基于ADS的仿真體系結(jié)構(gòu)及其在EW靶場的應(yīng)用

陳春鵬

（解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066000）

在信息化聯(lián)合作戰(zhàn)需求的驅(qū)動下，電子戰(zhàn)系統(tǒng)與武器系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)廣泛集成。這些集成擴展了電子戰(zhàn)系統(tǒng)的態(tài)勢感知、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、火力控制以及防衛(wèi)等功能，但也給試驗訓(xùn)練人員帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)意義上的試驗訓(xùn)練方式具有費用高、所需場地廣等缺陷。因此基于建模與仿真的電子戰(zhàn)系統(tǒng)的訓(xùn)練和試驗變得日益重要。建模和仿真是一個使能者，而不是一個終止態(tài)[1]。它的應(yīng)用可以貫穿電子戰(zhàn)系統(tǒng)的全生命周期:概念開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計、試驗、訓(xùn)練、演習(xí)等。

隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束和各種新威脅的出現(xiàn)，美軍相繼提出了“2010聯(lián)合設(shè)想/2020聯(lián)合設(shè)想”和“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念，它們?yōu)槊儡姷脑囼炗?xùn)練轉(zhuǎn)型發(fā)展指明了方向。在試驗方面，美軍基于“仿真預(yù)測-試驗-比較”思想的“模型-試驗-模型”模式方法是一種“積木式”、相互補充的試驗?zāi)Ｊ健Ｋ沙浞掷矛F(xiàn)有的各種基本試驗設(shè)施的特點，盡量避免各種試驗資源的不足[2]?；谡鎸嵉?、虛擬的和構(gòu)造的（LVC）的先進(jìn)分布式仿真（ADS）對于電子戰(zhàn)（EW）試驗可以提供一種推進(jìn)構(gòu)造模型有效性的方法。它通過結(jié)合不同設(shè)施的能力，為集成EW系統(tǒng)進(jìn)行試驗生成高逼真度、低耗費的環(huán)境[3]。在訓(xùn)練方面，以構(gòu)建LVC訓(xùn)練環(huán)境為主要內(nèi)容的聯(lián)合國家訓(xùn)練能力（JNTC）是美軍試驗訓(xùn)練轉(zhuǎn)型發(fā)展需要解決的問題之一。JNTC指出:“通過為兵力單元和參謀人員提供集成LVC的訓(xùn)練環(huán)境，為兵力準(zhǔn)備聯(lián)合的上下文，能夠為了特定作戰(zhàn)目的提供精確、及時、對應(yīng)的訓(xùn)練”。表明一個集成LVC的訓(xùn)練環(huán)境是完成JNTC使命的關(guān)鍵使能器[4]。LVC仿真的聚合為軍事提供了“混合及匹配”的仿真方法，能夠滿足訓(xùn)練目的和訓(xùn)練限制（時間、空間和成本）。JNTC努力的最終目的是采用 LVC隨時隨地的最佳組合為指揮人員提供訓(xùn)練[5]。此外，信息共享是戰(zhàn)斗力生成的新源泉。由于信息共享，EW 不再僅僅是使用電磁能量保護(hù)平臺或發(fā)射射頻能量攻擊敵人，它成為Cyberspace作戰(zhàn)的一部分[6]。2008年5月13-14日，美國召開的構(gòu)建國家 Cyberspace靶場的情報溝通會上，提出的關(guān)鍵技術(shù)之一是突破對Cyberspace的建模仿真和構(gòu)建Cyberspace的測試和驗證環(huán)境。

