某型直升機反潛戰術訓練系統設計與實現

陳遵銀，孫明太，吳衛玲

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

某型直升機反潛戰術訓練系統設計與實現

陳遵銀，孫明太，吳衛玲

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

針對某型直升機反潛訓練效率低的問題，提出了基于HLA的某型直升機反潛戰術訓練系統設計與實現。系統運用反潛作戰仿真建模方法，基于HLA對直升機反潛戰術課目訓練進行仿真，著重從臺位設計、體系結構和技術實現等方面進行一定的研究。實踐證明，該系統設計合理、運行穩定、模擬效果逼真，能夠滿足反潛部隊戰術訓練的需要，也為其他反潛機型戰術訓練系統研制提供一定的借鑒。

航空反潛；戰術訓練；HLA；系統仿真

航空反潛與其他反潛方式相比，具有速度快、效率高和受潛艇威脅小等特點，多年來海軍強國投入了大量人力、物力來提高航空反潛作戰能力。因反潛作戰效果受多種因素的影響，如海區環境、目標信息、反潛裝備和人員素質等的因素，如何依據諸多因素開展扎實有效的反潛訓練，是反潛部隊所要完成的日常性工作[1-4]。為了提高某型直升機反潛戰術訓練水平，本文研制開發了一套岸上反潛戰術訓練系統。

1 反潛戰術訓練系統總體設計

1.1 系統布局

反潛戰術訓練系統在配置上強調使用靈活、易于維護，適合部署在作戰部隊或機關（指揮所）。系統須由導演臺、戰術指揮長操作臺（一領臺）和設備操作臺（二領臺）3種臺位組成，通過以太網構成C/S結構系統，如圖1所示。導演臺是唯一的，一領臺和二領臺作為操作單元可以根據訓練需要進行1～6個機組的配置。系統在運行時，由導演臺設置任務，通過參訓機組各臺位協同配合，能夠完成反潛模擬訓練等任務。

圖1 系統配置圖Fig.1 System configuration scheme

1.2 系統臺位設計

該系統包括導演臺、一領臺和二領臺3種臺位。在配置上以機組（分為一領臺和二領臺）為基本單位，由統一的導演臺進行協調和控制，實現反潛過程的模擬。系統臺位功能模塊組成如圖2所示。

圖2 系統臺位功能模塊組成框圖Fig.2 Composition frame of system function modules

1.2.1 導演臺

導演臺負責完成作戰想定與仿真控制，潛艇目標操控，訓練過程記錄與回放，兵力行為支持的功能。兵力行為支持模塊是導演臺的重要組成部分，負責進行反潛過程態勢的計算與控制。

1）作戰想定與仿真控制模塊。設定訓練海區位置及形狀，設定水文條件或調用海洋環境數據庫有關數據并發布數據，設定直升機初始位置、攜帶的搜潛設備和攻潛武器。以電子海圖的形式顯示反潛作戰過程的戰術態勢，同時顯示潛艇目標和直升機的運動情況。顯示機組搜攻潛過程以及搜潛和攻潛結果，可根據訓練任務的需要，隨時啟動、暫停、加速或停止反潛訓練過程。具體功能包括：情況的圖形想定編輯，作戰方案的決心編輯，自然環境設定；作戰仿真進程控制，監視聯邦成員情況，控制仿真進程；自定義，打開、保存想定；情況想定編輯；兵力標注；陣地設計；作戰過程態勢顯示；仿真進程控制；兵力添加、修改，武器裝備配置；陣地（空域）設計。

2）潛艇目標操控模塊。設定潛艇目標信息（目標特性、航向、航速以及平面運動位置和機動規避方式等），在仿真過程中可隨時改變其運動狀態。這里以潛艇目標信息中速度和航向為例，研究其仿真模型。

