基于XMSF的預警探測仿真系統

初 劍，謝燕軍

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

目前，世界各軍事強國均十分重視預警探測系統的建設，美、俄等軍事強國已建立起由海、陸、空、天等手段組成的全方位一體化的預警探測系統，為導彈防御作戰及空間攻防作戰提供信息支持［1］。我國的預警探測系統尚處于起步階段，由于體系復雜、各分系統之間的交互緊密等多方面原因，在開展大規模的預警探測系統建設前，需要開發預警探測仿真系統對戰略預警體系、關鍵技術等進行驗證與完善。

國內外學者都十分重視預警探測仿真系統的研究:文獻［2］中通過構建基于高層體系結構(HLA)的分布式反導預警仿真系統，用于分析反導預警仿真系統中的仿真實體間的交互關系;文獻［3］中分析了基于HLA的反導作戰仿真系統的對象模型設計;文獻［4］中研究了一種HLA/CORBA互聯模式，以增強系統的分布交互能力;文獻［5］中對導彈防御進行了研究。

在上述研究中，大多采用基于HLA的仿真體系結構來構建仿真系統，但隨著仿真應用的逐步深入，HLA本身的缺陷也同時呈現出來，如建立的模型可重用性差、系統可擴展性差、不同廠商的運行支撐環境(Run-Time Infrastructor，RTI)之間交互有限、與一些通用的中間件標準(CORBA、DDS等)脫節。針對HLA在應用領域的以上缺陷，美軍發起了可擴展建模與仿真框架(Extensible Modeling and Simulation Framework，XMSF)項目，嘗試利用Web技術實現作戰建模與仿真的通用框架，以提高各仿真應用在高度分布的網絡上的互操作，支持模型組件組合和重用。

為有效利用Web技術，本文研究了基于XMSF的預警探測仿真系統，討論了XMSF對仿真系統的擴充方法，介紹了仿真系統的組成、軟件體系結構、仿真模型設計等方面的內容。

1 可擴展建模與仿真框架

XMSF是為建模與仿真定義的一組基于Web的標準、描述和實踐指南的集合［6］。同時，XMSF也是針對具體技術解決方案的一組標準。實現XMSF的關鍵技術來自以下四個核心領域:Web/XML、Internet/網絡、建模與仿真、仿真組件與作戰系統集成。各技術領域之間并沒有嚴格的劃分界限。

XMSF的提出并不是用來取代HLA的，而是針對HLA的不足，進行擴展與補充。在文獻［6-7］中介紹了多種利用Web技術對HLA進行擴展的方法，但總體來說，都集中在以下兩個方面:

1)利用橋接代理進行擴展，在HLA聯邦中增加代理成員，代理成員與其他應用之間通過Web進行通信連接，該方法思路簡潔，但針對不同的系統，需定制相應的傳輸消息的XML格式;

2)利用Web服務對聯邦運行支撐環境RTI進行改造，該方法不但支持HLA提供的狀態共享、時間管理、同步等服務，也支持跨平臺及廣域通信。

比較而言，前者的應用結構相對簡單，后者比前者更具有靈活性及使用性，但對現有HLA系統的改動大。

2 預警探測仿真系統組成

預警探測仿真系統主要目的是為戰略預警體系、關鍵技術研究、模擬訓練等提供驗證的平臺。通過對仿真系統的不斷建設與完善，來支持對預警探測系統的研究。該仿真系統應包含以下功能模塊:作戰實體的仿真，想定編輯功能，導演控制功能、錄取、回放及評定功能，仿真數據庫。

1)作戰實體的仿真

需要仿真的作戰實體主要包括預警探測系統及相關輔助實體組成。預警探測系統主要包含天基傳感器、地基傳感器、海基傳感器、空基傳感器、情報處理中心、指揮控制中心等;輔助實體包含各型號的飛機、導彈、艦船、巡航導彈等探測目標，自然環境、電磁環境等戰場環境以及武器系統。仿真系統需支持后續新型號裝備的仿真。

2)想定編輯功能

想定編輯主要是描述各作戰實體及其相應位置、活動路線等信息。

在預警探測仿真系統中，想定編輯的內容如下:紅藍雙方的設定、作戰環境的設定、傳感器等作戰裝備的設定、探測目標的運動特征設定等。仿真總控人員可根據不同的作戰想定要求，利用想定編輯功能編輯相應的想定，供各仿真分系統使用。

3)導演控制功能

作為仿真的調控方，導演控制管理與監控著整個仿真過程的運行。在仿真準備階段負責想定的分發、部署作戰實體到相關席位;在仿真運行階段，負責仿真運行控制、作戰實體模型之間的數據交互控制、仿真時間控制;在仿真結束階段，負責仿真數據的入庫，結束各仿真系統的運行。同時，在仿真過程中可根據需要對戰場態勢進行調整，如探測目標的航線、發射導彈等。

4)錄取、回放及評定功能

錄取、回放及評定功能是仿真系統的重要組成部分。它的主要功能包括錄取仿真過程中產生和接收的各種數據，并保存到指定數據庫中;能夠在仿真結束后對仿真過程進行回放，可對回放過程進行控制;能夠結合產生的數據，利用專業的評估體系及指標數學模型對仿真過程進行評估，可根據評估結果對想定部署等進行優化處理。

