基于MAXSim的水面舰艇反导仿真模型设计∗

邵作浩 由大德 熊正祥

（海军舰艇学院 大连 116018）

基于MAXSim的水面舰艇反导仿真模型设计∗

邵作浩 由大德 熊正祥

（海军舰艇学院 大连 116018）

水面舰艇反导仿真系统模型逼真度是评价仿真系统置信度高低的重要依据。为此，首先研究了基于MAXSim软件水面舰艇反导仿真系统的结构组成、各部分功能和反导仿真的实现流程，随后将反导仿真模型分为物理仿真、逻辑控制和行为控制三类并对模型功能进行了研究和设计。最后，以用户自定义的舰炮仿真模型为例对反导仿真系统模型进行了扩展，阐述了模型扩展的实现技术，提高了仿真模型的逼真度。目前此反导仿真系统模型已经用于作战仿真相关课题研究。

MAXSim；水面舰艇；反导；仿真；模型

ClassNum ber TP391.9；E917

1 引言

反舰导弹因具有攻击距离远、低空逼近隐蔽性好、能精准完成制导攻击任务等优点，已经成为舰艇的严重威胁之一。如何进行反导、尤其是如何防御反舰导弹多批次多方向的空袭已经成为水面舰艇对空防御的重中之重［1～3］。近年来，计算机仿真技术得到了不断提高，通过仿真模型进行作战仿真研究［4］在舰艇反导研究中体现出的优越性日益显著，而作战仿真系统的好坏极大程度上依赖于对仿真模型的设计。水面舰艇反导仿真系统模型逼真度是评价仿真系统置信度高低的重要依据。在水面舰艇反导仿真系统中进行模型设计的目的，是构建更实用的水面舰艇、舰载机等武器平台模型及各种武器装备模型，并由反导仿真系统将其连接起来，从而建成具有时空一致性的分布仿真系统，从而利用水面舰艇反导仿真系统通过模拟真实的战场因素实现兵力对抗，为反舰导弹性能、作战使用策略以及防空反导战法的研究提供参考。

MAXSim是针对合同战术、分队战术层次而开发的作战仿真软件，具有出色的创建、监视和控制想定的能力，主要用于创建、编辑和执行战场剧情，相比于美国MAK等公司开发的仿真系统，MAXSim的人机交互性更好且战法编辑更为方便快捷［5～14］。即使是非编程人员也可通过编辑参数配置文本文件即可改变各种机动载体和动力学模型、传感器特性和损伤模型，通过简单的鼠标点击和键盘输入利用创建好的逻辑模型实现兵力布局、创建行动路线、为实体分派任务和布置计划。该软件的突出优点在于适合设计结构复杂且具有智能策略的作战方案，目前主要应用于进行参谋作业的训练、提高各级指挥员的分析决策能力，通过开发还可用于作战方案优化。因此，本文选用MAXSim对水面舰艇反导仿真系统模型进行研究。

2 水面舰艇反导仿真系统的结构和功能

在反导仿真系统中，用户可以通过反导知识库编辑器读取反导知识库内的数据并对其进行创建、编辑。仿真模型包可以根据需要选择性地读取反导知识库中的信息实现行为控制、运动解算等功能，并且能够将指定数据提取至通用黑板（GBB）中供其他应用程序使用。在提取GBB中信息的基础上，利用地图查询器读取地形信息、通过串行网络适配器（SNA）与其他节点相交互、借由日志编辑器编辑想定记录能够实现反导想定的监视与控制、反导想定的分布、反导想定的记录与回放。反导仿真系统可以用来检验模拟红方与模拟蓝方的战术思想、行动方法，并对水面舰艇等武器平台及各种武器装备的作战性能进行验证，进而针对发现的不足及问题提出发展需求。通过MAXSim平台构建的水面舰艇反导仿真系统的各部分功能如图1所示。

