基于FLAMES/STK的航天電子對抗仿真態勢生成框架

吳付祥 ，朱 林

（1.陸軍指揮學院，南京 210045；2.國防科技大學電子對抗學院，合肥 230037）

0 引言

FLAMES（Flexible Analysis Modeling and Exercise System）是美國Ternion公司開發的新一代構造仿真開發平臺，目前已在戰役戰術級仿真和裝備體系仿真方面得到了較為廣泛的應用，可應用于航天電子對抗作戰仿真和效能評估，為航天電子對抗戰法研究提供有效的工具和平臺支撐。然而由于航天電子對抗作戰目標的空間特殊性，該平臺自帶的二維態勢顯示模塊無法滿足空間目標態勢展示需求，需要采用三維場景顯示的方法，才能對航天電子對抗仿真態勢進行完整全面的呈現。而在航天器三維場景呈現方面，應用比較成熟的是美國AGI公司開發的STK（Satellite Tool Kits）衛星工具包，其擁有精確的軌道預測模型以及用于態勢呈現的流暢的場景顯示引擎和豐富的三維模型庫，但國內僅有一些早期的版本，且許多模塊功能受限，大多只是用來進行鏈路分析和覆蓋分析，而自行開發研制的仿真模型與STK的集成方面還存在諸多問題。如何取二者之長，在航天電子對抗仿真中得以有效應用，是本文需要解決的問題。

1 基于FLAMES的航天電子對抗仿真模型體系

1.1 FLAMES仿真建模框架

FLAMES將系統仿真中涉及的模型分為以下4類：

1.1.1 裝備模型

裝備模型是對組成作戰實體或裝備系統的基本裝備和裝備部件的抽象，主要對組成作戰實體的各類裝備的特征和行為進行模擬。FLAMES模型框架中定義了8類基礎裝備模型，一種裝備模型通常模擬一類功能相近的武器裝備，根據具體的應用還可從基礎裝備模型中派生出不同功能的裝備。這樣既體現了同類裝備的共性，又反映了不同性能裝備的個性。

1.1.2 認知模型

認知模型是對作戰實體所需的認知活動的抽象，可模擬作戰人員決策行為、自動化武器的控制行動、作戰行動規則以及信息處理過程等。認知建模可以彌補裝備模型對作戰人員行為、作戰規則描述的不足，以方便刻畫復雜的實體模型行為邏輯，提高建模效率。

1.1.3 消息模型

消息模型是對作戰實體間通信信息的抽象，不模擬信息傳遞的通信行為。戰斗中消息的傳送是通過通信裝備來完成的，因此，消息模型需結合通信裝備模型一起使用。

1.1.4 實體模型

實體模型是對作戰仿真中具有相同功能和行為的作戰實體的抽象，對應組成系統的單個裝備；實體只有通過模型中加載的裝備模型、認知模型和消息模型才能實現相關功能，其模型結構如圖1所示。在構建實體模型時，需要通過實體描述語言（FLAMES腳本語言）將構成實體的各類型裝備模型以及完成任務需要的認知模型和消息模型組合而成；而后通過將實體模型實例化并設定其與其他實體之間的指控、編隊關系，構建作戰仿真實體模型實例。

1.2 航天電子對抗仿真模型體系

基于FLAMES仿真建模框架，結合航天電子對抗作戰實體的特點，本文構建了如圖2所示的航天電子對抗仿真模型體系。

根據FLAMES的模型分類，首先依據各類衛星及其對抗裝備的特點構建相應的衛星平臺模型、傳感器模型、天線模型、干擾機模型等裝備模型，并集成相應的效能模型；然后分別構建模擬人行為的開關機偵察模型、對星跟蹤模型等認知模型和仿真中進行信息傳遞的遙測、遙控、干擾指令等消息模型，最后通過實體描述語言將上述模型進行合成，建立航天電子對抗仿真所需的各類目標衛星、干擾站、地面接收站等仿真實體模型。

效能模型主要對各仿真實體的工作效能或干擾效能進行計算和評估，主要包括SAR衛星地面分辨率計算模型、雷達成像定位精度計算模型等衛星工作效能計算模型，目標覆蓋判斷模型、地面與航天器之間以及航天器之間可見性判斷模型等目標覆蓋與可見性分析模型，以及對通信衛星上行干擾效能評估模型、陸基對星載SAR的干擾效能評估模型等航天電子對抗干擾效能評估模型。

2 基于FLAMES/STK的航天電子對抗仿真態勢呈現

2.1 實現思路

為了實現對STK三維顯示功能的有效利用，本文通過FLAMES進行航天電子對抗作戰仿真，并將態勢信息實時發送給態勢轉換模塊，通過該中間件調用STK/Connect模塊，實時驅動STK三維顯示控件，實現航天電子對抗仿真態勢的三維顯示，如圖3所示。

2.2 STK/Connect工作機理

STK/Connect是STK的重要模塊之一，它提供用戶在客戶機/服務器環境下與STK連接的功能。使用TCP/IP或UNTX Domain Sockets在第三方應用軟件與STK之間傳輸數據（包括實時數據傳輸），為其他應用程序提供了一個向STK發送消息和接收數據的通訊工具。

