直升機反潛作戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳遵銀，楊明緒

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

直升機反潛作戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳遵銀，楊明緒

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

針對某型直升機反潛訓練效率低的問題，提出了基于HLA的某型直升機反潛訓練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)運用反潛作戰(zhàn)仿真建模方法，以VC++7.0為軟件設(shè)計工具，基于HLA對直升機反潛訓練課目進行仿真，著重從臺位設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)實現(xiàn)等方面進行一定的研究。目前，系統(tǒng)已成功投入使用，實踐證明，系統(tǒng)設(shè)計合理、運行穩(wěn)定、模擬效果逼真，能夠滿足反潛部隊作戰(zhàn)訓練的需要，并可以為其他反潛機型岸基訓練系統(tǒng)研制提供一定的借鑒。

航空反潛；戰(zhàn)術(shù)訓練；系統(tǒng)仿真

0 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，直升機反潛作戰(zhàn)已成為高技術(shù)條件下海戰(zhàn)的重要作戰(zhàn)樣式，隨著航母編隊入列給直升機反潛作戰(zhàn)能力的有效提升產(chǎn)生了極其重要的作用。艦-機、機-機等兵力兵器之間的協(xié)同是一項十分復雜的作戰(zhàn)過程。反潛戰(zhàn)是現(xiàn)代海戰(zhàn)中最為復雜、又極為重要的軍事行動。航空反潛作為現(xiàn)代反潛戰(zhàn)的重要組成部分，與其他反潛方式相比，具有速度快、效率高和受潛艇威脅小等特點，多年來一直受到世界各國的高度重視，海軍強國投入了大量的人力、物力來提高航空反潛作戰(zhàn)能力。因反潛作戰(zhàn)效果受多種因素的影響，如海區(qū)環(huán)境、目標信息、反潛裝備和人員素質(zhì)等因素，如何依據(jù)諸多因素開展扎實有效反潛訓練，是反潛部隊所要完成日常性工作?？v觀國外，英美等國外海軍除了在海上進行長時間的反潛訓練（演習等），在岸上還配有各種各樣的用于反潛戰(zhàn)術(shù)訓練系統(tǒng)，為反潛人員在岸基應用仿真技術(shù)開展日常訓練和戰(zhàn)法演練等，大大地增強和提高反潛人員的反潛作戰(zhàn)能力。本文研究設(shè)計了一種基于HLA的航空反潛作戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，運用Rational統(tǒng)一過程對仿真系統(tǒng)進行開發(fā)，完成了航空反潛仿真系統(tǒng)聯(lián)邦框架的構(gòu)建。

1 仿真系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)布局

航空反潛訓練仿真系統(tǒng)在配置上強調(diào)使用靈活、易于維護，適合部署在作戰(zhàn)部隊或機關(guān)（指揮所）。系統(tǒng)需由仿真導演臺、仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺和仿真設(shè)備操作臺3種臺位和時鐘服務器組成，通過以太網(wǎng)構(gòu)成C/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。仿真導演臺位是唯一的，由仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺和仿真設(shè)備操作臺作為操作單元反潛機仿真臺可以根據(jù)反潛訓練實際需要進行1～6個仿真機組的進行配置（圖1）。系統(tǒng)在運行時，由仿真導演臺設(shè)置任務，通過參訓機組各臺位協(xié)同配合，能夠完成反潛模擬訓練等任務。

仿真導演臺，主要實現(xiàn)對整個仿真系統(tǒng)運行控制等管理功能，同時以二維曲線圖顯示整個仿真的作戰(zhàn)海區(qū)全景態(tài)勢，作戰(zhàn)數(shù)據(jù)記錄與回放等功能。

反潛機仿真臺，每一個仿真臺位包括仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺和仿真設(shè)備操作臺。仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺主要完成組織協(xié)調(diào)機組各成員戰(zhàn)術(shù)動作，掌握敵我戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，熟練運用反潛方法，及時調(diào)整反潛方案，使用浮標、標志彈和反潛武器。仿真設(shè)備操作臺主要實現(xiàn)設(shè)備操作員使用吊放聲納、航空磁探儀和浮標系統(tǒng)搜索、跟蹤潛艇。用于直升機搜潛設(shè)備（吊聲、浮聲、磁探）的搜潛功能、搜索潛艇過程和搜潛戰(zhàn)術(shù)訓練，并為戰(zhàn)術(shù)指揮長臺提供目標信息，供戰(zhàn)術(shù)指揮長進行下一步的戰(zhàn)術(shù)決策。

