基于信息作戰(zhàn)訓(xùn)練的艦艇模塊化設(shè)計方法?

（中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

2012年11月，美國參謀長聯(lián)席會議對美軍《聯(lián)合信息作戰(zhàn)條令》進(jìn)行重新修訂，在第二版中對“信息作戰(zhàn)”概念進(jìn)行了重新調(diào)整，定義為“在軍事行動中，綜合使用信息相關(guān)能力，與其他作戰(zhàn)樣式共同作用，影響、擾亂、破壞或篡改敵人或潛在敵人的決策，同時保護(hù)己方?jīng)Q策”。［1］隨著武器裝備的不斷發(fā)展和高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化、智能化程度越來越高，戰(zhàn)術(shù)研究的技術(shù)手段和方法也越來越多，作戰(zhàn)推演技術(shù)作為信息作戰(zhàn)訓(xùn)練的主要手段，為戰(zhàn)法研究、提高訓(xùn)練水平提供了有力支撐［2］。

目前，水面艦艇仿真技術(shù)是軍事仿真領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)，并具有廣泛的應(yīng)用前景。水面艦艇建模研究在海軍作戰(zhàn)理論研究、戰(zhàn)法推演、模擬訓(xùn)練、裝備效能評估等方面至關(guān)重要［3～4］，特別在反艦導(dǎo)彈突防技術(shù)和艦艇對空防御戰(zhàn)法研究日益深入過程中處于重要地位。近些年，水面艦艇建模研究取得了很多成果，多是對水面艦艇運(yùn)動的建模與仿真［5～8］。本文為滿足水面艦艇模型在海軍作戰(zhàn)理論、信息作戰(zhàn)訓(xùn)練等方面的研究需求，在研究水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出了基于戰(zhàn)術(shù)級戰(zhàn)法推演的水面艦艇建模實現(xiàn)過程。基于模塊化建模方法，將水面艦艇模型劃分為各個功能模塊，并結(jié)合組件化開發(fā)思想進(jìn)行開發(fā)實現(xiàn)，大大提高了模型的通用性和可擴(kuò)展性，對戰(zhàn)法研究具有重要意義。

2 水面艦艇模型需求分析

美軍在聯(lián)合信息作戰(zhàn)訓(xùn)練中通常利用信息網(wǎng)絡(luò)、建模與仿真等技術(shù)，綜合開發(fā)運(yùn)用模擬訓(xùn)練手段，實現(xiàn)模擬化訓(xùn)練，訓(xùn)練方式主要有虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練、推演訓(xùn)練、實兵演習(xí)三種［1］。推演訓(xùn)練作為信息作戰(zhàn)訓(xùn)練的一種重要方式，也是軍用作戰(zhàn)仿真的一個分支。針對推演需求不同，一般可分為戰(zhàn)役級、戰(zhàn)術(shù)級和武器裝備級三個級別，各個級別的仿真對水面艦艇運(yùn)動、武器裝備模型精度的需求差別很大，輸出參數(shù)需求也不同［5］。

戰(zhàn)役級仿真：在戰(zhàn)役級作戰(zhàn)仿真中，需要的水面艦艇運(yùn)動仿真模型精度要求最低，主要是需要對水面艦艇機(jī)動能力的籠統(tǒng)計算。一般要計算水面艦艇從一個位置遠(yuǎn)距離航行到另一個位置的時間，航行過程中任意時刻的坐標(biāo)，以及航行一定距離的燃油消耗量。

戰(zhàn)術(shù)級仿真：在戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)仿真中，水面艦艇運(yùn)動仿真模型的精度要求比戰(zhàn)役級仿真的要求高，但比武器裝備級仿真的要求低。需要水面艦艇遠(yuǎn)距離直航、近距離直航和旋回的模型，需要考慮海浪和風(fēng)力的影響，但一般不需要考慮艦艇縱搖、橫搖和垂蕩等，參數(shù)需求主要是航向、航速、坐標(biāo)等。

