数据链综合训练模拟系统设计

2011-04-23付国宾贾国辉欧春芳

指挥控制与仿真 2011年1期

付国宾，贾国辉，欧春芳

（通信指挥学院，湖北武汉 430010）

数据链是以无线传输为主，链接传感器平台、武器平台和指挥控制系统，使用统一规定的消息格式和通信协议，实时、自动地传输战场态势、指挥引导、战术协同、武器控制等格式化数据的战术信息系统[1]。数据链为“先敌发现、先敌攻击”的信息优势、决策优势和作战优势提供了重要支撑，是信息化战争条件下武器装备的“黏合剂”和战斗力的“倍增器”。由于数据链多嵌入武器平台，组织动用困难，且易受到时间、天气、环境等方面影响，难以满足部队训练要求，为了充分有效地发挥数据链的巨大效能，亟待提高对数据链系统的网络管理、情报保障、电子对抗和作战指挥能力。通过设计实现数据链综合训练模拟系统，为数据链使用人员提供数据链综合训练环境，对于提高数据链整体作战运用水平具有重要意义。

1 系统功能需求

按照总体研制目标和应用需求，本文设计构思一个基于 HLA的数据链综合训练模拟系统，主要完成六大功能，分别是计算机生成兵力、作战单元模拟、网络监管模拟、仿真导调控制、数据采集处理、图形与数据显示等。

1.1 计算机生成兵力

计算机生成兵力（CGF）为驱动军事仿真提供战场实时、可信的态势信息，是作战模拟与仿真的基础[2]，用于扩大数据链综合训练仿真战场的规模、实体种类和数量，完成想定编辑、剧情分发和航位推算等功能。其中，想定编辑主要完成作战地域选择、作战任务编组、作战阶段划分、作战要素及战斗部署、作战剧情设计、交战规则制定等任务，规范作战要素的描述粒度，为模拟训练提供初始条件；剧情分发主要根据CGF技术，加载作战想定，完成剧情初始化，根据想定和模型库中提供的目标运动模型，实时产生并发布战场作战实体的运动及状态信息，并对目标实体状态进行干预和控制；航位推算是系统实现中的一项关键技术，用于在满足仿真精度的前提下，减少实体间协议数据单元特别是实体状态类消息的发送次数，从而降低通信负荷，满足网络带宽和容量要求。

1.2 作战单元模拟

作战单元模拟为情报保障和作战指挥训练提供人机接口，可分为对传感器平台、指控平台和武器平台的模拟，能够完成不同平台数据链战术消息的发送、接收、处理与显示。其中，消息发送功能主要是将传感器平台、指控平台和武器平台产生的精确定位与识别、目标监视、指挥控制、电子战、任务管理与战斗协同、自由电文等战术信息转换成相应的格式化消息交互类，并发布到数据链网络中；消息接收功能主要用于订购其他平台发布的格式化消息，并通过解析将消息转换为平台可以显示的信息；消息处理与显示功能主要是根据不同平台、不同消息类型和消息交互矩阵要求，按照合理的方式处理并显示相关战术信息。

1.3 网络监管模拟

网络监管模拟为数据链网络监视管理训练模拟提供人机接口，能够进行数据链初始化参数加载、网络运行监控、网络信息交换和网络关闭等阶段的网络效能监测和评估，统计网络参与成员数量、成员分布、不同作战阶段网络负载、消息交换、网络连通性和消息转发与中继对网络效能的影响，分析各个参量对数据链网络循环时间、平台消息更新率、网络的鲁棒性、重组性和平台互操作性的影响，分析数据链作战运用方案能否达到预定的战技术性能指标等服务质量（QoS）要求。

1.4 仿真导调控制

仿真导调控制与计算机生成兵力是系统运行的重要支撑[3]，仿真控制是枢纽，计算机生成兵力是内容。两者为作战模拟提供栩栩如生的仿真现场，两者之间的交互是仿真成败的关键。仿真导调控制主要进行席位设置、仿真控制、导调信息传输、仿真过程重演和数据库管理。其中，席位设置主要根据数据链的使命任务和网络拓扑，构建不同的模拟训练区，确定演练目标，完成数据链综合训练中作战指挥席、对空引导席、情报保障席、电子对抗席、网络管理席等席位的设置，进行科目训练和网上演练；仿真控制主要对仿真的启动/停止、暂停/恢复、步长设置、时钟同步等进行控制；导调信息传输完成本系统内部各分系统之间导调控制信息的传输；仿真重演主要根据训练过程中各类数据的记录，对感兴趣的作战阶段和作战单元的操作进行重演，提高训练效果；数据库管理功能主要实现地理信息、想定数据、剧情数据、导调控制数据、装备基础数据的添加、修改、删除、查询和统计。

