無人機協同作戰仿真系統構建與模型校驗

周維強

摘 要

為適應快速作戰戰場環境、提高短時作戰效率，充分發揮無人機在戰場上的應用價值，構建基于HLA/RTI標準體系結構的無人機協同作戰仿真系統。通過仿真模型校驗，驗證無人機協同作戰系統的完備性、合理性、正確性。

【關鍵詞】無人機協同作戰 HLA/RTI標準體系 信息保障 模型校驗

1 概述

依托數字戰場環境，通過構建無人機協同作戰仿真系統，規劃典型戰場環境、作戰任務，形成以作戰平臺為主、傳感器、數據鏈及武器模型為輔的信息交互關系，對基于無人機信息保障的協同對地打擊流程進行仿真試驗研究，并對仿真系統進行模型校驗，能夠驗證無人機協同作戰系統的完備性，便于快速分析無人機信息保障流程的合理性、可行性。

2 無人機協同作戰系統結構設計

當前偵察型無人機作戰是以“地面控制站”為中心的使用方式，先將偵察情報信息發送給地面控制站，由地面控制站進行分發與處理，再把情報信息發送給打擊平臺，整個過程環節多、耗時長，獲取的情報信息將嚴重滯后于戰場變化，不能直接提供給打擊裝備，不具備發現即打擊的能力，對于稍縱即逝的戰場目標將失去交戰時機。為了充分發揮無人機的偵察能力，應當使無人機能夠及時直接為空中作戰平臺提供火力信息保障，建立基于無人機信息保障的無人機/有人機協同作戰系統，實現對時敏目標的快速精確打擊的需求。

無人機/有人機協同作戰系統針對的是典型的時間敏感目標打擊，有人機需在有限的時間窗口內完成打擊閉環。而針對此類低動態時敏目標，有人機對目標指示信息的時效性、數據頻率和精度等要求都有大幅提高，方能實現“發現即打擊”，可通過武器協同數據鏈實現無人機與有人機的直接交聯。由無人機實時向有人機提供高精度的目標指示信息，輔助有人機進行火控解算和武器控制，完成對地面低動態時敏目標的精確打擊。基于無人機信息保障的無人機/有人機協同作戰系統的指揮控制體系結構如圖1所示。

通過建立無人機火控信息保障鏈條，提高目標定位信息進入作戰飛機火控系統的時效性，可實現減少全系統反應時間，提高武器作戰效能，實現“發現即打擊”的目的。

3 仿真系統構建

為建立基于無人機信息保障的無人機/有人機協同作戰系統，無人機協同作戰仿真系統環境采用基于HLA/RTI標準體系結構的方式構建，主要由系統總體控制管理模塊、無人機平臺仿真模塊、有人機平臺仿真模塊、通信仿真模塊、目標仿真模塊、雷達仿真模塊、武器導彈仿真模塊以及二維態勢顯示仿真模塊共八個仿真模塊組成。仿真系統能夠支持多種仿真作戰想定流程的切換，通過XML文件實現作戰想定場景的離線加載，實現無人機協同作戰系統流程的仿真驗證。仿真系統組成如圖2所示。

3.1 系統總控臺

在無人機協同作戰仿真系統中，系統總控臺負責實現無人機協同作戰仿真系統的作戰想定腳本錄入及下發、仿真過程管控、仿真系統狀態監控、仿真數據記錄與回放等功能。

3.1.1 作戰想定錄入及下發

作戰想定錄入功能主要完成仿真系統仿真想定腳本文件的創建、編輯、修改、保存和下發等功能。

在仿真開始階段，通過仿真想定錄入功能在xml文件中設置紅藍雙方的兵力部署、禁飛區等，作為情報獲取的基本輸入。并對紅方兵力進行預先任務規劃，規劃出紅方兵力在作戰過程中的任務載荷和任務序列，以xml格式的進行保存，作為仿真中紅方的作戰想定腳本。在各仿真子系統均加入HLA/RTI聯邦運行環境后，通過交互接口實現想定腳本的下發。

