摘要:侦察/攻击无人机作战仿真系统旨在构建一个基于HLA的仿真平台,在给定的作战想定下,对侦察/攻击无人机执行作战任务的整个流程进行仿真推演,对侦察/攻击无人机的作战效能作出评价,为侦察/攻击无人机武器系统的作战使用研究提供研讨环境。侦察/攻击无人机作战仿真系统搞好前期的顶层设计至关重要,针对系统前期设计中的任务定位问题和成员规划问题作了深入探讨,针对侦察攻击无人机仿真系统的特点,提出了以PAC实体行为模型作为仿真引擎的核心技术,以基于组件的开发方法(CBD方法)作为仿真成员设计的基本方法,并对仿真系统的组件接口进行了详细的分析设计,为侦察/攻击无人机作战仿真系统的后续设计奠定了坚实的基础。
1 引言
侦察/攻击无人机,同时携带侦察载荷(光电或雷达设备)和攻击载荷(空地导弹),在执行侦察、监视任务的基础上,可对发现的高价值目标,特别是时间敏感目标,进行实时精确攻击,并进行毁伤评估[1]。
基于HLA的无人机仿真系统的设计问题,国内已有诸多论述[2~5],但多针对单纯执行侦察任务的无人机,对于察打一体的侦察/攻击无人机作战仿真系统而言,增加了光电侦察、激光指示、导弹攻击等诸多环节的配合,系统更为复杂,系统设计中需要解决的问题也更是千头万绪。本文针对系统前期设计中的几个关键问题:仿真系统的任务定位、仿真引擎的设计、仿真成员的规划设计和组件模型接口作了深入探讨,为侦察/攻击无人机作战仿真系统的后续设计奠定了基础。
2 仿真系统的任务定位
根据美国国防部建模与仿真办公室DMSO提出的联邦开发与运行过程FEDEP规范,定义联邦目标是仿真联邦开发与运行过程的第一步。定义联邦目标,必须明确仿真系统(联邦)的任务需求。
侦察/攻击无人机作战仿真系统旨在提供一个包括想定制作与维护、仿真成员设计与配置、仿真运行与监控、仿真可视化、仿真结果记录与分析等若干功能组件的完整的仿真运行支持环境。仿真系统按作战想定脚本,完成侦察/攻击无人机发射、突防、侦察、攻击、评估和回收的整个作战流程的仿真,为侦察/攻击无人机无人机作战使用模式研究、作战使用效能评估和武器系统设计提供仿真试验与验证平台。
作战使用研究,包括侦察/攻击无人机的编配编制方案、作战任务、作战对象、阵地选择与配置、运用时机与方式、作战使用流程等,在仿真中通过作战想定给出。作战想定为侦察/攻击无人机作战仿真系统提供运行脚本,通过仿真系统对不同作战使用模式下侦察/攻击无人机的作战使用效能评估,为作战使用模式的优化提供依据。
作战使用效能评估是和作战使用模式的选取以及武器系统设计指标紧密联系的。在给定的作战使用模式及武器系统战术技术指标下,仿真系统可以用于评价无人机系统的性能先进性、考察系统操控的有效性、检验流程设计的正确性,反映无人机及其分系统的各项性能参数对无人机的突防、侦察、攻击效能及整体作战效能的影响,为侦察/攻击无人机武器系统战技指标的确定并优化提供辅助支持,同时通过考察任务航路规划、目标识别区、有效攻击区、激光照射器照射时机、导弹发射时机等要素能否最佳匹配,为实现较高的攻击精度提供一个可多次重复试验的仿真平台[2]。
基于以上的任务定位,写入想定库性能参数表的参数,应是无人机侦察效能、攻击效能敏感的关键参数。以目标参数为例,包括目标的机动速度、尺寸、可见光特征参数、红外特征参数、激光散射特征参数、易损性特征参数等。通过仿真前对这些目标特征参数的设定,仿真中调用相应的光电侦察指示算法模型,导弹弹道及毁伤模型,应能体现出不同目标特性对无人机侦察效果、攻击效果的影响。
3 仿真引擎的设计
仿真引擎是仿真系统时间推进和事件调度的中心,负责完成整个仿真推演过程,仿真引擎设计的好坏,直接影响到系统开发的效率和系统扩展的能力,关乎整个仿真系统设计的成败。针对侦察/攻击无人机作战行为的特点,引擎设计采用了表示层-抽象层-控制层(Presentation-Abstraction-Controller, PAC)层次化的系统行为模型。表示层接收外部事件,并解析成内部可识别的任务信息通告给控制层接口,控制层的有限状态机FSM进行相应的状态转移,并触发抽象层的任务模型,任务模型作出决策反应,并向控制层发送反馈事件。仿真引擎通过数据分发处理机、实体状态机、组件管理器、任务管理器间的共同协调完成上述过程,模拟侦察攻击无人机的作战行为。以下是仿真引擎的示意图及运作流程。
1)通过想定解析器解析想定数据,主要包括仿真实体信息,战场环境信息,机动路径信息等;
2)通过网络接口模型创建并加入联邦,包括完成时间管理服务配置,发布/订购工作;
3)通过想定解析器解析并初始化实体管理器中所有实体的仿真信息,包括作战部署、装备编配、作战任务、装备性能等;
4)启动仿真引擎线程,并注册仿真对象实例;
5)仿真引擎线程启动后,调用时钟管理器推进仿真时间,更新实体管理器所有的仿真实体状态,通过数据分发处理机接收来自RTI的交互事件并传输给相应的仿真实体;
