基于GBB技术海军作战仿真中水下探测和水声对抗设计与实现

王幸军,唐 晨

(海军指挥学院,江苏南京 210016)

海军作战仿真系统通过构建双方多级或多方多级指挥所结构,模拟对海军水面舰艇兵力、海军潜艇兵力、海军航空兵力、海军陆战兵力和海军岸防兵力等海军五大兵种的指挥对抗训练。这些兵力实体间交互形成的战斗行动方式多样,其中,一方潜艇对另一方水面舰艇、潜艇进行攻击,一方水面舰艇、反潜飞机、潜艇协同或独立对另一方潜艇实施反潜,一直是指挥对抗训练的重点内容之一。这种作战行动中,主要体现作战实体通过水下探测、水下攻击、水声对抗等过程,实现对目标的识别与定位、攻击与抗击、干扰与反干扰、欺骗与反欺骗等。不同于大气中的电磁探测与对抗过程,水下探测和水声对抗受海洋环境、目标状态、平台特征、战场态势等因素影响,呈现出多变性特点,是海军作战仿真系统建设的难点。本文通过对海军作战仿真中水下探测和水声对抗功能需求、仿真实体类型和实体颗粒度进行界定,基于GBB技术[1-2](通用黑板,Generic Blackboard,用于开发基于黑板结构专家系统的集成环境),构建水下探测和水声对抗模型体系,设计与GBB数据表交互的数据结构及交互方式并进行了实现,且以实例分析的方法展现了利用该系统进行水下探测和水声对抗相关内容的训练过程。

1 GBB技术的仿真系统结构

在运用GBB技术的仿真系统中,传统意义上的仿真实体模型并不存在,取而代之的是以数据框架和参数形式存在的数据模型。通用黑板作为仿真的数据中心,包含主实体表、实体表和描述符表,其相互关系如图1所示。

图1 通用黑板中表的关系

● 主实体表

每个通用黑板中只有唯一的主实体表,该表存储当前系统在通用黑板中的所有实体,主实体表包含的信息如下:

{主实体ID,实体创建时间,实体类型,实体关联键}

● 实体表

通用黑板中存在大量的实体表,根据实体的不同类型保存不同的数据,实体表包含的信息如下:

{实体ID,描述符关联键1,描述符关联键2,……}

● 描述符表

描述符表主要保存描述所有实体所需要用到的各类模型的数据。

采用GBB技术构建仿真平台,能够支持模型、算法之间的并行计算,将所有模型实体的数据存储在共享内存当中,并实现不同进程间的算法对仿真实体数据进行访问。即仿真运行过程中,实体的不同功能通过调用不同的算法,进行DIS和多Agent实现。海军作战仿真系统是一个实体类型结构复杂,实体数量繁多,对实体操作多样,模型计算量大的系统,采用GBB技术,可以满足仿真计算和数据交互需求。

2 海军作战仿真系统对水下探测和水声对抗功能需求和实体类型的界定

在描述海军作战仿真系统总目标的基础上,就该系统对水下探测和水声对抗功能需求、仿真颗粒度及仿真实体类型进行界定。

2.1 海军作战仿真系统总目标

海军作战仿真系统构建信息化海战场中预警探测、情报侦察、通信指挥、电子对抗、兵力控制、兵力协同、兵力行动、武器运用等全过程仿真,突出对复杂电磁环境影响下“指挥的时效性、指挥决策的准确性、指挥控制的稳定性”等特征的仿真,以满足指挥人员在此平台上开展复杂电磁环境下指挥对抗模拟训练的需要。

2.2 系统对水下探测和水声对抗功能需求的界定

水下探测和水声对抗是海军作战仿真系统的重要组成部分,体现指挥人员在一定的水文条件和战场态势下,运用水下探测装备探测目标及运用水声对抗装备进行水声对抗的行为过程,该行为的效果通过探测结果来表述,并且,探测结果是指挥人员进行下一步决策的依据。其功能需求如下。

水下探测和水声对抗能力表述要以海洋水文环境为基础,即其效能受海洋水文环境多方面因素综合影响。

对水下目标探测能力要体现实体类型及其状态、装备性能、指挥人员运用探测装备的战术。

对水下目标探测结果要为战场态势、武器控制提供依据,即探测结果为后者提供合理的输入。

水声对抗要体现指挥人员运用对抗装备的战术过程,并体现对水下探测的影响,即影响探测设备的探测效能和生成假目标信息。

2.3 系统对水下探测和水声对抗仿真颗粒度及仿真实体类型的界定

海军作战仿真系统以满足训练海军合同战术指挥员为主其他军兵种指挥员为辅的海军诸兵种合同战术层次的训练仿真系统。与此相对应,对水下探测和水声对抗仿真的实现,以模拟指挥人员使用此类装备进行作战行为过程以及描述此类装备效能为目的。由此,仿真实体颗粒度以反映水下探测和水声对抗效能为准则,将指挥人员要指挥操作的仿真实体为被分辨的最小尺度,构建以下六类仿真实体:

