基于HLA的無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)＊

（海裝武漢局駐景德鎮(zhèn)軍事代表室 景德鎮(zhèn) 333002）

1 引言

現(xiàn)代無人機主要執(zhí)行戰(zhàn)場偵察與監(jiān)視、目標截獲、火力校正、摧毀評估以及電子誘騙與電子干擾等任務，發(fā)揮著日益重要的作用。而無人機系統(tǒng)的建模與仿真演練，可以達到使指揮人員和操作人員熟悉無人機系統(tǒng)的組織指揮、實際操作，進行戰(zhàn)術(shù)推演的目的，提高所需崗位的能力，如決策、指揮、操作等，以便于從“失敗”過程中多次實驗、形成體驗、摸索經(jīng)驗，從而節(jié)省大量訓練經(jīng)費，提高訓練質(zhì)量。

分布交互仿真［1］（Distributed Interactive Simulation，DIS）是指采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，將分散在各地的仿真設(shè)備互聯(lián)，形成可參與的綜合性仿真環(huán)境。為滿足越來越復雜的作戰(zhàn)仿真需求，美國國防部于1995年起開始建立一個通用的仿真技術(shù)框架，核心是高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA），到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為成熟的體系結(jié)構(gòu)。其中常用的模擬軟件STAGE［2］（Scenario Toolkit And Generation Environment）是加拿大Virtual Prototypes（VPI）公司推出的用于國防和航空航天領(lǐng)域的靈活且實時的仿真與訓練環(huán)境，用于建立人工環(huán)境并使之富于生機的軟件工具。

本文旨在利用HLA 技術(shù)完成無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計研究。

2 模型中的假設(shè)

運動中的無人機是一個極其復雜的系統(tǒng)［3］，無人機本身是一個彈性體，消耗性載荷的使用又使得無人機是一個變質(zhì)量體，同時質(zhì)心的位置又隨時變化，無人機內(nèi)部的動力系統(tǒng)，操縱系統(tǒng)等因素的影響使得其運動方程中的慣性項變得很復雜，而外力項（包括重力、空氣動力、發(fā)動機推力）則是氣動外形、飛機姿態(tài)和飛行參數(shù)的復雜函數(shù)。由于具體無人機的參數(shù)各不相同，且模型過于復雜，通常在適當?shù)姆秶统潭壬献鞅匾募僭O(shè)：

1）將地面坐標系視為慣性坐標系，忽略地球的曲率。將大地視為平面，無人機的飛行高度一般遠小于地球半徑，故忽略飛行高度的變化所引起的重力加速度的變化。

2）將無人機視作剛體，按質(zhì)點處理，不考慮攻角和橫滾角的作用，且質(zhì)量不發(fā)生變化。

3）大氣條件按照國際標準，認為大氣是平靜的，無擾動的，因此無人機相對氣流的速度和對地速度相同。

4）在仿真步長時間內(nèi)，飛機的各個參數(shù)保持不變，飛機飛行中無側(cè)滑現(xiàn)象。

由于本文主要探討仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，以及受篇幅的影響，仿真所需的無人機運動學模型、雷達反射特性仿真模型、目標的運動學模型、目標探測設(shè)備模型、目標行為模型、雷達威脅模型在這里不具體給出。

3 系統(tǒng)的FOM 設(shè)計與實現(xiàn)

完整的無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括以下幾部分：無人機地面控制系統(tǒng)的仿真接口、平臺飛行作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)。在進行無人機的作戰(zhàn)仿真時，地面控制系統(tǒng)通過RTI仿真接口將無人機的任務計劃和相應的控制指令發(fā)送給飛行作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，無人機平臺仿真模塊在收到相應的任務計劃和指令后，平臺任務管理針對任務計劃和指令的內(nèi)容在動態(tài)的仿真戰(zhàn)場環(huán)境中實現(xiàn)無人機的任務控制和管理，控制無人機的任務執(zhí)行，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）聯(lián)邦設(shè)計

根據(jù)無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，同時考慮到RTI的實時仿真能力，無人機作戰(zhàn)仿真聯(lián)邦的成員劃分如表1所示。

