VR-Forces中發(fā)射與毀傷仿真機制

VR-Forces中發(fā)射與毀傷仿真機制

王文惲1，柳鵬2，徐吉輝1，李季穎1，孫媛1
（1.海軍航空工程學院科研部，山東煙臺264001；2.軍械工程學院，石家莊050003）

VR-Forces是當前較為成熟的計算機生成兵力仿真平臺，使用該平臺實現(xiàn)仿真實體間對抗及毀傷是關鍵技術之一。針對該平臺中發(fā)射與毀傷仿真機制，分析了對象參數(shù)數(shù)據(jù)庫組織結構、發(fā)射武器配置方法、彈藥選擇列表構成和命中概率表的原理，闡述了毀傷機制、毀傷概率表組成以及毀傷執(zhí)行器的配置方法。結合某飛機發(fā)射反艦導彈對敵方艦船突防的作戰(zhàn)仿真實驗案例，實現(xiàn)了紅藍雙方的突防和防空仿真對抗。研究成果對基于VRForces的作戰(zhàn)仿真開發(fā)和開發(fā)類似系統(tǒng)有一定的技術參考價值。

VR-Forces；CGF；命中概率；毀傷機制

VR-Forces是MAK仿真平臺中的計算機生成兵力（CGF）開發(fā)包，它提供了簡潔易用的圖形用戶界面和豐富的面向對象的應用程序接口API，用戶可以通過它的圖形用戶界面，利用軟件已經提供的實體對象輕松的進行想定編輯，作戰(zhàn)仿真；還可以基于它提供的API，按照用戶的實際需求進行自定義設計，并對源程序重新編譯，加入作戰(zhàn)區(qū)域環(huán)境模型，武器實體模型和作戰(zhàn)規(guī)則等，使其能夠適用于用戶作戰(zhàn)仿真的實際需求［1］。

在作戰(zhàn)仿真中，發(fā)射與毀傷仿真是最為常見的問題，也是需要解決的關鍵問題之一。VR-Forces中為用戶提供了一套發(fā)射與毀傷的框架，分析其中的內核機制將有利于用戶理解其中的原理，并利用該平臺進行二次開發(fā)。

1　VR-Forces主要原理

VR-Forces作為一套較為完善和成熟的作戰(zhàn)仿真平臺，其對軍事世界到仿真應用進行了全面的歸納和抽象，重點核心內容包括基于控制論的實體對象行為組件框架［2］、前后臺分離的仿真架構［3］、協(xié)議無關的仿真接口［4］、任務與計劃［5］、參數(shù)化對象描述等內容。相關原理一些文獻已做了描述，本文僅結合發(fā)射與毀傷仿真研究聯(lián)系較為緊密的對象參數(shù)數(shù)據(jù)庫進行描述。

VR-Forces實體和對象擁有很多參數(shù)。參數(shù)值存儲在仿真模型集（SMS）組織的文件中。當加載想定或者創(chuàng)建新對象時，VR-Forces將加載這些文件。這些文件的集合稱為對象參數(shù)數(shù)據(jù)庫（Object Parameter Database，OPD）［6］。對象參數(shù)數(shù)據(jù)庫描述了實體的特性和初始值。用戶可通過修改實體的參數(shù)來改變實體的行為。用戶可通過向對象參數(shù)數(shù)據(jù)庫中添加文件來添加新類型的實體和新行為。

圖1為OPD的組織結構。仿真對象（如實體、戰(zhàn)術圖形或文化特征）的主要定義存儲在以.entity為擴展名的文件中。實體文件指定了實體類型枚舉號、標記名、組織信息和其它參數(shù)。其引用了一個平臺描述文件（擴展名為.ope）。平臺描述文件為各種對象類型（例如地面平臺、水面平臺或線對象）提供了一套通用組件。每個實體文件也描述了能和仿真環(huán)境交互的系統(tǒng)（例如傳感器、武器和運動系統(tǒng)）。

圖1　對象參數(shù)數(shù)據(jù)庫組織結構圖Fig.1 Structure of OPD

系統(tǒng)配置在系統(tǒng)定義文件中。系統(tǒng)定義文件組合了相關的組件和連接關系，最終形成方便利用的包。組件引用了附加的配置文件。在實體編輯器（Entity Editor）中也可以為實體添加系統(tǒng)到系統(tǒng)定義文件中。

