HLA框架構(gòu)建空戰(zhàn)導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)效能設(shè)計(jì)*

王征，朱冰，余瑞星

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安　710065; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安　710072)

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HLA框架構(gòu)建空戰(zhàn)導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)效能設(shè)計(jì)*

王征1，朱冰1，余瑞星2

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710065; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安710072)

摘要：武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能是指在攻防對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下完成規(guī)定任務(wù)的能力，武器系統(tǒng)的效能是研制、使用該系統(tǒng)所追求的總目標(biāo)。為獲得空戰(zhàn)導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)效能，避免傳統(tǒng)主觀評(píng)價(jià)帶來(lái)的缺陷，設(shè)計(jì)了采用仿真方法評(píng)價(jià)空戰(zhàn)導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)效能的架構(gòu)。設(shè)計(jì)了基于HLA(high level architecture)的空戰(zhàn)仿真框架和組成模塊，對(duì)HLA的盟員進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，規(guī)劃了接口，提出了能夠保證仿真實(shí)時(shí)性的整體方案。

關(guān)鍵詞：仿真；高級(jí)體系結(jié)構(gòu)；作戰(zhàn)效能；軟件

0引言

武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能反映了武器系統(tǒng)最本質(zhì)的特征，是評(píng)價(jià)武器系統(tǒng)優(yōu)劣最重要的綜合性指標(biāo)，是武器裝備作戰(zhàn)對(duì)抗的動(dòng)力和判斷勝負(fù)的主要依據(jù)[1]。隨著武器種類(lèi)不斷增加，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日新月異，單憑軍事專家的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)，客觀、快捷、有效的評(píng)估方法成為發(fā)展的必然需要[2-3]。數(shù)字仿真可以將模型動(dòng)態(tài)地展示出來(lái)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推演能極大地模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，從而在各種對(duì)抗環(huán)境下計(jì)算作戰(zhàn)效能，且極大地降低成本。而HLA(high level architecture)作為新一代仿真架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為仿真的構(gòu)建、重用、擴(kuò)展，分布交互打下了良好的基礎(chǔ)，基于HLA構(gòu)架可以運(yùn)用其仿真架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，對(duì)武器效能更好地評(píng)估。

1空戰(zhàn)實(shí)體模塊

空戰(zhàn)分為超視距、視距空戰(zhàn)2部分。當(dāng)機(jī)載或指揮機(jī)雷達(dá)開(kāi)始搜索目標(biāo)后，敵我態(tài)勢(shì)顯示在平視顯示器上，雷達(dá)截獲目標(biāo)后，轉(zhuǎn)入自動(dòng)跟蹤，駕駛員作出有利于己方的機(jī)動(dòng)并發(fā)射導(dǎo)彈。還要進(jìn)行視距空戰(zhàn)——使用近距格斗彈在光電雷達(dá)、火控系統(tǒng)下的格斗。所以需要研究導(dǎo)彈飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型、雷達(dá)模型。完整的空戰(zhàn)模型如圖1所示[4-6]。

圖1　空戰(zhàn)仿真模型Fig.1　Air combat simulation model

1.1空空彈模塊

空空彈按照發(fā)射方式有前置、后置、大離軸甚至越肩發(fā)射；按距離分為近程、中程、遠(yuǎn)程；按照控制方式有普通的氣動(dòng)力、推力矢量乃至直接力控制；按導(dǎo)引律不同有古典導(dǎo)引律、新型導(dǎo)引律等；同樣是氣動(dòng)力控制，也有側(cè)滑轉(zhuǎn)彎、傾斜轉(zhuǎn)彎等。需要對(duì)不同種類(lèi)建模六自由度全量的非線性運(yùn)動(dòng)方程[7]，為解決奇點(diǎn)問(wèn)題采用四元素法，對(duì)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)建模包括相同的俯仰、偏航通道以及滾動(dòng)通道。

1.2飛機(jī)模塊

飛機(jī)與導(dǎo)彈不同：導(dǎo)彈具有導(dǎo)引大回路，其舵偏等控制指令由導(dǎo)引頭輸出的信號(hào)經(jīng)彈載計(jì)算機(jī)算出；而飛機(jī)的操縱面需要經(jīng)由駕駛員通過(guò)控制桿輸入，并且在飛機(jī)控制系統(tǒng)作用下偏轉(zhuǎn)。飛機(jī)的仿真模型由飛機(jī)本體的動(dòng)力學(xué)[8]、飛行控制系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖2。