表1 聯(lián)邦成員劃分表

設(shè)定作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)主要仿真九架無人機，因此無人機成員有九個；地面控制系統(tǒng)以一個成員接口代理的方式接入RTI聯(lián)邦，整體以一個RTI成員的方式對外。作戰(zhàn)目標仿真成員按照地面目標，空中目標和海上目標劃分為三個仿真成員。按照上述劃分方式，整個無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)聯(lián)邦包含16個仿真成員。

表2 聯(lián)邦成員與對象類之間的公布訂購關(guān)系表

在HLA 聯(lián)邦中，聯(lián)邦成員是由具體的對象類組成，成員通過公布和訂購對象類的屬性來實現(xiàn)與外部成員的數(shù)據(jù)交互，完成自己的邏輯功能。在無人機的作戰(zhàn)仿真的過程中，實際參與仿真的實體有武器實體、無人機實體以及敵方雷達等作戰(zhàn)目標實體（包括空中目標、地面目標、海上目標），按照面向?qū)ο蟮脑瓌t構(gòu)建系統(tǒng)，同時為了盡量簡化系統(tǒng)的代碼實現(xiàn)，整個系統(tǒng)主要由三個對象類組成：無人機實體對象、敵方目標實體對象、武器實體對象。

根據(jù)聯(lián)邦成員劃分和對象類組成，在我們系統(tǒng)中，聯(lián)邦成員與對象類之間的訂購和發(fā)布關(guān)系如表2。

2）對象類設(shè)計

根據(jù)對象類劃分和實體仿真模型，按照面向?qū)ο蟮脑瓌t，仿真系統(tǒng)FOM 模型的對象類設(shè)計如下。

整個FOM 模型中有一個基類對象類Entity，屬性由一般實體所具有的通用屬性組成，包括實體編號、實體類型、實體角色、實體重要度、實體位置、速度、加速度、姿態(tài)角、航向、活動半徑和當前時間。其他實體類型都是Entity類的子類，上述通用屬性可以從Entity類繼承獲得，而各自實體對象的專有特性可以根據(jù)其自身物理模型的定義自己屬性來實現(xiàn)。同時，為了仿真的方便，將無人機的狀態(tài)單獨定義了一個復合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對象類的結(jié)構(gòu)和繼承關(guān)系如表3所示。

表3 對象類結(jié)構(gòu)表

限于篇幅，這里只列出了Entity對象的屬性描述。Entity對象類包含的屬性如表4所示。

其中，Position類型等復合類型，在HLA 中由專門的復合數(shù)據(jù)類型表描述。

3）交互類設(shè)計

在HLA 中，交互類描述了成員之間的短暫的數(shù)據(jù)交互行為，如武器開火。作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)在運行過程中包括交互類型主要有以下幾種：

（1）仿真運行控制類交互。包括系統(tǒng)初始化（初始化仿真想定）、初始化完畢、啟動，暫停，停止，子系統(tǒng)請求、子系統(tǒng)狀態(tài)查詢，子系統(tǒng)狀態(tài)報告等交互類型。

近50年來，肺癌的發(fā)病率明顯增高，成為危害生命健康的一種主要疾病，由于早期癥狀不明顯，幾乎 70%的肺癌患者在就診時已失去手術(shù)機會(Ⅲ期或者Ⅳ期)，這部分患者往往伴有淋巴轉(zhuǎn)移以及血行轉(zhuǎn)移，因此肺癌患者總體預后情況不理想[5-6]。疾病本身使得患者機體免疫功能下降，臨床上各種抗腫瘤治療方案可能會進一步破壞機體的免疫防御功能，更易發(fā)生院內(nèi)感染，發(fā)生率明顯高于非腫瘤患者[7]，且一旦感染，預后較差。

（2）指揮通信類交互。分為上行數(shù)據(jù)指令和下行數(shù)據(jù)指令類：上行數(shù)據(jù)指令類主要包括作戰(zhàn)計劃（初始配置）、任務計劃、機載設(shè)備配置計劃、平臺控制指令、傳感器控制指令交互等等。下行的數(shù)據(jù)和指令類主要包括無人機任務請求、無人機任務執(zhí)行情況、目標確認／引導情況、無人機狀態(tài)信息（包括毀傷信息）、敵方狀態(tài)信息、威脅信息交互等。

