Vo1.35.NO.4 Apr.2010 火力与指挥控制 Fire Control Command Control 第35卷第4期 2010年4月 文章编号:1002—064O(2O1O)04—0053—05 HLA的地空导弹模拟训练系统雷达仿真邦元 孙 鹏,唐 宏 (空军工程大学导弹学院,陕西R W 三原713800) 摘 要:针对地空导弹武器系勤操作训练的需求,将建模与仿真技术引入防空武器系统研究,首先提出了基于HLA (High Level Architecture)的地空导弹模拟训练系统,给出了系统的功能、组成和详细结构。然后基于高层体系结构的仿真框 架和面向对象的程序设计思想,对地空导弹模拟训练系统雷达仿真邦员的开发过程进行了深入分析,设计了雷达仿真分系统 的联邦架构以及联邦F0M/SoM,最后给出了雷达仿真邦员的仿真主流程。 关键词:仿真技术,地空导弹模拟训练系统,雷达,高层体系结构(HLA) 中图分类号:O122 文献标识码:A adar Federation Study of Ground to..air Missile eapon System Training Simulator based on HLA SUN Peng,TANG Hong (Missile College,Airforce Engineering University,Sanyuan 713800,China) Abstract:Considering current development of simulation technologies and practical request of ground— to—air missile weapon system training simulator,the modeling and simulation technology was introduced into the research field of air—defense weapon system.At the begin,It is presented an architectural design of ground—to—air missile weapon system training simulator based on High Level Architecture(HLA),the functions,composition and the detailed framework of the simulation system were given,too.Based on the simulation framework of high level architecture and the thought of object—oriented program design,then the paper design a key technologies used such as composition and development process of radar federation, It puts forward a frame of federation,FOM/SOM of Radar Federation.A primary simulation process of federate systems was given at last. Key words:simulation technologies,ground—to—air missile weapon system training simulator,radar, high 1evel architecture 引 言 2O世纪末以来,由于新型武器系统不断出现, 模拟训练设备也随之发展。随着电子技术、声光技 术、激光技术特别是计算机技术的发展和广泛应用, 模拟训练的手段发生了质的飞跃。 和常规的训练方式相比,模拟训练操作具有环 收稿日期:2009—03—18 修回日期:2009—05—11 境逼真、场景多变、“身临其境”感强、训练针对性好 和安全经济、可控性强等特点。而这种特点十分符合 严格的军事训练要求:一是能够减少训练伤亡。二是 大大降低训练费用。模拟训练无需动用一一弹、一 兵一卒,就能取得比实兵现场训练更好的效果。