直升機反潛作戰訓練仿真系統設計與實現

陳遵銀，楊明緒

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

直升機反潛作戰訓練仿真系統設計與實現

陳遵銀，楊明緒

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

針對某型直升機反潛訓練效率低的問題，提出了基于HLA的某型直升機反潛訓練系統設計與實現。系統運用反潛作戰仿真建模方法，以VC++7.0為軟件設計工具，基于HLA對直升機反潛訓練課目進行仿真，著重從臺位設計、體系結構和技術實現等方面進行一定的研究。目前，系統已成功投入使用，實踐證明，系統設計合理、運行穩定、模擬效果逼真，能夠滿足反潛部隊作戰訓練的需要，并可以為其他反潛機型岸基訓練系統研制提供一定的借鑒。

航空反潛；戰術訓練；系統仿真

0 引言

在現代海戰中，直升機反潛作戰已成為高技術條件下海戰的重要作戰樣式，隨著航母編隊入列給直升機反潛作戰能力的有效提升產生了極其重要的作用。艦-機、機-機等兵力兵器之間的協同是一項十分復雜的作戰過程。反潛戰是現代海戰中最為復雜、又極為重要的軍事行動。航空反潛作為現代反潛戰的重要組成部分，與其他反潛方式相比，具有速度快、效率高和受潛艇威脅小等特點，多年來一直受到世界各國的高度重視，海軍強國投入了大量的人力、物力來提高航空反潛作戰能力。因反潛作戰效果受多種因素的影響，如海區環境、目標信息、反潛裝備和人員素質等因素，如何依據諸多因素開展扎實有效反潛訓練，是反潛部隊所要完成日常性工作。縱觀國外，英美等國外海軍除了在海上進行長時間的反潛訓練（演習等），在岸上還配有各種各樣的用于反潛戰術訓練系統，為反潛人員在岸基應用仿真技術開展日常訓練和戰法演練等，大大地增強和提高反潛人員的反潛作戰能力。本文研究設計了一種基于HLA的航空反潛作戰訓練仿真系統的體系結構，運用Rational統一過程對仿真系統進行開發，完成了航空反潛仿真系統聯邦框架的構建。

1 仿真系統組成

1.1 系統布局

航空反潛訓練仿真系統在配置上強調使用靈活、易于維護，適合部署在作戰部隊或機關（指揮所）。系統需由仿真導演臺、仿真戰術指揮長臺和仿真設備操作臺3種臺位和時鐘服務器組成，通過以太網構成C/S結構系統。仿真導演臺位是唯一的，由仿真戰術指揮長臺和仿真設備操作臺作為操作單元反潛機仿真臺可以根據反潛訓練實際需要進行1～6個仿真機組的進行配置（圖1）。系統在運行時，由仿真導演臺設置任務，通過參訓機組各臺位協同配合，能夠完成反潛模擬訓練等任務。

仿真導演臺，主要實現對整個仿真系統運行控制等管理功能，同時以二維曲線圖顯示整個仿真的作戰海區全景態勢，作戰數據記錄與回放等功能。

反潛機仿真臺，每一個仿真臺位包括仿真戰術指揮長臺和仿真設備操作臺。仿真戰術指揮長臺主要完成組織協調機組各成員戰術動作，掌握敵我戰術態勢，熟練運用反潛方法，及時調整反潛方案，使用浮標、標志彈和反潛武器。仿真設備操作臺主要實現設備操作員使用吊放聲納、航空磁探儀和浮標系統搜索、跟蹤潛艇。用于直升機搜潛設備（吊聲、浮聲、磁探）的搜潛功能、搜索潛艇過程和搜潛戰術訓練，并為戰術指揮長臺提供目標信息，供戰術指揮長進行下一步的戰術決策。

時鐘，協調整個仿真系統的時間推進機制。

圖1 系統結構拓撲圖

1.2 臺位設計

該系統包括仿真導演臺、仿真戰術指揮長臺和仿真設備操作員等多種臺位。在配置上以機組為基本單位，由仿真導演臺進行統一協調和控制，實現反潛過程的模擬。

1.2.1 仿真導演臺

仿真導演臺負責完成作戰想定與仿真控制、潛艇目標操控、訓練記錄回放以及兵力支持等諸多功能。在后臺運行的兵力行為模型支持模塊也是導演臺的重要組成部分，它負責進行反潛過程態勢的計算與控制。

（1）作戰想定與仿真控制。設定訓練海區位置及形狀，設定水文條件或調用海洋環境數據庫有關數據并發布數據，設定直升機初始位置、攜帶的搜潛設備和攻潛武器。以電子海圖的形式顯示反潛作戰過程的戰術態勢，同時顯示潛艇目標和直升機的運動情況。顯示機組搜潛攻潛過程以及結果，可根據訓練任務的需要，隨時啟動、暫停、加速或停止反潛訓練過程。

（2）潛艇目標操控。設定潛艇目標信息（目標特性、航向、航速以、平面運動位置和機動規避方式等），在仿真過程中可以隨時改變其運動狀態。這里以潛艇目標信息中速度和航向為例，研究其仿真模型。