基于上述需求，美軍提出了“邏輯靶場”的基本概念，它面向所有靶場和設(shè)施，根據(jù)某一具體試驗或訓(xùn)練事件的需求，通過資源的互操作、重用和靈活組合，由所需的任何靶場或設(shè)施的 LVC資源的“無縫”集成而建立起特定的試驗訓(xùn)練系統(tǒng)。透過邏輯靶場概念的發(fā)展過程，我們可以清晰地看到美軍聯(lián)合試驗和訓(xùn)練的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)將分布于各靶場設(shè)施中的LVC系統(tǒng)互連起來，為被試系統(tǒng)生成逼真的聯(lián)合任務(wù)試驗環(huán)境，為系統(tǒng)工程、試驗與評估、訓(xùn)練、試驗等各種活動提供廣泛的、持久的服務(wù)[2]。文獻(xiàn)[7]采用基于能力的方法，設(shè)計了一種基于LVC的分布式環(huán)境，并通過一個可操作的用例，展示和驗證怎樣利用基本模型來快速設(shè)計、構(gòu)建、運行多系統(tǒng)的試驗，同時優(yōu)化資源和調(diào)度。

本文在論述基于LVC的ADS概念基礎(chǔ)上，闡述了可行的EW系統(tǒng)建模與仿真開發(fā)過程，提出可以適應(yīng)LVC資源綜合利用的層次式體系結(jié)構(gòu)，確定將真實的暗室和外場資源得到的試驗數(shù)據(jù)投入到 ADS中采用的過程和方法。

1 在EW仿真應(yīng)用中的ADS

1.1 ADS的基本概念

依據(jù)美國國防科學(xué)委員會的觀點，“除了戰(zhàn)爭，任何事情都是仿真”，各種不同的試驗訓(xùn)練活動都?xì)w為構(gòu)造的、虛擬的或真實的仿真三大類[8]:

1）真實仿真是真實的 Player在真實的環(huán)境中，外場及真實作戰(zhàn)人員操作的真實系統(tǒng)通常被認(rèn)為是真實仿真；

2）虛擬仿真是真實的 Player（或部分真實的Player）在虛擬的環(huán)境中，人在回路的模擬器及硬件在回路的試驗設(shè)施就是虛擬仿真的例子；

3）構(gòu)造仿真是虛擬的 Player在虛擬的環(huán)境中，數(shù)字計算機模型就是構(gòu)造仿真常用的例子。

ADS將連接不同地理位置上的不同類型仿真系統(tǒng)，不管是真實的、虛擬的還是構(gòu)造的，通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起能夠集成在環(huán)境中并允許它們互操作，建立一個真實、復(fù)雜的虛擬世界，提供與真實系統(tǒng)一樣的情形感知的刺激[6]。

1.2 EW靶場中的ADS

當(dāng)前，電子戰(zhàn)靶場已經(jīng)具有外場的真實仿真、基于暗室的虛擬仿真、基于構(gòu)造仿真的構(gòu)造仿真三種手段。但是這三種手段各有優(yōu)劣，需要將其聯(lián)合起來，取長補短，共同完成電子戰(zhàn)系統(tǒng)的試驗、訓(xùn)練任務(wù)。構(gòu)造仿真具有在沒有系統(tǒng)硬件的情況下進(jìn)行試驗與評估、靈活性高、重復(fù)性好、費用低廉等優(yōu)勢，在試驗前、中、后的不同階段都扮演關(guān)鍵角色。但是，構(gòu)造仿真也存在難以保證對絕對的高可信性、構(gòu)建環(huán)境逼真度低等局限性。例如，構(gòu)造仿真系統(tǒng)中表示電磁環(huán)境的模型相對來說不很成熟。如果使用微波暗室的虛擬仿真，就可以產(chǎn)生真實的、安全的、可控的電磁環(huán)境，還可以測量環(huán)境對系統(tǒng)的影響，并將結(jié)果加入到合成環(huán)境中，支持對電子戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗所必需的資源。外場的真實仿真對于試驗和評估電子戰(zhàn)系統(tǒng)的整體性能非常有用。另外，三種方法獨立運行難以關(guān)聯(lián)在不同階段、不同試驗設(shè)施中試驗獲得的結(jié)果；難以跟蹤被試系統(tǒng)不同階段的性能和作戰(zhàn)效能變化；難以同時利用眾多試驗設(shè)施各自優(yōu)勢的試驗?zāi)芰Φ取?/p>

