基于HLA反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳遵銀，孫明太，李居偉

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

基于HLA反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳遵銀，孫明太，李居偉

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

針對直升機(jī)反潛訓(xùn)練效率低的問題，提出了基于HLA的反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)用反潛作戰(zhàn)仿真建模方法，以VC++7.0為軟件設(shè)計(jì)工具，基于HLA對反潛戰(zhàn)術(shù)課目訓(xùn)練進(jìn)行仿真，著重從臺(tái)位設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行一定的研究。實(shí)踐證明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，模擬效果逼真，能夠滿足反潛部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練需要。

航空反潛，戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，HLA，VisualC++，系統(tǒng)仿真

引言

航空反潛與其他反潛方式相比，具有速度快、效率高和受潛艇威脅小等特點(diǎn)，多年來一直受到世界各國的高度重視，海軍強(qiáng)國投入了大量的人力、物力來提高航空反潛作戰(zhàn)能力。因反潛作戰(zhàn)受海區(qū)環(huán)境、目標(biāo)信息、反潛裝備和人員素質(zhì)等多種因素影響，其作戰(zhàn)效果受到一定限制，加之潛艇目標(biāo)的隱蔽性不斷增強(qiáng)，海區(qū)環(huán)境復(fù)雜多變，增加了作戰(zhàn)指揮決策的要求。缺乏反潛理論知識(shí)和高效反潛訓(xùn)練手段，要想在未來復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下取得反潛作戰(zhàn)的勝利極為困難。反觀國外的航空反潛人員除經(jīng)過正規(guī)嚴(yán)格的院校教育訓(xùn)練外，也要在海上進(jìn)行長時(shí)間的反潛訓(xùn)練（演習(xí)等），為了提高海上反潛訓(xùn)練的效率，在岸上也配有成套的反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，用于反潛人員的日常訓(xùn)練和戰(zhàn)法演練等［1］。為了提高某型直升機(jī)反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練水平，研制開發(fā)一套岸上反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)顯得尤為必要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)布局

反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)配置簡單、易于維護(hù)，適合部署在作戰(zhàn)部隊(duì)或機(jī)關(guān)（指揮所）。系統(tǒng)由導(dǎo)演臺(tái)、戰(zhàn)術(shù)指揮長操作臺(tái)（以下簡稱一領(lǐng)臺(tái)）和設(shè)備操作臺(tái)（以下簡稱二領(lǐng)臺(tái)）3種臺(tái)位組成，通過以太網(wǎng)構(gòu)成C/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。導(dǎo)演臺(tái)是唯一的，一領(lǐng)臺(tái)和二領(lǐng)臺(tái)根據(jù)訓(xùn)練需要可配置1個(gè)～6個(gè)機(jī)組的，如圖1所示。導(dǎo)演臺(tái)設(shè)置任務(wù)，各機(jī)組協(xié)同配合，能夠完成反潛模擬訓(xùn)練任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)配置圖

1.2 系統(tǒng)臺(tái)位設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由導(dǎo)演臺(tái)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，實(shí)現(xiàn)反潛過程的模擬。臺(tái)位功能模塊組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)臺(tái)位功能模塊組成框圖

1.2.1 導(dǎo)演臺(tái)

導(dǎo)演臺(tái)負(fù)責(zé)完成作戰(zhàn)想定與仿真控制、潛艇目標(biāo)操控、訓(xùn)練記錄回放等功能。在后臺(tái)運(yùn)行的兵力行為模型支持模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行反潛過程態(tài)勢的計(jì)算與控制。