（3）訓練過程記錄與回放。主要對訓練過程進行記錄、回放、凍結、評估及成績管理。在訓練過程中，以黑匣子的方式記錄訓練過程中的一切操作和飛行數據，能夠隨時凍結訓練過程和回放。對于訓練輔助評估，提供訓練數據顯示、統計和分析工具，以輔助評判人員評估訓練效果。建立用戶訓練檔案，存儲和管理飛行員訓練成績。

（4）兵力行為支持。反潛戰術訓練系統的運行要涉及到諸多兵力行為的支持，這些兵力行為主要靠仿真模型來實現的，主要仿真模型包括海洋水聲環境計算和目標仿真、吊放聲納搜潛仿真、聲納浮標搜潛仿真、磁探儀搜潛仿真、攻潛武器仿真等模型。

1.2.2 仿真戰術指揮長臺

仿真臺位由戰術指揮長操控，負責空中領航和反潛戰術活動，完成組織協調機組各成員戰術動作，掌握敵我戰術態勢，熟練運用反潛方法，及時調整反潛方案，使用浮標、標志彈和反潛武器。

（1）戰術指揮長操控。操控多架直升機的飛行狀態，包括高度、速度和航向，1個操作臺可控制仿真中的任意一架直升機，但同時只能控制1架；顯示所操控直升機的飛行狀態，包括高度、速度、航向、武器和裝備等，控制所操控直升機的武備投放，模擬雷達顯示屏二次信息的顯示。

（2）動態戰術標圖。該模塊提供了動態戰術標圖功能，用以替代戰術指揮長的紙上手工標圖，既可以實現快速、準確、規范的標圖，又能夠方便地進行結果的保存及打印。采用雙顯示器配置，一個顯示設備控制功能面板和機上戰術顯示器信息，另一個顯示動態戰術標圖的界面。包括：依據經緯度標繪圖標，如直升機的吊點、潛艇和浮標位置等，并能設定標圖時間。控制經緯度范圍，包括放大、縮小和拖動繪圖區。顯示本機位置，并將本機位置設為標圖表中心。顯示友機信息、操作員姓名、氣象信息等將標圖表保存為圖片格式（.bmp）。

1.2.3 仿真設備操作臺

仿真設備操作臺位由設備操作員操控，在反潛飛行中的任務是“了解戰術指揮長戰術方案，負責使用吊放聲納、航空磁探儀和浮標系統搜索、跟蹤潛艇”。該臺位包括2個主要模擬模塊。

（1）海洋環境與目標特性模擬。采用高斯束射線模型BELLHOP來計算聲線軌跡及傳播損失，較好地處理聲線能量焦散和完全影區等問題，并且適用于距離相關條件和復雜三維環境下的聲場計算。水聲傳播模型主要包括射線理論模型、簡正波模型、多途路徑展開模型、快速場模型和拋物方程模型、各有適用條件。吊放聲納由于基陣尺寸限制，屬于高頻聲納。因此，采用高斯束射線Bellhop模型進行傳播損失計算。Porter等人開發的Bellhop模型采用高斯射線近似代替幾何射線，能夠較好地處理聲線能量焦散和完全影區等問題。

（2）搜潛設備操控。吊放聲納的功能模擬，模擬吊放式聲納水下分機的收放，聲方位、回聲定位、手動跟蹤、自動搜索、自動跟蹤、半自動跟蹤6種工作方式，以及向仿真戰術指揮長臺傳送目標數據等。聲納浮標的功能模擬，即模擬聲納浮標的搜索、跟蹤、測向等3種工作方式。磁探儀的功能模擬，磁探儀的使用控制以及確認發現目標的信息顯示等3種功能。

2 系統的軟件實現

系統采用HLA體系結構進行構建，通過RTI服務器將各功能模塊以聯邦成員的形式實現緊密耦合，系統可以非常方便增添和刪減聯邦成員，本仿真系統聯邦成員有作戰想定與仿真控制、兵力行為模型支持、仿真過程記錄與回放、戰術指揮長操控、設備操作員臺和潛艇目標的操控等。海洋環境仿真提供訓練海區水聲環境，訓練數據庫提供實際訓練歷史數據樣本和武器裝備數據庫提供訓練可能使用反潛武器裝備，其軟件體系結構如圖2所示。

圖2 系統軟件體系結構圖

在HLA中，每個聯邦成員必須公布它計劃產生的對象類和交互類，并訂購它感興趣的對象類和交互類。為了提高仿真系統及其部件的重用能力，HLA要求采用統一規范的對象模型來描述聯邦及聯邦成員在運行過程中需要交換的各種數據及相關信息。采用面向對象的建模方法對聯邦對象模型進行靜態結構及動態行為建模，可以方便地實現模塊重用和擴展。

