艦船編隊防空聯合模擬訓練系統設計與實現

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

在信息化戰爭的需求牽引和信息網絡技術的發展驅動下，以往以武器平臺為中心的“平臺中心戰(platform centric warfare，PCW)”將退出歷史舞臺。取而代之的是以信息網絡為中心的“網絡中心戰(network centric warfare，NCW)”，其將所用作戰資源集合成為一個統一高效的作戰信息網絡體系，使部隊的作戰潛力得以充分發揮[1]。

在未來的海上戰場中，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“網絡中心戰”為核心的編隊網絡化作戰的優勢[2]。艦隊指揮員可以通過艦船編隊數據鏈掌控整個防區情形，根據目標威脅度對相應艦船下達合理的攻擊指令，充分調動整個艦隊火力資源，提高編隊作戰能力[3]。

當艦船編隊防空成為未來海戰的必然趨勢時，一套能夠模擬多種海上攻擊模式的聯合模擬訓練系統將能夠極大地提升海軍指戰員的戰術水平。本文正是在此背景下，提出了一套能夠廣泛應用于艦隊日常訓練的聯合模擬系統[4-5]。

1 系統概述

艦船編隊防空聯合模擬訓練系統主要針對艦隊聯合防空訓練應用而設計，該系統可以提升艦隊指揮員應對未來戰場復雜情況的處置決策能力，以及火力單元指戰員對武器的操作能力。

面對艦隊聯合防空模擬訓練的需求，該系統具有以下幾個特點：

(1) 能夠靈活配置和構建出復雜場景空情環境；

(2) 能夠實現空情信息的一致性分發，在艦隊中形成統一空情信息場；

(3) 能夠進行空情目標的動態反饋。

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

空情信息的一致性分發是本系統的另一項核心技術，主要目的就是在所有受訓艦船中營造出統一的目標空情場。本訓練系統通過艦隊數據鏈作為通信底層鏈路，同時采用數據分發服務(data distribution service, DDS)技術實現艦船間的數據分發。在數據處理方面，本系統采用時空對準補償算法使所有受訓艦艇火力單元都能享有低失真度的統一空情數據。

空情目標的動態反饋的作用是使得訓練模擬效果更為接近實戰。該聯合模擬訓練系統在發布空情數據的同時，也可以通過火力單元的反饋信息進行空情的處理和判斷。其可以對制導雷達所跟蹤的目標實現機動，對已擊毀的目標實現碎片墜落處理等。通過這種非預案的空情動態反饋，更能夠鍛煉指戰員在作戰過程中的緊急處理和判斷。

2 系統設計

2.1 系統總體設計

上一小節已描述了艦船編隊防空聯合模擬訓練系統的設計依據和所需要具備的能力，根據空情一致性分發要求，該模擬訓練系統采用典型星形網絡拓撲的數據分發機制實現。系統框架設計圖如圖1所示。

圖1 艦船編隊防空聯合模擬訓練系統框圖Fig.1 Structure of naval vessels formation anti-air co-training platform

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

防空反導通用空情模擬器用于構建出復雜場景空情環境，并提供良好的人機界面，方便作戰參謀設計攻擊場景。攻擊場景能夠覆蓋超音速反艦導彈、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，服務端和客戶端。服務端又稱為主控制器，負責進行空情信息的標準化工作以及標準空情信息的下發，同時負責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，負責接收標準空情信息并分發至不同的空情信息接收終端(信息接收終端可以根據不同場景有所不同，例如某艦遠程防空導彈武控系統可以直接接收該空情信息進行處理，其他艦艇防空導彈武控系統需要將統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，將空情信息在協同作戰網內實現同步。同時從控制器還可以提供戰情搜集接口，各艦防空導彈武控系統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，完成信息的閉環處理。

該模擬訓練系統的通用性好，在運行過程中不需要依賴特定的訓練裝備，僅需要在編隊指揮艦防空導彈武控系統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中加裝從控制器以及相應接口軟件，就可以完成該模擬訓練系統的部署。

2.2 空情產生模塊設計

編隊防空聯合模擬訓練系統的空情產生模塊由防空反導通用空情模擬器承擔。為了實現復雜空情場景的靈活配置和動態反饋，空情模擬器軟件的架構設計如圖2所示。

(1) 人機接口模塊設計

人機接口模塊為使用者提供了良好的交互接口，使得用戶可以根據自己的作戰需求靈活設計模擬空襲場景。為了簡化開發過程，空情模擬器采用Qt界面框架實現。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，最大速度和轉彎過載屬性，TBM目標的射程屬性以及超聲速反艦導彈的最小升限，最大升限屬性。這些參數都將影響目標航跡的生成。

