無人機自主空戰戰術決策仿真系統設計與實現

唐上欽，謝 磊，王 淵，聶光戍，韓 統

空軍工程大學 航空工程學院，西安 710038

在軍事需求和技術發展的共同推動下，無人機的軍事應用已逐漸從執行情報收集、監視、偵察等輔助作戰任務向執行空對地打擊和空對空作戰任務發展。無人機空戰將成為未來空戰的新樣式，而空戰的復雜性要求無人機必須具備自主空戰的能力[1-2]。自主空戰戰術決策技術是實現無人機自主空戰的核心關鍵技術，它是指無人機根據空戰過程中實時變化的戰場態勢信息，以獲取有利的攻擊或規避效果為目標，運用各種決策方法，自主完成針對機動、火力和信息為主的綜合決策。自主空戰戰術決策的結果表現為各類空戰戰術機動動作，如文獻[3]所建立的16 種典型戰術動作，在決策結果背后是基于空戰過程的多實體參與多數據交互的復雜決策過程。因此，自主空戰戰術決策方法的開發和驗證具有較大難度，需要相應的驗證系統作為支撐。由于仿真研究方法的安全性和高效率，可為無人機自主空戰戰術決策方法的研究提供安全、高效和便捷的途徑。

針對以上需求，本文設計并實現了一套無人機自主空戰戰術決策仿真系統，為無人機空戰戰術決策方法的研究提供了通用的仿真平臺，可支持相關模型開發和算法驗證。

1 仿真系統需求分析與方案設計

1.1 仿真系統需求分析

無人機空戰根據交戰雙方距離的遠近通常可以分為超視距空戰和視距內空戰[4]。典型的空戰作戰過程包括無人機依靠地面雷達或空中預警機的引導信息飛向作戰空域，適時打開本機雷達獲取戰場信息，搜索目標，分析態勢，做出決策，進行機動占位。當我機雷達跟蹤鎖定目標，且目標位于我方中遠距導彈攻擊區內滿足發射條件后，我機發射導彈攻擊目標，如未擊毀目標，則轉入視距內空戰。其過程與中遠距空戰基本一致，只是敵我雙方態勢變化更為激烈。上述無人機空戰過程可以建模為OODA（Observe，Orient，Decide，Act）環空戰模型[5]，第一個“O”代表觀察，就是運用傳感設備和網絡數據鏈進行情報收集，包括探測信息、目標位置信息和目標狀態信息等；第二個“O”代表判斷，就是對收集到的情報進行分析，對目標信息判斷確認；“D”代表決策，即基于情況判斷定下決心；“A”代表執行，即根據做出的決策，采用相應的武器發起攻擊。

根據以上無人機空戰過程分析可知，無人機空戰是多階段多決策的過程，決定無人機空戰戰術決策的分別是機動、信息和武器三要素。這就要求無人機自主空戰戰術決策仿真系統滿足如下需求：

（1）具備較精確的無人機、導彈、雷達等戰場實體模型，且上述模型可配置。以保證戰術決策的適用性和可靠性。

（2）具備戰場環境模型和預警機或地面雷達模型。以支撐戰術決策對遠距目標探測信息的需求。

（3）具備與空戰戰術決策模型實現數據交互的功能，以支撐決策模型的數據激勵并接收模型輸出，驅動各實體模型完成相應指令。

（4）具備按照空戰過程建立仿真場景，導調控制和人機交互功能，以支撐多無人機開展空戰仿真。

（5）具備各實體對抗仿真數據采集和回放功能，以支撐決策結果分析，為決策方法改進提供大數據支持。

1.2 仿真系統設計

基于以上需求分析，根據無人機空戰OODA 環理論，設計了無人機自主空戰戰術決策仿真系統。系統原理如圖1所示。

該系統通過分布式仿真技術支持紅藍雙方多無人機并行仿真，紅藍雙方無人機戰術決策模型通過與仿真系統交互獲取戰場環境和外部支撐信息，結合無人機狀態、雷達探測和武器等信息，處理得到戰場態勢；再由戰術決策算法輸出無人機機動決策指令，驅動無人機模型采取相應的對抗行為，形成實時變化的戰術態勢，進行對抗迭代，以可視化的方式呈現，并采集空戰對抗數據。

