基于組件的末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)功能分析與設(shè)計*

王 磊,張一滔,邢清華

(1.空軍工程大學導彈學院,陜西 三原 713800 ;2.空軍駐西安地區(qū)軍事代表室,陜西 西安710068)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,計算機仿真在反導作戰(zhàn)中的應(yīng)用越來越廣泛,仿真系統(tǒng)的規(guī)模越來越大,其復(fù)雜程度也越來越高。從無到有地開發(fā)一個仿真系統(tǒng)的方法,由于其開發(fā)周期長、代碼重用性差、經(jīng)濟效益低等原因已經(jīng)不適應(yīng)當前時代的發(fā)展。目前開發(fā)一個仿真系統(tǒng)的方法,已經(jīng)從面向?qū)ο蟮能浖こ滔蛞越M件化為標志的軟件工程發(fā)展,以追求組件的可重用和即插即用,從而達到縮短研發(fā)周期、提高開發(fā)效率的目的。本文在對組件技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上,探索了基于組件的末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計方法,以期為今后開發(fā)類似的仿真平臺組件庫的形成和系統(tǒng)實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)代高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭中,使用戰(zhàn)術(shù)彈道導彈(Tactical Ballistic Missile,TBM)實施遠距離打擊是一種重要的空襲作戰(zhàn)手段[1]。由于導彈末端高層反導作戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本昂貴,因此,建立其作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)用于訓練是一種關(guān)鍵的手段。

1 組件技術(shù)

1.1 組件的定義

組件是一些可重用的、獨立發(fā)布的二進制單元,推廣了對象封裝的內(nèi)涵,側(cè)重于復(fù)雜系統(tǒng)中組成部分的協(xié)調(diào)管理,強調(diào)實體在環(huán)境中的存在形式[2]。根據(jù)以上的定義可知,組件是可以被封裝的對象類、一些功能模塊、軟件框架、軟件構(gòu)件、文檔等,通過標準數(shù)據(jù)接口對外交流。

1.2 基于組件的仿真系統(tǒng)的開發(fā)步驟

與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)不同,基于組件對象的軟件工程著重進行組件的規(guī)劃、設(shè)計和開發(fā)[3]。總的來說,在基于組件的仿真系統(tǒng)開發(fā)中,首先應(yīng)對仿真系統(tǒng)進行深入地功能分析,得到仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,從對數(shù)據(jù)流的分析中獲取可以復(fù)用的組件,進而對組件進行規(guī)劃和對外接口的設(shè)計,然后對每一個組件實現(xiàn)內(nèi)部的細節(jié),接著完成組件的組裝與部署,最后完成整個系統(tǒng)的測試,其具體實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 基于組件的仿真系統(tǒng)開發(fā)流程圖

從圖1可以得到基于組件的仿真系統(tǒng)的開發(fā)步驟:

Step1需求分析 這是開發(fā)一個仿真系統(tǒng)的首要步驟,在需求分析中,主要對仿真系統(tǒng)的功能、可行性和必要性進行分析。在基于組件的仿真系統(tǒng)開發(fā)中,需求分析著重對仿真系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流進行分析,分析仿真系統(tǒng)每個組成部分之間數(shù)據(jù)的傳遞和處理,找出其中共有的部分,設(shè)計成公共組件,對特定的數(shù)據(jù)流形成特定組件。

Step2組件和接口的設(shè)計 對于使用組件的集成開發(fā)者而言,一個組件就是一個接口集,只有通過接口才能與組件進行通信[4]。在需求分析中主要得到的是仿真系統(tǒng)所需的組件,在此基礎(chǔ)上,對組件的功能、對外接口、組件之間交互所需的信息進行設(shè)計,合并相同類似的信息流,形成既相互獨立的又可以相互交流的組件和接口。根據(jù)具體情況對組件的屬性、方法、接口、事件進行相應(yīng)地調(diào)整,盡可能符合用戶的使用習慣。

Step3組件的實現(xiàn) 由于基于組件的系統(tǒng)構(gòu)造與編程語言無關(guān),因此根據(jù)不同的組件,選擇適合于開發(fā)人員的編程語言,對組件進行開發(fā)實現(xiàn)和規(guī)范化,使組件代碼具有良好的擴展性和可重用性,并將實現(xiàn)后的組件存入組件庫。