图1 系统结构

2.1 知识库编辑器

知识库编辑器是独立的GUI应用程序，用户可以通过知识库编辑器创建、修改反导知识库中的数据。想定被编辑在三个不同信息层面，每一层面的数据都是通过指定的工具软件完成的，只要将三个信息层面的定义做好，想定就可以马上生成和使用。与三个信息层对应的应用工具分别为技术知识库编辑器（TKE）、行为编辑器（BE）和想定编辑器（SE）。

2.2 反导知识库

水面舰艇反导仿真系统中的反导知识库由反导想定知识库、反导技术知识库和反导行为知识库三部分组成。

反导想定知识库包含了通过想定编辑器编辑的所有的反导想定。每个反导想定存储为一个独立的文件包含了反导技术知识库、反导行为知识库、地图数据、反导想定参数和反导参与者数据等信息。

反导技术知识库存储着想定中水面舰艇、舰载机等武器平台及各种反导武器装备的技术参数，这些参数可以用于MAXSim中的参数化仿真模型，如运动仿真模型、传感器探测模型等。开发人员可以借由MAXSim软件开发包（SDK）通过应用程序接口（API）读取或修改存储于反导技术知识库中的数据。

反导行为知识库存储着想定中水面舰艇、舰载机等武器平台及各种反导武器装备进行反导策略修改、战场决策、时间基准行动、武器使用行动、传感器开机和通信行动的战法数据。反导行为知识库存储着多种多样的实体的行为特征参数，这些数据需要通过BE进行编辑。当CGF的唤醒条件得到满足时，战法就开始了，该“唤醒条件”是在SE和BE中定义的。

2.3 仿真模型包

水面舰艇反导仿真系统的反导仿真模型包可分为反导仿真内部模型包和反导仿真外部模型包两类。内部模型包包含行为控制模型、运动解算模型、传感器仿真模型、武器仿真模型等，若内部模型包不能满足实际需求，用户可以根据需要通过二次开发的方式为MAXSim添加反导仿真外部模型。

行为控制模型主要负责激活和关闭不同的武器装备，选择目标，控制不同平台的机动和单元的行为。运动解算模型能计算每个被仿真平台的当前位置和速度。传感器仿真模型能够基于传感器能力、传感器位置和目标位置、环境条件等因素，按要求显示每个仿真战场上被传感器所探测到的实体。武器仿真模型主要用于计算仿真战场上武器爆炸点对平台的作战效果。

2.4 通用黑板（GBB）

通用黑板是存储应用程序运行期间所有应用数据的通用数据库，通过GBB存储数据能确保所有应用程序在获得授权后能获取到数据库内的共享数据。GBB由主实体表、实体表、描述子表和消息表4种类型的表格组成，其数据的创建和管理由GBB管理器（Manager.exe）负责。

2.5 日志记录器（Logger）

日志记录器的设计目的是记录程序运行期间所有应用程序的操作历史，它存储了磁盘中GBB的相关内容，从而能够将相关内容重新加载到GBB中。

2.6 串行网络适配器（SNA）

在应用执行期间，SNA（SNA.exe）负责同步不同节点的通用黑板，从而确保无论某个模型是在哪个CPU中运行，该模型的数据在网络中的不同节点都是可用的。

在一个特定的SNA节点操作，将由某节点所生成的数据分布到所有感兴趣的节点。为了减少计算和网络负载，SNA可以被配置为只分布相关的表；其它节点不感兴趣的数据（如运行在其它机器上的模型）将不会被发送。

3 水面舰艇反导仿真系统的模型设计

系统构建的模型主要实现水面舰艇主要武器装备反导作战和训练过程的仿真。在仿真层次方面，模型分别从物理仿真、逻辑控制和行为控制层次上对水面舰艇反导作战训练过程进行了细致精确的仿真。

