統(tǒng)，每個裝備實體根據(jù)想定劇情可以有多個仿真實例，還應(yīng)能在仿真運行中對仿真實體進行實時控制，根據(jù)通信距離、天線高度和想定自然環(huán)境進行電波傳播仿真等。仿真目標(biāo)為通信對抗的效能分析和評估。

2.1 模型類屬性

模型類屬性是FLAMES執(zhí)行數(shù)據(jù)交互的模板，模型類之間需要交互的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由模型類屬性進行定義。仿真中建立的各模型類的主要屬性如下:

①短波超短波通信電臺(HFVHF Radio)屬性:所屬平臺、發(fā)射功率、工作頻率、天線增益、天線方位、天線類型及調(diào)制解調(diào)方式等;② 載有電臺的各類平臺(Platform)屬性:地理位置(經(jīng)、緯度)、當(dāng)前速度等;③ 網(wǎng)絡(luò)(Network)類屬性:網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識、網(wǎng)絡(luò)連通率和網(wǎng)絡(luò)成員數(shù)等;④干擾機(Jammer)類屬性:所屬平臺、干擾樣式、天線方位、天線類型、中心頻率以及干擾功率、干擾信號帶寬等。

2.2 仿真功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

FLAMES基于各類模型及模型在一定條件下觸發(fā)的行為對系統(tǒng)進行仿真。因此在功能結(jié)構(gòu)設(shè)計上以模型作為仿真單元，以模型對應(yīng)的類方法實現(xiàn)對模型功能的仿真，仿真總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 仿真功能結(jié)構(gòu)框圖

其中各類裝備模型及交互認知模型利用FLAMES模型框架進行設(shè)計，裝備模型根據(jù)想定劇情生成實例，在模型方法中調(diào)用第三方動態(tài)庫進行電磁環(huán)境和電波傳播的仿真計算，主要模塊功能為:

①各類裝備模型是仿真的基本單元，一個完整的裝備模型包括裝備屬性以及實現(xiàn)相應(yīng)裝備功能的方法;②交互認知模型是仿真的核心模型，用于裝備模型與外部控制程序，以及仿真效能評估顯示端進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互通過仿真系統(tǒng)內(nèi)部的以太網(wǎng)進行;③想定劇情編輯，包括在FORGE組件中使用FLAMES腳本語言進行想定腳本編寫以及創(chuàng)建各類裝備模型的實例;④電磁環(huán)境和電波傳播的模擬直接影響仿真結(jié)果的逼真度，是通信對抗仿真的基礎(chǔ)，仿真系統(tǒng)應(yīng)保證結(jié)果客觀性，同時又要滿足各個對象類方法的計算調(diào)用需求，因此采用第3方動態(tài)模型庫獨立進行仿真計算;⑤外部控制程序用于模型參數(shù)的實時交互，實現(xiàn)對模型狀態(tài)的實時控制;⑥效能評估程序用于處理仿真數(shù)據(jù)，對通信對抗裝備進行效能評估。

2.2 仿真流程設(shè)計

2.2.1 仿真總流程

仿真總流程如圖3所示，F(xiàn)ORGE進行裝備模型實體定義和想定腳本編輯，生成想定文件。包括對抗雙方電臺及干擾機模型實體定義、交互認知模型實體定義、初始參數(shù)、電臺所搭載平臺的初始地理位置(經(jīng)緯度)、平臺運行速度及運行路徑等。想定文件存儲了想定腳本，以及所有模型實體在數(shù)據(jù)庫中的映射信息。

FIRE讀取想定文件中腳本及模型映射信息，根據(jù)想定腳本從FLAMES數(shù)據(jù)庫中獲得模型實體數(shù)據(jù)，以多線程運行方式，執(zhí)行相應(yīng)模型類方法，由交互認知模型負責(zé)與電臺參數(shù)控制端及干擾機參數(shù)控制端進行實時數(shù)據(jù)交互，調(diào)用路徑傳播衰減模型及信道模型動態(tài)庫進行通信鏈路仿真計算。將計算結(jié)果實時反映在態(tài)勢顯示及效能評估端。

圖3 仿真總流程框圖

2.2.2 FIRE 流程設(shè)計

如圖4所示，仿真開始后，F(xiàn)IRE讀取想定文件，獲得想定腳本及裝備模型類模板。由模型類模板創(chuàng)建裝備模型，根據(jù)想定腳本中的初始參數(shù)對模型進行初始化。并將交互認知模型方法注冊到FLAMES內(nèi)核應(yīng)用程序中，與FLAMES腳本實現(xiàn)綁定，由腳本經(jīng)內(nèi)核執(zhí)行認知模型方法。認知模型首先判斷是否接收到控制臺發(fā)來的參數(shù)，如收到即調(diào)用相應(yīng)模型的Alter方法進行參數(shù)修改。再根據(jù)想定調(diào)用模型類相應(yīng)計算方法，鏈接傳播路徑衰減模型及信道模型動態(tài)庫進行鏈路仿真計算，主要計算同網(wǎng)絡(luò)中所有通信鏈路的通斷情況、鏈路信噪比信干比、鏈路誤碼率以及網(wǎng)絡(luò)連通率等。認知模型將計算結(jié)果參數(shù)發(fā)送到效能評估端，顯示當(dāng)前通信對抗效能。再下一個想定執(zhí)行周期內(nèi)重復(fù)以上過程，直至運行結(jié)束。FIRE根據(jù)腳本設(shè)置的總時間和仿真步長對仿真過程進行時間推動，并以多線程方式處理仿真計算和數(shù)據(jù)交互，保證了仿真控制及顯示的實時性。

圖4 FIRE運行流程框圖

3 結(jié)束語

作為開放式仿真框架，F(xiàn)LAMES在實時交互性、靈活可擴展性和模型重用性上具有其獨特優(yōu)勢。同時具備強大的可視化想定編輯和模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在架構(gòu)上簡化了仿真設(shè)計和開發(fā)流程。作為對FLAMES應(yīng)用于通信對抗仿真的一種探索，僅利用了FLAMES的基本功能，而尚有諸多內(nèi)容需進一步研究:包括更加逼真的裝備模型開發(fā)、FLAMES導(dǎo)入數(shù)字地形以仿真真實的戰(zhàn)場環(huán)境及FLAMES與HLA進行聯(lián)合仿真等。

［1］余曉剛，張玉冰，姚富強.基于HLA的通信電子戰(zhàn)平臺設(shè)計［J］.電子對抗技術(shù)，2002，16(1)：32－34.

［2］胡艮勝，孔向華，王然輝.基于FLAMES的戰(zhàn)場目標(biāo)仿真設(shè)計與實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22(11)：2502－2504.

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［4］黃仲祥.基于HLA通信電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)研究［C］∥第九屆通信對抗學(xué)術(shù)年會論文集，杭州：中國電子科技集團公司第36研究所，2002：70－74.

［5］李軍，張亮，張文明.基于HLA/Simulink的通信對抗鏈路仿真系統(tǒng)開發(fā)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(8)：2166－2169.