基于SOA的远程预警仿真系统的研究与实现*

方 韬，彭冬亮，吕鹏飞，谷 雨

（通信信息传输与融合技术国防重点学科实验室，杭州 310018）

基于SOA的远程预警仿真系统的研究与实现*

方 韬，彭冬亮，吕鹏飞，谷 雨

（通信信息传输与融合技术国防重点学科实验室，杭州 310018）

远程预警系统是由多平台多传感器组成的复杂系统，是国土防空体系的重要组成部分。在对预警系统预警过程进行分析的基础上，基于面向服务的体系结构进行仿真系统框架设计，将系统功能抽象为服务实现系统重用性和可扩展性。采用Windows Communication Foundation（WCF）进行面向服务编程，初步实现了远程预警仿真系统的部分功能，通过调用信息融合算法，综合利用各类传感器资源探测信息实现对目标的探测与跟踪任务。测试结果验证了仿真系统及相关融合算法的有效性。

远程预警，面向服务的体系结构，系统仿真，信息融合

0 引言

隐身飞机、导弹编队及各国近期积极研究的高超声速飞行器［1-2］等都具有强机动性、高突防能力、拦截概率小等特点，对现有防空反导系统构成了严峻的挑战。针对这类特殊目标，需要采用多平台多传感器组成的远程预警系统进行前期探测才有可能为后期拦截提供条件，因此，针对特殊目标对远程预警系统进行仿真十分必要。

高层体系结构（High Level Architecture，HLA）综合了分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）和聚合级仿真协议（Aggregate Level Simulation Protocol，ALSP）的优点，提高了仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性，是当前军事仿真中应用最广泛的体系架构，但在网络动态分享、自治、容错以及应用程序安全机制方面还存在不足［3-4］。面向服务的体系结构（Service Oriented Architecture，SOA）是分布式软件系统构造方法和环境发展的一个新阶段，它以“业务和信息技术相匹配”、“保持灵活性”和“松散耦合”为3大原则，以“服务”为中心，保持异构系统互联运行和编程语言的透明性，构建出面向服务的计算环境接口［5］。基于SOA的思想建立的仿真系统能够满足系统重用性、可组合性以及互操作性的要求。

国内外很多学者对基于SOA的仿真系统进行了研究。其中，文献［6］结合信息融合系统建设面临的问题，提出了一个基于SOA的信息融合系统的技术体系结构模型，对采用SOA进行信息融合仿真系统设计具有一定的指导意义。文献［7］利用SOA架构建立了3D可视化情报监视侦查系统，并对系统的框架结构以及数据流向进行了详细分析。文献［8］基于军事电子信息系统仿真应用的需求和特点，提出并分析了基于SOA的军事仿真系统架构模型，同时对基于SOA的仿真系统开发过程进行了很好的概括，对基于SOA进行仿真系统设计开发有一定参考价值。

本文在对远程预警系统预警过程进行分析的基础上，基于SOA进行系统框架设计，使用WindowsCommunication Foundation（WCF）技术实现了该仿真系统的部分功能，并通过算法测试验证采用SOA进行远程预警系统设计的有效性。

1 基于SOA的远程预警仿真系统体系结构

1.1 远程预警过程分析

以高超声速目标为例，对其进行远程预警的过程如图1所示。为达到远程预警目的，需要综合利用天基预警卫星、空基预警飞机和地基预警雷达等进行前期预警探测，探测数据经过融合后提供给跟踪卫星等并最终控制武器系统实施拦截。

图1 远程预警系统预警过程

1.2 基于SOA的系统体系结构

SOA的核心是服务，其基本思想是构建一个松散耦合的系统，在这个系统中，服务使用者和服务提供者唯一共同拥有的是—公开的服务操作列表和参数的结构定义。基于这种架构，服务的使用者不需要知道服务提供者内部的具体信息，只需要生成代理并通过代理根据公共服务列表给定的调用规则调用相关服务，实现“即插即用”的机制，SOA的概念模型如图2所示。基于SOA的技术特点，多平台多传感器远程预警系统基于SOA开发能够更好得实现系统重用性、扩展性和兼容性。

