基于MAXSim的水面艦艇反導仿真模型設計?

邵作浩 由大德 熊正祥

（海軍艦艇學院 大連 116018）

基于MAXSim的水面艦艇反導仿真模型設計?

邵作浩 由大德 熊正祥

（海軍艦艇學院 大連 116018）

水面艦艇反導仿真系統模型逼真度是評價仿真系統置信度高低的重要依據。為此，首先研究了基于MAXSim軟件水面艦艇反導仿真系統的結構組成、各部分功能和反導仿真的實現流程，隨后將反導仿真模型分為物理仿真、邏輯控制和行為控制三類并對模型功能進行了研究和設計。最后，以用戶自定義的艦炮仿真模型為例對反導仿真系統模型進行了擴展，闡述了模型擴展的實現技術，提高了仿真模型的逼真度。目前此反導仿真系統模型已經用于作戰仿真相關課題研究。

MAXSim；水面艦艇；反導；仿真；模型

ClassNum ber TP391.9；E917

1 引言

反艦導彈因具有攻擊距離遠、低空逼近隱蔽性好、能精準完成制導攻擊任務等優點，已經成為艦艇的嚴重威脅之一。如何進行反導、尤其是如何防御反艦導彈多批次多方向的空襲已經成為水面艦艇對空防御的重中之重［1～3］。近年來，計算機仿真技術得到了不斷提高，通過仿真模型進行作戰仿真研究［4］在艦艇反導研究中體現出的優越性日益顯著，而作戰仿真系統的好壞極大程度上依賴于對仿真模型的設計。水面艦艇反導仿真系統模型逼真度是評價仿真系統置信度高低的重要依據。在水面艦艇反導仿真系統中進行模型設計的目的，是構建更實用的水面艦艇、艦載機等武器平臺模型及各種武器裝備模型，并由反導仿真系統將其連接起來，從而建成具有時空一致性的分布仿真系統，從而利用水面艦艇反導仿真系統通過模擬真實的戰場因素實現兵力對抗，為反艦導彈性能、作戰使用策略以及防空反導戰法的研究提供參考。

MAXSim是針對合同戰術、分隊戰術層次而開發的作戰仿真軟件，具有出色的創建、監視和控制想定的能力，主要用于創建、編輯和執行戰場劇情，相比于美國MAK等公司開發的仿真系統，MAXSim的人機交互性更好且戰法編輯更為方便快捷［5～14］。即使是非編程人員也可通過編輯參數配置文本文件即可改變各種機動載體和動力學模型、傳感器特性和損傷模型，通過簡單的鼠標點擊和鍵盤輸入利用創建好的邏輯模型實現兵力布局、創建行動路線、為實體分派任務和布置計劃。該軟件的突出優點在于適合設計結構復雜且具有智能策略的作戰方案，目前主要應用于進行參謀作業的訓練、提高各級指揮員的分析決策能力，通過開發還可用于作戰方案優化。因此，本文選用MAXSim對水面艦艇反導仿真系統模型進行研究。

2 水面艦艇反導仿真系統的結構和功能

在反導仿真系統中，用戶可以通過反導知識庫編輯器讀取反導知識庫內的數據并對其進行創建、編輯。仿真模型包可以根據需要選擇性地讀取反導知識庫中的信息實現行為控制、運動解算等功能，并且能夠將指定數據提取至通用黑板（GBB）中供其他應用程序使用。在提取GBB中信息的基礎上，利用地圖查詢器讀取地形信息、通過串行網絡適配器（SNA）與其他節點相交互、借由日志編輯器編輯想定記錄能夠實現反導想定的監視與控制、反導想定的分布、反導想定的記錄與回放。反導仿真系統可以用來檢驗模擬紅方與模擬藍方的戰術思想、行動方法，并對水面艦艇等武器平臺及各種武器裝備的作戰性能進行驗證，進而針對發現的不足及問題提出發展需求。通過MAXSim平臺構建的水面艦艇反導仿真系統的各部分功能如圖1所示。

圖1 系統結構

2.1 知識庫編輯器

知識庫編輯器是獨立的GUI應用程序，用戶可以通過知識庫編輯器創建、修改反導知識庫中的數據。想定被編輯在三個不同信息層面，每一層面的數據都是通過指定的工具軟件完成的，只要將三個信息層面的定義做好，想定就可以馬上生成和使用。與三個信息層對應的應用工具分別為技術知識庫編輯器（TKE）、行為編輯器（BE）和想定編輯器（SE）。

