基于DWK的飛機平臺模型研究

張 宇，張高峰

（中國人民解放軍91336部隊，河北秦皇島066326）

隨著武器裝備的不斷發(fā)展和高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化、智能化程度越來越高，戰(zhàn)術(shù)研究的技術(shù)手段和方法也越來越多，作戰(zhàn)模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為戰(zhàn)法研究提供了有效手段[1-2]。參試兵力作戰(zhàn)行動模擬的逼真度，將成為戰(zhàn)術(shù)研究和戰(zhàn)法檢驗的關(guān)鍵，同時也為戰(zhàn)法提出了合理的修正，為戰(zhàn)法推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件[3-5]。

目前，軍用飛機仿真技術(shù)是軍事仿真領(lǐng)域的熱點技術(shù)并具有廣泛的應(yīng)用前景[6]。飛機平臺模型在海軍作戰(zhàn)理論研究、戰(zhàn)法推演、模擬訓(xùn)練、裝備效能評估等方面有著重要作用，是整個飛行仿真模型的核心內(nèi)容[7-9]，并為飛行仿真系統(tǒng)的其它組成部分提供仿真的基礎(chǔ)平臺，其仿真的效果將直接影響到飛機仿真模型的精度和置信度。

文中基于數(shù)字武器開發(fā)平臺（DWK，Digital Weapon Kit），給出了飛機平臺模型的開發(fā)思路和設(shè)計實現(xiàn)過程。基于模塊化建模方法，將飛機平臺模型劃分為各個功能模塊，并結(jié)合組件化開發(fā)思想，將各個模塊進行組件化開發(fā)實現(xiàn)，大大提高了模型的通用性、可移植性和可擴展性，對戰(zhàn)法研究具有重要意義。

1 數(shù)字武器開發(fā)平臺概述

1.1 數(shù)字武器開發(fā)平臺簡介

數(shù)字武器開發(fā)平臺DWK是神州普惠公司為了滿足復(fù)雜仿真系統(tǒng)開發(fā)需求而研發(fā)的一套高效、快捷的分布式仿真系統(tǒng)開發(fā)工具，數(shù)字武器開發(fā)平臺DWK產(chǎn)品充分借鑒MDA思想，采用面向仿真組件開發(fā)的方法，支持組件組裝，提供仿真應(yīng)用開發(fā)，運用所需的一系列工具，能夠與第三方仿真工具集成，構(gòu)建了全新的開發(fā)式一體化仿真開發(fā)過程，降低了仿真開發(fā)難度，實現(xiàn)了對系統(tǒng)仿真應(yīng)用全生命周期的支撐，使用戶無需了解HLA的復(fù)雜技術(shù)細節(jié)即可進行仿真應(yīng)用開發(fā)[10-11]。

1.2 基于DWK的建模過程

作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)通常包括飛機平臺模型、飛機顯控模型、電子信息裝備模型和指揮控制系統(tǒng)模型4個部分，其中飛機平臺模型是作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)的核心，也為其它組成部分提供仿真的基礎(chǔ)平臺。基于分布式交互仿真平臺DWK，并結(jié)合其支持組件化開發(fā)的建模特點，對飛機平臺進行建模仿真，以提高模型的可重用性和可擴展性。

基于DWK開發(fā)平臺，飛機平臺模型的設(shè)計過程如圖1所示。首先對飛機平臺模型進行需求分析，然后分析模型的功能，其次對模型接口及算法進行詳細設(shè)計，最后完成模型的組件開發(fā)和功能測試工作。

圖1 基于DWK的仿真模型設(shè)計過程

2 飛機平臺模型需求分析

根據(jù)需求不同，飛機平臺運動性能仿真模型可簡可繁，如當(dāng)研究突防問題時，就關(guān)心飛機在不同時刻的空間位置，這時只需建立描述飛機空間位置隨時間變化規(guī)律的運動學(xué)模型[12-14]。但當(dāng)評估飛機技戰(zhàn)術(shù)性能或用于戰(zhàn)術(shù)研究時，就需要了解每一時刻飛機的空間位置及其姿態(tài)變化，要能反映飛機在飛行員的操縱下完成機動動作的情況，這就需要根據(jù)牛頓運動定律和飛行動力學(xué)原理，建立能夠反映飛機飛行時，在發(fā)動機推力、空氣動力（升力和阻力）以及自身重力的綜合作用下，其空間位置和姿態(tài)隨諸力的變化而變化的動力學(xué)方程。

