飛機(jī)編隊(duì)指控平行仿真系統(tǒng)研究*

陳　淼　孫黎陽(yáng)　劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　南京　210007)

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飛機(jī)編隊(duì)指控平行仿真系統(tǒng)研究*

陳淼孫黎陽(yáng)劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210007)

摘要以飛機(jī)編隊(duì)為應(yīng)用背景，運(yùn)用平行系統(tǒng)理論，研究飛機(jī)編隊(duì)指控平行仿真系統(tǒng)的構(gòu)建問(wèn)題。首先從體系架構(gòu)的角度分析了單個(gè)飛機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及各部分功能，然后分析了飛機(jī)編隊(duì)平行仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)特征及工作流程，提出了運(yùn)用多分辨率思想，建立戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體單元模型，以節(jié)省計(jì)算資源。最后，詳細(xì)分析了系統(tǒng)能力需求及關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞平行仿真; 指控; 編隊(duì)

Class NumberTP391.9

1　引言

作戰(zhàn)指揮與控制仿真是當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)研究的熱點(diǎn)，也是世界各國(guó)花大力氣，投入大量人力物力重點(diǎn)研究的內(nèi)容[1～4]。作戰(zhàn)仿真主要包括建模、環(huán)境劇情、仿真推演、信息交互、時(shí)統(tǒng)等幾方面因素，其中建模是整個(gè)仿真過(guò)程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，傳統(tǒng)的建模方法包括運(yùn)動(dòng)機(jī)理建模、參數(shù)化建模、特征描述等，在模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定之后，進(jìn)行計(jì)算運(yùn)行及信息交互推演，在仿真過(guò)程中，模型的結(jié)構(gòu)及參數(shù)基本保持不變。但是，對(duì)于真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)講，其中的戰(zhàn)斗單元實(shí)體的參數(shù)甚至是模型結(jié)構(gòu)都會(huì)隨著仿真過(guò)程的失衡而發(fā)生變化，因此，傳統(tǒng)的建模仿真方法難以滿足需要。

中科院王飛躍教授2004年提出了平行系統(tǒng)概念及用于研究復(fù)雜系統(tǒng)的人工社會(huì)(Artificial Societies)、計(jì)算實(shí)現(xiàn)(Computational Experiments)、平行執(zhí)行(Parallel Execution)的ACP方法，給該問(wèn)題的解決提供了新的思路[5]。國(guó)防科技大學(xué)邱曉剛教授2013將平行系統(tǒng)理念引入軍事領(lǐng)域，提出了平行軍事體系概念[6～7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)有部分學(xué)者開展了平行系統(tǒng)的應(yīng)用研究[7～10]。平行系統(tǒng)是由某一個(gè)自然的真實(shí)系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)，其主要目的是通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的相互連接，對(duì)二者之間的行為進(jìn)行對(duì)比和分析，完成對(duì)各自未來(lái)狀況的“借鑒”和“預(yù)估”，相應(yīng)地調(diào)節(jié)各自的管理與控制方式，達(dá)到實(shí)施有效解決方案的目的。平行仿真基于系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，對(duì)真實(shí)系統(tǒng)全局或局部進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的交互式仿真，生成關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行、控制、決策等提供支撐。通過(guò)平行仿真方法所構(gòu)建的系統(tǒng)即平行仿真系統(tǒng)，它是基于仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種人工系統(tǒng)。本文結(jié)合飛機(jī)編隊(duì)?wèi)?zhàn)場(chǎng)任務(wù)執(zhí)行，研究平行系統(tǒng)在飛機(jī)編隊(duì)指控中的應(yīng)用。

2　飛機(jī)平臺(tái)構(gòu)成及工作原理

圖1　單機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)組成

從體系架構(gòu)的角度來(lái)講，一個(gè)實(shí)體單元整體架構(gòu)是由若干功能子模塊構(gòu)成，每一個(gè)功能子模塊實(shí)現(xiàn)一部分功能，各功能子模塊之間通過(guò)信息交互實(shí)現(xiàn)相互配合，共同推動(dòng)實(shí)體單元實(shí)現(xiàn)整體綜合功能。一架飛機(jī)單機(jī)平臺(tái)體系的功能模型如圖1所示。

如圖，簡(jiǎn)要地講，一架飛機(jī)單機(jī)系統(tǒng)主要由飛控系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)及通信系統(tǒng)等幾個(gè)功能模塊構(gòu)成，由指控系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度。