1.5 数据采集与处理

数据采集处理通常为仿真结果分析和仿真事件重演提供依据。系统能够进行计算机生成兵力数据的采集、作战参与单元的操作记录、以及数据链消息的收发记录等。其中，计算机生成兵力数据的采集，主要记录敌我兵力部署、战场态势演进等；作战参与单元的操作记录，主要完成各终端模拟器（作战节点）操作记录；数据链消息的收发记录，用于统计空中目标航迹、水面（下）目标航迹、陆地目标航迹、紧急点位置、指挥控制、平台定位与识别、平台状况、任务管理与战斗协同等消息的交换记录，分析不同作战阶段、不同作战平台各类消息的流量与作战应用需求之间的关系。

1.6 图形与数据显示

系统应能够进行数字地图的加载、操作、兵力部署显示。其中，数字地图背景显示与控制功能，可选择不同作战地域，显示相应地域范围的数字地图背景，支持地图漫游、放大、缩小、军图标绘等；兵力部署显示功能，可用军标标识敌我双方战场态势，显示指挥所开设位置，飞机编队、舰艇编队等目标参数、状态和航迹。能够进行数据链网络拓扑显示，可按通信信道、军兵种、数据链类型、作战地域等划分标准分别显示数据链网络拓扑，为网管人员提供清晰明了的数据链网络参与单元和网络结构。

2 系统结构及关键技术

构造一个合理的分布式交互仿真训练环境，必须有正确的思想和结构设计方案。数据链综合训练模拟系统仿真运行的基本思路是：采用双以太网物理结构和基于 HLA的计算机分布式仿真技术，利用计算机平台模拟数据链平台、计算机网络模拟数据链网络，实现数据链网络的分布式仿真运行。

2.1 系统结构

系统由剧情产生器、导调控制器、时钟同步器、作战单元模拟器、情报单元模拟器、网络监管模拟器和多用户代理模拟器等组成，各单元之间通过以太网互连，形成一个数据链网络仿真运行环境。系统仿真运行的物理结构如图1所示。

图1 数据链综合训练模拟系统物理结构示意图

系统采用双以太网结构，仿真激励通道主要由系统总控向各模拟器提供客观的仿真控制信息、战场态势信息和时间同步信息，驱动数据链网络运行；网络运行通道主要根据数据链格式化消息，实现作情报单元模拟器、作战单元模拟器、网络监管模拟器和多用户代理模拟器之间的数据链格式化信息的交换。系统运行物理结构提供了各种功能模块（模拟器）的互联情况，描述了系统的内部结构关系与运行机理。这种在一个物理信道上实现仿真激励通道和系统运行通道的双逻辑信道结构，实现了仿真控制与网络运行模拟的数据分离，便于仿真控制以及数据链本身业务数据的分类、记录与统计，提高了数据链网络仿真运行的科学性和可控性。

2.2 高层体系结构（HLA）技术[4]

对于分布式仿真，目前主流的技术主要有DIS和HLA。DIS是一种异构型网络互联的分布式交互仿真技术，它由一系列的应用协议与通信服务标准、推荐的演练策略和相关文档来确保同类功能仿真应用的互联，只有有限的互操作性，不能满足越来越复杂的仿真需求。HLA的核心思想则是互操作和重用，其显著的特点是通过运行支撑环境 RTI，提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信传输三者分开，从而可以使各部分相对独立地进行开发，2000年9月被IEEE接受为标准。由于该系统网络成员多、信息交互量大、实时性要求高、以传输格式化短报文为主的特点，综合考虑 DIS、HLA的性能特点，系统采用商业软件 pRTI为支撑进行通信，构成一个系统"软总线"，如图2所示。

图2 基于HLA的RTI通信支撑环境

系统中各模拟器通过仿真配置后，只需挂接在该局域网内就可进行相应的数据交换。使用分布式仿真协议规定的消息格式，仿真节点之间通过基于 HLA的RTI通信支撑环境进行实体状态消息、仿真控制消息和时钟同步消息的交换，实现仿真控制和导调；按照作战运用需求，设计网络监管模拟器类、作战单元模拟器类、情报单元模拟器类、多用户代理模拟器类等实体对象类，按照数据链规定的消息格式，设计平台定位识别、目标监视、指挥控制、电子战情报、战斗协同与任务管理、自由电文等交互类，通过交换数据链消息，实现网络运行模拟和作战运用操作。系统采用基于HLA的RTI作为通信支撑环境，虽然不能满足所有条件下的互操作需求，但也已足够实现相当规模的数据链网络运行仿真。系统设计容量可同时模拟15个数据链网络、每个网络200个网络成员，基本满足中等规模的数据链战术运用综合训练模拟。

