虚实结合的综合电子信息系统试验技术研究

陈 勇，刘炳磊，李 宁

(中国舰船研究院，北京100192)

0 引 言

在国内，目前仿真应用研究主要集中在综合电子信息系统装备的论证和设计分析阶段，但随着系统装备全寿命管理的需要，以及综合电子信息系统装备体系的逐步建立和战场环境仿真技术的逐步成熟，已越来越需要仿真系统与实兵实装系统实施信息交互，为系统综合集成、测试评估、模拟训练等提供支撑环境和工具。为了更好满足试验对多类型、多批、多架次兵力的需要，针对可参试兵力资源类型和数量无法满足试验需求的情况，需研究虚实兵力混合试验技术进行试验真实兵力补充，以保证在投入最小规模兵力条件下实现试验效益的最大化。因此，大规模开展实装兵力与虚拟兵力混合试验技术研究将成为仿真测试领域的一个趋势。

1 虚实兵力混合试验技术体系

虚实兵力混合试验研究的技术体系应如图1 所示。包括技术基础支撑层，共性支撑层和应用层。其中，基础技术支撑层主要是基于多分辨率建模方法，建立满足不同试验场景的不同仿真粒度的虚拟兵力，包括兵力实体、环境、指挥控制模型等。共性技术支撑层包括虚实结合仿真试验的仿真导调控制、虚实兵力时空统一技术、舰艇/飞机队形保持技术、虚实兵力实时交互技术研究。应用层主要有虚拟兵力实时指挥控制、虚实兵力互联互通和虚实兵力混合试验技术。

通过以上技术体系开展研究，可逐步形成完善虚实兵力混合的仿真测试和试验方法，构建测试评估、模拟训练等的基础环境，实现实装实兵环境下的虚拟兵力的在线试验。

图1 虚实兵力混合试验技术体系示意图Fig.1 Architecture diagram of virtual and real combing test

2 虚实兵力信息交互控制技术研究

2.1 虚实兵力控制技术研究

虚拟兵力建模可从行为特性和信息特性2 个方面进行描述。例如，描述一类虚拟兵力，行为特性为随实兵舰艇(或飞机)组成特定编队并保持其编队队形;信息特性为具备与真实兵力一致的信息接口、可接收并自动处理指挥引导信息、依据指挥引导命令调整运动特性、可接收指挥文电等信息特性。那么这样构建而成的舰船(飞机)虚拟兵力即可满足特定作战样式下，开展的虚实兵力混合试验，达到补充真实兵力不足、降低试验开销、缩短试验周期、更加方便灵活的组织试验流程等目的。

虚拟兵力与真实兵力实时控制示意图如图2 所示。

如图2 所示，在虚实结合仿真系统的支持下，在实装网络内形成与真实兵力保持特定编队队形、具备随动转向的虚拟兵力实体，并且在仿真系统的支持下，实现虚拟兵力的航迹信息、作战命令、文电信息等在实装网络上的分发共享，进一步实现实装兵力与该虚拟兵力实体之间的信息交互、实时控制。

2.2 虚拟兵力互操作技术设计

实兵兵力和虚拟兵力之间的互操作，需基于分布在广域网异构试验环境下的各个虚、实兵力实体的互联互通条件下实现。试验中，在实装环境中嵌入仿真代理，从而实现虚实兵力之间的互联互通。实装环境在接收探测感知系统上报的实兵态势的同时也接收并处理各级仿真代理报送的信息(含态势、作战命令等)。仿真代理将实装环境中的态势信息和作战命令等虚拟兵力所需的实时运行参数发送到仿真环境中来，仿真环境依据当前态势和指挥命令、作战流程等进行计算，实时将虚拟兵力所需运行的航迹、响应的命令等向实装环境发送，从而实现虚拟兵力和实兵兵力的互操作。

3 一种虚实结合编队队形保持算法

3.1 编队队形保持主要原则

在虚实兵力结合的试验中，由于真实舰艇、飞机的航路与预定的航路可能不完全一致，尤其是根据试验任务需要，过程中需进行的航路调整。因此，虚拟兵力也需要根据真实的舰艇、飞机位置和队形参数适时地进行调整，以满足虚实兵力需要与真实兵力编队队形保持一致的要求。

虚实结合编队队形保持技术研究需要遵守的原则主要有:

