HLA框架構建空戰導彈武器作戰效能設計*

王征，朱冰，余瑞星

(1.西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安　710065; 2.西北工業大學 航天學院，陜西 西安　710072)

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HLA框架構建空戰導彈武器作戰效能設計*

王征1，朱冰1，余瑞星2

(1.西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安710065; 2.西北工業大學 航天學院，陜西 西安710072)

摘要：武器系統作戰效能是指在攻防對抗的戰場環境下完成規定任務的能力，武器系統的效能是研制、使用該系統所追求的總目標。為獲得空戰導彈武器作戰效能，避免傳統主觀評價帶來的缺陷，設計了采用仿真方法評價空戰導彈武器作戰效能的架構。設計了基于HLA(high level architecture)的空戰仿真框架和組成模塊，對HLA的盟員進行了開發，規劃了接口，提出了能夠保證仿真實時性的整體方案。

關鍵詞：仿真；高級體系結構；作戰效能；軟件

0引言

武器系統作戰效能反映了武器系統最本質的特征，是評價武器系統優劣最重要的綜合性指標，是武器裝備作戰對抗的動力和判斷勝負的主要依據[1]。隨著武器種類不斷增加，戰場環境日新月異，單憑軍事專家的經驗和直覺對武器系統進行效能評估已無法適應現代化戰爭，客觀、快捷、有效的評估方法成為發展的必然需要[2-3]。數字仿真可以將模型動態地展示出來，根據數學模型進行推演能極大地模擬現場環境，從而在各種對抗環境下計算作戰效能，且極大地降低成本。而HLA(high level architecture)作為新一代仿真架構標準，為仿真的構建、重用、擴展，分布交互打下了良好的基礎，基于HLA構架可以運用其仿真架構優勢，對武器效能更好地評估。

1空戰實體模塊

空戰分為超視距、視距空戰2部分。當機載或指揮機雷達開始搜索目標后，敵我態勢顯示在平視顯示器上，雷達截獲目標后，轉入自動跟蹤，駕駛員作出有利于己方的機動并發射導彈。還要進行視距空戰——使用近距格斗彈在光電雷達、火控系統下的格斗。所以需要研究導彈飛機的運動模型、雷達模型。完整的空戰模型如圖1所示[4-6]。

圖1　空戰仿真模型Fig.1　Air combat simulation model

1.1空空彈模塊

空空彈按照發射方式有前置、后置、大離軸甚至越肩發射；按距離分為近程、中程、遠程；按照控制方式有普通的氣動力、推力矢量乃至直接力控制；按導引律不同有古典導引律、新型導引律等；同樣是氣動力控制，也有側滑轉彎、傾斜轉彎等。需要對不同種類建模六自由度全量的非線性運動方程[7]，為解決奇點問題采用四元素法，對導彈控制系統建模包括相同的俯仰、偏航通道以及滾動通道。

1.2飛機模塊

飛機與導彈不同：導彈具有導引大回路，其舵偏等控制指令由導引頭輸出的信號經彈載計算機算出；而飛機的操縱面需要經由駕駛員通過控制桿輸入，并且在飛機控制系統作用下偏轉。飛機的仿真模型由飛機本體的動力學[8]、飛行控制系統2個子系統組成，如圖2。

圖2　飛機模型Fig.2　Plane model

駕駛員指令信號與系統反饋信號經過飛行控制系統模型的解算得到操縱面偏角；操縱面偏角信號在經過飛機本體動力學方程解算后得到飛機本體所受的外力與力矩；這些力與力矩經飛機本體運動學方程的解算后得到飛機的各種響應，如ωz，ny，α，β等。

1.3雷達模塊

空戰采用雷達等探測系統來搜索、跟蹤目標，提供目標距離和方位等信息[4-5]。光電雷達屬于無源探測，抗干擾能力強，能從較遠的距離發現、識別目標。而機載雷達空戰時更要根據雷達不同作模式特點及作戰態勢情況使用——狀態分為搜索狀態、截獲狀態、跟蹤狀態。雷達掃描的空間角度區域不同，則搜索的周期也不同。搜索狀態和截獲狀態屬于大區掃描，周期為T1較大；跟蹤狀態為小區掃描，周期為T2較小。雷達一開始處于搜索狀態，當搜索到目標并且不丟失就可以轉化為截獲狀態，然后飛行員可以手動將雷達“聚焦”，實現小區掃描的跟蹤狀態，在這個狀態下雷達可以觀察到的目標距離反而更遠。如果丟失了目標，但在極限時間內又找回目標，那么認為目標沒有發生丟失，否則回到搜索狀態。雷達搜索模型如圖3所示。

