HLA框架构建空战导弹武器作战效能设计*

王征，朱冰，余瑞星

(1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安　710065; 2.西北工业大学 航天学院，陕西 西安　710072)



HLA框架构建空战导弹武器作战效能设计*

王征1，朱冰1，余瑞星2

(1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安710065; 2.西北工业大学 航天学院，陕西 西安710072)

摘要：武器系统作战效能是指在攻防对抗的战场环境下完成规定任务的能力，武器系统的效能是研制、使用该系统所追求的总目标。为获得空战导弹武器作战效能，避免传统主观评价带来的缺陷，设计了采用仿真方法评价空战导弹武器作战效能的架构。设计了基于HLA(high level architecture)的空战仿真框架和组成模块，对HLA的盟员进行了开发，规划了接口，提出了能够保证仿真实时性的整体方案。

关键词：仿真；高级体系结构；作战效能；软件

0引言

武器系统作战效能反映了武器系统最本质的特征，是评价武器系统优劣最重要的综合性指标，是武器装备作战对抗的动力和判断胜负的主要依据[1]。随着武器种类不断增加，战场环境日新月异，单凭军事专家的经验和直觉对武器系统进行效能评估已无法适应现代化战争，客观、快捷、有效的评估方法成为发展的必然需要[2-3]。数字仿真可以将模型动态地展示出来，根据数学模型进行推演能极大地模拟现场环境，从而在各种对抗环境下计算作战效能，且极大地降低成本。而HLA(high level architecture)作为新一代仿真架构标准，为仿真的构建、重用、扩展，分布交互打下了良好的基础，基于HLA构架可以运用其仿真架构优势，对武器效能更好地评估。

1空战实体模块

空战分为超视距、视距空战2部分。当机载或指挥机雷达开始搜索目标后，敌我态势显示在平视显示器上，雷达截获目标后，转入自动跟踪，驾驶员作出有利于己方的机动并发射导弹。还要进行视距空战——使用近距格斗弹在光电雷达、火控系统下的格斗。所以需要研究导弹飞机的运动模型、雷达模型。完整的空战模型如图1所示[4-6]。

图1　空战仿真模型Fig.1　Air combat simulation model

1.1空空弹模块

空空弹按照发射方式有前置、后置、大离轴甚至越肩发射；按距离分为近程、中程、远程；按照控制方式有普通的气动力、推力矢量乃至直接力控制；按导引律不同有古典导引律、新型导引律等；同样是气动力控制，也有侧滑转弯、倾斜转弯等。需要对不同种类建模六自由度全量的非线性运动方程[7]，为解决奇点问题采用四元素法，对导弹控制系统建模包括相同的俯仰、偏航通道以及滚动通道。

1.2飞机模块

飞机与导弹不同：导弹具有导引大回路，其舵偏等控制指令由导引头输出的信号经弹载计算机算出；而飞机的操纵面需要经由驾驶员通过控制杆输入，并且在飞机控制系统作用下偏转。飞机的仿真模型由飞机本体的动力学[8]、飞行控制系统2个子系统组成，如图2。

图2　飞机模型Fig.2　Plane model

驾驶员指令信号与系统反馈信号经过飞行控制系统模型的解算得到操纵面偏角；操纵面偏角信号在经过飞机本体动力学方程解算后得到飞机本体所受的外力与力矩；这些力与力矩经飞机本体运动学方程的解算后得到飞机的各种响应，如ωz，ny，α，β等。

1.3雷达模块

空战采用雷达等探测系统来搜索、跟踪目标，提供目标距离和方位等信息[4-5]。光电雷达属于无源探测，抗干扰能力强，能从较远的距离发现、识别目标。而机载雷达空战时更要根据雷达不同作模式特点及作战态势情况使用——状态分为搜索状态、截获状态、跟踪状态。雷达扫描的空间角度区域不同，则搜索的周期也不同。搜索状态和截获状态属于大区扫描，周期为T1较大；跟踪状态为小区扫描，周期为T2较小。雷达一开始处于搜索状态，当搜索到目标并且不丢失就可以转化为截获状态，然后飞行员可以手动将雷达“聚焦”，实现小区扫描的跟踪状态，在这个状态下雷达可以观察到的目标距离反而更远。如果丢失了目标，但在极限时间内又找回目标，那么认为目标没有发生丢失，否则回到搜索状态。雷达搜索模型如图3所示。