潛艇目標速度的變化規律滿足指數函數條件。在加速條件下，速度從v0到vT的變化規律為：

在減速時，速度從v0到vT的變化規律為：

式（1）、（2）中：v0、vT分別為初始速度和目標速度；a、b為增速參數；vt為瞬時速度/(m/s)；Kv為減速參數。

潛艇目標航向隨時間的變化過程為：

式（3）中：δ為舵角；K、T為動力系數。

仿真中取捷徑轉向至規定航向HT，因而有當H0〈HT〈H0+180°時，向右轉向；否則反之。

t時刻潛艇的二維位置為：

式（4）中：Δt為仿真步長/s；H為現時航向。

3）訓練過程記錄與回放模塊。記錄與回放子系統作為反潛戰術訓練系統的一個重要組成部分，是整個系統的數據匯總中心，以系統聯邦成員的形式與系統中其他組成部分協調運行，記錄與回放流程如圖3所示。

圖3 記錄與回放子模塊流程Fig.3 Flow of register and playback sub-module

記錄與回放子系統工作在記錄狀態時，采用HLA體系結構、向量容器、ADO和Microsoft Office Access Database，結合SQL數據庫操作語句實現數據的讀取、暫存和存儲；回放時，采用SQL數據庫操作語句和交互選擇對話框，實現數據的實時讀取和有選擇重現，并可以對數據庫進行簡單維護。系統可以完成反潛過程中主要操作信息和狀態數據的記錄、回放和態勢展示，并能將訓練過程中記錄的數據進行篩選和分析，為反潛效果的評估提供科學的依據。

4）兵力行為支持模塊。反潛戰術訓練系統的運行要涉及到諸多兵力行為的支持，這些兵力行為主要靠仿真模型來實現的。主要仿真模型包括海洋水聲環境計算和目標仿真，吊放聲納搜潛仿真，聲納浮標搜潛仿真，磁探儀搜潛仿真，攻潛武器仿真等模型。

1.2.2 一領臺

一領臺由戰術指揮長操控，戰術指揮長負責空中領航和反潛戰術活動，主要完成組織協調機組各成員戰術動作，掌握敵我戰術態勢，熟練運用反潛方法，及時調整反潛方案，使用浮標、標志彈和反潛武器。

1）戰術指揮長操控模塊。操控多架直升機的飛行狀態，包括高度、速度和航向，一個操作臺可控制仿真中的任意一架直升機，同一時間只能控制一架；顯示所操控直升機的飛行狀態，包括高度、速度、航向、武器和裝備等，控制所操控直升機的武備投放，模擬雷達顯示屏二次信息的顯示。

2）動態戰術標圖模塊。一領臺提供了動態戰術標圖功能，用以替代戰術指揮長的紙上手工標圖，既可以實現快速、準確、規范的標圖，又能夠方便地進行結果的保存及打印。采用雙顯示器配置，一個顯示設備控制功能面板和機上戰術顯示器信息；另一個顯示動態戰術標圖的界面。包括依據經緯度標繪圖標，如直升機的吊點、潛艇和浮標位置等，并能設定標圖時間。控制經緯度范圍，包括放大、縮小和拖動繪圖區。顯示本機位置，并將本機位置設為標圖表中心。顯示友機信息、操作員姓名、氣象信息等；將標圖表保存為圖片格式（.bmp）。

1.2.3 二領臺

二領臺由設備操作員操控，設備操作員在反潛飛行中的任務是了解戰術指揮長戰術方案，負責使用吊放聲納、航空磁探儀和浮標系統搜索、跟蹤潛艇[5-6]，用于直升機搜潛設備（吊聲、浮聲、磁探）的搜潛功能、搜潛過程和搜潛戰術訓練，并為一領臺提供目標信息，供戰術指揮長進行下一步的戰術決策。

1）海洋環境與目標特性模擬模塊。采用高斯束射線模型Bellhop來計算聲線軌跡及傳播損失，較好地處理聲線能量焦散和完全影區等問題，并且適用于距離相關條件和復雜三維環境下的聲場計算。水聲傳播模型主要包括射線理論模型、簡正波模型、多途路徑展開模型、快速場模型和拋物方程模型。吊放聲納由于基陣尺寸限制，屬于高頻聲納。因此，采用高斯束射線Bellhop模型進行傳播損失計算。Porter等人開發的Bellhop模型[7]采用高斯射線近似代替幾何射線，能夠較好地處理聲線能量焦散和完全影區等問題。假設海底平坦，海深為zb，設吊放聲納位置位于(zs,0)，聲能疊加采用半相干的計算方法，沿聲線軌跡S在(z,r)處的聲壓為：