（1）作戰(zhàn)想定與仿真控制模塊

設(shè)定訓(xùn)練海區(qū)位置及形狀，設(shè)定水文條件或調(diào)用海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫有關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)布數(shù)據(jù)，設(shè)定直升機(jī)初始位置、攜帶的搜潛設(shè)備和攻潛武器。以電子海圖的形式顯示反潛作戰(zhàn)過程的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，同時(shí)顯示潛艇目標(biāo)和直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。顯示機(jī)組搜攻潛過程以及搜潛和攻潛結(jié)果，可根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)的需要，隨時(shí)啟動(dòng)、暫停、加速或停止反潛訓(xùn)練過程。具體功能包括：情況的圖形想定編輯，作戰(zhàn)方案的決心編輯，自然環(huán)境設(shè)定；作戰(zhàn)仿真進(jìn)程控制，監(jiān)視聯(lián)邦成員情況，控制仿真進(jìn)程；自定義、打開、保存想定；情況想定編輯；兵力標(biāo)注；作戰(zhàn)過程態(tài)勢顯示；仿真進(jìn)程控制；兵力添加、修改，武器裝備配置；陣地（包括空域）設(shè)計(jì)。

（2）潛艇目標(biāo)操控模塊

設(shè)定潛艇目標(biāo)信息（類型、目標(biāo)特性、航向、航速、深度和機(jī)動(dòng)規(guī)避方式），在仿真過程中可以隨時(shí)改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。功能包括：潛艇的機(jī)動(dòng)控制（包括變向、變速、變深）；顯示當(dāng)前時(shí)刻潛艇感知的位置、航向、航速、航深；在綜合顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示可疑聲信號以及魚雷的告警、目標(biāo)舷角和距離信息。

（3）訓(xùn)練過程記錄與回放模塊

反潛過程主要操作信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄、回放和態(tài)勢顯示，對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，為反潛效果的評估提供科學(xué)的依據(jù)。功能包括：反潛訓(xùn)練過程記錄數(shù)據(jù)的讀取、暫存和存儲(chǔ)；過程回放數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取和重現(xiàn)；數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分類、備份、庫文件操作；導(dǎo)演臺(tái)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢、反潛直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的復(fù)現(xiàn)以及統(tǒng)計(jì)分析各參演反潛直升機(jī)使用不同搜潛裝備定位潛艇的信息。

（4）兵力行為支持模塊

反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行涉及諸多兵力行為的支持，主要靠仿真模型來實(shí)現(xiàn)，模型包括海洋水聲環(huán)境計(jì)算和目標(biāo)仿真、吊放聲納搜潛仿真、聲納浮標(biāo)搜潛仿真、磁探儀搜潛仿真、攻潛武器仿真等模型。

1.2.2 一領(lǐng)臺(tái)

一領(lǐng)臺(tái)由戰(zhàn)術(shù)指揮長操控，負(fù)責(zé)空中領(lǐng)航和反潛戰(zhàn)術(shù)活動(dòng)，組織協(xié)調(diào)機(jī)組各成員戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，掌握敵我戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，熟練運(yùn)用反潛方法，及時(shí)調(diào)整反潛方案，使用浮標(biāo)、標(biāo)志彈和反潛武器。

（1）戰(zhàn)術(shù)指揮長操控模塊

操控多架直升機(jī)的飛行狀態(tài)，包括高度、速度和航向，一個(gè)操作臺(tái)可控制仿真中的任意一架直升機(jī)，但同時(shí)只能控制一架；顯示所操控直升機(jī)的飛行狀態(tài)，包括高度、速度、航向、武器和裝備等，控制所操控直升機(jī)的武備投放，模擬雷達(dá)顯示屏二次信息的顯示。

（2）動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)標(biāo)圖模塊

一領(lǐng)臺(tái)提供了動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)標(biāo)圖功能，用以替代戰(zhàn)術(shù)指揮長的紙上手工標(biāo)圖，既可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、規(guī)范的標(biāo)圖，又能夠方便地進(jìn)行結(jié)果的保存及打印。采用雙顯示器配置，一個(gè)顯示設(shè)備控制功能面板和機(jī)上戰(zhàn)術(shù)顯示器信息，另一個(gè)顯示動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)標(biāo)圖的界面。包括：依據(jù)經(jīng)緯度標(biāo)繪圖標(biāo)，如直升機(jī)的吊點(diǎn)、潛艇和浮標(biāo)位置等，并能設(shè)定標(biāo)圖時(shí)間。控制經(jīng)緯度范圍，包括放大、縮小和拖動(dòng)繪圖區(qū)。顯示本機(jī)位置，并將本機(jī)位置設(shè)為標(biāo)圖表中心。顯示友機(jī)信息、操作員姓名、氣象信息等；將標(biāo)圖表保存為圖片格式（.bmp）。

