基于FLAMES/STK的航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)生成框架

吳付祥 ，朱 林

（1.陸軍指揮學(xué)院，南京 210045；2.國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，合肥 230037）

0 引言

FLAMES（Flexible Analysis Modeling and Exercise System）是美國(guó)Ternion公司開(kāi)發(fā)的新一代構(gòu)造仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)，目前已在戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級(jí)仿真和裝備體系仿真方面得到了較為廣泛的應(yīng)用，可應(yīng)用于航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)仿真和效能評(píng)估，為航天電子對(duì)抗戰(zhàn)法研究提供有效的工具和平臺(tái)支撐。然而由于航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)目標(biāo)的空間特殊性，該平臺(tái)自帶的二維態(tài)勢(shì)顯示模塊無(wú)法滿足空間目標(biāo)態(tài)勢(shì)展示需求，需要采用三維場(chǎng)景顯示的方法，才能對(duì)航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)進(jìn)行完整全面的呈現(xiàn)。而在航天器三維場(chǎng)景呈現(xiàn)方面，應(yīng)用比較成熟的是美國(guó)AGI公司開(kāi)發(fā)的STK（Satellite Tool Kits）衛(wèi)星工具包，其擁有精確的軌道預(yù)測(cè)模型以及用于態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)的流暢的場(chǎng)景顯示引擎和豐富的三維模型庫(kù)，但國(guó)內(nèi)僅有一些早期的版本，且許多模塊功能受限，大多只是用來(lái)進(jìn)行鏈路分析和覆蓋分析，而自行開(kāi)發(fā)研制的仿真模型與STK的集成方面還存在諸多問(wèn)題。如何取二者之長(zhǎng)，在航天電子對(duì)抗仿真中得以有效應(yīng)用，是本文需要解決的問(wèn)題。

1 基于FLAMES的航天電子對(duì)抗仿真模型體系

1.1 FLAMES仿真建?？蚣?/h3>

FLAMES將系統(tǒng)仿真中涉及的模型分為以下4類(lèi)：

1.1.1 裝備模型

裝備模型是對(duì)組成作戰(zhàn)實(shí)體或裝備系統(tǒng)的基本裝備和裝備部件的抽象，主要對(duì)組成作戰(zhàn)實(shí)體的各類(lèi)裝備的特征和行為進(jìn)行模擬。FLAMES模型框架中定義了8類(lèi)基礎(chǔ)裝備模型，一種裝備模型通常模擬一類(lèi)功能相近的武器裝備，根據(jù)具體的應(yīng)用還可從基礎(chǔ)裝備模型中派生出不同功能的裝備。這樣既體現(xiàn)了同類(lèi)裝備的共性，又反映了不同性能裝備的個(gè)性。

1.1.2 認(rèn)知模型

認(rèn)知模型是對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體所需的認(rèn)知活動(dòng)的抽象，可模擬作戰(zhàn)人員決策行為、自動(dòng)化武器的控制行動(dòng)、作戰(zhàn)行動(dòng)規(guī)則以及信息處理過(guò)程等。認(rèn)知建?？梢詮浹a(bǔ)裝備模型對(duì)作戰(zhàn)人員行為、作戰(zhàn)規(guī)則描述的不足，以方便刻畫(huà)復(fù)雜的實(shí)體模型行為邏輯，提高建模效率。

1.1.3 消息模型

消息模型是對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體間通信信息的抽象，不模擬信息傳遞的通信行為。戰(zhàn)斗中消息的傳送是通過(guò)通信裝備來(lái)完成的，因此，消息模型需結(jié)合通信裝備模型一起使用。

1.1.4 實(shí)體模型

實(shí)體模型是對(duì)作戰(zhàn)仿真中具有相同功能和行為的作戰(zhàn)實(shí)體的抽象，對(duì)應(yīng)組成系統(tǒng)的單個(gè)裝備；實(shí)體只有通過(guò)模型中加載的裝備模型、認(rèn)知模型和消息模型才能實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在構(gòu)建實(shí)體模型時(shí)，需要通過(guò)實(shí)體描述語(yǔ)言（FLAMES腳本語(yǔ)言）將構(gòu)成實(shí)體的各類(lèi)型裝備模型以及完成任務(wù)需要的認(rèn)知模型和消息模型組合而成；而后通過(guò)將實(shí)體模型實(shí)例化并設(shè)定其與其他實(shí)體之間的指控、編隊(duì)關(guān)系，構(gòu)建作戰(zhàn)仿真實(shí)體模型實(shí)例。

