基于XMSF的預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)

初 劍，謝燕軍

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

目前，世界各軍事強(qiáng)國均十分重視預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，美、俄等軍事強(qiáng)國已建立起由海、陸、空、天等手段組成的全方位一體化的預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)，為導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)及空間攻防作戰(zhàn)提供信息支持［1］。我國的預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)尚處于起步階段，由于體系復(fù)雜、各分系統(tǒng)之間的交互緊密等多方面原因，在開展大規(guī)模的預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)建設(shè)前，需要開發(fā)預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)對(duì)戰(zhàn)略預(yù)警體系、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行驗(yàn)證與完善。

國內(nèi)外學(xué)者都十分重視預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)的研究:文獻(xiàn)［2］中通過構(gòu)建基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的分布式反導(dǎo)預(yù)警仿真系統(tǒng)，用于分析反導(dǎo)預(yù)警仿真系統(tǒng)中的仿真實(shí)體間的交互關(guān)系;文獻(xiàn)［3］中分析了基于HLA的反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的對(duì)象模型設(shè)計(jì);文獻(xiàn)［4］中研究了一種HLA/CORBA互聯(lián)模式，以增強(qiáng)系統(tǒng)的分布交互能力;文獻(xiàn)［5］中對(duì)導(dǎo)彈防御進(jìn)行了研究。

在上述研究中，大多采用基于HLA的仿真體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)建仿真系統(tǒng)，但隨著仿真應(yīng)用的逐步深入，HLA本身的缺陷也同時(shí)呈現(xiàn)出來，如建立的模型可重用性差、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、不同廠商的運(yùn)行支撐環(huán)境(Run-Time Infrastructor，RTI)之間交互有限、與一些通用的中間件標(biāo)準(zhǔn)(CORBA、DDS等)脫節(jié)。針對(duì)HLA在應(yīng)用領(lǐng)域的以上缺陷，美軍發(fā)起了可擴(kuò)展建模與仿真框架(Extensible Modeling and Simulation Framework，XMSF)項(xiàng)目，嘗試?yán)肳eb技術(shù)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)建模與仿真的通用框架，以提高各仿真應(yīng)用在高度分布的網(wǎng)絡(luò)上的互操作，支持模型組件組合和重用。

為有效利用Web技術(shù)，本文研究了基于XMSF的預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)，討論了XMSF對(duì)仿真系統(tǒng)的擴(kuò)充方法，介紹了仿真系統(tǒng)的組成、軟件體系結(jié)構(gòu)、仿真模型設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。

1 可擴(kuò)展建模與仿真框架

XMSF是為建模與仿真定義的一組基于Web的標(biāo)準(zhǔn)、描述和實(shí)踐指南的集合［6］。同時(shí)，XMSF也是針對(duì)具體技術(shù)解決方案的一組標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)XMSF的關(guān)鍵技術(shù)來自以下四個(gè)核心領(lǐng)域:Web/XML、Internet/網(wǎng)絡(luò)、建模與仿真、仿真組件與作戰(zhàn)系統(tǒng)集成。各技術(shù)領(lǐng)域之間并沒有嚴(yán)格的劃分界限。

XMSF的提出并不是用來取代HLA的，而是針對(duì)HLA的不足，進(jìn)行擴(kuò)展與補(bǔ)充。在文獻(xiàn)［6-7］中介紹了多種利用Web技術(shù)對(duì)HLA進(jìn)行擴(kuò)展的方法，但總體來說，都集中在以下兩個(gè)方面:

1)利用橋接代理進(jìn)行擴(kuò)展，在HLA聯(lián)邦中增加代理成員，代理成員與其他應(yīng)用之間通過Web進(jìn)行通信連接，該方法思路簡(jiǎn)潔，但針對(duì)不同的系統(tǒng)，需定制相應(yīng)的傳輸消息的XML格式;

2)利用Web服務(wù)對(duì)聯(lián)邦運(yùn)行支撐環(huán)境RTI進(jìn)行改造，該方法不但支持HLA提供的狀態(tài)共享、時(shí)間管理、同步等服務(wù)，也支持跨平臺(tái)及廣域通信。

比較而言，前者的應(yīng)用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，后者比前者更具有靈活性及使用性，但對(duì)現(xiàn)有HLA系統(tǒng)的改動(dòng)大。