1.2.3 二領(lǐng)臺(tái)

二領(lǐng)臺(tái)由設(shè)備操作員操控，其任務(wù)是理解并執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)指揮長戰(zhàn)術(shù)方案，負(fù)責(zé)使用吊放聲納、浮標(biāo)系統(tǒng)搜索和跟蹤潛艇。用于直升機(jī)搜潛設(shè)備的搜潛功能、搜潛過程和搜潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，并為一領(lǐng)臺(tái)提供目標(biāo)信息，供戰(zhàn)術(shù)指揮長進(jìn)行下一步的戰(zhàn)術(shù)決策。

（1）海洋環(huán)境與目標(biāo)特性模擬模塊

根據(jù)具體的海洋環(huán)境、聲納設(shè)備和潛艇目標(biāo)參數(shù)計(jì)算出一定范圍內(nèi)的二維聲場，用于計(jì)算聲納回波信號的強(qiáng)度。

（2）搜潛設(shè)備操控模塊

吊放聲納的功能模擬，即吊聲水下分機(jī)的收放，聲方位、回聲定位、手動(dòng)跟蹤、自動(dòng)搜索、自動(dòng)跟蹤、半自動(dòng)跟蹤6種工作方式，以及向戰(zhàn)術(shù)指揮長子系統(tǒng)傳送目標(biāo)數(shù)據(jù)等。聲納浮標(biāo)的功能模擬，即模擬聲納浮標(biāo)的搜索、跟蹤、測向等3種工作方式［2］。

1.3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用HLA體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，通過RTI服務(wù)器將各功能模塊以聯(lián)邦成員的形式實(shí)現(xiàn)緊密耦合，系統(tǒng)聯(lián)邦成員包括作戰(zhàn)想定與仿真控制、兵力行為模型支持、仿真過程記錄與回放，以及一領(lǐng)臺(tái)、二領(lǐng)臺(tái)和潛艇目標(biāo)的操控等。其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

限于篇幅，本文以想定與仿真控制子系統(tǒng)聯(lián)邦成員為例說明技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。在作戰(zhàn)仿真初始階段，以WeaponEquipDATA交互發(fā)布作戰(zhàn)單元武器裝備的性能數(shù)據(jù)，以Init交互發(fā)布作戰(zhàn)方案計(jì)劃，以InitOK交互的定購來獲知其他聯(lián)邦成員是否準(zhǔn)備完畢。在作戰(zhàn)仿真運(yùn)行階段，以SinToDateTime交互的發(fā)布進(jìn)行仿真時(shí)間推進(jìn)，以AllUnit對象的定購來獲取仿真中作戰(zhàn)單元狀態(tài)，以TickOK交互的定購來獲知其他聯(lián)邦成員是否完成仿真推進(jìn)；以Ruler-Control交互的定購來獲得作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的控制命令，以NewAirSpace交互的定購來獲得仿真中作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的空域，以ManInLoop交互的定購來獲得人在回路的兵力控制情況。以Init交互實(shí)現(xiàn)兵力添加、修改、刪除操作控制的發(fā)布。這些交互和對象如表1所示，程序體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 想定與仿真控制聯(lián)邦成員FOM定義

圖4 作戰(zhàn)想定與仿真程序體系結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 淺海聲場計(jì)算