2.1 想定與仿真控制

在作戰仿真初始階段，以Weapon Equip DATA交互發布作戰單元武器裝備的性能數據，以Init交互發布作戰方案計劃，以Init OK交互的定購來獲知其他聯邦成員是否準備完畢。在作戰仿真運行階段，以Sin To Date Time交互的發布進行仿真時間推進，以All Unit對象的定購來獲取仿真中作戰單元狀態，以Tick OK交互的定購來獲知其他聯邦成員是否完成仿真推進；以Ruler Control交互的定購來獲得作戰單元產生的控制命令，以New Air Space交互的定購來獲得仿真中作戰單元產生的空域，以Man In Loop交互的定購來獲得人在回路的兵力控制情況。以Init交互實現兵力添加、修改、刪除操作控制的發布。

2.2 兵力行為模型支持

反潛戰術訓練系統的運行要涉及到諸多兵力行為的支持，這些兵力行為主要靠仿真模型來實現的，主要仿真模型包括海洋水聲環境計算和目標仿真、吊放聲納搜潛仿真、聲納浮標搜潛仿真、磁探儀搜潛仿真、攻潛武器仿真等模型。

2.3 仿真過程記錄與回放

記錄與回放子系統工作在記錄狀態時，采用HLA體系結構、向量容器、ADO和Microsoft Office Access Database，結合SQL數據庫操作語句實現數據的讀取、暫存和存儲；回放時，采用SQL數據庫操作語句和交互選擇對話框，實現數據的實時讀取和有選擇重現，并可以對數據庫進行簡單維護。系統可以完成反潛過程中主要操作信息和狀態數據的記錄、回放和態勢展示，并能將訓練過程中記錄的數據進行篩選和分析，為反潛效果的評估提供科學的依據。記錄與回放子系統作為反潛訓練仿真系統記錄與推演部分，是整個系統的數據匯總中心，以系統聯邦成員的形式與系統中其他組成部分協調運行。

2.4 戰術指揮長操控

戰術指揮長操控臺作為反潛訓練仿真系統的一架反潛機仿真機組的指揮中心，能根據本機組對多個潛艇目標信息數據融合的結果產生機組的反潛方案，并能夠對整個機組進行指揮控制一個重要組成部分，負責一架反潛直升機飛行控制、武備投放、戰術態勢顯示和作戰標圖，以系統聯邦成員的形式與系統中其它組成部分協調運行。主要包括飛行控制、戰術態勢顯示和武備投放控制對話框，以及反潛作戰標圖對話框。作為聯邦中的一個成員，發布初始化完成（Init OK）、加入聯邦（Join HLA）、退出聯邦（Exit HLA）等交互；定購接受聯邦中的仿真推進（Sin To Data Time）、兵力仿真狀態（All Unit）等交互。

2.5 設備操作員操控

設備操作員操控臺作為反潛機組重要聯邦成員，是整個系統探測設備操作中心，以系統聯邦成員的形式與系統中其它組成部分協調運行。可接收戰術指揮長的指令，在指定方位上利用吊放聲納探測目標、進行目標指示和定位，還可以通過機載對抗器材或反潛武器進行防御或攻擊。

2.6 潛艇目標操控

潛艇目標操控子系統作為反潛戰術訓練系統執行對抗訓練的重要部分，定購所操控潛艇的狀態信息進行界面顯示，通過人在回路的交互控制，向CGF發布操作控制信息和控制命令，實現對潛艇作戰單元的操控。潛艇目標操控模塊在HLA環境下運行。

3 結束語

本系統基于HLA的仿真聯邦結構，利用RTI統一過程對仿真系統開發過程進行了可視化建模分析，建立了用例模型、結構模型和行為模型，增強了仿真系統開發過程中的可讀性和維護性。結合VC++7.0編程完成了仿真系統框架的實現。該系統使用不受配合目標、飛機狀態和海區條件等因素的影響，隨時組織人員進行反潛訓練，豐富了部隊反潛訓練的形式。系統具備完善的記錄與回放功能，可以方便地進行訓練后講評和戰術研究，也可為機關評估部隊及人員的反潛能力提供一定的依據。通過系統比較全面、真實的反潛訓練，可有效加深受訓人員對航空反潛復雜性的認識，培養指揮員沉著、冷靜、敏銳的戰術素養，提升部隊的航空反潛能力。該系統經過部隊近一年的使用表明：系統的各項功能達到了研制協議和技術方案的要求，系統運行穩定，使用操作簡單，符合部隊操作習慣和實際，各項性能指標達到了設計要求。

［1］郭新奇，付霖宇，蔣志忠，楊日杰.機載聲納浮標作用距離建模與仿真［J］.電光與控制，2011，（18）

［2］孫明太主編.航空反潛戰術［M］.軍事科學出版社.2003:62-78.

［3］楊日杰，何友，孫明太.航空搜潛裝備搜潛范圍建模與仿真研究［J］.系統仿真學報，2003，15（11）：1547～1549.

［4］孫明太主編.航空反潛導論［M］.青島：海軍航空工程學院，2010：72-73.

［5］吳芳，楊日杰，高青偉.主/被動聯合多基地航空搜潛建模與仿真［J］.北京航空航天大學學報，2010，36（3）：319～323.

［6］匡貢獻，謝志敏.海洋環境對吊放聲納作戰使用影響研究［J］.海軍航空工程學院學報，2010，25（1）：24～26.

〔編輯 利文〕

TN95

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.49