嵌入式艦載電子對(duì)抗裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

張 蕾 姚直象

（1.海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033）（2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)處理能力和模擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，具有節(jié)省訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、縮短訓(xùn)練周期和提高訓(xùn)練質(zhì)量［10］等方面的優(yōu)勢(shì)，使得嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)得到了軍事強(qiáng)國(guó)的充分重視，其設(shè)計(jì)和開發(fā)也有了質(zhì)的發(fā)展。在武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，就將嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)視為其中的一個(gè)重要部分，已經(jīng)成為趨勢(shì)。美國(guó)陸軍于1987年提出了嵌入式模擬訓(xùn)練的概念，就是將訓(xùn)練設(shè)備嵌入到實(shí)裝內(nèi)，使裝備具有訓(xùn)練和作戰(zhàn)雙重功能。開發(fā)基于實(shí)裝的艦艇嵌式航行操縱訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提高仿真訓(xùn)練的真實(shí)感，使受訓(xùn)者可以在最真實(shí)的環(huán)境下展開模擬訓(xùn)練，而且嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)可以與武器裝備同時(shí)配置，能夠在和平時(shí)期和作戰(zhàn)間隙為部隊(duì)提供全時(shí)段、全方位和不間斷的訓(xùn)練，有效提高部隊(duì)的戰(zhàn)備能力和應(yīng)付突發(fā)事件的反應(yīng)能力［1］。典型的嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)如美國(guó)陸軍M2A3步戰(zhàn)車、M1A2SEP坦克嵌入式射擊訓(xùn)練系統(tǒng)，空軍F－35戰(zhàn)斗機(jī)嵌入式空中戰(zhàn)斗訓(xùn)練系統(tǒng)，海軍艦艇訓(xùn)練激勵(lì)系統(tǒng)（OBTS）［2］，以及以色列嵌入式虛擬航空電子設(shè)備（EVA）。其中，美國(guó)海軍艦艇訓(xùn)練激勵(lì)系統(tǒng)是一個(gè)綜合性嵌入式水面艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能生成協(xié)調(diào)、綜合、虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，合成與海區(qū)可能發(fā)生的情況非常相似的復(fù)雜作戰(zhàn)想定，并通過(guò)艦艇的實(shí)裝設(shè)備呈現(xiàn)給作戰(zhàn)分隊(duì)，為他們提供如同海上航行訓(xùn)練一樣的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。它代表了水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)以及武器裝備嵌入式模擬訓(xùn)練的發(fā)展水平。

水面艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)是典型的信息化裝備，依托實(shí)裝組織訓(xùn)練需要構(gòu)建較為豐富、逼真、帶有實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)背景的復(fù)雜電磁環(huán)境，實(shí)現(xiàn)難度較大；依托全設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組織訓(xùn)練不能保證戰(zhàn)訓(xùn)一致性，這些因素制約了水面艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)日常訓(xùn)練的開展。在水面艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)中嵌入虛擬兵力和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真模塊、訓(xùn)練過(guò)程監(jiān)控與評(píng)估模塊，與情報(bào)融合、戰(zhàn)術(shù)計(jì)算、人機(jī)交互等模塊等形成回路，是保證作戰(zhàn)訓(xùn)練高度一致的最佳途徑［3］。

2 工作機(jī)理

水面艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)通常由綜合顯示控制分系統(tǒng)和偵察干擾分系統(tǒng)兩部分組成，綜合顯示控制分系統(tǒng)是數(shù)據(jù)融合、輻射源識(shí)別、威脅判斷、態(tài)勢(shì)生成、戰(zhàn)術(shù)計(jì)算、輔助決策和人機(jī)交互等功能模塊的運(yùn)行部位，作戰(zhàn)指揮和系統(tǒng)操作主要在綜合顯示控制分系統(tǒng)完成，偵察干擾分系統(tǒng)均是無(wú)人值守設(shè)備。相比于全設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，嵌入式模擬訓(xùn)練軟件是在實(shí)裝系統(tǒng)中嵌入若干仿真模塊，與綜合顯示控制分系統(tǒng)組成回路，形成一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，如圖1所示。在這種模式下，綜合顯示控制分系統(tǒng)工作狀態(tài)與實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)一致，嵌入式模擬訓(xùn)練軟件主要承擔(dān)訓(xùn)練態(tài)勢(shì)產(chǎn)生器、作戰(zhàn)過(guò)程仿真器以及訓(xùn)練分析評(píng)估器的作用。

