摘 要：水面舰艇综合防空仿真系统可实现在攻防对抗条件下防空作战过程的仿真，用于研究防空作战方法，验证新型武器系统的作战性能，论证各种防空武器装备的作战需求。分析水面舰艇综合防空仿真系统的功能、组成和特点，并探讨了系统基于 HLA 的体系结构、仿真模型及有关的关键技术。
关键词：水面舰艇；防空作战；仿真模型；HLA
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2008)02-169-04
Surface Ship Integrated Air Defense Simulate System Design
HU Ping,ZHAO Zhijun,ZHANG Jianwei,XIE Guoxin
(Department of Training,Naval Arms Command Academy,Guangzhou,510430,China)
Abstract：Surface ship integrated air defense simulate system can implement air defense combat simulation in the process for offense and defense,research air defense combat method,authenticate the war power of new model weapon system,demonstrate the demand of air defense weapon.This paper analyzes the function,composition and speciality of surface ship integrated air defense simulate system and studies the system structure based on HLA,simulation model and correlative critical technology.
Keywords：surface ship;air defense;simulate model;HLA
1 引 言
作战仿真是世界各国军事研究领域的重要发展方向之一。作战仿真一方面可以提供对兵力兵器使用效能及战法的检验，另一方面又避免了组织复杂、代价昂贵的实兵演习。水面舰艇防空作战包括舰艇机动、电子对抗和火力抗击等作战行动，涉及包括水面舰艇、来袭飞机和舰舰、舰空导弹等多种兵力兵器之间的协同和对抗，是十分复杂的作战过程。水面舰艇综合防空仿真系统采用 HLA 技术，将水面舰艇和多种防空武器系统的模型连接在一起，通过实体间的数据交换，构成时空一致性的分布式仿真环境。利用综合防空仿真系统，可以检验防空作战的战术思想、行动方法，分析评估武器装备、水面舰艇以及编队的防空作战效能，对新造舰艇和新造装备进行仿真环境下的作战验证；进而提出对防空武器装备性能的进一步的需求，为水面舰艇防空装备的发展研究、性能评估和防空战法的研究提供研究平台。
2 综合防空仿真系统的功能、组成和特点
2.1 系统的功能
综合防空仿真系统主要研究在攻防对抗条件下，各种防空武器装备在综合作战环境中的仿真应用，并对其战术性能和作战效能进行验证与评估。其主要功能为：
(1) 构建逼真的舰艇、飞机和导弹、炮弹间的对抗战场环境；
(2) 实现水面舰艇及相关防空武器装备系统的综合防空过程的仿真；
(3) 进行各种防空武器系统作战性能及效能的测试评估研究；
(4)进行综合防空战法研究；
(5) 对防空战法的效果进行分析研究；
(6) 进行综合防空模型的有效性研究。
2.2 系统的组成
综合防空仿真系统以现代条件下防空作战需求为牵引，重点实现各防空平台及武器系统的作战过程仿真。主要的防空武器系统有远程警戒雷达、相控阵雷达、炮瞄跟踪雷达、舰空导弹、主炮、速射炮和电子对抗设备等。系统组成如图1所示。
2.3 系统的特点
综合防空仿真系统采用 HLA 技术将多种防空武器仿真子系统连接在一起，通过仿真实体间的数据交换，构成时空一致的攻防对抗仿真环境。其主要特点为：
(1) 采用 HLA 结构，支持仿真应用间的互操作性和仿真部件的重用性，具有较好的灵活性、可扩充性，并可有效减少网络中冗余数据的传输；
(2) 采用统一标准的协议、规范、数据库、开发工具使系统具有较好的规范性；
(3) 采用分层结构和网络环境，系统组成灵活，能支持不同系统的应用需求，具有较好的开放性；
(4) 系统设计采用多项先进技术，具有综合性和可重用性；