時鐘，協(xié)調(diào)整個仿真系統(tǒng)的時間推進機制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

1.2 臺位設(shè)計

該系統(tǒng)包括仿真導演臺、仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺和仿真設(shè)備操作員等多種臺位。在配置上以機組為基本單位，由仿真導演臺進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制，實現(xiàn)反潛過程的模擬。

1.2.1 仿真導演臺

仿真導演臺負責完成作戰(zhàn)想定與仿真控制、潛艇目標操控、訓練記錄回放以及兵力支持等諸多功能。在后臺運行的兵力行為模型支持模塊也是導演臺的重要組成部分，它負責進行反潛過程態(tài)勢的計算與控制。

（1）作戰(zhàn)想定與仿真控制。設(shè)定訓練海區(qū)位置及形狀，設(shè)定水文條件或調(diào)用海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫有關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)布數(shù)據(jù)，設(shè)定直升機初始位置、攜帶的搜潛設(shè)備和攻潛武器。以電子海圖的形式顯示反潛作戰(zhàn)過程的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，同時顯示潛艇目標和直升機的運動情況。顯示機組搜潛攻潛過程以及結(jié)果，可根據(jù)訓練任務的需要，隨時啟動、暫停、加速或停止反潛訓練過程。

（2）潛艇目標操控。設(shè)定潛艇目標信息（目標特性、航向、航速以、平面運動位置和機動規(guī)避方式等），在仿真過程中可以隨時改變其運動狀態(tài)。這里以潛艇目標信息中速度和航向為例，研究其仿真模型。

（3）訓練過程記錄與回放。主要對訓練過程進行記錄、回放、凍結(jié)、評估及成績管理。在訓練過程中，以黑匣子的方式記錄訓練過程中的一切操作和飛行數(shù)據(jù)，能夠隨時凍結(jié)訓練過程和回放。對于訓練輔助評估，提供訓練數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計和分析工具，以輔助評判人員評估訓練效果。建立用戶訓練檔案，存儲和管理飛行員訓練成績。

（4）兵力行為支持。反潛戰(zhàn)術(shù)訓練系統(tǒng)的運行要涉及到諸多兵力行為的支持，這些兵力行為主要靠仿真模型來實現(xiàn)的，主要仿真模型包括海洋水聲環(huán)境計算和目標仿真、吊放聲納搜潛仿真、聲納浮標搜潛仿真、磁探儀搜潛仿真、攻潛武器仿真等模型。

1.2.2 仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺

仿真臺位由戰(zhàn)術(shù)指揮長操控，負責空中領(lǐng)航和反潛戰(zhàn)術(shù)活動，完成組織協(xié)調(diào)機組各成員戰(zhàn)術(shù)動作，掌握敵我戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，熟練運用反潛方法，及時調(diào)整反潛方案，使用浮標、標志彈和反潛武器。

（1）戰(zhàn)術(shù)指揮長操控。操控多架直升機的飛行狀態(tài)，包括高度、速度和航向，1個操作臺可控制仿真中的任意一架直升機，但同時只能控制1架；顯示所操控直升機的飛行狀態(tài)，包括高度、速度、航向、武器和裝備等，控制所操控直升機的武備投放，模擬雷達顯示屏二次信息的顯示。

（2）動態(tài)戰(zhàn)術(shù)標圖。該模塊提供了動態(tài)戰(zhàn)術(shù)標圖功能，用以替代戰(zhàn)術(shù)指揮長的紙上手工標圖，既可以實現(xiàn)快速、準確、規(guī)范的標圖，又能夠方便地進行結(jié)果的保存及打印。采用雙顯示器配置，一個顯示設(shè)備控制功能面板和機上戰(zhàn)術(shù)顯示器信息，另一個顯示動態(tài)戰(zhàn)術(shù)標圖的界面。包括：依據(jù)經(jīng)緯度標繪圖標，如直升機的吊點、潛艇和浮標位置等，并能設(shè)定標圖時間。控制經(jīng)緯度范圍，包括放大、縮小和拖動繪圖區(qū)。顯示本機位置，并將本機位置設(shè)為標圖表中心。顯示友機信息、操作員姓名、氣象信息等將標圖表保存為圖片格式（.bmp）。