從圖1中可以看出，一個仿真實體的OPD包含了仿真實體對應于實際裝備所有設備、系統(tǒng)、特性等的描述。其中，武器系統(tǒng)（weapons system）、毀傷系統(tǒng)（damage system）是仿真實體的重要組成部分，也是直接影響戰(zhàn)場對抗結果的直接因素。

2　發(fā)射機制分析

2.1發(fā)射武器配置方法

以M1A2主戰(zhàn)坦克（七位碼為1：1：225：1：1：3：0）為例。首先，需要通過實體編輯器（Entity Editor）為該類型坦克選擇武器子系統(tǒng)（如果實體有多個不同類型武器發(fā)射器或者是同一類型武器發(fā)射器有多個，可多次添加），如圖2所示。

圖2　發(fā)射武器配置Fig.2 Configuration method of launcher

然后，打開Opd編輯器（OPD Editor），左側標簽頁選擇“120mmGun”子系統(tǒng)。右側標簽頁選擇Information，可以發(fā)現(xiàn)該子系統(tǒng)為M1A2所用。標簽頁選擇General，可以設置“120mmGun”子系統(tǒng)可裝配的平臺、M829A1貧鈾裝甲彈和M830破甲彈的彈藥數(shù)量、打擊的實體類型及優(yōu)先級等參數(shù)。標簽頁選擇Components，可以發(fā)現(xiàn)該子系統(tǒng)使用的組件見表1。

表1120mmGun發(fā)射子系統(tǒng)組件Tab.1 Components of120mmGun launcher system

2.2彈藥選擇表

彈道式槍炮控制器描述符中引用了一個彈藥選擇表文件，文件中包括此控制器的彈藥選擇表。每條記錄中都指定了一個目標種類（使用最佳匹配方式）和針對此類目標是使用的彈藥列表（最優(yōu)先使用的位于表的第一個位置）。記錄名稱沒有實際用處，只是描述性內容。每個記錄包括以下字段：

target-type：“七位數(shù)字”實體類型枚舉，可使用-1作為通配符。

ammo：彈藥列表。彈藥記錄的名稱為資源的名稱。如果資源名稱包含在對象資源管理器（Object Resource Manager）［7］中，彈藥的數(shù)量將根據(jù)使用量減少，當減少到0后，該種類彈藥就不能使用了，而是使用彈藥列表中下一個種類的彈藥。每個彈藥記錄包括如下字段：

muntion-type：“七位數(shù)字”實體類型枚舉。這是開火和爆炸交互中使用的實體類型，不能包括通配符-1。

warhead：此類彈藥產生的開火和爆炸交互中使用的VR_Link彈頭枚舉類型。

120mm Gun的彈藥選擇表文件中（M1A2Main-Gun.asl）針對主戰(zhàn)坦克描述片段示例如下：

2.3命中概率表

武器的系統(tǒng)定義文件中指定了一個命中概率文件。此文件包括一個命中概率表，系統(tǒng)中執(zhí)行器用它來判斷是否命中了射擊的目標。一個命中概率表包括一個或多個entity-range條目。entity-range條目包括以下字段［8］：

entity-type：“七位數(shù)字”的實體類型枚舉，能使用-1作為通配符。

range-determinant：可以是一列名為“range-list”的probability-range條目，或名為“coefficients”的probability-coefficient列表。

range-list：一列probability-range條目。一條probability-range條目包括名稱“range”，“range”是一個范圍值（單位：m）和一列概率條目。條目適用于從最后條目到當前值范圍內的目標（對于第一條記錄，范圍的起始值為0.0）。每個概率條目有一個名稱，從表中用戶可查找其感興趣的概率值（0.0～1.0之間的實數(shù)）。彈道式槍炮根據(jù)名稱“probability”查找概率條目。需要注意的是，如果距離超過最后指定范圍，概率值為0；導彈的范圍為導彈到目標的距離，而不是發(fā)射實體到目標的距離。

Coefficients：系數(shù)概率列表是一列系數(shù)概率條目。每個條目包括一個概率名稱和一個能夠根據(jù)距離計算概率的標準多項式的系數(shù)。多項式的階由系數(shù)的個數(shù)決定。例如，如果記錄為：