1）訓(xùn)練態(tài)勢(shì)產(chǎn)生器：虛擬一個(gè)帶有戰(zhàn)術(shù)背景的逼真水面艦艇海上作戰(zhàn)電磁環(huán)境，主要包括藍(lán)方艦艇、飛機(jī)等作戰(zhàn)平臺(tái)機(jī)動(dòng)以及平臺(tái)載雷達(dá)、通信、光電輻射源的工作特點(diǎn)。

2）作戰(zhàn)過(guò)程仿真器：模擬水面艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)各偵察干擾分系統(tǒng)的功能，對(duì)虛擬電磁環(huán)境進(jìn)行感知和影響，形成偵察數(shù)據(jù)報(bào)、干擾狀態(tài)報(bào)等系統(tǒng)交互報(bào)文，驅(qū)動(dòng)綜合顯示控制分系統(tǒng)情報(bào)融合、戰(zhàn)術(shù)計(jì)算、人機(jī)交互等模塊工作，形成訓(xùn)練環(huán)境。

圖1 嵌入式艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)模擬訓(xùn)練工作機(jī)理

3）訓(xùn)練分析評(píng)估器：采集參訓(xùn)人員通過(guò)人機(jī)交互模塊送出的操控指令報(bào)文，結(jié)合虛擬戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，對(duì)指令中關(guān)于目標(biāo)識(shí)別、威脅判斷、干擾時(shí)機(jī)、干擾樣式等項(xiàng)目的正確性、合理性進(jìn)行分析評(píng)估。

嵌入式模擬訓(xùn)練軟件運(yùn)行于艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)綜合顯示控制分系統(tǒng)，首先通過(guò)制訂訓(xùn)練想定，利用計(jì)算機(jī)兵力生成技術(shù)虛擬產(chǎn)生帶有戰(zhàn)術(shù)背景的電磁環(huán)境和帶有智能行為的紅藍(lán)方作戰(zhàn)兵力；然后，由虛擬電子對(duì)抗分系統(tǒng)對(duì)虛擬電磁環(huán)境進(jìn)行感知，形成訓(xùn)練態(tài)勢(shì)；參訓(xùn)人員在實(shí)裝上進(jìn)行訓(xùn)練操作，操作意圖通過(guò)指令反饋給虛擬電子對(duì)抗分系統(tǒng)和虛擬藍(lán)方兵力；虛擬藍(lán)方兵力通過(guò)智能行為模擬，對(duì)電子對(duì)抗行動(dòng)做出反應(yīng)；同時(shí)，對(duì)訓(xùn)練過(guò)程中的操作進(jìn)行記錄，由訓(xùn)練分析評(píng)估模塊對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行分析和評(píng)估。過(guò)程如圖2所示。

圖2 虛擬電磁環(huán)境與虛擬偵察干擾分系統(tǒng)之間的感知影響關(guān)系

3 系統(tǒng)基本架構(gòu)

嵌入式模擬訓(xùn)練軟件包括訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理、訓(xùn)練課目想定、電磁態(tài)勢(shì)生成、偵察干擾分系統(tǒng)功能模擬、相關(guān)系統(tǒng)功能模擬、訓(xùn)練操作記錄與事后分析評(píng)估模塊、信息交互格式轉(zhuǎn)換七個(gè)核心模塊，相互間的交互關(guān)系如圖3所示。

各模塊主要功能簡(jiǎn)要描述如下：

1）訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理模塊：完成對(duì)敵我作戰(zhàn)平臺(tái)及其輻射源參數(shù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理。模擬訓(xùn)練中涉及大量的靜態(tài)數(shù)據(jù)，需要以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式對(duì)艦艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈、雷達(dá)、激光武器、通信電臺(tái)等實(shí)體對(duì)象參數(shù)進(jìn)行管理，具體功能包括實(shí)體對(duì)象記錄的查詢、增加、修改、校驗(yàn)和刪除等。

圖3 嵌入式艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)模擬訓(xùn)練軟件組成結(jié)構(gòu)

2）訓(xùn)練課目想定模塊：設(shè)置敵我雙方電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)，雙方平臺(tái)的戰(zhàn)術(shù)使用（類型、名稱、攜帶輻射源參數(shù)、開關(guān)機(jī)時(shí)間、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等），具體內(nèi)容包括設(shè)置戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、紅藍(lán)方編隊(duì)兵力配置、紅藍(lán)方兵力初始態(tài)勢(shì)和事件腳本；設(shè)置戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境包括海區(qū)設(shè)置和海情；設(shè)置紅方艦艇編隊(duì)，配置編隊(duì)內(nèi)各艦艇平臺(tái)輻射源系統(tǒng)；設(shè)置藍(lán)方艦艇編隊(duì)或飛機(jī)編隊(duì)，配置各平臺(tái)輻射源系統(tǒng)和導(dǎo)彈等武備系統(tǒng)。