三是 大幅度提高训练质量。 随着中国特色军事变革的逐步深化,我军已从 过去的机械化训练转向适应未来高科技信息化战争 需要的信息化训练。在军事训练转型的过程中,军事 训练的战略地位再次得到提升,模拟训练系统的研 制与应用,为科技练兵提供了一种新的高科技 *基金项目:国家重点基金资助项目(2110工程) 作者简介:孙 鹏(1984一 ),男,陕西商洛人,硕士研究 生,主要研究方向:系统建模与仿真。 ・54・ (总第35—580) 火力与指挥控制 2010年第4期 手段,有利于提高操作人员的素质和武器系统的整 体作战效能,将对推动我国武器系统模拟训练系统 的发展起到积极推动作用。基于HLA的地空导弹 作战性能及效能的测试评估研究,比较和评估战法 或作战方案的优劣,启发新的作战思想。 5)进行防空作战战法研究,提高指挥员和指挥 机关的指挥水平,验证防空C I系统作战模型的有 效性。 模拟训练系统的开发目的在于使新技术在新型仿真 训练设备上得到体现,使新一代模拟训练系统性能 上先进,功能上齐全,全方位满足作战和训练需 根据这些功能要求,将各个功能进行分解,得到 要,提高训练水平,使新装备尽快形成战斗力。 1 地空导弹模拟训练系统的功能 地空导弹模拟训练系统借助建模/仿真技术,建 立地面防空作战综合仿真系统,主要研究在攻防对 抗条件下,地空导弹武器系统在综合作战环境中仿 真技术的应用,对其性能和效能进行验证与评估[】]。 其主要功能为: 1)模拟“实战环境”的仿真平台,构建逼真的空 防对抗战场环境。具体地说,包括战场地理环境、电 磁和战术环境等的模拟,能够根据地空导弹武器系 统的作战使命、战术背景和作战想定生成空情数据, 并在人机界面上形成近似实战的显示环境。 2)模拟地空导弹武器系术单位主要电子设 备的人机界面和功能现象。这些主要电子设备包括 指挥控制台、综合空情台等多个显控台,对指挥单元 的战斗指挥全过程进行模拟操作训练,包括作战指 挥、模拟外部雷达情报源(远方、近方和所属火力单 元)空中情报、模拟干扰类型和强度、威胁判断、目标 优化和目标分配等指挥状态信息。 3)可模拟和动态显示火力单元的主要战斗和工 作状态信息,包括火力单元的工作状态、对目标的截 获跟踪状况、导弹发射车状态、导弹发射状态、导弹 与目标遭遇状况、导弹自毁等所属火力单元信息。对 作战过程、战法及指挥决策过程进行仿真、推演,分 析其结果,实现地空导弹武器系统防空作战过程仿 真研究与演示。 表1系统功能模块化分 地 空 模拟主体 萎 差空导弹武器系斗指挥 导 复杂电磁环境、 模拟外部雷达情报源空中情报、 弹 模 地理环境、战术 模拟干扰类型和强度、威胁判断、 拟 训 环境生成系统 战术、自然环境生成等 练 系 统 控制支撑 要 ・ 鲁: 4)系统控制和管理,对整个操作训练过程进行 自动记录、重演和成绩评判。进行地空导弹武器系统 系统功能模块的划分如表1所示。 除了功能需求,系统的非功能性要求主要包括: *具有良好的可扩充性,便于未来系统的演化 和升级; *基于分布式交互仿真领域的标准技术体系, 提供标准的交互和控制接口,能够与其他模拟器进 行组网训练; *具有良好的使用性、可维性和可靠性,方便 用户使用和维护,提高利用率。 2 基于HLA的地空导弹模拟训练系 统的总体结构设计 对于地空导弹模拟训练系统这样一种复杂的 高技术武器装备,系统仿真技术在该系统的方案论 证、优化设计、试验预测、质量保证、试验定型以及作 战效能评估等方面具有十分重要的作用。本文所构 建的仿真平台是一种基于HLA体系结构的包含有 虚拟现实技术的地空导弹武器系统训练模拟器,地 空导弹模拟训练系统联邦群结构图如图1所示。 地空导弹模拟切 练系统联邦群 l I 景仿真联邦1统控制、视J l 目标流仿真 地空导弹武器装备作战I联邦 仿真联邦 I 耪誓蔟 1. 姻 干真有遮性干 扰邦源盖仿员 回 目If 旧i标 信 信 得 损 检 数 据 机 真 标邦仿员J波= 雷 上综合 上抗干扰 上综合达 接 仿上I 真—邦参L员 上数 j收_J 1 大 气谥J杂 传 扰信 RCS 号 噪 益 耗 测 测 处 _ 上 号功 模 功 比 因 因 模 量 理 噪 波 输 模 损 率模 型 型 瘟 模 子 子 型 模 模 宙 模 型 模 模 型 型 模 型 耗 型 模 型 型 型 型 图1地空导弹模拟训练系统联邦群结构 仿真平台邦员功能: *系统控制、视景仿真联邦 负责全系统的初始化、运行、暂停、结束等控制。 