虛實結(jié)合的綜合電子信息系統(tǒng)試驗技術(shù)研究

陳 勇，劉炳磊，李 寧

(中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

在國內(nèi)，目前仿真應(yīng)用研究主要集中在綜合電子信息系統(tǒng)裝備的論證和設(shè)計分析階段，但隨著系統(tǒng)裝備全壽命管理的需要，以及綜合電子信息系統(tǒng)裝備體系的逐步建立和戰(zhàn)場環(huán)境仿真技術(shù)的逐步成熟，已越來越需要仿真系統(tǒng)與實兵實裝系統(tǒng)實施信息交互，為系統(tǒng)綜合集成、測試評估、模擬訓(xùn)練等提供支撐環(huán)境和工具。為了更好滿足試驗對多類型、多批、多架次兵力的需要，針對可參試兵力資源類型和數(shù)量無法滿足試驗需求的情況，需研究虛實兵力混合試驗技術(shù)進(jìn)行試驗真實兵力補(bǔ)充，以保證在投入最小規(guī)模兵力條件下實現(xiàn)試驗效益的最大化。因此，大規(guī)模開展實裝兵力與虛擬兵力混合試驗技術(shù)研究將成為仿真測試領(lǐng)域的一個趨勢。

1 虛實兵力混合試驗技術(shù)體系

虛實兵力混合試驗研究的技術(shù)體系應(yīng)如圖1 所示。包括技術(shù)基礎(chǔ)支撐層，共性支撐層和應(yīng)用層。其中，基礎(chǔ)技術(shù)支撐層主要是基于多分辨率建模方法，建立滿足不同試驗場景的不同仿真粒度的虛擬兵力，包括兵力實體、環(huán)境、指揮控制模型等。共性技術(shù)支撐層包括虛實結(jié)合仿真試驗的仿真導(dǎo)調(diào)控制、虛實兵力時空統(tǒng)一技術(shù)、艦艇/飛機(jī)隊形保持技術(shù)、虛實兵力實時交互技術(shù)研究。應(yīng)用層主要有虛擬兵力實時指揮控制、虛實兵力互聯(lián)互通和虛實兵力混合試驗技術(shù)。

通過以上技術(shù)體系開展研究，可逐步形成完善虛實兵力混合的仿真測試和試驗方法，構(gòu)建測試評估、模擬訓(xùn)練等的基礎(chǔ)環(huán)境，實現(xiàn)實裝實兵環(huán)境下的虛擬兵力的在線試驗。

圖1 虛實兵力混合試驗技術(shù)體系示意圖Fig.1 Architecture diagram of virtual and real combing test

2 虛實兵力信息交互控制技術(shù)研究

2.1 虛實兵力控制技術(shù)研究

虛擬兵力建模可從行為特性和信息特性2 個方面進(jìn)行描述。例如，描述一類虛擬兵力，行為特性為隨實兵艦艇(或飛機(jī))組成特定編隊并保持其編隊隊形;信息特性為具備與真實兵力一致的信息接口、可接收并自動處理指揮引導(dǎo)信息、依據(jù)指揮引導(dǎo)命令調(diào)整運動特性、可接收指揮文電等信息特性。那么這樣構(gòu)建而成的艦船(飛機(jī))虛擬兵力即可滿足特定作戰(zhàn)樣式下，開展的虛實兵力混合試驗，達(dá)到補(bǔ)充真實兵力不足、降低試驗開銷、縮短試驗周期、更加方便靈活的組織試驗流程等目的。

虛擬兵力與真實兵力實時控制示意圖如圖2 所示。

如圖2 所示，在虛實結(jié)合仿真系統(tǒng)的支持下，在實裝網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成與真實兵力保持特定編隊隊形、具備隨動轉(zhuǎn)向的虛擬兵力實體，并且在仿真系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)虛擬兵力的航跡信息、作戰(zhàn)命令、文電信息等在實裝網(wǎng)絡(luò)上的分發(fā)共享，進(jìn)一步實現(xiàn)實裝兵力與該虛擬兵力實體之間的信息交互、實時控制。

