基于STK的航空反潛仿真平臺(tái)研究

劉 峰， 劉金榮

(中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

航空反潛作戰(zhàn)是軍用航空器利用反潛探測(cè)設(shè)備對(duì)水下潛艇目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和定位并利用反潛武器對(duì)其實(shí)施攻擊的作戰(zhàn)行動(dòng)，是現(xiàn)代反潛的一個(gè)重要組成部分，主要用于海上反潛預(yù)警巡邏和偵察、為艦隊(duì)出航提供反潛護(hù)航和參與諸種聯(lián)合反潛作戰(zhàn)行動(dòng)[1]，在各種反潛手段中，直升機(jī)反潛具有速度快、機(jī)動(dòng)靈活、不易受攻擊、作戰(zhàn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此直升機(jī)反潛受到了世界各國(guó)海軍的重視。

航空反潛是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，以往的研究多聚焦于搜索陣形、決策算法、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型及武器攻擊模型[2-4]等，相對(duì)而言，缺乏從實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程中全流程、全要素、基于模型的動(dòng)態(tài)可視化的系統(tǒng)性研究。現(xiàn)代反潛戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)演化為多兵種聯(lián)合的體系對(duì)抗，編隊(duì)數(shù)量、平臺(tái)性能、自然環(huán)境條件、傳感器參數(shù)、目標(biāo)特性等諸多因素對(duì)反潛的最后結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生影響，采用分析建模的方式分析作戰(zhàn)過(guò)程，往往容易限于局部環(huán)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化，系統(tǒng)工具包STK(System Tool Kit)軟件是美國(guó)AGI 公司研制開(kāi)發(fā)的一款商品化系統(tǒng)分析軟件，可以快速方便地分析復(fù)雜的陸地、海洋、航空及航天任務(wù)，提供任務(wù)仿真過(guò)程控制精確的二維、三維視景顯示功能，在航空航天飛行任務(wù)、覆蓋分析和打擊效果評(píng)估等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，此外STK 提供了便利的二次開(kāi)發(fā)功能，允許用戶擴(kuò)展STK功能或?qū)TK引擎集成到其他工程中，最大程度地滿足用戶的特殊要求，在空間態(tài)勢(shì)仿真、無(wú)人機(jī)多任務(wù)仿真領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[5-6]，目前基于STK的航空反潛領(lǐng)域尚無(wú)太多探索。

本文以航空反潛實(shí)際應(yīng)用流程為背景，綜合考慮艦、艇、典型直升機(jī)平臺(tái)參數(shù)、典型傳感器及武器參數(shù)配置、構(gòu)建了基于STK引擎的作戰(zhàn)推演和效能評(píng)估基礎(chǔ)平臺(tái)，采用matlab實(shí)現(xiàn)了多種典型的搜索、跟蹤、攻擊算法并加以集成，完成了典型作戰(zhàn)樣式下的可視化流程推演和效能評(píng)估工作，可支持戰(zhàn)術(shù)算法的迭代仿真和提煉，同時(shí)借助系統(tǒng)推演，有助于提煉出優(yōu)化的作戰(zhàn)流程，給各階段任務(wù)指標(biāo)權(quán)衡提供決策依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)全局反潛效能優(yōu)化，對(duì)工程應(yīng)用具有較大的實(shí)踐意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