1.2 航天電子對(duì)抗仿真模型體系

基于FLAMES仿真建?？蚣埽Y(jié)合航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)實(shí)體的特點(diǎn)，本文構(gòu)建了如圖2所示的航天電子對(duì)抗仿真模型體系。

根據(jù)FLAMES的模型分類(lèi)，首先依據(jù)各類(lèi)衛(wèi)星及其對(duì)抗裝備的特點(diǎn)構(gòu)建相應(yīng)的衛(wèi)星平臺(tái)模型、傳感器模型、天線模型、干擾機(jī)模型等裝備模型，并集成相應(yīng)的效能模型；然后分別構(gòu)建模擬人行為的開(kāi)關(guān)機(jī)偵察模型、對(duì)星跟蹤模型等認(rèn)知模型和仿真中進(jìn)行信息傳遞的遙測(cè)、遙控、干擾指令等消息模型，最后通過(guò)實(shí)體描述語(yǔ)言將上述模型進(jìn)行合成，建立航天電子對(duì)抗仿真所需的各類(lèi)目標(biāo)衛(wèi)星、干擾站、地面接收站等仿真實(shí)體模型。

效能模型主要對(duì)各仿真實(shí)體的工作效能或干擾效能進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，主要包括SAR衛(wèi)星地面分辨率計(jì)算模型、雷達(dá)成像定位精度計(jì)算模型等衛(wèi)星工作效能計(jì)算模型，目標(biāo)覆蓋判斷模型、地面與航天器之間以及航天器之間可見(jiàn)性判斷模型等目標(biāo)覆蓋與可見(jiàn)性分析模型，以及對(duì)通信衛(wèi)星上行干擾效能評(píng)估模型、陸基對(duì)星載SAR的干擾效能評(píng)估模型等航天電子對(duì)抗干擾效能評(píng)估模型。

2 基于FLAMES/STK的航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)

2.1 實(shí)現(xiàn)思路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)STK三維顯示功能的有效利用，本文通過(guò)FLAMES進(jìn)行航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)仿真，并將態(tài)勢(shì)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)該中間件調(diào)用STK/Connect模塊，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)STK三維顯示控件，實(shí)現(xiàn)航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)的三維顯示，如圖3所示。

2.2 STK/Connect工作機(jī)理

STK/Connect是STK的重要模塊之一，它提供用戶在客戶機(jī)/服務(wù)器環(huán)境下與STK連接的功能。使用TCP/IP或UNTX Domain Sockets在第三方應(yīng)用軟件與STK之間傳輸數(shù)據(jù)（包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸），為其他應(yīng)用程序提供了一個(gè)向STK發(fā)送消息和接收數(shù)據(jù)的通訊工具。

在外部程序與STK通訊的過(guò)程中，Connect隨時(shí)產(chǎn)生各種相關(guān)信息，包括響應(yīng)外部命令之后的返回?cái)?shù)據(jù)以及各種診斷信息，它們都以消息的方式發(fā)送給用戶，其消息處理機(jī)制如圖4所示。在Connect與STK內(nèi)部，進(jìn)行這種消息運(yùn)作主要通過(guò)兩個(gè)函數(shù)：AgUtMsg（）和 AgUtMsgSetMsgFunc（）。用戶程序可以重載它們，改變參數(shù)設(shè)置，使得消息流程及處理方式滿足用戶指定的要求。這種技術(shù)大大拓寬了STK消息的傳播途徑，增強(qiáng)了用戶程序利用STK內(nèi)部信息的靈活性。

2.3 基于FLAMES對(duì)STK顯示控件實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)

在基于FLAMES/STK的航天電子對(duì)抗仿真中，采用的時(shí)間同步策略是：以FLAMES仿真運(yùn)行時(shí)鐘為基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)STK/Connect模塊綁定仿真引擎與STK 2/3D顯示之間的時(shí)間同步，從而在基于STK的態(tài)勢(shì)顯示中建立仿真虛擬世界的時(shí)間基準(zhǔn)；通過(guò)FLAMES仿真引擎保證成員之間的時(shí)間同步，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真系統(tǒng)的時(shí)間同步。

在航天電子對(duì)抗仿真過(guò)程中，主要依靠STK/Connect模塊獲取FLAMES仿真時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)。STK顯示控件與FLAMES之間的時(shí)間推進(jìn)流程如圖5所示。先是通過(guò)STK客戶端程序加載FLAMES想定文件，形成初始仿真態(tài)勢(shì)，然后在與FLAMES仿真引擎建立連接以后，向FLAMES仿真引擎請(qǐng)求初始時(shí)鐘并請(qǐng)求時(shí)間推進(jìn)。在仿真推演開(kāi)始之后，將控制權(quán)交給FLAMES，控制整個(gè)仿真態(tài)勢(shì)的初始化、開(kāi)始、繼續(xù)、暫停和結(jié)束。仿真過(guò)程中產(chǎn)生的態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)通過(guò)態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)向STK顯示控件發(fā)送，使STK顯示控件實(shí)時(shí)顯示更新的態(tài)勢(shì)信息。然后判斷是否仿真結(jié)束，如果沒(méi)有就繼續(xù)循環(huán)請(qǐng)求時(shí)間推進(jìn)，否則就關(guān)閉STK/Connect連接，退出仿真運(yùn)行。