3.1.2 仿真啟動/停止

在完成作戰想定腳本下發后，在仿真管理控制界面上通過管控指令下發，將啟動命令發送到各個仿真子系統，各個子系統解析作戰想定腳本后，根據作戰想定腳本完成各自的初始化后，開始按照時間步長進行推進，進入仿真運行階段。

在系統運行過程中，若需要停止仿真系統的運行，則發送仿真中止指令，各個子系統接收到此命令后，退出仿真系統。

3.1.3 仿真暫停/恢復

在仿真過程中，如果需要暫停仿真系統的運行，可以通過仿真管理控制界面發送暫停指令，各個子系統接收到暫停消息后，分別處于暫停運行狀態，只發送心跳消息，維持系統健康狀態；在系統暫停后，若恢復系統的運行，則發送系統恢復運行命令，各個子系統接收到恢復運行消息后，進入正常運行模式，繼續運行仿真。

3.1.4 系統狀態監控

該功能用來監測各子系統是否正常運行。各子系統通過以太網與系統總控臺相連，周期性向系統總控臺發送心跳數據包，系統總控臺根據心跳數據確認各子系統的健康狀況，并通過人機交互界面在線統計各軟件狀態信息、顯示仿真運行過程以及仿真管控的消息報文等。

3.1.5 數據記錄與回放

通過RTI數據交互接口實時訂購各仿真子系統與系統總控臺的交互信息，以及各子系統的成員信息（運動狀態），以文件形式存儲數據，可導入指定數據庫，支持存儲文件查詢與回放，為系統場景再現回顧、事后評估提供數據源。

3.2 作戰平臺子系統

構建作戰平臺仿真模型，實現對有人作戰飛機、無人偵察飛機的屬性特征、基本行為和作戰能力的模擬。平臺模型接收想定文件的配置參數，根據規劃路徑或給定的任務或指令運動，按設定的節拍周期性的處理和更新機動狀態（位置、速度等），產生運動狀態信息。

3.2.1 有人作戰飛機平臺子系統

在仿真過程中，有人作戰飛機按照任務規劃的航路點飛行至投彈點，投放精確制導武器對地面低動態目標實施攻擊，完成在線任務規劃、火控解算、武器控制等功能仿真。有人機平臺子系統主要由毀傷計算模塊、飛行決策模塊、飛行控制模塊、運動學模塊和火控解算模塊組成。

3.2.2 無人機平臺子系統

在仿真過程中，無人機在指定區域按預定航路飛行，偵察目標，并通過數據鏈向有人機、地面指揮所發送目標偵察圖像、目標指示信息。無人機平臺子系統主要由運動學模塊、目標探測模塊、決策控制模塊組成。

3.3 目標仿真子系統

建立地面目標仿真模型，完成對地面低動態時間敏感目標的仿真。該目標設定為地面移動車輛。在仿真過程中，目標車輛以20～80km/s的速度做勻速直線運動，當來襲導彈擊中目標后，目標判斷自身毀傷情況并退出仿真。目標仿真子系統主要由運動學模塊、毀傷判斷模塊組成。

3.4 雷達仿真子系統

建立無人機載預警雷達探測模型，輔助無人機完成目標探測和跟蹤，根據雷達技術體制和工作模式產生目標探測信息，并將目標指示信息上報至相應作戰平臺。雷達仿真子系統主要由探測區域判斷、探測距離計算、探測狀態判斷、探測信息輸出四個模塊組成。

3.5 武器仿真子系統

建立空地導彈仿真模型，接收作戰平臺產生的目標裝訂信息和發射指令信息，完成導彈發射參數裝訂和發射控制；接收它平臺產生的目標指示信息并實時更新導彈航路，完成導彈攻擊過程的模擬；根據導彈攻擊方式自主選擇爆炸點位置，并上報目標毀傷情況。武器仿真子系統主要由導彈導引控制模塊、彈目運動學模型、導彈動力學和運動學模型組成。

3.6 通信仿真子系統

建立武器協同數據鏈通信仿真模型，模擬有人機、無人機之間的數據通信功能，統計數據傳輸量并顯示。在仿真過程中，根據有人機、無人機之間的距離判斷是否完成數據鏈組網，并以一定的誤碼、漏組為有人機、無人機傳輸情報信息。通信仿真子系統主要由數據收發模塊、組網規劃模塊、網絡傳輸性能仿真模塊組成。

