艦艇防空能力仿真計算可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

趙俊杰 閔紹榮 陳衛(wèi)偉 朱忍勝

(中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064)

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艦艇防空能力仿真計算可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

趙俊杰 閔紹榮 陳衛(wèi)偉 朱忍勝

(中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064)

為了研究水面艦艇的防空能力,對艦艇防空能力建立計算模型并進行仿真,設(shè)計實現(xiàn)了水面艦艇防空作戰(zhàn)虛擬仿真系統(tǒng),能夠?qū)φ麄€防空過程進行二維和三維的動態(tài)演示。仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,利用蒙特卡洛方法對設(shè)定參數(shù)進行多次仿真,對結(jié)果進行統(tǒng)計分析得到防空能力分析結(jié)果。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)的合理性和實用性。

防空能力計算; 可視化仿真; 系統(tǒng)設(shè)計; 艦艇

Class Number TP391

1 引言

隨著仿真科學(xué)技術(shù)的進步,仿真模擬作為現(xiàn)代聯(lián)合作戰(zhàn)的重要支撐得到了空前發(fā)展,各國都在研發(fā)各類武器裝備仿真系統(tǒng)[1～3]。通過構(gòu)建仿真計算模型,在給定的數(shù)值條件下運行模型來進行作戰(zhàn)仿真實驗,由實驗得到作戰(zhàn)進程與結(jié)果數(shù)據(jù)的仿真模擬法已成為研究水面艦艇防空作戰(zhàn)效能的有效手段[4]。

本文介紹的艦艇防空能力仿真計算可視化系統(tǒng)模擬艦載雷達探測、指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等工作流程,實現(xiàn)了武器-目標(biāo)分配、威脅評估等算法,并在二維和三維場景下動態(tài)仿真演示作戰(zhàn)全過程,準(zhǔn)確直觀生動顯示作戰(zhàn)過程與結(jié)果,對水面艦艇防空系統(tǒng)設(shè)計與驗證具有非常重要的意義。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的功能

艦艇防空能力仿真計算可視化系統(tǒng)是用于仿真計算大型水面艦艇防空作戰(zhàn)能力的重要軟件,其主要功能為通過設(shè)置空中來襲目標(biāo)與水面艦艇性能參數(shù),模擬水面艦艇防空作戰(zhàn)過程,仿真計算水面艦艇防空能力值,并在二維和三維場景下動態(tài)仿真演示作戰(zhàn)全過程,以及采用蒙特卡洛方法,對設(shè)定的相同參數(shù)進行多次仿真,對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析,得到防空能力統(tǒng)計分析結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

艦艇防空能力仿真計算可視化系統(tǒng)軟件由可視化子系統(tǒng)、結(jié)果保存與分析子系統(tǒng)、防空計算模型、來襲目標(biāo)流生成子系統(tǒng)(系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖見圖1)組成。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

可視化子系統(tǒng)包含二維態(tài)勢顯示與三維局部視景顯示兩部分,二維態(tài)勢顯示提供地圖瀏覽操作、地理信息顯示、控制、瀏覽、空間數(shù)據(jù)查詢等地圖操作,三維局部視景顯示模塊提供各操作平臺的顯示界面;結(jié)果保存與分析子系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的定義(移動目標(biāo)、武器)和數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的增、刪、改操作接口以及數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析的重要函數(shù)接口;來襲目標(biāo)流生成子系統(tǒng)主要任務(wù)是生成動態(tài)目標(biāo)數(shù)據(jù),如目標(biāo)類型、位置、角度、速度、損傷程度等;計算模型是整個仿真計算系統(tǒng)的核心部分,模型的優(yōu)劣會影響評估結(jié)果的精確性。

3 防空能力仿真計算模型

3.1 模型整體結(jié)構(gòu)

參照艦艇對空防御作戰(zhàn)系統(tǒng)組成[5],依據(jù)模塊分解方法將水面艦艇防空能力計算模型分為來襲目標(biāo)流生成模型、雷達探測模型、威脅評估模型、武器-目標(biāo)分配模型以及防空武器及其交戰(zhàn)模型(如圖2)。