2.2 反導知識庫

水面艦艇反導仿真系統中的反導知識庫由反導想定知識庫、反導技術知識庫和反導行為知識庫三部分組成。

反導想定知識庫包含了通過想定編輯器編輯的所有的反導想定。每個反導想定存儲為一個獨立的文件包含了反導技術知識庫、反導行為知識庫、地圖數據、反導想定參數和反導參與者數據等信息。

反導技術知識庫存儲著想定中水面艦艇、艦載機等武器平臺及各種反導武器裝備的技術參數，這些參數可以用于MAXSim中的參數化仿真模型，如運動仿真模型、傳感器探測模型等。開發人員可以借由MAXSim軟件開發包（SDK）通過應用程序接口（API）讀取或修改存儲于反導技術知識庫中的數據。

反導行為知識庫存儲著想定中水面艦艇、艦載機等武器平臺及各種反導武器裝備進行反導策略修改、戰場決策、時間基準行動、武器使用行動、傳感器開機和通信行動的戰法數據。反導行為知識庫存儲著多種多樣的實體的行為特征參數，這些數據需要通過BE進行編輯。當CGF的喚醒條件得到滿足時，戰法就開始了，該“喚醒條件”是在SE和BE中定義的。

2.3 仿真模型包

水面艦艇反導仿真系統的反導仿真模型包可分為反導仿真內部模型包和反導仿真外部模型包兩類。內部模型包包含行為控制模型、運動解算模型、傳感器仿真模型、武器仿真模型等，若內部模型包不能滿足實際需求，用戶可以根據需要通過二次開發的方式為MAXSim添加反導仿真外部模型。

行為控制模型主要負責激活和關閉不同的武器裝備，選擇目標，控制不同平臺的機動和單元的行為。運動解算模型能計算每個被仿真平臺的當前位置和速度。傳感器仿真模型能夠基于傳感器能力、傳感器位置和目標位置、環境條件等因素，按要求顯示每個仿真戰場上被傳感器所探測到的實體。武器仿真模型主要用于計算仿真戰場上武器爆炸點對平臺的作戰效果。

2.4 通用黑板（GBB）

通用黑板是存儲應用程序運行期間所有應用數據的通用數據庫，通過GBB存儲數據能確保所有應用程序在獲得授權后能獲取到數據庫內的共享數據。GBB由主實體表、實體表、描述子表和消息表4種類型的表格組成，其數據的創建和管理由GBB管理器（Manager.exe）負責。

2.5 日志記錄器（Logger）

日志記錄器的設計目的是記錄程序運行期間所有應用程序的操作歷史，它存儲了磁盤中GBB的相關內容，從而能夠將相關內容重新加載到GBB中。

2.6 串行網絡適配器（SNA）

在應用執行期間，SNA（SNA.exe）負責同步不同節點的通用黑板，從而確保無論某個模型是在哪個CPU中運行，該模型的數據在網絡中的不同節點都是可用的。

在一個特定的SNA節點操作，將由某節點所生成的數據分布到所有感興趣的節點。為了減少計算和網絡負載，SNA可以被配置為只分布相關的表；其它節點不感興趣的數據（如運行在其它機器上的模型）將不會被發送。

3 水面艦艇反導仿真系統的模型設計

系統構建的模型主要實現水面艦艇主要武器裝備反導作戰和訓練過程的仿真。在仿真層次方面，模型分別從物理仿真、邏輯控制和行為控制層次上對水面艦艇反導作戰訓練過程進行了細致精確的仿真。

例如，為完成一次對來襲導彈的任務，位于三個層次上的三類模型在仿真系統中起著不同功能作用：

1）行為控制模型根據目標威脅等級、位置以及我方武器目前占用情況等信息，確定實施導彈打擊、艦炮打擊、有源壓制干擾或箔條干擾的策略。

2）在確定實施導彈打擊后，調用艦空導彈發射邏輯控制模型，主要模擬艦空導彈的發射過程，包括發射導彈選擇、火力分配、發射控制、導彈出箱等。根據打擊目標信息進行發射褚元計算，控制艦空導彈的發射方式和發射時間等信息。