Step4組件的組裝和測試 按照仿真系統(tǒng)中的各個功能子模塊,從組件庫中獲取所需的組件,然后把組件裝配成單獨的模塊,進行模塊測試。

Step5仿真系統(tǒng)的組裝與測試 將組件組裝測試好的各個功能子模塊按照仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),組裝成仿真系統(tǒng),然后進行系統(tǒng)測試。

2 末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的功能構(gòu)成

2.1 末段高層反導作戰(zhàn)過程及其主要裝備

末段高層反導作戰(zhàn)系統(tǒng)是對來襲戰(zhàn)術(shù)彈道導彈進行末段高層攔截的重要武器系統(tǒng)之一。其作戰(zhàn)過程一般如下[5]:首先預(yù)警衛(wèi)星或預(yù)警飛機在對方彈道導彈發(fā)射后發(fā)出預(yù)警信息,同時將信息傳送至地基雷達;地基雷達立刻開始搜索,一旦捕捉到來襲目標,立即自動跟蹤并將目標信息傳送給指揮控制系統(tǒng),指揮控制系統(tǒng)對收到的目標信息進行關(guān)聯(lián)后,對目標進行分配,然后將分配后的目標發(fā)給發(fā)射控制站,發(fā)射控制站接到指令后,立即發(fā)射攔截彈;指揮控制系統(tǒng)指揮地基雷達向攔截彈傳送適時修正的目標數(shù)據(jù),使攔截彈進行飛行修正;稍后安裝在“動能殺傷攔截器”與助推火箭之間的級間段的炸藥自動引爆,使兩者分離并將攔截器送到相應(yīng)的攔截位置;此時攔截器上的紅外尋的器主動尋的飛行,直到與來襲彈頭碰撞殺傷。倘若攔截失敗,則啟動低層的防御系統(tǒng)實施低層攔截。

圖2 末段高層反導作戰(zhàn)所用武器裝備示意圖

末段高層反導系統(tǒng)是一個涉及多種武器裝備的復(fù)雜大系統(tǒng),從其作戰(zhàn)過程可以得到末段高層反導系統(tǒng)作戰(zhàn)過程所用的裝備[6]:早期預(yù)警雷達和預(yù)警衛(wèi)星對發(fā)射的 TBM進行探測預(yù)警,并將探測得到的TBM信息發(fā)送給P波段雷達;P波段雷達繼續(xù)進行跟蹤探測,得到關(guān)于TBM更詳細的信息,并將該信息傳送給X波段雷達;X波段雷達一方面進行補充搜索和跟蹤探測,另一方面對TBM進行目標屬性識別,同時將結(jié)果發(fā)給末段高層反導作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)。此外,X波段雷達對發(fā)射后的攔截彈進行截獲制導,直到TBM彈頭與攔截彈遭遇。末段高層反導作戰(zhàn)所用的主要武器裝備如圖2所示。

2.2 末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

從圖2中可以得出末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的功能構(gòu)成。末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)主要由 5個功能子模塊構(gòu)成,分別是:TBM仿真子模塊、攔截彈仿真子模塊、指揮控制仿真子模塊、探測資源仿真子模塊、通信仿真子模塊。末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

從圖3可以看出,每個仿真子模塊相互獨立,完成各自的任務(wù),并通過通信仿真子模塊進行模塊間的交互和鉸鏈。這種結(jié)構(gòu)有利于作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)功能的擴展,即只要增加相應(yīng)的功能子模塊即可。

3 末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)組件模型構(gòu)建

3.1 組件結(jié)構(gòu)

根據(jù)基于組件的仿真系統(tǒng)的開發(fā)步驟,在明確末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的功能構(gòu)成與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對 TBM仿真子模塊、攔截彈仿真子模塊、指揮控制仿真子模塊和通信仿真子模塊,作相應(yīng)的數(shù)據(jù)流分析,可以獲得作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)所應(yīng)該建立的組件,最后將末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)分解為通信組件、雷達組件、TBM彈道生成組件、攔截彈組件、指控關(guān)系組件、數(shù)據(jù)處理組件、數(shù)據(jù)庫組件、顯示組件,其與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)核心層次的關(guān)系如圖 4所示。

