基于XMSF的预警探测仿真系统

初 剑，谢燕军

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

目前，世界各军事强国均十分重视预警探测系统的建设，美、俄等军事强国已建立起由海、陆、空、天等手段组成的全方位一体化的预警探测系统，为导弹防御作战及空间攻防作战提供信息支持［1］。我国的预警探测系统尚处于起步阶段，由于体系复杂、各分系统之间的交互紧密等多方面原因，在开展大规模的预警探测系统建设前，需要开发预警探测仿真系统对战略预警体系、关键技术等进行验证与完善。

国内外学者都十分重视预警探测仿真系统的研究:文献［2］中通过构建基于高层体系结构(HLA)的分布式反导预警仿真系统，用于分析反导预警仿真系统中的仿真实体间的交互关系;文献［3］中分析了基于HLA的反导作战仿真系统的对象模型设计;文献［4］中研究了一种HLA/CORBA互联模式，以增强系统的分布交互能力;文献［5］中对导弹防御进行了研究。

在上述研究中，大多采用基于HLA的仿真体系结构来构建仿真系统，但随着仿真应用的逐步深入，HLA本身的缺陷也同时呈现出来，如建立的模型可重用性差、系统可扩展性差、不同厂商的运行支撑环境(Run-Time Infrastructor，RTI)之间交互有限、与一些通用的中间件标准(CORBA、DDS等)脱节。针对HLA在应用领域的以上缺陷，美军发起了可扩展建模与仿真框架(Extensible Modeling and Simulation Framework，XMSF)项目，尝试利用Web技术实现作战建模与仿真的通用框架，以提高各仿真应用在高度分布的网络上的互操作，支持模型组件组合和重用。

为有效利用Web技术，本文研究了基于XMSF的预警探测仿真系统，讨论了XMSF对仿真系统的扩充方法，介绍了仿真系统的组成、软件体系结构、仿真模型设计等方面的内容。

1 可扩展建模与仿真框架

XMSF是为建模与仿真定义的一组基于Web的标准、描述和实践指南的集合［6］。同时，XMSF也是针对具体技术解决方案的一组标准。实现XMSF的关键技术来自以下四个核心领域:Web/XML、Internet/网络、建模与仿真、仿真组件与作战系统集成。各技术领域之间并没有严格的划分界限。

XMSF的提出并不是用来取代HLA的，而是针对HLA的不足，进行扩展与补充。在文献［6-7］中介绍了多种利用Web技术对HLA进行扩展的方法，但总体来说，都集中在以下两个方面:

1)利用桥接代理进行扩展，在HLA联邦中增加代理成员，代理成员与其他应用之间通过Web进行通信连接，该方法思路简洁，但针对不同的系统，需定制相应的传输消息的XML格式;

2)利用Web服务对联邦运行支撑环境RTI进行改造，该方法不但支持HLA提供的状态共享、时间管理、同步等服务，也支持跨平台及广域通信。

比较而言，前者的应用结构相对简单，后者比前者更具有灵活性及使用性，但对现有HLA系统的改动大。

2 预警探测仿真系统组成

预警探测仿真系统主要目的是为战略预警体系、关键技术研究、模拟训练等提供验证的平台。通过对仿真系统的不断建设与完善，来支持对预警探测系统的研究。该仿真系统应包含以下功能模块:作战实体的仿真，想定编辑功能，导演控制功能、录取、回放及评定功能，仿真数据库。

1)作战实体的仿真

需要仿真的作战实体主要包括预警探测系统及相关辅助实体组成。预警探测系统主要包含天基传感器、地基传感器、海基传感器、空基传感器、情报处理中心、指挥控制中心等;辅助实体包含各型号的飞机、导弹、舰船、巡航导弹等探测目标，自然环境、电磁环境等战场环境以及武器系统。仿真系统需支持后续新型号装备的仿真。

2)想定编辑功能

想定编辑主要是描述各作战实体及其相应位置、活动路线等信息。

在预警探测仿真系统中，想定编辑的内容如下:红蓝双方的设定、作战环境的设定、传感器等作战装备的设定、探测目标的运动特征设定等。仿真总控人员可根据不同的作战想定要求，利用想定编辑功能编辑相应的想定，供各仿真分系统使用。