2火控计算模块

包括空战态势评估、威胁评估和排序、目标分配和火力分配、空空导弹可攻击区。

2.1目标威胁排序与目标分配模块

威胁评估是为了评估出敌机对我机的威胁程度。一般来说，空战中的威胁指数算法按照典型的图4所示模型来计算。

上述各个威胁因子的取值都是0～1，这时选取适当的权系数，总的目标威胁度可以计算为它们的加权和。在得到威胁度后，目标排序的过程如图5所示。

图3　雷达搜索模型Fig.3　Radar search model

图4　空战威胁指标Fig.4　Air combat threat index

图5　空战排序Fig.5　Air combat sorting

2.2可攻击区计算模块

导弹可攻击区一般有发射包线和捕获区2种描述方式。发射包线指目标周围，能在一定攻击条件下以某种概率命中目标的载机初始位置范围。杀伤区指载机周围，导弹可以在一定条件下以某种概率命中目标的目标初始位置范围。对于该区域，通过仿真计算后拟合得到[9]。

计算时物理模型假设条件：①认为目标和导弹在同一高度的同一平面内；②导弹和目标的运动均为质点运动，作用在导弹上的力为推力、阻力、侧力；③目标的各种机动都可以看成一系列不同初始条件下、不同过载机动的组合，故仿真中只研究目标为某初始条件采用固定过载机动的情况；④忽略控制系统惯性及弹体姿态变化的惯性，忽律各种随机干扰。

仿真限制条件：①导引头工作距离，截获目标的距离；②弹上能源工作时间限制最大制导时间；③引信需要的导弹最小相对速度限制，引信需要的最大相对速度限制；④导引头视角范围限制；⑤引信解除保险时间限制；⑥导引头转动角速度，目标线移动角速度限制；⑦导弹发射时的初始离轴角限制；⑧导弹的需用过载不能大于可用过载；⑨导弹其他性能参数的限制：如进入有控飞行的时间、主动段完成进入被动断的时间等；⑩BTT、推力矢量控制导弹等所具有的特殊限制条件等。杀伤区计算流程如图6所示。

图6　攻击区仿真流程图Fig.6　Fighter engagement zone calculating

3末端效能模块

导弹对目标的毁伤，是近炸引信作用下，飞散出战斗部实现毁伤[10-12]。末端的高速相对运动使得可以忽略导弹制导回路，看成相对匀速直线的运动，而作战效能取决于引信与战斗部配合，具体因素有：导弹与目标相遇条件、环境条件、目标特性、战斗部类型与参数和引信参数。该模块采用蒙特卡罗方法计算。其计算流程如图7所示。

图7　蒙特卡罗杀末端效能计算流程Fig.7　Monte Carlo kill terminal efficiency calculation process

主要包括：引信启动区模块、引信启动概率模块、破片的飞散特性模块、目标命中的破片数模块、单破片杀伤概率模块、坐标杀伤规律模块。

4HLA仿真架构

HLA主要目的是促进仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性。HLA的本质目的是促进仿真互操作性、代码重用性、分布交互的实现[13-15]。

4.1基于HLA仿真的开发

可以描述为下列的行为——按照HLA的10条规则，根据模型模板(OMT)建立联邦对象模型(FOM)，HLA仿真的对象模型(SOM)(或是依据已有的FOM，SOM通过修改或直接应用，正好体现了仿真的重用)，仿真过程中，调用接口规范的API，即调用HLA里由RTI提供的各种服务[16-17]。系统组成如图8所示。

图8　系统组成Fig.8　System composition

(1) 首先定义枚举类型Plane_damage,表示飞机毁伤的不同程度。

(2) 定义运动学参数的复杂数据类型，能够保存飞行器的位置、速度以及姿态信息。

(3) 仿真对象模型SOM的设计。仿真系统中可以看出一共有9个联邦成员，两方的雷达、飞机和导弹盟员各自拥有一个雷达类Radar、飞机类Plane、导弹类Missile的一个实例，负责其属性的更新；时间总控盟员拥有一个时间的实例；三维显示盟员和数据记录盟员不含有任何对象类实例，但要求订阅相应的对象属性。

SOM的发布/订阅关系：飞机盟员发布飞机实例的属性，订阅飞机、导弹类和雷达类、时间类的全部属性，订阅开火类、爆炸类；导弹盟员发布导弹实例的属性，订阅飞机类；雷达盟员拥有雷达实例，负责其属性的更新，并且订阅飞机类、导弹类的所有属性；时间总控盟员拥有时间类实例，发布其属性，不订阅任何其他对象类属性或者交互；三维显示、数据记录盟员订阅所有对象的属性，不发布任何对象实例。

