基于FLAMES/STK的航天电子对抗仿真态势生成框架

2018-04-19吴付祥

火力与指挥控制 2018年3期

吴付祥，朱林

（1.陆军指挥学院，南京 210045；2.国防科技大学电子对抗学院，合肥 230037）

0 引言

FLAMES（Flexible Analysis Modeling and Exercise System）是美国Ternion公司开发的新一代构造仿真开发平台，目前已在战役战术级仿真和装备体系仿真方面得到了较为广泛的应用，可应用于航天电子对抗作战仿真和效能评估，为航天电子对抗战法研究提供有效的工具和平台支撑。然而由于航天电子对抗作战目标的空间特殊性，该平台自带的二维态势显示模块无法满足空间目标态势展示需求，需要采用三维场景显示的方法，才能对航天电子对抗仿真态势进行完整全面的呈现。而在航天器三维场景呈现方面，应用比较成熟的是美国AGI公司开发的STK（Satellite Tool Kits）卫星工具包，其拥有精确的轨道预测模型以及用于态势呈现的流畅的场景显示引擎和丰富的三维模型库，但国内仅有一些早期的版本，且许多模块功能受限，大多只是用来进行链路分析和覆盖分析，而自行开发研制的仿真模型与STK的集成方面还存在诸多问题。如何取二者之长，在航天电子对抗仿真中得以有效应用，是本文需要解决的问题。

1 基于FLAMES的航天电子对抗仿真模型体系

1.1 FLAMES仿真建模框架

FLAMES将系统仿真中涉及的模型分为以下4类：

1.1.1 装备模型

装备模型是对组成作战实体或装备系统的基本装备和装备部件的抽象，主要对组成作战实体的各类装备的特征和行为进行模拟。FLAMES模型框架中定义了8类基础装备模型，一种装备模型通常模拟一类功能相近的武器装备，根据具体的应用还可从基础装备模型中派生出不同功能的装备。这样既体现了同类装备的共性，又反映了不同性能装备的个性。

1.1.2 认知模型

认知模型是对作战实体所需的认知活动的抽象，可模拟作战人员决策行为、自动化武器的控制行动、作战行动规则以及信息处理过程等。认知建模可以弥补装备模型对作战人员行为、作战规则描述的不足，以方便刻画复杂的实体模型行为逻辑，提高建模效率。

1.1.3 消息模型

消息模型是对作战实体间通信信息的抽象，不模拟信息传递的通信行为。战斗中消息的传送是通过通信装备来完成的，因此，消息模型需结合通信装备模型一起使用。

1.1.4 实体模型

实体模型是对作战仿真中具有相同功能和行为的作战实体的抽象，对应组成系统的单个装备；实体只有通过模型中加载的装备模型、认知模型和消息模型才能实现相关功能，其模型结构如图1所示。在构建实体模型时，需要通过实体描述语言（FLAMES脚本语言）将构成实体的各类型装备模型以及完成任务需要的认知模型和消息模型组合而成；而后通过将实体模型实例化并设定其与其他实体之间的指控、编队关系，构建作战仿真实体模型实例。

1.2 航天电子对抗仿真模型体系

基于FLAMES仿真建模框架，结合航天电子对抗作战实体的特点，本文构建了如图2所示的航天电子对抗仿真模型体系。

根据FLAMES的模型分类，首先依据各类卫星及其对抗装备的特点构建相应的卫星平台模型、传感器模型、天线模型、干扰机模型等装备模型，并集成相应的效能模型；然后分别构建模拟人行为的开关机侦察模型、对星跟踪模型等认知模型和仿真中进行信息传递的遥测、遥控、干扰指令等消息模型，最后通过实体描述语言将上述模型进行合成，建立航天电子对抗仿真所需的各类目标卫星、干扰站、地面接收站等仿真实体模型。

效能模型主要对各仿真实体的工作效能或干扰效能进行计算和评估，主要包括SAR卫星地面分辨率计算模型、雷达成像定位精度计算模型等卫星工作效能计算模型，目标覆盖判断模型、地面与航天器之间以及航天器之间可见性判断模型等目标覆盖与可见性分析模型，以及对通信卫星上行干扰效能评估模型、陆基对星载SAR的干扰效能评估模型等航天电子对抗干扰效能评估模型。

2 基于FLAMES/STK的航天电子对抗仿真态势呈现

2.1 实现思路

为了实现对STK三维显示功能的有效利用，本文通过FLAMES进行航天电子对抗作战仿真，并将态势信息实时发送给态势转换模块，通过该中间件调用STK/Connect模块，实时驱动STK三维显示控件，实现航天电子对抗仿真态势的三维显示，如图3所示。