1.2.3 仿真設(shè)備操作臺

仿真設(shè)備操作臺位由設(shè)備操作員操控，在反潛飛行中的任務是“了解戰(zhàn)術(shù)指揮長戰(zhàn)術(shù)方案，負責使用吊放聲納、航空磁探儀和浮標系統(tǒng)搜索、跟蹤潛艇”。該臺位包括2個主要模擬模塊。

（1）海洋環(huán)境與目標特性模擬。采用高斯束射線模型BELLHOP來計算聲線軌跡及傳播損失，較好地處理聲線能量焦散和完全影區(qū)等問題，并且適用于距離相關(guān)條件和復雜三維環(huán)境下的聲場計算。水聲傳播模型主要包括射線理論模型、簡正波模型、多途路徑展開模型、快速場模型和拋物方程模型、各有適用條件。吊放聲納由于基陣尺寸限制，屬于高頻聲納。因此，采用高斯束射線Bellhop模型進行傳播損失計算。Porter等人開發(fā)的Bellhop模型采用高斯射線近似代替幾何射線，能夠較好地處理聲線能量焦散和完全影區(qū)等問題。

（2）搜潛設(shè)備操控。吊放聲納的功能模擬，模擬吊放式聲納水下分機的收放，聲方位、回聲定位、手動跟蹤、自動搜索、自動跟蹤、半自動跟蹤6種工作方式，以及向仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺傳送目標數(shù)據(jù)等。聲納浮標的功能模擬，即模擬聲納浮標的搜索、跟蹤、測向等3種工作方式。磁探儀的功能模擬，磁探儀的使用控制以及確認發(fā)現(xiàn)目標的信息顯示等3種功能。

2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)采用HLA體系結(jié)構(gòu)進行構(gòu)建，通過RTI服務器將各功能模塊以聯(lián)邦成員的形式實現(xiàn)緊密耦合，系統(tǒng)可以非常方便增添和刪減聯(lián)邦成員，本仿真系統(tǒng)聯(lián)邦成員有作戰(zhàn)想定與仿真控制、兵力行為模型支持、仿真過程記錄與回放、戰(zhàn)術(shù)指揮長操控、設(shè)備操作員臺和潛艇目標的操控等。海洋環(huán)境仿真提供訓練海區(qū)水聲環(huán)境，訓練數(shù)據(jù)庫提供實際訓練歷史數(shù)據(jù)樣本和武器裝備數(shù)據(jù)庫提供訓練可能使用反潛武器裝備，其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

在HLA中，每個聯(lián)邦成員必須公布它計劃產(chǎn)生的對象類和交互類，并訂購它感興趣的對象類和交互類。為了提高仿真系統(tǒng)及其部件的重用能力，HLA要求采用統(tǒng)一規(guī)范的對象模型來描述聯(lián)邦及聯(lián)邦成員在運行過程中需要交換的各種數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。采用面向?qū)ο蟮慕７椒▽β?lián)邦對象模型進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)及動態(tài)行為建模，可以方便地實現(xiàn)模塊重用和擴展。

2.1 想定與仿真控制

在作戰(zhàn)仿真初始階段，以Weapon Equip DATA交互發(fā)布作戰(zhàn)單元武器裝備的性能數(shù)據(jù)，以Init交互發(fā)布作戰(zhàn)方案計劃，以Init OK交互的定購來獲知其他聯(lián)邦成員是否準備完畢。在作戰(zhàn)仿真運行階段，以Sin To Date Time交互的發(fā)布進行仿真時間推進，以All Unit對象的定購來獲取仿真中作戰(zhàn)單元狀態(tài)，以Tick OK交互的定購來獲知其他聯(lián)邦成員是否完成仿真推進；以Ruler Control交互的定購來獲得作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的控制命令，以New Air Space交互的定購來獲得仿真中作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的空域，以Man In Loop交互的定購來獲得人在回路的兵力控制情況。以Init交互實現(xiàn)兵力添加、修改、刪除操作控制的發(fā)布。

2.2 兵力行為模型支持

反潛戰(zhàn)術(shù)訓練系統(tǒng)的運行要涉及到諸多兵力行為的支持，這些兵力行為主要靠仿真模型來實現(xiàn)的，主要仿真模型包括海洋水聲環(huán)境計算和目標仿真、吊放聲納搜潛仿真、聲納浮標搜潛仿真、磁探儀搜潛仿真、攻潛武器仿真等模型。