3.7 二維態勢顯示子系統

二維態勢顯示子系統采用電子地圖，動態、實時地顯示戰場實體運動態勢、通信態勢和交戰態勢。在仿真過程中，通過以太網接收各子系統產生的運行狀態信息、產生的重要事件，將實體圖標、實體位置、歷史軌跡、武器打擊范圍、傳感器探測范圍、通信關系等顯示要素以不同顏色、圖標、線型等方式在態勢圖上顯示。

4 仿真系統流程設計

4.1 仿真系統數據流向

設計仿真劇情時，系統能提供友好的人機界面對作戰任務、戰場環境、各類平臺性能參數、平臺上所搭載的傳感器和武器、傳感器和武器的性能參數進行配置。

系統為了便于用戶對算法的配置，在想定成員中應該用樹形結構列出仿真過程中所涉及的所有平臺和裝備，從而可以方便地完成各仿真子系統參數的設置、態勢評估、系統性能評估等算法的配置。仿真系統內部各子系統和功能模塊的數據分發及交互關系如圖3 所示。

仿真開始后，各個聯邦成員能夠根據想定聯邦成員中對算法的配置自動從數據庫中調用對應算法，并以各種方式展現不同算法的計算結果。二維戰場顯示圖能夠直觀反映當前仿真時刻，戰區中各個仿真平臺的相關信息；評估與效能分析部分所提供的對各種算法評估分析的曲線圖則能夠直觀的反映算法性能的優劣，便于用戶對算法的評價。

4.2 仿真系統信息流程

在該流程中，各仿真子系統在系統總控臺的管控下完成對目標仿真子系統的實時打擊過程。其中無人機平臺仿真子系統及無人機雷達仿真子系統完成目標探測，有人機平臺仿真子系統完成火控解算和打擊任務；并通過二維態勢顯示仿真子系統實時顯示作戰流程，如圖4所示。

5 仿真模型校驗

5.1 校驗方法

無人機協同作戰仿真系統概念模型是對作戰環境、作戰實體及其交互關系、作戰指控、作戰行動、作戰結果等內容的具體抽象和系統描述，應根據武器裝備體系對抗所研究的內容和范圍挑選相關領域的權威專家，依靠領域專家的經驗性知識對其有效性進行評估。針對無人機協同作戰仿真系統這一具體應用，概念模型校驗應從如下幾方面入手：

（1）概念模型是否與仿真系統需求相符合，是否包括了所有需求；

（2）建模過程中的假設、算法以及約束條件是否正確，所用數據是否有效，模型結構是否滿足仿真系統應用目標的需求；

（3）概念模型是否滿足仿真系統整體的性能指標要求；

（4）概念模型是否滿足仿真系統的可信度要求，確定模型可接受的標準；

（5）概念模型與需求之間的可追蹤性。

針對本仿真系統架構可構建3級仿真模型校驗評估指標體系，從仿真需求、仿真架構、仿真實體模型、仿真實體信息交互等方面，采用專家打分法對本仿真系統進行模型驗核。

5.2 評估指標體系

根據無人機協同作戰仿真系統的結構及功能模塊設計，針對本仿真系統得到如下仿真模型校驗評估指標體系，如表1所示。

采用專家打分法，分別針對各級指標的完備性、合理性、正確性進行打分，綜合各級指標的總評分，獲得仿真系統指標評分為模型校驗最終評分。其中，仿真系統校驗評估指標體系主要對3級指標的合理性、正確性進行考察評分，對1、2級指標的完備性、合理性進行考察評分。

5.3 評估方法

5.3.1 各級指標特性評估方法

評分標準為：好（100-85）、中（84-70）、一般（69-60）、差（59-0），評審專家分別針對各級指標的完備性、合理性、正確性進行打分，各級指標特性評估計算方法如下：