图2 SOA的概念模型

根据本文目的及仿真需求，系统由目标仿真模块、传感器模拟模块、融合中心模块、传感器管理模块、效果评估模块以及仿真管理模块等组成。为达到系统重用性和扩展性要求，将系统功能抽象为目标仿真服务、预警系统传感器模拟服务、信息融合服务、传感器管理服务、效果评估服务、仿真管理服务以及其他服务。服务一方面供相应功能仿真模块调用，进行参数配置以及界面显示；另一方面，各功能仿真模块将调用相关的服务完成业务逻辑设计。图3是利用SOA架构设计的远程预警系统的结构模型。

图3 基于SOA的系统体系结构

2 远程预警系统各服务设计与实现

根据上一节分析，本节将介绍各服务的功能、特点及实现过程。

2.1 目标仿真服务

目标仿真服务主要针对高超声速目标、隐身飞机以及导弹编队等特殊目标进行仿真，根据各类目标的运动特性或弹道特性模拟目标的运动过程或弹道［1-2，9］。本服务需要提供目标类型选择接口、目标类型等属性供目标功能仿真模块调用。同时，作为数据产生端，为传感器模拟模块提供目标的位置、姿态目标散射截面积分布（RCS）以及红外尾焰强度等物理参数信息，推动整个仿真向前推进。

2.2 预警系统传感器功能模拟

远程预警系统包括各类雷达、预警卫星系统、预警飞机等。远程预警系统包括各类雷达、预警卫星系统、预警飞机等。各类传感器根据与目标的相对位姿、RCS、红外火焰强度等信息，计算各自探测概率并给出探测得到的目标信息，下面分别对各类传感器进行说明。

2.2.1 红外探测仿真服务

红外探测仿真服务主要模拟红外预警卫星通过红外探测器接收到的目标红外尾焰强度，计算出目标的方位角与俯仰角，然后通过最大探测距离、视场等几何关系判断及探测概率比较来综合判定来袭目标是否被发现的过程［9］。

探测最大距离的简化公式如式（1）所示：

对目标的探测概率可用式（2）进行计算

本文根据文献［10］中提供的某型红外系统参数进行计算得到目标探测概率，并与探测门限进行比较来判断是否探测到目标。

2.2.2 预警飞机仿真服务

预警飞机由于其独有的机动预警及受地球曲率和地形限制小等特点，是远程预警系统中至关重要的组成部分［11］，预警机能提供目标距离以及方位角与俯仰角信息。以某型预警机为例，假设预警机巡航速度为780 km/h，巡航高度为9 km，假定以目标起点为圆心、半径为500 km的大圆上巡逻飞行。预警机机载雷达的最大探测距离为500 km。假设其探测概率Pr与目标相对位置r的关系如式（3）所示，在系统运行过程中，每一时刻都可以实时计算探测概率，通过设置门限值判断是否能够探测到目标。

2.2.3 雷达功能仿真服务

针对雷达仿真有很多文献［9，12］给出了功能仿真流程，文献［12］进行雷达功能模拟。

2.3 信息融合服务

本服务尝试构建一个融合算法库，融合中心模块调用该算法库中的算法对各类传感器探测到的信息进行各级融合。该服务还需提供算法选择接口，用户可根据需求通过用户界面选择融合算法。同时，根据系统效果评估产生的评估信息对所使用的融合算法进行动态调整优化，实现反馈融合。

由于异类传感器采样速率不同，为实现异类传感器数据融合达到信息互补目的，本文采用数据压缩方式进行时间同步［13］，量测融合后的信息使用扩展卡尔曼算法进行滤波跟踪，雷达与红外数据压缩滤波处理流程如图4所示。

图4 雷达与红外数据压缩滤波示意图

2.4 传感器管理服务

传感器管理服务为仿真提供传感器管理算法接口，为实现系统高效探测与跟踪需要研究预警卫星的资源调度算法，各传感器的指示交接算法等。

2.5 效果评估服务

远程预警仿真系统的主要功能是测试相关融合算法和传感器管理算法的有效性，仿真系统的有效性直接影响到仿真系统是否能够顺利实现该目标，因此，有必要对其效果进行评估。效果评估分为效能评估（Measure of Effectiveness，MOE）和性能评估（Measure of Performance，MOP），本文采用文献［14-15］所给出的部分能够满足本仿真系统评估需求的指标建立了初级的指标体系。由于本系统是一个分布式系统，对网络服务有一定性能要求，因此，有必要对网络性能进行评估［16］。本文建立的指标体系如下页图5所示。