圖2 防空能力仿真計算模型整體結(jié)構(gòu)

來襲目標(biāo)流模型根據(jù)作戰(zhàn)想定[6],提供多種典型場景下來襲目標(biāo)流生成模式,提供多種典型航路規(guī)劃彈道,用以模擬空襲方多層次、多批次、多方向的飽和攻擊。主要包括如下四個子模塊:目標(biāo)流時間特性模型、目標(biāo)流空間特性模型、目標(biāo)時空聯(lián)合特性模型以及目標(biāo)運動模型。

雷達探測模型按照艦艇防空作戰(zhàn)的流程[7],首先由搜索雷達掃描預(yù)定空域、探測目標(biāo),然后捕獲目標(biāo)后對目標(biāo)進行非精確跟蹤、參數(shù)估計、向艦指控等輸出目標(biāo)參數(shù),并對目標(biāo)進行敵我識別,識別為敵的目標(biāo)由本艦指控分配給適當(dāng)?shù)奈淦飨到y(tǒng),并啟動相關(guān)的跟蹤雷達,迅速轉(zhuǎn)入對目標(biāo)的精確跟蹤。

威脅評估模型的主要任務(wù)是根據(jù)獲取的各種數(shù)據(jù)推斷出敵目標(biāo)威脅程度的高低,以期為合理、高效地使用武器資源提供基本依據(jù)[8～9]。本模型根據(jù)本艦傳感器獲取的目標(biāo)信息及本艦的自身屬性,對多個目標(biāo)按照威脅程度進行排序。本模型輸入目標(biāo)相對航向、相對速度等目標(biāo)信息,輸出目標(biāo)威脅隊列以及威脅等級信息。

防空武器及其交戰(zhàn)模型綜合考慮武器的毀傷概率、武器位置以及武器目前所處的狀態(tài)、舷角和攻擊的目標(biāo)等信息,模擬交戰(zhàn)過程[10～11],輸出彈目遭遇點距離、時刻,攔截結(jié)果,武器狀態(tài)等信息。

3.2 武器-目標(biāo)分配模型

目標(biāo)分配模型包括武器分配和射擊時機分配,就是要選擇適當(dāng)型號和數(shù)量的武器,并為各武器確定一個合適的發(fā)射或射擊時機保證在其殺傷范圍內(nèi)成功擊毀目標(biāo)。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 武器-目標(biāo)分配模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2.1 目標(biāo)分配原則與策略

武器系統(tǒng)綜合來襲目標(biāo)運動學(xué)參數(shù)、系統(tǒng)配置、各發(fā)射裝置的安裝位置、責(zé)任扇區(qū)、載彈量、工作狀態(tài)等因素,將預(yù)攔截的目標(biāo)分配到適合的發(fā)射裝置。每一個目標(biāo)只分配到一個發(fā)射裝置,分配原則為:威脅高的目標(biāo)優(yōu)先進行分配;目標(biāo)分配給可進行攔截的武器單元;(時間、空間條件須具備攔截可行性)目標(biāo)優(yōu)先分配給等待攔截時間最短的武器單元;在等待攔截時間相同的情況下優(yōu)先分配給攔截概率更大的武器單元。

3.2.2 來襲目標(biāo)等待攔截時間的計算

(1)

其中Tftfy為目標(biāo)j飛抵武器單元i的發(fā)射遠界的時間。計算公式為:

(2)

(3)

(4)

(5)

3.2.3 攔截可行性判斷與攔截時間

攔截可行性判斷準(zhǔn)則:

1) 所攔截的目標(biāo)屬性為敵;

2) 預(yù)測遭遇點在防空武器射界內(nèi);

3) 目標(biāo)飛行高度在防空體系的攔截高界與低界之間;

4) 目標(biāo)的航路捷徑在防空體系的最大航路捷徑內(nèi);

5) 目標(biāo)攻擊速度小于該防空武器最大可攔截速度;

6) 目標(biāo)機動范圍在該防空武器可攔截范圍內(nèi);

7) 對于中程防空導(dǎo)彈,雷達有剩余制導(dǎo)資源為防空導(dǎo)彈提供制導(dǎo);