另外通过人机界面输入或CGF管理作战想定;采 集、记录、存储仿真数据,并能根据仿真数据评估作 战效能 *目标流仿真联邦 对有源雷达来说,有用信号是指接受到的被观 孙鹏,等:HLA的地空导弹模拟训练系统雷达仿真邦元 (总第35—581) 。55。 测目标反射的信号,如单脉冲信号、连续波信号、相 位编码信号等。与发射信号是相同的,如果是运动目 中需要交换的各种数据及相关信息,并通过RTI为 仿真应用提供通用的、相对的支撑服务,完成仿 真任务。基于HLA的特性,根据仿真平台的特点和 实现功能,同时依据联邦开发和执行过程模型 FEDEP,结合具体的辅助开发工具,完成仿真平台 的设计开发。 4.1雷达仿真邦员的开发环境 标,所接收到的信号不仅具有一定的延迟,而且比发 射信号多了一个多普勒分量。在这里,目标邦员由目 标RCS模型和回波信号功率模型共同建立。 *地空导弹武器装备作战仿真联邦建立雷达 系统模型是雷达仿真工作中一个非常重要的环节, 不管是系统验证还是系统设计,都必须给出一个完 整的雷达系统模型(包括天线、发射机、接受机、信号 基于HLA的地空导弹模拟训练系统雷达仿真 邦员的开发采用Windows2000/XP操作系统,以协 处理机、检测器、恒虚警处理器和数据处理器等),并 且能用数学表达式进行描述,然后将其变成一个“软 雷达”。建立的雷达系统邦员主要由接收机噪声模 型、数据处理模型、参数测量模型、检测模型、综合信 噪比模型、雷达抗干扰得益因子模型、综合损耗因子 模型组成L2]。 *战场环境仿真联邦 主要包括地物杂波、海洋杂波、气象杂波和仙 波。噪声主要包括外部天电噪声、和接收机内部噪 声。本模型包括有源遮盖性干扰模型、接收机噪声模 型和大气传输损耗模型。 3 系统的联邦组成 根据系统的要求,将每个组成模块定义为一个 联邦成员,各自完成相应的仿真功能,系统组成如图 2所示。 I『景邦员I系统视f l系统控制l l邦员邦员I l干扰仿I真邦员l 二 运行支撑环境RTI网络 —=[■__二 }雷达仿{ I杂波噪声l I真邦员I l仿真邦员l 图2系统联邦组成 4 基于HLA的地空导弹模拟训练系 统雷达仿真邦员的设计开发 根据当前先进分布仿真技术的发展,选用高层 体系结构HLA来构建文本所述仿真平厶[引。HLA 是用于产生计算机仿真系统的通用技术框架,是美 国国防部建模与仿真办公室(DMSO)为了解决军事 仿真应用的互操作性和重用性问题于1995年提出 的新一代分布式仿真标准。作为一个开放的、支持面 向对象的体系结构,以统一的标准化模板——对象 模型模板(OMT,Object Model Template)来定义联 邦及联邦中每一个联邦成员并描述联邦在运行过程 同仿真平台的高层建模为建模环境,采用c++为 程序开发语言,VC++6.0为程序开发环境,进行 软件开发。 4.2雷达仿真邦员的开发过程 基于HLA的仿真系统开发过程十分复杂。通 过有限的步骤将用户的需要从抽象的逻辑概念初步 转化为具体的物理实现。参照FEDEP模型,按如下 过程进行联邦开发: 步骤1:根据地空导弹模拟器系统仿真模型开 发了各个联邦成员的仿真对象模型(s0M)。 步骤2:通过对联邦执行过程中的交互数据、联 邦想定和联邦概念模型进行优化合并,得到系统的 联邦对象模型(FOM),确定了仿真联邦FOM中的 对象类和交互类以及它们的属性和参数。 步骤3:根据FOM表和SOM表,生成了联邦 执行时的联邦执行文件(.FED文件)。 步骤4:开发各个联邦成员,并将开发好的联邦 成员进行系统集成,调试并解决系统中的问题,然后 对系统的运行结果与联邦想定对比分析,进行改进。 4.3对象类和交互类开发 在HLA中,对象类是参与联邦交互的对象实 例所属的类。本联邦的对象类主要有:Target(目标 类),Airplan(飞机类),Missile(导弹)类,Active jamming(有源积极干扰器类),Environment(环境 类),Radar(雷达系统类)。 