王思卿，喬勇軍，王力超

(海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

0 引 言

隨著空戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜，作戰(zhàn)人員在進行空中對抗、多機協(xié)同、防空作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)訓練時面臨著實裝耗資巨大，人員裝備組織調(diào)度困難，安全壓力大的困難[1-2]。對此，模擬仿真訓練作為作戰(zhàn)指揮人員進行戰(zhàn)術(shù)演習、裝備訓練等大規(guī)模性仿真的重要手段，達到了減少裝備損耗、增強訓練安全性、提升作戰(zhàn)能力的目的[3]。通過計算機程序?qū)GF空中目標的產(chǎn)生和行為進行控制，使目標數(shù)量增多且行為具有自主智能水平，能夠根據(jù)戰(zhàn)場實時態(tài)勢做出反應(yīng)、判斷及決策，以此為作戰(zhàn)訓練人員提供“高質(zhì)量”的對手或友軍。目前在此研究領(lǐng)域中大多學者都將研究重心放在了CGF系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計上，對其實體模型的構(gòu)建過于簡單，無法滿足作戰(zhàn)訓練要求[4-5]，因此本文對CGF系統(tǒng)模型的構(gòu)建展開分析與研究，根據(jù)作戰(zhàn)訓練需要建立了目標機動模型、雷達火控模型及智能決策模型，并以某型防空武器目標模擬器為研究對象，運用計算機兵力生成技術(shù)實現(xiàn)目標的生成和其自治行為，實現(xiàn)具有攻防對抗效果的實戰(zhàn)化戰(zhàn)術(shù)訓練，通過ACoreOS天脈操作系統(tǒng)機理以及系統(tǒng)仿真平臺[6-7]，實現(xiàn)對系統(tǒng)界面及交戰(zhàn)態(tài)勢的可視化仿真。

1 CGF空中目標分析

1.1 模型粒度分析

在建模與仿真過程中，模型粒度的選擇關(guān)系到對細節(jié)的描述程度，用不同粒度描述的仿真實體在模型中發(fā)揮的功能與影響也不盡相同[8]。因此，選擇合適的粒度對所建立模型的應(yīng)用范圍、功能用途都息息相關(guān)。CGF空中目標由幾個功能性組件構(gòu)成，包括機動模型、雷達火控模型、決策模型、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則庫及動作庫等，關(guān)系相對獨立，且將這幾個組件之間的調(diào)用方式進行了定義，因此CGF空中目標屬于平臺級作戰(zhàn)模型，是所有功能組件的集合[9]。并且在仿真模擬訓練系統(tǒng)中所構(gòu)建的CGF空中目標具備感知戰(zhàn)場態(tài)勢、對外部環(huán)境的變化做出反應(yīng)、進行智能決策與行動的能力，能夠與仿真環(huán)境中的其他實體進行通信與交互，從而受到整個CGF系統(tǒng)集中統(tǒng)一的導(dǎo)調(diào)管理。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成及模型框架

基于模型粒度分析，CGF系統(tǒng)模型一般由實體機動模型、實體決策模型和動作執(zhí)行模型構(gòu)成[10-11]。實體機動模型對運動實體進行物理解算，通過動力學方程得到其姿態(tài)、位置等狀態(tài)參數(shù)；實體決策模型通過分析實時戰(zhàn)場態(tài)勢，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)規(guī)則庫做出最優(yōu)決策；動作執(zhí)行模型通過推理機制得出結(jié)論，執(zhí)行機構(gòu)對實體的相應(yīng)參數(shù)進一步進行解算[12]。

