基于SOA的遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)*

方 韜，彭冬亮，呂鵬飛，谷 雨

（通信信息傳輸與融合技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

基于SOA的遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)*

方 韜，彭冬亮，呂鵬飛，谷 雨

（通信信息傳輸與融合技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)是由多平臺(tái)多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，是國(guó)土防空體系的重要組成部分。在對(duì)預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)功能抽象為服務(wù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重用性和可擴(kuò)展性。采用Windows Communication Foundation（WCF）進(jìn)行面向服務(wù)編程，初步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)的部分功能，通過(guò)調(diào)用信息融合算法，綜合利用各類傳感器資源探測(cè)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤任務(wù)。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)及相關(guān)融合算法的有效性。

遠(yuǎn)程預(yù)警，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)仿真，信息融合

0 引言

隱身飛機(jī)、導(dǎo)彈編隊(duì)及各國(guó)近期積極研究的高超聲速飛行器［1-2］等都具有強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、高突防能力、攔截概率小等特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有防空反導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對(duì)這類特殊目標(biāo)，需要采用多平臺(tái)多傳感器組成的遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行前期探測(cè)才有可能為后期攔截提供條件，因此，針對(duì)特殊目標(biāo)對(duì)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行仿真十分必要。

高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA）綜合了分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）和聚合級(jí)仿真協(xié)議（Aggregate Level Simulation Protocol，ALSP）的優(yōu)點(diǎn)，提高了仿真應(yīng)用的互操作性和仿真資源的可重用性，是當(dāng)前軍事仿真中應(yīng)用最廣泛的體系架構(gòu)，但在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)分享、自治、容錯(cuò)以及應(yīng)用程序安全機(jī)制方面還存在不足［3-4］。面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）是分布式軟件系統(tǒng)構(gòu)造方法和環(huán)境發(fā)展的一個(gè)新階段，它以“業(yè)務(wù)和信息技術(shù)相匹配”、“保持靈活性”和“松散耦合”為3大原則，以“服務(wù)”為中心，保持異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)運(yùn)行和編程語(yǔ)言的透明性，構(gòu)建出面向服務(wù)的計(jì)算環(huán)境接口［5］。基于SOA的思想建立的仿真系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)重用性、可組合性以及互操作性的要求。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)基于SOA的仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其中，文獻(xiàn)［6］結(jié)合信息融合系統(tǒng)建設(shè)面臨的問(wèn)題，提出了一個(gè)基于SOA的信息融合系統(tǒng)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)模型，對(duì)采用SOA進(jìn)行信息融合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)［7］利用SOA架構(gòu)建立了3D可視化情報(bào)監(jiān)視偵查系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)流向進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)［8］基于軍事電子信息系統(tǒng)仿真應(yīng)用的需求和特點(diǎn)，提出并分析了基于SOA的軍事仿真系統(tǒng)架構(gòu)模型，同時(shí)對(duì)基于SOA的仿真系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程進(jìn)行了很好的概括，對(duì)基于SOA進(jìn)行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)有一定參考價(jià)值。

本文在對(duì)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于SOA進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，使用WindowsCommunication Foundation（WCF）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該仿真系統(tǒng)的部分功能，并通過(guò)算法測(cè)試驗(yàn)證采用SOA進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

1 基于SOA的遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 遠(yuǎn)程預(yù)警過(guò)程分析

以高超聲速目標(biāo)為例，對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)警的過(guò)程如圖1所示。為達(dá)到遠(yuǎn)程預(yù)警目的，需要綜合利用天基預(yù)警衛(wèi)星、空基預(yù)警飛機(jī)和地基預(yù)警雷達(dá)等進(jìn)行前期預(yù)警探測(cè)，探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合后提供給跟蹤衛(wèi)星等并最終控制武器系統(tǒng)實(shí)施攔截。

圖1 遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警過(guò)程

1.2 基于SOA的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

SOA的核心是服務(wù)，其基本思想是構(gòu)建一個(gè)松散耦合的系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，服務(wù)使用者和服務(wù)提供者唯一共同擁有的是—公開的服務(wù)操作列表和參數(shù)的結(jié)構(gòu)定義?；谶@種架構(gòu)，服務(wù)的使用者不需要知道服務(wù)提供者內(nèi)部的具體信息，只需要生成代理并通過(guò)代理根據(jù)公共服務(wù)列表給定的調(diào)用規(guī)則調(diào)用相關(guān)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“即插即用”的機(jī)制，SOA的概念模型如圖2所示?；赟OA的技術(shù)特點(diǎn)，多平臺(tái)多傳感器遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)基于SOA開發(fā)能夠更好得實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重用性、擴(kuò)展性和兼容性。