根據仿真系統原理設計了仿真系統的功能架構如圖2所示。

仿真系統采用分層架構體系和模塊化設計思想構建，整體上分為數據層、模型層和控制層，各層之間低耦合，各層內部高內聚[6-8]。對系統功能進行分解并開發相應模塊負責實現，數據輸入、處理、輸出流程彼此獨立，在系統總體框架內實現數據交互，以此增加系統的靈活性和可擴展性。

（1）數據層

負責接收并存儲系統運行所需各類數據，將數據提交模型層用于計算，并將模型層的計算結果接收或保存。其中，數據類型主要包括：①無人機參數、導彈參數、雷達參數等裝備性能數據。②無人機空戰過程設定和交戰規則數據。③無人機空戰戰術決策模型傳遞的數據。④地形、高程、地圖和支撐信息等戰場環境數據。

（2）模型層

由若干功能模型組成，負責無人機空戰對抗中各相關實體和過程的模型計算及狀態轉換。主要包括：①無人機飛行仿真模型，模擬無人機在各種機動決策控制下的運動。②導彈攻擊區和彈道模型，模擬導彈發射前的攻擊范圍和導彈發射后追擊目標的運動過程。③雷達探測模型，模擬在不同態勢條件下無人機機載雷達對目標的探測能力。④毀傷裁決模型，用于判定導彈是否擊中目標及毀傷效果。

（3）控制層

實現對抗仿真所必須的功能。主要包括：①戰術決策模型接入控制。②仿真對抗過程可視化顯示控制。③仿真場景編輯，對空戰作戰任務、交戰空域、雙方兵力和裝備等進行配置。④仿真系統的運行管理、數據記錄和對抗過程回放控制。⑤仿真過程中參數顯示和態勢顯示控制。

1.3 仿真系統數據交互設計

紅藍對抗雙方通過決策模型接入仿真系統，與各實體模型通過數據接口交互數據。仿真系統主要的數據交互設計如圖3 所示，主要包括：己方無人機位置、速度、高度、姿態等狀態數據；雷達開關機指令、工作模式參數和測量得到的目標距離、速度、角度等數據；導彈攻擊區計算所需的敵我測量參數和計算結果；導彈發射后彈道計算初始條件和實時位置參數；導彈毀傷計算所需的目標位置、速度數據和毀傷概率結果；以及用于顯示交互的所有實體狀態數據和三維態勢數據。

2 仿真系統的實現

按照第1 章所設計的仿真系統方案，進行模塊化分層實現，各模塊之間通過標準化協議進行信息交互。權衡逼真度、實時性和系統復雜性三者關系，建立以支撐戰術決策方法研究為目標的不同逼真度戰場實體模型。

2.1 仿真系統架構的實現

數據分發服務（data distribution service，DDS）是一種消息通信的開放技術標準，具有開放接口、便于集成、擴展性強、傳輸速度快、支持多平臺等特點。將DDS運用于分布式仿真系統中可以使仿真系統具有統一的以數據為中心的分布式仿真架構，實現異構仿真模塊的即插即用的功能，便于系統擴展，并滿足實時通信的需求。

因此，仿真系統采用基于DDS 的分布式仿真架構，實現仿真系統與戰術決策模塊之間，系統內部功能模塊之間實時的數據和控制指令的發送與接收。整個仿真系統分為實體仿真軟件和場景管理與顯示軟件聯合實現。其中實體仿真軟件實現無人機和導彈的飛行動力學仿真，以及機載雷達的仿真，根據戰術決策模型輸出的控制指令，實現戰術機動、雷達探測、導彈發射和毀傷評估；場景管理與顯示軟件實現戰術決策模型的導入、仿真場景的初始化、紅藍雙方對抗仿真的啟動和停止，實現采用三維模型與三維場景顯示雙方對抗過程。

DDS 所采用的發布/訂閱數據通信模式，使得發布和訂閱的消息主題成為模型之間的數據通信接口。為實現仿真系統共建立了12 個主題，設計了137 個參數，具體見表1所示。