（probability-5.00000E-008-300000E-012 1.0000），其表示對于某個范圍r，概率計算公式為：

由于式（1）最終計算結果的趨勢是距離越遠命中概率越高，而某些的火炮命中概率在其射界內是某個距離上命中概率最高，整體效果類似正態(tài)分布，所以一般不使用式（1），建議根據(jù)實際裝備實測數(shù)據(jù)直接填充。

M1A2MainGun.hit文件中模擬命中概率的表示如下：

3　毀傷機制分析

3.1毀傷機制

VR-Forces中的實體毀傷通過接收爆炸交互和加載相關的毀傷子系統(tǒng)來實現(xiàn)。爆炸交互由導彈實體碰撞、炮彈交互碰撞等情況發(fā)送出來，通過VR_Link傳輸?shù)狡渌鼘嶓w，其它實體在注冊爆炸交互回調的情況下，可接收并處理，判斷最終的毀傷情況。這里重點講解毀傷子系統(tǒng)里的DtDamageAdjudicationActuator組件。

DtDamageAdjudicationActuator組件負責判決不同爆炸交互情況下的實體毀傷情況。該毀傷執(zhí)行器通過使用DtDetonationManager類注冊了2類回調函數(shù)，包括直接毀傷和間接毀傷，用于處理2種情況下的毀傷效果。同時，直接毀傷和間接毀傷各自對應一張毀傷表。例如，步槍、坦克120mm火炮產生的爆炸交互類型是實體碰撞或實體近似碰撞，該情況是直接毀傷，調用直接毀傷表。在實體附近的爆炸可能會對實體產生二次毀傷，這種情況是間接毀傷，調用間接毀傷表。炮彈爆炸、或者離被擊中的物體較近（比如人員離被烈性炸藥擊中的坦克很近）都可能產生間接毀傷。武器的最大距離和彈藥類型注冊以后，當爆炸交互產生時，注冊的回調函數(shù)將被調用，并收到正確的爆炸內容信息。

DtDamageAdjudicationActuator組件回調使用彈藥類型、距離、表面和入射角等信息在對應的毀傷表中查找指定彈藥類型的毀傷結果，該部分在文獻［9］中有詳細描述。同時，實體被毀傷了還會設置成燃燒和冒煙等狀態(tài)。

3.2毀傷概率表

毀傷執(zhí)行器使用其組件描述符中指定的毀傷概率表以及幾個其他因素，來確定直接和間接火力的毀傷。毀傷概率表包括一列以表明（每個實體分為6個表面）劃分的條目，對于爆炸可能發(fā)生的每個表面又有一個子表。表面條目的名稱與毀傷模型中的表面名稱一致。

VR-Forces包含直接火力和間接火力的毀傷概率表。某個彈藥類型不必同時具有2種類型的毀傷概率表。例如，M16自動步槍就沒有間接毀傷文件。

隨VR-Forces提供的毀傷執(zhí)行器使用的表面包括“front”、“rear”、“l(fā)eft-side”、“right-side”、“bottom”和“top”（其它組件可用不同的方式對實體的幾何形狀進行建模，因而使用的表面字符串就會不同）。一個表面條目包括一列angle-of-incidence條目。一條angleof-incidence包括一個角度（單位：弧度）和一條rangedeterminant。使用的入射角條目范圍為上一條記錄條目角度到當前值（對于第一條條目，角度值從0開始）。range-determinant的含義與2.3命中概率表中的解釋相同。VR-Forces提供的毀傷執(zhí)行器按照名稱catastrophic-kill（致命毀傷）、mobility-kill（機動毀傷）或firepower-kill（火力毀傷）查找概率條目［6］。需要注意的是，導彈實體毀傷概率表的“range”參數(shù)為導彈到目標的距離，而不是發(fā)射實體到目標的距離。

以下M1A2毀傷文件中某烈性炸藥模擬毀傷概率表片段包括“front”一個表面條目。命中M1A2的前面時，在1km距離上，致命毀傷的概率為1%，火炮被毀傷的概率為5%。

間接毀傷的概率文件結構和直接毀傷的類似，但是處理過程不同。VR-Forces計算圍繞彈藥碰撞點的一個范圍，只能毀傷此范圍內的實體。

3.3毀傷子系統(tǒng)配置方法

以T-80主戰(zhàn)坦克（七位碼為1：1：222：1：1：1：0）為例。首先，需要通過實體編輯器（Entity Editor）為該類型坦克選擇重型裝甲（Heavy Armor）毀傷子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3　毀傷子系統(tǒng)設置Fig.3 Configuration method of damage subsystem