(5) 系统以水面舰艇防空作战和防空武器在攻防对抗环境下的作战运用为背景，着重解决防空作战中水面舰艇防空作战方法仿真研究和综合防空武器系统效能验证仿真试验的机理、方法，有较强的实用性。
3 基于 HLA 的仿真系统体系结构
3.1 HLA概述
分布交互仿真技术 DIS 主要集中于连续、实时、人在回路、硬件在回路的平台级仿真，不能解决不同类型仿真间的互操作和重用问题。为此，美国国防部在 1996年8月正式颁布了建模与仿真领域的通用高层体系结构(High Level Architecture，HLA)，其目的是为解决在国防领域内所有类型的模型、仿真和 C4I系统的互操作和可重用性问题。
HLA是一个通用的仿真技术框架，他定义了构成仿真各部分的功能和相互间的关系。HLA涉及以下几个基本概念：
(1)联邦（Federation）
为实现某种特定的仿真目的而组织到一起，并能彼此进行交互作用的仿真系统、支撑软件和其他相关的部件就构成一个联邦，其执行过程称为联邦执行。
(2)联邦成员（Federate）
组成联邦的各仿真应用系统称为联邦成员，简称邦员。
(3)对象（Object）
指对某一应用领域内所要进行仿真的物体建立的模型。
HLA主要由规则（Rules）、对象模型模板（Object Model Template，OMT ） 和 运 行 支 撑 系 统 （Run-Time Infrastructure，RTI）的接口规范说明（Interface Specification）3部分组成。其中，规则描述了联邦成员和 RTI的责任及关系，是仿真实现正确交互的基础；HLA 规则规定，所有的联邦和联邦成员必须按照对象模型模板（OMT）提供各自的对象模型，即联邦对象模型（Federation Object Model，FOM）和联邦成员的仿真对象模型（Simulation Object Model，SOM）。对象模型模板（OMT）的作用就是提供一种标准的文档格式描述联邦及其成员对象的模型信息。FOM 和SOM 被存入相应的数据库中，作为仿真需求分析、建模及联邦执行过程使用。HLA 接口规范以服务的方式定义了联邦中联邦成员进行信息交互的方式，包括可调用的服务和应提供的回调服务，分为联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布管理6类服务。
RTI是HLA接口规范的具体实现，他是联邦中各个联邦成员进行交互的基础。他提供6大类共 63 个服务，这些服务可区分为2种类型：一种是由联邦成员调用，RTI提供服务；另一种由 RTI调用，联邦成员响应。下面以 MAK公司的RTI为例，介绍 RTI的组成。
RTI由RTI全局执行进程RtiExec，联邦执行进程FedExec 和 LibRTI 库组成，如图2所示。
RtiExec：是一个全局进程，主要功能是管理联邦的创建、结束以及管理多个不同的联邦，每个联邦成员通过与RtiExec通信进行初始化，加入相应的联邦中。
FedExec：管理联邦成员的加入和退出，为联邦成员之间进行数据通信和协调运行提供支持。
LibRTI：是一个C++库，为开发者提供HLA 接口规范中定义的服务。联邦成员使用 LibRTI库来调用HLA服务。LibRTI库中有2个主要类：RTIAmbassador和FederateAmbassador。RTIAmbassador类捆绑了RTI提供的服务，联邦成员对RTI的所有请求都要调用RTIAmbassador类的成员函数；FederateAmbassador 是一个抽象类，他向联邦成员提供回调函数，每个联邦成员必须对FederateAmbassador 类所声明的成员函数进行具体的实现。
由于HLA定义的结构规模大，仿真功能强，提供了异构、分布环境下仿真系统创建的通用技术支撑框架，使得开发者的精力可集中在对系统仿真过程的描述和评估上，而不必关心底层的网络通信、时钟同步等，因而适合应用于水面舰艇综合防空这类大规模仿真系统。
3.2 系统的体系结构
根据高层体系结构（HLA）的规则规定，建立综合防空仿真系统的过程如下：
(1) 对水面舰艇编队舰机协同防空过程进行功能描述，明确信息传递流程；
(2) 根据系统的功能及信息流程，将系统分解为具有单一功能的子系统；
(3) 按照 HLA 的规则，设计联邦成员和对象，建立联邦对象模型和仿真对象模型，将有关表、类的属性和参数等存入 FOM 库和 SOM 库中，供开发使用；
(4) 对水面舰艇遂行防空作战的典型样式进行描述，确定仿真用例，并建立有关数据库，如海洋环境、水文气象、武器装备性能等；
(5) 根据 RTI 提供的服务，对各子系统进行详细设计；
(6) 系统运行并记录结果，对结果进行分析评估。
按照此过程，确定系统结构如图3所示。
3.3 系统的运行流程
