基于DWK的飛機平臺模型研究

張 宇，張高峰

（中國人民解放軍91336部隊，河北秦皇島066326）

隨著武器裝備的不斷發展和高新技術的廣泛應用，現代戰爭的信息化、智能化程度越來越高，戰術研究的技術手段和方法也越來越多，作戰模擬技術的廣泛應用，為戰法研究提供了有效手段[1-2]。參試兵力作戰行動模擬的逼真度，將成為戰術研究和戰法檢驗的關鍵，同時也為戰法提出了合理的修正，為戰法推廣應用創造了有利條件[3-5]。

目前，軍用飛機仿真技術是軍事仿真領域的熱點技術并具有廣泛的應用前景[6]。飛機平臺模型在海軍作戰理論研究、戰法推演、模擬訓練、裝備效能評估等方面有著重要作用，是整個飛行仿真模型的核心內容[7-9]，并為飛行仿真系統的其它組成部分提供仿真的基礎平臺，其仿真的效果將直接影響到飛機仿真模型的精度和置信度。

文中基于數字武器開發平臺（DWK，Digital Weapon Kit），給出了飛機平臺模型的開發思路和設計實現過程。基于模塊化建模方法，將飛機平臺模型劃分為各個功能模塊，并結合組件化開發思想，將各個模塊進行組件化開發實現，大大提高了模型的通用性、可移植性和可擴展性，對戰法研究具有重要意義。

1 數字武器開發平臺概述

1.1 數字武器開發平臺簡介

數字武器開發平臺DWK是神州普惠公司為了滿足復雜仿真系統開發需求而研發的一套高效、快捷的分布式仿真系統開發工具，數字武器開發平臺DWK產品充分借鑒MDA思想，采用面向仿真組件開發的方法，支持組件組裝，提供仿真應用開發，運用所需的一系列工具，能夠與第三方仿真工具集成，構建了全新的開發式一體化仿真開發過程，降低了仿真開發難度，實現了對系統仿真應用全生命周期的支撐，使用戶無需了解HLA的復雜技術細節即可進行仿真應用開發[10-11]。

1.2 基于DWK的建模過程

作戰飛機系統通常包括飛機平臺模型、飛機顯控模型、電子信息裝備模型和指揮控制系統模型4個部分，其中飛機平臺模型是作戰飛機系統的核心，也為其它組成部分提供仿真的基礎平臺。基于分布式交互仿真平臺DWK，并結合其支持組件化開發的建模特點，對飛機平臺進行建模仿真，以提高模型的可重用性和可擴展性。

基于DWK開發平臺，飛機平臺模型的設計過程如圖1所示。首先對飛機平臺模型進行需求分析，然后分析模型的功能，其次對模型接口及算法進行詳細設計，最后完成模型的組件開發和功能測試工作。

圖1 基于DWK的仿真模型設計過程

2 飛機平臺模型需求分析

根據需求不同，飛機平臺運動性能仿真模型可簡可繁，如當研究突防問題時，就關心飛機在不同時刻的空間位置，這時只需建立描述飛機空間位置隨時間變化規律的運動學模型[12-14]。但當評估飛機技戰術性能或用于戰術研究時，就需要了解每一時刻飛機的空間位置及其姿態變化，要能反映飛機在飛行員的操縱下完成機動動作的情況，這就需要根據牛頓運動定律和飛行動力學原理，建立能夠反映飛機飛行時，在發動機推力、空氣動力（升力和阻力）以及自身重力的綜合作用下，其空間位置和姿態隨諸力的變化而變化的動力學方程。

鑒于本模型主要應用于戰法研究，需要建立遠距離直航、近距離直航和旋回運動的模型，模擬加速、減速運動，并考慮姿態角對飛機飛行帶來的影響，同時計算燃油消耗量。另外，為了檢驗指揮員的戰術運用能力，需要考慮作戰飛機的一些戰術動作，如起飛、降落、爬升、降高、超音速飛行、超低空飛行等。但不考慮發動機推力、空氣動力（升力和阻力）以及自身重力對飛機運動的影響，不對其進行建模。

3 飛機平臺模型設計

3.1 模型功能分析

模塊化是指解決一個復雜問題時，自頂向下逐層把系統劃分成若干模塊的過程[15]。本文基于模塊化設計思想，兼顧飛機平臺模型的功能特點，將其分為飛機起飛降落功能、單機運動模擬功能、航路規劃功能、編隊運動模擬功能、敵我識別模擬功能和導調控制響應功能6個功能模塊，功能模塊組成如圖2所示。

圖2 飛機平臺模型功能模塊組成圖

各個模塊的主要功能如下：

1）飛機起飛降落功能：能夠模擬飛機的起飛降落過程。飛機在機場停靠時，有一級戰備和二級戰備兩種狀態，如果飛機處于一級戰備狀態，則可以通過飛機顯控操縱飛機起飛，完成起飛動作[16]。也可以通過飛機顯控選擇可降落的機場，并發出降落請求，得到機場應答允許后，完成飛機降落動作；

2）單機運動模擬功能：能夠模擬飛機的直線、旋回、加速、減速運動；能夠模擬飛機在不同速度下的偏航、滾轉、傾斜等姿態變化；能夠模擬飛機的超音速和超低空飛行能力；能夠模擬不同掛載、不同速度和不同高度下的油料消耗對飛機飛行航程的影響，能夠計算飛機的剩余續航里程；