例如，为完成一次对来袭导弹的任务，位于三个层次上的三类模型在仿真系统中起着不同功能作用：

1）行为控制模型根据目标威胁等级、位置以及我方武器目前占用情况等信息，确定实施导弹打击、舰炮打击、有源压制干扰或箔条干扰的策略。

2）在确定实施导弹打击后，调用舰空导弹发射逻辑控制模型，主要模拟舰空导弹的发射过程，包括发射导弹选择、火力分配、发射控制、导弹出箱等。根据打击目标信息进行发射褚元计算，控制舰空导弹的发射方式和发射时间等信息。

3）在获得舰空导弹的发射时间等发射参数信息后，调用导弹武器物理仿真模型模拟舰空导弹、舰舰导弹上升段、无控段、中制导、末制导的全过程。

3.1 物理仿真模型的设计

物理仿真模型处于CGF兵力最底层的仿真层次，它抽象地仿真了实际武器装备的基本的动作，为上一层的逻辑控制模型提供了基本动作的调用接口。物理仿真模型在物理过程层次上，仿真了各类型CGF兵力的基础行动过程，如CGF兵力的基础机动过程，包括CGF兵力的加速、减速、转向、爬升和下降等基础性机动方式。通过响应逻辑控制模型对其的功能调用命令，物理仿真模型能够驱动CGF兵力状态随作战时间进行演化，从而最终完成用户下达的指令。

水面舰艇反导仿真系统的物理仿真模型主要包括：水面舰艇机动物理仿真模型、舰载雷达仿真模型、红外警戒仿真模型、末制导设备仿真模型、舰炮武器仿真模型、导弹武器仿真模型、舰载通信装备仿真模型、舰载电子对抗装备仿真模型、信息处理装备仿真模型。

1）水面舰艇机动物理仿真模型通过接收逻辑控制模型下达的物理机动请求，并根据平台当前的机动状态，计算出平台下一步时长的新机动状态，从而实现水面舰艇实体的机动仿真。该模型能考虑水文、气象环境参数实时计算舰艇的横摇、纵摇参数，能够支持0.05～20倍速（与自然时钟相比）运行要求，支持步长动态调整，包括高速、正常和低速等运行模式。

2）舰载雷达仿真模型根据雷达参数、环境参数、地形参数和目标参数，计算雷达的探测威力，能够根据雷达特点实现不同体制雷达的搜索、跟踪过程，输出雷达探测目标运动速度、航迹等信息。

3）红外警戒仿真模型能够模拟舰艇搭载的红外探测装备工作原理，根据环境信息模拟红外探测装备的目标搜索、目标识别和跟踪过程并计算探测结果，将探测结果传递给指控系统进行处理。

4）末制导设备仿真模型能够搜索及跟踪目标，用于导弹在飞行末段对目标进行自动搜索、捕捉、识别选择和跟踪目标的过程，同时能够向弹上自动驾驶仪送出制导控制指令，引导导弹飞向目标。

5）舰炮武器仿真模型能够模拟中大孔径舰炮、近程防御系统、小口径舰炮等武器系统根据目标参数、近程反导武器状态等因素，通过射击褚元解算、弹道计算及炸点散步模拟判断是否满足火炮射击条件，自动控制火炮射击并完成毁伤判定。

6）导弹武器仿真模型能够接收导弹发射控制模型的发射参数信息，模拟舰空导弹、舰舰导弹上升段、无控段、中制导、末制导的全过程。

7）舰载通信装备仿真模型模拟水面舰艇的通信装备特性，包括短波通信、超短波通信、卫星通信、数据链通信、甚低频收信模型等。该模型能够根据通信装备性能参数和通信业务参数结合自然环境与电磁环境，从而仿真通信装备使用过程和信息传输过程，计算误码率、语音可懂度、通信距离，显示通信效果并根据通信装备性能环境因素实现通信组网、信息的发送与接收。