3）電磁態(tài)勢(shì)生成模塊：根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境設(shè)置的數(shù)據(jù)文件，按照時(shí)間順序進(jìn)行解算，生成帶有戰(zhàn)術(shù)背景的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境；精確模擬不開機(jī)工作分系統(tǒng)功能，對(duì)虛擬的電磁環(huán)境進(jìn)行感知和影響；按照系統(tǒng)內(nèi)部報(bào)文格式轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)設(shè)備，同時(shí)可人工對(duì)輻射源輻射時(shí)機(jī)進(jìn)行控制，能夠人工編輯各種參數(shù)、調(diào)整平臺(tái)運(yùn)動(dòng)航向、航速等信息；在訓(xùn)練過(guò)程中能人工干預(yù)或設(shè)置設(shè)備的工作狀態(tài)、備彈信息等；保存干擾效果評(píng)估數(shù)據(jù)文件和仿真重演數(shù)據(jù)文件。其主要功能如下：控制想定兵力按照仿真預(yù)案設(shè)置內(nèi)容進(jìn)行仿真演練；模擬艦艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和箔條云等無(wú)源干擾物的時(shí)空運(yùn)動(dòng)特性；模擬雷達(dá)、通信電臺(tái)、激光武器、紅外火炬的輻射特性；模擬敵方平臺(tái)對(duì)我方電子對(duì)抗行動(dòng)做出智能對(duì)抗；模擬自然環(huán)境對(duì)電磁環(huán)境的影響；提供態(tài)勢(shì)監(jiān)控和人工干預(yù)界面。

4）偵察干擾分系統(tǒng)功能模擬模塊：模擬除綜合顯示控制分系統(tǒng)外的其他分系統(tǒng)的功能，包括模擬雷達(dá)偵察分系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的感知；模擬雷達(dá)有源干擾分系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的影響；模擬通信對(duì)抗分系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的感知和影響；模擬無(wú)源／光電干擾分系統(tǒng)的資源狀態(tài)以及對(duì)電磁環(huán)境的影響；模擬激光告警分系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的感知等。

5）相關(guān)系統(tǒng)功能模擬模塊：模擬艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)中與電子對(duì)抗系統(tǒng)相關(guān)的其他系統(tǒng)的功能，包括：模擬時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)功能；模擬綜合導(dǎo)航系統(tǒng)功能；模擬水文氣象系統(tǒng)功能；模擬電磁兼容管理控制設(shè)備功能以及模擬部分指控系統(tǒng)報(bào)文和命令收發(fā)等。

6）信息交互格式轉(zhuǎn)換模塊：完成嵌入式模擬訓(xùn)練模塊與其他實(shí)裝模塊之間的信息交互定義，包括偵察干擾分系統(tǒng)功能模擬模塊輸入輸出信息要素定義；相關(guān)系統(tǒng)功能模擬模塊輸入輸出信息要素定義以及與作戰(zhàn)系統(tǒng)交互報(bào)文數(shù)據(jù)單元關(guān)聯(lián)定義。

7）訓(xùn)練操作記錄與事后分析評(píng)估模塊：實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過(guò)程中操作指令與要素記錄、評(píng)估準(zhǔn)則維護(hù)、有源干擾決策與實(shí)施正確性評(píng)估以及無(wú)源干擾決策與實(shí)施正確性評(píng)估等功能。

4 關(guān)鍵技術(shù)

