艦艇防空能力仿真計算可視化系統設計與實現*

趙俊杰 閔紹榮 陳衛偉 朱忍勝

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

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艦艇防空能力仿真計算可視化系統設計與實現*

趙俊杰 閔紹榮 陳衛偉 朱忍勝

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

為了研究水面艦艇的防空能力,對艦艇防空能力建立計算模型并進行仿真,設計實現了水面艦艇防空作戰虛擬仿真系統,能夠對整個防空過程進行二維和三維的動態演示。仿真系統采用模塊化設計,利用蒙特卡洛方法對設定參數進行多次仿真,對結果進行統計分析得到防空能力分析結果。仿真結果驗證了系統的合理性和實用性。

防空能力計算; 可視化仿真; 系統設計; 艦艇

Class Number TP391

1 引言

隨著仿真科學技術的進步,仿真模擬作為現代聯合作戰的重要支撐得到了空前發展,各國都在研發各類武器裝備仿真系統[1～3]。通過構建仿真計算模型,在給定的數值條件下運行模型來進行作戰仿真實驗,由實驗得到作戰進程與結果數據的仿真模擬法已成為研究水面艦艇防空作戰效能的有效手段[4]。

本文介紹的艦艇防空能力仿真計算可視化系統模擬艦載雷達探測、指控系統、武器系統等工作流程,實現了武器-目標分配、威脅評估等算法,并在二維和三維場景下動態仿真演示作戰全過程,準確直觀生動顯示作戰過程與結果,對水面艦艇防空系統設計與驗證具有非常重要的意義。

2 系統的總體設計

2.1 系統的功能

艦艇防空能力仿真計算可視化系統是用于仿真計算大型水面艦艇防空作戰能力的重要軟件,其主要功能為通過設置空中來襲目標與水面艦艇性能參數,模擬水面艦艇防空作戰過程,仿真計算水面艦艇防空能力值,并在二維和三維場景下動態仿真演示作戰全過程,以及采用蒙特卡洛方法,對設定的相同參數進行多次仿真,對仿真結果進行統計分析,得到防空能力統計分析結果。

2.2 系統的結構

艦艇防空能力仿真計算可視化系統軟件由可視化子系統、結果保存與分析子系統、防空計算模型、來襲目標流生成子系統(系統組成結構圖見圖1)組成。

圖1 系統組成結構圖

可視化子系統包含二維態勢顯示與三維局部視景顯示兩部分,二維態勢顯示提供地圖瀏覽操作、地理信息顯示、控制、瀏覽、空間數據查詢等地圖操作,三維局部視景顯示模塊提供各操作平臺的顯示界面;結果保存與分析子系統提供基礎數據類型的定義(移動目標、武器)和數據存儲介質的增、刪、改操作接口以及數據管理和數據分析的重要函數接口;來襲目標流生成子系統主要任務是生成動態目標數據,如目標類型、位置、角度、速度、損傷程度等;計算模型是整個仿真計算系統的核心部分,模型的優劣會影響評估結果的精確性。

3 防空能力仿真計算模型

3.1 模型整體結構

參照艦艇對空防御作戰系統組成[5],依據模塊分解方法將水面艦艇防空能力計算模型分為來襲目標流生成模型、雷達探測模型、威脅評估模型、武器-目標分配模型以及防空武器及其交戰模型(如圖2)。

圖2 防空能力仿真計算模型整體結構

來襲目標流模型根據作戰想定[6],提供多種典型場景下來襲目標流生成模式,提供多種典型航路規劃彈道,用以模擬空襲方多層次、多批次、多方向的飽和攻擊。主要包括如下四個子模塊:目標流時間特性模型、目標流空間特性模型、目標時空聯合特性模型以及目標運動模型。

雷達探測模型按照艦艇防空作戰的流程[7],首先由搜索雷達掃描預定空域、探測目標,然后捕獲目標后對目標進行非精確跟蹤、參數估計、向艦指控等輸出目標參數,并對目標進行敵我識別,識別為敵的目標由本艦指控分配給適當的武器系統,并啟動相關的跟蹤雷達,迅速轉入對目標的精確跟蹤。