8）舰载电子对抗装备仿真模型模拟水面舰艇所挂载的电子对抗装备的工作过程和原理，模拟电子侦察过程、有源压制干扰过程、无源干扰、通信干扰、水声对抗干扰等，为水面舰艇执行防空反导、干扰掩护等作战任务进行支撑。模拟电子侦察过程时能够根据侦察设备参数、设备参数、环境参数，计算侦察设备的探测能力，根据侦察设备特点实现侦察设备的识别和告警过程。并且，模拟干扰过程中该模型能够能够根据侦察设备识别参数、干扰机参数、设备所在平台参数、环境参数等计算干扰设备的干扰能力，根据干扰设备特点实现干扰设备干扰样式决策、干扰效能分析计算等功能。

9）信息处理装备仿真模型模拟水面舰艇单舰及编队及信息综合处理，具有信息收集处理、信息融合、威胁判断、目标综合处理及火力兼容等功能。

3.2 逻辑控制模型设计

逻辑控制模型仿真了各类型CGF兵力中相对复杂的行动及控制过程（如CGF兵力的计划航线、之字形机动和占位机动等），处于CGF兵力的原子动作层和物理仿真层之间，为CGF兵力的各原子动作的实现提供了基础性的支持，通过响应CGF兵力行为控制的原子动作指令和综合导控系统的实时指令，将各指令转换为一系列对物理仿真模型的功能调用命令，从而驱动CGF兵力状态随作战时间演化。

水面舰艇反导仿真系统的逻辑控制模型主要由机动控制模型、舰空导弹发射控制模型、舰炮开火控制模型和电子对抗设备逻辑控制模型组成。

1）水面舰艇机动控制模型提供了水面舰艇各类机动方式的仿真，如计划航线、占位机动、躲避机动等功能。当舰船在发射光电、箔条干扰弹后需要进行躲避机动，水面舰艇机动控制模型根据来袭导弹或鱼雷、水雷等武器的方位、速度等要素计算出航向和航速等信息，指引舰船快速进入反舰导弹末制导盲区躲避。

2）舰空导弹发射控制模型主要模拟舰空导弹的发射过程，包括发射导弹选择、火力分配、发射控制、导弹出箱等。根据打击目标信息进行发射褚元计算，控制舰空导弹的发射方式和发射时间等信息。

3）舰炮开火控制模型主要模拟舰炮开火过程，根据打击目标类型、方位和本舰的方位等信息进行主副炮选择及打击时机选择。

4）电子对抗设备控制模型主要负责装载、激活、关闭实体平台的电子对抗装备并且设置其相关参数。该模型可以根据战场环境及条件控制雷达、通信、红外等侦察设备等开关机及工作状态参数，并设置有源干扰设备的工作状态；根据来袭导弹信息、本舰信息、箔条弹信息等控制箔条弹发射的时机及方位。

3.3 行为控制模型设计

行为控制模型根据CGF兵力所定义的行为规则进行决策过程的仿真。行为控制模型的运行方式为：根据行为知识库中定义的行为规则和实时感知的仿真环境态势，基于有限状态机的具体状态及迁移转换来决定所需执行的一系列的动作。最终将其形成的“逻辑指令”发送给相应的逻辑控制模型。

水面舰艇反导仿真系统的行为控制模型由单舰及编队针对整体防空态势，提供对空防御威胁判断模型、软硬武器协同抗击方案的优化模型（舰空导弹、舰炮、电子干扰等）及毁伤评估模型等组成。

1）对空防御威胁判断模型可以在水面舰艇探测到目标或接收到外部的目标信息后对空中目标进行威胁判断，将目标进行分类、定级，区分目标方向，当出现导弹时进行告警处理并形成空中目标威胁排序表。