3）航路規劃功能：能夠模擬開放航路和封閉航路兩種航跡點運動；

4）編隊運動模擬功能：能夠模擬飛機獨立飛行和編隊飛行兩種飛行模式，編隊飛行模式又分為保持隊形和獨立轉向兩種編隊飛行方式；

5）敵我識別模擬功能：能夠模擬敵我識別器，并可設置開或關兩種狀態；

6）導調控制響應功能：能夠模擬導調控制指令的響應功能，包括對生存狀態、位置、油料狀態和毀傷判定模式導調指令的響應，以及對起飛、降落、高度、航速、航向和敵我識別器狀態等控制指令的響應。

3.2 模型接口設計

通過系統的接口設計，能夠清楚的描述模型內部各部分之間的交互關系，模型與外部的交互接口。圖3對飛機平臺模型內部組件之間的交互關系進行了直觀的描述，主要包括信息接收存儲部件、平臺導調控制消息處理部件、攻擊結果處理部件、飛機運動模擬部件、飛機油耗計算部件和信息發送生成部件，以及各個數據存儲區。各個部件內部具有獨立的算法處理功能，并通過交互接口完成信息收發。

圖3 飛機平臺模型邏輯結構圖

3.3 模型組件化設計

基于飛機平臺模型的接口設計部分，對平臺導調控制消息處理部件、攻擊結果處理部件、飛機運動模擬部件、飛機油耗計算部件4個核心部分進行詳細分析，對其算法流程進行詳細設計。

3.3.1 平臺導調控制消息處理部件

飛機平臺接收來自導演部和飛機顯控的平臺導調控制消息，通過對接收ID的判斷，確定導調的目標平臺為本平臺，然后針對相應的導調控制項目參數進行相應的算法處理，最后得到導調后的最新狀態。平臺導調控制消息處理部件算法流程如圖4所示。

3.3.2 攻擊結果消息處理部件

飛機平臺可被艦空導彈、地空導彈和空空導彈所攻擊，即會收到三類導彈的對空導彈攻擊結果消息；也會被高炮、航炮和艦炮所攻擊，收到三類火炮的火炮攻擊結果消息。攻擊結果消息處理部件通過對這兩類消息的處理，改變飛機平臺的生存狀態和運動性能。攻擊結果消息處理部件算法流程如圖5所示。

圖4 平臺導調控制消息處理部件算法流程圖

3.3.3 平臺油耗計算部件

飛機平臺的油耗速率主要受飛行速度、飛行高度和導彈掛載的影響。平臺油耗計算部件通過接收導彈武器系統狀態消息和飛機平臺信息獲得各類導彈的掛載量和飛機飛行狀態，從而計算出油耗影響因子來改變油料消耗的速率，并計算出飛機的剩余飛行航程。平臺油耗計算部件算法流程如圖6所示。

圖5 攻擊結果消息處理部件算法流程圖

圖6 平臺油耗計算部件算法流程圖

3.3.4 飛機運動模擬部件

飛機運動模擬部件是飛機平臺的核心部件，它通過接收飛機運動信息、平臺控制參數和平臺性能參數來更新飛機平臺的位置信息、姿態信息和運動狀態信息。并可以通過高度變化實現飛機的爬升和降高[14]，航向的變化實現飛機的左右回旋，也可以模擬飛機超音速和超低空飛行，以及編隊航行和獨立航行等航行模式。飛機運動模擬部件算法流程如圖7所示。

圖7 飛機運動模擬部件算法流程圖

4 仿真模型開發與測試

飛機平臺模型的開發是基于DWK開發平臺，通過生成模型代碼框架，利用C++語言，對模型進行開發實現。

仿真模型測試過程分為兩個階段，第一階段為單機測試階段，主要通過測試模塊對模型輸入輸出接口及算法功能進行單機測試。

第二階段為系統聯調測試階段，通過制定作戰想定，進行方案部署，對模型間的信息流和算法功能進行全面測試。測試效果如圖8所示，模擬某戰法推演過程中，飛機模型根據戰術要求，完成基本戰術動作。其中，A、B兩點是飛機開始左回旋、右回旋動作的起點；C點為飛機被摧毀狀態，當需要該飛機完成接下來的戰術任務時，可以通過實時導調的方式，導調飛機生存狀態為正常；D、E為飛機爬升、降高過程；F點為飛機收到降落機場命令后的降落過程。通過導演部導調控制軟件，可以實時導調飛機的油料狀態。

圖8 飛機運動模型戰術動作效果圖

通過兩個階段的測試，本文設計開發的飛機平臺模型，可以成功應用于戰法推演過程中。通過改變性能參數實現不同機型的模擬，具有很好的可重用性和可擴展性，對戰法研究具有重要意義。

5 結 論

在數字武器開發平臺DWK研究的基礎上，為了戰法研究的實際需求，本文基于模塊化分析方法，并結合組件化設計思想，完成了飛機平臺模型的需求分析、功能分析、接口設計、算法設計和開發測試工作。通過應用驗證，該模型具有很好的可重用性和可擴展性，并可以根據實際需求，通過改變性能參數實現不同機型的模擬。目前，該模型已經在某戰法推演系統中得到很好的應用，模型功能完善、運行穩定，對檢驗作戰預案的合理性，提高戰法的運用能力具有重要意義。