圖2 SOA的概念模型

根據(jù)本文目的及仿真需求，系統(tǒng)由目標(biāo)仿真模塊、傳感器模擬模塊、融合中心模塊、傳感器管理模塊、效果評(píng)估模塊以及仿真管理模塊等組成。為達(dá)到系統(tǒng)重用性和擴(kuò)展性要求，將系統(tǒng)功能抽象為目標(biāo)仿真服務(wù)、預(yù)警系統(tǒng)傳感器模擬服務(wù)、信息融合服務(wù)、傳感器管理服務(wù)、效果評(píng)估服務(wù)、仿真管理服務(wù)以及其他服務(wù)。服務(wù)一方面供相應(yīng)功能仿真模塊調(diào)用，進(jìn)行參數(shù)配置以及界面顯示；另一方面，各功能仿真模塊將調(diào)用相關(guān)的服務(wù)完成業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)。圖3是利用SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。

圖3 基于SOA的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)各服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上一節(jié)分析，本節(jié)將介紹各服務(wù)的功能、特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.1 目標(biāo)仿真服務(wù)

目標(biāo)仿真服務(wù)主要針對(duì)高超聲速目標(biāo)、隱身飛機(jī)以及導(dǎo)彈編隊(duì)等特殊目標(biāo)進(jìn)行仿真，根據(jù)各類目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性或彈道特性模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程或彈道［1-2，9］。本服務(wù)需要提供目標(biāo)類型選擇接口、目標(biāo)類型等屬性供目標(biāo)功能仿真模塊調(diào)用。同時(shí)，作為數(shù)據(jù)產(chǎn)生端，為傳感器模擬模塊提供目標(biāo)的位置、姿態(tài)目標(biāo)散射截面積分布（RCS）以及紅外尾焰強(qiáng)度等物理參數(shù)信息，推動(dòng)整個(gè)仿真向前推進(jìn)。

2.2 預(yù)警系統(tǒng)傳感器功能模擬

遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)包括各類雷達(dá)、預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)、預(yù)警飛機(jī)等。遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)包括各類雷達(dá)、預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)、預(yù)警飛機(jī)等。各類傳感器根據(jù)與目標(biāo)的相對(duì)位姿、RCS、紅外火焰強(qiáng)度等信息，計(jì)算各自探測(cè)概率并給出探測(cè)得到的目標(biāo)信息，下面分別對(duì)各類傳感器進(jìn)行說(shuō)明。

2.2.1 紅外探測(cè)仿真服務(wù)

紅外探測(cè)仿真服務(wù)主要模擬紅外預(yù)警衛(wèi)星通過(guò)紅外探測(cè)器接收到的目標(biāo)紅外尾焰強(qiáng)度，計(jì)算出目標(biāo)的方位角與俯仰角，然后通過(guò)最大探測(cè)距離、視場(chǎng)等幾何關(guān)系判斷及探測(cè)概率比較來(lái)綜合判定來(lái)襲目標(biāo)是否被發(fā)現(xiàn)的過(guò)程［9］。

探測(cè)最大距離的簡(jiǎn)化公式如式（1）所示：

對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率可用式（2）進(jìn)行計(jì)算

本文根據(jù)文獻(xiàn)［10］中提供的某型紅外系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到目標(biāo)探測(cè)概率，并與探測(cè)門限進(jìn)行比較來(lái)判斷是否探測(cè)到目標(biāo)。

2.2.2 預(yù)警飛機(jī)仿真服務(wù)

預(yù)警飛機(jī)由于其獨(dú)有的機(jī)動(dòng)預(yù)警及受地球曲率和地形限制小等特點(diǎn)，是遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分［11］，預(yù)警機(jī)能提供目標(biāo)距離以及方位角與俯仰角信息。以某型預(yù)警機(jī)為例，假設(shè)預(yù)警機(jī)巡航速度為780 km/h，巡航高度為9 km，假定以目標(biāo)起點(diǎn)為圓心、半徑為500 km的大圓上巡邏飛行。預(yù)警機(jī)機(jī)載雷達(dá)的最大探測(cè)距離為500 km。假設(shè)其探測(cè)概率Pr與目標(biāo)相對(duì)位置r的關(guān)系如式（3）所示，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，每一時(shí)刻都可以實(shí)時(shí)計(jì)算探測(cè)概率，通過(guò)設(shè)置門限值判斷是否能夠探測(cè)到目標(biāo)。