2）软硬武器协同抗击方案的优化模型可以根据目标威胁等级、位置以及我方武器目前占用情况等信息，确定实施导弹打击、舰炮打击、有源压制干扰或箔条干扰的策略。

3）毁伤评估模型可帮助水面舰艇反导仿真系统借由通过监控战场态势情况，判断任务是否结束、是否适合下达转火或停火指令。

4 水面舰艇反导仿真系统的模型的扩展方法

水面舰艇反导仿真系统需要构建高逼真度的仿真模型，从而提升反导仿真系统的置信度。MAXSim现有的模型实例虽然适用于通用的作战仿真，但尚不能满足作战仿真的部分具体要求。所以，必须对MAXSim模型进行扩展，这是系统设计的重点和难点之一。通过利用MAXSim系统的模型组件开发工具创建高精度的用户模型，可以嵌入到现有的仿真引擎中从而完成对MAXSim的模型扩展。

例如：MAXSim里现有的水面舰艇仿真模型，通过TKE可以编辑修改舰炮的最小攻击距离、最大攻击距离、有效攻击距离、引爆时间、充填时间等具体参数设置，在对想定进行作战推演过程中利用这些参数判定舰炮的攻击效果。但是舰炮在舰艇上由于受到气象条件、舰艇运动特征等影响，其射击范围有限且随外部影响而变化。如果忽略了这些因素，将降低仿真的置信度与准确性，所以需要开发用户自定义的水面舰艇仿真模型。

现以创建一个新的舰炮物理仿真模型为例来说明水面舰艇反导仿真系统模型扩展方法，步骤如下：

1）明确扩展内容，设置类型名称为NewGun，从MAXSim的原有Gun派生，并新增描述符NewDesc；

2）基于现有类型Gun，新建类型NewGun，并把我们新增的描述符NewDesc指派给NewGun；

3）修改Agent编码：打开新建类型NewGun，将其生成配置改为x64 release，打开文件NewGunA-gentDescriptorsNewDesc-Struct.h，为描述符NewDesc定义数据结构，加入2个变量（int型的n IntValue，double型的dDoubleValue）。代码如下：

structNewDesc

｛

//自行定义Decriptor所需要的数据结构

int nIntValue；

double dDoubleValue；

｝；

4）打开文件NewGunAgentDescriptorsNew-GunMonitor.h，添加GBB处理代码：

class MonitorNewDesc： public GBBMoni tor：：CDescHandler

｛

public：

MonitorNewDesc（）：

GBBMonitor：：CDescHandler（“MonitorNewDesc”）｛｝

virtualvoid FillData（char*pData）

｛

HT：：NewDesc*pDesc=（HT：：NewDesc*）pData；

//根据定义的结构体添加处理代码

AddFieldDouble（'IntValue"，pDesc-＞nIntValue）；

AddFieldDouble（'DoubleValue"，pDesc-＞dDoubleValue）；

｝

｝；

5）完成了新描述符NewDesc的数据定义工作后，在NewGunAgent.cpp中加入自己想要的实际处理工作。由于NewGunAgent已经自动生成了描述符NewDesc的读写函数，可以在步长处理函数中将NewGun的NewDesc进行赋值，如下所示：

status_t NewGunAgent： ： notifyForActivation （int noOfMessageTypes，enum_tgMessageTypes）

｛

status_tstatus==SUCCESS；

//获取所有的舰炮列表

EntityIterator iterVessel

（HT_GBB：：EntitySurfaceVessel，status）；

CHECK_STATUS_AND_RETURN（status）；

for（iterVessel.begin（）；！iterVessel.end（）；iterVessel.next（））

｛

//获取舰炮ID

id_tnWeaponId=INVALID_MET_ID；

status=iterWeapon.getEntityID（nWeaponId）；

CHECK_STATUS_AND_CONTINUE（status）；

//获取舰炮的TKB类型

TKB：：TYPE_ID nTKBTypeId；

GetTKBTYpe（nWeaponId，nTKBTypeId）；

//舰炮的TKB类型为新加的类型

if（nTKBTypeId==TKB：：TypeNewGun）

｛

//写入新描述符NewDesc数据

NewDesc cNewDesc；

cNewDesc.n IntValue=10；

cNewDesc.nDoubleValue=25.23；

status=writeData（nWeaponId，HT_GBB：：DescriptorNewDesc，cNewDesc）；

｝

｝

return status；

｝

6）编译生成，生成 NewGunMain.exe、NewGun-SizeDLL.dll、NewGunAgent.dll放至MAXSim配置中RootConfig.xml的所在位置。这样在重新运行MAXSim时就会出现用户自定义的舰炮物理仿真模型，从而实现了水面舰艇反导仿真系统模型的扩展。

