直升机反潜作战训练仿真系统设计与实现

陈遵银，杨明绪

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

直升机反潜作战训练仿真系统设计与实现

陈遵银，杨明绪

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

针对某型直升机反潜训练效率低的问题，提出了基于HLA的某型直升机反潜训练系统设计与实现。系统运用反潜作战仿真建模方法，以VC++7.0为软件设计工具，基于HLA对直升机反潜训练课目进行仿真，着重从台位设计、体系结构和技术实现等方面进行一定的研究。目前，系统已成功投入使用，实践证明，系统设计合理、运行稳定、模拟效果逼真，能够满足反潜部队作战训练的需要，并可以为其他反潜机型岸基训练系统研制提供一定的借鉴。

航空反潜；战术训练；系统仿真

0 引言

在现代海战中，直升机反潜作战已成为高技术条件下海战的重要作战样式，随着航母编队入列给直升机反潜作战能力的有效提升产生了极其重要的作用。舰-机、机-机等兵力兵器之间的协同是一项十分复杂的作战过程。反潜战是现代海战中最为复杂、又极为重要的军事行动。航空反潜作为现代反潜战的重要组成部分，与其他反潜方式相比，具有速度快、效率高和受潜艇威胁小等特点，多年来一直受到世界各国的高度重视，海军强国投入了大量的人力、物力来提高航空反潜作战能力。因反潜作战效果受多种因素的影响，如海区环境、目标信息、反潜装备和人员素质等因素，如何依据诸多因素开展扎实有效反潜训练，是反潜部队所要完成日常性工作。纵观国外，英美等国外海军除了在海上进行长时间的反潜训练（演习等），在岸上还配有各种各样的用于反潜战术训练系统，为反潜人员在岸基应用仿真技术开展日常训练和战法演练等，大大地增强和提高反潜人员的反潜作战能力。本文研究设计了一种基于HLA的航空反潜作战训练仿真系统的体系结构，运用Rational统一过程对仿真系统进行开发，完成了航空反潜仿真系统联邦框架的构建。

1 仿真系统组成

1.1 系统布局

航空反潜训练仿真系统在配置上强调使用灵活、易于维护，适合部署在作战部队或机关（指挥所）。系统需由仿真导演台、仿真战术指挥长台和仿真设备操作台3种台位和时钟服务器组成，通过以太网构成C/S结构系统。仿真导演台位是唯一的，由仿真战术指挥长台和仿真设备操作台作为操作单元反潜机仿真台可以根据反潜训练实际需要进行1～6个仿真机组的进行配置（图1）。系统在运行时，由仿真导演台设置任务，通过参训机组各台位协同配合，能够完成反潜模拟训练等任务。

仿真导演台，主要实现对整个仿真系统运行控制等管理功能，同时以二维曲线图显示整个仿真的作战海区全景态势，作战数据记录与回放等功能。

反潜机仿真台，每一个仿真台位包括仿真战术指挥长台和仿真设备操作台。仿真战术指挥长台主要完成组织协调机组各成员战术动作，掌握敌我战术态势，熟练运用反潜方法，及时调整反潜方案，使用浮标、标志弹和反潜武器。仿真设备操作台主要实现设备操作员使用吊放声纳、航空磁探仪和浮标系统搜索、跟踪潜艇。用于直升机搜潜设备（吊声、浮声、磁探）的搜潜功能、搜索潜艇过程和搜潜战术训练，并为战术指挥长台提供目标信息，供战术指挥长进行下一步的战术决策。

时钟，协调整个仿真系统的时间推进机制。

图1 系统结构拓扑图

1.2 台位设计

该系统包括仿真导演台、仿真战术指挥长台和仿真设备操作员等多种台位。在配置上以机组为基本单位，由仿真导演台进行统一协调和控制，实现反潜过程的模拟。

1.2.1 仿真导演台

仿真导演台负责完成作战想定与仿真控制、潜艇目标操控、训练记录回放以及兵力支持等诸多功能。在后台运行的兵力行为模型支持模块也是导演台的重要组成部分，它负责进行反潜过程态势的计算与控制。

（1）作战想定与仿真控制。设定训练海区位置及形状，设定水文条件或调用海洋环境数据库有关数据并发布数据，设定直升机初始位置、携带的搜潜设备和攻潜武器。以电子海图的形式显示反潜作战过程的战术态势，同时显示潜艇目标和直升机的运动情况。显示机组搜潜攻潜过程以及结果，可根据训练任务的需要，随时启动、暂停、加速或停止反潜训练过程。

（2）潜艇目标操控。设定潜艇目标信息（目标特性、航向、航速以、平面运动位置和机动规避方式等），在仿真过程中可以随时改变其运动状态。这里以潜艇目标信息中速度和航向为例，研究其仿真模型。