1)水文环境实体,对应战场中的水文环境相关内容。基于海区水文条件(海水温度、盐度、密度,海区水深,海底地形与底质,海面海况等)数据库,模拟动态的水文环境,实时提供水下探测与对抗仿真需要的环境数据支撑。

2)声呐实体,对应战场中的声呐。以声呐性能为基础,以声呐搭载平台特性及状态、目标平台特性及状态、战场目标态势和水文条件为依据,模拟声呐在主动、被动或主被动联合等三种工作模式条件下对目标的探测效能。

3)侦察声呐实体,对应战场中的侦察声呐。以侦察声呐性能为基础,以侦察声呐搭载平台特性及状态、目标声呐特性、战场目标态势和水文条件为依据,模拟侦察声呐对主动声呐辐射信号的侦察效能。

4)声诱饵实体,对应战场中的声诱饵。以声诱饵性能为基础,模拟声诱饵运动特性(悬浮、自航、拖曳等)和工作方式(主动式、被动式),模拟其欺骗声呐和来袭鱼雷的过程。

5)噪声干扰器实体,对应战场中的噪声干扰器。以噪声干扰器性能为基础,模拟噪声干扰器运动特性(悬浮、自航、拖曳等)和噪声工作方式,模拟其对声呐进行压制和欺骗过程。

6)气幕弹实体,对应战场中的气幕弹。以气幕弹物理特性为基础,模拟气幕弹对声波的反射、吸收和散射功能,模拟其对主动工作方式声呐的欺骗和对被动声呐探测目标信号的屏蔽。

2.4 仿真系统声呐探测采用的基本模型

声呐探测目标的判定由环境参数、目标特征和声呐基本性能来确定,其表述为声呐方程[3],如公式(1)。

SE=S-N-DT

(1)

式中,SE为信号余量,S为声呐收到的信号,N为声呐噪声,DT为检测门限。仿真实现中,体现不同的探测概率,当SE≥K1时,探测概率P≥0.85,探测效果良好;当K1>SE>K2时,0.85>探测概率P>0.7,探测效果中等;当K2≥SE≥K3时,0.7≥探测概率P≥0.5,探测效果差。

3 水下探测和水声对抗仿真设计及其在GBB中实现

3.1 水下探测和水声对抗仿真模型体系设计

水下探测和水声对抗仿真模型体系是海军作战仿真系统模型体系的子体系。水下探测和水声对抗仿真不仅要体现装备基本效能,还要反映在海战中的作用过程。采用面向对象的方法,将装备的行为过程封装形成对象模型,有效减少与海军作战仿真系统其他模型的耦合性,并提高模型配置的灵活性,如图2。在对象模型中描述水下探测和水声对抗的行为规律,通过对象模型之间的交互表达各实体对象之间的对抗与协同关系[4]。

图2 水下探测和水声对抗仿真模型体系结构示意图

3.2 主要水下探测和水声对抗GBB数据设计

3.2.1 GBB中主实体表、实体表和描述符表

在GBB数据中,水下探测和水声对抗GBB数据主实体表、实体表和描述符表与海军作战仿真系统相关内容对应。舰艇、水文环境描述为主实体表,舰艇主实体表关联声呐、侦察声呐、诱饵、噪声干扰器、气幕弹等实体表,水文环境主实体表关联声速梯度、声传播损失等实体表,声呐、侦察声呐实体表关联其状态、探测结果等描述符表,其他实体关联其状态等描述符表。

3.2.2 水下探测描述符表述一致性设计

声呐有多种工作模式,在不现工作模式中,由于作战过程的多样,探测结果也大不相同。由上文可知,探测结果要为战场态势、武器控制提供依据,且探测结果要写入GBB数据表,为使探测模块便于与其他模块进行交互和GBB数据管理,对探测结果进行一致性设计如下:将声呐最大可能的探测字段进行合并形成一个探测结构——DetectionList,不同工作模式和工作过程的探测结果为其一个子集,并在此结构中设一个子结构ErrorScale,用于描述探测结果的误差范围大小。在具体实现时,ErrorScale中字段表示误差范围大小,全部初始化为负值,有误差时,取其范围,为正值。这样,用一个探测结构,表征了声呐在不同工作模式和不同作战过程中的探测结果。DetectionList结构和ErrorScale结构如下所述。