圖2　飛機(jī)模型Fig.2　Plane model

駕駛員指令信號(hào)與系統(tǒng)反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)飛行控制系統(tǒng)模型的解算得到操縱面偏角；操縱面偏角信號(hào)在經(jīng)過(guò)飛機(jī)本體動(dòng)力學(xué)方程解算后得到飛機(jī)本體所受的外力與力矩；這些力與力矩經(jīng)飛機(jī)本體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的解算后得到飛機(jī)的各種響應(yīng)，如ωz，ny，α，β等。

1.3雷達(dá)模塊

空戰(zhàn)采用雷達(dá)等探測(cè)系統(tǒng)來(lái)搜索、跟蹤目標(biāo)，提供目標(biāo)距離和方位等信息[4-5]。光電雷達(dá)屬于無(wú)源探測(cè)，抗干擾能力強(qiáng)，能從較遠(yuǎn)的距離發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)。而機(jī)載雷達(dá)空戰(zhàn)時(shí)更要根據(jù)雷達(dá)不同作模式特點(diǎn)及作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)情況使用——狀態(tài)分為搜索狀態(tài)、截獲狀態(tài)、跟蹤狀態(tài)。雷達(dá)掃描的空間角度區(qū)域不同，則搜索的周期也不同。搜索狀態(tài)和截獲狀態(tài)屬于大區(qū)掃描，周期為T(mén)1較大；跟蹤狀態(tài)為小區(qū)掃描，周期為T(mén)2較小。雷達(dá)一開(kāi)始處于搜索狀態(tài)，當(dāng)搜索到目標(biāo)并且不丟失就可以轉(zhuǎn)化為截獲狀態(tài)，然后飛行員可以手動(dòng)將雷達(dá)“聚焦”，實(shí)現(xiàn)小區(qū)掃描的跟蹤狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下雷達(dá)可以觀察到的目標(biāo)距離反而更遠(yuǎn)。如果丟失了目標(biāo)，但在極限時(shí)間內(nèi)又找回目標(biāo)，那么認(rèn)為目標(biāo)沒(méi)有發(fā)生丟失，否則回到搜索狀態(tài)。雷達(dá)搜索模型如圖3所示。

2火控計(jì)算模塊

包括空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅評(píng)估和排序、目標(biāo)分配和火力分配、空空導(dǎo)彈可攻擊區(qū)。

2.1目標(biāo)威脅排序與目標(biāo)分配模塊

威脅評(píng)估是為了評(píng)估出敵機(jī)對(duì)我機(jī)的威脅程度。一般來(lái)說(shuō)，空戰(zhàn)中的威脅指數(shù)算法按照典型的圖4所示模型來(lái)計(jì)算。

上述各個(gè)威脅因子的取值都是0～1，這時(shí)選取適當(dāng)?shù)臋?quán)系數(shù)，總的目標(biāo)威脅度可以計(jì)算為它們的加權(quán)和。在得到威脅度后，目標(biāo)排序的過(guò)程如圖5所示。

圖3　雷達(dá)搜索模型Fig.3　Radar search model

圖4　空戰(zhàn)威脅指標(biāo)Fig.4　Air combat threat index

圖5　空戰(zhàn)排序Fig.5　Air combat sorting

2.2可攻擊區(qū)計(jì)算模塊

導(dǎo)彈可攻擊區(qū)一般有發(fā)射包線和捕獲區(qū)2種描述方式。發(fā)射包線指目標(biāo)周?chē)?，能在一定攻擊條件下以某種概率命中目標(biāo)的載機(jī)初始位置范圍。殺傷區(qū)指載機(jī)周?chē)瑢?dǎo)彈可以在一定條件下以某種概率命中目標(biāo)的目標(biāo)初始位置范圍。對(duì)于該區(qū)域，通過(guò)仿真計(jì)算后擬合得到[9]。