反潛直升機(jī)的在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，一般而言要經(jīng)歷航渡/出航-搜索-識(shí)別定位-跟蹤-攻擊-返航[1]過(guò)程，如圖1所示。其中搜索是利用探測(cè)設(shè)備和手段發(fā)現(xiàn)潛艇的過(guò)程，由于潛艇可長(zhǎng)時(shí)間在水下游弋加上所在的介質(zhì)極為廣闊又異常復(fù)雜，搜索經(jīng)常占用反潛戰(zhàn)的大部分時(shí)間，是反潛作戰(zhàn)的首要環(huán)節(jié)；識(shí)別定位就是當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)異常或疑似信號(hào)時(shí)，結(jié)合各種探測(cè)信息分析、判斷是否為潛艇，確認(rèn)后進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)識(shí)別，是否為敵方潛艇，根據(jù)傳感器獲取的信息，進(jìn)行目標(biāo)潛艇位置計(jì)算；當(dāng)傳感器可持續(xù)獲取目標(biāo)位置信息時(shí)，即轉(zhuǎn)入跟蹤；攻擊是當(dāng)連續(xù)獲取目標(biāo)潛艇位置及運(yùn)動(dòng)要素后，根據(jù)反潛機(jī)導(dǎo)航信息、武器參數(shù)、占領(lǐng)攻擊陣位，實(shí)施武器投放的過(guò)程，根據(jù)任務(wù)需要，還可進(jìn)行再次搜索、進(jìn)一步確認(rèn)目標(biāo)命中情況。

圖1 典型的反潛作業(yè)流程圖

航空反潛的效果取決于多種因素，包括：

(1)航空反潛平臺(tái)性能：最大飛行速度、巡邏速度、最大起飛重量、作戰(zhàn)半徑、升限、爬升率、最大使用過(guò)載、最大盤(pán)旋過(guò)載等。

(2)機(jī)載搜潛設(shè)備作戰(zhàn)效能指標(biāo)研究:聲納浮標(biāo)作用距離、工作壽命、吊聲作用距離等。

(3)攻潛武器作戰(zhàn)效能：引信完好率、自導(dǎo)半徑、最大速度、單發(fā)命中概率、突防概率、毀傷概率、最大發(fā)射距離等。

(4)指控系統(tǒng)：搜索陣型、攻擊時(shí)機(jī)選擇、攻擊武器選擇、決策響應(yīng)時(shí)間、傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)傳輸率、導(dǎo)航精度、通信距離、數(shù)據(jù)失真率、抗干擾系數(shù)等。

基于航空反潛作業(yè)流程復(fù)雜、制約因素眾多等特點(diǎn)，要達(dá)到既定的使命任務(wù)，必須全面、系統(tǒng)性考慮作戰(zhàn)要素，采用基于基礎(chǔ)模型庫(kù)以模塊化方式構(gòu)建仿真架構(gòu)，便于系統(tǒng)配置擴(kuò)展，滿足不同任務(wù)、不同兵力、不同作戰(zhàn)樣式的仿真需求，實(shí)現(xiàn)特定作戰(zhàn)場(chǎng)景的仿真推演。

2 仿真模型

基于模型的系統(tǒng)工程可方便表達(dá)，系統(tǒng)模型涵蓋工程全生命周期，包括需求、分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、確認(rèn)過(guò)程，各層級(jí)之間可貫穿與追溯[7]，仿真平臺(tái)中對(duì)模型進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，從而可以提高對(duì)模型的完善修正、調(diào)試和維護(hù)能力。

2.1 平臺(tái)三維模型庫(kù)

借助于STK工具三維、平面顯示功能，可用3DS MAX/ProE軟件制作經(jīng)過(guò)Deep Exploration進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，制作典型航空反潛平臺(tái).mdl格式的三維模型。

2.2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型庫(kù)

借助STK航空器任務(wù)建模(AMM，Aircraft Mission Modeler)模塊，設(shè)置反潛直升機(jī)的起飛、平飛、轉(zhuǎn)彎、爬升、下降、降落等參數(shù)模型。

2.3 傳感器模型庫(kù)

傳感器探測(cè)模型庫(kù)主要包括以下3類(lèi)模型。

(1)聲納浮標(biāo)模型

包括浮標(biāo)工作模式、浮標(biāo)探測(cè)距離、工作壽命等和浮標(biāo)搜索陣型等，其中浮標(biāo)搜索陣型采用典型的直線攔截陣、圓形陣[8]等；