6)事件调度器根据系统内部产生的事件按时间顺序依次调度;
7)仿真结束后关闭仿真引擎线程。
4 仿真成员的规划
侦察/攻击无人机作战仿真系统是一个基于HLA的分布交互式仿真系统,采用时间推进机制,由一个数据库服务器和无人机作战仿真联邦组成。仿真联邦采用典型的红、蓝、白三方结构,包括无人机仿真成员、目标仿真成员、显示成员、管理控制成员、记录评估成员组成。各个仿真成员与数据库的连接采用TCP/IP通信协议,使用Oracle ODBC接口,仿真成员之间采用基于HLA的分布式仿真接口协议,使用RTI接口进行连接。仿真系统的结构框架如图2所示。
白方成员包括管理控制成员、数据记录分析成员和显示成员,与基于HLA的其他仿真系统,并无较大差别。数据库服务器主要用于存储作战想定数据。作战想定由一系列想定描述模型组成,以sql数据表的形式存放到Or-acle数据库不同的表空间中,各仿真成员在仿真初始化时读取。想定描述模型包括:联邦概要描述表、联邦对象描述表、成员对象描述表、装备编配描述表、作战编成描述表、作战部署描述表、作战计划描述表、机动路径描述表、飞行航路描述表、装备性能描述表等。目标仿真成员读取想定给定的目标类型、目标参数和机动路径,向外发布目标的位置、速度、几何尺寸、光学特征、易损性特征等信息,提供给无人机成员用于仿真侦察图象、计算发现/识别概率、计算目标指示能力、计算目标毁伤等;提供给显示成员进行可视化显示。
5 无人机仿真成员的设计
5.1 成员组成及组件功能
针对侦察/攻击无人机武器系统的特点,仿真成员的设计采用了基于组件的设计开发思想(Component-Based De-velopmen,t CBD)。组件是指可重复调用的软件模块,把维护及操作某一类信息的程序代码集中在一起独立成块。每个组件具有若干接口,每个接口代表组件的某个属性和方法,其他组件或应用系统通过这些接口进行特定的逻辑处理。将作战装备看成是层次化的可组配的对象实体,即一个装备对象由多个子装备组件组合而成,仿真系统中所有的作战装备元素都可视为“组件”,可作为独立的元件使用,也可以作为由若干装备组件组合而成的聚合体使用。无人机仿真成员包括地面控制站和无人机两种仿真实体。无人机仿真实体由无人机平台、光电载荷和机载导弹三个组件装配而成。
无人机组件主要是根据作战想定库、装备性能库、战场环境信息库等初始信息,以及地形/气象变化情况,计算并输出无人机的位置、速度、姿态信息和工作状态信息。光电载荷组件主要完成光电侦察仿真、激光指示设备的目标指示仿真,输出侦察图像、计算并输出探测/识别概率、跟踪概率、激光光斑位置/能量信息和工作状态信息。机载导弹组件主要完成弹道仿真、目标毁伤仿真,计算并输出导弹的位置、速度、姿态信息,目标命中与毁伤信息。
5.2 成员内部外部关系
根据面向对象的分析方法和基于组件开发的思想,无人机仿真成员中以无人机和地面站作为基本的仿真实体,光电载荷和机载导弹作为无人机的组件,它们之间的信息交流是采用内部消息机制,不通过RTI进行属性更新反射或收发交互来实现。
无人机仿真成员对外发布无人机工作状态信息和位置、速度、姿态信息,光电设备的工作状态信息和目标侦察信息、目标指示信息,导弹的工作状态信息和位置、速度、姿态信息以及命中和毁伤信息。
5.3 组件状态的定义
根据作战流程设计,无人机仿真成员中各仿真组件的状态按如下定义,仿真中无人机及其载荷的状态属性参数的变化通常作为其状态变化的判决条件,从而实现仿真系统对无人机作战流程的推演。仿真中无人机及其载荷的状态属性参数的变化由相应的算法模型提供。
1)无人机的几个主要状态:待命、发射起飞、爬升、突防巡航、下滑、侦察巡逻、修正航向、攻击状态、爬升、返航、降落、回收。
2)光电系统的几个主要状态:关机、启动、搜索、跟踪、指示(照射)、毁伤评估。
3)机载导弹系统(包括火控系统)的几个主要状态:关机、上电、待发射、激活、全弹准备好、发射、方案弹道飞行、导引弹道飞行、终点弹道、引爆或自毁。
5.4 组件接口的设计
侦察攻击无人机作战仿真系统涉及无人机总体设计、无人机飞控系统设计、无人机地面控制系统设计、无人机光电载荷设计、机载导弹设计等诸多领域,需要相关单位提供专业的组件模型供系统集成,组件间的关系错综复杂,在仿真系统的前期设计中需要理清其内外部关系、设计好组件模型的接口,才能保证后期集成的顺利进行。图4是仿真系统的实体/组件接口设计图。
6 总结
侦察/攻击无人机作战仿真系统是一个复杂的大系统,针对系统前期设计中的任务定位问题和成员规划问题作了深入探讨,针对侦察攻击无人机仿真系统的特点,提出了以PAC实体行为模型作为仿真引擎的核心技术,以基于组件的开发方法(CBD方法)作为仿真成员设计的基本方法,并对仿真系统的组件接口进行了详细的分析设计,这些工作为侦察/攻击无人机作战仿真系统的后续设计奠定了坚实的基础。