1)Target类属性 ID:目标的标识;State:描述目标的状态,目标 存在与否;Type:描述目标的类型,是飞机、导弹还 是干扰器等;Position:目标的空间坐标位置; 2)Airplan类(Target类派生)属性 A ID:飞机的标识;A State:飞机的状态,飞 机存在与否;A Type:是飞机类型;A Position: 飞机的空间坐标位置;A Type Type:飞机的类 型,是歼击机、轰炸机还是侦察机等;A Velocity: 目标飞机当前速度;A Direction:描述飞机的航 ・56・ (总第35—582) 火力与指挥控制 2010年第4期 向;A Frd or Eny:目标的性质:敌方或我方, 等。 3)Missile类(Target类派生)属性 M ID:导弹的标识;M State:导弹的状态,导 弹存在与否;M Type:是导弹类型;M Position: 导弹的空间坐标位置;MType——Type:导弹的类 型,是空地弹、巡航导弹还是反辐射导弹等;M Velocity:导弹当前速度;M Direction:描述导弹的 方向;M terminal guide mode:描述导弹的末端 制导方式; 4)Active jamming类(Target类派生)属性 Ac ID:有源积极干扰器的标识;Ac State;有 源积极干扰器的状态,存在与否;Ac—Type:是有源 积极干扰器;Ac Position:有源积极干扰器的空间 坐标外置;Ac If Open:有源积极干扰器是否开 机;Ac Type Type:有源积极干扰器的类型,是地 面干扰装置、空中干扰还是综合型、单一型等;Ac Horizonta1Range:有源积极干扰器的水平方向波束 覆盖范围;Ac VerticalRange:有源积极干扰器的 垂直方向波束覆盖面积;Ac WorkStyle:有源积极 干扰器的工作方式,是瞄准式干扰、阻塞式干扰还是 扫频式干扰。 5)Environment类属性 E Clutter:各类杂波,包括地物杂波、海洋杂 波、气象杂波和仙波等;E Noise:各类噪声,包括外 部天电噪声和接收机内部噪声等; 6)Radar类属性 R If Open:描述雷达是否开机;R WorkStytle:雷达系统的工作方式;Antenna powergain:天线功率增益;RHoriz0ntalRange: ——水平方向形成波束的覆盖扇面;R—VerticalRange: 垂直方向形成波束的覆盖扇面;R—MinSignal— to—noise ratio:最小可检测信噪比,等。 在HLA中,成员问的互操作既可以通过更新/ 反射对象类属性值来完成,也可以通过发送/接受交 互实例来完成,交互类是由交互参数构成的。本系统 中的交互类主要包括: 交互类主要有:RadarTransmittingSignal ——(雷达发射信号交互类),Target—Echo(目标回波信 号交互类),Radar Results(雷达系统处理结果), 各类的参数如下: 1)RadarTransmitting——Signal类具有的参数 SignalData:发射信号的具体数据;Signal— —Power:发射信号输出功率;Signal WorkFrequency:发射信号工作频率;Signal Form:发射信号调制形式,等。 2)Target—Echo类具有的参数 TEcho——Data:目标回波具体数据;T Echo —Frequency:目标回波频率,等。 3)Radar—Results类具有的参数 R—Data:雷达系统接收的具体数据;R WorkStytle:雷达工作方式;If—Target:检测是否有 目标;If—Friend:检测是否是友方目标;Relative Distance:目标相对雷达的距离;Relative Velocity:目标相对雷达的相对速度;Missile Fire: 导弹发射指令,等。 顺利开发完毕对象类和交互类后,自然可以实 现联邦执行数据(Federation Executive Digital, FED)文件[4 ]。