虛實結合的綜合電子信息系統試驗技術研究

陳 勇，劉炳磊，李 寧

(中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

在國內，目前仿真應用研究主要集中在綜合電子信息系統裝備的論證和設計分析階段，但隨著系統裝備全壽命管理的需要，以及綜合電子信息系統裝備體系的逐步建立和戰場環境仿真技術的逐步成熟，已越來越需要仿真系統與實兵實裝系統實施信息交互，為系統綜合集成、測試評估、模擬訓練等提供支撐環境和工具。為了更好滿足試驗對多類型、多批、多架次兵力的需要，針對可參試兵力資源類型和數量無法滿足試驗需求的情況，需研究虛實兵力混合試驗技術進行試驗真實兵力補充，以保證在投入最小規模兵力條件下實現試驗效益的最大化。因此，大規模開展實裝兵力與虛擬兵力混合試驗技術研究將成為仿真測試領域的一個趨勢。

1 虛實兵力混合試驗技術體系

虛實兵力混合試驗研究的技術體系應如圖1 所示。包括技術基礎支撐層，共性支撐層和應用層。其中，基礎技術支撐層主要是基于多分辨率建模方法，建立滿足不同試驗場景的不同仿真粒度的虛擬兵力，包括兵力實體、環境、指揮控制模型等。共性技術支撐層包括虛實結合仿真試驗的仿真導調控制、虛實兵力時空統一技術、艦艇/飛機隊形保持技術、虛實兵力實時交互技術研究。應用層主要有虛擬兵力實時指揮控制、虛實兵力互聯互通和虛實兵力混合試驗技術。

通過以上技術體系開展研究，可逐步形成完善虛實兵力混合的仿真測試和試驗方法，構建測試評估、模擬訓練等的基礎環境，實現實裝實兵環境下的虛擬兵力的在線試驗。

圖1 虛實兵力混合試驗技術體系示意圖Fig.1 Architecture diagram of virtual and real combing test

2 虛實兵力信息交互控制技術研究

2.1 虛實兵力控制技術研究

虛擬兵力建模可從行為特性和信息特性2 個方面進行描述。例如，描述一類虛擬兵力，行為特性為隨實兵艦艇(或飛機)組成特定編隊并保持其編隊隊形;信息特性為具備與真實兵力一致的信息接口、可接收并自動處理指揮引導信息、依據指揮引導命令調整運動特性、可接收指揮文電等信息特性。那么這樣構建而成的艦船(飛機)虛擬兵力即可滿足特定作戰樣式下，開展的虛實兵力混合試驗，達到補充真實兵力不足、降低試驗開銷、縮短試驗周期、更加方便靈活的組織試驗流程等目的。

虛擬兵力與真實兵力實時控制示意圖如圖2 所示。

如圖2 所示，在虛實結合仿真系統的支持下，在實裝網絡內形成與真實兵力保持特定編隊隊形、具備隨動轉向的虛擬兵力實體，并且在仿真系統的支持下，實現虛擬兵力的航跡信息、作戰命令、文電信息等在實裝網絡上的分發共享，進一步實現實裝兵力與該虛擬兵力實體之間的信息交互、實時控制。

2.2 虛擬兵力互操作技術設計

實兵兵力和虛擬兵力之間的互操作，需基于分布在廣域網異構試驗環境下的各個虛、實兵力實體的互聯互通條件下實現。試驗中，在實裝環境中嵌入仿真代理，從而實現虛實兵力之間的互聯互通。實裝環境在接收探測感知系統上報的實兵態勢的同時也接收并處理各級仿真代理報送的信息(含態勢、作戰命令等)。仿真代理將實裝環境中的態勢信息和作戰命令等虛擬兵力所需的實時運行參數發送到仿真環境中來，仿真環境依據當前態勢和指揮命令、作戰流程等進行計算，實時將虛擬兵力所需運行的航跡、響應的命令等向實裝環境發送，從而實現虛擬兵力和實兵兵力的互操作。

3 一種虛實結合編隊隊形保持算法

3.1 編隊隊形保持主要原則

在虛實兵力結合的試驗中，由于真實艦艇、飛機的航路與預定的航路可能不完全一致，尤其是根據試驗任務需要，過程中需進行的航路調整。因此，虛擬兵力也需要根據真實的艦艇、飛機位置和隊形參數適時地進行調整，以滿足虛實兵力需要與真實兵力編隊隊形保持一致的要求。

虛實結合編隊隊形保持技術研究需要遵守的原則主要有:

1)虛擬兵力編隊隊形的保持參數主要考慮:兵力橫向間距、縱向間距;

2)虛擬兵力的航行干預參數主要考慮:航行速度、航向;

3)設置誤差報警門限，超出門限則進行航行參數的調整，從而確保不用頻繁干預虛擬兵力的航行參數，更符合實際;

4)應建立虛擬兵力隨真實兵力進行隊形變換的變換算法/方法，虛擬兵力隊形變換要貼近實際，要按照真實兵力的航行控制原則進行調整;

5)艦艇、飛機編隊航行主要是定直航行和為了改變航向的轉彎航;

6)真實兵力的航行參數傳送到虛擬兵力模型有可能會斷續，需要采用一定的方法去保證編隊隊形的連續性;

7)航行隊形是個范圍值，盡量避免反復調整，應建立一個原則確保不用持續調整仿真艦艇的參數，保證與真實艦艇的實際操縱過程相符合;

8)虛擬兵力應作為真實兵力的編隊成員節點，并接收編隊指揮節點的參數輸入。應可接收部分指揮節點的指揮命令、文電信息，并自動響應命令且給出命令回執。

3.2 編隊定速直線航行時的算法

為了讓成員艦(虛擬兵力)快速進入規定的編隊位置且保留在該位置處，本文采用時間最短的最佳控制方法。確保只需切換一次速度和航向即可實現在最短時間內進入編隊指定位置點，保證隊形一致。在這里，采用以時間最短為性能指標的最佳控制，控制流程如圖3 所示。

圖3 編隊直航時的控制流程圖Fig.3 Control flow chart of formation in a straight line navigation

對于該問題，性能指標為

采用相對坐標系，原點固定在指揮艦上，則虛擬編隊成員的相對速度與位移為

其中vm，xm，v，x 分別為指揮艦與虛擬兵力的絕對速度與位移。

定義哈密頓函數為:

允許控制u(t)的約束條件為

其中amax與amin分別為最大可用加速度與最小可用加速度。

通過計算推導，可得到最佳控制算法為［5］:

采用時間最短的最佳控制，在指揮艦勻速直線運動時，編隊成員虛擬兵力只需切換一次加、減速控制，就可以在最短時間內進入到編隊位置點處，并在該處停留下來。對于改變航向的運動，同樣可利用時間最短的最佳控制方法來實現。

3.3 編隊轉彎時的隊形保持算法

下面分別介紹兩類隨真實兵力轉彎時的編隊隊形保持算法，分別為淺轉彎和換位轉彎方式下的編隊隊形保持算法。

1)淺轉彎方法

如圖4 所示為飛機淺轉彎的平面圖，其中飛機1 為真實飛機，飛機2 為虛擬兵力飛機。飛機1 的轉彎點平面坐標為A(xA，yA)，轉彎結束點平面坐標為A′(x′A，y′A);飛機2 的轉彎點平面坐標為B(xB，yB)，轉彎結束點平面坐標為B′(x′B，y′B)。Δθ 為航向變化率，R1為飛機1 的轉彎半徑，R2為飛機2 的轉彎半徑，D1為飛機1 的轉彎點與轉彎結束點的距離，D2為飛機2 的轉彎點與轉彎結束點的距離。

圖4 淺轉彎法Fig.4 Shallow turning method

已知Δθ，A，A′，B，B′ 四點的坐標點。首先根據A，A′，B，B′ 四點的坐標點時，可得出轉彎的直線距離D1和D2。

則:

相應飛機的轉向航程為:

2)換位轉彎方法

圖5 為換位轉彎法示意圖，其中飛機1 為真實飛機，飛機2 和飛機3 為仿真飛機。從圖中可看出，轉彎后飛機2 與飛機3 完成了換位，這樣，可以綜合調整編隊內/外側的飛機的速度、轉彎半徑和負載，降低仿真的復雜性，提高仿真的可行性。此外，由于大部分飛機隊形都有高度差或橫向差，所以即使轉彎的航線有交叉點，但是由于轉彎飛行的路徑和轉彎的圓心不一致，因此不會產生雙機相碰事件，因此，此種仿真方法切實可行。

圖5 換位轉彎法Fig.5 Transposition turning method

4 結 語

本文研究了一種虛擬兵力與實裝相結合的試驗與測試方法，主要論述了虛實兵力混合試驗技術體系、虛實兵力信息交互控制技術和一種可用于虛實兵力結合編隊隊形保持算法。為復雜大系統試驗、測試和評估提供理論支持和測試方法。

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