鑒于本模型主要應(yīng)用于戰(zhàn)法研究，需要建立遠距離直航、近距離直航和旋回運動的模型，模擬加速、減速運動，并考慮姿態(tài)角對飛機飛行帶來的影響，同時計算燃油消耗量。另外，為了檢驗指揮員的戰(zhàn)術(shù)運用能力，需要考慮作戰(zhàn)飛機的一些戰(zhàn)術(shù)動作，如起飛、降落、爬升、降高、超音速飛行、超低空飛行等。但不考慮發(fā)動機推力、空氣動力（升力和阻力）以及自身重力對飛機運動的影響，不對其進行建模。

3 飛機平臺模型設(shè)計

3.1 模型功能分析

模塊化是指解決一個復(fù)雜問題時，自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程[15]。本文基于模塊化設(shè)計思想，兼顧飛機平臺模型的功能特點，將其分為飛機起飛降落功能、單機運動模擬功能、航路規(guī)劃功能、編隊運動模擬功能、敵我識別模擬功能和導(dǎo)調(diào)控制響應(yīng)功能6個功能模塊，功能模塊組成如圖2所示。

圖2 飛機平臺模型功能模塊組成圖

各個模塊的主要功能如下：

1）飛機起飛降落功能：能夠模擬飛機的起飛降落過程。飛機在機場停靠時，有一級戰(zhàn)備和二級戰(zhàn)備兩種狀態(tài)，如果飛機處于一級戰(zhàn)備狀態(tài)，則可以通過飛機顯控操縱飛機起飛，完成起飛動作[16]。也可以通過飛機顯控選擇可降落的機場，并發(fā)出降落請求，得到機場應(yīng)答允許后，完成飛機降落動作；

2）單機運動模擬功能：能夠模擬飛機的直線、旋回、加速、減速運動；能夠模擬飛機在不同速度下的偏航、滾轉(zhuǎn)、傾斜等姿態(tài)變化；能夠模擬飛機的超音速和超低空飛行能力；能夠模擬不同掛載、不同速度和不同高度下的油料消耗對飛機飛行航程的影響，能夠計算飛機的剩余續(xù)航里程；

3）航路規(guī)劃功能：能夠模擬開放航路和封閉航路兩種航跡點運動；

4）編隊運動模擬功能：能夠模擬飛機獨立飛行和編隊飛行兩種飛行模式，編隊飛行模式又分為保持隊形和獨立轉(zhuǎn)向兩種編隊飛行方式；

5）敵我識別模擬功能：能夠模擬敵我識別器，并可設(shè)置開或關(guān)兩種狀態(tài)；

6）導(dǎo)調(diào)控制響應(yīng)功能：能夠模擬導(dǎo)調(diào)控制指令的響應(yīng)功能，包括對生存狀態(tài)、位置、油料狀態(tài)和毀傷判定模式導(dǎo)調(diào)指令的響應(yīng)，以及對起飛、降落、高度、航速、航向和敵我識別器狀態(tài)等控制指令的響應(yīng)。

3.2 模型接口設(shè)計

通過系統(tǒng)的接口設(shè)計，能夠清楚的描述模型內(nèi)部各部分之間的交互關(guān)系，模型與外部的交互接口。圖3對飛機平臺模型內(nèi)部組件之間的交互關(guān)系進行了直觀的描述，主要包括信息接收存儲部件、平臺導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件、攻擊結(jié)果處理部件、飛機運動模擬部件、飛機油耗計算部件和信息發(fā)送生成部件，以及各個數(shù)據(jù)存儲區(qū)。各個部件內(nèi)部具有獨立的算法處理功能，并通過交互接口完成信息收發(fā)。

圖3 飛機平臺模型邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.3 模型組件化設(shè)計

基于飛機平臺模型的接口設(shè)計部分，對平臺導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件、攻擊結(jié)果處理部件、飛機運動模擬部件、飛機油耗計算部件4個核心部分進行詳細分析，對其算法流程進行詳細設(shè)計。

3.3.1 平臺導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件

飛機平臺接收來自導(dǎo)演部和飛機顯控的平臺導(dǎo)調(diào)控制消息，通過對接收ID的判斷，確定導(dǎo)調(diào)的目標平臺為本平臺，然后針對相應(yīng)的導(dǎo)調(diào)控制項目參數(shù)進行相應(yīng)的算法處理，最后得到導(dǎo)調(diào)后的最新狀態(tài)。平臺導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件算法流程如圖4所示。

