基于HLA的無人機作戰仿真系統設計與實現＊

（海裝武漢局駐景德鎮軍事代表室 景德鎮 333002）

1 引言

現代無人機主要執行戰場偵察與監視、目標截獲、火力校正、摧毀評估以及電子誘騙與電子干擾等任務，發揮著日益重要的作用。而無人機系統的建模與仿真演練，可以達到使指揮人員和操作人員熟悉無人機系統的組織指揮、實際操作，進行戰術推演的目的，提高所需崗位的能力，如決策、指揮、操作等，以便于從“失敗”過程中多次實驗、形成體驗、摸索經驗，從而節省大量訓練經費，提高訓練質量。

分布交互仿真［1］（Distributed Interactive Simulation，DIS）是指采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫，通過局域網或廣域網，將分散在各地的仿真設備互聯，形成可參與的綜合性仿真環境。為滿足越來越復雜的作戰仿真需求，美國國防部于1995年起開始建立一個通用的仿真技術框架，核心是高層體系結構（High Level Architecture，HLA），到現在已經發展為成熟的體系結構。其中常用的模擬軟件STAGE［2］（Scenario Toolkit And Generation Environment）是加拿大Virtual Prototypes（VPI）公司推出的用于國防和航空航天領域的靈活且實時的仿真與訓練環境，用于建立人工環境并使之富于生機的軟件工具。

本文旨在利用HLA 技術完成無人機作戰仿真系統的設計研究。

2 模型中的假設

運動中的無人機是一個極其復雜的系統［3］，無人機本身是一個彈性體，消耗性載荷的使用又使得無人機是一個變質量體，同時質心的位置又隨時變化，無人機內部的動力系統，操縱系統等因素的影響使得其運動方程中的慣性項變得很復雜，而外力項（包括重力、空氣動力、發動機推力）則是氣動外形、飛機姿態和飛行參數的復雜函數。由于具體無人機的參數各不相同，且模型過于復雜，通常在適當的范圍和程度上作必要的假設：

1）將地面坐標系視為慣性坐標系，忽略地球的曲率。將大地視為平面，無人機的飛行高度一般遠小于地球半徑，故忽略飛行高度的變化所引起的重力加速度的變化。

2）將無人機視作剛體，按質點處理，不考慮攻角和橫滾角的作用，且質量不發生變化。

3）大氣條件按照國際標準，認為大氣是平靜的，無擾動的，因此無人機相對氣流的速度和對地速度相同。

4）在仿真步長時間內，飛機的各個參數保持不變，飛機飛行中無側滑現象。

由于本文主要探討仿真系統的設計與實現，以及受篇幅的影響，仿真所需的無人機運動學模型、雷達反射特性仿真模型、目標的運動學模型、目標探測設備模型、目標行為模型、雷達威脅模型在這里不具體給出。

3 系統的FOM 設計與實現

完整的無人機作戰仿真系統總體結構包括以下幾部分：無人機地面控制系統的仿真接口、平臺飛行作戰仿真系統以及數據庫支持系統。在進行無人機的作戰仿真時，地面控制系統通過RTI仿真接口將無人機的任務計劃和相應的控制指令發送給飛行作戰仿真系統，無人機平臺仿真模塊在收到相應的任務計劃和指令后，平臺任務管理針對任務計劃和指令的內容在動態的仿真戰場環境中實現無人機的任務控制和管理，控制無人機的任務執行，具體結構如圖1所示。

圖1 作戰仿真系統結構

1）聯邦設計

根據無人機作戰仿真系統的總體結構，同時考慮到RTI的實時仿真能力，無人機作戰仿真聯邦的成員劃分如表1所示。

表1 聯邦成員劃分表

設定作戰仿真系統主要仿真九架無人機，因此無人機成員有九個；地面控制系統以一個成員接口代理的方式接入RTI聯邦，整體以一個RTI成員的方式對外。作戰目標仿真成員按照地面目標，空中目標和海上目標劃分為三個仿真成員。按照上述劃分方式，整個無人機作戰仿真系統聯邦包含16個仿真成員。

表2 聯邦成員與對象類之間的公布訂購關系表

在HLA 聯邦中，聯邦成員是由具體的對象類組成，成員通過公布和訂購對象類的屬性來實現與外部成員的數據交互，完成自己的邏輯功能。在無人機的作戰仿真的過程中，實際參與仿真的實體有武器實體、無人機實體以及敵方雷達等作戰目標實體（包括空中目標、地面目標、海上目標），按照面向對象的原則構建系統，同時為了盡量簡化系統的代碼實現，整個系統主要由三個對象類組成：無人機實體對象、敵方目標實體對象、武器實體對象。