1) 飛控系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)，以固定翼無(wú)人機(jī)為例，主要包含副翼舵、升降舵、方向舵和油門舵，用來(lái)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)六自由度運(yùn)動(dòng)，測(cè)量機(jī)構(gòu)是測(cè)量飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感器裝置，如陀螺、航向計(jì)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)、GPS等。飛控系統(tǒng)通過(guò)指控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的控制律，構(gòu)成了飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的基本要素。通俗地講，在飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，裝載了飛控系統(tǒng)之后，才具備運(yùn)動(dòng)功能。

2) 探測(cè)系統(tǒng)也屬于傳感器，但并不是用來(lái)測(cè)量飛機(jī)自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而是用來(lái)探測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)，如各種機(jī)載雷達(dá)。不僅用來(lái)探測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)，也給各類攻擊武器彈藥，如導(dǎo)彈提供指引。

3) 任務(wù)系統(tǒng)主要包括攻擊單元，如對(duì)空、對(duì)地導(dǎo)彈及艦炮，電子戰(zhàn)裝備等。

4) 通信系統(tǒng)包括內(nèi)部通信系統(tǒng)和外部通信系統(tǒng)，內(nèi)部通信系統(tǒng)一般指機(jī)載指控系統(tǒng)與各功能分系統(tǒng)之間通過(guò)不同的接口協(xié)議進(jìn)行信息傳輸。外部通信系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)載通信設(shè)備，如無(wú)線電臺(tái)等，與戰(zhàn)場(chǎng)其它節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。從復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)仿真的角度，通信系統(tǒng)多偏向于后者，完整的通信網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)各通信節(jié)點(diǎn)等。

3　飛機(jī)編隊(duì)平行仿真結(jié)構(gòu)及特征

平行仿真系統(tǒng)可以認(rèn)為是指揮信息系統(tǒng)中人腦功能的延續(xù)，代替人腦完成復(fù)雜繁瑣的計(jì)算，并且生成較為準(zhǔn)確的結(jié)果，為指揮決策發(fā)揮重要的支撐作用。飛機(jī)編隊(duì)平行仿真概念框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　飛機(jī)編隊(duì)平行仿真概念示意圖

在傳統(tǒng)作戰(zhàn)方式下，由戰(zhàn)斗單元裝備的探測(cè)裝置，如機(jī)載雷達(dá)，將探測(cè)到的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)傳回指控中心，指控中心再根據(jù)探測(cè)手段感知到的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)進(jìn)行綜合分析，做出決策，下達(dá)指令給作戰(zhàn)單元，并實(shí)時(shí)采集收集作戰(zhàn)數(shù)據(jù)，以供后期學(xué)習(xí)訓(xùn)練用。這樣的指揮模式雖然實(shí)現(xiàn)了信息化指揮，但在“指控決策”環(huán)節(jié)過(guò)于依賴指揮員的指揮能力和經(jīng)驗(yàn)，很大程度上增加了人為因素，增加了戰(zhàn)爭(zhēng)的不可預(yù)見(jiàn)性和未知性，也增加了指揮人員和作戰(zhàn)人員的心理壓力。而且供學(xué)習(xí)訓(xùn)練用的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)也與實(shí)際作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)之間無(wú)任何通信，只是把采集保存的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)，進(jìn)行學(xué)習(xí)和評(píng)估，這樣的仿真是靜態(tài)的、離線的、被動(dòng)的，而且仿真模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)是否準(zhǔn)確，能否根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境作相應(yīng)的調(diào)整，都是亟待解決的問(wèn)題。

平行仿真思想的提出解決了這些問(wèn)題。構(gòu)建飛機(jī)編隊(duì)平行仿真系統(tǒng)，通過(guò)與編隊(duì)指揮信息系統(tǒng)進(jìn)行互連及信息交互，不斷從指揮信息系統(tǒng)獲取戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情報(bào)及形成的作戰(zhàn)方案，建立飛機(jī)實(shí)體仿真模型及必要的戰(zhàn)場(chǎng)其他單元仿真模型，并進(jìn)行仿真運(yùn)行，將方案推演結(jié)果及生成的下一刻戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)反饋給指揮信息系統(tǒng)，輔助指揮人員及時(shí)準(zhǔn)確地形成作戰(zhàn)方案，如此循環(huán)往復(fù)，增加指揮員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的可預(yù)見(jiàn)性及指揮信心，從一定程度上減小心理壓力。同時(shí)，平行仿真系統(tǒng)通過(guò)持續(xù)在線學(xué)習(xí)，及時(shí)調(diào)整仿真模型的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，將仿真變?yōu)閷?shí)時(shí)在線主動(dòng)式仿真，使平行仿真系統(tǒng)成為指揮信息系統(tǒng)核心能力的組成部分。