反潛訓(xùn)練的重點(diǎn)海域?qū)儆跍\海環(huán)境。淺海海區(qū)的水文條件較為復(fù)雜多變，海況、水溫、環(huán)境噪聲等影響都比較大。利用實(shí)測水聲數(shù)據(jù)精確地預(yù)報(bào)出淺海聲速負(fù)梯度和負(fù)躍層兩種典型的聲速分布特征。采用高斯束射線模型BELLHOP對水下聲場預(yù)先進(jìn)行計(jì)算，采用均方聲壓（MSP）聲納方程，對影響聲納性能的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對Bellhop模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正［3］。仿真結(jié)果表明該模型能夠較好地處理聲線能量焦散和完全影區(qū)等問題，并且適用于距離相關(guān)條件和復(fù)雜三維環(huán)境下的聲場計(jì)算。

2.2 潛艇目標(biāo)特征仿真

潛艇目標(biāo)特性是航空探潛設(shè)備的“信息源”。在反潛作戰(zhàn)時(shí)，反潛人員可以利用這一特性進(jìn)行搜索、跟蹤和攻擊。潛艇聲學(xué)特性包括潛艇的輻射噪聲聲源級和反射強(qiáng)度。首先采用經(jīng)驗(yàn)公式對等效平面波（EPWI）聲納方程體系下的潛艇聲源級SL進(jìn)行估算，然后計(jì)算均方聲壓（MSP）聲納方程體系下的潛艇目標(biāo)聲源slMSP。潛艇目標(biāo)反射強(qiáng)度TS則采用海上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而計(jì)算MSP聲納方程體系下的潛艇目標(biāo)強(qiáng)度tsMSP。

2.3 基于聽覺掩蔽效應(yīng)的信號增強(qiáng)

系統(tǒng)用于聽測的吊聲信號來源于部隊(duì)實(shí)測的噪聲樣本，樣本主要采用錄音筆或者221系統(tǒng)錄制，錄制過程不可避免地帶有各種干擾［4］。本系統(tǒng)提出基于聽覺掩蔽效應(yīng)的信號增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行處理。首先將信號進(jìn)行頻譜分析，將線性頻率轉(zhuǎn)化為Bark域參數(shù)，構(gòu)造Bark子波函數(shù)；進(jìn)行信號的檢測，估計(jì)背景干擾噪聲；計(jì)算噪聲掩蔽閾值T（ω），在T（ω）上應(yīng)用時(shí)頻減參數(shù)α，β；通過參量減法，將α，β代入，計(jì)算增強(qiáng)信號干擾頻譜大小；進(jìn)行Bark子波變換，實(shí)現(xiàn)信號恢復(fù)。

2.4 兵力生成

系統(tǒng)核心是仿真模型服務(wù)器，模型包括：武器裝備仿真模型，對兵力單元實(shí)體和武器單元實(shí)體的運(yùn)動(dòng)、探測、要素解算、通信等建立物理模型；CGF行為決策仿真模型，區(qū)分人工操控和自動(dòng)作戰(zhàn)單元實(shí)體，對自動(dòng)作戰(zhàn)單元進(jìn)行感知、態(tài)勢分析與判斷、決策生成和決策實(shí)施建立模型［5］；自然環(huán)境仿真模型，為武器裝備的物理模型和行為決策模型仿真運(yùn)行提供所需的自然環(huán)境模型。

2.5 HLA節(jié)點(diǎn)連接

反潛作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，仿真實(shí)體多、行為交互頻繁，仿真應(yīng)用模型異構(gòu)明顯，系統(tǒng)仿真持續(xù)時(shí)間長，容錯(cuò)要求高。為了使各子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)協(xié)調(diào)仿真，并無縫加入更大體系的綜合仿真網(wǎng)中去，系統(tǒng)采用基于高層體系結(jié)構(gòu)HLA技術(shù)規(guī)范的分布式交互仿真結(jié)構(gòu)。RTI是HLA仿真系統(tǒng)的核心，各聯(lián)邦成員的數(shù)據(jù)交換和交互協(xié)調(diào)都是在RTI的控制下完成的。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)和規(guī)模，底層通信網(wǎng)絡(luò)將選擇100 M交換式以太網(wǎng)，采用以交換機(jī)為中心的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣既能滿足數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性，又有利于系統(tǒng)擴(kuò)充。各仿真節(jié)點(diǎn)不僅可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，還可以共享多種支撐軟件和模型庫、數(shù)據(jù)庫、圖形庫等各種資源。