武器裝備級仿真：在武器裝備級作戰(zhàn)仿真中，水面艦艇運(yùn)動仿真模型的精度要求最高。需要水面艦艇停泊、近距離直航和旋回的模型，需要考慮海浪和風(fēng)力的影響，還需要考慮艦艇縱搖、橫搖和垂蕩等。參數(shù)需求主要是航向、航速、坐標(biāo)、縱搖、橫搖和垂蕩、吃水深度、重量變化等參數(shù)。

鑒于本文主要針對戰(zhàn)術(shù)級推演系統(tǒng)進(jìn)行建模，建模粒度并未達(dá)到裝備級水平，但要高于戰(zhàn)役級仿真，水面艦艇運(yùn)動建模不需要考慮艦艇縱搖、橫搖和垂蕩的影響，武器裝備的建模僅做功能級的模擬即可。

3 水面艦艇模型設(shè)計

3.1 模型總體交互設(shè)計

通過對水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)功能的綜合分析，針對本文戰(zhàn)術(shù)級模型的驗證需求，主要對艦艇平臺、平臺指控系統(tǒng)、預(yù)警偵察系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、硬武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)，以及各系統(tǒng)之間的交互過程進(jìn)行建模仿真［9～11］，基于任務(wù)需求，暫不對反潛功能進(jìn)行設(shè)計。水面艦艇模型總體交互關(guān)系如圖1所示，重點(diǎn)描述了水面艦艇模型運(yùn)行過程中，各個子系統(tǒng)之間的交互關(guān)系，以及模型對外的輸出關(guān)系。

圖1 水面艦艇模型總體交互關(guān)系圖

3.2 模型功能及交互接口設(shè)計

模塊化建模方法能降低建模復(fù)雜性和對用戶的要求，便于修改和調(diào)試所建立的模塊模型，并且模塊可以不經(jīng)修改直接應(yīng)用于另一個類似系統(tǒng)的仿真模型。模塊化是“系統(tǒng)還原論”自頂向下分解的建模方法，是指解決一個復(fù)雜問題時，自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程［12］。本文基于模塊化設(shè)計思想，兼顧水面艦艇功能特點(diǎn)，將其劃分為艦艇平臺模塊、平臺指控模塊、預(yù)警探測模塊、電子戰(zhàn)模塊、硬武器模塊、通信模塊6個部分，水面艦艇模型功能模塊組成如圖2所示。下面，按照仿真模塊的形式對各個功能模塊的功能和交互接口進(jìn)行描述。

圖2 水面艦艇模型功能模塊組成圖

3.2.1 艦艇平臺模塊

艦艇平臺模型主要用于模擬艦艇的運(yùn)動特性、雷達(dá)反射特性、紅外輻射特性和抗毀傷特性等，能夠根據(jù)態(tài)勢設(shè)置的平臺初始信息，模擬并發(fā)送平臺運(yùn)動位置、姿態(tài)信息和毀傷信息；能夠模擬油料消耗，能夠模擬裝備搭載能力，可接收控制命令改變運(yùn)動狀態(tài)，能夠計算碰撞檢測結(jié)果等，模塊交互接口關(guān)系如圖3所示。

模型主要功能如下：

1）艦艇出港進(jìn)港模擬功能。當(dāng)艦艇處于一級戰(zhàn)備時，可以控制艦艇出港，艦艇完成出港后，向港口發(fā)送艦艇出港完成消息；進(jìn)港時，操作員向港口發(fā)起請求進(jìn)港，港口回復(fù)應(yīng)答允許后，艦艇開始進(jìn)港動作，完成進(jìn)港后向港口報告進(jìn)港完成；

