模拟多种海上攻击模式的联合模拟训练系统设计

　　引言

　　在信息化战争的需求牵引和信息网络技术的发展驱动下，以往以武器平台为中心的“平台中心战( platform centric warfare，PCW) ”将退出历史舞台。

　　取而代之的是以信息网络为中心的“网络中心战( network centric warfare，NCW) ”，其将所用作战资源集合成为一个统一高效的作战信息网络体系，使部队的作战潜力得以充分发挥。

　　在未来的海上战场中，大量超视距、高速度的掠海高精度武器的使用必然对舰队安全造成严重威胁。因此更加凸显了以“网络中心战”为核心的编队网络化作战的优势。舰队指挥员可以通过舰船编队数据链掌控整个防区情形，根据目标威胁度对相应舰船下达合理的攻击指令，充分调动整个舰队火力资源，提高编队作战能力。当舰船编队防空成为未来海战的必然趋势时，一套能够模拟多种海上攻击模式的联合模拟训练系统将能够极大地提升海军指战员的战术水平。本文正是在此背景下，提出了一套能够广泛应用于舰队日常训练的联合模拟系统。

　　1 系统概述

　　舰船编队防空联合模拟训练系统主要针对舰队联合防空训练应用而设计，该系统可以提升舰队指挥员应对未来战场复杂情况的处置决策能力，以及火力单元指战员对武器的操作能力。

　　面对舰队联合防空模拟训练的需求，该系统具有以下几个特点:( 1) 能够灵活配置和构建出复杂场景空情环境;( 2) 能够实现空情信息的一致性分发，在舰队中形成统一空情信息场;( 3) 能够进行空情目标的动态反馈。

　　对于复杂空情场景的构建，考虑到在未来战场上对舰队生存最大的威胁将是超声速反舰导弹、携带高精度制导武器的飞机以及攻击固定目标的战术弹道导弹( tactical ballistic missile，TBM) 。因此本训练模拟系统也着重于构建超声速反舰导弹、气动目标、TBM 的攻击模型。同时在模型构建时考虑攻击场景的灵活配置，使作战参谋可以根据需要设置不同的场景科目。

　　空情信息的一致性分发是本系统的另一项核心技术，主要目的就是在所有受训舰船中营造出统一的目标空情场。本训练系统通过舰队数据链作为通信底层链路，同时采用数据分发服务( data distribu-tion service，DDS) 技术实现舰船间的数据分发。在数据处理方面，本系统采用时空对准补偿算法使所有受训舰艇火力单元都能享有低失真度的统一空情数据。

　　空情目标的动态反馈的作用是使得训练模拟效果更为接近实战。该联合模拟训练系统在发布空情数据的同时，也可以通过火力单元的反馈信息进行空情的处理和判断。其可以对制导雷达所跟踪的目标实现机动，对已击毁的目标实现碎片坠落处理等。

　　通过这种非预案的空情动态反馈，更能够锻炼指战员在作战过程中的紧急处理和判断。

　　2 系统设计

　　2． 1 系统总体设计

　　上一小节已描述了舰船编队防空联合模拟训练系统的设计依据和所需要具备的能力，根据空情一致性分发要求，该模拟训练系统采用典型星形网络拓扑的数据分发机制实现。系统框架设计图如图 1所示。【图1】

　　
　　该模拟训练系统按组件( component) 划分，主要分为防空反导通用空情模拟器以及主从空情一致性处理器 2 个部分。

　　防空反导通用空情模拟器用于构建出复杂场景空情环境，并提供良好的人机界面，方便作战参谋设计攻击场景。攻击场景能够覆盖超音速反舰导弹、气动目标、TBM 的攻击模型。

　　主从空情一致性处理器分为 2 部分，服务端和客户端。服务端又称为主控制器，负责进行空情信息的标准化工作以及标准空情信息的下发，同时负责汇总所有连接的客户端的反馈信息，将信息反馈至防空反导通用空情模拟器进行空情目标的处理。

　　客户端又称为从控制器，负责接收标准空情信息并分发至不同的空情信息接收终端( 信息接收终端可以根据不同场景有所不同，例如某舰远程防空导弹武控系统可以直接接收该空情信息进行处理，其他舰艇防空导弹武控系统需要将统一空情信息进行仿真处理后再接入) 。从控制器还具有空情信息融合功能，可以通过和主控制器之间的交互，将空情信息在协同作战网内实现同步。同时从控制器还可以提供战情搜集接口，各舰防空导弹武控系统通过该接口将拦截情况、跟踪情况上报。从控制器将信息融合处理后，反馈至主控制器，完成信息的闭环处理。