1)虚拟兵力编队队形的保持参数主要考虑:兵力横向间距、纵向间距;

2)虚拟兵力的航行干预参数主要考虑:航行速度、航向;

3)设置误差报警门限，超出门限则进行航行参数的调整，从而确保不用频繁干预虚拟兵力的航行参数，更符合实际;

4)应建立虚拟兵力随真实兵力进行队形变换的变换算法/方法，虚拟兵力队形变换要贴近实际，要按照真实兵力的航行控制原则进行调整;

5)舰艇、飞机编队航行主要是定直航行和为了改变航向的转弯航;

6)真实兵力的航行参数传送到虚拟兵力模型有可能会断续，需要采用一定的方法去保证编队队形的连续性;

7)航行队形是个范围值，尽量避免反复调整，应建立一个原则确保不用持续调整仿真舰艇的参数，保证与真实舰艇的实际操纵过程相符合;

8)虚拟兵力应作为真实兵力的编队成员节点，并接收编队指挥节点的参数输入。应可接收部分指挥节点的指挥命令、文电信息，并自动响应命令且给出命令回执。

3.2 编队定速直线航行时的算法

为了让成员舰(虚拟兵力)快速进入规定的编队位置且保留在该位置处，本文采用时间最短的最佳控制方法。确保只需切换一次速度和航向即可实现在最短时间内进入编队指定位置点，保证队形一致。在这里，采用以时间最短为性能指标的最佳控制，控制流程如图3 所示。

图3 编队直航时的控制流程图Fig.3 Control flow chart of formation in a straight line navigation

对于该问题，性能指标为

采用相对坐标系，原点固定在指挥舰上，则虚拟编队成员的相对速度与位移为

其中vm，xm，v，x 分别为指挥舰与虚拟兵力的绝对速度与位移。

定义哈密顿函数为:

允许控制u(t)的约束条件为

其中amax与amin分别为最大可用加速度与最小可用加速度。

通过计算推导，可得到最佳控制算法为［5］:

采用时间最短的最佳控制，在指挥舰匀速直线运动时，编队成员虚拟兵力只需切换一次加、减速控制，就可以在最短时间内进入到编队位置点处，并在该处停留下来。对于改变航向的运动，同样可利用时间最短的最佳控制方法来实现。

3.3 编队转弯时的队形保持算法

下面分别介绍两类随真实兵力转弯时的编队队形保持算法，分别为浅转弯和换位转弯方式下的编队队形保持算法。

1)浅转弯方法

如图4 所示为飞机浅转弯的平面图，其中飞机1 为真实飞机，飞机2 为虚拟兵力飞机。飞机1 的转弯点平面坐标为A(xA，yA)，转弯结束点平面坐标为A′(x′A，y′A);飞机2 的转弯点平面坐标为B(xB，yB)，转弯结束点平面坐标为B′(x′B，y′B)。Δθ 为航向变化率，R1为飞机1 的转弯半径，R2为飞机2 的转弯半径，D1为飞机1 的转弯点与转弯结束点的距离，D2为飞机2 的转弯点与转弯结束点的距离。

图4 浅转弯法Fig.4 Shallow turning method

已知Δθ，A，A′，B，B′ 四点的坐标点。首先根据A，A′，B，B′ 四点的坐标点时，可得出转弯的直线距离D1和D2。

则:

相应飞机的转向航程为:

2)换位转弯方法

图5 为换位转弯法示意图，其中飞机1 为真实飞机，飞机2 和飞机3 为仿真飞机。从图中可看出，转弯后飞机2 与飞机3 完成了换位，这样，可以综合调整编队内/外侧的飞机的速度、转弯半径和负载，降低仿真的复杂性，提高仿真的可行性。此外，由于大部分飞机队形都有高度差或横向差，所以即使转弯的航线有交叉点，但是由于转弯飞行的路径和转弯的圆心不一致，因此不会产生双机相碰事件，因此，此种仿真方法切实可行。

图5 换位转弯法Fig.5 Transposition turning method

4 结 语

本文研究了一种虚拟兵力与实装相结合的试验与测试方法，主要论述了虚实兵力混合试验技术体系、虚实兵力信息交互控制技术和一种可用于虚实兵力结合编队队形保持算法。为复杂大系统试验、测试和评估提供理论支持和测试方法。

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