2）單艦運(yùn)動模擬功能。能夠模擬艦艇的直線、旋回運(yùn)動；能夠模擬艦艇的加速、減速運(yùn)動，體現(xiàn)平臺的加減速能力；能夠模擬艦艇在不同運(yùn)動速度下的偏航姿態(tài)，模擬不同海情下的橫搖、縱搖等姿態(tài)變化；

3）編隊運(yùn)動模擬功能。具有獨(dú)立航行和編隊航行兩種航行模式，航行模式可在想定初始化參數(shù)中進(jìn)行設(shè)置；

4）艦艇毀傷模擬功能?？杀环磁瀸?dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、航空炸彈和火炮攻擊，通過調(diào)用毀傷判斷模型計算艦艇毀傷狀態(tài)，并作出響應(yīng)。

3.2.2 平臺指控模塊

平臺指控模塊重點(diǎn)模擬艦載指控系統(tǒng)，主要完成信息融合、威脅判斷和目標(biāo)指示等功能，模塊交互接口關(guān)系如圖4所示。

模型主要功能如下：

1）信息融合功能。能夠?qū)⑼荒繕?biāo)經(jīng)多部雷達(dá)探測生成的目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)融合，生成融合目標(biāo)航跡信息；

2）威脅判斷功能?；谀繕?biāo)航跡表信息和戰(zhàn)術(shù)情報消息，計算空中目標(biāo)威脅等級和威脅程度，并給出判斷結(jié)果；

3）目標(biāo)指示功能。根據(jù)威脅判斷結(jié)果，進(jìn)行武器與目標(biāo)間的預(yù)先配對分配，得出每種武器可以打擊的目標(biāo)列表，自動對對空導(dǎo)彈、對地導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、主副炮武器、電子對抗系統(tǒng)進(jìn)行自動目標(biāo)指示。

3.2.3 預(yù)警偵察設(shè)備模塊

預(yù)警偵察設(shè)備模塊主要模擬預(yù)警雷達(dá)、通信偵察、雷達(dá)偵察、激光偵察和紅外偵察設(shè)備的基本功能，模塊交互接口關(guān)系如圖5所示。

各功能部件主要功能如下：

1）雷達(dá)設(shè)備部件。主要用于模擬雷達(dá)在無干擾或有干擾情況下的探測捕獲和跟蹤過程，模擬雷達(dá)的抗干擾功能。能夠根據(jù)目標(biāo)實際的RCS等參數(shù)，計算雷達(dá)對此目標(biāo)所能探測的最大距離；能夠根據(jù)不同的抗干擾指令，實現(xiàn)抗干擾功能；能夠生成雷達(dá)目標(biāo)航跡信息，模擬目標(biāo)航跡信息不斷細(xì)化的過程；

2）通信偵察設(shè)備部件。主要對通信信號實施偵察并及時上報。能夠判斷通信信號電磁波傳播方式，依據(jù)信號功率、頻率、帶寬、調(diào)制樣式、頻偏等判斷信號能否被偵察到；能夠?qū)μ卣鲄?shù)的識別和分析，形成偵察信號列表；

3）雷達(dá)偵察設(shè)備部件。主要用于模擬雷達(dá)偵察設(shè)備對雷達(dá)信號的截獲、識別和威脅告警過程。能夠判斷某一雷達(dá)信號是否可被雷達(dá)偵察機(jī)截獲，體現(xiàn)雷達(dá)偵察裝備截獲概率等裝備性能；能夠判斷一部雷達(dá)信號是否與雷達(dá)識別數(shù)據(jù)庫中的雷達(dá)信號匹配，并輸出識別信息；

圖3 艦艇平臺模塊交互接口關(guān)系圖

圖4 平臺指控模塊交互接口關(guān)系圖

圖5 預(yù)警偵察設(shè)備模塊交互接口關(guān)系圖

4）激光偵察設(shè)備部件。主要以截獲、測量、識別敵方激光威脅信號為主要目的的被動告警方式。能夠?qū)μ幱诟婢芰Ψ秶鷥?nèi)的敵方來襲激光威脅信號進(jìn)行脈沖編碼識別，判斷出它們各自的方位和俯仰信息并進(jìn)行告警，同時將告警信息傳遞給指控系統(tǒng)；