(2)吊放聲納探測(cè)模型

包括吊放聲納收放時(shí)間、工作模式、探測(cè)距離等，吊聲搜索陣型采用典型擴(kuò)展方形搜索、扇形搜索[2-3]等；

(3)搜索雷達(dá)模型

包括海面監(jiān)視雷達(dá)水面狀態(tài)潛艇探測(cè)距離、搜索陣型等。

2.4 武器模型庫(kù)

主要包括空投魚(yú)雷軌跡模型、自導(dǎo)模型等。

2.5 指控模型庫(kù)

包括本機(jī)或編隊(duì)搜索陣型、傳感器選擇、攻擊時(shí)機(jī)選擇、攻擊武器模式選擇、決策響應(yīng)時(shí)間、武器攻擊時(shí)機(jī)等。

2.6 潛艇模型

包括潛艇位置分布模型、航向分布模型和潛艇逃逸模式等，典型的位置按航速瑞利分布、航向均勻分布規(guī)律[8],潛艇逃逸模型按照更改航速、更改航向等逃逸[9]方式。

2.7 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

主要包括作戰(zhàn)想定海域的地理、氣象、水文、水聲、電磁等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，相關(guān)武器裝備的技戰(zhàn)術(shù)性能數(shù)據(jù)等

2.8 模型邏輯關(guān)系

圖3 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

系統(tǒng)模型庫(kù)之間的接口關(guān)系如圖2所示。仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)為各個(gè)模型庫(kù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)；傳感器模型主要完成對(duì)潛探測(cè)陣型、探測(cè)過(guò)程和探測(cè)信息的仿真；武器攻擊模型完成武器射擊諸元計(jì)算和武器發(fā)射控制彈道計(jì)算模型等，指控模型負(fù)責(zé)將傳感器模型、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型、平臺(tái)三維模型按照任務(wù)流程串聯(lián)，調(diào)用實(shí)體仿真作業(yè)過(guò)程，驅(qū)動(dòng)整個(gè)仿真場(chǎng)景運(yùn)行，并根據(jù)傳感器探測(cè)信息、武器掛載信息及任務(wù)執(zhí)行情況，給出編隊(duì)后續(xù)作業(yè)決策。

圖2 仿真系統(tǒng)模型庫(kù)之間關(guān)系

3 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框架如圖3所示，系統(tǒng)采用分層邏輯架構(gòu)，自下而上分為基礎(chǔ)資源層、基礎(chǔ)服務(wù)層和業(yè)務(wù)層三部分；

(1)基礎(chǔ)資源層

實(shí)現(xiàn)STKX Graphics Analysis模塊、STK Analysis Interface、STK Object Model、AGI Map Control與AGI Globe Control的集成，完成仿真程序框架與STK仿真引擎初始化設(shè)置；

(2)基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)層設(shè)計(jì)場(chǎng)景管理、對(duì)象模型管理、動(dòng)畫(huà)管理、日志文件管理、編隊(duì)配置管理、作戰(zhàn)流程管理、消息動(dòng)態(tài)反射機(jī)制、中間件適配、鏈路信息編解碼等模塊；

(3)業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)典型航空反潛業(yè)務(wù)模塊，包括吊聲探測(cè)、浮標(biāo)探測(cè)、武器攻擊等，業(yè)務(wù)模塊通過(guò)算法選擇器與matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)作業(yè)算法調(diào)度。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2.1基礎(chǔ)資源層

采用VC構(gòu)建仿真工程，STK為用戶提供了STK X方式和STK Object Model兩種方式，其中STKX方式本質(zhì)上讓STK作為ActiveX控件集成到仿真框架中，實(shí)現(xiàn)對(duì)STK引擎的控制；STK Object Model方式是將所有對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，提供了標(biāo)準(zhǔn)的COM編程接口，供開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行模型控制。

STK提供二維地圖、三維地球顯示控制功能?？紤]仿真的靈活性及擴(kuò)展性，同時(shí)采用兩種方式集成STK引擎，實(shí)現(xiàn)仿真程序與STK引擎的交互命令、仿真場(chǎng)景及對(duì)象的動(dòng)態(tài)控制等。