計(jì)算時(shí)物理模型假設(shè)條件：①認(rèn)為目標(biāo)和導(dǎo)彈在同一高度的同一平面內(nèi)；②導(dǎo)彈和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)均為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，作用在導(dǎo)彈上的力為推力、阻力、側(cè)力；③目標(biāo)的各種機(jī)動(dòng)都可以看成一系列不同初始條件下、不同過(guò)載機(jī)動(dòng)的組合，故仿真中只研究目標(biāo)為某初始條件采用固定過(guò)載機(jī)動(dòng)的情況；④忽略控制系統(tǒng)慣性及彈體姿態(tài)變化的慣性，忽律各種隨機(jī)干擾。

仿真限制條件：①導(dǎo)引頭工作距離，截獲目標(biāo)的距離；②彈上能源工作時(shí)間限制最大制導(dǎo)時(shí)間；③引信需要的導(dǎo)彈最小相對(duì)速度限制，引信需要的最大相對(duì)速度限制；④導(dǎo)引頭視角范圍限制；⑤引信解除保險(xiǎn)時(shí)間限制；⑥導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，目標(biāo)線移動(dòng)角速度限制；⑦導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的初始離軸角限制；⑧導(dǎo)彈的需用過(guò)載不能大于可用過(guò)載；⑨導(dǎo)彈其他性能參數(shù)的限制：如進(jìn)入有控飛行的時(shí)間、主動(dòng)段完成進(jìn)入被動(dòng)斷的時(shí)間等；⑩BTT、推力矢量控制導(dǎo)彈等所具有的特殊限制條件等。殺傷區(qū)計(jì)算流程如圖6所示。

圖6　攻擊區(qū)仿真流程圖Fig.6　Fighter engagement zone calculating

3末端效能模塊

導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)的毀傷，是近炸引信作用下，飛散出戰(zhàn)斗部實(shí)現(xiàn)毀傷[10-12]。末端的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得可以忽略導(dǎo)彈制導(dǎo)回路，看成相對(duì)勻速直線的運(yùn)動(dòng)，而作戰(zhàn)效能取決于引信與戰(zhàn)斗部配合，具體因素有：導(dǎo)彈與目標(biāo)相遇條件、環(huán)境條件、目標(biāo)特性、戰(zhàn)斗部類(lèi)型與參數(shù)和引信參數(shù)。該模塊采用蒙特卡羅方法計(jì)算。其計(jì)算流程如圖7所示。

圖7　蒙特卡羅殺末端效能計(jì)算流程Fig.7　Monte Carlo kill terminal efficiency calculation process

主要包括：引信啟動(dòng)區(qū)模塊、引信啟動(dòng)概率模塊、破片的飛散特性模塊、目標(biāo)命中的破片數(shù)模塊、單破片殺傷概率模塊、坐標(biāo)殺傷規(guī)律模塊。

4HLA仿真架構(gòu)

HLA主要目的是促進(jìn)仿真應(yīng)用的互操作性和仿真資源的可重用性。HLA的本質(zhì)目的是促進(jìn)仿真互操作性、代碼重用性、分布交互的實(shí)現(xiàn)[13-15]。

4.1基于HLA仿真的開(kāi)發(fā)

可以描述為下列的行為——按照HLA的10條規(guī)則，根據(jù)模型模板(OMT)建立聯(lián)邦對(duì)象模型(FOM)，HLA仿真的對(duì)象模型(SOM)(或是依據(jù)已有的FOM，SOM通過(guò)修改或直接應(yīng)用，正好體現(xiàn)了仿真的重用)，仿真過(guò)程中，調(diào)用接口規(guī)范的API，即調(diào)用HLA里由RTI提供的各種服務(wù)[16-17]。系統(tǒng)組成如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)組成Fig.8　System composition

(1) 首先定義枚舉類(lèi)型Plane_damage,表示飛機(jī)毀傷的不同程度。

(2) 定義運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型，能夠保存飛行器的位置、速度以及姿態(tài)信息。

(3) 仿真對(duì)象模型SOM的設(shè)計(jì)。仿真系統(tǒng)中可以看出一共有9個(gè)聯(lián)邦成員，兩方的雷達(dá)、飛機(jī)和導(dǎo)彈盟員各自擁有一個(gè)雷達(dá)類(lèi)Radar、飛機(jī)類(lèi)Plane、導(dǎo)彈類(lèi)Missile的一個(gè)實(shí)例，負(fù)責(zé)其屬性的更新；時(shí)間總控盟員擁有一個(gè)時(shí)間的實(shí)例；三維顯示盟員和數(shù)據(jù)記錄盟員不含有任何對(duì)象類(lèi)實(shí)例，但要求訂閱相應(yīng)的對(duì)象屬性。