各級指標綜合評分為：指標評分 = 指標合理性評分 * 指標合理性權重 +指標正確性評分 * 指標正確性權重。

5.3.2 評分綜合方法

各級指標總評分 = ∑（指標評分 * 指標權重）；

系統模型校驗評分 = ∑各級指標總評分；

5.3.3 綜合評價標準

模型校驗評分：合理可信（100-85）、比較合理可信（84-70）、基本合理可信（69-60）、不可信（59-0）。

5.4 校驗結果

收集評審專家意見后，經過綜合計算后得到模型校驗評分為83.5分。根據綜合評價標準，并在仿真開發策劃時針對專家意見進行相應的落實和修改。主要的專家修改意見如下：

5.4.1 系統初始化模型

設計仿真劇情時，系統能提供友好的人機界面對作戰任務、戰場環境、各類平臺性能參數、平臺上所搭載的傳感器和武器、傳感器和武器的性能參數進行配置。

在系統初始化時進行，如果各仿真模型界面輸入的參數超出合理范圍，則系統給出提示框，要求用戶重新輸入。

5.4.2 網絡數據通信模型

可通過連續不間斷對固定長度數據的收發，檢測數據傳輸有無丟包和出錯及統計丟包出錯率。當丟包出錯率小于0.01%時，數據收發模塊測試合格；也可編制專門的測試程序用于測試網絡數據通信收發包的正確性，在程序中對收發包狀況進行監控。若發送的數據包數和收到的數據包數一致，表明沒有發生丟包。

5.4.3 坐標變換模型

可以通過檢驗在特殊位置的坐標轉換是否正確；以及畫出坐標轉換曲線圖，并分析其物理意義，來檢驗坐標變換模塊的正確性。

5.4.4 運動模型

可通過二維或三維顯示的方法來檢驗仿真實體運動模型的正確性。用于考察仿真實體的運動行為是否與其性能參數或相關的軍事規則相符，相應的算法或計算公式是否正確地反映了作戰實體的行為。

5.4.5 仿真結果保存路徑模型

在程序能夠穩定運行的情況下，在各種典型戰情下進行仿真，檢驗仿真結果是否按照正確的格式生成相應的數據存儲文件。如果正確，則認為該模塊有效，否則應檢查錯誤出處，分析原因，進行修正。

5.5 仿真展示

根據仿真模型校驗結果完成對仿真系統的修改和完善，形成基于無人機火控級情報保障的無人機/有人機協同作戰系統流程仿真。系統仿真過程中的系統總控臺及二維態勢顯示如圖5、6所示。

6 結論

上述仿真過程演示中，包含了部分動態參數的調整。根據對協同作戰打擊效果的仿真結果統計，分析得出無人機情報信息進入火力單元的時效性將大大影響殺傷鏈閉環時間、作戰飛機生存能力（前出距離/留空時間）以及導彈武器命中概率等指標。

在現代空戰中，為適應快速作戰戰場環境、提高短時作戰效率，要求偵察型無人機提供給平臺或指揮機構的情報數據具有火控質量；為指揮人員節約決策、發布戰時指令的時間，必要時甚至能直接指導火控雷達完成“盲打”，充分發揮無人機在戰場上的應用價值。因此使無人機具備實時高效的信息獲取與傳輸能力、開展機間數據鏈路設計和研制迫在眉睫。

參考文獻

[1]張軍良.基于HLA的分布式飛行指揮仿真系統設計[J].無線電工程，2014（04）：10-13.

[2]劉傳波.協同作戰仿真系統的時間同步機制研究與分析[J].計算機工程與應用，2010，46（23）：223-226.

[3]任宏光，劉穎.無人機偵察打擊一體化武器系統發展[J].飛航導彈，2009（06）：47-49.

[4]張崔霞，周新等.紅藍雙方攻防對抗仿真建模技術[J].指揮信息系統與技術，2012，3（06）：10-13.

[5]王芳，周桂鈞.大型察打一體無人機體系化運用研究[J].飛航導彈，2014（09）：66-70.

[6]陳小陽，邢繼娟.武器裝備體系對抗仿真概念模型校驗研究[J].軍事運籌與系統工程，2013，27（03）：70-75.

[7]張永亮，高志年.作戰仿真中一體化建模問題研究[J].軍事運籌與系統工程，2013，27（01）：63-66.