3.3.2 攻擊結(jié)果消息處理部件

飛機平臺可被艦空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈和空空導(dǎo)彈所攻擊，即會收到三類導(dǎo)彈的對空導(dǎo)彈攻擊結(jié)果消息；也會被高炮、航炮和艦炮所攻擊，收到三類火炮的火炮攻擊結(jié)果消息。攻擊結(jié)果消息處理部件通過對這兩類消息的處理，改變飛機平臺的生存狀態(tài)和運動性能。攻擊結(jié)果消息處理部件算法流程如圖5所示。

圖4 平臺導(dǎo)調(diào)控制消息處理部件算法流程圖

3.3.3 平臺油耗計算部件

飛機平臺的油耗速率主要受飛行速度、飛行高度和導(dǎo)彈掛載的影響。平臺油耗計算部件通過接收導(dǎo)彈武器系統(tǒng)狀態(tài)消息和飛機平臺信息獲得各類導(dǎo)彈的掛載量和飛機飛行狀態(tài)，從而計算出油耗影響因子來改變油料消耗的速率，并計算出飛機的剩余飛行航程。平臺油耗計算部件算法流程如圖6所示。

圖5 攻擊結(jié)果消息處理部件算法流程圖

圖6 平臺油耗計算部件算法流程圖

3.3.4 飛機運動模擬部件

飛機運動模擬部件是飛機平臺的核心部件，它通過接收飛機運動信息、平臺控制參數(shù)和平臺性能參數(shù)來更新飛機平臺的位置信息、姿態(tài)信息和運動狀態(tài)信息。并可以通過高度變化實現(xiàn)飛機的爬升和降高[14]，航向的變化實現(xiàn)飛機的左右回旋，也可以模擬飛機超音速和超低空飛行，以及編隊航行和獨立航行等航行模式。飛機運動模擬部件算法流程如圖7所示。

圖7 飛機運動模擬部件算法流程圖

4 仿真模型開發(fā)與測試

飛機平臺模型的開發(fā)是基于DWK開發(fā)平臺，通過生成模型代碼框架，利用C++語言，對模型進行開發(fā)實現(xiàn)。

仿真模型測試過程分為兩個階段，第一階段為單機測試階段，主要通過測試模塊對模型輸入輸出接口及算法功能進行單機測試。

第二階段為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試階段，通過制定作戰(zhàn)想定，進行方案部署，對模型間的信息流和算法功能進行全面測試。測試效果如圖8所示，模擬某戰(zhàn)法推演過程中，飛機模型根據(jù)戰(zhàn)術(shù)要求，完成基本戰(zhàn)術(shù)動作。其中，A、B兩點是飛機開始左回旋、右回旋動作的起點；C點為飛機被摧毀狀態(tài)，當(dāng)需要該飛機完成接下來的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)時，可以通過實時導(dǎo)調(diào)的方式，導(dǎo)調(diào)飛機生存狀態(tài)為正常；D、E為飛機爬升、降高過程；F點為飛機收到降落機場命令后的降落過程。通過導(dǎo)演部導(dǎo)調(diào)控制軟件，可以實時導(dǎo)調(diào)飛機的油料狀態(tài)。

圖8 飛機運動模型戰(zhàn)術(shù)動作效果圖

通過兩個階段的測試，本文設(shè)計開發(fā)的飛機平臺模型，可以成功應(yīng)用于戰(zhàn)法推演過程中。通過改變性能參數(shù)實現(xiàn)不同機型的模擬，具有很好的可重用性和可擴展性，對戰(zhàn)法研究具有重要意義。

5 結(jié) 論

在數(shù)字武器開發(fā)平臺DWK研究的基礎(chǔ)上，為了戰(zhàn)法研究的實際需求，本文基于模塊化分析方法，并結(jié)合組件化設(shè)計思想，完成了飛機平臺模型的需求分析、功能分析、接口設(shè)計、算法設(shè)計和開發(fā)測試工作。通過應(yīng)用驗證，該模型具有很好的可重用性和可擴展性，并可以根據(jù)實際需求，通過改變性能參數(shù)實現(xiàn)不同機型的模擬。目前，該模型已經(jīng)在某戰(zhàn)法推演系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用，模型功能完善、運行穩(wěn)定，對檢驗作戰(zhàn)預(yù)案的合理性，提高戰(zhàn)法的運用能力具有重要意義。