DDS具體交互流程如下所示：

步驟1 注冊無人機名稱，表明敵我雙方狀態位，1表示為我機，2表示為敵機。

步驟2 初始化作戰背景，交互場景數據。

步驟3 初始化無人機狀態，初始化飛行動力學模塊，自動駕駛儀模塊與機動控制模塊，完善飛行前準備，執行起飛。

步驟4 利用無人機控制指令，進行飛行控制，向作戰空域靠近。

步驟5 進入作戰空域后雷達下達開機指令。

步驟6 通過雷達模塊計算雙方實時狀態信息。

總之，美國對“南海航行自由”規范的擴散采取了“教化”模式，并體現了霸權主導以及對本國和它國國內制度的利用和操控。自上而下單向的規范擴散模糊了規范本身的積極意義，致使規范議程變得越來越偏狹，甚至無視他國合理的主權訴求，這構成擴散中固有的缺陷與疏漏。正常的規范擴散是互動的、復雜的且難以預期的。未來的“南海航行自由”新規范既要抵制美國的霸權主導又要彰顯其積極價值，這無疑指向了一種互動型的雙向規范擴散。

步驟7 將雷達數據傳輸至導彈攻擊區解算模塊，滿足發射條件時，下達武器發射指令。

步驟8 導彈仿真系統通過動力學模型，相對運動模型，比例導引模型進行導彈制導計算。

步驟9 將導彈飛行狀態信息傳輸至毀傷模塊計算毀傷概率。

步驟10 導彈命中，作戰結束，導彈未命中返回步驟6，繼續作戰。

2.2 戰場實體仿真模型

考慮到仿真系統用于支撐無人機戰術決策仿真的目的，因此，各類模型不需要做到信號級仿真。從作戰OODA 環角度出發，為了保證決策的正確性，在系統仿真過程中，對涉及到態勢獲取的雷達模型、決策執行的無人機模型和導彈毀傷模型需要有較高的逼真度。分別建模如下。

2.2.1 無人機仿真模型

通過文獻閱讀總結，目前的空戰戰術決策算法研究通常都是基于三自由度飛機模型設計，因此，為了使仿真系統與戰術決策模型實現高效數據交互，以三自由度飛機模型作為無人機仿真模型的基礎，同時考慮到提高無人機模型的逼真度并表現不同無人機的差異性，設計了帶氣動系數和推力模型無人機仿真模型，以迎角、滾轉角和發動機推力為控制量。

式中，(x,y,z)表示無人機在慣性坐標系中的位置，m是質量，v是速度，γ是航跡傾角，ψ是偏航角；α是迎角，μ是滾轉角，T表示發動機推力；D表示氣動阻力，L表示氣動升力，g表示重力加速度常值，公式中L、D、T可進一步分別由升力系數模型、阻力系數模型和推力模型表達，以此表示不同的無人機類型，在仿真系統中可以配置。具體模型坐標系定義請參考文獻[9]。

2.2.2 雷達仿真模型

機載脈沖多普勒雷達是現代作戰飛機的主要傳感器，由于只針對空對空作戰，所以，雷達仿真模型對雷達典型的對空掃描方式進行模擬，以便盡可能反映空戰中雷達的功能[10]。

在雷達仿真模型中設計邊搜索邊測距（RWS）和邊掃描邊跟蹤（TWS）模式支持中遠距空戰戰術決策，設計機動空戰（ACM）模式支持近距空戰戰術決策。具體參數見表2所示。

表2 雷達功能參數表Table 2 Radar function parameter table

雷達探測的功能實現主要分兩步：（1）確定指定目標是否可以被探測到；（2）如果雷達能被探測到，輸出雷達探測結果。具體實現流程見圖4所示。

流程圖中目標機RCS 的計算是根據目標和雷達的坐標、姿態角等交互數據，按照目標的標準RCS值和系數表，算出該態勢下目標的RCS值。

其中方位角與俯仰角是以目標為中心的坐標系定義如圖5。

目標RCS計算公式為：

其中，a表示方位角，p表示俯仰角，Rside為正側向探測的目標RCS數值，設為目標標準RCS值。Rhead為從正迎頭探測，Rtail為從正尾后探測，Rup為從正上方探測，Rdown為從正下方探測。

