基于組件的艦載近程防御系統(tǒng)仿真研究

王范范，李波，王會(huì)龍

基于組件的艦載近程防御系統(tǒng)仿真研究

王范范，李波，王會(huì)龍

針對(duì)常規(guī)艦載近程防御仿真系統(tǒng)移植性較差的問題，充分利用組件開發(fā)易擴(kuò)展、可復(fù)用的優(yōu)勢(shì)，給出了一種艦載近程防御系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方案。首先，給出了系統(tǒng)總體框架；采用接口和實(shí)現(xiàn)分離原理，構(gòu)建了組件接口，并給出了接口函數(shù)的規(guī)范化定義；其次，采用類廠 模式和動(dòng)態(tài)加載方式，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)仿真引擎。最后，通過艦載近程防御系統(tǒng)仿真系統(tǒng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。

組件；艦載近程防御系統(tǒng)；接口規(guī)范；仿真引擎

0 引言

艦載近程防御系統(tǒng)是艦艇編隊(duì)防御體系中最內(nèi)層的防御系統(tǒng)，針對(duì)用于艦載高炮火力規(guī)劃效能評(píng)估的艦載近程防御系統(tǒng)的仿真研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

仿真系統(tǒng)的開發(fā)，通常按照功能進(jìn)行模塊化劃分，然后分別建模編寫子程序，最后，將各子程序聯(lián)合形成一個(gè)完整的應(yīng)用程序。但這種開發(fā)模式，在模塊復(fù)用和升級(jí)方面存在諸多不便。為此，在仿真模塊化的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用組件對(duì)象模型技術(shù)封裝艦載近程防御系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，形成相對(duì)獨(dú)立的組件。這些組件在遵循接口規(guī)范定義的前提下，可以由不同的開發(fā)人員在不同的環(huán)境下開發(fā)，從而提高系統(tǒng)的重用性、靈活性和擴(kuò)展性[1]。

1 組件技術(shù)

早期仿真系統(tǒng)的應(yīng)用程序往往是單獨(dú)的應(yīng)用程序，可移植性較差，開發(fā)和升級(jí)的難度較大，很難滿足計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展需要。組件開發(fā)技術(shù)的出現(xiàn)，改進(jìn)了軟件開發(fā)的過程，將一個(gè)龐大的應(yīng)用程序分成多個(gè)模塊，每個(gè)模塊保持一定的獨(dú)立性，在協(xié)同工作時(shí)，通過相互之間的接口完成實(shí)際的任務(wù)，這樣的模塊被稱為組件。當(dāng)系統(tǒng)的外界軟硬件環(huán)境發(fā)生變化或者用戶的需求有所更改時(shí)，并不需要對(duì)所有的組件進(jìn)行修改，而只需對(duì)受影響的組件進(jìn)行修改，然后重新組合得到新的升級(jí)軟件?；诮M件開發(fā) CBD（Component-Based Development）是綜合多種優(yōu)秀設(shè)計(jì)思想和實(shí)踐的產(chǎn)物，諸如面向?qū)ο箝_發(fā)、契約式設(shè)計(jì)、模型驅(qū)動(dòng)的開發(fā)、分離考慮、軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)等。Delphi 組件、COM/COM+組件、CORBA 組件、JavaBeans 和 EJB 等都是眾所周知的一些組件模型[2]。在這些組 件 模型中，Microsoft 開發(fā) 的 COM（Component Object Model）組件模型尤為常見。

2 艦載近程防御系統(tǒng)模型

艦載近程防御系統(tǒng)主要功能為搜索空域內(nèi)突破艦艇外圍防御系統(tǒng)的敵方反艦導(dǎo)彈，統(tǒng)籌規(guī)劃所有艦載防空高炮，對(duì)其進(jìn)行攔截[3]，艦載近程防御系統(tǒng)組成示意圖，如圖1 所示：