8) 滿足以上條件則判斷該批目標(biāo)可攔,加入可攔截隊列并可進行火力分配,否則為不可攔目標(biāo);

9) 在某批目標(biāo)火力分配后,需將該批目標(biāo)從可攔截隊列中撤銷。

(6)

(7)

由以上結(jié)論,可以根據(jù)需要,得到實時或者以固定周期刷新的攔截隊列與目標(biāo)指示隊列。

4 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)工作流程

防空能力仿真計算可視化系統(tǒng)軟件操作流程分為二維態(tài)勢顯示及人機交互,數(shù)據(jù)交互、三維局部戰(zhàn)場視景顯示三個層次(如圖4)。其中用戶通過二維態(tài)勢顯示及人機交互實現(xiàn)全局了解戰(zhàn)場態(tài)勢,推演運行控制,防空攔截,環(huán)境導(dǎo)調(diào)等功能,數(shù)據(jù)交互負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)人機交互信息至三維視景模塊,三維局部戰(zhàn)場視景顯示從局部三維的角度顯示實體的運行狀態(tài)(海浪,風(fēng)速、發(fā)射場景等)。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程

4.2 二維態(tài)勢顯示設(shè)計

二維態(tài)勢顯示與交互包括地理信息顯示、通用態(tài)勢顯示和人機交互: 1) 地理信息需繪制海洋、陸地輪廓、水深等信息,可以對該圖層的地理信息進行查詢。 2) 通用態(tài)勢顯示需將敵我雙方有關(guān)軍事情況用軍隊標(biāo)號和文字標(biāo)記在地圖上,記錄戰(zhàn)場情況、反應(yīng)戰(zhàn)場態(tài)勢、組織指揮作戰(zhàn);為了戰(zhàn)術(shù)推演的需要,包括本艦位置及動態(tài)信息、來襲目標(biāo)位置及動態(tài)信息,根據(jù)探測目標(biāo)、已探測目標(biāo)、未識別目標(biāo)、已識別目標(biāo)、已攔截目標(biāo)等類別進行區(qū)分顯示,如高亮顏色區(qū)分顯示已探測目標(biāo),已攔截目標(biāo)等; 3) 人機交互部分需實現(xiàn)地理信息的常用功能如地圖加載、圖層管理、地圖操作、地圖查詢、圖上量算等。

圖5 二維態(tài)勢模塊內(nèi)部設(shè)計

二維態(tài)勢顯示需要支持動態(tài)GIS顯示環(huán)境。動態(tài)顯示的內(nèi)容包括在亞秒級的刷新速度中,移動大量的顯示對象,動畫,也能更新位置、方向、尺寸、狀態(tài),和屬性信息等,而且在平滑和不中斷的移動情況下支持GIS數(shù)據(jù)查詢。內(nèi)部設(shè)計如圖5所示。

4.3 三維局部視景顯示設(shè)計

三維局部視景提供三維視景同步顯示海面戰(zhàn)場環(huán)境、根據(jù)選擇視點顯示本艦與來襲目標(biāo)的實時動態(tài),支持武器發(fā)射、飛行、操作、爆炸等視景特效,支持視點切換、視點跟蹤等操作,增加垂(斜)發(fā)武器系統(tǒng)及近防炮、密集陣等近防武器的三維顯示。可以實時響應(yīng)視點控制命令、視覺平滑顯示三維戰(zhàn)場環(huán)境及局部實體狀態(tài)。內(nèi)部設(shè)計如圖6所示。

圖6 三維局部視景模塊內(nèi)部設(shè)計

4.4 仿真實例

系統(tǒng)開始仿真需配置仿真所需要的目標(biāo)流基本信息、防空武器基本信息、指控基本信息、本艦基本信息。

仿真運行過程中可以開啟仿真、暫停、加速、仿真監(jiān)視等運行控制功能。并通過綜合態(tài)勢顯示模塊來觀察仿真運行過程。整個虛擬戰(zhàn)場、作戰(zhàn)過程都可以通過三維顯示表現(xiàn)出來,使得用戶可以直觀地得到戰(zhàn)場基本信息。

