基于FLAMES的衛星對抗仿真實驗系統

楊 彬，張順健，方勝良

(電子工程學院，安徽 合肥 230037)

基于FLAMES的衛星對抗仿真實驗系統

楊 彬，張順健，方勝良

(電子工程學院，安徽 合肥 230037)

針對衛星對抗作戰行動效果難以檢驗的問題，提出了基于FLAMES的衛星對抗仿真實驗系統，介紹了FLAMES仿真平臺基本理論，搭建了衛星對抗仿真實驗系統，對各分系統接口進行了設計。

FLAMES；衛星對抗；仿真實驗

0 引 言

衛星對抗具有組成要素眾多、大量運用高新技術、參展裝備類型復雜、政治影響大等特點，這就使得衛星對抗在作戰運用和效果檢驗方面存在以下問題：一是組成要素眾多，自成體系，難以定性分析作戰效果；二是大量運用高新技術，戰場空間遠離地面，行動效果難以得到實踐檢驗；三是裝備類型復雜，既有地基、空中裝備，又有天基裝備，若動用實裝實兵，則代價太大，難以承受；四是開展衛星對抗作戰行動的影響較大，容易招致世界輿論的譴責，給敵對勢力授以口實，也容易提前暴露我技術、裝備、理論，留給強敵充分的準備時間。為了解決以上問題，本文提出了基于FLAMES的衛星對抗仿真實驗系統，采用計算機仿真實驗的手段來檢驗衛星對抗的效果。

1 FLAMES簡介

FLAMES[1](Flexible Analysis and Modeling Effectiveness System)是由美國Ternion公司20世紀80年代中期研發并于2001年公布的仿真開發軟件。FLAMES是基于行為仿真的開放式仿真框架軟件，其軟件本身并不能滿足用戶的具體仿真要求，而是需要用戶通過以該仿真框架為基礎，建立各種裝備模型、行為模型和消息模型來滿足自己的仿真需求。FLAMES內核可以看作是一個軟件服務包，能夠為所有基于FLAMES的應用程序提供基礎服務，FLAMES提供四大標準應用程序[2]：FORGE、FIRE、FLASH和FLARE，具體關系如圖1所示。

FORGE是用于創建和執行FLAMES想定的基礎應用程序，它將FLAMES多用戶輸入的數據保存在想定數據庫中，在想定執行過程中，可調用模型來模擬戰場環境、平臺機動、傳感器探測等。FIRE是另一個執行FLAMES想定的程序，它通過從FLAMES數據庫中找到歸檔的想定，并調用事先建立的相關模型來執行想定。FLASH將想定執行所得仿真數據作為輸入，利用二維和三維圖形顯示技術把想定中的各種作戰行動以可視化的形式輸出。FLARE讀取想定執行結果，并將其轉換到關系數據庫列表中，利用SQL語言的查詢功能，對記錄的數據進行分析。

2 基于FLAMES的衛星對抗仿真實驗系統設計

基于FLAMES的衛星對抗仿真實驗系統設計總體思路[3]：以模擬各類干擾裝備對抗衛星為出發點，利用二維和三維圖形、數據報表等表現形式展現不同作戰方案的作戰效能；采用基于FLAMES的開放式仿真框架，以作戰能力評估模型作為實體模型、行為模型和消息模型定量計算的基礎，利用實體模型、行為模型和消息模型三者之間的協同和交互，完成場景內的衛星對抗能力的仿真。該系統主要包括想定編輯分系統、仿真推演分系統、綜合評估分系統和仿真資源管理分系統，系統總體設計如圖2所示。

2.1 想定編輯分系統

想定編輯分系統主要對衛星對抗仿真實驗進行規劃和設計，建立支持衛星對抗仿真實驗的方案，指導和驅動仿真實驗的運行和分析。該分系統能為仿真實驗進行頂層設計、規劃，完成仿真實驗數據準備，包括仿真實體編輯模塊、作戰想定編輯模塊和想定轉換模塊等。