根據聯邦成員劃分和對象類組成，在我們系統中，聯邦成員與對象類之間的訂購和發布關系如表2。

2）對象類設計

根據對象類劃分和實體仿真模型，按照面向對象的原則，仿真系統FOM 模型的對象類設計如下。

整個FOM 模型中有一個基類對象類Entity，屬性由一般實體所具有的通用屬性組成，包括實體編號、實體類型、實體角色、實體重要度、實體位置、速度、加速度、姿態角、航向、活動半徑和當前時間。其他實體類型都是Entity類的子類，上述通用屬性可以從Entity類繼承獲得，而各自實體對象的專有特性可以根據其自身物理模型的定義自己屬性來實現。同時，為了仿真的方便，將無人機的狀態單獨定義了一個復合數據結構。對象類的結構和繼承關系如表3所示。

表3 對象類結構表

限于篇幅，這里只列出了Entity對象的屬性描述。Entity對象類包含的屬性如表4所示。

其中，Position類型等復合類型，在HLA 中由專門的復合數據類型表描述。

3）交互類設計

在HLA 中，交互類描述了成員之間的短暫的數據交互行為，如武器開火。作戰仿真系統在運行過程中包括交互類型主要有以下幾種：

（1）仿真運行控制類交互。包括系統初始化（初始化仿真想定）、初始化完畢、啟動，暫停，停止，子系統請求、子系統狀態查詢，子系統狀態報告等交互類型。

近50年來，肺癌的發病率明顯增高，成為危害生命健康的一種主要疾病，由于早期癥狀不明顯，幾乎 70%的肺癌患者在就診時已失去手術機會(Ⅲ期或者Ⅳ期)，這部分患者往往伴有淋巴轉移以及血行轉移，因此肺癌患者總體預后情況不理想[5-6]。疾病本身使得患者機體免疫功能下降，臨床上各種抗腫瘤治療方案可能會進一步破壞機體的免疫防御功能，更易發生院內感染，發生率明顯高于非腫瘤患者[7]，且一旦感染，預后較差。

（2）指揮通信類交互。分為上行數據指令和下行數據指令類：上行數據指令類主要包括作戰計劃（初始配置）、任務計劃、機載設備配置計劃、平臺控制指令、傳感器控制指令交互等等。下行的數據和指令類主要包括無人機任務請求、無人機任務執行情況、目標確認／引導情況、無人機狀態信息（包括毀傷信息）、敵方狀態信息、威脅信息交互等。

（3）實體戰場類交互。主要包括武器發射交互，目標命中。

（4）戰場環境信息交互：主要包括自然條件數據。

（5）效能評估信息交互：效能評估主要用于仿真結束后的結果分析，因此相關數據信息需要在仿真過程中由相應的成員通過交互發送給仿真管理成員保存、分析和評估。

在交互類的設計中，設計了一個基本交互類BasicInteraction，它包含基本的參數發送者標識、接受者標識和交互數據內容，其中的交互內容采用XML格式描述字符串，方便分析和解讀。

4 STAGE在HLA 中的應用

基于HLA 的仿真系統如圖2所示，使用Stage的目的除了要利用其模型數據庫中的模型，還要達到以下兩個目的：一是可在Stage真實場景中布置各聯邦成員，并把場景中聯邦成員的參數通過網絡傳到各仿真節點，作為各聯邦成員運行的初始化參數。二是各聯邦成員模型運行過程中產生的參數變化必須及時通過網絡回送到Stage，從而使Stage能及時更新場景中的模型參數來演示整個仿真過程。

要實現以上兩個目的，需要處理好Stage的本身時鐘和RTI邏輯時鐘之間的關系。Stage時鐘是一個固定的時鐘，其刷新頻率為30．3幀／秒，且無法通過編程去控制。而RTI的邏輯時鐘由RTI來統一調度管理，它和各個“時間調節”聯邦成員的“時戳下限值LBTS（Lower Bound Time Stamp）”有關。由于很難保證這兩個時鐘的同步，因此就不能在Stage刷新時執行有關RTI的操作。基于以上因素并考慮到Stage主要用來演示和回放整個仿真過程，其演示過程和聯邦的整體推進過程在時間上有所不同步并無太大影響，所以可以在實現時剝離Stage和聯邦，在控制臺節點上另設一個控制聯邦成員，使該聯邦成員和Stage同時運行。在聯邦的執行過程中由控制聯邦成員在后臺負責聯邦仿真數據的訂購，而Stage在聯邦初始化時參與聯邦的執行，以后則僅僅從控制聯邦成員取來訂購的數據，在前臺更新顯示模型。