SOM的發(fā)布/訂閱關(guān)系：飛機(jī)盟員發(fā)布飛機(jī)實(shí)例的屬性，訂閱飛機(jī)、導(dǎo)彈類(lèi)和雷達(dá)類(lèi)、時(shí)間類(lèi)的全部屬性，訂閱開(kāi)火類(lèi)、爆炸類(lèi)；導(dǎo)彈盟員發(fā)布導(dǎo)彈實(shí)例的屬性，訂閱飛機(jī)類(lèi)；雷達(dá)盟員擁有雷達(dá)實(shí)例，負(fù)責(zé)其屬性的更新，并且訂閱飛機(jī)類(lèi)、導(dǎo)彈類(lèi)的所有屬性；時(shí)間總控盟員擁有時(shí)間類(lèi)實(shí)例，發(fā)布其屬性，不訂閱任何其他對(duì)象類(lèi)屬性或者交互；三維顯示、數(shù)據(jù)記錄盟員訂閱所有對(duì)象的屬性，不發(fā)布任何對(duì)象實(shí)例。

(4) FOM中的對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)分析，F(xiàn)OM通過(guò)合并綜合SOM形成。

對(duì)象、交互類(lèi)層次關(guān)系及屬性如表1所示。

表1　對(duì)象、交互類(lèi)層次關(guān)系及屬性

4.2接口規(guī)范

(1) 聯(lián)邦管理服務(wù)

HLA 聯(lián)邦管理服務(wù)主要是指對(duì)一個(gè)聯(lián)邦執(zhí)行的創(chuàng)建、動(dòng)態(tài)控制、修改和刪除、存儲(chǔ)和恢復(fù)、同步等。

(2) 聯(lián)邦對(duì)象管理服務(wù)

實(shí)現(xiàn)對(duì)象實(shí)例的注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)、屬性值的更新與反射、交互實(shí)例的發(fā)送與接收以及對(duì)象實(shí)例的刪除與移去等功能。仿真開(kāi)始，飛機(jī)雷達(dá)及時(shí)間控制盟員向RTI注冊(cè)對(duì)象實(shí)例并負(fù)責(zé)屬性更新。雷達(dá)盟員“發(fā)現(xiàn)敵機(jī)”，由雷達(dá)盟員向RTI公布導(dǎo)彈對(duì)象類(lèi)，并注冊(cè)導(dǎo)彈實(shí)例。

(3) 所有權(quán)管理服務(wù)

當(dāng)雷達(dá)盟員注冊(cè)了導(dǎo)彈實(shí)例后，雷達(dá)盟員自動(dòng)獲得了導(dǎo)彈實(shí)例的屬性所有權(quán)，這時(shí)要將它的所有權(quán)轉(zhuǎn)交到導(dǎo)彈盟員手中，由導(dǎo)彈盟員負(fù)責(zé)其屬性的更新，計(jì)算它的位置、姿態(tài)等。當(dāng)導(dǎo)彈實(shí)例爆炸后需要?jiǎng)h除時(shí)，導(dǎo)彈盟員需要放棄導(dǎo)彈實(shí)例屬性所有權(quán)，進(jìn)一步進(jìn)行刪除。

(4) 其他管理服務(wù)

考慮到仿真并不復(fù)雜，不采用數(shù)據(jù)分發(fā)管理。

(5) 時(shí)間管理

在HLA中時(shí)間的管理是很重要[18-20]。為了實(shí)現(xiàn)同步機(jī)制，采用硬件成本太大，采用軟件RTI計(jì)算要花費(fèi)大量時(shí)間判斷、計(jì)算，即使網(wǎng)絡(luò)條件良好、計(jì)算機(jī)計(jì)算也沒(méi)延遲，整個(gè)聯(lián)邦也會(huì)因?yàn)镽TI的時(shí)間消耗跟不上真實(shí)時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)人在回路的空戰(zhàn)仿真，設(shè)立一個(gè)總控時(shí)間盟員，只發(fā)出時(shí)間消息，來(lái)進(jìn)行控制，由于它到其他盟員具有同樣延遲，那么其他盟員可以看成相互間同步。