　　该模拟训练系统的通用性好，在运行过程中不需要依赖特定的训练装备，仅需要在编队指挥舰防空导弹武控系统中加装空情模拟器和主控制器软件，在所需要配合的其他舰艇武控系统中加装从控制器以及相应接口软件，就可以完成该模拟训练系统的部署。

　　2． 2 空情产生模块设计

　　编队防空联合模拟训练系统的空情产生模块由防空反导通用空情模拟器承担。为了实现复杂空情场景的灵活配置和动态反馈，空情模拟器软件的架构设计如图 2 所示。【图2】

　　( 1) 人机接口模块设计人机接口模块为使用者提供了良好的交互接口，使得用户可以根据自己的作战需求灵活设计模拟空袭场景。为了简化开发过程，空情模拟器采用Qt 界面框架实现。其中包括了 2 个主界面框架以及下属若干子界面框架。其关系如图 3 所示。【图3】

　　空情想定主界面主要用于建立空情想定方案。建立空情想定方案需要提供目标特性，目标航迹 2项内容。目标特性是指气动目标的最小升限，最大升限，最小速度，最大速度和转弯过载属性，TBM 目标的射程属性以及超声速反舰导弹的最小升限，最大升限属性。这些参数都将影响目标航迹的生成。

　　对目标特性设置完成后，可以开始制作空情想定。空情轨迹的生成采用特殊航迹点法进行计算。对于气动目标，需要在地图中选取该目标飞行过程中所经过的点，通过这些点勾画出整个飞行轨迹。对于航迹点的描述，采用空间坐标、速度、过载来进行定义。对于 TBM 目标，则采用 2 点法确定其运动轨迹，从界面中输入发射起点和终点，模型将计算出其运动轨迹。对于超声速巡航导弹，采用与气动目标相同的航迹点描述，不同的是不需要进行速度的设置，只需要指定其飞行的空间坐标即可。进行空情想定设置时，软件还提供干扰设置。

　　从界面中可以对目标加装干扰机控制。可以支持的干扰种类包括噪声干扰、扫频干扰、多假目标干扰、多普勒干扰、拖曳干扰、箔条干扰。在空情制作过程中，可以通过目标航迹管理界面对目标进行添加、修改、删除等操作。空情想定完成后，切换至空情运行主界面，可以进行空情想定的运行。在运行过程中，可以通过动态目标轨迹添加界面根据需要添加临时目标。也可以通过动态目标航迹修改界面对原有目标更改其航迹。

　　( 2) 空情想定管理调度模块设计空情想定管理调度模块主要用于在播放中控制空情目标数据时间校准与控制。其首先根据设定的时间戳产生节拍，当节拍到达时，立刻计算空情目标在当前点的三维坐标位置，三维速度信息以及三维加速度信息。考虑到计算延迟，空情管理调度采用串行处理方式进行，处理完一个空情目标，随即将该目标推送至发送模块。

　　在空情想定管理调度模块中，还同步管理目标的增减过程。当收到界面中输入的停止命令或信息反馈模块接收到目标击毁命令时，调度模块负责将该空情目标撤销。空情想定管理调度模块设计流程图如图 4 所示。【图4】

　　
　　( 3) 空情信息发送与反馈设计空情信息发送模块接收管理调度模块的空情数据，每收到一个目标的数据包就采用 UDP 单播发送至主控制器。同时该模块接收主控制器的反馈信息。信息接口协议如表 1 所示。【表1】

　　
　　2． 3 空情一致性分发模块设计

　　空情一致性分发模块分为主控制器和从控制器。主要功能是在整个编队建立统一的空情信息场。主控制器负责空情信息的一致性发送，从控制器一面接收主控制器信息，并根据部署的火力单元情况将目标信息送至火力单元。为了保证空情信息在舰队数据链中的无缝传输，主从控制器采用了数据分发服务技术和空间坐标补偿技术。

　　( 1) 数据分发服务技术数据分发服务技术主要采用以数据为中心的发布/订阅通信模型，依照 OMG( object managementgroup) 提出的 DDS Connext 通信中间件针对强实时系统进行了优化，是一种不依赖于底层物理链路的传输方式。正是由于该技术这种特点，DDS 可以应用于各种基于网络传输的舰队数据链系统。