3）在獲得艦空導彈的發射時間等發射參數信息后，調用導彈武器物理仿真模型模擬艦空導彈、艦艦導彈上升段、無控段、中制導、末制導的全過程。

3.1 物理仿真模型的設計

物理仿真模型處于CGF兵力最底層的仿真層次，它抽象地仿真了實際武器裝備的基本的動作，為上一層的邏輯控制模型提供了基本動作的調用接口。物理仿真模型在物理過程層次上，仿真了各類型CGF兵力的基礎行動過程，如CGF兵力的基礎機動過程，包括CGF兵力的加速、減速、轉向、爬升和下降等基礎性機動方式。通過響應邏輯控制模型對其的功能調用命令，物理仿真模型能夠驅動CGF兵力狀態隨作戰時間進行演化，從而最終完成用戶下達的指令。

水面艦艇反導仿真系統的物理仿真模型主要包括：水面艦艇機動物理仿真模型、艦載雷達仿真模型、紅外警戒仿真模型、末制導設備仿真模型、艦炮武器仿真模型、導彈武器仿真模型、艦載通信裝備仿真模型、艦載電子對抗裝備仿真模型、信息處理裝備仿真模型。

1）水面艦艇機動物理仿真模型通過接收邏輯控制模型下達的物理機動請求，并根據平臺當前的機動狀態，計算出平臺下一步時長的新機動狀態，從而實現水面艦艇實體的機動仿真。該模型能考慮水文、氣象環境參數實時計算艦艇的橫搖、縱搖參數，能夠支持0.05～20倍速（與自然時鐘相比）運行要求，支持步長動態調整，包括高速、正常和低速等運行模式。

2）艦載雷達仿真模型根據雷達參數、環境參數、地形參數和目標參數，計算雷達的探測威力，能夠根據雷達特點實現不同體制雷達的搜索、跟蹤過程，輸出雷達探測目標運動速度、航跡等信息。

3）紅外警戒仿真模型能夠模擬艦艇搭載的紅外探測裝備工作原理，根據環境信息模擬紅外探測裝備的目標搜索、目標識別和跟蹤過程并計算探測結果，將探測結果傳遞給指控系統進行處理。

4）末制導設備仿真模型能夠搜索及跟蹤目標，用于導彈在飛行末段對目標進行自動搜索、捕捉、識別選擇和跟蹤目標的過程，同時能夠向彈上自動駕駛儀送出制導控制指令，引導導彈飛向目標。

5）艦炮武器仿真模型能夠模擬中大孔徑艦炮、近程防御系統、小口徑艦炮等武器系統根據目標參數、近程反導武器狀態等因素，通過射擊褚元解算、彈道計算及炸點散步模擬判斷是否滿足火炮射擊條件，自動控制火炮射擊并完成毀傷判定。

6）導彈武器仿真模型能夠接收導彈發射控制模型的發射參數信息，模擬艦空導彈、艦艦導彈上升段、無控段、中制導、末制導的全過程。

7）艦載通信裝備仿真模型模擬水面艦艇的通信裝備特性，包括短波通信、超短波通信、衛星通信、數據鏈通信、甚低頻收信模型等。該模型能夠根據通信裝備性能參數和通信業務參數結合自然環境與電磁環境，從而仿真通信裝備使用過程和信息傳輸過程，計算誤碼率、語音可懂度、通信距離，顯示通信效果并根據通信裝備性能環境因素實現通信組網、信息的發送與接收。

8）艦載電子對抗裝備仿真模型模擬水面艦艇所掛載的電子對抗裝備的工作過程和原理，模擬電子偵察過程、有源壓制干擾過程、無源干擾、通信干擾、水聲對抗干擾等，為水面艦艇執行防空反導、干擾掩護等作戰任務進行支撐。模擬電子偵察過程時能夠根據偵察設備參數、設備參數、環境參數，計算偵察設備的探測能力，根據偵察設備特點實現偵察設備的識別和告警過程。并且，模擬干擾過程中該模型能夠能夠根據偵察設備識別參數、干擾機參數、設備所在平臺參數、環境參數等計算干擾設備的干擾能力，根據干擾設備特點實現干擾設備干擾樣式決策、干擾效能分析計算等功能。

9）信息處理裝備仿真模型模擬水面艦艇單艦及編隊及信息綜合處理，具有信息收集處理、信息融合、威脅判斷、目標綜合處理及火力兼容等功能。

3.2 邏輯控制模型設計

邏輯控制模型仿真了各類型CGF兵力中相對復雜的行動及控制過程（如CGF兵力的計劃航線、之字形機動和占位機動等），處于CGF兵力的原子動作層和物理仿真層之間，為CGF兵力的各原子動作的實現提供了基礎性的支持，通過響應CGF兵力行為控制的原子動作指令和綜合導控系統的實時指令，將各指令轉換為一系列對物理仿真模型的功能調用命令，從而驅動CGF兵力狀態隨作戰時間演化。