式（5）、（6）中：U(θ)為與掠射角θ有關的聲線振幅的權重函數；N為由聲源到達(z,r)處的特征聲線的條數；ω為圓頻率；z0和c0分別為聲源處的深度和聲速；pj(r,z)由Bellhop模型計算。

傳播損失可表示為：

2）搜潛設備操控模塊。吊放聲納的功能模擬，即可模擬吊聲水下分機的收放，以及聲方位、回聲定位、手動跟蹤、自動搜索、自動跟蹤、半自動跟蹤6種工作方式，向戰術指揮長子系統傳送目標數據等[8-10]。聲納浮標的功能模擬，即模擬聲納浮標的搜索、跟蹤、測向等3種工作方式。磁探儀的功能模擬，即可模擬磁探儀設備的收放，磁探儀的使用控制，以及確認發現目標的信息顯示等3種功能。在被動聲納中，噪聲由潛艇聲源發出，傳輸到反潛機的聲納接收器中。被動聲納方程為

式（8）中：SL為目標聲源級/dB；NL為海洋環境噪聲級/dB；TL為傳播損失/dB；DT為達到50%檢測概率的檢測閾/dB；SE為信號余量/dB。

如果用被動聲納方程來預測探測概率，則被動聲納方程中的參數都是隨機變量，相互獨立，且滿足正態分布。對一個聲納系統而言，在給定的中心頻率上，如果SE大于或等于0，那么從原則上講就能探測到目標，認為SE等于0時的瞬時探測概率達到50%。因此，單枚被動浮標瞬時探測概率的計算公式為

式（9）中：x為信號余量；σSE為信號余量方差。

2 系統的技術實現

在系統聯邦運行中，各聯邦成員之間采用交互和對象進行信息傳輸，協調一致地進行仿真過程推進。一是采用統一的時間推進機制。由于作戰仿真中產生的交互事件具有較強的時敏特性，系統具有統一的仿真周期運行和推進，在每個仿真周期，首先由“想定與仿真控制”發出時間推進交互，各聯邦成員按照時間推進步長進行一次仿真推進后，發布相應的結果，“想定與仿真控制”在接收到關鍵成員的時間推進完成后，才可繼續下一個周期的仿真。二是集中仿真與分布交互結合的方式。仿真模型集中在“兵力行為支持”聯邦成員中運行，充分發揮服務器硬件性能，并有效保障各作戰單元時空一致性。而分布式聯邦成員又可滿足系統使用中所需席位的分布和靈活的應用配置。三是數據打包與統一數據結構結合，提高網絡效率。在系統交互類和對象類中，如果不遺余力地將相應信息都以參數和屬性表示，則會產生大量的交互參數和對象屬性，影響網絡傳輸效率。

2.1 交互類的發布與訂購

根據系統需求，定義了13個交互類，各聯邦成員通過交互類的發布與訂購實現信息的傳遞。

1）加入聯邦（JoinHLA）。各聯邦成員在啟動后，都要通過該交互類發布，以通知想定與仿真控制聯邦成員自己已啟動并做好準備。

2）退出聯邦（ExitHLA）。各聯邦成員在程序結束前，都要通過該交互類發布，以通知想定與仿真控制聯邦成員自己已退出聯邦。

3）初始化多用途（Init）。Init交互在仿真初始化、仿真運行中，具有多個不同的用途。仿真初始化時，在按照作戰想定進行仿真運行前，想定與仿真控制聯邦成員通過Init交互類向各聯邦成員發布作戰想定。仿真運行中，想定與仿真控制聯邦成員可通過Init交互對作戰單元任務規劃實施變更。想定與仿真控制聯邦成員可通過該交互進行動態的兵力添加、修改、刪除，暫停或結束仿真運行。

4）兵力武器裝備性能（WeaponEquipDATA）。在仿真初始化時根據全部作戰單元及其武器裝備配置的類型型號統計，將其性能數據（包括復雜屬性數據）采用參數打包的形式，由想定與仿真控制聯邦成員以WeaponEquipDATA交互進行發布。在仿真進行中，當想定與仿真控制聯邦成員增加兵力時，如果新增加兵力及其武器裝備配置類型型號中有想定出現者，則將其性能數據以WeaponEquipDATA交互進行發布。