struct DetectionList

{

int m-nId;∥目标ID

int m-nTaskforce;∥目标属方

int m-nShape;∥目标大小

int m-nType;∥目标类型

GeoPoint m-sLong;∥目标位置点

double m-dVelocity;∥目标速度

double m-dAzimuth;∥目标方位

double m-dRange;∥目标距离

ErrorScale m-sError;∥误差范围大小

}

struct ErrorScale

{

double m-dPositionError;∥位置误差

double m-dAzimuthError;∥方位误差

double m-dRangeError;∥距离误差

double m-dVelError;∥速度误差

double m-dClass;∥目标类别误差

double m-dShape;∥目标大小误差

double m-dForce;∥目标属方误差

}

3.3 水下探测和水声对抗仿真Agent与通用黑板数据表交互设计

海军作战仿真系统基于GBB技术,仿真运行过程中,实行DIS、多Agent运行模式。水文环境Agent,依据动态变化的海洋水文环境,实时提供水文环境信息;水声对抗Agent,依据指挥员的指令,以水声对抗实体性能为基础,实时提供战场空间中水声对抗信息;水下探测Agent,依据指挥员的指令,以水下探测实体性能为基础,并获得战场空间中水文环境信息、水声对抗信息、平台信息,实时提供当前水下战场感知态势信息;水下探测信息是武器控制Agent和探测信息融合Agent的输入,其一致性表述,实现了水下探测Agent与这两Agent松耦合交互[5-6]。具体如图3所示。

图3 水下探测和水声对抗仿真Agent与通用黑板交互关系图

4 仿真实例分析

4.1 问题描述

在某一开阔海区,海况W级,有三艘不同型号舰艇A、B、C,A舰艇携侦察声呐S1,以N1节速度向正南航行,B舰艇携被动声呐S2,以N2节速度向正北航行,C舰艇携主动声呐S3,以N3节速度向正北航行,且C舰艇在B舰艇声呐盲区内。舰艇航行的过程中,按指挥人员指令分别布放气幕弹a,声诱饵b,噪声干扰c,分别验证不同作战态势、声抗条件下舰艇通过水下探测对战场态势的感知情况。具体态势如图4所示。

图4 水下探测和水声对抗实例战场态势

4.2 水下探测和水声对抗仿真控制流程

水下探测和水声对抗仿真与海军作战仿真系统一致,分步长运行。系统运行前,对系统进行初始化,设定仿真初始条件。仿真过程中,系统接收调整实体状态、实施水下探测和水声对抗等指令,各相应Agent响应指令消息,其中,水下探测和水声对抗Agent响应水下探测和水声对抗指令,并进行模拟计算,将计算结果以水下探测信息格式写入GBB表。仿真控制流程如图5。

4.3 实例模拟过程及相应结果

对应于图4,模拟指挥人员指令,在战场中舰艇A、舰艇B、舰艇C的基础上,逐渐调整战场态势,观测模拟结果,如表1。

据表1,可以进一步分析:由态势1可知,在一定海洋水文条件下,水下探测效能与战场态势、装备性能密切相关。由态势2可知,气幕弹实现了对声信号的隔离和形成主动声信号虚拟假目标。由态势3可知,对舰艇C,舰艇A由迎头变为正横位置,主动声呐反射信号增强,体现了目标状态对探测的影响。由态势4可知,声诱饵实现了模拟舰艇机动时产生的辐射噪声信号和对主动声呐的模拟回声信号。由态势5可知,噪声干扰增加了水下探测背景噪声信号,噪声干扰c距离舰艇C较近,大大增加了其主动声呐背景噪声;噪声干扰c在B舰艇声呐盲区内,对舰艇B被动声呐噪声无影响;噪声干扰c距离舰艇A较远,其侦察声呐背景噪声影响不明显。由态势6可知,舰艇降速,航行自噪声减小,增加其水下探测能力,体现指挥人员对战场空间作战实体作战行为的控制过程及结果。

表1 水下探测和水声对抗模拟过程及结果

图5 仿真控制流程

5 结束语

基于GBB技术,对海军作战仿真系统中水下探测和水声对抗部分进行了设计与实现,并在此平台上对水下探测和水声对抗问题进行了实例分析研究。通过实例分析可知,水下探测和水声对抗效能发挥受水文环境状态、实体装备性能、实体状态、战场态势等因素的综合影响,与海上训练中实际效果基本相近,指挥人员可据此对实体状态、类型与数量进行战术控制,达到了利用系统对指挥人员进行水下探测和水声对抗相关内容训练的目的。