(1) 仿真實體編輯模塊主要通過友好的用戶界面，實現仿真實體模型的可視化編輯。在FLAMES想定中，每一個實體默認情況下是一個空殼，其功能是由加載到實體上的仿真基礎模型(裝備模型、認知模型以及消息模型)來完成的。因此，仿真實體編輯模塊的主要作用是依據衛星裝備實體的組成和功能，將仿真基礎模型進行可視化組裝，并利用FLAMES腳本生成仿真實體模型，同時生成XML格式的仿真實體字典文件。

(2) 作戰想定編輯模塊主要通過可視化的作戰態勢部署，實現軍事想定的錄入。首先通過讀取仿真實體字典文件自動生成待部署的裝備實體列表，然后依據軍事想定構建裝備體系并進行態勢標繪，實現作戰想定的編輯。其主要功能有：定義想定的時間跨度和各個作戰階段的起止時間；確定實體行動的地域、空域、海域范圍；依據軍事想定，構建對抗雙方裝備體系并設置指控關系；根據實體部署情況，進行簡單的部署分析(如通視分析、視距分析、作用距離和范圍等)。

(3) 想定轉換模塊主要實現實驗方案的轉換工作。由于XML格式的作戰想定文件不能直接用于仿真運行，因此需要通過轉換模塊對仿真實體字典文件和作戰想定文件進行綜合處理，轉換生成仿真引擎可執行的FLAMES想定文件。FLAMES想定文件采用特定編碼,它包含的主要內容有：想定名稱、仿真起止時間、仿真步長、調用的模型庫信息等。FLAMES想定文件并不是作戰想定的全部記錄，它只是一個索引，仿真引擎通過它可以調用仿真所需的各類模型進行仿真運行。

2.2 仿真推演分系統

仿真推演分系統[4]根據作戰想定文件，調用相關仿真模型實現對整個衛星對抗作戰過程的仿真，實時采集仿真數據并將態勢數據發送出去供態勢顯示。推演進程中，可以由仿真人員執行暫停、繼續、終止等操作。仿真推演分系統主要包括4個功能模塊：想定執行模塊、仿真控制模塊、態勢顯示模塊和仿真數據采集模塊。

(1) 想定執行模塊是仿真推演分系統的關鍵模塊，其核心是FLAMES仿真引擎，它根據想定文件中的信息，讀取作戰想定數據庫，加載仿真模型并初始化仿真狀態，實現對整個作戰過程的仿真。想定執行模塊具有3種仿真方式：最快仿真，即以操作系統的運算速度作為仿真速度；時鐘同步仿真，即以現實世界時鐘同樣的速度作為仿真速度；加速/減速仿真，即以現實世界時鐘的任意倍數作為仿真速度(若超過系統運算速度，則以系統運算速度作為仿真速度)。

(2) 仿真控制模塊主要提供仿真管理、狀態監視和運行控制等功能。它可以啟動、暫停、繼續和終止仿真運行過程；可以通過操作人員發送命令對場景中的仿真實體進行控制，實現人在回路的仿真；在分布式交互仿真條件下，它還可以對聯邦成員進行管理，遠程激活和終止仿真成員的運行。

(3) 態勢顯示模塊主要是基于STK和MGS構建了可視化二維/三維綜合態勢顯示環境。其中二維綜合態勢顯示環境基于MGS地理信息平臺實現，實時接收仿真輸出的二維態勢信息并呈現在態勢圖上；三維綜合態勢顯示環境則通過STK的可視化模塊(STK/VO)來實現，由FLAMES仿真推演產生的態勢數據通過STK提供的接口——STK/Connect模塊實時發送到STK/VO模塊，最終通過STKX控件實現衛星對抗三維場景的顯示。

(4) 仿真數據采集模塊主要功能是根據仿真數據采集計劃，記錄仿真運行過程中的各種仿真數據，供體系評估子系統使用。在仿真推演前，用戶依據仿真數據采集表，利用仿真數據采集模塊進行相應的設置；在仿真推演過程中，仿真數據采集模塊負責接收仿真數據并將其保存到指定的Excel文件中。