2.2 虛擬兵力互操作技術(shù)設(shè)計

實兵兵力和虛擬兵力之間的互操作，需基于分布在廣域網(wǎng)異構(gòu)試驗環(huán)境下的各個虛、實兵力實體的互聯(lián)互通條件下實現(xiàn)。試驗中，在實裝環(huán)境中嵌入仿真代理，從而實現(xiàn)虛實兵力之間的互聯(lián)互通。實裝環(huán)境在接收探測感知系統(tǒng)上報的實兵態(tài)勢的同時也接收并處理各級仿真代理報送的信息(含態(tài)勢、作戰(zhàn)命令等)。仿真代理將實裝環(huán)境中的態(tài)勢信息和作戰(zhàn)命令等虛擬兵力所需的實時運行參數(shù)發(fā)送到仿真環(huán)境中來，仿真環(huán)境依據(jù)當(dāng)前態(tài)勢和指揮命令、作戰(zhàn)流程等進(jìn)行計算，實時將虛擬兵力所需運行的航跡、響應(yīng)的命令等向?qū)嵮b環(huán)境發(fā)送，從而實現(xiàn)虛擬兵力和實兵兵力的互操作。

3 一種虛實結(jié)合編隊隊形保持算法

3.1 編隊隊形保持主要原則

在虛實兵力結(jié)合的試驗中，由于真實艦艇、飛機(jī)的航路與預(yù)定的航路可能不完全一致，尤其是根據(jù)試驗任務(wù)需要，過程中需進(jìn)行的航路調(diào)整。因此，虛擬兵力也需要根據(jù)真實的艦艇、飛機(jī)位置和隊形參數(shù)適時地進(jìn)行調(diào)整，以滿足虛實兵力需要與真實兵力編隊隊形保持一致的要求。

虛實結(jié)合編隊隊形保持技術(shù)研究需要遵守的原則主要有:

1)虛擬兵力編隊隊形的保持參數(shù)主要考慮:兵力橫向間距、縱向間距;

2)虛擬兵力的航行干預(yù)參數(shù)主要考慮:航行速度、航向;

3)設(shè)置誤差報警門限，超出門限則進(jìn)行航行參數(shù)的調(diào)整，從而確保不用頻繁干預(yù)虛擬兵力的航行參數(shù)，更符合實際;

4)應(yīng)建立虛擬兵力隨真實兵力進(jìn)行隊形變換的變換算法/方法，虛擬兵力隊形變換要貼近實際，要按照真實兵力的航行控制原則進(jìn)行調(diào)整;

5)艦艇、飛機(jī)編隊航行主要是定直航行和為了改變航向的轉(zhuǎn)彎航;

6)真實兵力的航行參數(shù)傳送到虛擬兵力模型有可能會斷續(xù)，需要采用一定的方法去保證編隊隊形的連續(xù)性;

7)航行隊形是個范圍值，盡量避免反復(fù)調(diào)整，應(yīng)建立一個原則確保不用持續(xù)調(diào)整仿真艦艇的參數(shù)，保證與真實艦艇的實際操縱過程相符合;

8)虛擬兵力應(yīng)作為真實兵力的編隊成員節(jié)點，并接收編隊指揮節(jié)點的參數(shù)輸入。應(yīng)可接收部分指揮節(jié)點的指揮命令、文電信息，并自動響應(yīng)命令且給出命令回執(zhí)。

3.2 編隊定速直線航行時的算法

為了讓成員艦(虛擬兵力)快速進(jìn)入規(guī)定的編隊位置且保留在該位置處，本文采用時間最短的最佳控制方法。確保只需切換一次速度和航向即可實現(xiàn)在最短時間內(nèi)進(jìn)入編隊指定位置點，保證隊形一致。在這里，采用以時間最短為性能指標(biāo)的最佳控制，控制流程如圖3 所示。

圖3 編隊直航時的控制流程圖Fig.3 Control flow chart of formation in a straight line navigation