2.6 仿真管理服务

图5 预警系统评估指标

如图6所示，仿真管理服务主要是对整个仿真过程进行管理，包括对仿真时间的管理。由于分布式仿真存在时间推进机制的异构性，即各子模块有各自内部的时间推进机制，但彼此之间又必须协调，因此建立统一的时间管理机制是进行分布式仿真的关键步骤。参照HLA的时间管理机制，本仿真系统采用“可靠传递方法+时间戳顺序”的时间推进机制［17-18］实现各服务之间的协同以及仿真系统的运行。建立的仿真管理与时间管理结构模型如图6所示。

图6 仿真管理与时间管理结构模型

3 系统运行结果分析

本仿真系统采用WCF进行开发，建立的基于SOA的远程预警仿真系统软件界面图如图7所示。目前根据框架设计完成了目标仿真服务、融合中心服务、仿真管理服务、雷达仿真服务、预警飞机仿真服务以及红外探测仿服务中的部分功能，并为需要进行参数设置或结果显示的模块添加了仿真界面，通过对界面操作能够实现属性设置以及服务参数配置。

仿真场景如下：敌方目标为高超声速目标，从目标的3个阶段进行模拟：在助推段，目标采用机载发射方式，载机在10 km高度速度为0.8马赫时发射目标，目标此刻以匀加速（ConstantAcceleration，CA）模型更新状态，直至高度达到30 km，加速度约为102.1904m2/s；在目标动力飞行段，目标采用匀速（Constant Velocity，CV）模型进行更新，速度保持6马赫，高度保持在30 km，运行时间在600 s左右达到1 224 km的射程；在无动力飞行段目标依然采用CA模型更新，目标高度从30 km下降到10 km，速度下降到4马赫，加速度为-42.35m2/s。我方有预警雷达，红外卫星和预警飞机3类探测器探测。其中，雷达天线增益为0.8 dB，平均发射功率为360 kw，雷达综合损耗13 dB，检测门限值u为0.75；红外探测卫星工作波段为8μm~12μm，水平视场为0.15708 rad，垂直视场为0.117 8 rad，通光孔径为125mm；预警飞机巡航速度780 km/h，巡航高度9 km，预警飞机机载雷达最大探测距离为500 km。各传感器探测目标时间段如图8所示。仿真系统在进行时间同步的基础上采用EKF算法进行跟踪，航迹精度如图9所示。

图7 远程预警仿真系统软件界面

图8 传感器探测时间

上述仿真结果说明：①仿真系统能够进行交互，初步完成系统数据处理功能；②本仿真系统基于SOA架构的框架设计具有可行性和有效性。后续工作将集中于效果评估和传感器管理的研究上，将本系统构建成数据交互通畅、结构合理且融合与管理功能完善的远程预警仿真系统。

图9 融合滤波航迹精度

4 结论

本文针对远程预警系统基于SOA进行了框架设计，并重点说明了主要服务的功能和实现流程。最后采用.Net Framework 4.0提供的WCF进行软件开发，实现了仿真系统的部分功能并通过算法调用验证了基于SOA设计的分布式软件框架的可行性。由于采用SOA进行设计，本仿真系统具有良好的重用性和可扩展性。

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Research and Realization of Distant EarlyW arning System Simulation Based on ServiceOriented Architecture

FANGTao，PENGDong-liang，Lü Peng-fei，GUYu
（Fundamental Science on Communication Information Transmission and Fusion Technology Laboratory，Hangzhou 310018，China）

Distant early warning system（DEWS），which consists ofmultiple platforms andmultiple sensors，is an important component of territory air defense system.The architecture of the simulation system based on Service Oriented Architecture （SOA）is presented through analyzing the process of early warning，and the system functionalmodels are abstracted as service to achieve strong reusability and expandability.Windows Communication Foundation （WCF） is adopted for service oriented programming，and the partial functions of DEWS are implemented.By designing appropriate fusion algorithms，target detection and tracking tasks are realized using multiple sensors information comprehensively.The effectiveness of the simulation system and related fusion algorithms are demonstrated.

distantearlywarning，SOA，system simulation，information fusion

TP311.5

A

1002-0640（2015）11-0106-05

2014-10-15

2014-11-07

国家重点基础研究发展计划基金（2012CB821200）；国家自然科学基金资助项目（61174024）

方 韬（1990- ），男，安徽宣城人，硕士研究生。研究方向：信息融合及仿真系统构建。