2.3 綜合評估分系統

綜合評估分系統主要針對不同實驗目的，按照問題評價指標體系，綜合運用各種評估方法、數據分析方法及相應手段對輸出的實驗結果數據進行融合、評估和分析，得出可信度較高的結論。其主要采取探索性分析和多維數據分析2種策略，多維數據分析運用數據挖掘技術從多次仿真結果數據中發現有價值信息，探索性分析運用各類搜索算法對不確定性能力空間、策略空間以及環境空間進行探索分析。綜合評估分系統評估指標體系構建、評估執行和評估結果顯示3個模塊。

(1) 評估指標體系構建模塊根據評估對象和評估需求，通過人機界面建立一套相對完整的多目標、多層次效能評估指標體系，供評估執行采用。

(2) 評估執行模塊通過人機界面從仿真資源庫中調用所需的指標算法和評估模型，對衛星對抗效能進行綜合評估。

(3) 評估結果顯示模塊可對評估結果進行分析(如靈敏度分析等)，并能以數據、報表、圖形、文檔等形式進行評估結果的顯示。

2.4 仿真資源管理分系統

仿真資源管理分系統主要為實驗準備、實驗運行和實驗分析環節的不同工具提供各種模型、數據、算法等仿真資源，并對仿真實驗系統開發和運行過程中使用和產生的各種資源進行綜合有效的管理，為衛星對抗仿真實驗系統的開發和運行提供底層支撐。它主要由模型庫管理模塊、數據庫管理模塊和仿真資源庫等組成，其層次結構如圖3所示。

(1) 模型庫管理模塊主要實現對各類仿真模型和評估模型的管理，具備對模型的添加、刪除、修改等功能。其中對各類仿真模型的管理主要通過FLAMES數據庫來實現。為了便于模型的重用和重組，在模型庫中詳細記錄各模型的功能、接口、運行環境要求以及相關的開發信息。

(2) 數據庫管理模塊[5]主要實現對仿真運行和評估驗證所需的各類數據(包括實驗方案、裝備數據、結果數據、算法等)進行有效的管理和維護，具備對各類數據的添加、刪除、修改等功能。根據數據類型的不同，各類數據的讀取和存儲均采用XML數據和關系數據庫相結合的方式進行管理。對于非結構化的數據，如想定文件、實驗方案等，要素較多，類型復雜，應采用XML數據格式進行存儲和交互；對于裝備數據、結果數據等結構化數據，具有數據量大、數據結構相對規則、數據檢索率高等特點，應建立統一的數據字典，采用關系數據庫進行存儲。

(3) 仿真資源庫主要用于存儲建模與仿真領域相關的各類資源，由仿真模型庫、評估模型庫、軍事想定庫、裝備數據庫、環境數據庫和算法庫等6個庫組成，是實現建模與仿真資源重用性和提高仿真應用系統開發效率的重要支撐。

3 基于FLAMES的衛星對抗仿真實驗系統接口設計

3.1 想定編輯分系統接口設計

想定編輯分系統的接口主要包括想定讀寫接口、仿真模型庫接口和人機交互接口，如圖4所示。

(1) 想定讀寫接口

通過想定讀寫接口，想定編輯分系統可以將編輯完成的想定信息進行保存，生成XML格式的仿真實體字典文件和作戰想定文件以及FLAMES想定文件；也可以讀取已有的想定文件進行修改。

(2) 仿真模型庫接口

通過仿真模型庫接口，想定編輯分系統可以從仿真模型庫中加載仿真基礎模型以進行仿真實體的編輯，還可以將創建的仿真實體模型存入模型庫中。

(3) 人機交互接口

想定編輯分系統主要與想定制作人員和軍事人員進行交互。首先軍事人員提出軍事想定，供想定制作人員進行作戰想定編輯；然后軍事人員對提交的作戰想定進行綜合檢查，并提出修改意見，反饋給想定制作人員。