圖1 艦載近程防御系統(tǒng)組成

圖1中的防空高炮雷達(dá)，高炮指揮控制系統(tǒng)和艦載防空高炮完成艦載近程防御任務(wù)。艦船平臺(tái)是艦載近程防御系統(tǒng)的搭載平臺(tái)，提供系統(tǒng)的位置、速度、姿態(tài)等信息；敵方反艦導(dǎo)彈作為來襲目標(biāo)，是近程防御系統(tǒng)的攔截對(duì)象，干擾機(jī)作為敵方進(jìn)攻時(shí)的軟殺傷武器，主要用于壓制防空高炮雷達(dá)，掩護(hù)反艦導(dǎo)彈突防，提高反艦導(dǎo)彈突防效果[4]。

采用基于組件的開發(fā)模式進(jìn)行艦載近程防御系統(tǒng)的仿真建模，主要就是建立可復(fù)用的防空雷達(dá)模型、防空高炮指揮控制模型以及艦載防空高炮模型，從而將整個(gè)艦載近程防御系統(tǒng)劃分成多個(gè)具備獨(dú)立完整功能的模塊，模塊與模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞可以通過組件接口實(shí)現(xiàn)。

下面分別闡述每個(gè)模塊的具體功能：

1) 防空高炮雷達(dá)模塊：用于搜索、發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)。通過接收反艦導(dǎo)彈的目標(biāo)反射信號(hào)和干擾機(jī)釋放的干擾信號(hào)，判斷能夠探測(cè)到反艦導(dǎo)彈，并將探測(cè)到的反艦導(dǎo)彈信息發(fā)送到防空高炮指揮控制模塊

2) 防空高炮指揮控制模塊：完成威脅評(píng)估和目標(biāo)分配。首先，根據(jù)雷達(dá)探測(cè)到的反艦導(dǎo)彈信息與艦船平臺(tái)的相對(duì)態(tài)勢(shì)，計(jì)算反艦導(dǎo)彈的威脅程度；然后，根據(jù)各個(gè)艦載防空高炮的數(shù)量和狀態(tài)，將目標(biāo)分配給最適合進(jìn)行攔截的防空高炮。

3) 艦載防空高炮模塊：進(jìn)行火力打擊以及毀傷評(píng)估。當(dāng)所分配目標(biāo)進(jìn)入防空高炮的火控攻擊范圍時(shí)，采用迭代法求解炮彈的發(fā)射方向和命中點(diǎn)位置，對(duì)目標(biāo)實(shí)施火力打擊，根據(jù)目標(biāo)以及彈丸飛行狀態(tài)進(jìn)行毀傷效果評(píng)估，判斷是否停止射擊。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框架

針對(duì)艦載近程防御系統(tǒng)的主要需求，按照面向?qū)ο蠛突诮M件的軟件開發(fā)模式，可將艦載近程防御系統(tǒng)軟件模型分解為人機(jī)交互界面、想定配置、仿真引擎、功能組件庫 4部分如圖2所示：

圖2 艦載防御系統(tǒng)框架

功能組件庫實(shí)質(zhì)上是對(duì)于模塊封裝成的組件，具備獨(dú)立完整功能，與具體的實(shí)驗(yàn)無關(guān)。功能組件將使用 Microsoft的COM 組件模型中最常用的 DLL 開發(fā)技術(shù)開發(fā)。

想定配置主要負(fù)責(zé)對(duì)仿真環(huán)境的編輯，艦載近程防御系統(tǒng)想定配置主要包括對(duì)艦載防空高炮，來襲反艦導(dǎo)彈、敵方干擾機(jī)、作戰(zhàn)環(huán)境等仿真信息的設(shè)置。在給定功能組件庫情況下，只修改想定配置就可以完成不同的仿真實(shí)驗(yàn)。

仿真引擎主要負(fù)責(zé)仿真控制和組件調(diào)度，以及各個(gè)模塊組件間的數(shù)據(jù)通信，是整個(gè)仿真進(jìn)行的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。

用戶通過人機(jī)交互界面進(jìn)行想定配置、仿真控制等實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的監(jiān)督和仿真結(jié)果的顯示。

3.2 組件接口

“組件以接口為核心，組件的接口和實(shí)現(xiàn)是分離的，組件通過接口實(shí)現(xiàn)與其他組件或系統(tǒng)的交互，組件的具體實(shí)現(xiàn)被封裝在內(nèi)部，組裝者只關(guān)心接口，不必知道實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)?！苯M件的這一特點(diǎn)，注定組件的接口設(shè)計(jì)變得十分重要。