2.2 STK/Connect工作机理

STK/Connect是STK的重要模块之一，它提供用户在客户机/服务器环境下与STK连接的功能。使用TCP/IP或UNTX Domain Sockets在第三方应用软件与STK之间传输数据（包括实时数据传输），为其他应用程序提供了一个向STK发送消息和接收数据的通讯工具。

在外部程序与STK通讯的过程中，Connect随时产生各种相关信息，包括响应外部命令之后的返回数据以及各种诊断信息，它们都以消息的方式发送给用户，其消息处理机制如图4所示。在Connect与STK内部，进行这种消息运作主要通过两个函数：AgUtMsg（）和 AgUtMsgSetMsgFunc（）。用户程序可以重载它们，改变参数设置，使得消息流程及处理方式满足用户指定的要求。这种技术大大拓宽了STK消息的传播途径，增强了用户程序利用STK内部信息的灵活性。

2.3 基于FLAMES对STK显示控件实时驱动

在基于FLAMES/STK的航天电子对抗仿真中，采用的时间同步策略是：以FLAMES仿真运行时钟为基准时钟，通过STK/Connect模块绑定仿真引擎与STK 2/3D显示之间的时间同步，从而在基于STK的态势显示中建立仿真虚拟世界的时间基准；通过FLAMES仿真引擎保证成员之间的时间同步，从而实现整个仿真系统的时间同步。

在航天电子对抗仿真过程中，主要依靠STK/Connect模块获取FLAMES仿真时钟进行时间推进。STK显示控件与FLAMES之间的时间推进流程如图5所示。先是通过STK客户端程序加载FLAMES想定文件，形成初始仿真态势，然后在与FLAMES仿真引擎建立连接以后，向FLAMES仿真引擎请求初始时钟并请求时间推进。在仿真推演开始之后，将控制权交给FLAMES，控制整个仿真态势的初始化、开始、继续、暂停和结束。仿真过程中产生的态势数据通过态势转换模块实时向STK显示控件发送，使STK显示控件实时显示更新的态势信息。然后判断是否仿真结束，如果没有就继续循环请求时间推进，否则就关闭STK/Connect连接，退出仿真运行。

3 基于FLAMES/STK的航天电子对抗仿真态势生成系统框架

本文基于FLAMES面向对象的开放式仿真框架，构建了如下页图6所示的基于FLAMES/STK的航天电子对抗仿真态势生成系统框架。以模拟航天电子对抗场景中各类卫星实体以及各型参战装备在时间和空间上执行自己的功能或与外界进行交互时所体现的物理特征和认知行为为出发点，利用实体模型、认知模型和消息模型三者之间的协同和交互，完成场景内的卫星以及装备作战过程的仿真；通过FLAMES仿真平台进行航天电子对抗作战仿真，产生航天电子对抗态势数据，并利用STK的二维和三维显示控件呈现航天电子对抗仿真态势。

3.1 模型开发分系统

该分系统主要基于FLAMES模型框架进行航天电子对抗仿真模型的构建。首先建立仿真所需的各类装备模型，如卫星平台模型（含轨道解算）、卫星载荷模型、通信转发器模型、干扰机模型等，然后将进行作战效能评估所需的各种效能计算模型集成进这些装备模型中，通过FLAMES脚本语言将这些装备模型与所需的认知模型和消息模型进行集成，构建形成仿真实体模型，并存入仿真模型库中。

3.2 仿真运行分系统

该分系统主要基于FLAMES仿真引擎进行航天电子对抗作战仿真推演，生成航天电子对抗作战态势数据。主要包括想定编辑模块、仿真控制模块、仿真分析模块以及FLAMES仿真引擎和想定数据库等几个部分。

其中想定编辑模块的主要功能是通过对话框界面、树状列表界面以及三维图形界面输入作战想定信息、编辑作战仿真实体、构建对抗双方的装备体系以完成作战想定的编辑。仿真控制模块的主要功能是设置想定方案并进行想定转换，启动仿真引擎，实现仿真运行；在仿真推演过程中，实现对仿真过程的控制（暂停、继续、终止等），并实现对仿真运行速度的控制等功能。仿真分析模块的主要功能是对仿真推演过程中以及推演结束后产生的仿真结果数据的实时接收和后期分析处理，并将评估结果以图表形式显示出来。

3.3 态势显示分系统

态势显示部分主要包括态势转换模块以及STK二/三维显示模块等几个部分。主要是通过态势转换模块实时接收并处理航天电子对抗仿真态势数据，通过STK 2/3D显示控件进行态势呈现。此外，态势转换模块也可以通过读取仿真结果记录并驱动STK 2/3D显示控件进行航天电子对抗作战态势的回放。航天电子对抗仿真态势显示效果如图7所示。