3.2.2基礎(chǔ)服務(wù)層

仿真軟件基于面向?qū)ο蟮腗FC框架構(gòu)建，除了提供常規(guī)的GUI界面外，還要實(shí)現(xiàn)后臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)服務(wù)業(yè)務(wù)，包括：

(1)獲取環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括任務(wù)區(qū)域海況、氣象、水紋等信息；

(2)通過(guò)配置文件獲取反潛裝備各平臺(tái)的活動(dòng)范圍、目標(biāo)分布模型、責(zé)任區(qū)域、傳感器、外掛武器等基礎(chǔ)配置參數(shù)；

(3)通過(guò)消息動(dòng)態(tài)反射模塊，實(shí)現(xiàn)以各艦船、反潛直升機(jī)等平臺(tái)的作業(yè)流程；

(4)空間對(duì)象建立(艦、機(jī)、艇、傳感器)及約束參數(shù)，如航跡顯隱、標(biāo)簽顯隱、傳感器覆蓋區(qū)域、目標(biāo)探測(cè)結(jié)果等；

(5)完成仿真場(chǎng)景的初始化及控制工作，包括世界時(shí)間、分析時(shí)間、單位設(shè)置、視角切換、視角縮放、場(chǎng)景播放、暫停、關(guān)閉、保存及與迭代控制等；

3.2.3業(yè)務(wù)層

如前所述，航空反潛典型的作業(yè)過(guò)程通常包括直升機(jī)出航(或航渡)、傳感器搜索、吊放聲納跟蹤確認(rèn)、武器攻擊和返航等階段，根據(jù)不同任務(wù)具體差異，或任務(wù)執(zhí)行中不同情況，反潛任務(wù)具體流程有一定的不確切性，實(shí)際完整的反潛過(guò)程可能包括上述典型作業(yè)過(guò)程或其若干組合，包括任務(wù)的區(qū)域、浮標(biāo)陣型、目標(biāo)接觸情況及上級(jí)指揮組織意圖的差異性，會(huì)影響實(shí)際反潛作業(yè)過(guò)程，如任務(wù)區(qū)域較小或浮標(biāo)攜帶數(shù)量充足，可采用密布陣策略，或較為確切的獲取了目標(biāo)位置信息，可直接采用吊放聲納點(diǎn)水搜索，仿真系統(tǒng)采用了“作業(yè)模塊化、流程動(dòng)態(tài)化”的實(shí)現(xiàn)方式，即設(shè)置浮標(biāo)布陣搜索、浮標(biāo)偵聽(tīng)、吊放聲納搜索、武器攻擊等作業(yè)模塊，通過(guò)消息反射機(jī)制配置不同作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)樣式的靈活配置，同時(shí)仿真平臺(tái)內(nèi)置指控模塊，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中編隊(duì)導(dǎo)航參數(shù)、傳感器狀況、目標(biāo)及武器狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程的臨機(jī)切換。

3.2.4matlab算法集成

考慮matlab算法開(kāi)發(fā)效率高并具有對(duì)外兼容性和可擴(kuò)展性，將仿真系統(tǒng)業(yè)務(wù)層的反潛作業(yè)算法采用matlab實(shí)現(xiàn)封裝為單獨(dú)的matlab算法集，具備模塊化特點(diǎn)，便于其他平臺(tái)重用。在這里我們將matlab算法集編譯為C++庫(kù)文件集成到STK仿真平臺(tái)中。

3.2.5系統(tǒng)流程

仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示，仿真程序完成初始化后，獲取反潛直升機(jī)編隊(duì)配置信息，包括直升機(jī)平臺(tái)信息、編隊(duì)數(shù)量、母艦參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、傳感器參數(shù)、目標(biāo)或任務(wù)區(qū)域參數(shù)、武器配置參數(shù)，完成仿真場(chǎng)景初始化及相關(guān)模式設(shè)置，根據(jù)配置信息創(chuàng)建對(duì)象；采用消息反射機(jī)制，將平臺(tái)作業(yè)流程映射到業(yè)務(wù)層的浮標(biāo)搜索、雷達(dá)搜索、魚(yú)雷攻擊等業(yè)務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)每個(gè)平臺(tái)的全部業(yè)務(wù)流程驅(qū)動(dòng)。