3 基于FLAMES/STK的航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)框架

本文基于FLAMES面向?qū)ο蟮拈_(kāi)放式仿真框架，構(gòu)建了如下頁(yè)圖6所示的基于FLAMES/STK的航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)框架。以模擬航天電子對(duì)抗場(chǎng)景中各類(lèi)衛(wèi)星實(shí)體以及各型參戰(zhàn)裝備在時(shí)間和空間上執(zhí)行自己的功能或與外界進(jìn)行交互時(shí)所體現(xiàn)的物理特征和認(rèn)知行為為出發(fā)點(diǎn)，利用實(shí)體模型、認(rèn)知模型和消息模型三者之間的協(xié)同和交互，完成場(chǎng)景內(nèi)的衛(wèi)星以及裝備作戰(zhàn)過(guò)程的仿真；通過(guò)FLAMES仿真平臺(tái)進(jìn)行航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)仿真，產(chǎn)生航天電子對(duì)抗態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)，并利用STK的二維和三維顯示控件呈現(xiàn)航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)。

3.1 模型開(kāi)發(fā)分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)主要基于FLAMES模型框架進(jìn)行航天電子對(duì)抗仿真模型的構(gòu)建。首先建立仿真所需的各類(lèi)裝備模型，如衛(wèi)星平臺(tái)模型（含軌道解算）、衛(wèi)星載荷模型、通信轉(zhuǎn)發(fā)器模型、干擾機(jī)模型等，然后將進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估所需的各種效能計(jì)算模型集成進(jìn)這些裝備模型中，通過(guò)FLAMES腳本語(yǔ)言將這些裝備模型與所需的認(rèn)知模型和消息模型進(jìn)行集成，構(gòu)建形成仿真實(shí)體模型，并存入仿真模型庫(kù)中。

3.2 仿真運(yùn)行分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)主要基于FLAMES仿真引擎進(jìn)行航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)仿真推演，生成航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)。主要包括想定編輯模塊、仿真控制模塊、仿真分析模塊以及FLAMES仿真引擎和想定數(shù)據(jù)庫(kù)等幾個(gè)部分。

其中想定編輯模塊的主要功能是通過(guò)對(duì)話框界面、樹(shù)狀列表界面以及三維圖形界面輸入作戰(zhàn)想定信息、編輯作戰(zhàn)仿真實(shí)體、構(gòu)建對(duì)抗雙方的裝備體系以完成作戰(zhàn)想定的編輯。仿真控制模塊的主要功能是設(shè)置想定方案并進(jìn)行想定轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)仿真引擎，實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行；在仿真推演過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真過(guò)程的控制（暫停、繼續(xù)、終止等），并實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真運(yùn)行速度的控制等功能。仿真分析模塊的主要功能是對(duì)仿真推演過(guò)程中以及推演結(jié)束后產(chǎn)生的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和后期分析處理，并將評(píng)估結(jié)果以圖表形式顯示出來(lái)。

3.3 態(tài)勢(shì)顯示分系統(tǒng)

態(tài)勢(shì)顯示部分主要包括態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)換模塊以及STK二/三維顯示模塊等幾個(gè)部分。主要是通過(guò)態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)接收并處理航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)，通過(guò)STK 2/3D顯示控件進(jìn)行態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)。此外，態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)換模塊也可以通過(guò)讀取仿真結(jié)果記錄并驅(qū)動(dòng)STK 2/3D顯示控件進(jìn)行航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的回放。航天電子對(duì)抗仿真態(tài)勢(shì)顯示效果如圖7所示。

4 結(jié)論

本文綜合應(yīng)用FLAMES和STK兩款軟件平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)FLAMES仿真平臺(tái)集成用戶自定義仿真模型進(jìn)行航天電子對(duì)抗作戰(zhàn)仿真，將其產(chǎn)生的仿真態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)通過(guò)基于STK的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件來(lái)進(jìn)行三維呈現(xiàn)，既利用了STK三維顯示方面的優(yōu)勢(shì)，也避免了用戶仿真模型與STK集成的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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