系统各联邦成员的运行包括3部分：联邦成员（实体的仿真实现）、RTI大使（RTI Ambassador）和邦员大使（Federate Ambassador）。联邦成员通过调用 RTI 大使，完成加入联邦、请求数据初始化、注册实体对象、时钟推进、更新数据、发布交互信息等工作。同时，RTI可以回调邦员大使，发送、更新实体对象数据，最后注销、删除对象，从而完成特定的仿真任务。系统联邦成员的运行流程如图4所示。
4 仿真系统模型
4.1 模型体系
系统采用模型库的管理方式，可以对模型进行集中统一管理，提高模型的编辑、调试和维护能力。
(1)指挥控制模型库
其负责情况判断处理和模型调度。包括作战情报处理模型、目标威胁判断模型、目标可抗性判断模型、防空作战兵力分配与指挥模型、编队作战模型、管理调度模型。
(2)编队作战模型库
完成对水面舰艇防空作战过程的描述。包括组成编队机动模型、抗击目标机动模型、规避机动模型、防空导弹拦截模型、主炮对空射击模型、近程速射炮拦截模型、电子对抗模型。
(3)来袭目标 CGF
生成具有智能判断、自主决策和对抗功能及毁伤体现的敌机、空投制导炸弹和反舰导弹。包括任务描述、指挥决策、目标识别、威胁判断、武器组织、电子对抗、机动规避等各种描述模型。
(4)实体模型库
包括声远程舰空导弹描述模型、中程舰空导弹描述模型、近程舰空导弹描述模型、主炮描述模型、近程速射炮描述模型、箔条干扰弹描述模型。
(5)环境模型库
对与气象、海况环境有关的器材的使用门限、跟踪距离进行描述。包括光电器材跟踪模型、警戒雷达发现概率模型、导弹火炮发射要求描述模型。
(6)战术计算模型库
包括各种舰艇机动绘算模型、计算武器射击诸元模型、计算目标运动要素模型。
(7)效能评估模型库
通过仿真计算，得到武器装备以及防空方案的作战效能。包括雷达搜索概率模型、武器命中概率模型、电子对抗器材的干扰效能模型以及编队的防空作战效能模型。
4.2 模型之间的调用关系
系统模型之间的调用关系如图5所示。
在仿真管理系统的统一管理下，指挥控制模型库根据决策的结果，调用作战模型库中的相应模型，进行作战过程的具体描述，调用实体模型进行武器使用的体现，最后调用评估模型库进行效能评估。
5 综合防空仿真系统的关键技术
5.1 运行时间支撑结构（RTI）
要满足复杂大系统仿真的需要，必须有高性能的运行时间支撑结构（RTI）的支持。在时间管理上，要保证系统的灵活性与可扩充性，适宜不同仿真系统时间调节的需要，并尽量保证时间管理模块的独立性，减少对其他模块的影响。数据分布管理（Date Distributed Manage,DDM）服务要尽量减少联邦成员接收到不需要的数据和流过网络的信息数据量。作为 RTI体系结构最底层的网络通信传输层，是实际传输 RTI 内部各控制消息和传递仿真成员之间数据的支撑系统，其性能和服务是满足实际仿真系统运行需要的关键。
5.2 计算机生成兵力（CGF）
为了实现对抗仿真，必须有仿真对抗的智能目标即CGF。开发 CGF 的工作主要是设计、完成能在仿真过程中实现实体自主机动、决策、自动武器应用和毁伤体现的软件模块，其实体主要是水面舰艇编队对抗的目标：飞机、反舰导弹、空投制导炸弹等。由于战场态势复杂、指挥决策难度大、任务使命多等因素的影响，实现来袭目标的CGF在任务描述、指挥决策、武器组织、装备使用等方面需要进行深入研究。
5.3 仿真模型的构建
仿真模型是实现系统仿真的基础。要根据我海军兵力兵器的现状和在研的武器装备，构建防空作战的各种相关仿真模型，进行防空武器系统全过程的计算机仿真描述。同时，考虑到系统开放式的要求，要构建具有标准化、通用性和可扩充性的模型体系。
5.4 场景显示和过程的可视化
要构造虚拟的防空战场，系统需要实时显示逼真的三维虚拟战场环境和兵力兵器作战过程，包括实体、武器应用、气象和海洋环境等，以达到仿真的可视化，提高仿真过程的观赏性和界面的亲和性。系统的视景开发工具采用OpenGVS 及 VEGA 软件，首先建立三维实体和自然景物模型，然后实时进行背景和特殊效果生成，最后合成立体的动感视景图像。
6 结 语
水面舰艇综合防空仿真系统的研究，提出了基于 HLA的系统总体结构和联邦运行控制流程，建立了实用的仿真模型体系，实现在攻防对抗条件下对防空作战过程的仿真。系统开放式的结构设计使用户可以方便地根据需要增减仿真实体，或参与到更高级的仿真中去。系统的研制与应用将在水面舰艇的作战研究中起到积极的作用。
参 考 文 献
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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。