2 預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)組成

預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)主要目的是為戰(zhàn)略預(yù)警體系、關(guān)鍵技術(shù)研究、模擬訓(xùn)練等提供驗(yàn)證的平臺(tái)。通過對(duì)仿真系統(tǒng)的不斷建設(shè)與完善，來支持對(duì)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的研究。該仿真系統(tǒng)應(yīng)包含以下功能模塊:作戰(zhàn)實(shí)體的仿真，想定編輯功能，導(dǎo)演控制功能、錄取、回放及評(píng)定功能，仿真數(shù)據(jù)庫。

1)作戰(zhàn)實(shí)體的仿真

需要仿真的作戰(zhàn)實(shí)體主要包括預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)輔助實(shí)體組成。預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)主要包含天基傳感器、地基傳感器、?；鶄鞲衅?、空基傳感器、情報(bào)處理中心、指揮控制中心等;輔助實(shí)體包含各型號(hào)的飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、巡航導(dǎo)彈等探測(cè)目標(biāo)，自然環(huán)境、電磁環(huán)境等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及武器系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)需支持后續(xù)新型號(hào)裝備的仿真。

2)想定編輯功能

想定編輯主要是描述各作戰(zhàn)實(shí)體及其相應(yīng)位置、活動(dòng)路線等信息。

在預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)中，想定編輯的內(nèi)容如下:紅藍(lán)雙方的設(shè)定、作戰(zhàn)環(huán)境的設(shè)定、傳感器等作戰(zhàn)裝備的設(shè)定、探測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征設(shè)定等。仿真總控人員可根據(jù)不同的作戰(zhàn)想定要求，利用想定編輯功能編輯相應(yīng)的想定，供各仿真分系統(tǒng)使用。

3)導(dǎo)演控制功能

作為仿真的調(diào)控方，導(dǎo)演控制管理與監(jiān)控著整個(gè)仿真過程的運(yùn)行。在仿真準(zhǔn)備階段負(fù)責(zé)想定的分發(fā)、部署作戰(zhàn)實(shí)體到相關(guān)席位;在仿真運(yùn)行階段，負(fù)責(zé)仿真運(yùn)行控制、作戰(zhàn)實(shí)體模型之間的數(shù)據(jù)交互控制、仿真時(shí)間控制;在仿真結(jié)束階段，負(fù)責(zé)仿真數(shù)據(jù)的入庫，結(jié)束各仿真系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)，在仿真過程中可根據(jù)需要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行調(diào)整，如探測(cè)目標(biāo)的航線、發(fā)射導(dǎo)彈等。

4)錄取、回放及評(píng)定功能

錄取、回放及評(píng)定功能是仿真系統(tǒng)的重要組成部分。它的主要功能包括錄取仿真過程中產(chǎn)生和接收的各種數(shù)據(jù)，并保存到指定數(shù)據(jù)庫中;能夠在仿真結(jié)束后對(duì)仿真過程進(jìn)行回放，可對(duì)回放過程進(jìn)行控制;能夠結(jié)合產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用專業(yè)的評(píng)估體系及指標(biāo)數(shù)學(xué)模型對(duì)仿真過程進(jìn)行評(píng)估，可根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)想定部署等進(jìn)行優(yōu)化處理。

5)仿真數(shù)據(jù)庫

仿真數(shù)據(jù)庫主要實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的有效存儲(chǔ)和管理，包括想定數(shù)據(jù)庫、裝備性能數(shù)據(jù)庫、仿真模型庫、回放數(shù)據(jù)庫、二維和三維軍標(biāo)庫等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

為實(shí)現(xiàn)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的以上功能，同時(shí)利用現(xiàn)有的Web技術(shù)，本文提出了基于XMSF的預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)，其功能框架圖如圖1所示。