2.6 訓(xùn)練回放控制

訓(xùn)練過程記錄會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流，只記錄兵力狀態(tài)改變關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以減小數(shù)據(jù)處理壓力，并滿足實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫要求，但通過兵力行為支持模型驅(qū)動(dòng)回放時(shí)，易造成回放延遲與數(shù)據(jù)誤差。系統(tǒng)采用無損壓縮技術(shù)提供了最完備的回放數(shù)據(jù)，并采用動(dòng)態(tài)向量容器，有效地避免了信息堆積而產(chǎn)生沖突與覆蓋，確保了記錄數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性?；胤艜r(shí)，能夠再現(xiàn)訓(xùn)練過程全部信息，數(shù)據(jù)還原率達(dá)到100%。對記錄下來的各種數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)表加以管理，為數(shù)據(jù)回放、分類和對比提供有效手段。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)使用不受配合目標(biāo)、飛機(jī)狀態(tài)和海區(qū)條件等因素的影響，隨時(shí)組織人員進(jìn)行反潛訓(xùn)練，豐富了部隊(duì)反潛訓(xùn)練的形式。系統(tǒng)具備完善的記錄與回放功能，可以方便地進(jìn)行訓(xùn)練后講評和戰(zhàn)術(shù)研究，也可為機(jī)關(guān)評估部隊(duì)及人員的反潛能力提供一定的依據(jù)［5］。通過系統(tǒng)比較全面、真實(shí)的反潛訓(xùn)練，可有效加深受訓(xùn)人員對航空反潛復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)指揮員沉著、冷靜、敏銳的戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)，提升部隊(duì)的航空反潛能力。

［1］郭新奇，付霖宇，蔣志忠，等.機(jī)載聲納浮標(biāo)作用距離建模與仿真［J］.電光與控制，2011，18（8）：23-27.

［2］孫明太.航空反潛戰(zhàn)術(shù)［M］.北京：軍事科學(xué)出版社，2003.

［3］孫明太.航空反潛導(dǎo)論［M］.南京：海軍?？展こ虒W(xué)院青島分院，2010.

［4］楊日杰，何 友，孫明太.航空搜潛裝備搜潛范圍建模與仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（11）：1547-1549.

［5］吳 芳，楊日杰，高青偉.主/被動(dòng)聯(lián)合多基地航空搜潛建模與仿真［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36（3）：319-323.

［6］匡貢獻(xiàn)，謝志敏.海洋環(huán)境對吊放聲納作戰(zhàn)使用影響研究［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（1）：24-26.

［7］吳金榮，張建蘭，馬 力.主動(dòng)聲納方程和傳播損失及混響級的定義［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2005，25（3）：167-170.

Design of Antisubmarine Tactics Training Emulation System Based on HLA

CHEN Zun-yin，SUN Ming-tai，LI Ju-wei
（Branch of Qingdao，Naval Aeronautical Engineering Academy，Qingdao 266041，China）

Aiming at the problem of a certain type helicopter antisubmarine train inefficient，the design of antisubmarine tactics train emulation system based on HLA has been given.The system is based on the method of antisubmarine Combat Emulation Modeling，with VC as software design tool，and puts great emphasis on studing from platform design，configuration，realization of technology from antisubmarine tactics subjects training emulation based on HLA.The practice has proved that the design of system is logical，circultor is steady the effect of simulation is vivid.The system can be satisfied with the needs of antisubmarine army tactics training.

avation antisubmarine，tactics train，HLA，VisualC++，emulation system

E917

A

1002-0640（2014）11-0153-04

2013-08-05

2013-10-07

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20115185003）

陳遵銀（1965- ），男，江蘇溧水人，碩士，副教授。研究方向：航空反潛火控、航空反潛作戰(zhàn)效能評估。