威脅評估模型的主要任務是根據獲取的各種數據推斷出敵目標威脅程度的高低,以期為合理、高效地使用武器資源提供基本依據[8～9]。本模型根據本艦傳感器獲取的目標信息及本艦的自身屬性,對多個目標按照威脅程度進行排序。本模型輸入目標相對航向、相對速度等目標信息,輸出目標威脅隊列以及威脅等級信息。

防空武器及其交戰模型綜合考慮武器的毀傷概率、武器位置以及武器目前所處的狀態、舷角和攻擊的目標等信息,模擬交戰過程[10～11],輸出彈目遭遇點距離、時刻,攔截結果,武器狀態等信息。

3.2 武器-目標分配模型

目標分配模型包括武器分配和射擊時機分配,就是要選擇適當型號和數量的武器,并為各武器確定一個合適的發射或射擊時機保證在其殺傷范圍內成功擊毀目標。具體結構如圖3所示。

圖3 武器-目標分配模型內部結構

3.2.1 目標分配原則與策略

武器系統綜合來襲目標運動學參數、系統配置、各發射裝置的安裝位置、責任扇區、載彈量、工作狀態等因素,將預攔截的目標分配到適合的發射裝置。每一個目標只分配到一個發射裝置,分配原則為:威脅高的目標優先進行分配;目標分配給可進行攔截的武器單元;(時間、空間條件須具備攔截可行性)目標優先分配給等待攔截時間最短的武器單元;在等待攔截時間相同的情況下優先分配給攔截概率更大的武器單元。

3.2.2 來襲目標等待攔截時間的計算

(1)

其中Tftfy為目標j飛抵武器單元i的發射遠界的時間。計算公式為:

(2)

(3)

(4)

(5)

3.2.3 攔截可行性判斷與攔截時間

攔截可行性判斷準則:

1) 所攔截的目標屬性為敵;

2) 預測遭遇點在防空武器射界內;

3) 目標飛行高度在防空體系的攔截高界與低界之間;

4) 目標的航路捷徑在防空體系的最大航路捷徑內;

5) 目標攻擊速度小于該防空武器最大可攔截速度;

6) 目標機動范圍在該防空武器可攔截范圍內;

7) 對于中程防空導彈,雷達有剩余制導資源為防空導彈提供制導;

8) 滿足以上條件則判斷該批目標可攔,加入可攔截隊列并可進行火力分配,否則為不可攔目標;

9) 在某批目標火力分配后,需將該批目標從可攔截隊列中撤銷。

(6)

(7)

由以上結論,可以根據需要,得到實時或者以固定周期刷新的攔截隊列與目標指示隊列。

4 軟件設計與實現

4.1 系統工作流程

防空能力仿真計算可視化系統軟件操作流程分為二維態勢顯示及人機交互,數據交互、三維局部戰場視景顯示三個層次(如圖4)。其中用戶通過二維態勢顯示及人機交互實現全局了解戰場態勢,推演運行控制,防空攔截,環境導調等功能,數據交互負責轉發人機交互信息至三維視景模塊,三維局部戰場視景顯示從局部三維的角度顯示實體的運行狀態(海浪,風速、發射場景等)。

圖4 系統軟件工作流程

4.2 二維態勢顯示設計

二維態勢顯示與交互包括地理信息顯示、通用態勢顯示和人機交互: 1) 地理信息需繪制海洋、陸地輪廓、水深等信息,可以對該圖層的地理信息進行查詢。 2) 通用態勢顯示需將敵我雙方有關軍事情況用軍隊標號和文字標記在地圖上,記錄戰場情況、反應戰場態勢、組織指揮作戰;為了戰術推演的需要,包括本艦位置及動態信息、來襲目標位置及動態信息,根據探測目標、已探測目標、未識別目標、已識別目標、已攔截目標等類別進行區分顯示,如高亮顏色區分顯示已探測目標,已攔截目標等; 3) 人機交互部分需實現地理信息的常用功能如地圖加載、圖層管理、地圖操作、地圖查詢、圖上量算等。

圖5 二維態勢模塊內部設計

二維態勢顯示需要支持動態GIS顯示環境。動態顯示的內容包括在亞秒級的刷新速度中,移動大量的顯示對象,動畫,也能更新位置、方向、尺寸、狀態,和屬性信息等,而且在平滑和不中斷的移動情況下支持GIS數據查詢。內部設計如圖5所示。