（3）训练过程记录与回放。主要对训练过程进行记录、回放、冻结、评估及成绩管理。在训练过程中，以黑匣子的方式记录训练过程中的一切操作和飞行数据，能够随时冻结训练过程和回放。对于训练辅助评估，提供训练数据显示、统计和分析工具，以辅助评判人员评估训练效果。建立用户训练档案，存储和管理飞行员训练成绩。

（4）兵力行为支持。反潜战术训练系统的运行要涉及到诸多兵力行为的支持，这些兵力行为主要靠仿真模型来实现的，主要仿真模型包括海洋水声环境计算和目标仿真、吊放声纳搜潜仿真、声纳浮标搜潜仿真、磁探仪搜潜仿真、攻潜武器仿真等模型。

1.2.2 仿真战术指挥长台

仿真台位由战术指挥长操控，负责空中领航和反潜战术活动，完成组织协调机组各成员战术动作，掌握敌我战术态势，熟练运用反潜方法，及时调整反潜方案，使用浮标、标志弹和反潜武器。

（1）战术指挥长操控。操控多架直升机的飞行状态，包括高度、速度和航向，1个操作台可控制仿真中的任意一架直升机，但同时只能控制1架；显示所操控直升机的飞行状态，包括高度、速度、航向、武器和装备等，控制所操控直升机的武备投放，模拟雷达显示屏二次信息的显示。

（2）动态战术标图。该模块提供了动态战术标图功能，用以替代战术指挥长的纸上手工标图，既可以实现快速、准确、规范的标图，又能够方便地进行结果的保存及打印。采用双显示器配置，一个显示设备控制功能面板和机上战术显示器信息，另一个显示动态战术标图的界面。包括：依据经纬度标绘图标，如直升机的吊点、潜艇和浮标位置等，并能设定标图时间。控制经纬度范围，包括放大、缩小和拖动绘图区。显示本机位置，并将本机位置设为标图表中心。显示友机信息、操作员姓名、气象信息等将标图表保存为图片格式（.bmp）。

1.2.3 仿真设备操作台

仿真设备操作台位由设备操作员操控，在反潜飞行中的任务是“了解战术指挥长战术方案，负责使用吊放声纳、航空磁探仪和浮标系统搜索、跟踪潜艇”。该台位包括2个主要模拟模块。

（1）海洋环境与目标特性模拟。采用高斯束射线模型BELLHOP来计算声线轨迹及传播损失，较好地处理声线能量焦散和完全影区等问题，并且适用于距离相关条件和复杂三维环境下的声场计算。水声传播模型主要包括射线理论模型、简正波模型、多途路径展开模型、快速场模型和抛物方程模型、各有适用条件。吊放声纳由于基阵尺寸限制，属于高频声纳。因此，采用高斯束射线Bellhop模型进行传播损失计算。Porter等人开发的Bellhop模型采用高斯射线近似代替几何射线，能够较好地处理声线能量焦散和完全影区等问题。

（2）搜潜设备操控。吊放声纳的功能模拟，模拟吊放式声纳水下分机的收放，声方位、回声定位、手动跟踪、自动搜索、自动跟踪、半自动跟踪6种工作方式，以及向仿真战术指挥长台传送目标数据等。声纳浮标的功能模拟，即模拟声纳浮标的搜索、跟踪、测向等3种工作方式。磁探仪的功能模拟，磁探仪的使用控制以及确认发现目标的信息显示等3种功能。

2 系统的软件实现

系统采用HLA体系结构进行构建，通过RTI服务器将各功能模块以联邦成员的形式实现紧密耦合，系统可以非常方便增添和删减联邦成员，本仿真系统联邦成员有作战想定与仿真控制、兵力行为模型支持、仿真过程记录与回放、战术指挥长操控、设备操作员台和潜艇目标的操控等。海洋环境仿真提供训练海区水声环境，训练数据库提供实际训练历史数据样本和武器装备数据库提供训练可能使用反潜武器装备，其软件体系结构如图2所示。

图2 系统软件体系结构图

在HLA中，每个联邦成员必须公布它计划产生的对象类和交互类，并订购它感兴趣的对象类和交互类。为了提高仿真系统及其部件的重用能力，HLA要求采用统一规范的对象模型来描述联邦及联邦成员在运行过程中需要交换的各种数据及相关信息。采用面向对象的建模方法对联邦对象模型进行静态结构及动态行为建模，可以方便地实现模块重用和扩展。

2.1 想定与仿真控制

在作战仿真初始阶段，以Weapon Equip DATA交互发布作战单元武器装备的性能数据，以Init交互发布作战方案计划，以Init OK交互的定购来获知其他联邦成员是否准备完毕。在作战仿真运行阶段，以Sin To Date Time交互的发布进行仿真时间推进，以All Unit对象的定购来获取仿真中作战单元状态，以Tick OK交互的定购来获知其他联邦成员是否完成仿真推进；以Ruler Control交互的定购来获得作战单元产生的控制命令，以New Air Space交互的定购来获得仿真中作战单元产生的空域，以Man In Loop交互的定购来获得人在回路的兵力控制情况。以Init交互实现兵力添加、修改、删除操作控制的发布。

