基于组件的末段高层反导作战仿真系统功能分析与设计*

王 磊,张一滔,邢清华

(1.空军工程大学导弹学院,陕西 三原 713800 ;2.空军驻西安地区军事代表室,陕西 西安710068)

随着计算机技术的发展,计算机仿真在反导作战中的应用越来越广泛,仿真系统的规模越来越大,其复杂程度也越来越高。从无到有地开发一个仿真系统的方法,由于其开发周期长、代码重用性差、经济效益低等原因已经不适应当前时代的发展。目前开发一个仿真系统的方法,已经从面向对象的软件工程向以组件化为标志的软件工程发展,以追求组件的可重用和即插即用,从而达到缩短研发周期、提高开发效率的目的。本文在对组件技术进行分析的基础上,探索了基于组件的末段高层反导作战仿真系统的功能分析与设计方法,以期为今后开发类似的仿真平台组件库的形成和系统实现奠定基础。现代高技术条件下的局部战争中,使用战术弹道导弹(Tactical Ballistic Missile,TBM)实施远距离打击是一种重要的空袭作战手段[1]。由于导弹末端高层反导作战系统结构复杂,成本昂贵,因此,建立其作战仿真系统用于训练是一种关键的手段。

1 组件技术

1.1 组件的定义

组件是一些可重用的、独立发布的二进制单元,推广了对象封装的内涵,侧重于复杂系统中组成部分的协调管理,强调实体在环境中的存在形式[2]。根据以上的定义可知,组件是可以被封装的对象类、一些功能模块、软件框架、软件构件、文档等,通过标准数据接口对外交流。

1.2 基于组件的仿真系统的开发步骤

与传统的软件开发不同,基于组件对象的软件工程着重进行组件的规划、设计和开发[3]。总的来说,在基于组件的仿真系统开发中,首先应对仿真系统进行深入地功能分析,得到仿真系统的数据流图和系统结构图,从对数据流的分析中获取可以复用的组件,进而对组件进行规划和对外接口的设计,然后对每一个组件实现内部的细节,接着完成组件的组装与部署,最后完成整个系统的测试,其具体实现流程如图1所示。

图1 基于组件的仿真系统开发流程图

从图1可以得到基于组件的仿真系统的开发步骤:

Step1需求分析 这是开发一个仿真系统的首要步骤,在需求分析中,主要对仿真系统的功能、可行性和必要性进行分析。在基于组件的仿真系统开发中,需求分析着重对仿真系统中的数据流进行分析,分析仿真系统每个组成部分之间数据的传递和处理,找出其中共有的部分,设计成公共组件,对特定的数据流形成特定组件。

Step2组件和接口的设计 对于使用组件的集成开发者而言,一个组件就是一个接口集,只有通过接口才能与组件进行通信[4]。在需求分析中主要得到的是仿真系统所需的组件,在此基础上,对组件的功能、对外接口、组件之间交互所需的信息进行设计,合并相同类似的信息流,形成既相互独立的又可以相互交流的组件和接口。根据具体情况对组件的属性、方法、接口、事件进行相应地调整,尽可能符合用户的使用习惯。

Step3组件的实现 由于基于组件的系统构造与编程语言无关,因此根据不同的组件,选择适合于开发人员的编程语言,对组件进行开发实现和规范化,使组件代码具有良好的扩展性和可重用性,并将实现后的组件存入组件库。

Step4组件的组装和测试 按照仿真系统中的各个功能子模块,从组件库中获取所需的组件,然后把组件装配成单独的模块,进行模块测试。

Step5仿真系统的组装与测试 将组件组装测试好的各个功能子模块按照仿真系统的结构,组装成仿真系统,然后进行系统测试。

2 末段高层反导作战仿真系统的功能构成

2.1 末段高层反导作战过程及其主要装备

末段高层反导作战系统是对来袭战术弹道导弹进行末段高层拦截的重要武器系统之一。其作战过程一般如下[5]:首先预警卫星或预警飞机在对方弹道导弹发射后发出预警信息,同时将信息传送至地基雷达;地基雷达立刻开始搜索,一旦捕捉到来袭目标,立即自动跟踪并将目标信息传送给指挥控制系统,指挥控制系统对收到的目标信息进行关联后,对目标进行分配,然后将分配后的目标发给发射控制站,发射控制站接到指令后,立即发射拦截弹;指挥控制系统指挥地基雷达向拦截弹传送适时修正的目标数据,使拦截弹进行飞行修正;稍后安装在“动能杀伤拦截器”与助推火箭之间的级间段的炸药自动引爆,使两者分离并将拦截器送到相应的拦截位置;此时拦截器上的红外寻的器主动寻的飞行,直到与来袭弹头碰撞杀伤。倘若拦截失败,则启动低层的防御系统实施低层拦截。