5系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)

MAK是MAK TECH公司生產(chǎn)的最新作戰(zhàn)仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)[21]，包括VR-Link，RTI，VR-Forces，Stealth，Data Logger 等主要模塊，實(shí)現(xiàn)了如計(jì)算機(jī)兵力生成、紅藍(lán)對(duì)抗、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境二維態(tài)勢(shì)顯示，三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境顯示、仿真過(guò)程記錄和回放，是目前CGF 領(lǐng)域最好的軟件之一。它為分布式交互仿真從HLA/DIS底層開(kāi)發(fā)到高層應(yīng)用提供了一系列的解決方案，在分布式仿真應(yīng)用中取得了明顯的優(yōu)勢(shì)和效益。

仿真的開(kāi)發(fā)采用C++為語(yǔ)言，利用軟件API的方式，對(duì)軟件提供的DLL等進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，充分利用其HLA機(jī)制，減小了開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和難度。開(kāi)發(fā)中，遵從模型設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)對(duì)于時(shí)間管理部分，利用時(shí)間總控來(lái)發(fā)出消息，收到后進(jìn)行tick推進(jìn)，與此同時(shí)利用Stealth模塊實(shí)現(xiàn)顯示盟員的功能，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)較小的情況下，達(dá)到了良好的效果，大部分模塊時(shí)間計(jì)算特性不會(huì)太長(zhǎng)，仿真結(jié)束即停止。

但對(duì)于末端效能模塊，由于需要反復(fù)循環(huán)計(jì)算計(jì)算量大，所以在仿真前段結(jié)束后，需要專門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在該段處理過(guò)程中，面對(duì)不同的彈體參數(shù)下，獲得不同的殺傷概率結(jié)果。如圖9，10所示，通過(guò)仿真，獲得了相同的交互參數(shù)，再通過(guò)設(shè)置不同的彈體參數(shù)，分析得到了末端效能與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系。

圖9　殺傷概率和引信延遲時(shí)間關(guān)系Fig.9　Relationship of kill probability and fuze delay time

圖10　殺傷概率和引信起爆角關(guān)系Fig.10　Relationship of damage probability　　　and fuze initiation angle

6結(jié)束語(yǔ)

本文本文利用MAK開(kāi)發(fā)基于HLA的仿真，實(shí)現(xiàn)了仿真的可視化、分布化，發(fā)揮了HLA的極大重用性、極強(qiáng)的融合性等有利因素。同時(shí)應(yīng)用于效能分析計(jì)算方面，把人的因素考慮進(jìn)入效能中，利用人在回路仿真實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)斗的“真實(shí)化”，并且利用良好的末端計(jì)算模塊，獲得了不同導(dǎo)彈參數(shù)跟末端效能的關(guān)系，為武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析提供了良好的平臺(tái)。

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Platform Design of Air Missile Weapon Effectiveness Using HLA Frame

WANG Zheng1,ZHU Bing1,YU Rui-xing2

(1.Xi′an Shiyou University, Institute of Electronic Engineering，Shaanxi Xi’an 710065，China;

2.Northwestern Polytechnical University, Department of College of Astronautics,Shaanxi Xi’an 710072，China)

Abstract:The weapon system effectiveness refers to the capacity of finishing its stipulated task under the battlefield including attack-defense environment. It is the overall goal for developing and using weapon system. To evaluate the air combat missile weapon system effectiveness and avoiding the defect of traditional subjective evaluation method, a simulation method is used to design a platform under the architecture of HLA (high level architecture). Air combat simulation is designed based on HLA frame and composition module is developed. HLA leaguers are designed and programming interface is planned to ensure that the overall scheme has real-time feature.

Key words:simulation; high level architecture(HLA); operational effectiveness; software

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ76；N945

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-01-0018-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.004

通信地址：710065陜西西安石油大學(xué)電子二路電子工程學(xué)院E-mail：satellite_orbit210@163.com

作者簡(jiǎn)介：王征(1982-)，男，河北霸州人。講師，博士，研究方向?yàn)閷?dǎo)航制導(dǎo)與控制，仿真技術(shù)。

收稿日期：2013-09-21；
修回日期：2014-03-03