為了使CGF系統(tǒng)更加完備高效，本文在此基礎(chǔ)上增加命令解析模塊，并將CGF系統(tǒng)各模塊具體化，如圖1所示。包括命令解析模塊、目標機動模型、雷達火控模型、智能決策模型、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則庫及動作庫。命令解析模塊主要是將命令解析為計算機可以識別和處理的形式；目標機動模型模擬飛機或?qū)椀恼鎸嶏w行狀態(tài)，輸出其重要狀態(tài)參數(shù)；雷達火控模型通過對雷達搜索、截獲跟蹤、導(dǎo)彈瞄準、發(fā)射制導(dǎo)等基本功能的仿真，實現(xiàn)基礎(chǔ)的仿真實體攻防對抗效果；智能決策模型通過分析戰(zhàn)場態(tài)勢和敵我局勢，將信息傳遞給機動模塊，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)規(guī)則庫和動作庫做出一系列具有智能性的決策動作。并且，CGF空中目標構(gòu)建有自主與受控兩種方式。受控是指通過外接接口實現(xiàn)人為的修改目標參數(shù)，如利用鼠標、操作桿等，并通過網(wǎng)絡(luò)將命令信息傳入解析模塊，系統(tǒng)將根據(jù)指令進行解算從而完成戰(zhàn)術(shù)動作，并將結(jié)果反饋到戰(zhàn)場環(huán)境中；自主是指模擬器自主生成具有一定智能性的目標，具備基礎(chǔ)的攻防兼?zhèn)浜椭悄軟Q策能力，根據(jù)雷達火控模型提供的實體信息進行決策，引導(dǎo)目標進行進攻、防御、規(guī)避等戰(zhàn)術(shù)動作。

圖1 CGF空中目標模型框架

2 CGF空中目標模型構(gòu)建

為體現(xiàn)實戰(zhàn)，構(gòu)建出的空中目標應(yīng)能準確地體現(xiàn)其真實飛行特性及戰(zhàn)術(shù)指標，能正確模擬出實戰(zhàn)化飛行目標的性能。開始模擬仿真訓練后，作戰(zhàn)人員根據(jù)訓練需要設(shè)置目標參數(shù)，或根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢自主調(diào)用不同參數(shù)指標的空中目標，實現(xiàn)起飛、攻擊、防御、飛行等戰(zhàn)術(shù)動作，并完成隊形保持、雷達探測、導(dǎo)彈制導(dǎo)等戰(zhàn)術(shù)行為，模擬作戰(zhàn)人員的智能操作行為進行決策，對實時戰(zhàn)場態(tài)勢的變化做出反應(yīng)[13]。

2.1 目標機動模型

目前文獻中對實體機動模型的構(gòu)建一般采用六自由度動力學參數(shù)仿真。它的基本思想是將實體看作是一個剛體，實體所有運動都被分解為質(zhì)心運動、繞質(zhì)心運動或兩種運動的結(jié)合。操作過程為將駕駛桿或舵面的操縱量輸入進行相關(guān)參數(shù)解算，根據(jù)動力學方程、速度及加速度方程等計算實體實時狀態(tài)，從而輸出飛機動作。采用六自由度動力學參數(shù)仿真的方法可以準確描述實體運動狀態(tài)，但計算復(fù)雜，運算量大，控制器設(shè)計需要進行反復(fù)的測試調(diào)整參數(shù)，控制復(fù)雜度較高，難以在應(yīng)用中實現(xiàn)實時動態(tài)仿真[14]。并且，作戰(zhàn)操作人員通常根據(jù)戰(zhàn)術(shù)目標確定飛機的機動動作，再根據(jù)動力學方程解算各項參數(shù)。然而，采用六自由度機動模型無法將操縱量與飛機機動緊密聯(lián)系，并且無法體現(xiàn)良好的動力學特性與戰(zhàn)術(shù)指標。因此，在精度要求不算特別高的情況下，考慮使用既可以準確描述飛機機動動作又能緊密聯(lián)系作戰(zhàn)目標的面向作戰(zhàn)任務(wù)的飛機CGF機動模型。模型輸入為機動過載大小和方向、發(fā)動機狀態(tài)或速度等參數(shù)，良好地將作戰(zhàn)操作人員的作戰(zhàn)意圖轉(zhuǎn)化為了飛機機動控制的輸入。