在外部程序與STK通訊的過程中，Connect隨時產生各種相關信息，包括響應外部命令之后的返回數據以及各種診斷信息，它們都以消息的方式發送給用戶，其消息處理機制如圖4所示。在Connect與STK內部，進行這種消息運作主要通過兩個函數：AgUtMsg（）和 AgUtMsgSetMsgFunc（）。用戶程序可以重載它們，改變參數設置，使得消息流程及處理方式滿足用戶指定的要求。這種技術大大拓寬了STK消息的傳播途徑，增強了用戶程序利用STK內部信息的靈活性。

2.3 基于FLAMES對STK顯示控件實時驅動

在基于FLAMES/STK的航天電子對抗仿真中，采用的時間同步策略是：以FLAMES仿真運行時鐘為基準時鐘，通過STK/Connect模塊綁定仿真引擎與STK 2/3D顯示之間的時間同步，從而在基于STK的態勢顯示中建立仿真虛擬世界的時間基準；通過FLAMES仿真引擎保證成員之間的時間同步，從而實現整個仿真系統的時間同步。

在航天電子對抗仿真過程中，主要依靠STK/Connect模塊獲取FLAMES仿真時鐘進行時間推進。STK顯示控件與FLAMES之間的時間推進流程如圖5所示。先是通過STK客戶端程序加載FLAMES想定文件，形成初始仿真態勢，然后在與FLAMES仿真引擎建立連接以后，向FLAMES仿真引擎請求初始時鐘并請求時間推進。在仿真推演開始之后，將控制權交給FLAMES，控制整個仿真態勢的初始化、開始、繼續、暫停和結束。仿真過程中產生的態勢數據通過態勢轉換模塊實時向STK顯示控件發送，使STK顯示控件實時顯示更新的態勢信息。然后判斷是否仿真結束，如果沒有就繼續循環請求時間推進，否則就關閉STK/Connect連接，退出仿真運行。

3 基于FLAMES/STK的航天電子對抗仿真態勢生成系統框架

本文基于FLAMES面向對象的開放式仿真框架，構建了如下頁圖6所示的基于FLAMES/STK的航天電子對抗仿真態勢生成系統框架。以模擬航天電子對抗場景中各類衛星實體以及各型參戰裝備在時間和空間上執行自己的功能或與外界進行交互時所體現的物理特征和認知行為為出發點，利用實體模型、認知模型和消息模型三者之間的協同和交互，完成場景內的衛星以及裝備作戰過程的仿真；通過FLAMES仿真平臺進行航天電子對抗作戰仿真，產生航天電子對抗態勢數據，并利用STK的二維和三維顯示控件呈現航天電子對抗仿真態勢。

3.1 模型開發分系統

該分系統主要基于FLAMES模型框架進行航天電子對抗仿真模型的構建。首先建立仿真所需的各類裝備模型，如衛星平臺模型（含軌道解算）、衛星載荷模型、通信轉發器模型、干擾機模型等，然后將進行作戰效能評估所需的各種效能計算模型集成進這些裝備模型中，通過FLAMES腳本語言將這些裝備模型與所需的認知模型和消息模型進行集成，構建形成仿真實體模型，并存入仿真模型庫中。

3.2 仿真運行分系統

該分系統主要基于FLAMES仿真引擎進行航天電子對抗作戰仿真推演，生成航天電子對抗作戰態勢數據。主要包括想定編輯模塊、仿真控制模塊、仿真分析模塊以及FLAMES仿真引擎和想定數據庫等幾個部分。

其中想定編輯模塊的主要功能是通過對話框界面、樹狀列表界面以及三維圖形界面輸入作戰想定信息、編輯作戰仿真實體、構建對抗雙方的裝備體系以完成作戰想定的編輯。仿真控制模塊的主要功能是設置想定方案并進行想定轉換，啟動仿真引擎，實現仿真運行；在仿真推演過程中，實現對仿真過程的控制（暫停、繼續、終止等），并實現對仿真運行速度的控制等功能。仿真分析模塊的主要功能是對仿真推演過程中以及推演結束后產生的仿真結果數據的實時接收和后期分析處理，并將評估結果以圖表形式顯示出來。

3.3 態勢顯示分系統

態勢顯示部分主要包括態勢轉換模塊以及STK二/三維顯示模塊等幾個部分。主要是通過態勢轉換模塊實時接收并處理航天電子對抗仿真態勢數據，通過STK 2/3D顯示控件進行態勢呈現。此外，態勢轉換模塊也可以通過讀取仿真結果記錄并驅動STK 2/3D顯示控件進行航天電子對抗作戰態勢的回放。航天電子對抗仿真態勢顯示效果如圖7所示。

4 結論

本文綜合應用FLAMES和STK兩款軟件平臺的優點，通過FLAMES仿真平臺集成用戶自定義仿真模型進行航天電子對抗作戰仿真，將其產生的仿真態勢數據通過基于STK的二次開發應用軟件來進行三維呈現，既利用了STK三維顯示方面的優勢，也避免了用戶仿真模型與STK集成的問題。

參考文獻：

［1］FLAMES Simulation Framework-Ternion［EB/OL］.（2016-12-19）［2016-12-19］.http：//www.ternion.com.

［2］吳志建.基于FLAMES的電子戰仿真模型的組合建模［J］.艦船電子對抗，2012，35（5）：55-60.

［3］鄧晶.基于STK的信息作戰態勢三維可視化表現方法研究［J］.系統仿真學報，2010，22（11）：2654-2659.

［4］王偉瑋.基于STK/X的戰場模擬仿真系統［J］.計算機系統應用，2015，24（5）：74-78.