2火控計算模塊

包括空戰態勢評估、威脅評估和排序、目標分配和火力分配、空空導彈可攻擊區。

2.1目標威脅排序與目標分配模塊

威脅評估是為了評估出敵機對我機的威脅程度。一般來說，空戰中的威脅指數算法按照典型的圖4所示模型來計算。

上述各個威脅因子的取值都是0～1，這時選取適當的權系數，總的目標威脅度可以計算為它們的加權和。在得到威脅度后，目標排序的過程如圖5所示。

圖3　雷達搜索模型Fig.3　Radar search model

圖4　空戰威脅指標Fig.4　Air combat threat index

圖5　空戰排序Fig.5　Air combat sorting

2.2可攻擊區計算模塊

導彈可攻擊區一般有發射包線和捕獲區2種描述方式。發射包線指目標周圍，能在一定攻擊條件下以某種概率命中目標的載機初始位置范圍。殺傷區指載機周圍，導彈可以在一定條件下以某種概率命中目標的目標初始位置范圍。對于該區域，通過仿真計算后擬合得到[9]。

計算時物理模型假設條件：①認為目標和導彈在同一高度的同一平面內；②導彈和目標的運動均為質點運動，作用在導彈上的力為推力、阻力、側力；③目標的各種機動都可以看成一系列不同初始條件下、不同過載機動的組合，故仿真中只研究目標為某初始條件采用固定過載機動的情況；④忽略控制系統慣性及彈體姿態變化的慣性，忽律各種隨機干擾。

仿真限制條件：①導引頭工作距離，截獲目標的距離；②彈上能源工作時間限制最大制導時間；③引信需要的導彈最小相對速度限制，引信需要的最大相對速度限制；④導引頭視角范圍限制；⑤引信解除保險時間限制；⑥導引頭轉動角速度，目標線移動角速度限制；⑦導彈發射時的初始離軸角限制；⑧導彈的需用過載不能大于可用過載；⑨導彈其他性能參數的限制：如進入有控飛行的時間、主動段完成進入被動斷的時間等；⑩BTT、推力矢量控制導彈等所具有的特殊限制條件等。殺傷區計算流程如圖6所示。

圖6　攻擊區仿真流程圖Fig.6　Fighter engagement zone calculating

3末端效能模塊

導彈對目標的毀傷，是近炸引信作用下，飛散出戰斗部實現毀傷[10-12]。末端的高速相對運動使得可以忽略導彈制導回路，看成相對勻速直線的運動，而作戰效能取決于引信與戰斗部配合，具體因素有：導彈與目標相遇條件、環境條件、目標特性、戰斗部類型與參數和引信參數。該模塊采用蒙特卡羅方法計算。其計算流程如圖7所示。

圖7　蒙特卡羅殺末端效能計算流程Fig.7　Monte Carlo kill terminal efficiency calculation process

主要包括：引信啟動區模塊、引信啟動概率模塊、破片的飛散特性模塊、目標命中的破片數模塊、單破片殺傷概率模塊、坐標殺傷規律模塊。

4HLA仿真架構

HLA主要目的是促進仿真應用的互操作性和仿真資源的可重用性。HLA的本質目的是促進仿真互操作性、代碼重用性、分布交互的實現[13-15]。

4.1基于HLA仿真的開發

可以描述為下列的行為——按照HLA的10條規則，根據模型模板(OMT)建立聯邦對象模型(FOM)，HLA仿真的對象模型(SOM)(或是依據已有的FOM，SOM通過修改或直接應用，正好體現了仿真的重用)，仿真過程中，調用接口規范的API，即調用HLA里由RTI提供的各種服務[16-17]。系統組成如圖8所示。

圖8　系統組成Fig.8　System composition

(1) 首先定義枚舉類型Plane_damage,表示飛機毀傷的不同程度。

(2) 定義運動學參數的復雜數據類型，能夠保存飛行器的位置、速度以及姿態信息。

(3) 仿真對象模型SOM的設計。仿真系統中可以看出一共有9個聯邦成員，兩方的雷達、飛機和導彈盟員各自擁有一個雷達類Radar、飛機類Plane、導彈類Missile的一個實例，負責其屬性的更新；時間總控盟員擁有一個時間的實例；三維顯示盟員和數據記錄盟員不含有任何對象類實例，但要求訂閱相應的對象屬性。

SOM的發布/訂閱關系：飛機盟員發布飛機實例的屬性，訂閱飛機、導彈類和雷達類、時間類的全部屬性，訂閱開火類、爆炸類；導彈盟員發布導彈實例的屬性，訂閱飛機類；雷達盟員擁有雷達實例，負責其屬性的更新，并且訂閱飛機類、導彈類的所有屬性；時間總控盟員擁有時間類實例，發布其屬性，不訂閱任何其他對象類屬性或者交互；三維顯示、數據記錄盟員訂閱所有對象的屬性，不發布任何對象實例。