5）完成初始化（InitOK）。各聯邦成員在接收到仿真初始化交互（Init）并完成仿真初始化后，采用InitOK交互發布自身聯邦成員名稱，由想定與仿真控制聯邦成員定購接收，以確定準備好仿真的各聯邦成員。

6）仿真時間推進（Sim ToDateTime）。仿真運行中，由想定與仿真控制聯邦成員采用該交互發布仿真時間推進命令，其他各聯邦成員定購接收該交互后，按照交互參數中規定的時刻、時間步長（和臺風實時狀態一致），完成一個仿真周期的時間推進。

7）仿真推進完成（TickOK）。各聯邦成員在完成一次周期的仿真后，采用TickOK交互發布自身聯邦成員名稱，由想定與仿真控制仿真時間推進命令，其他各聯邦成員定購接收該交互后，按照交互參數中規定的時刻、時間步長（和臺風實時狀態一致），完成一個仿真周期的時間推進。

8）作戰單元控制命令（RulerControl）。RulerControl是由人在回路兵力操控聯邦成員和兵力行為支持中CGF兵力產生的作戰單元裝備控制級的命令，因而由這2個聯邦成員所發布。想定與仿真控制、記錄回放與分析、兵力行為支持聯邦成員定購接收。

9）新空域（NewAirSpace）。在仿真過程中，兵力可能產生目標可能位置域等新的空域。仿真中新產生的空域采用NewAirSpace交互進行發布和接收。

10）人在回路控制（ManInLoop）。仿真兵力包括計算機生成兵力（CGF）和人在回路戰術操控兵力。每個人在回路戰術操控聯邦成員可根據想定中潛、艦、機相應類型兵力，選擇一個或多個兵力單元進行人工戰術操控而不用兵力行為支持中的CGF行為仿真（仍然需要其武器裝備仿真）；同時也可以隨時取消所選擇的人工戰術操控單元。在這種情況下，系統采用ManInLoop交互進行人在回路情況的發布和定購。

11）時間加速倍率請求（SettingNewDeltaT）。在仿真運行中，當指揮所、人在回路戰術操控等人在回路聯邦成員需要請求改變仿真時間加速倍率（時間步長）時，通過SettingNewDeltaT發送交互。想定與仿真控制聯邦成員定購接收，并實施仿真推進控制。

12）一領臺向二領臺發送信息（TTacToEquip）。仿真中，當一領臺向同一個兵力內的二領臺發送投放武器命令時，通過TTacToEquip發送交互。

13）二領向一領發送信息（TEquipToTac）。仿真中，當二領臺向同一個兵力內的一領臺發送吊放聲納已經放下命令，以及發送測量到的目標方位距離（讀數）時，通過TEquipToTac發送交互。

2.2 對象類的發布與定購

根據系統需求，定義了1個對象類—AllUnit作戰單元狀態。在仿真運行中，全部作戰單元的武器裝備仿真由兵力行為支持執行，產生各作戰單元的狀態數據，狀態數據包括經緯度、高度、速度、航向等基本數據，且包括下一仿真周期所期望的最大時間步長。其他各聯邦成員對對象進行定購接收，并作相應處理。

2.3 交互對象類信息傳輸及其響應的程序實現

在系統仿真運行中，各聯邦成員之間通過上述的交互和對象類的時序發布，協調一致地系統的仿真運行推進。在HLA的6類服務基礎上，進行了軟件封裝以利于程序開發，以5個文件（Federate.cgf，HLA-comm.h，HLAcomm.ccp，MySimulator.h，MySimulator. cpp）的形式為各聯邦成員提供HLA對象交互發布和定購的開發平臺。

2.3.1 交互對象類的發布與定購

采用Federate.cgf文件以文本形式描述本聯邦成員所需發布和定購的交互對象類，其格式如下：

[FEDERATION_NAME]

聯邦名稱

[FEDERATE_NAME]

本邦員名稱

[FEDFILE]