采用這樣的方法有兩個優(yōu)勢。第一，具有一定的準確性。按照飛機機動模型解算出的參數(shù)，能夠更加符合實際的動力學特性，能夠保證戰(zhàn)術(shù)推論的可用性。需要注意的是，要充分考慮飛機機動能力的相關(guān)限制，使用可行的機動過載確定飛機各項參數(shù)。第二，具有一定的實用性。作戰(zhàn)操作人員關(guān)注的是飛機的機動動作，根據(jù)作戰(zhàn)目的將飛機預(yù)期動作分解為速度、過載、方向等，并將其作為模型輸入接口，這樣建立的機動模型能夠使飛機預(yù)期機動動作與各項參數(shù)保持一致，最終可實現(xiàn)基于一定戰(zhàn)術(shù)目的的作戰(zhàn)仿真。

基于以上分析，本文建立的飛機機動模型既可以滿足仿真中的作戰(zhàn)目的，也可以準確描述出飛機的動力學特性，將作戰(zhàn)操作人的作戰(zhàn)意圖轉(zhuǎn)化為對飛機的機動控制。

圖2 飛機機動運動模型框架

為了滿足不同作戰(zhàn)需求和機動要求，將模型分為給定發(fā)動機推力狀態(tài)或給定飛行速度兩部分。當給定發(fā)動機推力狀態(tài)時，發(fā)動機動力模型對推力進行計算，并提供解算速度的約束條件。當給定飛行速度時，發(fā)動機動力模型計算動力限制條件，從而約束飛行速度。因此機動模型的輸入量為(ny,γs,vtr)|t或(ny,γs,φ)|t，式中φ為油門位置，vtr為真空速。

飛機的質(zhì)心動力學方程為：

(1)

為了簡化模型，假設(shè)操作人員始終使得側(cè)滑角很小，令β=0，Z=0， 簡化了輸入量和氣動側(cè)力的計算。將輸入量分解在合力中，得到合力表達式為：

(2)

式中，P為發(fā)動機動力模型的推力值，當機動輸入是速度時，P滿足航跡切線方向合力平衡，Q為阻力，Y為升力，由過載和氣動導(dǎo)數(shù)求出，Z為側(cè)力。Cht，Chq,Chd為飛機機體軸系，速度軸系，地面軸系到飛機航跡軸系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣。可由θ，γs，φs，α，β等參數(shù)求出。

由運動學關(guān)系，得出飛機空間位置：

(3)

由下式?jīng)Q定飛機姿態(tài)參數(shù)：

(4)

Ctd=Cth·Chd

(5)

2.2 雷達火控模型

在飛行設(shè)備實裝中一般裝配有火控計算機、武器系統(tǒng)以及雷達紅外探測設(shè)備，作戰(zhàn)人員通過操控座艙內(nèi)的設(shè)備開關(guān)按鈕等來實現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射、制導(dǎo)攔截、雷達探測、識別跟蹤等操作，過程相對復(fù)雜，需要操作的環(huán)節(jié)多[15-16]。但在仿真模擬訓練中，仿真的重點在于武器裝備功能的體現(xiàn)，對其他細節(jié)的高度還原要求不高，因此可以對飛行設(shè)備中的操作過程進行簡化與提煉，只保留最關(guān)鍵的操作步驟，省去其余細節(jié)，實現(xiàn)相對重要的作戰(zhàn)環(huán)節(jié)，從而完成整個作戰(zhàn)過程，如圖3所示。

圖3 雷達火控模型仿真流程

建立CGF空中目標雷達模型時，設(shè)定雷達自動進入空戰(zhàn)模式，當雷達接收到目標實體的航跡信息時，根據(jù)雷達距離方程和雷達干擾方程、目標反射截面積RCS、雷達各項參數(shù)等對能否探測到目標進行判斷。其中，目標回波功率強度為：

(6)

雷達接收機熱噪聲平均功率強度為：

N=KT0BrF

(7)

在雷達受到有源壓制性干擾的情況下，雷達接收機的干擾功率強度為：

(8)

在自由空間中的信噪比可由公式(6)和公式(7)可得出：

(9)

在復(fù)雜電磁環(huán)境中，雷達接收機輸出端的信干比可由公式(6)和公式(8)得出：

(10)

式中：Dj為綜合抗有源干擾綜合改善因子。在得到信噪比或信干比的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)概率Pd和虛警概率Pf可將雷達探測性能具體量化。發(fā)現(xiàn)概率Pd可簡化計算為：