組件工廠模式下組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和接口函數(shù)的關(guān)系如圖3所示：

圖3 組件實(shí)現(xiàn)中的工廠模式

每個(gè)仿真實(shí)體的模型組件應(yīng)包括 3種類：實(shí)體模型類（CImplementation）、實(shí)體模型導(dǎo)出類（CExport）、模型工廠類（CExportFactory）。實(shí)體模型類是依據(jù)組件功能原理創(chuàng)建，是不需要導(dǎo)出的類，并繼承相應(yīng)的模型導(dǎo)出類；模型導(dǎo)出類是實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型接口函數(shù)對(duì)外交互的導(dǎo)出函數(shù)的集合，它由若干導(dǎo)出函數(shù)組成，且這些接口函數(shù)應(yīng)采用純虛函數(shù)的方法定義；模型工廠類實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體模型導(dǎo)出類的管理，該類只包括兩個(gè)接口函數(shù)，分別完成實(shí)體模型導(dǎo)出類的仿真實(shí)體的實(shí)例化和刪除。

實(shí)體模型導(dǎo)出類（CExport）的接口函數(shù)的命名規(guī)則和函數(shù)功能如表1所示：

表1 接口函數(shù)的命名規(guī)則和函數(shù)功能

某艦載近程防御系統(tǒng)各組件模型的接口設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示：

圖4 艦載近程防御系統(tǒng)組件接口示意圖

以其中的防空高炮雷達(dá)（AAGRadar）組件為例進(jìn)行詳細(xì)介紹：

SetMod 類接口函數(shù)對(duì)雷達(dá)組件自身參數(shù)（ID 號(hào)、型號(hào)、名稱、平臺(tái) ID 號(hào)）和雷達(dá)所在的環(huán)境信息（空氣濕度，云層下沿高度等）進(jìn)行初始化；

Set_Missile 類接口函數(shù)向組件內(nèi)傳遞空域內(nèi)作為探測(cè)目標(biāo)的導(dǎo)彈的方位、姿態(tài)等狀態(tài)信息；

Set_SShipPlat 類接口函數(shù)從外界將 AAGRadar 載體艦船的參數(shù)（載體艦船 ID，國籍，名稱，坐標(biāo)，速度矢量）從外界傳遞到組件內(nèi)；

Set_JammingPlane 類接口函數(shù)將對(duì)雷達(dá)具有干擾作用的敵方干擾機(jī)參數(shù)（干擾機(jī) ID、名稱、國籍、坐標(biāo)、速度矢量、干擾強(qiáng)度等參數(shù)）傳遞到組件內(nèi)部；

GetMod 類接口函數(shù)是將對(duì)組件描述的對(duì)象當(dāng)前的全部狀態(tài)信息（ID、名稱、國籍、工作狀態(tài)、位置、速度、環(huán)境信息等）進(jìn)行公布，該類函數(shù)支持任意時(shí)刻的信息公布。

基于組件的通信機(jī)制都是通過接口實(shí)現(xiàn)的。艦載近程防御系統(tǒng)通過接口實(shí)現(xiàn)了組件間的相互通信：防空高炮雷達(dá)組件發(fā)送雷達(dá)探測(cè)情報(bào)信息，防空高炮指揮控制（CommandPost）組件從外界接收來自雷達(dá)的雷達(dá)探測(cè)情報(bào)事件，接收各個(gè)防空高炮的狀態(tài)信息，并將目標(biāo)分配結(jié)果以事件形式發(fā)送到外界，防空高炮（AAG）組件接收該目標(biāo)分配信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)導(dǎo)彈的攔截。實(shí)現(xiàn)上述組件間通信的接口包括：