2.2 兵力行为模型支持

反潜战术训练系统的运行要涉及到诸多兵力行为的支持，这些兵力行为主要靠仿真模型来实现的，主要仿真模型包括海洋水声环境计算和目标仿真、吊放声纳搜潜仿真、声纳浮标搜潜仿真、磁探仪搜潜仿真、攻潜武器仿真等模型。

2.3 仿真过程记录与回放

记录与回放子系统工作在记录状态时，采用HLA体系结构、向量容器、ADO和Microsoft Office Access Database，结合SQL数据库操作语句实现数据的读取、暂存和存储；回放时，采用SQL数据库操作语句和交互选择对话框，实现数据的实时读取和有选择重现，并可以对数据库进行简单维护。系统可以完成反潜过程中主要操作信息和状态数据的记录、回放和态势展示，并能将训练过程中记录的数据进行筛选和分析，为反潜效果的评估提供科学的依据。记录与回放子系统作为反潜训练仿真系统记录与推演部分，是整个系统的数据汇总中心，以系统联邦成员的形式与系统中其他组成部分协调运行。

2.4 战术指挥长操控

战术指挥长操控台作为反潜训练仿真系统的一架反潜机仿真机组的指挥中心，能根据本机组对多个潜艇目标信息数据融合的结果产生机组的反潜方案，并能够对整个机组进行指挥控制一个重要组成部分，负责一架反潜直升机飞行控制、武备投放、战术态势显示和作战标图，以系统联邦成员的形式与系统中其它组成部分协调运行。主要包括飞行控制、战术态势显示和武备投放控制对话框，以及反潜作战标图对话框。作为联邦中的一个成员，发布初始化完成（Init OK）、加入联邦（Join HLA）、退出联邦（Exit HLA）等交互；定购接受联邦中的仿真推进（Sin To Data Time）、兵力仿真状态（All Unit）等交互。

2.5 设备操作员操控

设备操作员操控台作为反潜机组重要联邦成员，是整个系统探测设备操作中心，以系统联邦成员的形式与系统中其它组成部分协调运行。可接收战术指挥长的指令，在指定方位上利用吊放声纳探测目标、进行目标指示和定位，还可以通过机载对抗器材或反潜武器进行防御或攻击。

2.6 潜艇目标操控

潜艇目标操控子系统作为反潜战术训练系统执行对抗训练的重要部分，定购所操控潜艇的状态信息进行界面显示，通过人在回路的交互控制，向CGF发布操作控制信息和控制命令，实现对潜艇作战单元的操控。潜艇目标操控模块在HLA环境下运行。

3 结束语

本系统基于HLA的仿真联邦结构，利用RTI统一过程对仿真系统开发过程进行了可视化建模分析，建立了用例模型、结构模型和行为模型，增强了仿真系统开发过程中的可读性和维护性。结合VC++7.0编程完成了仿真系统框架的实现。该系统使用不受配合目标、飞机状态和海区条件等因素的影响，随时组织人员进行反潜训练，丰富了部队反潜训练的形式。系统具备完善的记录与回放功能，可以方便地进行训练后讲评和战术研究，也可为机关评估部队及人员的反潜能力提供一定的依据。通过系统比较全面、真实的反潜训练，可有效加深受训人员对航空反潜复杂性的认识，培养指挥员沉着、冷静、敏锐的战术素养，提升部队的航空反潜能力。该系统经过部队近一年的使用表明：系统的各项功能达到了研制协议和技术方案的要求，系统运行稳定，使用操作简单，符合部队操作习惯和实际，各项性能指标达到了设计要求。

［1］郭新奇，付霖宇，蒋志忠，杨日杰.机载声纳浮标作用距离建模与仿真［J］.电光与控制，2011，（18）

［2］孙明太主编.航空反潜战术［M］.军事科学出版社.2003:62-78.

［3］杨日杰，何友，孙明太.航空搜潜装备搜潜范围建模与仿真研究［J］.系统仿真学报，2003，15（11）：1547～1549.

［4］孙明太主编.航空反潜导论［M］.青岛：海军航空工程学院，2010：72-73.

［5］吴芳，杨日杰，高青伟.主/被动联合多基地航空搜潜建模与仿真［J］.北京航空航天大学学报，2010，36（3）：319～323.

［6］匡贡献，谢志敏.海洋环境对吊放声纳作战使用影响研究［J］.海军航空工程学院学报，2010，25（1）：24～26.

〔编辑 利文〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.49