(4) FOM中的对象类和交互类分析，FOM通过合并综合SOM形成。

对象、交互类层次关系及属性如表1所示。

表1　对象、交互类层次关系及属性

4.2接口规范

(1) 联邦管理服务

HLA 联邦管理服务主要是指对一个联邦执行的创建、动态控制、修改和删除、存储和恢复、同步等。

(2) 联邦对象管理服务

实现对象实例的注册与发现、属性值的更新与反射、交互实例的发送与接收以及对象实例的删除与移去等功能。仿真开始，飞机雷达及时间控制盟员向RTI注册对象实例并负责属性更新。雷达盟员“发现敌机”，由雷达盟员向RTI公布导弹对象类，并注册导弹实例。

(3) 所有权管理服务

当雷达盟员注册了导弹实例后，雷达盟员自动获得了导弹实例的属性所有权，这时要将它的所有权转交到导弹盟员手中，由导弹盟员负责其属性的更新，计算它的位置、姿态等。当导弹实例爆炸后需要删除时，导弹盟员需要放弃导弹实例属性所有权，进一步进行删除。

(4) 其他管理服务

考虑到仿真并不复杂，不采用数据分发管理。

(5) 时间管理

在HLA中时间的管理是很重要[18-20]。为了实现同步机制，采用硬件成本太大，采用软件RTI计算要花费大量时间判断、计算，即使网络条件良好、计算机计算也没延迟，整个联邦也会因为RTI的时间消耗跟不上真实时间。为了实现人在回路的空战仿真，设立一个总控时间盟员，只发出时间消息，来进行控制，由于它到其他盟员具有同样延迟，那么其他盟员可以看成相互间同步。

5系统开发与实验

MAK是MAK TECH公司生产的最新作战仿真开发平台[21]，包括VR-Link，RTI，VR-Forces，Stealth，Data Logger 等主要模块，实现了如计算机兵力生成、红蓝对抗、战场环境二维态势显示，三维战场环境显示、仿真过程记录和回放，是目前CGF 领域最好的软件之一。它为分布式交互仿真从HLA/DIS底层开发到高层应用提供了一系列的解决方案，在分布式仿真应用中取得了明显的优势和效益。

仿真的开发采用C++为语言，利用软件API的方式，对软件提供的DLL等进行二次开发设计，充分利用其HLA机制，减小了开发的风险和难度。开发中，遵从模型设计规范，同时对于时间管理部分，利用时间总控来发出消息，收到后进行tick推进，与此同时利用Stealth模块实现显示盟员的功能，在网络负担较小的情况下，达到了良好的效果，大部分模块时间计算特性不会太长，仿真结束即停止。

但对于末端效能模块，由于需要反复循环计算计算量大，所以在仿真前段结束后，需要专门进行数据处理。在该段处理过程中，面对不同的弹体参数下，获得不同的杀伤概率结果。如图9，10所示，通过仿真，获得了相同的交互参数，再通过设置不同的弹体参数，分析得到了末端效能与相关参数的关系。

图9　杀伤概率和引信延迟时间关系Fig.9　Relationship of kill probability and fuze delay time

图10　杀伤概率和引信起爆角关系Fig.10　Relationship of damage probability　　　and fuze initiation angle

6结束语

本文本文利用MAK开发基于HLA的仿真，实现了仿真的可视化、分布化，发挥了HLA的极大重用性、极强的融合性等有利因素。同时应用于效能分析计算方面，把人的因素考虑进入效能中，利用人在回路仿真实现了战斗的“真实化”，并且利用良好的末端计算模块，获得了不同导弹参数跟末端效能的关系，为武器系统的设计、分析提供了良好的平台。

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Platform Design of Air Missile Weapon Effectiveness Using HLA Frame

WANG Zheng1,ZHU Bing1,YU Rui-xing2

(1.Xi′an Shiyou University, Institute of Electronic Engineering，Shaanxi Xi’an 710065，China;

2.Northwestern Polytechnical University, Department of College of Astronautics,Shaanxi Xi’an 710072，China)

Abstract:The weapon system effectiveness refers to the capacity of finishing its stipulated task under the battlefield including attack-defense environment. It is the overall goal for developing and using weapon system. To evaluate the air combat missile weapon system effectiveness and avoiding the defect of traditional subjective evaluation method, a simulation method is used to design a platform under the architecture of HLA (high level architecture). Air combat simulation is designed based on HLA frame and composition module is developed. HLA leaguers are designed and programming interface is planned to ensure that the overall scheme has real-time feature.

Key words:simulation; high level architecture(HLA); operational effectiveness; software

中图分类号：TJ76；N945

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-01-0018-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.004

通信地址：710065陕西西安石油大学电子二路电子工程学院E-mail：satellite_orbit210@163.com

作者简介：王征(1982-)，男，河北霸州人。讲师，博士，研究方向为导航制导与控制，仿真技术。

收稿日期：2013-09-21；
修回日期：2014-03-03