對目標特性設置完成后，可以開始制作空情想定。空情軌跡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設計框圖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構圖Fig.3 Structure of human interface module of air-sim software

進行空情想定設置時，軟件還提供干擾設置。從界面中可以對目標加裝干擾機控制。可以支持的干擾種類包括噪聲干擾、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，可以通過動態目標軌跡添加界面根據需要添加臨時目標。也可以通過動態目標航跡修改界面對原有目標更改其航跡。

(2) 空情想定管理調度模塊設計

空情想定管理調度模塊主要用于在播放中控制空情目標數據時間校準與控制。其首先根據設定的時間戳產生節拍，當節拍到達時，立刻計算空情目標在當前點的三維坐標位置，三維速度信息以及三維加速度信息。考慮到計算延遲，空情管理調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送模塊。

在空情想定管理調度模塊中，還同步管理目標的增減過程。當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，調度模塊負責將該空情目標撤銷。

空情想定管理調度模塊設計流程圖如圖4所示。

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

(3) 空情信息發送與反饋設計

空情信息發送模塊接收管理調度模塊的空情數據，每收到一個目標的數據包就采用UDP單播發送至主控制器。同時該模塊接收主控制器的反饋信息。信息接口協議如表1所示。

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

2.3 空情一致性分發模塊設計

空情一致性分發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一的空情信息場。主控制器負責空情信息的一致性發送，從控制器一面接收主控制器信息，并根據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據鏈中的無縫傳輸，主從控制器采用了數據分發服務技術和空間坐標補償技術。

(1) 數據分發服務技術

數據分發服務技術主要采用以數據為中心的發布/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進行了優化， 是一種不依賴于底層物理鏈路的傳輸方式[6-7]。正是由于該技術這種特點，DDS可以應用于各種基于網絡傳輸的艦隊數據鏈系統[8]。

通過DDS中間件，主控制器定時向網絡總線發布空情主題(AIROBJECT_TOPIC)，主題發布策略(Qos)為帶組播的盡力傳輸(BEST_EFFECT with multicast broad)。所有接入艦隊數據鏈的DDS節點，都可以通過訂閱該主題來獲取統一空情數據[9-10]。

為了避免各個火力單元因為站址不同而對空情數據造成歧義，所有空情主題的目標位置數據均采用地心坐標系(geocentric coordinate)發送。在主控制器定時發布空情主題時，也同步訂閱網絡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布。發布主題為反饋信息主題(FEEDBACK_TOPIC)，主題發布策略為可靠傳輸(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]。

空情一致性分發模塊的DDS網絡架構如圖5所示。

(2) 空間坐標補償技術

考慮到艦隊數據鏈網絡狀態不確定因素，在各個部署的從控制器接收到的數據包時間不盡相同。

圖5 DDS網絡架構圖Fig.5 Structure of DDS network

因此為了保證空情數據的時空有效性，在從控制器需要對目標數據進行空間坐標補償。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 系統仿真應用

3.1 仿真環境

該套聯合模擬訓練系統首先在陸上實驗室進行了仿真試驗應用。外圍設備包含2套遠程防空導彈武器系統以及防空作戰網絡。

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系統。在編隊進攻后，進攻方從防區外發射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

根據防空空情場景設置圖，在空情模擬器中規劃設計出進攻用例。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個航空導彈武控系統實時發送統一空情信息。

3.2 仿真結論

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

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據以及從控制器數據，兩者數據相似度越高則說明該系統的通用空情一致性精度越高。圖8為攻擊編隊1的坐標數據對比。

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，誤差曲線呈不規則周期分布。該誤差產生原因主要由網絡延遲與空情周期之間的同步過程引起的。當主控制器空情下發周期與空情數據到達時間不同步時，則會由于外推時間的不同而產生周期性的誤差。從理論分析，當目標進行高速機動時，速度和加速度的變化同樣會導致外推軌跡的誤差。外推時間最大誤差為所設置的空情下發周期。

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

4 結束語

通過防空場景設置仿真試驗，充分體現了艦船編隊防空兩級聯合模擬訓練系統對空情場景的靈活配置能力和空情數據的一致性分發能力。從仿真試驗結果看，可以滿足艦隊聯合模擬訓練的場景需求，跨網絡傳輸需求以及空情場景一致性需求。然而從訓練模擬系統長遠發展角度，目前的系統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練模擬體驗。

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