圖4 末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)圖

由圖4可以看出,通信組件主要完成網(wǎng)絡(luò)通信、時間管理、實時調(diào)度,從而構(gòu)成作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的原型和框架,在此基礎(chǔ)上與其他組件集成。這幾個組件共同存在于作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,并充分地相互作用、鉸鏈和涌現(xiàn)。按照這種組件結(jié)構(gòu)可以將若干功能組件與系統(tǒng)的基本框架組合起來,從而構(gòu)造出復(fù)雜的仿真系統(tǒng);與此同時,還可以通過增加或減少功能組件以改變作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的功能。

在這種組件結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中,組件可以即插即用、無縫集成。因為該體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于一種高效的接口結(jié)構(gòu),使組件之間能以一個公共的接口互相連接。由于組件間的通信連接數(shù)是線性的,加上各組件接口規(guī)范的一致性,從而使得通信的復(fù)雜度下降,提高了組件的互操作性。

3.2 組件模型

組件模型可以被看作是一種架構(gòu)風格。它定義了構(gòu)建塊的類型,也就是組件的類型。人們將使用這些類型來創(chuàng)建組件。本文建立如圖5所示的功能組件模型。

圖5 組件模型示圖

圖5中各組件模型的功能如下:

1)通信接口。它是其他功能組件與通信組件之間進行數(shù)據(jù)交換與通信的接口,定義了數(shù)據(jù)交換的格式、數(shù)據(jù)量大小等。

2)數(shù)據(jù)服務(wù)。它是指功能組件對收到的數(shù)據(jù)進行處理的操作,不同的功能組件的數(shù)據(jù)處理方式不一樣,但是數(shù)據(jù)服務(wù)接口一致。

3)業(yè)務(wù)服務(wù)。它用于處理由外部傳來的服務(wù)請求,面向用戶,根據(jù)不同服務(wù)請求調(diào)用不同的具體功能模塊進行處理。

4)具體功能。它根據(jù)組件的具體設(shè)計需求,編碼實現(xiàn)相關(guān)功能,且其實現(xiàn)過程對用戶進行屏蔽。

3.3 功能組件的具體分析

1)通信組件 通信組件是末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)組件,提供了系統(tǒng)的基本框架。

①功能描述:滿足各組件之間的通信需求、數(shù)據(jù)交互格式的定義、數(shù)據(jù)交互的大小、數(shù)據(jù)交互的編碼與解碼,時間管理機制,實時調(diào)度策略等。

②數(shù)據(jù)服務(wù):在初始化時進行組件配置,輸入各功能組件的ID和與之相通信的組件ID、數(shù)據(jù)交互大小的邊界值、數(shù)據(jù)交互編碼與解碼方式編號、時間管理機制編號和實時調(diào)用策略編號,輸出相應(yīng)功能。

③業(yè)務(wù)服務(wù):輸入組件 ID和與數(shù)據(jù)交互處理相關(guān)的編號、確定輸入、取消輸入。

④實現(xiàn)方式:通信組件既可以采用 VC++語言實現(xiàn)(將通信組件分為通信服務(wù)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器分別實現(xiàn))也可以采用第三方軟件(如 HLA1.3分布式仿真環(huán)境)完成該功能。

2)雷達組件 雷達組件的建立是為了構(gòu)成探測資源,因此將分析早期預(yù)警雷達、P波段雷達和X波段雷達特點的基礎(chǔ)上形成雷達組件。在利用組件構(gòu)成不同的雷達時,對雷達組件進行不同的實例化(如雷達的部署位置、扇面大小、掃描范圍、掃描的速度、天線朝向等)。本文以可執(zhí)行文件的形式實現(xiàn)雷達組件。

①功能描述:模擬實際雷達的搜索截獲過程以及數(shù)據(jù)處理過程。

②數(shù)據(jù)服務(wù):在程序界面上,根據(jù)不同的雷達選擇相應(yīng)的雷達編號,并在初始配置時,配置成相應(yīng)的雷達。

③業(yè)務(wù)服務(wù):輸入雷達編號,輸出經(jīng)過該雷達處理后的TBM信息。

④實現(xiàn)方式:采用C#實現(xiàn)。

3)TBM彈道生成組件 在末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,TBM彈道生成組件主要用來構(gòu)造來襲TBM彈道。這里的TBM彈道生成組件是將TBM彈道生成組件編譯成動態(tài)鏈接庫,在程序運行時調(diào)用。

