基于FLAMES的通信對抗仿真研究

張宏欣，王永斌，劉宏波

(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033)

0 引言

通信對抗仿真為通信對抗系統(tǒng)效能和通信對抗裝備性能進行評估提供了重要的驗證手段，對研究如何提高通信對抗系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下實戰(zhàn)能力具有重要意義。對研究如何提高通信對抗系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下實戰(zhàn)能力具有重要意義。關于通信對抗仿真研究，文獻［2］和文獻［3］設計了基于HLA的通信對抗仿真系統(tǒng)，文獻［4］開發(fā)了基于HLA/Simulink的通信對抗鏈路仿真系統(tǒng)。而FLAMES作為新一代仿真開發(fā)平臺，以其靈活的開放式仿真框架在各個仿真領域得到廣泛應用，而國內(nèi)對FLAMES的研究較少，且用于通信對抗仿真亦不多見。分析了FLAMES仿真平臺的基本框架結構，研究并設計了基于FLAMES的通信對抗仿真系統(tǒng)。

1 FLAMES簡介

柔性分析建模和演練系統(tǒng) (Flexible Analysis Modeling and Exercise System，F(xiàn)LAMES)是美國Ternion公司開發(fā)的一套開放式體系架構的商業(yè)化、跨平臺仿真框架軟件。其本身無法滿足用戶要求，僅是一個仿真框架，主要包括標準應用組件和FLAMES內(nèi)核程序，以及相應的高級擴展組件。

FLAMES基本組件及組件體系結構如圖1所示。

圖1 FLAMES組件結構框圖

FORGE是FLAMES編輯器，可以完成模型模板定義、模型數(shù)據(jù)庫可視化以及想定腳本編輯等功能，是FLAMES創(chuàng)建和編輯想定的主要程序組件。

FIRE是FLAMES的仿真引擎，它負責讀取想定文件數(shù)據(jù)、實例化運行想定中的各類模型并執(zhí)行想定腳本，為想定執(zhí)行提供多種時鐘模式的時間推動。

FLASH是仿真過程回放器，可讀取回放文件觀察二維、三維戰(zhàn)場態(tài)勢。

FLARE是FLAMES數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)，保存想定運行中實時記錄的數(shù)據(jù)并形成關系數(shù)據(jù)庫，支持標準結構化查詢語言(SQL)對其進行操作。

FLAMES內(nèi)核程序(FLAMES Kernel)提供了一套可由用戶調(diào)用的內(nèi)核API函數(shù)，為想定腳本與仿真運行程序提供了實時接口。FLAMES根據(jù)系統(tǒng)行為仿真系統(tǒng)的不同部分，建立了包括裝備模型、消息模型以及認知模型在內(nèi)的基于模型的仿真體系。裝備模型用于仿真裝備屬性及其操作;認知模型用于仿真人為決策和裝備在特定條件下的行為;而消息模型仿真了消息自裝備模型和認知模型的生成及相應處理方法。FLAMES采用模型基本框架生成機制，模型類遵循面向?qū)ο罄^承規(guī)則，各類模型均由FLAMES中相應基類派生，如裝備模型均派生于基類FEntity?？苫诿嫦?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)自定義的各類模型以適應不同的仿真需求。模型必須依附于特定的單位(Unit)而存在，不同的模型可以依附于同一個單位，從而構成該單位具有的功能。一個單位就對應了一個直接參與仿真的實體。

2 仿真設計

通信對抗仿真系統(tǒng)應能夠進行想定編輯、模擬對抗雙方的主要通信對抗裝備實體，如通信發(fā)信機、接收機和干擾系統(tǒng)，每個裝備實體根據(jù)想定劇情可以有多個仿真實例，還應能在仿真運行中對仿真實體進行實時控制，根據(jù)通信距離、天線高度和想定自然環(huán)境進行電波傳播仿真等。仿真目標為通信對抗的效能分析和評估。

2.1 模型類屬性

模型類屬性是FLAMES執(zhí)行數(shù)據(jù)交互的模板，模型類之間需要交互的數(shù)據(jù)結構由模型類屬性進行定義。仿真中建立的各模型類的主要屬性如下:

①短波超短波通信電臺(HFVHF Radio)屬性:所屬平臺、發(fā)射功率、工作頻率、天線增益、天線方位、天線類型及調(diào)制解調(diào)方式等;② 載有電臺的各類平臺(Platform)屬性:地理位置(經(jīng)、緯度)、當前速度等;③ 網(wǎng)絡(Network)類屬性:網(wǎng)絡標識、網(wǎng)絡連通率和網(wǎng)絡成員數(shù)等;④干擾機(Jammer)類屬性:所屬平臺、干擾樣式、天線方位、天線類型、中心頻率以及干擾功率、干擾信號帶寬等。

2.2 仿真功能結構設計

FLAMES基于各類模型及模型在一定條件下觸發(fā)的行為對系統(tǒng)進行仿真。因此在功能結構設計上以模型作為仿真單元，以模型對應的類方法實現(xiàn)對模型功能的仿真，仿真總體結構設計如圖2所示。

圖2 仿真功能結構框圖

其中各類裝備模型及交互認知模型利用FLAMES模型框架進行設計，裝備模型根據(jù)想定劇情生成實例，在模型方法中調(diào)用第三方動態(tài)庫進行電磁環(huán)境和電波傳播的仿真計算，主要模塊功能為:

①各類裝備模型是仿真的基本單元，一個完整的裝備模型包括裝備屬性以及實現(xiàn)相應裝備功能的方法;②交互認知模型是仿真的核心模型，用于裝備模型與外部控制程序，以及仿真效能評估顯示端進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互通過仿真系統(tǒng)內(nèi)部的以太網(wǎng)進行;③想定劇情編輯，包括在FORGE組件中使用FLAMES腳本語言進行想定腳本編寫以及創(chuàng)建各類裝備模型的實例;④電磁環(huán)境和電波傳播的模擬直接影響仿真結果的逼真度，是通信對抗仿真的基礎，仿真系統(tǒng)應保證結果客觀性，同時又要滿足各個對象類方法的計算調(diào)用需求，因此采用第3方動態(tài)模型庫獨立進行仿真計算;⑤外部控制程序用于模型參數(shù)的實時交互，實現(xiàn)對模型狀態(tài)的實時控制;⑥效能評估程序用于處理仿真數(shù)據(jù)，對通信對抗裝備進行效能評估。

2.2 仿真流程設計

2.2.1 仿真總流程

仿真總流程如圖3所示，F(xiàn)ORGE進行裝備模型實體定義和想定腳本編輯，生成想定文件。包括對抗雙方電臺及干擾機模型實體定義、交互認知模型實體定義、初始參數(shù)、電臺所搭載平臺的初始地理位置(經(jīng)緯度)、平臺運行速度及運行路徑等。想定文件存儲了想定腳本，以及所有模型實體在數(shù)據(jù)庫中的映射信息。

FIRE讀取想定文件中腳本及模型映射信息，根據(jù)想定腳本從FLAMES數(shù)據(jù)庫中獲得模型實體數(shù)據(jù)，以多線程運行方式，執(zhí)行相應模型類方法，由交互認知模型負責與電臺參數(shù)控制端及干擾機參數(shù)控制端進行實時數(shù)據(jù)交互，調(diào)用路徑傳播衰減模型及信道模型動態(tài)庫進行通信鏈路仿真計算。將計算結果實時反映在態(tài)勢顯示及效能評估端。

圖3 仿真總流程框圖

2.2.2 FIRE 流程設計

如圖4所示，仿真開始后，F(xiàn)IRE讀取想定文件，獲得想定腳本及裝備模型類模板。由模型類模板創(chuàng)建裝備模型，根據(jù)想定腳本中的初始參數(shù)對模型進行初始化。并將交互認知模型方法注冊到FLAMES內(nèi)核應用程序中，與FLAMES腳本實現(xiàn)綁定，由腳本經(jīng)內(nèi)核執(zhí)行認知模型方法。認知模型首先判斷是否接收到控制臺發(fā)來的參數(shù)，如收到即調(diào)用相應模型的Alter方法進行參數(shù)修改。再根據(jù)想定調(diào)用模型類相應計算方法，鏈接傳播路徑衰減模型及信道模型動態(tài)庫進行鏈路仿真計算，主要計算同網(wǎng)絡中所有通信鏈路的通斷情況、鏈路信噪比信干比、鏈路誤碼率以及網(wǎng)絡連通率等。認知模型將計算結果參數(shù)發(fā)送到效能評估端，顯示當前通信對抗效能。再下一個想定執(zhí)行周期內(nèi)重復以上過程，直至運行結束。FIRE根據(jù)腳本設置的總時間和仿真步長對仿真過程進行時間推動，并以多線程方式處理仿真計算和數(shù)據(jù)交互，保證了仿真控制及顯示的實時性。

圖4 FIRE運行流程框圖

3 結束語

作為開放式仿真框架，F(xiàn)LAMES在實時交互性、靈活可擴展性和模型重用性上具有其獨特優(yōu)勢。同時具備強大的可視化想定編輯和模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在架構上簡化了仿真設計和開發(fā)流程。作為對FLAMES應用于通信對抗仿真的一種探索，僅利用了FLAMES的基本功能，而尚有諸多內(nèi)容需進一步研究:包括更加逼真的裝備模型開發(fā)、FLAMES導入數(shù)字地形以仿真真實的戰(zhàn)場環(huán)境及FLAMES與HLA進行聯(lián)合仿真等。

［1］余曉剛，張玉冰，姚富強.基于HLA的通信電子戰(zhàn)平臺設計［J］.電子對抗技術，2002，16(1)：32－34.

［2］胡艮勝，孔向華，王然輝.基于FLAMES的戰(zhàn)場目標仿真設計與實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學報，2010，22(11)：2502－2504.

［3］NILAND W M. THE MIGRATION OF A COLLABORATIVE UAV TESTBED INTO THE FLAMES SIMULATION ENVIRONMENT，Proceedings of the 2006 Winter Simulation Conference［C］∥ Arlington，VA，2006：1266 －1274.

［4］黃仲祥.基于HLA通信電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)研究［C］∥第九屆通信對抗學術年會論文集，杭州：中國電子科技集團公司第36研究所，2002：70－74.

［5］李軍，張亮，張文明.基于HLA/Simulink的通信對抗鏈路仿真系統(tǒng)開發(fā)［J］.系統(tǒng)仿真學報，2006，18(8)：2166－2169.