在電子戰(zhàn)試驗、訓(xùn)練中，我們通過ADS將位于各地的LVC資源連在一起，建立逼真的、復(fù)雜的、合成的環(huán)境，用于試驗、或訓(xùn)練等各種目的。ADS給EW系統(tǒng)試驗訓(xùn)練帶來很多好處，例如:通過允許數(shù)學(xué)模型與有人的仿真器的交互，ADS支持?jǐn)?shù)學(xué)模型的茁壯性驗證，ADS允許不同開發(fā)階段的通用威脅和環(huán)境的使用，推進(jìn)不同開發(fā)階段的試驗結(jié)果進(jìn)行比較。

1.3 基于ADS的EW靶場屬性

雖然認(rèn)識到了ADS對EW試驗訓(xùn)練的積極作用，但是當(dāng)前LVC混合的條件和技術(shù)還需要進(jìn)一步完善，要有充足的思想上和技術(shù)上的準(zhǔn)備，推動ADS技術(shù)在EW 試驗訓(xùn)練中的發(fā)展。

基于ADS的EW靶場具有下列屬性:

1）進(jìn)化性:ADS技術(shù)在EW試驗訓(xùn)練中的展開并不是一蹴而就的，而是一個長期的、從模型到系統(tǒng)再到更精確更逼真的模型、像軟件工程中的螺旋模型一樣不斷進(jìn)化的過程。在這個過程中，ADS的優(yōu)勢可能隨著系統(tǒng)的進(jìn)化不斷發(fā)展變化，例如:在單個試驗事件中，開發(fā)仿真系統(tǒng)的費用可能超過整個試驗的費用，但是從長遠(yuǎn)來看，ADS會給系統(tǒng)試驗訓(xùn)練帶來費用的節(jié)省。

2）綜合性:既然EW仿真是一個系統(tǒng)過程，ADS系統(tǒng)設(shè)計和完成并不僅僅是仿真領(lǐng)域人員的工作，而是需要一個密切協(xié)作的小組，該小組由一個系統(tǒng)綜合人員指導(dǎo)，由分散在幾個領(lǐng)域中的多個技術(shù)專家組成，這些領(lǐng)域包括:電子系統(tǒng)、電磁場和電磁波、計算機通信、計算機建模與仿真、數(shù)據(jù)收集和分析等。

3）系統(tǒng)性:LVC資源要想在EW試驗訓(xùn)練中充分發(fā)揮作用必須體系化、系統(tǒng)化，必須能夠在很廣的用戶范圍（包括采辦、試驗、訓(xùn)練、分析和實驗團(tuán)體）內(nèi)可以互操作。其中，接口的標(biāo)準(zhǔn)化是模型和分布式仿真系統(tǒng)互操作的前提和關(guān)鍵。

4）模型的專業(yè)性:基于ADS進(jìn)行EW試驗和訓(xùn)練，實際上也對各種仿真的能力提出了要求，即它們具有專業(yè)性、權(quán)威性，具有逼真性、有效性，使其仿真能力值得重用。這些屬性經(jīng)常要通過嚴(yán)格的校核、驗證與確認(rèn)過程加以確定。試驗人員必須研究打算使用的模型的各種屬性，并充分理解模型的各種屬性對試驗結(jié)果、試驗結(jié)論以及建議可能產(chǎn)生的影響。模型互連不合適的危險主要源于開發(fā)人員并不恰當(dāng)?shù)乩斫饽Ｐ驮谙到y(tǒng)中的作用，以及該模型與其它模型的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。模型能力的透徹理解，以及對這些模型的單個能力怎么結(jié)合成系統(tǒng)能力的理解，是完成系統(tǒng)目的的關(guān)鍵。