然后，打開Opd編輯器（OPD Editor），左側標簽頁選擇“Heavy Armor”子系統(tǒng)。右側標簽頁選擇Information，可以看見該子系統(tǒng)為T-80所用；標簽頁選擇Components，可以看見該子系統(tǒng)使用的是DtDamage-AdjudicationActuator組件，即毀傷判決執(zhí)行器。組件下方的damage-model（毀傷模型）中，有若干入口，分別帶有了各種不同實體（或者是交互）對其毀傷的直接或間接毀傷文件，如圖4所示。M1A2120mm火炮對“Heavy Armor”的毀傷入口是2：2：225：2：13：-1：-1（-1是通配符），文件格式見3.2毀傷概率表中描述。

圖4　毀傷判決執(zhí)行器配置Fig.4 Configuration method of damage adjudication actuator

4　實例應用

以某海軍航空兵對海突擊想定為背景，研制開發(fā)某殲擊轟炸機發(fā)射反艦導彈對敵方艦船突防的作戰(zhàn)仿真實驗案例。在該案例中，紅方飛機使用反艦導彈對藍方艦船進行打擊，藍方艦船使用軟硬對抗手段進行防空作戰(zhàn)，使用防空導彈對紅方飛機和來襲導彈進行攔截，使用密集陣火炮對來襲導彈進行攔截，使用箔條彈對來襲導彈進行無源干擾。在實際應用中，要實現(xiàn)上述對抗需要配置和開發(fā)相關的組件和系統(tǒng)（包括傳感器、目標篩選、端口連接、消息發(fā)送與接收等內容），本文僅列舉出與發(fā)射和毀傷緊密相關的配置項目，如表2所示。關于密集陣火炮攔截反艦導彈詳細描述參見文獻［10］。

表2　空海對抗仿真實體配置表Tab.2 Entities configuration in air-to-surface simulation

結合上述VR-Forces中發(fā)射與毀傷仿真機制，配合實際裝備打擊及毀傷數(shù)據(jù)，實驗案例實現(xiàn)了紅藍雙方相互硬對抗中的發(fā)射、命中和毀傷效果，仿真三維態(tài)勢如圖5所示。

圖5　反艦導彈突防艦船防空火力仿真圖Fig.5 Simulation of anti-ship missile penetrating air defense of enemy's warships

5　結論

本文通過研究VR-Forces中發(fā)射及毀傷機制，說明了VR-Forces的彈藥發(fā)射武器的配置、彈藥選擇與命中概率原理，重點分析了毀傷機制，闡明了毀傷概率表的構成以及毀傷配置方法。該研究內容成功應用于某殲擊轟炸機發(fā)射反艦導彈對敵方艦船突防的作戰(zhàn)仿真實驗案例中，實現(xiàn)了敵方艦船的密集陣及防空導彈對反艦導彈的攔截和反艦導彈對艦船的毀傷效果。本文的研究成果對基于VR-Forces的作戰(zhàn)仿真開發(fā)和開發(fā)類似系統(tǒng)有一定的技術參考價值。

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Launch and Damage Simulation Mechanism of VR-Forces

WANG Wenyun1，LIU Peng2，XU Jihui1，LI Jiying1，SUN Yuan1
（1.Department of Scientific Research，NAAU，Yantai Shandong 264001，China；2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

VR-Forces is a mature CGF simulation platform.It's a key technology to realize battle and damage between simulation entities by using VR-Forces.For launch and damage simulation mechanism of VR-Forces，in this paper，the structure of object parameter database，configuration method of launcher and structure of ammo select tables and hit probability tables，illustrated mechanism of damage，damage probability tables and configuration method of damage actuator was analyzed.With a combat simulation experiment case which researched how airplanes launch anti-ship missiles to attack enemy's warships，the penetration and air defense between red and blue was realized.Research results provided preference for development based on VR-Forces and similar system.

VR-Forces；CGF；hit probability；damage simulation mechanism

TP391

A

1673-1522（2016）05-0561-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.011

2016-03-25；

2016-07-18

王文惲（1979-），男，助理研究員，碩士。