5）紅外偵察設(shè)備部件。能夠?qū)ν{目標(biāo)進(jìn)行探測、識別、判斷威脅程度并實時發(fā)出警報的光電設(shè)備。能夠模擬利用紅外波段探測系統(tǒng)對指定空域來襲威脅目標(biāo)進(jìn)行偵察，對威脅目標(biāo)進(jìn)行識別；判斷出威脅目標(biāo)信息后，向指控系統(tǒng)發(fā)送紅外告警信息。

3.2.4 電子戰(zhàn)設(shè)備模塊

電子戰(zhàn)設(shè)備模塊主要模擬電子對抗控制、雷達(dá)有源干擾、通信有源干擾、激光有源干擾和無源干擾設(shè)備的基本功能，模塊交互接口關(guān)系如圖6所示。

各功能部件主要功能如下：

1）電子對抗控制設(shè)備部件。主要模擬水面艦艇的電子對抗決策過程，完成有源、無源干擾引導(dǎo)與控制。能夠模擬威脅目標(biāo)自動分配功能、有源干擾決策及引導(dǎo)功能、無源/光電干擾決策及引導(dǎo)功能、艦艇規(guī)避建議上報功能、雷達(dá)和激光威脅目標(biāo)信息上報功能；

圖6 電子戰(zhàn)設(shè)備模塊交互接口關(guān)系圖

2）雷達(dá)有源干擾設(shè)備部件。主要模擬接收干擾引導(dǎo)信息，產(chǎn)生干擾信號過程。能夠接收“電子對抗控制設(shè)備模型”發(fā)送的有源干擾威脅目標(biāo)引導(dǎo)命令，根據(jù)引導(dǎo)信息內(nèi)容完成噪聲干擾信號、欺騙干擾信號和組合式干擾信號參數(shù)的解算；能夠模擬噪聲干擾、欺騙干擾、組合干擾等不同干擾樣式下的雷達(dá)有源干擾信號生成；

3）通信有源干擾設(shè)備部件。主要模擬干擾決策過程和干擾信號生成等內(nèi)容。能夠模擬對不同通信信號的干擾決策，模擬不同通信帶寬、通信種類的干擾決策，采用相應(yīng)干擾手段，依據(jù)目標(biāo)分配原則，對偵察到信號頻率由低到高依次干擾；能夠根據(jù)通信干擾決策結(jié)果和通信信號信息，模擬通信干擾信號的生成；

4）激光有源干擾設(shè)備部件。主要模擬激光壓制、激光引偏等功能。能夠模擬干擾決策、干擾信號生成功能；能夠模擬光電干擾信號的生成，干擾信號的具體參數(shù)由電子對抗控制設(shè)備指定；

5）無源干擾設(shè)備部件。主要模擬箔條、紅外、煙幕等干擾彈發(fā)射、干擾過程。能夠模擬干擾引導(dǎo)解算功能、箔條彈運(yùn)動及狀態(tài)模擬功能、紅外彈運(yùn)動及狀態(tài)模擬功能、煙幕彈運(yùn)動及狀態(tài)模擬功能。

3.2.5 硬武器設(shè)備模塊

硬武器設(shè)備模塊主要模擬武器控制、對空導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、對地導(dǎo)彈和火炮設(shè)備的基本功能，模塊交互接口關(guān)系如圖7所示。

圖7 硬武器設(shè)備模塊交互接口關(guān)系圖

1）武器控制設(shè)備部件。主要模擬對空導(dǎo)彈、對地導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈的武器控制設(shè)備和導(dǎo)彈發(fā)射裝置。能夠根據(jù)平臺指控系統(tǒng)的目標(biāo)指示，根據(jù)余彈情況，為導(dǎo)彈裝訂射擊諸元，完成發(fā)射準(zhǔn)備工作；