系統(tǒng)可以對單次與多次仿真結(jié)果進行保存,對仿真結(jié)果進行科學(xué)的分析。采用了可視化技術(shù),通過圖形、圖表顯示出被仿真對象的各種狀態(tài)與統(tǒng)計結(jié)果,并能以文本的形式保存。

系統(tǒng)的部分截圖如圖7～圖9所示。

圖7 程序運行主界面

圖8 三維局部視景顯示

圖9 二維態(tài)勢顯示

5 結(jié)語

本文對水面艦艇防空能力仿真計算可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進行了分析,并對計算模型特別是武器目標(biāo)分配模型進行了較為詳細的介紹,實驗證明了系統(tǒng)的仿真模型真實性高,有較好的視覺效果,能夠通過二維與三維動態(tài)可視化的方式對水面艦艇的防空過程進行模擬。系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用將在水面艦艇的作戰(zhàn)研究中起到積極的作用。

[1] Gosse W. E-CATS: First Time Demonstration of Embedded Training in a Combat Aircraft[J]. Aerospace Science and Technology,2006,10(1):73-84.

[2] Richard P B, Mark A, Brian B, et al. Modelling the Infrared ManPAD Track Angle Bias Missile Countermeasure[J]. Infrared Physics and Technology,2011,54(5):412-421.

[3] Sungsoon P, Ling R. Systematic Analysis of Framing Bias in Missile Defense: Implications Toward Visualization Design[J]. European Journal of Operational Research,2007,182(3):1383-1398.

[4] 王剛,梅衛(wèi),劉恒.高炮防空作戰(zhàn)可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].火力指揮與控制,2014,39(8):132-136.

[5] 劉志勤,程學(xué)績,劉毅,等.水面艦艇編隊對空防御作戰(zhàn)效能綜合評估系統(tǒng)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2005(3):109-110,118.

[6] 董秋仙,張少文,顧文彬,等.有效空中來襲目標(biāo)確定準(zhǔn)則[J].南昌大學(xué)學(xué)報,2006,12(30):545-548.

[7] 原慧,陶建鋒.復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境雷達探測模型研究[J].計算機測量與控制,2012,20(11):2999-3001.

[8] 董彥非,郭基聯(lián),張恒喜.多機空戰(zhàn)目標(biāo)威脅評估算法[J].火力與指揮控制,2002(4):73-76.

[9] 楊進佩,王俊,梁維泰.反導(dǎo)作戰(zhàn)中的目標(biāo)威脅排序方法研究[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報,2012(4).

[10] 張明智,婁壽春,陳志杰.低層反導(dǎo)作戰(zhàn)交戰(zhàn)仿真模型研究[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2002,13(3):36-40.

[11] 丁曉明,許瑞恩,顧建.高技術(shù)戰(zhàn)爭與作戰(zhàn)運籌分析[M].北京:海潮出版社,1998.

Design and Realization of Warship Aerial Defense Capability Simulating Computation Visual System

ZHAO Junjie MIN Shaorong CHEN Weiwei ZHU Rensheng

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan 430064)

In order to research the air defense capability of the warship, a virtual simulation system is designed and implemented which is capable of 2D and 3D dynamic demonstration of the whole process of air defense. The calculation model of the air defense capability is developed and simulated for the air-defense system. The modularized structure is used in the design of the simulation system. Multiple simulation are implemented by setting the parameters of the simulation and using the Monte Carlo method. Statistical analysis is performed to obtain air defense capability analysis results. The results of the simulation prove the system is rational and practicable.

air defense capability calculation, visualization simulation, system design, warship

2015年2月12日,

2015年3月22日

國防重點實驗室研保建設(shè)項目資助。

趙俊杰,男,碩士研究生,研究方向:艦船信息系統(tǒng)設(shè)計研究、作戰(zhàn)效能評估。閔紹榮,男,碩士,研究員,研究方向:艦船信息系統(tǒng)設(shè)計研究、作戰(zhàn)效能評估。陳衛(wèi)偉,男,碩士研究生,研究方向:艦船信息系統(tǒng)設(shè)計研究、作戰(zhàn)效能評估。朱忍勝,男,碩士,工程師,研究方向:艦船電子工程,決策理論與方法。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.027