（3）實體戰(zhàn)場類交互。主要包括武器發(fā)射交互，目標命中。

（4）戰(zhàn)場環(huán)境信息交互：主要包括自然條件數(shù)據(jù)。

（5）效能評估信息交互：效能評估主要用于仿真結(jié)束后的結(jié)果分析，因此相關(guān)數(shù)據(jù)信息需要在仿真過程中由相應的成員通過交互發(fā)送給仿真管理成員保存、分析和評估。

在交互類的設(shè)計中，設(shè)計了一個基本交互類BasicInteraction，它包含基本的參數(shù)發(fā)送者標識、接受者標識和交互數(shù)據(jù)內(nèi)容，其中的交互內(nèi)容采用XML格式描述字符串，方便分析和解讀。

4 STAGE在HLA 中的應用

基于HLA 的仿真系統(tǒng)如圖2所示，使用Stage的目的除了要利用其模型數(shù)據(jù)庫中的模型，還要達到以下兩個目的：一是可在Stage真實場景中布置各聯(lián)邦成員，并把場景中聯(lián)邦成員的參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳到各仿真節(jié)點，作為各聯(lián)邦成員運行的初始化參數(shù)。二是各聯(lián)邦成員模型運行過程中產(chǎn)生的參數(shù)變化必須及時通過網(wǎng)絡(luò)回送到Stage，從而使Stage能及時更新場景中的模型參數(shù)來演示整個仿真過程。

要實現(xiàn)以上兩個目的，需要處理好Stage的本身時鐘和RTI邏輯時鐘之間的關(guān)系。Stage時鐘是一個固定的時鐘，其刷新頻率為30．3幀／秒，且無法通過編程去控制。而RTI的邏輯時鐘由RTI來統(tǒng)一調(diào)度管理，它和各個“時間調(diào)節(jié)”聯(lián)邦成員的“時戳下限值LBTS（Lower Bound Time Stamp）”有關(guān)。由于很難保證這兩個時鐘的同步，因此就不能在Stage刷新時執(zhí)行有關(guān)RTI的操作?；谝陨弦蛩夭⒖紤]到Stage主要用來演示和回放整個仿真過程，其演示過程和聯(lián)邦的整體推進過程在時間上有所不同步并無太大影響，所以可以在實現(xiàn)時剝離Stage和聯(lián)邦，在控制臺節(jié)點上另設(shè)一個控制聯(lián)邦成員，使該聯(lián)邦成員和Stage同時運行。在聯(lián)邦的執(zhí)行過程中由控制聯(lián)邦成員在后臺負責聯(lián)邦仿真數(shù)據(jù)的訂購，而Stage在聯(lián)邦初始化時參與聯(lián)邦的執(zhí)行，以后則僅僅從控制聯(lián)邦成員取來訂購的數(shù)據(jù)，在前臺更新顯示模型。

圖3 仿真總體結(jié)構(gòu)圖

1）系統(tǒng)仿真的設(shè)計原則

整個系統(tǒng)的仿真總體框架如圖3所示，大體可分解為三部分：仿真前、仿真中和仿真后。

各模塊主要功能：

DI及擴展DI模塊。建立仿真系統(tǒng)各主要組成部分的仿真原型，即設(shè)計各仿真原型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及屬性設(shè)置項。

DE及擴展DE 模塊。對DI所建立的原型進行實例化，提供系統(tǒng)仿真場景及顯示界面。

SIM 及擴展SIM 模塊。是整個系統(tǒng)仿真的調(diào)度管理器，負責處理實體鏈表；當加入用戶模塊后可控制DE中實體的仿真動作。

STAGE腳本模塊。利用STAGE內(nèi)置腳本語言及其擴展語言，設(shè)計符合仿真系統(tǒng)各平臺工作流程的算法，來控制各平臺的仿真動作。

對外通信模塊。由于STAGE 自帶的仿真結(jié)果顯示界面不能滿足本系統(tǒng)的顯示要求，該模塊的功能是擴展STAGE與外部進程的通信功能，利用VC界面顯示應用程序來實時接收、顯示仿真結(jié)果，并對結(jié)果進行概率統(tǒng)計。