2 集成LVC的層次式仿真體系結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)DS的思想運用到EW系統(tǒng)的試驗訓(xùn)練中，我們利用層次式結(jié)構(gòu)[9]，為適用于EW系統(tǒng)試驗訓(xùn)練的ADS系統(tǒng)構(gòu)建新的分布式仿真體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在底層是通用的網(wǎng)絡(luò)層，它為上層提供可靠有序的傳輸服務(wù)，例如TCP/IP等服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層上是中間件，它包含基本的通訊機制，用于在模型之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)消息的分發(fā)。在中間件的上面是由各種LVC模型組成的應(yīng)用系統(tǒng)。在這一層，不僅包含模型，還包含適配器，它們可以相互獨立地開發(fā)。模型是描述參與到試驗訓(xùn)練中真實實體的對象。適配器實現(xiàn)對各種模型的一致性“數(shù)字封裝”。

圖1 適用于EW試驗訓(xùn)練的ADS體系結(jié)構(gòu)

在聯(lián)合LVC模型、利用ADS體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建的EW試驗訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中，通常包括幾種典型的模型:威脅模型、環(huán)境模型、參試模型等。當(dāng)然，ADS系統(tǒng)中還包含其它類型的模型和其它資源，完成必要的指揮控制、數(shù)據(jù)融合或顯示等功能。為了增加LVC模型的互操作，模型基于一致的本體論開發(fā)。

威脅模型為試驗、訓(xùn)練構(gòu)建近似逼真的敵方環(huán)境，因為由經(jīng)過訓(xùn)練的敵方人員操作的實際威脅系統(tǒng)是不可能得到并用于逼真試驗的，通常是采用數(shù)字模型的功能仿真，可作為減輕試驗范圍限制的手段。在仿真世界中，當(dāng)它們被其它傳感器模型探測的時候，可以在已知的逼真度內(nèi)提供實際系統(tǒng)的外貌。

環(huán)境模型通常由仿真的環(huán)境表示，可以基于現(xiàn)有試驗環(huán)境擴展但通常不能直接提供的作戰(zhàn)環(huán)境，定義仿真系統(tǒng)中各個對象之間與環(huán)境的交互，從而確定各對象之間的相互感知。主要包括自然環(huán)境和電磁環(huán)境模型，自然環(huán)境模型主要描述電子戰(zhàn)系統(tǒng)對抗過程中的作戰(zhàn)背景，電磁環(huán)境是電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間交互的傳播代理，它負(fù)責(zé)任何射頻信息的發(fā)射都從每一個符合條件的平臺反射回來，并以對應(yīng)于發(fā)射信號到接收天線的路徑所要經(jīng)歷的合適的信號調(diào)制和衰減進(jìn)入每一個符合條件的接收天線中。

參試模型包含采用 LVC各種方式構(gòu)成的我方系統(tǒng)模型。其中，被試系統(tǒng)的模型可以使用在實際試驗靶場的試驗條件下測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，然后在表示不同的作戰(zhàn)真實條件的合成環(huán)境中運行。

在基于ADS體系結(jié)構(gòu)的EW仿真系統(tǒng)中，利用并整合靶場的現(xiàn)有資源:外場的真實系統(tǒng)、基于暗室的虛擬系統(tǒng)、基于構(gòu)造仿真的構(gòu)造系統(tǒng)。各種資源存在于“數(shù)據(jù)”領(lǐng)域，實現(xiàn)分布式仿真環(huán)境下的交互。真實的和虛擬的資源大多是模擬系統(tǒng)，為了參與到ADS系統(tǒng)中，必須對它們進(jìn)行數(shù)字化“封裝”，即進(jìn)行模-數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。構(gòu)造的系統(tǒng)本身可能已經(jīng)是數(shù)字化的，但是，在某些情況下已有的構(gòu)造仿真可能需要額外的軟件和/或硬件才能將它封裝成一個實體。這樣，分布式仿真環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)真實世界和仿真世界中的各種對象之間的雙向交互，對于仿真世界來說，它將真實世界的實體“數(shù)字化”并與仿真世界交互；對于真實世界來說，它將數(shù)字交互轉(zhuǎn)化成跟真實實體的物理交互。