圖1 基于XMSF的預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)功能框架圖

通常XMSF多應(yīng)用于廣域網(wǎng)上對(duì)數(shù)據(jù)交互性能要求不高的分布式系統(tǒng)［8］，因而在設(shè)計(jì)中，將數(shù)據(jù)交互性能要求高的仿真成員如目標(biāo)類仿真、傳感器類仿真、武器類仿真、導(dǎo)演控制等置于基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)的運(yùn)行框架范圍內(nèi);通過橋接代理，獲取運(yùn)行框架內(nèi)的數(shù)據(jù)，以供Web服務(wù)器端發(fā)布數(shù)據(jù)使用;各評(píng)估分析、態(tài)勢(shì)顯示等作為Web客戶端程序，結(jié)合本地的評(píng)估模型、態(tài)勢(shì)顯示模型，服務(wù)器端提供數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真過程的分析與顯示。下文中將重點(diǎn)分析仿真模型設(shè)計(jì)、基于DDS的運(yùn)行支撐框架、橋接代理、基于Web服務(wù)的擴(kuò)展等方面的設(shè)計(jì)。

3.1 仿真模型設(shè)計(jì)

在預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)中，需建立的預(yù)警裝備、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、評(píng)估分析等模型的種類眾多，模型之間的關(guān)系比較復(fù)雜，為解決模型的可重用與可組合，采用組件化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行建模。通過選擇不同的組件組合，以形成滿足用戶需要的模型。

在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，需要開發(fā)的組件模型類型包含平臺(tái)組件、裝備組件、行為組件、指標(biāo)分析組件等。其中，平臺(tái)組件模型模擬了作戰(zhàn)實(shí)體的基本工作流程，約束了作戰(zhàn)實(shí)體的物理組成結(jié)構(gòu)，規(guī)定了實(shí)體可具備的目標(biāo)屬性包括作戰(zhàn)飛機(jī)平臺(tái)、艦船平臺(tái)、衛(wèi)星平臺(tái)、導(dǎo)彈平臺(tái)、雷達(dá)站平臺(tái)等;裝備組件模擬了各類裝備的固有物理屬性和作戰(zhàn)能力，包括機(jī)動(dòng)組件、通信組件、干擾組件、武器組件、傳感器組件等;行為組件模擬了作戰(zhàn)實(shí)體在作戰(zhàn)過程中的認(rèn)知行為，包括戰(zhàn)術(shù)任務(wù)組件、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則組件等;指標(biāo)分析組件模型包含了多種預(yù)警探測(cè)評(píng)估指標(biāo)，如覆蓋系數(shù)、重疊系數(shù)等。

通過上述模型的組件化設(shè)計(jì)，組合不同的組件并配置相應(yīng)的戰(zhàn)技指標(biāo)，可形成預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)中所需要的各類模型，如遠(yuǎn)程預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)模型、多功能地基雷達(dá)模型、天波超視距雷達(dá)模型、紅外預(yù)警衛(wèi)星模型、預(yù)警機(jī)模型、彈道導(dǎo)彈模型等。具體來說，預(yù)警機(jī)模型可由預(yù)警機(jī)平臺(tái)組件、預(yù)警機(jī)機(jī)動(dòng)組件、傳感器組件、通信組件、行為組件等組合，并配置型號(hào)預(yù)警機(jī)的戰(zhàn)技參數(shù)。

3.2 基于DDS的運(yùn)行支撐框架

由于HLA支持實(shí)時(shí)仿真的效果不好，本文提出了基于DDS的運(yùn)行支撐框架，該運(yùn)行支撐框架可對(duì)仿真成員間數(shù)據(jù)交互、時(shí)間推進(jìn)等進(jìn)行控制。仿真成員之間通過訂閱與發(fā)布機(jī)制交互信息。

3.3 橋接代理

橋接代理的主要作用是加入到DDS運(yùn)行支撐框架中，獲取并解析需要的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Web服務(wù)器中。主要含有以下兩個(gè)方面功能:

1)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)仿真的需求，可選擇需要訂購的信息類型，利用該信息對(duì)橋接代理進(jìn)行初始化工作;在仿真過程中，橋接代理會(huì)根據(jù)選擇訂購的信息類型收集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

2)數(shù)據(jù)解析

對(duì)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，并以需要的格式傳送到Web服務(wù)器中。

針對(duì)不同的仿真系統(tǒng)可配置多個(gè)橋接成員進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與解析。

3.4 基于Web服務(wù)的擴(kuò)展

在本文設(shè)計(jì)的預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)中，利用Web服務(wù)對(duì)預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展，使得用戶可以通過Web服務(wù)的方式在遠(yuǎn)程異地調(diào)用所需的功能。Web服務(wù)的發(fā)布采用B/S結(jié)構(gòu)，含Web客戶端和Web服務(wù)器端兩部分。