3.2 仿真推演分系統接口設計

仿真推演分系統的接口主要包括想定讀寫接口、模型庫讀取接口、仿真數據輸出接口、人機交互接口和HLA接口5類，如圖5所示。

(1) 想定讀取接口

通過想定讀取接口對仿真實體文件和作戰想定文件進行訪問，實現作戰想定錄入和作戰仿真運行。

(2) 模型庫讀取接口

模型庫讀取接口主要用于各類仿真模型的加載和解算。

(3) 仿真數據輸出接口

仿真推演分系統將仿真推演過程中采集到的仿真數據保存到Excel文件中，供體系評估子系統進行仿真結果分析與體系評估。

(4) 人機交互接口

仿真推演分系統主要與管控人員和操作人員進行交互。在仿真運行過程，管控人員通過管控席位對仿真成員進行監視、管理和控制。操作人員主要根據仿真運行情況進行態勢顯示操作，以便最佳展示全局和局部的對抗態勢。此外，操作人員還負責完成數據采集任務。

(5) HLA接口

HLA接口主要是在采用HLA分布式交互仿真時，被用來實現各個仿真成員之間的仿真數據交互，包括實體信息交互和仿真事件交互。

3.3 綜合評估分系統接口設計

綜合評估分系統外部接口包括仿真數據接口、數據庫訪問接口和人機交互接口3類，如圖6所示。

(1) 仿真數據接口

通過仿真數據接口，綜合評估分系統在仿真推演進行前將仿真數據采集計劃提交給仿真推演子系統，并在仿真推演結束后讀取仿真數據記錄文件，獲取評估所需的仿真結果數據。

(2) 數據庫訪問接口

綜合評估分系統通過數據庫訪問接口調用數據庫中的相關算法和評估模型，進行衛星對抗效能評估。

(3) 人機交互接口

評估人員通過人機交互接口對仿真結果進行分析評估，并將評估報告提交給軍事人員。

4 結束語

當前FLAMES作為新一代仿真開發平臺，在各個仿真領域得到廣泛應用，比較典型的有英國在FLAMES基礎上開發了聯合無人空中交戰仿真系統,霍普金斯大學將FLAMES嵌入到其虛擬仿真程序中進行網絡中心戰的數據分析,美國空軍采用FLAMES研究了無人戰斗飛行器的協同作戰能力與成本效率問題等。本文作為將FLAMES應用于衛星對抗仿真實驗系統的一種探索，具有模型重用性好、仿真逼真度高、適用于大規模仿真系統的建設、仿真系統開發速度快和仿真過程靈活的優點，有效解決了衛星對抗在作戰運用和效果檢驗方面的問題，有較高的實用價值。

[1] FLAMES Simulation Framework-Ternion Corperation[EB/OL].[2008-05-12].http://www.ternion.com.

[2] 楊正，曹志耀.FLAMES的仿真框架研究[J].系統仿真技術及其應用，2009(2)：358-362.

[3] 張宏欣，王永斌，劉宏波.基于FLAMES的通信對抗仿真研究[J].綜合電子信息技術，2012(38)：56-58.

[4] 戴健偉.蔣曉原等.基于HLA的武器對抗仿真系統開發研究[J].計算機仿真，2002，19(2)：11-14.

[5] 胡良勝.孔向華，王然輝等.基于FLAMES的戰場目標仿真設計與實現[J].系統仿真學報，2010，22(11)：2502-2510.

Simulation Experiment System of Satellite Countermeasure Based on FLAMES

YANG Bin，ZHANG Shun-jian，FANG Sheng-liang

(Electronic Engineering Institute，Hefei 230037,China)

Aiming at the problem that the effect of satellite countermeasure combat action is difficult to test,this paper puts forward the simulation experiment system of satellite countermeasure based on FLAMES,introduces the basic theory of FLAMES simulation platform,sets up the simulation experiment system of satellite countermeasure,designs the interface of each subsystem.

FLAMES;satellite countermeasure;simulation experiment

2016-03-24

TP391.9

A

CN32-1413(2017)01-0050-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.011