Federation.xm l

[RTINAME_REF]

25.137.249.1：2000//RTIIP地址、端口

[OBJECTS]

對象類個數

AllUnit 5//對象類名稱，屬性個數

UnitNum P/S//對象屬性名稱，發布/定購

TableLen P/S

Buffer P/S

MaxDT P/S

SimSpanT P/S

……

[INTERACTIONS]

交互類個數

RulerControl P/S 3//交互類名稱，發布/定購

參數個數

Num//交互參數名稱

CommandList

SimSpanT

Decision P 2//交互類名稱，發布，參數個數

UnitNum

DATA

……

2.3.2 加入聯邦和退出聯邦的實現

在HLAcomm.h和HLAcomm.ccp文件中，定義了加入、退出聯邦的程序類。其主要方法包括bool Open（）和boolClose（）。Open（）方法打開Federate.cgf文件，根據文件描述的交互對象類的發布和定購，調用HLA服務函數，創建聯邦（如果尚未創建）、獲取交互和對象類句柄、發布和定購交互對象類，完成聯邦的加入。創建交互對象類變量。Close（）方法退出聯邦。

2.3.3 交互對象類的發布與定購

程序采用HLAcomm.ccp中創建的交互對象類變量（以公共變量形式），進行交互/對象類參數/屬性的設置和發布。

交互類發布通過以下過程實現：

interactionHandle->setPara（string name，void*value，int size）；

interactionHandle->send Interaction（）；

對象類發布通過以下過程實現：

ObjectHandle->setAttri（string name，void*value，int size）；

ObjectHandle->updateObject（）；

在MySimulator.h和MySimulator.cpp程序文件中，采用回調函數方法實現交互對象類的定購獲取。其主要函數包括：

Void discoverObject（ObjectClass*pObject）；//發現對象

Void reflectAttributeValues（ObjectClass*pObject）；//接收到the Object對象的屬性更新

Void receiveInteraction（InteractionClass*p Inter）；//接收到交互

Void removeObjectInstance（ObjectClass*pObject）；//接收到the Object被刪除的通知

Void provideA ttributeValueUpdate（ObjectClass *pObject）；//接收到更新the Object對象屬性的請求

當接收到所定購的交互類時，自動進入函數receiveInteraction（InteractionClass*p Inter），根據pInter指示的交互類名稱，采用void*getPara（string Para-Name）獲取參數名ParaName所對應的數值地址，獲取參數數值。

所獲取的交互對象類內容填寫到公共變量中，然后向響應處理程序發送消息。在響應處理程序中以消息事件處理方式完成對定購獲取信息的響應處理。

3 結束語

該系統使用不受配合目標、飛機狀態和海區條件等因素影響，隨時組織人員進行反潛訓練，豐富了部隊反潛訓練的形式。系統具備完善的記錄與回放功能，可以方便地進行訓練后講評和戰術研究，也可為機關評估部隊及人員的反潛能力提供一定的依據。通過系統比較全面、真實的反潛訓練，可有效加深受訓人員對航空反潛復雜性的認識，培養指揮員沉著、冷靜、敏銳的戰術素養，提升部隊的航空反潛能力。

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Design and Realization of aa Certain Type Helicopter Antisubmarine Tactics Training System

CHEN Zun-yin,SUN Ming-tai,WU Wei-ling
（Qingdao Branch,NAAU,Qingdao Shandong 266041,China）

Aiming at the problem of a certain type helicopter antisubmarine training inefficient,the design and realization of a certain type helicopter antisubmarine tactics training based on HLA was given.The system was based on the method of antisubmarine combat simulation modeling,put great emphasis on studing from platform design,configuration,realization of technology from helicopter antisubmarine tactics subjects training simulation based on HLA.The system was used successfully,practice had proved that the design of system was logical,circultor was steady the effect of simulation was vivid.The system could be satisfied with the needs of antisubmarine army tactics training.These models can be used for reference for other antisubmaine helicopters tactics training system.

avation antisubmarine;tactics training;HLA;system simulation

E925；V247.2

A

1673-1522（2014）04-0379-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.04.017

2013-12-28；

2014-04-24

陳遵銀（1965-），男，副教授，碩士。