從伺服控制的角度來(lái)看，圖2所示的平行仿真概念圖可簡(jiǎn)化為兩個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中內(nèi)環(huán)是由指揮信息系統(tǒng)中的指揮決策環(huán)節(jié)與平行仿真系統(tǒng)構(gòu)成，外環(huán)由指揮信息系統(tǒng)與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境構(gòu)成。但是我們要明確，平行仿真與伺服控制本質(zhì)的不同在于：伺服控制是根據(jù)外部環(huán)境，給定指令，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算運(yùn)行及控制方法的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的最終輸出能夠精確跟蹤給定指令，就目前的技術(shù)水平，已完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不需要人為參與，只需在回路外給定指令即可，如飛機(jī)的航向及飛行高度的控制；而指揮信息系統(tǒng)及平行仿真系統(tǒng)的構(gòu)建目的是為了形成決策應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化，是復(fù)雜的離散的非線性的計(jì)算，需要人在回路形成決策。因此，二者之間主要是規(guī)模上的區(qū)別，對(duì)于裝備級(jí)模型，可從伺服控制角度建構(gòu)實(shí)體單元運(yùn)動(dòng)模型，而對(duì)系統(tǒng)，需從多方面多角度去描述，這也涉及多分辨率建模的問(wèn)題。

圖3　平行系統(tǒng)伺服結(jié)構(gòu)

編隊(duì)平行仿真系統(tǒng)工作過(guò)程主要通過(guò)以下四個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)：

1) 從指揮信息系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)情報(bào)。平行系統(tǒng)輸入信息來(lái)源于實(shí)際指揮信息系統(tǒng)，而不是從戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)感知。指揮信息系統(tǒng)從戰(zhàn)場(chǎng)獲得情報(bào)后需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再傳給平行系統(tǒng)，是為了保證平行系統(tǒng)消除受噪聲數(shù)據(jù)的影響，能夠建立較為準(zhǔn)確的模型。

2) 平行系統(tǒng)根據(jù)情報(bào)數(shù)據(jù)建立模型之后，計(jì)算并預(yù)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)各實(shí)體單元下一時(shí)間的行為和狀態(tài)，將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋給指揮信息系統(tǒng)，供決策參考。

3) 從指揮信息系統(tǒng)獲取作戰(zhàn)預(yù)方案。作戰(zhàn)預(yù)方案是由指揮信息系統(tǒng)中指控決策環(huán)節(jié)形成，在無(wú)平行系統(tǒng)輔助情況下，該作戰(zhàn)方案受指揮員主觀經(jīng)驗(yàn)影響較大，增加了對(duì)抗結(jié)果的不確定性，從而增加了指揮員的心理壓力。

4) 平行仿真系統(tǒng)根據(jù)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)各實(shí)體單元行為狀態(tài)的預(yù)測(cè)，結(jié)合作戰(zhàn)預(yù)方案，進(jìn)行模擬推演，將推演結(jié)果反饋給指揮信息系統(tǒng)，輔助指揮員做出決策。

4　能力需求及關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)以上分析可以看出，平行仿真系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)演化、雙向交互及超實(shí)時(shí)計(jì)算特性。首先，平行仿真系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義上的仿真驗(yàn)證系統(tǒng)不同，傳統(tǒng)的仿真驗(yàn)證系統(tǒng)是通過(guò)理論分析方法建立系統(tǒng)模型，模型參數(shù)離線調(diào)試，而且與實(shí)際系統(tǒng)并不是同時(shí)運(yùn)行，多數(shù)情況下是在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行之前進(jìn)行的可行性分析，如飛行器的地面半物理仿真試驗(yàn)。而實(shí)際系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，參數(shù)是變化的，平行系統(tǒng)需通過(guò)平行執(zhí)行和對(duì)模型及參數(shù)進(jìn)行修正調(diào)整，逐步逼近實(shí)際系統(tǒng)。其次，平行系統(tǒng)從實(shí)際指揮信息系統(tǒng)獲取戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)及作戰(zhàn)方案，通過(guò)建模推演運(yùn)行，將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋給實(shí)際系統(tǒng)，即平行系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)需實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向交互。然后，平行系統(tǒng)從實(shí)際系統(tǒng)獲取戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)及作戰(zhàn)方案，包含敵我雙方所有戰(zhàn)斗單元的數(shù)據(jù)及指揮員作戰(zhàn)方案布置，包含了大量的數(shù)據(jù)，為保證實(shí)時(shí)的決策支持，平行系統(tǒng)需具備超實(shí)時(shí)計(jì)算與仿真能力。