圖3 仿真總體結構圖

1）系統仿真的設計原則

整個系統的仿真總體框架如圖3所示，大體可分解為三部分：仿真前、仿真中和仿真后。

各模塊主要功能：

DI及擴展DI模塊。建立仿真系統各主要組成部分的仿真原型，即設計各仿真原型的數據結構及屬性設置項。

DE及擴展DE 模塊。對DI所建立的原型進行實例化，提供系統仿真場景及顯示界面。

SIM 及擴展SIM 模塊。是整個系統仿真的調度管理器，負責處理實體鏈表；當加入用戶模塊后可控制DE中實體的仿真動作。

STAGE腳本模塊。利用STAGE內置腳本語言及其擴展語言，設計符合仿真系統各平臺工作流程的算法，來控制各平臺的仿真動作。

對外通信模塊。由于STAGE 自帶的仿真結果顯示界面不能滿足本系統的顯示要求，該模塊的功能是擴展STAGE與外部進程的通信功能，利用VC界面顯示應用程序來實時接收、顯示仿真結果，并對結果進行概率統計。

2）系統仿真設計流程

根據計算機仿真學的方法以及仿真系統需求，設計了系統仿真的流程。

首先，分析仿真系統的組成及其工作原理，了解STAGE仿真軟件的仿真機制。再根據功能需求，對SATGE 進行二次性開發，擴展其DI、DE、SIM、腳本語言、與外部進程通信等功能接口。

然后，根據仿真系統的組成，建立各平臺的仿真原型，并在DE 中實例化。實例化以后，就得為各平臺的仿真動作選擇合適的仿真算法，并通過編程實現仿真動作。

最后，選取幾種典型的作戰方式進行仿真，分析仿真結果，提出系統實際使用的合理建議。

3）仿真案例

戰術背景：紅方某機群將要執行轟炸藍方某重要目標的任務，在藍方該目標周邊設有防空系統對空警戒，防空系統由防空雷達和防空導彈部隊等組成，為配合紅方機群成功突破藍方防空系統，現派出9架無人機與戰斗機編隊飛行（或在轟炸機群之前），運用無人機群來干擾壓制藍方雷達，使其在探測距離和／或探測精度上下降，必要時摧毀敵方雷達，最終降低敵方雷達的發現概率，達到掩護紅方機群成功突防、順利完成轟炸任務的目的。

根據任務，九架無人機在紅方基地按順序發射，根據轟炸機群的任務航線和事先已獲得藍方地面雷達站的大概方位，無人機機群初始飛行方向就是航線附近的藍方雷達站的方位。進攻開始前敵方只有值班雷達開機，如圖4所示。

圖4 藍方只有值班雷達開機（進攻前）

圖5 藍方雷達全部開機探測范圍（無人機未受干擾）

在向目標飛行過程中，敵方值班雷達發現無人機后，通知防空雷達網中的所有雷達開機，對空搜索（如圖5所示）。

無人機根據事先偵察的敵情分配任務，結合當時搜索到的具體雷達位置信息，進行任務分配的修正，有重點地實施干擾，從雷達分布與當前任務航線的關系，確定威脅最大的雷達，將關鍵位置的雷達摧毀。各飛機通過機載自導導引頭搜索雷達目標（搜索雷達的發射波的頻率），然后搜索發射波的波源（雷達），攻擊雷達目標。當然，在無人機的飛行和搜索過程中，雷達也可能會發現無人機，發現無人機后，雷達將無人機的方位信息傳輸給數據庫記錄下來，并實時更新這個數據，用來模擬鎖定了無人機，如果鎖定超過10s，則表示無人機被藍方防御系統摧毀。無人機發現雷達，開始向雷達俯沖，若目標雷達關機則拉起，直至再次發現雷達，再發起俯沖攻擊，最后根據撞擊點的坐標（即最后時刻的無人機位置信息）計算與雷達坐標的位置距離，若在距離雷達10m 之外，則無人機退出顯示，雷達繼續工作，若在10m 范圍內，即按雷達被摧毀，雷達退出顯示。

注意：在無人機搜索過程中，如果同時搜索到幾個目標，無人機根據最近原則攻擊最近的雷達目標。多個雷達鎖定一個無人機，只要一個鎖定時間超過界限，則表示無人機被摧毀。

5 結語

本文采用無人機通用模型，根據HLA 的仿真系統聯邦和成員的開發過程，針對無人機作戰仿真系統的特點和內部仿真結構，設計了系統的聯邦FOM 模型，并按照HLA 成員程序的設計流程，開發了相關成員模塊。針對具體的仿真想定，通過仿真實驗，驗證了將STAGE 用于基于HLA 的仿真態勢顯示的可行性。

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