總之，基于ADS的分布式仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗和訓(xùn)練事件是在仿真的世界中描述的，只有一部分在靶場環(huán)境的真實世界中進(jìn)行。仿真系統(tǒng)強調(diào)對“仿真世界”的建立和維護(hù)，它取代真實世界成為任務(wù)空間的核心，即整個靶場環(huán)境下的真實世界被投射到仿真的世界中，與仿真世界中的各種仿真對象交互。

3 電子戰(zhàn)試驗仿真系統(tǒng)開發(fā)過程

基于ADS的EW試驗系統(tǒng)能夠提供一個低花費、高逼真度的環(huán)境，用于EW系統(tǒng)試驗訓(xùn)練。其開發(fā)過程可歸納為以下四個階段:

1）構(gòu)建數(shù)字化模型:數(shù)字系統(tǒng)模型是模擬真實模型構(gòu)建的。數(shù)字系統(tǒng)模型代表著我們對真實模型的深刻理解，只有這樣，我們才能實現(xiàn)對環(huán)境的需求和對外場試驗中測量數(shù)據(jù)的采樣。數(shù)字化模型是各個階段相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)，也是我們研究的立足之本。數(shù)字系統(tǒng)模型的性能可以根據(jù)真實模型實際測得的戰(zhàn)技指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。模型與先進(jìn)分布式仿真框架的接口有另行編制的接口代碼。

2）外場基準(zhǔn)試驗:在外場進(jìn)行真實的試驗，以建立環(huán)境和性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為以后各階段的試驗開發(fā)ADS試驗環(huán)境，并將其作為判定ADS試驗結(jié)果是否有效的依據(jù)。

3）數(shù)字系統(tǒng)模型試驗:用高保真、實時的數(shù)字系統(tǒng)模型進(jìn)行試驗，該模型與硬件在回路的虛擬仿真、仿真系統(tǒng)的想定模型相連接，在合成的ADS環(huán)境中復(fù)制出外場試驗的威脅場景，從而用ADS環(huán)境復(fù)現(xiàn)外場基準(zhǔn)試驗，并外推多種不同環(huán)境下的試驗結(jié)果。

4）外場驗證試驗:用外場的真實player替換第二階段的數(shù)字系統(tǒng)模型，對安裝在實際系統(tǒng)的數(shù)字模型進(jìn)行驗證性試驗。該階段中被試裝備與硬件在回路的仿真威脅、仿真系統(tǒng)的想定模型相連接，利用和先前的試驗相同的威脅場景，進(jìn)行真實的外場試驗，試驗中真實的和虛擬的目標(biāo)共存，從而實現(xiàn)了在真實作戰(zhàn)環(huán)境下的電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真試驗。

當(dāng)然，上述階段可以采用螺旋式遞進(jìn)的方式對模型進(jìn)行利用和驗證。另一方面，經(jīng)過驗證的數(shù)字模型也可以應(yīng)用到訓(xùn)練系統(tǒng)，適應(yīng)靶場對數(shù)字化部隊的迫切需求。

4 應(yīng)用舉例

本文探索性地構(gòu)建了一個基于 ADS的仿真應(yīng)用實例，它定義了一個簡單的、可重復(fù)的試驗想定，研究艦艇的電子戰(zhàn)系統(tǒng)對抗來襲導(dǎo)彈的能力。該想定選擇雷達(dá)電子戰(zhàn)的經(jīng)典過程:包括雷達(dá)末制導(dǎo)頭的各種射頻威脅源構(gòu)成威脅模型，偵察設(shè)備探測射頻信號，并在復(fù)雜電磁環(huán)境中判斷導(dǎo)彈來襲方位，電子戰(zhàn)綜合顯控系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則模塊做出響應(yīng)，實施無源干擾，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)EW試驗實例