Send_RadarDetectionInfo 函數(shù)是雷達(dá)組件向指揮控制組件發(fā)送的雷達(dá)探測(cè)情報(bào)。

Receive_AAGRadarDetectInfo 函數(shù)是指揮控制組件接收雷達(dá)組件發(fā)送的雷達(dá)探測(cè)情報(bào)。

Send_AAGState 函數(shù)是高炮組件向指揮控制組件發(fā)送的高炮狀態(tài)信息。

Receive_AAGState 函數(shù)是指揮控制組件接收高炮組件發(fā)送的高炮狀態(tài)信息。

Send_ResultofAllocation 函數(shù)是指揮控制組件向高炮發(fā)送的目標(biāo)分配結(jié)果信息。

Receive_AllocatedTarget 函數(shù)是高炮組件接收指揮控制組件發(fā)送的目標(biāo)分配結(jié)果信息。

Send_HitInfoInteraction 函數(shù)是高炮組件向外界發(fā)送的命中事件。

3.3 仿真引擎

仿真引擎的功能是驅(qū)動(dòng)模型組件的運(yùn)行。仿真引擎就其表現(xiàn)形式而言，分為集中式引擎和分布式引擎。集中式引擎指存在一個(gè)功能強(qiáng)大的中央引擎，統(tǒng)一調(diào)度模型組件的運(yùn)行；分布式引擎指組件內(nèi)部也存在一個(gè)局部引擎，完成組件內(nèi)部事件的調(diào)度，與中央引擎協(xié)同，構(gòu)成層次式引擎系統(tǒng)，支撐仿真系統(tǒng)的運(yùn)行。集中式引擎和分布式引擎各有優(yōu)缺點(diǎn)，集中式仿真引擎的主要優(yōu)點(diǎn)是一致性好、符合“程序?qū)崿F(xiàn)與邏輯分離”的原則；分布式仿真引擎的優(yōu)點(diǎn)是組件是閉合的軟件實(shí)體，靈活性好[6]。

艦載近程防御系統(tǒng)仿真系統(tǒng)采用集中式引擎，主要功能包括：

1) 仿真運(yùn)行的控制，包括開始、暫停、繼續(xù)和終止以及信息提示等；

2) 組件的調(diào)度，包括解析系統(tǒng)模型中各組件端口的連接關(guān)系，對(duì)回路進(jìn)行解鎖處理以及確定組件調(diào)度順序等；

3) 仿真數(shù)據(jù)的管理，包括仿真參數(shù)的共享，相連端口間的數(shù)據(jù)傳遞以及相關(guān)調(diào)試數(shù)據(jù)的保存等。

仿真引擎軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，重要的一步是組件加載方式的實(shí)現(xiàn)，組件加載方式包括靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載兩種方式。艦載近程防御系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)加載的方式，系統(tǒng)在執(zhí)行過程中使用LoadLibrary/FreeLibrary 函數(shù)加載/卸載組件文件，以文件名作為參數(shù)傳遞。

4 仿真驗(yàn)證

基于以上設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于組件的某艦載近程防御系統(tǒng)仿真軟件。該仿真軟件實(shí)現(xiàn)了防空高炮雷達(dá)模型、防空高炮指揮控制模型、艦載防空高炮模型等功能組件。利用該仿真軟件進(jìn)行的一次艦載近程防御仿真試驗(yàn)如圖5所示：想定配置：

圖5 基于組件的艦載近程防御仿真實(shí)驗(yàn)圖

1) 核心艦船 ID 號(hào)為 Ship0001（東經(jīng) 120.5，北緯36.5,10m/s 正北方向行駛），配備 4 臺(tái) MK15 型高炮（名稱分別為 AAG1-4，ID 號(hào)為 40_0001-4），4 臺(tái)高炮成 90 度分布（高炮設(shè)計(jì)中軸線分別指向 0,90,180,270 度方向）。

2) 空域內(nèi)存在地方一架干擾機(jī) Jam1（東經(jīng) 120.65，北緯 36.45，高 1200 米，速度 250m/s，俯仰角為 10 度, 方位角為 50 度，干擾強(qiáng)度為 7.0e-7）。

3) 空域內(nèi)有 4 枚目標(biāo)導(dǎo)彈 Missile1-4（Missile1，局部坐標(biāo)系下（2220,800, 0），速度矢量（-211，-80，0），航向角 180 度，俯仰角-20 度；Missile2，局部坐標(biāo)系下（11100,4000, 5550），速度矢量（-211，-80，-110），航向角150 度，俯仰角-20 度；Missile3，局部坐標(biāo)系下（-5550,2000, 0），速度矢量（231，-80，0），航向角 0 度，俯仰角-20 度；Missile4，局部坐標(biāo)系下（2220,800, 2220），速度矢量（-211，-80，0），航向角 180 度，俯仰角-20 度）。