3)导演控制功能

作为仿真的调控方，导演控制管理与监控着整个仿真过程的运行。在仿真准备阶段负责想定的分发、部署作战实体到相关席位;在仿真运行阶段，负责仿真运行控制、作战实体模型之间的数据交互控制、仿真时间控制;在仿真结束阶段，负责仿真数据的入库，结束各仿真系统的运行。同时，在仿真过程中可根据需要对战场态势进行调整，如探测目标的航线、发射导弹等。

4)录取、回放及评定功能

录取、回放及评定功能是仿真系统的重要组成部分。它的主要功能包括录取仿真过程中产生和接收的各种数据，并保存到指定数据库中;能够在仿真结束后对仿真过程进行回放，可对回放过程进行控制;能够结合产生的数据，利用专业的评估体系及指标数学模型对仿真过程进行评估，可根据评估结果对想定部署等进行优化处理。

5)仿真数据库

仿真数据库主要实现对资源的有效存储和管理，包括想定数据库、装备性能数据库、仿真模型库、回放数据库、二维和三维军标库等。

3 系统设计分析

为实现预警探测系统的以上功能，同时利用现有的Web技术，本文提出了基于XMSF的预警探测仿真系统，其功能框架图如图1所示。

图1 基于XMSF的预警探测仿真系统功能框架图

通常XMSF多应用于广域网上对数据交互性能要求不高的分布式系统［8］，因而在设计中，将数据交互性能要求高的仿真成员如目标类仿真、传感器类仿真、武器类仿真、导演控制等置于基于数据分发服务(DDS)的运行框架范围内;通过桥接代理，获取运行框架内的数据，以供Web服务器端发布数据使用;各评估分析、态势显示等作为Web客户端程序，结合本地的评估模型、态势显示模型，服务器端提供数据发布服务，以实现对仿真过程的分析与显示。下文中将重点分析仿真模型设计、基于DDS的运行支撑框架、桥接代理、基于Web服务的扩展等方面的设计。

3.1 仿真模型设计

在预警探测仿真系统中，需建立的预警装备、战场环境、评估分析等模型的种类众多，模型之间的关系比较复杂，为解决模型的可重用与可组合，采用组件化技术对模型进行建模。通过选择不同的组件组合，以形成满足用户需要的模型。

在设计的系统中，需要开发的组件模型类型包含平台组件、装备组件、行为组件、指标分析组件等。其中，平台组件模型模拟了作战实体的基本工作流程，约束了作战实体的物理组成结构，规定了实体可具备的目标属性包括作战飞机平台、舰船平台、卫星平台、导弹平台、雷达站平台等;装备组件模拟了各类装备的固有物理属性和作战能力，包括机动组件、通信组件、干扰组件、武器组件、传感器组件等;行为组件模拟了作战实体在作战过程中的认知行为，包括战术任务组件、战术规则组件等;指标分析组件模型包含了多种预警探测评估指标，如覆盖系数、重叠系数等。

通过上述模型的组件化设计，组合不同的组件并配置相应的战技指标，可形成预警探测仿真系统中所需要的各类模型，如远程预警相控阵雷达模型、多功能地基雷达模型、天波超视距雷达模型、红外预警卫星模型、预警机模型、弹道导弹模型等。具体来说，预警机模型可由预警机平台组件、预警机机动组件、传感器组件、通信组件、行为组件等组合，并配置型号预警机的战技参数。

3.2 基于DDS的运行支撑框架

由于HLA支持实时仿真的效果不好，本文提出了基于DDS的运行支撑框架，该运行支撑框架可对仿真成员间数据交互、时间推进等进行控制。仿真成员之间通过订阅与发布机制交互信息。

3.3 桥接代理

桥接代理的主要作用是加入到DDS运行支撑框架中，获取并解析需要的数据，导入到Web服务器中。主要含有以下两个方面功能:

1)数据采集

根据仿真的需求，可选择需要订购的信息类型，利用该信息对桥接代理进行初始化工作;在仿真过程中，桥接代理会根据选择订购的信息类型收集相应的数据信息。

2)数据解析

对收集的数据信息进行解析，并以需要的格式传送到Web服务器中。

针对不同的仿真系统可配置多个桥接成员进行数据的采集与解析。

3.4 基于Web服务的扩展

在本文设计的预警探测仿真系统中，利用Web服务对预警探测仿真系统进行了扩展，使得用户可以通过Web服务的方式在远程异地调用所需的功能。Web服务的发布采用B/S结构，含Web客户端和Web服务器端两部分。

在预警探测仿真系统中，Web客户端应用程序含评估分析、态势显示等。客户端应用程序为浏览器界面，可分布在Internet上。用户可通过浏览器界面从Web服务器端调用相应的服务组件和数据。

Web服务器端主要提供地图组件、数据发布器等，各模块之间相互协调提供服务。在地图组件中含有基础战场信息;数据发布器用于从数据库中获取数据，并构建数据服务，为客户端提供数据支持。如评估分析席位，利用本席位上评估分析模型调用相应的数据服务来对仿真结果进行分析。态势显示席位利用本地的军标库、三维模型库等调用基础地图信息服务及态势数据服务产生二维和三维的场景。

4 结束语

本文提出了基于XMSF的预警探测仿真系统，分析了系统的组成及系统实现中的关键技术。通过上文的研究可得出以下结论:基于XMSF的预警探测仿真系统可以实现跨地域的仿真，是今后预警探测系统仿真发展的方向;后续可进一步扩展到预警探测的各系统之间的联合模拟训练等应用。

［1］ 梁 剑.预警探测系统及其雷达技术研究综述［J］.现代雷达，2009，31(5):11-14.Liang Jian.A review of early warning surveillance systems and their radar technology［J］.Modern Radar，2009，31(5):11-14.

［2］ 尹康银，杨兆民，杨吉明，等.一种基于HLA的反导预警系统仿真研究［J］.空军预警学院学报，2013，27(5):366-369.Yin Kangyin，Yang Zhaomin，Yang Jiming，et al.Research and simulation of anti-missile early warning system based on HLA［J］.Journal of Air Force Radar Academy，2013，27(5):366-369.

［3］ 陈烺中，李为民，周 燕.HLA的天基信息支援下反导作战仿真系统OM设计［J］.火力与指挥控制，2007，32(5):31-33，36.Chen Langzhong，Li Weiming，Zhou Yan，Design of object model of ATBM simulation system under the satellite support based on HLA［J］.Fire Control and Command Control，2007，32(5):31-33，36.

［4］ 王 琰，蒋 旭，刘正堂.某预警雷达对抗推演系统设计与实现［J］.现代电子技术，2013，36(17):23-26.Wang Yan，Jiang Xu，Liu Zhengtang.Design and development of war-gaming system for early-warning radar countermeasure［J］.Modern Electronics Technique，2013，36(17):23-26.

［5］ 王爱华，刘 仁，郭桂志.基于HLA的防空反导作战仿真系统研究［J］.微计算机信息，2009，25(6):197-199.Wang Aihua，Liu Ren ，Guo Guizhi.Research missile defence and air defense simulation system based on HLA［J］.Microcomputer Information，2009，25(6):197-199.

［6］ 何德宇，张仁波.基于XMSF的作战仿真模型集成设计［J］. 兵工自动化，2013，32(5):28-30，35.He Deyu，Zhang Renbo.Integrating design of operation simulation models based on XMSF［J］.Ordnance Industry Automation，2013，32(5):28-30，35.

［7］ 马良荔，刘桂峰，孙煜飞，等.基于XMSF的舰船全数字仿真系统架构设计［J］.计算机与数字工程，2013，41(3):488-491，507.Ma Liangli，Liu Guifeng，Sun Yufei，et al.Framework design of ship full digital simulation system based on XMSF［J］.Computer＆ Digital Engineering，2013，41(3):488-491，507.

［8］ 钟 蔚，龚建兴，郝建国，等.Web Enabling HLA:XMSF下Web-RTI的研究与开发［J］.系统仿真学报，2009，21(18):5749-5753.Zhong Wei，Gong Jianxing，Hao Jianguo，et al.Web Enabling HLA:research and developing of Web-RTI on XMSF［J］.Journal of System Simulation，2009，21(18):5749-5753.