2.2.3 雷達(dá)功能仿真服務(wù)

針對(duì)雷達(dá)仿真有很多文獻(xiàn)［9，12］給出了功能仿真流程，文獻(xiàn)［12］進(jìn)行雷達(dá)功能模擬。

2.3 信息融合服務(wù)

本服務(wù)嘗試構(gòu)建一個(gè)融合算法庫(kù)，融合中心模塊調(diào)用該算法庫(kù)中的算法對(duì)各類傳感器探測(cè)到的信息進(jìn)行各級(jí)融合。該服務(wù)還需提供算法選擇接口，用戶可根據(jù)需求通過(guò)用戶界面選擇融合算法。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)效果評(píng)估產(chǎn)生的評(píng)估信息對(duì)所使用的融合算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)反饋融合。

由于異類傳感器采樣速率不同，為實(shí)現(xiàn)異類傳感器數(shù)據(jù)融合達(dá)到信息互補(bǔ)目的，本文采用數(shù)據(jù)壓縮方式進(jìn)行時(shí)間同步［13］，量測(cè)融合后的信息使用擴(kuò)展卡爾曼算法進(jìn)行濾波跟蹤，雷達(dá)與紅外數(shù)據(jù)壓縮濾波處理流程如圖4所示。

圖4 雷達(dá)與紅外數(shù)據(jù)壓縮濾波示意圖

2.4 傳感器管理服務(wù)

傳感器管理服務(wù)為仿真提供傳感器管理算法接口，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效探測(cè)與跟蹤需要研究預(yù)警衛(wèi)星的資源調(diào)度算法，各傳感器的指示交接算法等。

2.5 效果評(píng)估服務(wù)

遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)的主要功能是測(cè)試相關(guān)融合算法和傳感器管理算法的有效性，仿真系統(tǒng)的有效性直接影響到仿真系統(tǒng)是否能夠順利實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，因此，有必要對(duì)其效果進(jìn)行評(píng)估。效果評(píng)估分為效能評(píng)估（Measure of Effectiveness，MOE）和性能評(píng)估（Measure of Performance，MOP），本文采用文獻(xiàn)［14-15］所給出的部分能夠滿足本仿真系統(tǒng)評(píng)估需求的指標(biāo)建立了初級(jí)的指標(biāo)體系。由于本系統(tǒng)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)有一定性能要求，因此，有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估［16］。本文建立的指標(biāo)體系如下頁(yè)圖5所示。

2.6 仿真管理服務(wù)

圖5 預(yù)警系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)

如圖6所示，仿真管理服務(wù)主要是對(duì)整個(gè)仿真過(guò)程進(jìn)行管理，包括對(duì)仿真時(shí)間的管理。由于分布式仿真存在時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的異構(gòu)性，即各子模塊有各自內(nèi)部的時(shí)間推進(jìn)機(jī)制，但彼此之間又必須協(xié)調(diào)，因此建立統(tǒng)一的時(shí)間管理機(jī)制是進(jìn)行分布式仿真的關(guān)鍵步驟。參照HLA的時(shí)間管理機(jī)制，本仿真系統(tǒng)采用“可靠傳遞方法+時(shí)間戳順序”的時(shí)間推進(jìn)機(jī)制［17-18］實(shí)現(xiàn)各服務(wù)之間的協(xié)同以及仿真系統(tǒng)的運(yùn)行。建立的仿真管理與時(shí)間管理結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 仿真管理與時(shí)間管理結(jié)構(gòu)模型

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

本仿真系統(tǒng)采用WCF進(jìn)行開發(fā)，建立的基于SOA的遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)軟件界面圖如圖7所示。目前根據(jù)框架設(shè)計(jì)完成了目標(biāo)仿真服務(wù)、融合中心服務(wù)、仿真管理服務(wù)、雷達(dá)仿真服務(wù)、預(yù)警飛機(jī)仿真服務(wù)以及紅外探測(cè)仿服務(wù)中的部分功能，并為需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或結(jié)果顯示的模塊添加了仿真界面，通過(guò)對(duì)界面操作能夠?qū)崿F(xiàn)屬性設(shè)置以及服務(wù)參數(shù)配置。