4.1戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體多分辨率建模

前文提到系統(tǒng)多分辨率建模的問(wèn)題，本文關(guān)鍵技術(shù)在于戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體及各系統(tǒng)建模。采用多分辨率建模方式，是最易于想到的方法，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體單元，采取運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，預(yù)測(cè)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)意向及目的；對(duì)于系統(tǒng)，則需詳細(xì)描述各項(xiàng)功能。但有一點(diǎn)需要注意的是，從戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中感知來(lái)的敵方實(shí)體單元，我們并不知道其運(yùn)動(dòng)模型，或者難以獲得其詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)，能獲得的只有其運(yùn)動(dòng)參數(shù)及外在屬性，如高度、速度、航向，以及物體外形尺寸特征等，這時(shí)候還需要借助于識(shí)別技術(shù)，并且與模型庫(kù)中相應(yīng)模型選項(xiàng)進(jìn)行匹配，以獲得敵方實(shí)體的屬性。

4.2戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體模型修正

前文指出，平行仿真系統(tǒng)功能之一是預(yù)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或行為態(tài)勢(shì)，以輔助指揮人員做出決策。但問(wèn)題是，仿真系統(tǒng)輸出的模型態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)與實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是否一致，這就需要通過(guò)比較分析相同時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體單元數(shù)據(jù)及仿真系統(tǒng)推算數(shù)據(jù)，對(duì)平行仿真系統(tǒng)構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)或參數(shù)進(jìn)行修正，即模型動(dòng)態(tài)修正技術(shù)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文在平行理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)人機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)，論述了無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)決策支持的平行仿真方法，詳細(xì)分析了無(wú)人機(jī)編隊(duì)平行仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作流程、信息交互、能力需求及關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容，為平行仿真方法的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李京偉.多分辨率建模在航母戰(zhàn)斗群作戰(zhàn)仿真中的應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2013,25(8):1924-1929.

[2] 楊慧杰.基于戰(zhàn)斗隊(duì)形的坦克連多分辨率建模方法研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2013,8(2):134-137.

[3] 陳天立,周超,周紹磊,等.面向協(xié)同突防的無(wú)人飛行器自動(dòng)編隊(duì)控制[J].電光與控制,2014,21(5):58-62.

[4] 毛少杰,李玉萍,林劍檸,等.網(wǎng)絡(luò)中心化仿真概念與方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2010,22(7):1660-1663.

[5] 王飛躍.平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制[J].控制與決策,2004,19(5):485-489.

[6] 邱曉剛,張志雄.通過(guò)計(jì)算透視戰(zhàn)爭(zhēng):平行軍事體系[J].國(guó)防科技,2013,34(3):13-17.

[7] 孫黎陽(yáng),楚威,毛少杰,等.面向C4ISR系統(tǒng)決策支持的平行仿真框架[J].指控信息系統(tǒng)與技術(shù),2015,33(6):56-61.

[8] 郭剛,陳彬,邱曉剛.平行系統(tǒng)的人工環(huán)境構(gòu)建技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2011,23(8):1686-1690.

[9] 賀平,羅小明,李晰.電子藍(lán)軍裝備綜合演練運(yùn)籌分析及其平行系統(tǒng)構(gòu)建[J].裝備學(xué)院學(xué)報(bào),2013,24(5):125-130.

[10] 楊俊,范麗,明德祥,等.衛(wèi)星導(dǎo)航地面試驗(yàn)驗(yàn)證的平行系統(tǒng)方法[J].宇航學(xué)報(bào),2015,36(2):165-172.

*收稿日期：2015年10月7日,修回日期：2015年11月24日

作者簡(jiǎn)介：陳淼，男，工程師，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真與效能評(píng)估。孫黎陽(yáng)，男，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)化建模與仿真。劉曉光，男，高級(jí)工程師，研究方向：指控系統(tǒng)仿真。

中圖分類號(hào)TP391.9

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.024

Parallel Simulation System for Aircraft Formation

CHEN MiaoSUN LiyangLIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing210007)

AbstractThe problem of parallel system for command and control system of aircraft formation is studied in this paper, and the necessity of parallel system theory used on aircraft formation of is discussed as well. Firstly, all of each composition part and its function of single aircraft are analyzed in terms of system architecture. Then, the frame construction and workflow of parallel simulation system is also analyzed. Furthermore, the method of using multi-resolution theory for modeling of entity unit from battlefield is presented in this paper, which can economize computing resource. Finally, the capability requirement and key technology of parallel system is analyzed as well.

Key Wordsparallel simulation, command and control, aircraft formation