在預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)中，Web客戶端應(yīng)用程序含評(píng)估分析、態(tài)勢(shì)顯示等?？蛻舳藨?yīng)用程序?yàn)闉g覽器界面，可分布在Internet上。用戶可通過瀏覽器界面從Web服務(wù)器端調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)組件和數(shù)據(jù)。

Web服務(wù)器端主要提供地圖組件、數(shù)據(jù)發(fā)布器等，各模塊之間相互協(xié)調(diào)提供服務(wù)。在地圖組件中含有基礎(chǔ)戰(zhàn)場(chǎng)信息;數(shù)據(jù)發(fā)布器用于從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)服務(wù)，為客戶端提供數(shù)據(jù)支持。如評(píng)估分析席位，利用本席位上評(píng)估分析模型調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)來對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。態(tài)勢(shì)顯示席位利用本地的軍標(biāo)庫、三維模型庫等調(diào)用基礎(chǔ)地圖信息服務(wù)及態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)生二維和三維的場(chǎng)景。

4 結(jié)束語

本文提出了基于XMSF的預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)。通過上文的研究可得出以下結(jié)論:基于XMSF的預(yù)警探測(cè)仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)跨地域的仿真，是今后預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)仿真發(fā)展的方向;后續(xù)可進(jìn)一步擴(kuò)展到預(yù)警探測(cè)的各系統(tǒng)之間的聯(lián)合模擬訓(xùn)練等應(yīng)用。

［1］ 梁 劍.預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)及其雷達(dá)技術(shù)研究綜述［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(5):11-14.Liang Jian.A review of early warning surveillance systems and their radar technology［J］.Modern Radar，2009，31(5):11-14.

［2］ 尹康銀，楊兆民，楊吉明，等.一種基于HLA的反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng)仿真研究［J］.空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27(5):366-369.Yin Kangyin，Yang Zhaomin，Yang Jiming，et al.Research and simulation of anti-missile early warning system based on HLA［J］.Journal of Air Force Radar Academy，2013，27(5):366-369.

［3］ 陳烺中，李為民，周 燕.HLA的天基信息支援下反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)OM設(shè)計(jì)［J］.火力與指揮控制，2007，32(5):31-33，36.Chen Langzhong，Li Weiming，Zhou Yan，Design of object model of ATBM simulation system under the satellite support based on HLA［J］.Fire Control and Command Control，2007，32(5):31-33，36.

［4］ 王 琰，蔣 旭，劉正堂.某預(yù)警雷達(dá)對(duì)抗推演系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(17):23-26.Wang Yan，Jiang Xu，Liu Zhengtang.Design and development of war-gaming system for early-warning radar countermeasure［J］.Modern Electronics Technique，2013，36(17):23-26.

［5］ 王愛華，劉 仁，郭桂志.基于HLA的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(6):197-199.Wang Aihua，Liu Ren ，Guo Guizhi.Research missile defence and air defense simulation system based on HLA［J］.Microcomputer Information，2009，25(6):197-199.

［6］ 何德宇，張仁波.基于XMSF的作戰(zhàn)仿真模型集成設(shè)計(jì)［J］. 兵工自動(dòng)化，2013，32(5):28-30，35.He Deyu，Zhang Renbo.Integrating design of operation simulation models based on XMSF［J］.Ordnance Industry Automation，2013，32(5):28-30，35.

［7］ 馬良荔，劉桂峰，孫煜飛，等.基于XMSF的艦船全數(shù)字仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，41(3):488-491，507.Ma Liangli，Liu Guifeng，Sun Yufei，et al.Framework design of ship full digital simulation system based on XMSF［J］.Computer＆ Digital Engineering，2013，41(3):488-491，507.

［8］ 鐘 蔚，龔建興，郝建國，等.Web Enabling HLA:XMSF下Web-RTI的研究與開發(fā)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(18):5749-5753.Zhong Wei，Gong Jianxing，Hao Jianguo，et al.Web Enabling HLA:research and developing of Web-RTI on XMSF［J］.Journal of System Simulation，2009，21(18):5749-5753.