图2 末段高层反导作战所用武器装备示意图

末段高层反导系统是一个涉及多种武器装备的复杂大系统,从其作战过程可以得到末段高层反导系统作战过程所用的装备[6]:早期预警雷达和预警卫星对发射的 TBM进行探测预警,并将探测得到的TBM信息发送给P波段雷达;P波段雷达继续进行跟踪探测,得到关于TBM更详细的信息,并将该信息传送给X波段雷达;X波段雷达一方面进行补充搜索和跟踪探测,另一方面对TBM进行目标属性识别,同时将结果发给末段高层反导作战指挥控制系统。此外,X波段雷达对发射后的拦截弹进行截获制导,直到TBM弹头与拦截弹遭遇。末段高层反导作战所用的主要武器装备如图2所示。

2.2 末段高层反导作战仿真系统的功能结构

从图2中可以得出末段高层反导作战仿真系统的功能构成。末段高层反导作战仿真系统主要由 5个功能子模块构成,分别是:TBM仿真子模块、拦截弹仿真子模块、指挥控制仿真子模块、探测资源仿真子模块、通信仿真子模块。末段高层反导作战仿真系统的功能结构如图3所示。

图3 末段高层反导作战仿真系统功能结构图

从图3可以看出,每个仿真子模块相互独立,完成各自的任务,并通过通信仿真子模块进行模块间的交互和铰链。这种结构有利于作战仿真系统功能的扩展,即只要增加相应的功能子模块即可。

3 末段高层反导作战仿真系统组件模型构建

3.1 组件结构

根据基于组件的仿真系统的开发步骤,在明确末段高层反导作战仿真系统的功能构成与结构的基础上,对 TBM仿真子模块、拦截弹仿真子模块、指挥控制仿真子模块和通信仿真子模块,作相应的数据流分析,可以获得作战仿真系统所应该建立的组件,最后将末段高层反导作战仿真系统分解为通信组件、雷达组件、TBM弹道生成组件、拦截弹组件、指控关系组件、数据处理组件、数据库组件、显示组件,其与作战仿真系统核心层次的关系如图 4所示。

图4 末段高层反导作战仿真系统组件结构图

由图4可以看出,通信组件主要完成网络通信、时间管理、实时调度,从而构成作战仿真系统的原型和框架,在此基础上与其他组件集成。这几个组件共同存在于作战仿真系统中,并充分地相互作用、铰链和涌现。按照这种组件结构可以将若干功能组件与系统的基本框架组合起来,从而构造出复杂的仿真系统;与此同时,还可以通过增加或减少功能组件以改变作战仿真系统的功能。

在这种组件结构的系统中,组件可以即插即用、无缝集成。因为该体系结构的关键在于一种高效的接口结构,使组件之间能以一个公共的接口互相连接。由于组件间的通信连接数是线性的,加上各组件接口规范的一致性,从而使得通信的复杂度下降,提高了组件的互操作性。

3.2 组件模型

组件模型可以被看作是一种架构风格。它定义了构建块的类型,也就是组件的类型。人们将使用这些类型来创建组件。本文建立如图5所示的功能组件模型。

图5 组件模型示图

图5中各组件模型的功能如下:

1)通信接口。它是其他功能组件与通信组件之间进行数据交换与通信的接口,定义了数据交换的格式、数据量大小等。

2)数据服务。它是指功能组件对收到的数据进行处理的操作,不同的功能组件的数据处理方式不一样,但是数据服务接口一致。

3)业务服务。它用于处理由外部传来的服务请求,面向用户,根据不同服务请求调用不同的具体功能模块进行处理。

4)具体功能。它根据组件的具体设计需求,编码实现相关功能,且其实现过程对用户进行屏蔽。

3.3 功能组件的具体分析

1)通信组件 通信组件是末段高层反导作战仿真系统的基础组件,提供了系统的基本框架。

①功能描述:满足各组件之间的通信需求、数据交互格式的定义、数据交互的大小、数据交互的编码与解码,时间管理机制,实时调度策略等。

②数据服务:在初始化时进行组件配置,输入各功能组件的ID和与之相通信的组件ID、数据交互大小的边界值、数据交互编码与解码方式编号、时间管理机制编号和实时调用策略编号,输出相应功能。