5)仿真數據庫

仿真數據庫主要實現對資源的有效存儲和管理，包括想定數據庫、裝備性能數據庫、仿真模型庫、回放數據庫、二維和三維軍標庫等。

3 系統設計分析

為實現預警探測系統的以上功能，同時利用現有的Web技術，本文提出了基于XMSF的預警探測仿真系統，其功能框架圖如圖1所示。

圖1 基于XMSF的預警探測仿真系統功能框架圖

通常XMSF多應用于廣域網上對數據交互性能要求不高的分布式系統［8］，因而在設計中，將數據交互性能要求高的仿真成員如目標類仿真、傳感器類仿真、武器類仿真、導演控制等置于基于數據分發服務(DDS)的運行框架范圍內;通過橋接代理，獲取運行框架內的數據，以供Web服務器端發布數據使用;各評估分析、態勢顯示等作為Web客戶端程序，結合本地的評估模型、態勢顯示模型，服務器端提供數據發布服務，以實現對仿真過程的分析與顯示。下文中將重點分析仿真模型設計、基于DDS的運行支撐框架、橋接代理、基于Web服務的擴展等方面的設計。

3.1 仿真模型設計

在預警探測仿真系統中，需建立的預警裝備、戰場環境、評估分析等模型的種類眾多，模型之間的關系比較復雜，為解決模型的可重用與可組合，采用組件化技術對模型進行建模。通過選擇不同的組件組合，以形成滿足用戶需要的模型。

在設計的系統中，需要開發的組件模型類型包含平臺組件、裝備組件、行為組件、指標分析組件等。其中，平臺組件模型模擬了作戰實體的基本工作流程，約束了作戰實體的物理組成結構，規定了實體可具備的目標屬性包括作戰飛機平臺、艦船平臺、衛星平臺、導彈平臺、雷達站平臺等;裝備組件模擬了各類裝備的固有物理屬性和作戰能力，包括機動組件、通信組件、干擾組件、武器組件、傳感器組件等;行為組件模擬了作戰實體在作戰過程中的認知行為，包括戰術任務組件、戰術規則組件等;指標分析組件模型包含了多種預警探測評估指標，如覆蓋系數、重疊系數等。

通過上述模型的組件化設計，組合不同的組件并配置相應的戰技指標，可形成預警探測仿真系統中所需要的各類模型，如遠程預警相控陣雷達模型、多功能地基雷達模型、天波超視距雷達模型、紅外預警衛星模型、預警機模型、彈道導彈模型等。具體來說，預警機模型可由預警機平臺組件、預警機機動組件、傳感器組件、通信組件、行為組件等組合，并配置型號預警機的戰技參數。

3.2 基于DDS的運行支撐框架

由于HLA支持實時仿真的效果不好，本文提出了基于DDS的運行支撐框架，該運行支撐框架可對仿真成員間數據交互、時間推進等進行控制。仿真成員之間通過訂閱與發布機制交互信息。

3.3 橋接代理

橋接代理的主要作用是加入到DDS運行支撐框架中，獲取并解析需要的數據，導入到Web服務器中。主要含有以下兩個方面功能:

1)數據采集

根據仿真的需求，可選擇需要訂購的信息類型，利用該信息對橋接代理進行初始化工作;在仿真過程中，橋接代理會根據選擇訂購的信息類型收集相應的數據信息。

2)數據解析

對收集的數據信息進行解析，并以需要的格式傳送到Web服務器中。

針對不同的仿真系統可配置多個橋接成員進行數據的采集與解析。

3.4 基于Web服務的擴展

在本文設計的預警探測仿真系統中，利用Web服務對預警探測仿真系統進行了擴展，使得用戶可以通過Web服務的方式在遠程異地調用所需的功能。Web服務的發布采用B/S結構，含Web客戶端和Web服務器端兩部分。

在預警探測仿真系統中，Web客戶端應用程序含評估分析、態勢顯示等。客戶端應用程序為瀏覽器界面，可分布在Internet上。用戶可通過瀏覽器界面從Web服務器端調用相應的服務組件和數據。

Web服務器端主要提供地圖組件、數據發布器等，各模塊之間相互協調提供服務。在地圖組件中含有基礎戰場信息;數據發布器用于從數據庫中獲取數據，并構建數據服務，為客戶端提供數據支持。如評估分析席位，利用本席位上評估分析模型調用相應的數據服務來對仿真結果進行分析。態勢顯示席位利用本地的軍標庫、三維模型庫等調用基礎地圖信息服務及態勢數據服務產生二維和三維的場景。

4 結束語

本文提出了基于XMSF的預警探測仿真系統，分析了系統的組成及系統實現中的關鍵技術。通過上文的研究可得出以下結論:基于XMSF的預警探測仿真系統可以實現跨地域的仿真，是今后預警探測系統仿真發展的方向;后續可進一步擴展到預警探測的各系統之間的聯合模擬訓練等應用。

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