节选部分FED文件定义如下: (objects (class ObjectRoot (attribute privilegeToDeleteObject reliable timestamp) (class RTIprivate) (class Target,Target对象类定义开始 \ (attribute State reliable timestamp);}属性… (attribute Type reliable timestamp) (attribute Coordinate X,Coordinate Y, CoordinateZ reliable timestamp)(attribute Velocity —reliable timestamp) (attribute Direction reliable timestamp) (interacti0ns (class InteractionRoot reliable timestamp (class RTIprivate reliable timestamp) (class Signal reliable receive;;Signal交互类定义开 始 (parameter Signal—Data);}参数… (parameter SignalForm) —(parameter SignalWorkFrequency) —(parameter Signal—Power) ) 4.4发布与订购 在HI A中,每个联邦成员必须公布计划产生 的对象类和交互类,并订购感兴趣的对象类和交互 类。系统中的FoM/S0M发布与订购关系如下页表 2所示。 孙鹏,等:HLA的地空导弹模拟训练系统雷达仿真邦元 (总第35--583) ・57・ 表2 FOM/SOM发布与订购关系 4.5联邦仿真流程 一 中虚线部分),循环主要完成雷达处理和对象类实例 更新、交互类的发送等工作。否则调用 东 Y Fed.DeleteObjlnst()删除已公布的对象类实例。 6)最后调用Fed.ResignFederationExecution I初始化成员数据I I 创建并加入联邦 l设置仿真时间戳l ・螽 ; N i ; ()和Fed.Destr0yFederationExecution()注销并退 出联邦。 仿真流程如图3所示。 I 鲁明公布/订购关系 ~—曼 :: Y 一 J 确定时间推进策略f 创建雷达实例 I雷达处理l I更新对象类属性I 定义交互类实 5 结 论 本文提出了基于HLA的地空导弹模拟训练系 I 创建交互实例 l— 例并发送 II¨ l一 统的功能和体系结构,设计和开发了基于高层体系 结构的某型雷达功能仿真平台,较详细的给出了信 息流程、仿真流程图以及联邦对象模型/仿真对象模 型。本文的研究工作对于防空武器模拟训练系统的 建立有一定的参考价值,下一步的研究主要集中在: *对模型进行完善修复,提高建模的逼真度; 图3联邦仿真流程 *提高仿真模型的可重用性和互操作性; *将本系统接人到更大规模的军事仿真训练 环境中,满足复杂大系统的需要,进行更全面的多型 防空武器联合模拟训练。 参考文献: [1] 马亚平.作战模拟系统[M].北京;国防大学出版社, 2005. 基于上述对联邦信息流程设计和联邦开发过 程,设计雷达系统仿真流程。在仿真流程中完成联邦 所有的操作。 1)联邦成员通过调用InitializeFederate()初始 化成员后,调用Fed.createFederation()和 Fed.JoinFederation()创建与加入联邦。 2)调用Fed.InitRTI()获得对象类及其属性、 交互类及其参数的句柄值。 3)调用Fed.PublishAndSubseribe()声明公布/ 订购关系并调Fed.InitializeTimeManagernent()声 [2] 赵锋.基于HLA的相控阵雷达系统仿真并行处 理研究[J].系统仿真学报,2006,18(8):2170—2173. [3] Goldin D S,Vennefi S L,Virginia A K.New Frontiers Design Synthesis口].Acta Astronautica, 1999,44(7—12):407—418. 明时间推进策略。 4)调CPub Radar::CreateAndRegisterObject [4] 张海峰.防空系统目标威胁评估与火力分配模型 ()实现所公布对象类实例的注册,调用Fed.m Pub Radars.Add()进行存储。 5)如满足仿真条件(!Friend)进入仿真循环(图 [J].火力与指挥控制,2004,29(6):29—32. [s] 启明工作室,Visual C++4-SOL Server数据库应 用系统开发与实例[M].北京:人民邮电出版社, 2004。