4.3 三維局部視景顯示設計

三維局部視景提供三維視景同步顯示海面戰場環境、根據選擇視點顯示本艦與來襲目標的實時動態,支持武器發射、飛行、操作、爆炸等視景特效,支持視點切換、視點跟蹤等操作,增加垂(斜)發武器系統及近防炮、密集陣等近防武器的三維顯示。可以實時響應視點控制命令、視覺平滑顯示三維戰場環境及局部實體狀態。內部設計如圖6所示。

圖6 三維局部視景模塊內部設計

4.4 仿真實例

系統開始仿真需配置仿真所需要的目標流基本信息、防空武器基本信息、指控基本信息、本艦基本信息。

仿真運行過程中可以開啟仿真、暫停、加速、仿真監視等運行控制功能。并通過綜合態勢顯示模塊來觀察仿真運行過程。整個虛擬戰場、作戰過程都可以通過三維顯示表現出來,使得用戶可以直觀地得到戰場基本信息。

系統可以對單次與多次仿真結果進行保存,對仿真結果進行科學的分析。采用了可視化技術,通過圖形、圖表顯示出被仿真對象的各種狀態與統計結果,并能以文本的形式保存。

系統的部分截圖如圖7～圖9所示。

圖7 程序運行主界面

圖8 三維局部視景顯示

圖9 二維態勢顯示

5 結語

本文對水面艦艇防空能力仿真計算可視化系統總體結構進行了分析,并對計算模型特別是武器目標分配模型進行了較為詳細的介紹,實驗證明了系統的仿真模型真實性高,有較好的視覺效果,能夠通過二維與三維動態可視化的方式對水面艦艇的防空過程進行模擬。系統的實現與應用將在水面艦艇的作戰研究中起到積極的作用。

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[2] Richard P B, Mark A, Brian B, et al. Modelling the Infrared ManPAD Track Angle Bias Missile Countermeasure[J]. Infrared Physics and Technology,2011,54(5):412-421.

[3] Sungsoon P, Ling R. Systematic Analysis of Framing Bias in Missile Defense: Implications Toward Visualization Design[J]. European Journal of Operational Research,2007,182(3):1383-1398.

[4] 王剛,梅衛,劉恒.高炮防空作戰可視化仿真系統設計與實現[J].火力指揮與控制,2014,39(8):132-136.

[5] 劉志勤,程學績,劉毅,等.水面艦艇編隊對空防御作戰效能綜合評估系統研究[J].彈箭與制導學報,2005(3):109-110,118.

[6] 董秋仙,張少文,顧文彬,等.有效空中來襲目標確定準則[J].南昌大學學報,2006,12(30):545-548.

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[8] 董彥非,郭基聯,張恒喜.多機空戰目標威脅評估算法[J].火力與指揮控制,2002(4):73-76.

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[11] 丁曉明,許瑞恩,顧建.高技術戰爭與作戰運籌分析[M].北京:海潮出版社,1998.

Design and Realization of Warship Aerial Defense Capability Simulating Computation Visual System

ZHAO Junjie MIN Shaorong CHEN Weiwei ZHU Rensheng

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan 430064)

In order to research the air defense capability of the warship, a virtual simulation system is designed and implemented which is capable of 2D and 3D dynamic demonstration of the whole process of air defense. The calculation model of the air defense capability is developed and simulated for the air-defense system. The modularized structure is used in the design of the simulation system. Multiple simulation are implemented by setting the parameters of the simulation and using the Monte Carlo method. Statistical analysis is performed to obtain air defense capability analysis results. The results of the simulation prove the system is rational and practicable.

air defense capability calculation, visualization simulation, system design, warship

2015年2月12日,

2015年3月22日

國防重點實驗室研保建設項目資助。

趙俊杰,男,碩士研究生,研究方向:艦船信息系統設計研究、作戰效能評估。閔紹榮,男,碩士,研究員,研究方向:艦船信息系統設計研究、作戰效能評估。陳衛偉,男,碩士研究生,研究方向:艦船信息系統設計研究、作戰效能評估。朱忍勝,男,碩士,工程師,研究方向:艦船電子工程,決策理論與方法。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.027