2.3 仿真過程記錄與回放

記錄與回放子系統(tǒng)工作在記錄狀態(tài)時，采用HLA體系結(jié)構(gòu)、向量容器、ADO和Microsoft Office Access Database，結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫操作語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、暫存和存儲；回放時，采用SQL數(shù)據(jù)庫操作語句和交互選擇對話框，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時讀取和有選擇重現(xiàn)，并可以對數(shù)據(jù)庫進行簡單維護。系統(tǒng)可以完成反潛過程中主要操作信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄、回放和態(tài)勢展示，并能將訓練過程中記錄的數(shù)據(jù)進行篩選和分析，為反潛效果的評估提供科學的依據(jù)。記錄與回放子系統(tǒng)作為反潛訓練仿真系統(tǒng)記錄與推演部分，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總中心，以系統(tǒng)聯(lián)邦成員的形式與系統(tǒng)中其他組成部分協(xié)調(diào)運行。

2.4 戰(zhàn)術(shù)指揮長操控

戰(zhàn)術(shù)指揮長操控臺作為反潛訓練仿真系統(tǒng)的一架反潛機仿真機組的指揮中心，能根據(jù)本機組對多個潛艇目標信息數(shù)據(jù)融合的結(jié)果產(chǎn)生機組的反潛方案，并能夠?qū)φ麄€機組進行指揮控制一個重要組成部分，負責一架反潛直升機飛行控制、武備投放、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢顯示和作戰(zhàn)標圖，以系統(tǒng)聯(lián)邦成員的形式與系統(tǒng)中其它組成部分協(xié)調(diào)運行。主要包括飛行控制、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢顯示和武備投放控制對話框，以及反潛作戰(zhàn)標圖對話框。作為聯(lián)邦中的一個成員，發(fā)布初始化完成（Init OK）、加入聯(lián)邦（Join HLA）、退出聯(lián)邦（Exit HLA）等交互；定購接受聯(lián)邦中的仿真推進（Sin To Data Time）、兵力仿真狀態(tài)（All Unit）等交互。

2.5 設(shè)備操作員操控

設(shè)備操作員操控臺作為反潛機組重要聯(lián)邦成員，是整個系統(tǒng)探測設(shè)備操作中心，以系統(tǒng)聯(lián)邦成員的形式與系統(tǒng)中其它組成部分協(xié)調(diào)運行。可接收戰(zhàn)術(shù)指揮長的指令，在指定方位上利用吊放聲納探測目標、進行目標指示和定位，還可以通過機載對抗器材或反潛武器進行防御或攻擊。

2.6 潛艇目標操控

潛艇目標操控子系統(tǒng)作為反潛戰(zhàn)術(shù)訓練系統(tǒng)執(zhí)行對抗訓練的重要部分，定購所操控潛艇的狀態(tài)信息進行界面顯示，通過人在回路的交互控制，向CGF發(fā)布操作控制信息和控制命令，實現(xiàn)對潛艇作戰(zhàn)單元的操控。潛艇目標操控模塊在HLA環(huán)境下運行。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于HLA的仿真聯(lián)邦結(jié)構(gòu)，利用RTI統(tǒng)一過程對仿真系統(tǒng)開發(fā)過程進行了可視化建模分析，建立了用例模型、結(jié)構(gòu)模型和行為模型，增強了仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中的可讀性和維護性。結(jié)合VC++7.0編程完成了仿真系統(tǒng)框架的實現(xiàn)。該系統(tǒng)使用不受配合目標、飛機狀態(tài)和海區(qū)條件等因素的影響，隨時組織人員進行反潛訓練，豐富了部隊反潛訓練的形式。系統(tǒng)具備完善的記錄與回放功能，可以方便地進行訓練后講評和戰(zhàn)術(shù)研究，也可為機關(guān)評估部隊及人員的反潛能力提供一定的依據(jù)。通過系統(tǒng)比較全面、真實的反潛訓練，可有效加深受訓人員對航空反潛復雜性的認識，培養(yǎng)指揮員沉著、冷靜、敏銳的戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)，提升部隊的航空反潛能力。該系統(tǒng)經(jīng)過部隊近一年的使用表明：系統(tǒng)的各項功能達到了研制協(xié)議和技術(shù)方案的要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用操作簡單，符合部隊操作習慣和實際，各項性能指標達到了設(shè)計要求。

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〔編輯 利文〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.49