水面艦艇反導仿真系統的邏輯控制模型主要由機動控制模型、艦空導彈發射控制模型、艦炮開火控制模型和電子對抗設備邏輯控制模型組成。

1）水面艦艇機動控制模型提供了水面艦艇各類機動方式的仿真，如計劃航線、占位機動、躲避機動等功能。當艦船在發射光電、箔條干擾彈后需要進行躲避機動，水面艦艇機動控制模型根據來襲導彈或魚雷、水雷等武器的方位、速度等要素計算出航向和航速等信息，指引艦船快速進入反艦導彈末制導盲區躲避。

2）艦空導彈發射控制模型主要模擬艦空導彈的發射過程，包括發射導彈選擇、火力分配、發射控制、導彈出箱等。根據打擊目標信息進行發射褚元計算，控制艦空導彈的發射方式和發射時間等信息。

3）艦炮開火控制模型主要模擬艦炮開火過程，根據打擊目標類型、方位和本艦的方位等信息進行主副炮選擇及打擊時機選擇。

4）電子對抗設備控制模型主要負責裝載、激活、關閉實體平臺的電子對抗裝備并且設置其相關參數。該模型可以根據戰場環境及條件控制雷達、通信、紅外等偵察設備等開關機及工作狀態參數，并設置有源干擾設備的工作狀態；根據來襲導彈信息、本艦信息、箔條彈信息等控制箔條彈發射的時機及方位。

3.3 行為控制模型設計

行為控制模型根據CGF兵力所定義的行為規則進行決策過程的仿真。行為控制模型的運行方式為：根據行為知識庫中定義的行為規則和實時感知的仿真環境態勢，基于有限狀態機的具體狀態及遷移轉換來決定所需執行的一系列的動作。最終將其形成的“邏輯指令”發送給相應的邏輯控制模型。

水面艦艇反導仿真系統的行為控制模型由單艦及編隊針對整體防空態勢，提供對空防御威脅判斷模型、軟硬武器協同抗擊方案的優化模型（艦空導彈、艦炮、電子干擾等）及毀傷評估模型等組成。

1）對空防御威脅判斷模型可以在水面艦艇探測到目標或接收到外部的目標信息后對空中目標進行威脅判斷，將目標進行分類、定級，區分目標方向，當出現導彈時進行告警處理并形成空中目標威脅排序表。

2）軟硬武器協同抗擊方案的優化模型可以根據目標威脅等級、位置以及我方武器目前占用情況等信息，確定實施導彈打擊、艦炮打擊、有源壓制干擾或箔條干擾的策略。

3）毀傷評估模型可幫助水面艦艇反導仿真系統借由通過監控戰場態勢情況，判斷任務是否結束、是否適合下達轉火或停火指令。

4 水面艦艇反導仿真系統的模型的擴展方法

水面艦艇反導仿真系統需要構建高逼真度的仿真模型，從而提升反導仿真系統的置信度。MAXSim現有的模型實例雖然適用于通用的作戰仿真，但尚不能滿足作戰仿真的部分具體要求。所以，必須對MAXSim模型進行擴展，這是系統設計的重點和難點之一。通過利用MAXSim系統的模型組件開發工具創建高精度的用戶模型，可以嵌入到現有的仿真引擎中從而完成對MAXSim的模型擴展。

例如：MAXSim里現有的水面艦艇仿真模型，通過TKE可以編輯修改艦炮的最小攻擊距離、最大攻擊距離、有效攻擊距離、引爆時間、充填時間等具體參數設置，在對想定進行作戰推演過程中利用這些參數判定艦炮的攻擊效果。但是艦炮在艦艇上由于受到氣象條件、艦艇運動特征等影響，其射擊范圍有限且隨外部影響而變化。如果忽略了這些因素，將降低仿真的置信度與準確性，所以需要開發用戶自定義的水面艦艇仿真模型。