2.3 仿真一致性技术

仿真一致性在本系统的设计开发中，主要包括时空一致性和网络一致性描述。对于时空一致性，采用软件时钟同步方法和时戳机制，减少时间的不一致性；采用标准的统一的地形和环境数据库，消除空间的不一致性。保证系统总控、作战单元模拟器、网络监管模拟器和多用户代理模拟器之间对时间和空间的观测和理解上的一致。对于网络一致性，用计算机网络模拟数据链网络，计算机平台模拟数据链平台，完成数据链网络的仿真运行，即f(netID,platID)→g(multicastIP,port,localIP)，实现那数据链网络编号与计算机网络基于 UDP组播地址与端口、数据链平台身份号与计算机IP地址之间的映射，达成网络的一致性描述[5]。

3 系统工作流程

系统在组织训练时，由导控中心（白方）、数据链训练模拟主体（红方）和对抗实体（蓝方）组成，其工作流程大体可分为仿真准备、仿真运行、仿真终止三个阶段。

3.1 仿真准备阶段

导控中心（白方）导调人员首先宣布模拟训练课题，明确训练推演的目的、任务、资源、时间表、边界条件及实施方法，确定模拟训练推演设施、人员身份、推演场景、观测计划和进度表，提供演练背景，提出测试评估要求。

系统总控进行想定选择与加载、仿真配置参数加载和席位设置；参与单元模拟器、转发单元模拟器和网络管理模拟器完成数据链初始化参数加载、仿真配置参数加载，向系统总控发送“准备好”消息。系统总控向各模拟器发送仿真初始化、时钟同步和仿真开始等消息，由各仿真节点开启自身仿真时钟并与系统总控实现同步，确保仿真具有相同的仿真零点，整个系统进入仿真运行状态。

3.2 仿真运行阶段

导控中心（白方）导调人员实时监视多数据链作战应用模拟训练及推演进程，掌握控制全局情况。向全系统发布当前的作战时间、模拟步长、运行方式等相关控制信息；根据模拟训练及推演的内容，适时进行人工干预、随机进行导调，使训练推演按计划有条理地进行，对原始数据和处理后的数据进行归档保存。

训练模拟主体（红方）主要由指挥所（指挥控制席、情报保障席、电子对抗席和通信保障席）和武器平台模拟单元组成。红方指挥控制席根据自身平台类型显示数据链提供的战场态势，对数据链平台进行指挥控制、任务管理及战斗协同指令消息的发送；红方情报保障席负责地面、水面、水下、空中目标航迹消息的协调与发送；红方通信保障席负责网络成员的入网（退网）管理、网络性能管理、消息收发监测等；武器平台模拟单元负责提供自身平台定位与状态信息，执行指挥所发布的各种指令。系统对抗实体（蓝方）主要由蓝方兵力模拟席和指挥控制席组成。蓝方兵力模拟席负责蓝方计算机兵力的生成；蓝方指挥控制席负责对蓝方兵力的指挥控制。

系统内部各仿真节点、实体之间通过仿真激励通道完成实体状态、射击和爆炸PDU等与数据链网络无关的信息交换；通过网络运行通道完成目标监视、平台状态、指挥控制、电子对抗、任务管理和战斗协同、网络管理、信息管理、平台定位与识别PDU等数据链格式化消息的交换。各仿真节点在运行状态下，除了接收节点间的交互信息、参训人员的操控指令外，还响应系统总控发送的心跳信号、仿真控制指令，以确定仿真节点状态并实现系统的开始、暂停、继续和结束。

3.3 仿真终止

当终止条件满足时，系统总控广播发送终止仿真消息，各仿真节点首先终止数据链网络仿真运行，然后结束仿真。导控中心（白方）导调人员根据各阶段的战术情况、通信保障情况、情报保障情况、电子对抗情况、指挥控制情况，着重对各个席位中平台互操作的内容、措施、效果等进行数据分析，从物理域、信息域和认知域等层面，评估数据链“战术消息互换能力、人员决策互知能力和武器平台互动能力”，总结验证推演的效果，发布验证推演结果。