(11)

u是取[0,1]區(qū)間上的一個隨機變量，做均勻分布，且當u≤Pd時，判斷為雷達發(fā)現(xiàn)目標，此時CGF空中實體將會飛向威脅指數(shù)最大的目標直到雷達將目標截獲；當u>Pd時，判斷為雷達沒有發(fā)現(xiàn)目標。

同時，假設(shè)導(dǎo)彈在空戰(zhàn)過程中都處于良好狀態(tài)，雷達判斷為截獲目標后系統(tǒng)隨即進行相關(guān)火控計算，若目標滿足以下發(fā)射條件：

(12)

則第i批目標可能進入殺傷區(qū)而被攔截。

式中：Pi為目標的航路捷徑，Hi為目標高度，Vti為目標速度；Pmax為火力單元確保能夠以預(yù)期概率將目標殺傷時目標的最大航路捷徑，Hmin為最小高度，Hmax為最大高度，Vmax為最大速度。

可采用的三點引導(dǎo)方法(又稱重合法)對導(dǎo)彈速度進行擬合。三點引導(dǎo)法是指將制導(dǎo)站、導(dǎo)彈與目標始終控制在一條直線上的引導(dǎo)方法。如圖4所示。

圖4 三點法示意圖

三點法的引導(dǎo)方程為：

(13)

式中：εd為導(dǎo)彈視線高低角；εm目標視線高低角；βd為導(dǎo)彈視線方位角；βm為目標視線方位角。

為簡化模型設(shè)計，在滿足系統(tǒng)真實需求和仿真實際情況的基礎(chǔ)上，建立以下準則：

(1) 當目標位置與導(dǎo)彈間距離小于導(dǎo)彈的有效發(fā)射距離時，立即進行導(dǎo)彈發(fā)射操作。

(2)導(dǎo)彈可進行連續(xù)發(fā)射，且連續(xù)發(fā)射時間間隔須大于等于5 s。

(3)通過運用三點法擬合導(dǎo)彈飛行速度變化曲線，對導(dǎo)彈的飛行運動過程進行仿真，將導(dǎo)彈飛行速度矢量與仿真步長相結(jié)合對導(dǎo)彈的空間位置坐標進行計算。

(4) 當某個目標被導(dǎo)彈連續(xù)命中兩次則認為該目標消亡，失去作戰(zhàn)能力。

2.3 智能決策模型

仿真模擬訓練針對的是一個不斷變化的實時戰(zhàn)場態(tài)勢，提升訓練效果的關(guān)鍵在于使CGF實體具有和作戰(zhàn)人員一樣的“智能”，能夠?qū)χ車鷳?zhàn)場環(huán)境做出反應(yīng)、分析和決策，最終實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)或戰(zhàn)術(shù)對抗。CGF空中目標的智能決策模型主要通過專家系統(tǒng)來實現(xiàn)，由知識庫、規(guī)則庫、動作庫及決策模塊構(gòu)成[17-18]。

在具體實現(xiàn)過程中，將作戰(zhàn)人員的作戰(zhàn)原則、戰(zhàn)術(shù)方法、戰(zhàn)略思想等相關(guān)知識轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別和處理的形式，儲存在知識庫中；決策部分采用基于規(guī)則的行為機制，以先前態(tài)勢感知的結(jié)果信息(如目標實體位置信息、雷達探測跟蹤結(jié)果，導(dǎo)彈攻擊結(jié)果等)作為入口，通過IF-THEN結(jié)構(gòu)將決策信息與知識庫中的產(chǎn)生式規(guī)則進行匹配，輸出動作庫中相應(yīng)的動作策略，從而確定機動模型中的各項參數(shù)。輸出的動作策略分為以下三種：目標控制、目標設(shè)備操作、對外部命令的應(yīng)答。因此，提高CGF的智能決策水平，可以通過補充專業(yè)戰(zhàn)術(shù)知識，完善作戰(zhàn)知識庫和相關(guān)推理機制，或構(gòu)建全面具體的動作庫，準確輸出實體的機動動作和戰(zhàn)術(shù)決策的方法來實現(xiàn)。