圖4 系統(tǒng)流程圖

同時(shí)，考慮航空反潛的戰(zhàn)術(shù)靈活性及不確定性，仿真程序內(nèi)置指控模塊，當(dāng)編隊(duì)執(zhí)行作業(yè)流程時(shí)，同時(shí)上報(bào)指控模塊，后者根據(jù)反潛的具體任務(wù)、當(dāng)前狀態(tài)下獲取的綜合情報(bào)及反潛編隊(duì)具備的作戰(zhàn)能力發(fā)出相應(yīng)的作戰(zhàn)指揮決策命令，給出下一步行動(dòng)指示，直到本次任務(wù)結(jié)束，進(jìn)入下一次迭代。

4 典型過(guò)程推演

4.1 典型浮標(biāo)搜索仿真

以艦載直升機(jī)前出應(yīng)召反潛為想定任務(wù)，目標(biāo)應(yīng)召點(diǎn)距離母艦100 km，目標(biāo)潛艇位置瑞利分布，方位均勻分布，被動(dòng)聲納浮標(biāo)作用距離3 km，直升機(jī)參照國(guó)外某典型的反潛機(jī)平臺(tái)飛行性能，典型5枚浮標(biāo)方陣[8]搜索概率為36%，典型9枚浮標(biāo)方陣[9]搜索概率為61%，同樣的前置條件，通過(guò)變更仿真平臺(tái)中模型各要素參數(shù)，可得到定量搜索概率。

圖5 浮標(biāo)搜索過(guò)程典型場(chǎng)景

圖6 典型浮標(biāo)搜索與定位仿真結(jié)果

圖7 浮標(biāo)接觸目標(biāo)情況

4.2 典型搜索、跟蹤與攻擊仿真

在4.1設(shè)定應(yīng)召反潛模式下，以典型的浮標(biāo)圓形陣或吊放聲納擴(kuò)展方形搜索，接觸目標(biāo)后采用吊放聲納跟蹤定位確認(rèn)，然后采用魚(yú)雷攻擊，浮標(biāo)典型的性能參數(shù)3 km，吊放聲納典型探測(cè)距離設(shè)置為10 km，魚(yú)雷典型的搜索彈道及自導(dǎo)范圍0.5 km，經(jīng)蒙特卡洛迭代后的結(jié)果如表1所示。

表1 典型搜索、跟蹤與攻擊仿真結(jié)果

圖8 吊放聲納典型工作截圖

圖10 武器攻擊情況

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)基于STK的航空反潛作了一定探索，設(shè)計(jì)了航空反潛全要素、全流程的基礎(chǔ)仿真平臺(tái)，為航空反潛研究提供了新思路和方法，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)模型、傳感器探測(cè)模型參數(shù)、武器彈道模型參數(shù)可配置，作戰(zhàn)流程靜態(tài)靈活配置、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整。通過(guò)不斷優(yōu)化迭代，最終可形成數(shù)字設(shè)計(jì)模型庫(kù)，便于進(jìn)一步開(kāi)展戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究，為新型反潛裝備系統(tǒng)的方案論證提供了的有效技術(shù)手段，同時(shí)為部隊(duì)反潛戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法及訓(xùn)練規(guī)劃提供了較為重要的參考價(jià)值。

另外，考慮工程實(shí)施的需要，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中對(duì)傳感器探測(cè)威力、武器彈道及攻擊模型及平臺(tái)間通信進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，后續(xù)可考慮根據(jù)實(shí)際工作需要，擴(kuò)展水聲數(shù)據(jù)庫(kù)、增加通信鏈路時(shí)隙約束等，持續(xù)迭代優(yōu)化仿真平臺(tái)。