2）對空/反艦/對地導(dǎo)彈部件。主要用來模擬導(dǎo)彈的運(yùn)動特性、雷達(dá)反射特性、紅外輻射特性和抗毀傷特性等，能夠根據(jù)態(tài)勢設(shè)置的平臺初始信息，模擬艦空導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、艦地導(dǎo)彈的運(yùn)動、姿態(tài)和毀傷情況，并能發(fā)送平臺運(yùn)動位置、姿態(tài)信息和毀傷信息；

3）火炮武器部件。能夠根據(jù)目標(biāo)參數(shù)、近程反導(dǎo)武器狀態(tài)等因素，判斷是否滿足火炮射擊條件，自動控制火炮射擊，并完成毀傷判定。

3.2.6 通信設(shè)備模塊

通信設(shè)備模塊主要模擬數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)處理設(shè)備、電臺設(shè)備的基本功能，模塊交互接口關(guān)系如圖8所示。

圖8 通信設(shè)備模塊交互接口關(guān)系圖

各功能部件主要功能如下：

1）數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)處理設(shè)備部件。主要用于本平臺信息格式與數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)共享信息格式轉(zhuǎn)換。能夠?qū)⒕唧w平臺探測到的目標(biāo)信息，轉(zhuǎn)換為戰(zhàn)術(shù)情報消息；將上級下發(fā)的戰(zhàn)術(shù)情報消息轉(zhuǎn)換為具體平臺特有的目標(biāo)信息格式，并可模擬在聯(lián)通狀態(tài)下的戰(zhàn)術(shù)情報消息傳輸；

2）電臺設(shè)備部件。主要用于模擬電臺的通信過程。能夠模擬產(chǎn)生通信信號，進(jìn)行通信信號接收和發(fā)射，并計算通聯(lián)狀態(tài)；能夠采用換頻、跳頻等方式，進(jìn)行通信抗干擾；能夠模擬多個電臺的組網(wǎng)功能。

4 仿真模型開發(fā)與測試

基于數(shù)字武器開發(fā)平臺（Digital Weapon Kit，DWK），通過生成模型代碼框架，并利用C++語言，對模型進(jìn)行開發(fā)實現(xiàn)。

仿真模型測試過程分為兩個階段，第一階段為單機(jī)測試階段，通過測試代碼工程編寫測試代碼，對模型各個輸入輸出接口及算法功能進(jìn)行單機(jī)測試。第二階段為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試階段，通過制定作戰(zhàn)想定，進(jìn)行方案部署，對模型間的信息流進(jìn)行全面測試。通過兩個階段的測試，本文設(shè)計開發(fā)的水面艦艇模型，可以成功應(yīng)用于戰(zhàn)法推演過程中，具有很好的可重用性和可擴(kuò)展性，對戰(zhàn)法研究具有重要意義。

5 結(jié)語

在數(shù)字武器開發(fā)平臺DWK研究的基礎(chǔ)上，為滿足戰(zhàn)法研究的實際需求，本文基于信息作戰(zhàn)訓(xùn)練方法，對水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，對其功能進(jìn)行模塊化分析，并結(jié)合組件化設(shè)計思想，完成了水面艦艇模型的需求分析、功能設(shè)計、接口設(shè)計、算法設(shè)計和開發(fā)測試工作。通過應(yīng)用驗證，該模型可以根據(jù)實際需求，通過改變性能參數(shù)模擬不同型號、不同搭載裝備的水面艦艇，具有很好的可重用性和可擴(kuò)展性。目前，該模型已經(jīng)在某戰(zhàn)法推演系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用，模型功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定，對提高信息作戰(zhàn)訓(xùn)練水平、戰(zhàn)法運(yùn)用能力具有重要意義。