1）嵌入式模塊與實(shí)裝系統(tǒng)模塊之間無(wú)縫耦合技術(shù)。

嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)需模擬電子對(duì)抗系統(tǒng)偵察干擾分系統(tǒng)、水文氣象設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、時(shí)統(tǒng)設(shè)備等實(shí)裝系統(tǒng)的功能，并模擬其與電子對(duì)抗綜合顯示控制系統(tǒng)、艦艇指揮信息系統(tǒng)之間的信息交互。水面艦艇指揮信息系統(tǒng)信息交互方式包括網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信等多種方式，在模擬訓(xùn)練模式下，實(shí)裝系統(tǒng)與電子對(duì)抗綜合顯示控制系統(tǒng)、艦艇指揮信息系統(tǒng)的通信鏈接中斷，模擬訓(xùn)練軟件根據(jù)傳輸層、應(yīng)用層協(xié)議，通過(guò)實(shí)際建鏈、虛擬組網(wǎng)等技術(shù)，將電磁環(huán)境和兵力虛擬模塊、偵察與干擾功能虛擬模塊、訓(xùn)練過(guò)程監(jiān)控與評(píng)估模塊嵌入實(shí)裝系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)融合、輻射源識(shí)別、威脅判斷、態(tài)勢(shì)生成、戰(zhàn)術(shù)計(jì)算、輔助決策和人機(jī)交互等模塊形成閉環(huán)回路。同時(shí)，針對(duì)不同艦型系統(tǒng)戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)和信息交互協(xié)議的不同，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)與構(gòu)建，以滿足不同艦型的適裝要求。

2）水面艦艇電子對(duì)抗相關(guān)兵力實(shí)體特征與相互對(duì)抗行為智能建模方法。

在模擬訓(xùn)練狀態(tài)下，本艦電子對(duì)抗系統(tǒng)的行為由參與訓(xùn)練的操作人員控制，虛擬環(huán)境中的平臺(tái)及輻射源均是計(jì)算機(jī)虛擬兵力，且沒(méi)有操作席位，需要自主運(yùn)行，藍(lán)方計(jì)算機(jī)虛擬兵力能否采取正確的符合戰(zhàn)術(shù)要求的對(duì)抗措施，與本艦電子對(duì)抗行動(dòng)形成對(duì)抗，是保證訓(xùn)練過(guò)程貼近實(shí)戰(zhàn)的關(guān)鍵。首先，基于信念－愿望－意圖模型［4］建立作戰(zhàn)對(duì)象實(shí)體A－gent智能模型。將所有的作戰(zhàn)實(shí)元都抽象為行為實(shí)體Agent，不同的功能模塊使不同的作戰(zhàn)實(shí)元具有不同的功能［8］。其次，基于傳感－執(zhí)行解釋器模型［5］建立作戰(zhàn)對(duì)象實(shí)體 Agent［9］行為對(duì)抗模型。

3）水面艦艇電子對(duì)抗訓(xùn)練復(fù)雜問(wèn)題評(píng)估方法。

水面艦艇電子對(duì)抗作戰(zhàn)決策包括確定干擾目標(biāo)、有無(wú)源干擾樣式、干擾實(shí)施與撤銷時(shí)機(jī)、艦艇規(guī)避航速航向等［11］，能否取得預(yù)期對(duì)抗效果，與水文氣象條件、本艦機(jī)動(dòng)與干擾能力、藍(lán)方抗干擾措施等多種因素相關(guān)，對(duì)抗過(guò)程中出現(xiàn)的情況不勝枚舉，有些問(wèn)題可以采用解析模型評(píng)估，如干擾樣式的有效性，有些問(wèn)題采用純解析模型進(jìn)行評(píng)估則非常困難，如干擾時(shí)機(jī)的正確性、艦艇規(guī)避航速、航向的正確性等，各種解析模型往往因?yàn)榧僭O(shè)條件過(guò)多而致使可信度不高［6］。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）于2007年提出并著手研究將仿真技術(shù)嵌入指揮控制系統(tǒng)［7］，利用仿真支持軍事訓(xùn)練和行動(dòng)決策，該技術(shù)和理念適用于水面艦艇電子對(duì)抗訓(xùn)練效果評(píng)估。根據(jù)對(duì)抗仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，達(dá)到預(yù)期對(duì)抗效果說(shuō)明電子對(duì)抗決策與操作有效，否則，說(shuō)明電子對(duì)抗決策與操作無(wú)效。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高水面艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)日常訓(xùn)練的戰(zhàn)訓(xùn)一致性，本文提出了在艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)實(shí)裝中嵌入模擬訓(xùn)練功能的工作機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模擬訓(xùn)練模塊與實(shí)裝系統(tǒng)的緊密耦合，為構(gòu)建信息系統(tǒng)、實(shí)裝指揮控制和戰(zhàn)術(shù)決策模塊在回路、人在回路的模擬訓(xùn)練環(huán)境提供了技術(shù)途徑。采取研制嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的途徑構(gòu)建模擬訓(xùn)練環(huán)境，是武器裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)的一種新途徑，有利于將模擬仿真的重點(diǎn)集中于虛擬環(huán)境生成、計(jì)算機(jī)兵力生成以及訓(xùn)練效果評(píng)估等問(wèn)題，提高模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研發(fā)的效益。

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