③业务服务:输入组件 ID和与数据交互处理相关的编号、确定输入、取消输入。

④实现方式:通信组件既可以采用 VC++语言实现(将通信组件分为通信服务器和数据转发服务器分别实现)也可以采用第三方软件(如 HLA1.3分布式仿真环境)完成该功能。

2)雷达组件 雷达组件的建立是为了构成探测资源,因此将分析早期预警雷达、P波段雷达和X波段雷达特点的基础上形成雷达组件。在利用组件构成不同的雷达时,对雷达组件进行不同的实例化(如雷达的部署位置、扇面大小、扫描范围、扫描的速度、天线朝向等)。本文以可执行文件的形式实现雷达组件。

①功能描述:模拟实际雷达的搜索截获过程以及数据处理过程。

②数据服务:在程序界面上,根据不同的雷达选择相应的雷达编号,并在初始配置时,配置成相应的雷达。

③业务服务:输入雷达编号,输出经过该雷达处理后的TBM信息。

④实现方式:采用C#实现。

3)TBM弹道生成组件 在末段高层反导作战仿真系统中,TBM弹道生成组件主要用来构造来袭TBM弹道。这里的TBM弹道生成组件是将TBM弹道生成组件编译成动态链接库,在程序运行时调用。

①功能描述:根据不同的想定,模拟相应的来袭TBM弹道。

②数据服务:在使用TBM弹道生成组件时,根据程序读取的想定编号,初始化TBM模拟弹道信息(如发射点、落点、是否携带诱饵、诱饵的数量等)。

③业务服务:输入想定编号,输出根据想定编号得到的不同TBM模拟弹道。

④实现方式:采用 Delphi或 VC++编程语言实现。

4)拦截弹组件 末段高层反导作战仿真系统可以采用不同类型的拦截弹对来袭TBM进行拦截。这些拦截弹的主要区别在于初段程序制导程序不同。在末段高层反导作战仿真系统中,将拦截弹组件以可执行文件的形式实现。

①功能描述:根据不同的作战要求和目的,选择不同的拦截弹。

②数据服务:对输入的初段程序制导模型编号处理,根据编号选择相应的数学模型,进而得到拦截弹弹道。

③业务服务:输入不同的初段程序制导模型编号,输出相应的拦截弹弹道。

④实现方式:采用VC++编程语言实现。

5)指控关系组件 不同的指挥员对战场态势的判断不一样,而且战场态势瞬息万变,不能将指挥控制关系固定在一种模式上,因此需将指挥控制做成一个具备多种模式的组件。在末段高层反导作战仿真系统中,将指控关系组件用动态链接库实现,在程序运行时将动态链接库调入。

①功能描述:根据指挥员对战场态势的判断,选择相应的指控关系(如在预警指挥中心指挥下作战、独立作战、是否与低层相互配合、拦截方式的选择等)。

②数据服务:在程序运行时对选择的指控关系转换成相应的编号,然后按照编号选择相应的模型处理指控关系。

③业务服务:输入指控关系名称,输出指挥控制命令信息。

④实现方式:采用VC++编程语言实现。

6)数据库组件 该组件的建立是为了对仿真系统的数据服务隐瞒具体的数据接口,在不必知道数据库管理系统的细节情况下实现对数据库的操作。在末段高层反导作战仿真系统中,以可执行文件的形式实现数据库组件。

①功能描述:实现对数据库的创建、修改、将仿真数据存入数据库并实现多条件查询。

②数据服务:数据以字符串的形式从数据库中读出,并以此种形式发送到应用程序。

③业务服务:数据库操作(链接、建立、修改、删除等),数据操作(存储、查询、删除、修改等)。

④实现方式:采用VC++编程语言实现。

7)显示组件 显示组件主要显示战场态势情况,根据末段高层反导的不同作战阶段,显示不同的战场态势情况。在末段高层反导作战仿真系统中,以可执行文件的形式实现显示组件。

①功能描述:显示组件从通信组件读取战场信息,并将战场信息更新到界面上。

②数据服务:根据从通信组件获取的实时战场信息,更新界面显示。

③业务服务:读取信息,处理信息。

④实现方式:采用C#实现。

4 结束语

本文在分析末段高层反导系统作战过程、武器配备部署的基础上,研究了基于组件的末段高层反导作战仿真系统的分析与设计方法,并从功能表述、数据服务、业务服务、实现方式等方面对相关组件予以重点分析。基于功能组件的反导作战仿真系统设计将为防空反导作战理论及其战斗力生成模式研究提供强有力的支持,并将为反导作战实验和军事训练提供理论依据,因此具有十分重要的理论和实际意义。

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