3 ACoreOS天脈操作系統(tǒng)

天脈1嵌入式實時操作系統(tǒng)(ACoreOS)及開發(fā)環(huán)境是一款面向多任務(wù)應(yīng)用的強實時性嵌入式系統(tǒng)平臺軟件。它的軟件架構(gòu)采用三層棧結(jié)構(gòu)：模塊支持層(MSL)、操作系統(tǒng)層(OSL)、應(yīng)用層(AL)，如圖5所示。這種三層棧結(jié)構(gòu)給予了操作系統(tǒng)更好的可移植性能，也解決了硬件設(shè)備的升級、應(yīng)用軟件的可重用等問題。模塊支持層主要負責為操作系統(tǒng)提供訪問硬件資源的服務(wù)；操作系統(tǒng)層負責管理計算機資源，為應(yīng)用軟件的運行提供有力支撐；應(yīng)用層主要實現(xiàn)對軟件各功能的控制與管理。

圖5 ACoreOS三層棧結(jié)構(gòu)

ACoreOS憑借一系列優(yōu)勢特性，在國防裝備、軌道交通、工業(yè)控制等多個領(lǐng)域都有了較廣的應(yīng)用。并且，將其運用在武器裝備中后可達到充分發(fā)揮武器裝備性能、有效節(jié)省時間與成本、提升應(yīng)用軟件開發(fā)速度的目的。眾所周知，在軍事領(lǐng)域使用國外的操作系統(tǒng)存在著很大的安全隱患，容易造成軍事機密的泄漏，使用我國自主研制的ACoreOS操作系統(tǒng)可有效地避免此類問題，安全有效的對軟件進行開發(fā)。

4 仿真實驗及結(jié)果

在本課題研究過程中，硬件仿真平臺是一臺ARM試驗箱，內(nèi)裝有ACoreOS操作系統(tǒng)，可以通過加載和固化兩種方式將映像文件傳給實驗箱(目標機)。軟件平臺是與ACoreOS機載嵌入式實時操作系統(tǒng)相配套的開發(fā)環(huán)境LambdaAE，用于操作系統(tǒng)和機載應(yīng)用軟件等的開發(fā)和維護。 LambdaAE開發(fā)環(huán)境具備一系列實用性、高效性的軟件工具，是一個開放的嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境,為開發(fā)嵌入式軟件提供了有力支撐。

在進行仿真時，首先在宿主機上安裝Oracle VM VirtualBox，再在VM虛擬機中搭建LambdaAE開發(fā)環(huán)境，在虛擬Windows XP系統(tǒng)中編譯構(gòu)建目標代碼文件，最后燒寫、固化進目標機當中。通過以太網(wǎng)與串行口，實現(xiàn)宿主機與目標機的相互連接，如圖6所示。

圖6 實驗平臺結(jié)構(gòu)

最終在實驗箱上顯示所構(gòu)建的CGF空中目標及參數(shù)，以此完成系統(tǒng)仿真的實現(xiàn)。CGF空中目標模擬器運行時的參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 CGF目標模擬器參數(shù)設(shè)置界面

嵌入式目標模擬控制界面如圖8所示。界面中左上方為一二維地圖，右上方可對模擬實施控制，右下方顯示目標各項參數(shù)。

圖8 CGF目標模擬器控制界面

5 結(jié) 語

本文根據(jù)仿真模擬訓練系統(tǒng)的實際需求，通過分析CGF系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和模型粒度，對CGF空中目標的建模進行了研究。構(gòu)建了目標機動模型、雷達火控模型及智能專家決策模型，并具備自主與受控兩種目標構(gòu)建方式。該建模和仿真方法已應(yīng)用到某型仿真模擬器系統(tǒng)中。結(jié)果表明，所建模型具有良好的可靠性及真實性，所構(gòu)建的目標具備一定自治力與智能性，能夠滿足仿真模擬訓練的需要，提高了訓練效果和水平。并且以組件式的開發(fā)模式進行模型框架設(shè)計，能夠使模型具備良好的可重用性和交互性。