現以創建一個新的艦炮物理仿真模型為例來說明水面艦艇反導仿真系統模型擴展方法，步驟如下：

1）明確擴展內容，設置類型名稱為NewGun，從MAXSim的原有Gun派生，并新增描述符NewDesc；

2）基于現有類型Gun，新建類型NewGun，并把我們新增的描述符NewDesc指派給NewGun；

3）修改Agent編碼：打開新建類型NewGun，將其生成配置改為x64 release，打開文件NewGunA-gentDescriptorsNewDesc-Struct.h，為描述符NewDesc定義數據結構，加入2個變量（int型的n IntValue，double型的dDoubleValue）。代碼如下：

structNewDesc

｛

//自行定義Decriptor所需要的數據結構

int nIntValue；

double dDoubleValue；

｝；

4）打開文件NewGunAgentDescriptorsNew-GunMonitor.h，添加GBB處理代碼：

class MonitorNewDesc： public GBBMoni tor：：CDescHandler

｛

public：

MonitorNewDesc（）：

GBBMonitor：：CDescHandler（“MonitorNewDesc”）｛｝

virtualvoid FillData（char*pData）

｛

HT：：NewDesc*pDesc=（HT：：NewDesc*）pData；

//根據定義的結構體添加處理代碼

AddFieldDouble（'IntValue"，pDesc-＞nIntValue）；

AddFieldDouble（'DoubleValue"，pDesc-＞dDoubleValue）；

｝

｝；

5）完成了新描述符NewDesc的數據定義工作后，在NewGunAgent.cpp中加入自己想要的實際處理工作。由于NewGunAgent已經自動生成了描述符NewDesc的讀寫函數，可以在步長處理函數中將NewGun的NewDesc進行賦值，如下所示：

status_t NewGunAgent： ： notifyForActivation （int noOfMessageTypes，enum_tgMessageTypes）

｛

status_tstatus==SUCCESS；

//獲取所有的艦炮列表

EntityIterator iterVessel

（HT_GBB：：EntitySurfaceVessel，status）；

CHECK_STATUS_AND_RETURN（status）；

for（iterVessel.begin（）；！iterVessel.end（）；iterVessel.next（））

｛

//獲取艦炮ID

id_tnWeaponId=INVALID_MET_ID；

status=iterWeapon.getEntityID（nWeaponId）；

CHECK_STATUS_AND_CONTINUE（status）；

//獲取艦炮的TKB類型

TKB：：TYPE_ID nTKBTypeId；

GetTKBTYpe（nWeaponId，nTKBTypeId）；

//艦炮的TKB類型為新加的類型

if（nTKBTypeId==TKB：：TypeNewGun）

｛

//寫入新描述符NewDesc數據

NewDesc cNewDesc；

cNewDesc.n IntValue=10；

cNewDesc.nDoubleValue=25.23；

status=writeData（nWeaponId，HT_GBB：：DescriptorNewDesc，cNewDesc）；

｝

｝

return status；

｝

6）編譯生成，生成 NewGunMain.exe、NewGun-SizeDLL.dll、NewGunAgent.dll放至MAXSim配置中RootConfig.xml的所在位置。這樣在重新運行MAXSim時就會出現用戶自定義的艦炮物理仿真模型，從而實現了水面艦艇反導仿真系統模型的擴展。

5 結語

本文基于MAXSim闡述了水面艦艇反導仿真系統的結構組成及各部分功能，設計了水面艦艇反導仿真系統的物理仿真模型、邏輯控制模型、行為控制模型，并以開發用戶自定義的艦炮物理仿真模型為例對反導仿真系統模型進行了擴展。該模型具有較好的研究價值，目前此反導仿真系統模型已經用于作戰仿真相關課題研究，未來可以進一步研究水面艦艇反導作戰方案優化的實現。

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Design of Anti-m issile Simulation Modelsof Surface-ship Based on MAXSim

SHAO Zuohao YOU Dade XIONG Zhengxiang
（Dalian Navy Academy，Dalian 116018）

The fidelity ofanti-missile simulationmodels of surface-ship has become one of themost importantbases to evaluate simulation systems.For this reason，the structure，function and the processof the anti-missile simulation are introduced based on MAXSim.And anti-missile simulation modelswhich are divided into the physical simulationmodels，logic controlmodels and behavior controlmodels are proposed.Taking the customizablemodel of naval gun asan example，themodel extension technology which hasbeen generalized isadopted to improve the fidelity ofanti-missile simulationmodels.

MAXSim，surface vessel，anti-missile，simulation，model

TP391.9；E917

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.013

2017年3月13日，

2017年4月26日

邵作浩，男，碩士研究生，研究方向：艦艇作戰系統仿真。由大德，男，教授，碩士生導師，研究方向：艦炮武器系統與戰斗使用的教學與研究。熊正祥，男，高級工程師，碩士生導師，研究方向：作戰系統仿真。