對于該問題，性能指標(biāo)為

采用相對坐標(biāo)系，原點固定在指揮艦上，則虛擬編隊成員的相對速度與位移為

其中vm，xm，v，x 分別為指揮艦與虛擬兵力的絕對速度與位移。

定義哈密頓函數(shù)為:

允許控制u(t)的約束條件為

其中amax與amin分別為最大可用加速度與最小可用加速度。

通過計算推導(dǎo)，可得到最佳控制算法為［5］:

采用時間最短的最佳控制，在指揮艦勻速直線運動時，編隊成員虛擬兵力只需切換一次加、減速控制，就可以在最短時間內(nèi)進(jìn)入到編隊位置點處，并在該處停留下來。對于改變航向的運動，同樣可利用時間最短的最佳控制方法來實現(xiàn)。

3.3 編隊轉(zhuǎn)彎時的隊形保持算法

下面分別介紹兩類隨真實兵力轉(zhuǎn)彎時的編隊隊形保持算法，分別為淺轉(zhuǎn)彎和換位轉(zhuǎn)彎方式下的編隊隊形保持算法。

1)淺轉(zhuǎn)彎方法

如圖4 所示為飛機(jī)淺轉(zhuǎn)彎的平面圖，其中飛機(jī)1 為真實飛機(jī)，飛機(jī)2 為虛擬兵力飛機(jī)。飛機(jī)1 的轉(zhuǎn)彎點平面坐標(biāo)為A(xA，yA)，轉(zhuǎn)彎結(jié)束點平面坐標(biāo)為A′(x′A，y′A);飛機(jī)2 的轉(zhuǎn)彎點平面坐標(biāo)為B(xB，yB)，轉(zhuǎn)彎結(jié)束點平面坐標(biāo)為B′(x′B，y′B)。Δθ 為航向變化率，R1為飛機(jī)1 的轉(zhuǎn)彎半徑，R2為飛機(jī)2 的轉(zhuǎn)彎半徑，D1為飛機(jī)1 的轉(zhuǎn)彎點與轉(zhuǎn)彎結(jié)束點的距離，D2為飛機(jī)2 的轉(zhuǎn)彎點與轉(zhuǎn)彎結(jié)束點的距離。

圖4 淺轉(zhuǎn)彎法Fig.4 Shallow turning method

已知Δθ，A，A′，B，B′ 四點的坐標(biāo)點。首先根據(jù)A，A′，B，B′ 四點的坐標(biāo)點時，可得出轉(zhuǎn)彎的直線距離D1和D2。

則:

相應(yīng)飛機(jī)的轉(zhuǎn)向航程為:

2)換位轉(zhuǎn)彎方法

圖5 為換位轉(zhuǎn)彎法示意圖，其中飛機(jī)1 為真實飛機(jī)，飛機(jī)2 和飛機(jī)3 為仿真飛機(jī)。從圖中可看出，轉(zhuǎn)彎后飛機(jī)2 與飛機(jī)3 完成了換位，這樣，可以綜合調(diào)整編隊內(nèi)/外側(cè)的飛機(jī)的速度、轉(zhuǎn)彎半徑和負(fù)載，降低仿真的復(fù)雜性，提高仿真的可行性。此外，由于大部分飛機(jī)隊形都有高度差或橫向差，所以即使轉(zhuǎn)彎的航線有交叉點，但是由于轉(zhuǎn)彎飛行的路徑和轉(zhuǎn)彎的圓心不一致，因此不會產(chǎn)生雙機(jī)相碰事件，因此，此種仿真方法切實可行。

圖5 換位轉(zhuǎn)彎法Fig.5 Transposition turning method

4 結(jié) 語

本文研究了一種虛擬兵力與實裝相結(jié)合的試驗與測試方法，主要論述了虛實兵力混合試驗技術(shù)體系、虛實兵力信息交互控制技術(shù)和一種可用于虛實兵力結(jié)合編隊隊形保持算法。為復(fù)雜大系統(tǒng)試驗、測試和評估提供理論支持和測試方法。

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