采用基于組件的方式可以在想定配置過程中，根據(jù)想定規(guī)模靈活配置仿真對(duì)象，配置艦載防空高炮的對(duì)話框如圖6所示：

圖6 想定設(shè)置添加防空高炮對(duì)話框

通過添加按鈕可以設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的防空高炮對(duì)象進(jìn)行方仿真實(shí)驗(yàn)。

通過仿真引擎的控制按鍵，完成對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的控制。仿真試驗(yàn)中高炮實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、雷達(dá)探測(cè)結(jié)果、目標(biāo)分配結(jié)果和目標(biāo)命中情況可以通過仿真界面實(shí)時(shí)查看。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示：

圖7 目標(biāo)命中情況

目標(biāo) Missile13 分別被 AAG1、AAG3 命中，Missile4對(duì)艦艇無威脅，不進(jìn)行攔截。

仿真試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了艦載近程防御系統(tǒng)對(duì)多個(gè)威脅目標(biāo)的識(shí)別、分配和攔截。進(jìn)入仿真界面后，通過想定設(shè)置過程，設(shè)置目標(biāo)和高炮的不同組合，設(shè)置不同的干擾機(jī)壓制，實(shí)現(xiàn)不同的仿真試驗(yàn)。艦載近程防御系統(tǒng)支持不同高炮組合對(duì)多目標(biāo)的攔截試驗(yàn)，通過多次不同組合實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)不同高炮組合攔截效果進(jìn)行比較，評(píng)估不同組合的作戰(zhàn)效能。

仿真實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果表明了本文提出的組件接口設(shè)置、仿真引擎設(shè)置的合理性和可行性。

5 總結(jié)

本文運(yùn)用組件開發(fā)技術(shù)，給出了基于組件的艦載近程防御系統(tǒng)框架、組件接口和仿真引擎的設(shè)計(jì)方案，該方案下的艦載近程防御系統(tǒng)能夠支持不同防空高炮組合對(duì)多目標(biāo)的攔截試驗(yàn)和攔截效能評(píng)估。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的艦載近程防御系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

[1] 謝曉鋼,陶應(yīng)學(xué)等.基于組件的開放式建模仿真軟件研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2011, 20(10): 2089-2093.

[2] Katherine Whitehead 著;王海鵬,沈華峰譯.基于組件開發(fā)[M].北京:人民郵電出版社, 2003.

[3] 王寶成,馮宇晨.近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2008.9(3): 94-96

[4] 王學(xué)軍,潘志剛.告訴炮彈的飽和攔截[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2006,(1):67-72.

[5] Bernard P Zeigler. Theory of Modeling and Simulation, Second Edition [M]. USA: Mic Press, 2000.

[6] 卿杜政,李伯虎等.基于組件的一體化建模仿真環(huán)境(CISE)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2008,20(4):900-904.

Research of Component-based Ship-borne Short-range Defense Simulation System

Wang Fanfan, Li Bo, Wang Huilong
（School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China）

Consider the lacking portability of conventional ship-borne short-range defense simulation system, design method of a universal ship-borne short-range defense simulation system is proposed with the superiority of components, which are reusable and easy to expand. The system frame is proposed. The component interface is designed with the principle that interface and implementation should be separated, and the specification of interface function is also proposed. The simulation engine of system is designed with factory method and linking explicitly. At last, the accomplishment of a simple air-combat simulation system verifies the rationality and feasibility of the design.

Component Engine; Ship-borne Short-range Defense Simulation System; Interface Specification; Simulation

TN911

A

1007-757X(2014)02-0005-04

2013.12.10)

航天技術(shù)支撐基金（2013-HT-XGD），西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JC201144)

王范范（1990-），山東日照人，西北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代火力控制理論，西安，710129李 波（1978-），男，山東泰安人，西北工業(yè)大學(xué)，副教授，碩士研究生導(dǎo)，研究方向：航空火力控制，作戰(zhàn)效能分析，西安，710129王會(huì)龍（1990-），男，河北邯鄲，西北工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代火力控制理論，西安，710129