5 结语

本文基于MAXSim阐述了水面舰艇反导仿真系统的结构组成及各部分功能，设计了水面舰艇反导仿真系统的物理仿真模型、逻辑控制模型、行为控制模型，并以开发用户自定义的舰炮物理仿真模型为例对反导仿真系统模型进行了扩展。该模型具有较好的研究价值，目前此反导仿真系统模型已经用于作战仿真相关课题研究，未来可以进一步研究水面舰艇反导作战方案优化的实现。

［1］吕辉，贺正洪.防空指挥自动化系统原理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2003：23-44.

［2］燕乐政，吴仪龙，顾建泉.浅谈美军空袭作战的发展趋势［J］.环球军事，2001（8）：54-55.

［3］武文军，李永波.美军近期空袭作战概况［J］.现代军事，2004（3）：18-20.

［4］徐永杰，孙永侃，赵国钢，徐建志.STAGE在防控反导作战研究中的作用［J］.战术导弹技术，2006（6）：89-92.

［5］介飞.复杂仿真系统中的行为建模方法研究［D］.北京：北京理工大学，2014：2-5.

［6］廖守亿.复杂系统基于Agent的建模与仿真方法研究及应用［D］.长沙：国防科学技术大学，2005：6-18.

［7］唐见兵.作战仿真系统可信性研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009：6-11.

［8］贺勇军，戴金海，李连军.复杂多卫星系统的综合建模与仿真［J］.系统仿真学报，2004，16（5）：871-875.

［9］王江云，彭晓源，王行仁.基于的卫星分布仿真系统设计与实现［J］.计算机工程与设计，2006，25（5）：89-92.

［10］唐见兵，焦鹏，查亚兵等.基于BOM的HLA仿真系统可信性研究［J］.国防科技大学学报，2008，30（5）：131-134.

［11］吴晓燕，赵敏荣.仿真系统可信度评估及模型验证方法研究［J］.计算机仿真，2002，19（3）：17-20.

［12］唐雪梅.地地弹道导弹武器系统攻防体系对抗［J］.系统工程与电子技术，2000（10）：10-13.

［13］童幼堂，钟志通.驱护舰编队舰空导弹反导能力探讨［J］.火力与指挥控制，2002（3）：57-59.

［14］张野鹏.作战仿真及其技术发展［M］.北京：军事科学出版社，2002：39-46.

Design of Anti-m issile Simulation Modelsof Surface-ship Based on MAXSim

SHAO Zuohao YOU Dade XIONG Zhengxiang
（Dalian Navy Academy，Dalian 116018）

The fidelity ofanti-missile simulationmodels of surface-ship has become one of themost importantbases to evaluate simulation systems.For this reason，the structure，function and the processof the anti-missile simulation are introduced based on MAXSim.And anti-missile simulation modelswhich are divided into the physical simulationmodels，logic controlmodels and behavior controlmodels are proposed.Taking the customizablemodel of naval gun asan example，themodel extension technology which hasbeen generalized isadopted to improve the fidelity ofanti-missile simulationmodels.

MAXSim，surface vessel，anti-missile，simulation，model

TP391.9；E917

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.013

2017年3月13日，

2017年4月26日

邵作浩，男，硕士研究生，研究方向：舰艇作战系统仿真。由大德，男，教授，硕士生导师，研究方向：舰炮武器系统与战斗使用的教学与研究。熊正祥，男，高级工程师，硕士生导师，研究方向：作战系统仿真。