　　通过 DDS 中间件，主控制器定时向网络总线发布空情主题( AIＲOBJECT_TOPIC) ，主题发布策略( Qos) 为带组播的尽力传输( BEST_EFFECT withmulticast broad) 。所有接入舰队数据链的 DDS 节点，都可以通过订阅该主题来获取统一空情数据。

　　为了避免各个火力单元因为站址不同而对空情数据造成歧义，所有空情主题的目标位置数据均采用地心坐标系( geocentric coordinate) 发送。在主控制器定时发布空情主题时，也同步订阅网络中的火力单元反馈信息。该信息由部署在各火力单元的从控制器发布。发布主题为反馈信息主题( FEED-BACK_TOPIC) ，主题发布策略为可靠传输( reliabili-ty) 。主控制器通过订阅该主题获取各火力单元对目标的处理。空情一致性分发模块的 DDS 网络架构如图 5所示。

　　( 2) 空间坐标补偿技术考虑到舰队数据链网络状态不确定因素，在各个部署的从控制器接收到的数据包时间不尽相同。因此为了保证空情数据的时空有效性，在从控制器需要对目标数据进行空间坐标补偿。补偿方法采用线性补偿算法，算法如下:【1】

　　
　　式中: Δt 为目标毁伤报文时戳与当前处理时戳之差; (珓x，y珓，珓z) 为补偿前的航迹真值坐标; ( x，y，z) 为补偿后的航迹真值坐标。从控制器通过接收报文的时戳和当前本地处理时戳进行差值比较。差值 Δt 越小，补偿误差越小。

　　3 系统仿真应用

　　3． 1 仿真环境

　　该套联合模拟训练系统首先在陆上实验室进行了仿真试验应用。外围设备包含 2 套远程防空导弹武器系统以及防空作战网络。

　　模拟空袭场景为要地防空演练。用例进攻目标采用多批次编队进行。如图 6 所示，其中 1 ～10 号编队模拟进攻 1 号目指雷达; 11 ～20 号编队模拟进攻 2 号目指雷达; 21 ～30 号编队模拟进攻 3 号目指雷达，旨在在 TBM 精确攻击前摧毁防御方反导系统。在编队进攻后，进攻方从防区外发射 600 km 射程 TBM，总共 5 枚，编号 31 ～35，间隔 10 s。【图6】

　　
　　根据防空空情场景设置图，在空情模拟器中规划设计出进攻用例。在空情模拟过程中，主控制器同时连接两个火力单元的从控制器，同时运行的从控制器向 2 个航空导弹武控系统实时发送统一空情信息。

　　3． 2 仿真结论

　　通过记录功能，可以获取到空情模拟器的标准空情数据以及火力单元输入的空情数据。首先可以通过 Matlab 进行空情航迹的验证，通过图 7 可以看出空情模拟器可以产生所需要的TBM 攻击轨迹。【图7】

　　
　　然后可以对比空情模拟器的数据以及从控制器数据，两者数据相似度越高则说明该系统的通用空情一致性精度越高。图 8 为攻击编队 1 的坐标数据对比。通过图8 a) ，8 b) 可以看出，空情在火力单元级接收的和标准空情几乎重合，空间吻合度很好。从误差图表分析，误差曲线呈不规则周期分布。该误差产生原因主要由网络延迟与空情周期之间的同步过程引起的。当主控制器空情下发周期与空情数据到达时间不同步时，则会由于外推时间的不同而产生周期性的误差。从理论分析，当目标进行高速机动时，速度和加速度的变化同样会导致外推轨迹的误差。外推时间最大误差为所设置的空情下发周期。4 结束语。。

　　通过防空场景设置仿真试验，充分体现了舰船编队防空两级联合模拟训练系统对空情场景的灵活配置能力和空情数据的一致性分发能力。从仿真试验结果看，可以满足舰队联合模拟训练的场景需求，跨网络传输需求以及空情场景一致性需求。然而从训练模拟系统长远发展角度，目前的系统还需提供更为便利的人机接口、更为精确的仿真模型和更为完备的训练模拟体验。

　　参考文献:

　　［1］ 王正德． 解读网络中心战［M］． 北京: 国防工业出版社，2004: 2－40．
　　［2］ 谭安胜． 水面舰艇编队作战运筹分析［M］． 北京: 国防工业出版社，2009: 229－232．
　　［3］ 梁炎． 网络中心战的实施与应用分析［M］． 北京: 国防工业出版社，2011: 1－38．