4.1 系統(tǒng)運行的基本過程

想定首先運行在構(gòu)造仿真和外場的試驗環(huán)境下。在構(gòu)造仿真的試驗環(huán)境下，所有過程基于數(shù)學(xué)模型構(gòu)建試驗系統(tǒng)。在外場的試驗環(huán)境下，所有過程基于外場的存在的真實裝備構(gòu)建試驗系統(tǒng)。在外場進(jìn)行試驗，以建立環(huán)境和性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為以后各階段的試驗開發(fā)試驗環(huán)境，并將其作為判定ADS試驗結(jié)果是否有效的依據(jù)。

然后試驗想定運行在LVC混合的試驗環(huán)境下。第一個基于 ADS的試驗事件使用一個實時數(shù)字系統(tǒng)模型與暗室中的偵察機交互，如圖3 所示。暗室中，真實的偵察機模型偵察并記錄由構(gòu)造仿真系統(tǒng)模型控制的威脅源的射頻輻射，形成對電磁環(huán)境的感知。

圖3 VC混合的雷達(dá)電子戰(zhàn)實例

第二個基于 ADS的試驗使用安裝在暗室中的末制導(dǎo)回路和外場的真實艦艇，如圖4 所示。仿真世界中，每個實體的位置和方位必須讓仿真中的其他實體知道，才能使仿真的交戰(zhàn)正確進(jìn)行。為了成功地將外場中的真實艦艇融入到仿真世界中，必須利用GPS、電磁、光學(xué)傳感器等技術(shù)和裝備，感知和跟蹤艦艇的運動信息，包括:時間、位置、速度、加速度、航向、角速度、角加速度等，從而計算艦艇相對于仿真環(huán)境的運動信息。

圖4 LVC混合的雷達(dá)電子戰(zhàn)實例

4.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

綜上，可以設(shè)計ADS體系結(jié)構(gòu)，它允許地理上分布的各種設(shè)施的能力結(jié)合，構(gòu)成用于EW設(shè)備試驗和訓(xùn)練的仿真環(huán)境。它具有下列優(yōu)勢。在EW試驗應(yīng)用中，基于靶場與設(shè)施中的建模與仿真能力的組合、重用和互操作，可以實現(xiàn)各種靶場與設(shè)施資源的綜合集成、一體化利用，允許同樣的試驗環(huán)境中采用不同的被試系統(tǒng)描述，包括從數(shù)字系統(tǒng)模型到作戰(zhàn)裝備。在EW系統(tǒng)的訓(xùn)練應(yīng)用中，利用ADS技術(shù)可以將昂貴的真實和虛擬訓(xùn)練盡可能地轉(zhuǎn)化為低廉的構(gòu)造仿真，同時提供一個兼容的訓(xùn)練環(huán)境，這樣想定、模型、數(shù)據(jù)日志能夠在訓(xùn)練過程中共享。該用例的成功不僅說明同一試驗想定下多種傳統(tǒng)試驗?zāi)Ｊ娇梢韵嗷ヲ炞C、綜合運用外，而且證明了ADS可以實現(xiàn)多種類型試驗設(shè)施和資源的聯(lián)合使用，所構(gòu)成的分布式仿真試驗環(huán)境可以作為新的試驗、訓(xùn)練工具。

但是，由于模型有限等因素，仿真系統(tǒng)還需進(jìn)一步深入發(fā)展和完善。

5 結(jié)束語

在借鑒國外先進(jìn)分布式仿真應(yīng)用的基礎(chǔ)上，本文在電子戰(zhàn)系統(tǒng)試驗、訓(xùn)練中，給出了用于構(gòu)建復(fù)雜的、可組合的LVC分布式環(huán)境的基本概念、過程和模型，分析了基于ADS的EW仿真系統(tǒng)的開發(fā)過程，提出層次式體系結(jié)構(gòu)下基于LVC混合構(gòu)建EW試驗訓(xùn)練系統(tǒng)的方法，實現(xiàn)真實的暗室和外場資源得到的試驗數(shù)據(jù)在先進(jìn)分布式仿真中的融合。通過用例表明:基于ADS的EW仿真系統(tǒng)能夠充分利用各種資源的優(yōu)勢，滿足試驗訓(xùn)練需求。

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