仿真場(chǎng)景如下：敵方目標(biāo)為高超聲速目標(biāo)，從目標(biāo)的3個(gè)階段進(jìn)行模擬：在助推段，目標(biāo)采用機(jī)載發(fā)射方式，載機(jī)在10 km高度速度為0.8馬赫時(shí)發(fā)射目標(biāo)，目標(biāo)此刻以勻加速（ConstantAcceleration，CA）模型更新狀態(tài)，直至高度達(dá)到30 km，加速度約為102.1904m2/s；在目標(biāo)動(dòng)力飛行段，目標(biāo)采用勻速（Constant Velocity，CV）模型進(jìn)行更新，速度保持6馬赫，高度保持在30 km，運(yùn)行時(shí)間在600 s左右達(dá)到1 224 km的射程；在無(wú)動(dòng)力飛行段目標(biāo)依然采用CA模型更新，目標(biāo)高度從30 km下降到10 km，速度下降到4馬赫，加速度為-42.35m2/s。我方有預(yù)警雷達(dá)，紅外衛(wèi)星和預(yù)警飛機(jī)3類探測(cè)器探測(cè)。其中，雷達(dá)天線增益為0.8 dB，平均發(fā)射功率為360 kw，雷達(dá)綜合損耗13 dB，檢測(cè)門限值u為0.75；紅外探測(cè)衛(wèi)星工作波段為8μm~12μm，水平視場(chǎng)為0.15708 rad，垂直視場(chǎng)為0.117 8 rad，通光孔徑為125mm；預(yù)警飛機(jī)巡航速度780 km/h，巡航高度9 km，預(yù)警飛機(jī)機(jī)載雷達(dá)最大探測(cè)距離為500 km。各傳感器探測(cè)目標(biāo)時(shí)間段如圖8所示。仿真系統(tǒng)在進(jìn)行時(shí)間同步的基礎(chǔ)上采用EKF算法進(jìn)行跟蹤，航跡精度如圖9所示。

圖7 遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)軟件界面

圖8 傳感器探測(cè)時(shí)間

上述仿真結(jié)果說(shuō)明：①仿真系統(tǒng)能夠進(jìn)行交互，初步完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能；②本仿真系統(tǒng)基于SOA架構(gòu)的框架設(shè)計(jì)具有可行性和有效性。后續(xù)工作將集中于效果評(píng)估和傳感器管理的研究上，將本系統(tǒng)構(gòu)建成數(shù)據(jù)交互通暢、結(jié)構(gòu)合理且融合與管理功能完善的遠(yuǎn)程預(yù)警仿真系統(tǒng)。

圖9 融合濾波航跡精度

4 結(jié)論

本文針對(duì)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)基于SOA進(jìn)行了框架設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)說(shuō)明了主要服務(wù)的功能和實(shí)現(xiàn)流程。最后采用.Net Framework 4.0提供的WCF進(jìn)行軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的部分功能并通過(guò)算法調(diào)用驗(yàn)證了基于SOA設(shè)計(jì)的分布式軟件框架的可行性。由于采用SOA進(jìn)行設(shè)計(jì)，本仿真系統(tǒng)具有良好的重用性和可擴(kuò)展性。

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Research and Realization of Distant EarlyW arning System Simulation Based on ServiceOriented Architecture

FANGTao，PENGDong-liang，Lü Peng-fei，GUYu
（Fundamental Science on Communication Information Transmission and Fusion Technology Laboratory，Hangzhou 310018，China）

Distant early warning system（DEWS），which consists ofmultiple platforms andmultiple sensors，is an important component of territory air defense system.The architecture of the simulation system based on Service Oriented Architecture （SOA）is presented through analyzing the process of early warning，and the system functionalmodels are abstracted as service to achieve strong reusability and expandability.Windows Communication Foundation （WCF） is adopted for service oriented programming，and the partial functions of DEWS are implemented.By designing appropriate fusion algorithms，target detection and tracking tasks are realized using multiple sensors information comprehensively.The effectiveness of the simulation system and related fusion algorithms are demonstrated.

distantearlywarning，SOA，system simulation，information fusion

TP311.5

A

1002-0640（2015）11-0106-05

2014-10-15

2014-11-07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃基金（2012CB821200）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61174024）

方 韜（1990- ），男，安徽宣城人，碩士研究生。研究方向：信息融合及仿真系統(tǒng)構(gòu)建。