2.2.3 導彈仿真模型

導彈攻擊區是影響無人機空戰戰術決策的重要因素之一，因此，在導彈仿真模型建立時，充分考慮到導彈攻擊區的遠近邊界和不可逃逸區邊界的重要作用，運用文獻[11]所提出的導彈攻擊區計算方法建立導彈攻擊區計算模型。通過實時采集本機和目標的位置、速度、角度等信息可實時計算導彈攻擊區特征參數值，用于我機戰術決策。當戰術決策模型發出導彈發射指令后，啟動彈道仿真子系統，用于模擬導彈初段非制導飛行過程、中段慣導+數據鏈制導飛行過程以及末段彈載雷達主動制導飛行過程，根據仿真場景中的目標信息，實現導彈的飛行彈道計算。彈道仿真根據發射時刻的載機空間位置和運動參數開始運行，中段飛行過程中根據載機提供的目標信息，由比例導引律輸出制導指令實現導彈跟蹤，末段模擬導引頭模塊對目標跟蹤。彈道仿真實時輸出導彈的運動參數，驅動視景中的三維模型。彈道仿真子系統模型如圖6所示，主要由動力學和運動學模塊、相對運動模塊、比例導引律模塊、毀傷模塊組成。

其中，動力學與運動學模塊負責計算導彈的可能飛行彈道及其主要飛行特性，用考慮氣動阻力的可操控質點運動方程組表示。相對運動模塊通過考慮彈目距離、目標視線角、目標視線角速度等參數提供末段目標截獲條件判斷結果和傳遞目標視線角速率給比例導引率模型。比例導引模塊根據設定的比例系數和獲取的參數計算水平和垂直面過載需求，傳遞給導彈運動學模塊，驅動導彈運動。在彈目距離小于導彈戰斗部作用距離時，啟動毀傷計算模塊[12]，根據配置的TNT 因子、炸藥量、毀傷增量和衰減指數等參數計算導彈最大殺傷能力，并與目標可承受的最大損傷聯合計算毀傷百分比，提供毀傷結論。

3 實驗效果

本仿真系統采用C++編程實現，主界面如圖7 所示。左側主顯示區包括：仿真實體/事件列表和三維態勢顯示區域，右側控制區包括：態勢顯控管理、規則編輯場景管理和仿真成員狀態顯示等區域。通過輸入紅藍雙方仿真參數開展決策算法的驗證研究。

為了驗證仿真系統與戰術決策算法數據交互的可靠性和實時性，以及仿真系統各模型運行的實際效果，運用所開發的系統對文獻[13]提出的基于知識推理的空戰戰術決策方法開展了雙機對抗仿真實驗。實驗流程如圖8所示。

通過把知識推理空戰戰術決策算法編寫為Matlab程序，用仿真軟件的規則編輯功能接口接入仿真軟件。設置雙機對抗的初始態勢為敵機未進行雷達鎖定、武器攻擊與電子干擾行為，處于本機前半球，飛行高度大致相同，雙方相距56 km，敵機與本機構成側迎面態勢。啟動仿真后，戰術決策算法模型和仿真軟件實時交互信息，仿真軟件實時判斷結束條件是否滿足，如滿足則仿真結束，存儲仿真數據。

實驗仿真過程的三維態勢顯示如圖9 所示。圖中顯示了紅藍對抗過程中，紅方無人機采用繞側攻擊中遠距空戰戰術的過程，并實時顯示雙方的狀態信息。

本仿真系統已針對不同類型的無人機空戰戰術決策算法[14-19]進行了全面的仿真實驗。結果表明，仿真系統具備支持紅藍雙方各16架無人機開展空戰對抗仿真的能力，仿真系統與戰術決策模型數據交互在10 ms以內能夠滿足實時性要求，仿真系統內部各模型運行穩定，參數傳遞準確可靠，可有效支撐無人機空戰戰術決策算法設計開發。

4 結語

本文從無人機空戰戰術決策研究的實際需求出發，設計了模塊化多層次的無人機空戰戰術決策仿真系統技術方案和數據交互框架；并基于DDS 的分布式仿真技術和不同顆粒度戰場實體模型實現了該仿真系統，最后對仿真系統的效果進行的實驗驗證。

本文建立的仿真系統緊貼無人機空戰使用流程，涵蓋影響無人機空戰戰術決策的主要因素，功能較為完善，為無人機空戰戰術決策模型的開發提供了可靠有用的工具。為了更有效地支撐戰術決策模型的建模仿真，下一步將針對提升戰場模型逼真度和決策算法驗證評價兩方面開展進一步研究。