①功能描述:根據(jù)不同的想定,模擬相應(yīng)的來襲TBM彈道。

②數(shù)據(jù)服務(wù):在使用TBM彈道生成組件時,根據(jù)程序讀取的想定編號,初始化TBM模擬彈道信息(如發(fā)射點、落點、是否攜帶誘餌、誘餌的數(shù)量等)。

③業(yè)務(wù)服務(wù):輸入想定編號,輸出根據(jù)想定編號得到的不同TBM模擬彈道。

④實現(xiàn)方式:采用 Delphi或 VC++編程語言實現(xiàn)。

4)攔截彈組件 末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)可以采用不同類型的攔截彈對來襲TBM進行攔截。這些攔截彈的主要區(qū)別在于初段程序制導程序不同。在末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,將攔截彈組件以可執(zhí)行文件的形式實現(xiàn)。

①功能描述:根據(jù)不同的作戰(zhàn)要求和目的,選擇不同的攔截彈。

②數(shù)據(jù)服務(wù):對輸入的初段程序制導模型編號處理,根據(jù)編號選擇相應(yīng)的數(shù)學模型,進而得到攔截彈彈道。

③業(yè)務(wù)服務(wù):輸入不同的初段程序制導模型編號,輸出相應(yīng)的攔截彈彈道。

④實現(xiàn)方式:采用VC++編程語言實現(xiàn)。

5)指控關(guān)系組件 不同的指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷不一樣,而且戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變,不能將指揮控制關(guān)系固定在一種模式上,因此需將指揮控制做成一個具備多種模式的組件。在末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,將指控關(guān)系組件用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn),在程序運行時將動態(tài)鏈接庫調(diào)入。

①功能描述:根據(jù)指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷,選擇相應(yīng)的指控關(guān)系(如在預(yù)警指揮中心指揮下作戰(zhàn)、獨立作戰(zhàn)、是否與低層相互配合、攔截方式的選擇等)。

②數(shù)據(jù)服務(wù):在程序運行時對選擇的指控關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的編號,然后按照編號選擇相應(yīng)的模型處理指控關(guān)系。

③業(yè)務(wù)服務(wù):輸入指控關(guān)系名稱,輸出指揮控制命令信息。

④實現(xiàn)方式:采用VC++編程語言實現(xiàn)。

6)數(shù)據(jù)庫組件 該組件的建立是為了對仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)隱瞞具體的數(shù)據(jù)接口,在不必知道數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的細節(jié)情況下實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作。在末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,以可執(zhí)行文件的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫組件。

①功能描述:實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、修改、將仿真數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)多條件查詢。

②數(shù)據(jù)服務(wù):數(shù)據(jù)以字符串的形式從數(shù)據(jù)庫中讀出,并以此種形式發(fā)送到應(yīng)用程序。

③業(yè)務(wù)服務(wù):數(shù)據(jù)庫操作(鏈接、建立、修改、刪除等),數(shù)據(jù)操作(存儲、查詢、刪除、修改等)。

④實現(xiàn)方式:采用VC++編程語言實現(xiàn)。

7)顯示組件 顯示組件主要顯示戰(zhàn)場態(tài)勢情況,根據(jù)末段高層反導的不同作戰(zhàn)階段,顯示不同的戰(zhàn)場態(tài)勢情況。在末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,以可執(zhí)行文件的形式實現(xiàn)顯示組件。

①功能描述:顯示組件從通信組件讀取戰(zhàn)場信息,并將戰(zhàn)場信息更新到界面上。

②數(shù)據(jù)服務(wù):根據(jù)從通信組件獲取的實時戰(zhàn)場信息,更新界面顯示。

③業(yè)務(wù)服務(wù):讀取信息,處理信息。

④實現(xiàn)方式:采用C#實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文在分析末段高層反導系統(tǒng)作戰(zhàn)過程、武器配備部署的基礎(chǔ)上,研究了基于組件的末段高層反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法,并從功能表述、數(shù)據(jù)服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù)、實現(xiàn)方式等方面對相關(guān)組件予以重點分析?；诠δ芙M件的反導作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計將為防空反導作戰(zhàn)理論及其戰(zhàn)斗力生成模式研究提供強有力的支持,并將為反導作戰(zhàn)實驗和軍事訓練提供理論依據(jù),因此具有十分重要的理論和實際意義。

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