2）系統(tǒng)仿真設(shè)計流程

根據(jù)計算機仿真學的方法以及仿真系統(tǒng)需求，設(shè)計了系統(tǒng)仿真的流程。

首先，分析仿真系統(tǒng)的組成及其工作原理，了解STAGE仿真軟件的仿真機制。再根據(jù)功能需求，對SATGE 進行二次性開發(fā)，擴展其DI、DE、SIM、腳本語言、與外部進程通信等功能接口。

然后，根據(jù)仿真系統(tǒng)的組成，建立各平臺的仿真原型，并在DE 中實例化。實例化以后，就得為各平臺的仿真動作選擇合適的仿真算法，并通過編程實現(xiàn)仿真動作。

最后，選取幾種典型的作戰(zhàn)方式進行仿真，分析仿真結(jié)果，提出系統(tǒng)實際使用的合理建議。

3）仿真案例

戰(zhàn)術(shù)背景：紅方某機群將要執(zhí)行轟炸藍方某重要目標的任務，在藍方該目標周邊設(shè)有防空系統(tǒng)對空警戒，防空系統(tǒng)由防空雷達和防空導彈部隊等組成，為配合紅方機群成功突破藍方防空系統(tǒng)，現(xiàn)派出9架無人機與戰(zhàn)斗機編隊飛行（或在轟炸機群之前），運用無人機群來干擾壓制藍方雷達，使其在探測距離和／或探測精度上下降，必要時摧毀敵方雷達，最終降低敵方雷達的發(fā)現(xiàn)概率，達到掩護紅方機群成功突防、順利完成轟炸任務的目的。

根據(jù)任務，九架無人機在紅方基地按順序發(fā)射，根據(jù)轟炸機群的任務航線和事先已獲得藍方地面雷達站的大概方位，無人機機群初始飛行方向就是航線附近的藍方雷達站的方位。進攻開始前敵方只有值班雷達開機，如圖4所示。

圖4 藍方只有值班雷達開機（進攻前）

圖5 藍方雷達全部開機探測范圍（無人機未受干擾）

在向目標飛行過程中，敵方值班雷達發(fā)現(xiàn)無人機后，通知防空雷達網(wǎng)中的所有雷達開機，對空搜索（如圖5所示）。

無人機根據(jù)事先偵察的敵情分配任務，結(jié)合當時搜索到的具體雷達位置信息，進行任務分配的修正，有重點地實施干擾，從雷達分布與當前任務航線的關(guān)系，確定威脅最大的雷達，將關(guān)鍵位置的雷達摧毀。各飛機通過機載自導導引頭搜索雷達目標（搜索雷達的發(fā)射波的頻率），然后搜索發(fā)射波的波源（雷達），攻擊雷達目標。當然，在無人機的飛行和搜索過程中，雷達也可能會發(fā)現(xiàn)無人機，發(fā)現(xiàn)無人機后，雷達將無人機的方位信息傳輸給數(shù)據(jù)庫記錄下來，并實時更新這個數(shù)據(jù)，用來模擬鎖定了無人機，如果鎖定超過10s，則表示無人機被藍方防御系統(tǒng)摧毀。無人機發(fā)現(xiàn)雷達，開始向雷達俯沖，若目標雷達關(guān)機則拉起，直至再次發(fā)現(xiàn)雷達，再發(fā)起俯沖攻擊，最后根據(jù)撞擊點的坐標（即最后時刻的無人機位置信息）計算與雷達坐標的位置距離，若在距離雷達10m 之外，則無人機退出顯示，雷達繼續(xù)工作，若在10m 范圍內(nèi)，即按雷達被摧毀，雷達退出顯示。

注意：在無人機搜索過程中，如果同時搜索到幾個目標，無人機根據(jù)最近原則攻擊最近的雷達目標。多個雷達鎖定一個無人機，只要一個鎖定時間超過界限，則表示無人機被摧毀。

5 結(jié)語

本文采用無人機通用模型，根據(jù)HLA 的仿真系統(tǒng)聯(lián)邦和成員的開發(fā)過程，針對無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的特點和內(nèi)部仿真結(jié)構(gòu)，設(shè)計了系統(tǒng)的聯(lián)邦FOM 模型，并按照HLA 成員程序的設(shè)計流程，開發(fā)了相關(guān)成員模塊。針對具體的仿真想定，通過仿真實驗，驗證了將STAGE 用于基于HLA 的仿真態(tài)勢顯示的可行性。

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