(4) FOM中的對象類和交互類分析，FOM通過合并綜合SOM形成。

對象、交互類層次關系及屬性如表1所示。

表1　對象、交互類層次關系及屬性

4.2接口規范

(1) 聯邦管理服務

HLA 聯邦管理服務主要是指對一個聯邦執行的創建、動態控制、修改和刪除、存儲和恢復、同步等。

(2) 聯邦對象管理服務

實現對象實例的注冊與發現、屬性值的更新與反射、交互實例的發送與接收以及對象實例的刪除與移去等功能。仿真開始，飛機雷達及時間控制盟員向RTI注冊對象實例并負責屬性更新。雷達盟員“發現敵機”，由雷達盟員向RTI公布導彈對象類，并注冊導彈實例。

(3) 所有權管理服務

當雷達盟員注冊了導彈實例后，雷達盟員自動獲得了導彈實例的屬性所有權，這時要將它的所有權轉交到導彈盟員手中，由導彈盟員負責其屬性的更新，計算它的位置、姿態等。當導彈實例爆炸后需要刪除時，導彈盟員需要放棄導彈實例屬性所有權，進一步進行刪除。

(4) 其他管理服務

考慮到仿真并不復雜，不采用數據分發管理。

(5) 時間管理

在HLA中時間的管理是很重要[18-20]。為了實現同步機制，采用硬件成本太大，采用軟件RTI計算要花費大量時間判斷、計算，即使網絡條件良好、計算機計算也沒延遲，整個聯邦也會因為RTI的時間消耗跟不上真實時間。為了實現人在回路的空戰仿真，設立一個總控時間盟員，只發出時間消息，來進行控制，由于它到其他盟員具有同樣延遲，那么其他盟員可以看成相互間同步。

5系統開發與實驗

MAK是MAK TECH公司生產的最新作戰仿真開發平臺[21]，包括VR-Link，RTI，VR-Forces，Stealth，Data Logger 等主要模塊，實現了如計算機兵力生成、紅藍對抗、戰場環境二維態勢顯示，三維戰場環境顯示、仿真過程記錄和回放，是目前CGF 領域最好的軟件之一。它為分布式交互仿真從HLA/DIS底層開發到高層應用提供了一系列的解決方案，在分布式仿真應用中取得了明顯的優勢和效益。

仿真的開發采用C++為語言，利用軟件API的方式，對軟件提供的DLL等進行二次開發設計，充分利用其HLA機制，減小了開發的風險和難度。開發中，遵從模型設計規范，同時對于時間管理部分，利用時間總控來發出消息，收到后進行tick推進，與此同時利用Stealth模塊實現顯示盟員的功能，在網絡負擔較小的情況下，達到了良好的效果，大部分模塊時間計算特性不會太長，仿真結束即停止。

但對于末端效能模塊，由于需要反復循環計算計算量大，所以在仿真前段結束后，需要專門進行數據處理。在該段處理過程中，面對不同的彈體參數下，獲得不同的殺傷概率結果。如圖9，10所示，通過仿真，獲得了相同的交互參數，再通過設置不同的彈體參數，分析得到了末端效能與相關參數的關系。

圖9　殺傷概率和引信延遲時間關系Fig.9　Relationship of kill probability and fuze delay time

圖10　殺傷概率和引信起爆角關系Fig.10　Relationship of damage probability　　　and fuze initiation angle

6結束語

本文本文利用MAK開發基于HLA的仿真，實現了仿真的可視化、分布化，發揮了HLA的極大重用性、極強的融合性等有利因素。同時應用于效能分析計算方面，把人的因素考慮進入效能中，利用人在回路仿真實現了戰斗的“真實化”，并且利用良好的末端計算模塊，獲得了不同導彈參數跟末端效能的關系，為武器系統的設計、分析提供了良好的平臺。

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Platform Design of Air Missile Weapon Effectiveness Using HLA Frame

WANG Zheng1,ZHU Bing1,YU Rui-xing2

(1.Xi′an Shiyou University, Institute of Electronic Engineering，Shaanxi Xi’an 710065，China;

2.Northwestern Polytechnical University, Department of College of Astronautics,Shaanxi Xi’an 710072，China)

Abstract:The weapon system effectiveness refers to the capacity of finishing its stipulated task under the battlefield including attack-defense environment. It is the overall goal for developing and using weapon system. To evaluate the air combat missile weapon system effectiveness and avoiding the defect of traditional subjective evaluation method, a simulation method is used to design a platform under the architecture of HLA (high level architecture). Air combat simulation is designed based on HLA frame and composition module is developed. HLA leaguers are designed and programming interface is planned to ensure that the overall scheme has real-time feature.

Key words:simulation; high level architecture(HLA); operational effectiveness; software

中圖分類號：TJ76；N945

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0018-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.004

通信地址：710065陜西西安石油大學電子二路電子工程學院E-mail：satellite_orbit210@163.com

作者簡介：王征(1982-)，男，河北霸州人。講師，博士，研究方向為導航制導與控制，仿真技術。

收稿日期：2013-09-21；
修回日期：2014-03-03