陳遵銀，楊明緒

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

直升機(jī)反潛作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳遵銀，楊明緒

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

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

航空反潛；戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練；系統(tǒng)仿真

0 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，直升機(jī)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(duì)入列給直升機(jī)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(jī)、機(jī)-機(jī)等兵力兵器之間的協(xié)同是一項(xiàng)十分復(fù)雜的作戰(zhàn)過程。反潛戰(zhàn)是現(xiàn)代海戰(zhàn)中最為復(fù)雜、又極為重要的軍事行動(dòng)。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(diǎn)，多年來一直受到世界各國的高度重視，海軍強(qiáng)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(biāo)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(shí)有效反潛訓(xùn)練，是反潛部隊(duì)所要完成日常性工作。縱觀國外，英美等國外海軍除了在海上進(jìn)行長時(shí)間的反潛訓(xùn)練（演習(xí)等），在岸上還配有各種各樣的用于反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，為反潛人員在岸基應(yīng)用仿真技術(shù)開展日常訓(xùn)練和戰(zhàn)法演練等，大大地增強(qiáng)和提高反潛人員的反潛作戰(zhàn)能力。本文研究設(shè)計(jì)了一種基于HLA的航空反潛作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Rational統(tǒng)一過程對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)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(xùn)練仿真系統(tǒng)在配置上強(qiáng)調(diào)使用靈活、易于維護(hù)，適合部署在作戰(zhàn)部隊(duì)或機(jī)關(guān)（指揮所）。系統(tǒng)需由仿真導(dǎo)演臺(tái)、仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺(tái)和仿真設(shè)備操作臺(tái)3種臺(tái)位和時(shí)鐘服務(wù)器組成，通過以太網(wǎng)構(gòu)成C/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。仿真導(dǎo)演臺(tái)位是唯一的，由仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺(tái)和仿真設(shè)備操作臺(tái)作為操作單元反潛機(jī)仿真臺(tái)可以根據(jù)反潛訓(xùn)練實(shí)際需要進(jìn)行1～6個(gè)仿真機(jī)組的進(jìn)行配置（圖1）。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，由仿真導(dǎo)演臺(tái)設(shè)置任務(wù)，通過參訓(xùn)機(jī)組各臺(tái)位協(xié)同配合，能夠完成反潛模擬訓(xùn)練等任務(wù)。

仿真導(dǎo)演臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)運(yùn)行控制等管理功能，同時(shí)以二維曲線圖顯示整個(gè)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(jī)仿真臺(tái)，每一個(gè)仿真臺(tái)位包括仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺(tái)和仿真設(shè)備操作臺(tái)。仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺(tái)主要完成組織協(xié)調(diào)機(jī)組各成員戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，掌握敵我戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，熟練運(yùn)用反潛方法，及時(shí)調(diào)整反潛方案，使用浮標(biāo)、標(biāo)志彈和反潛武器。仿真設(shè)備操作臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作員使用吊放聲納、航空磁探儀和浮標(biāo)系統(tǒng)搜索、跟蹤潛艇。用于直升機(jī)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(xùn)練，并為戰(zhàn)術(shù)指揮長臺(tái)提供目標(biāo)信息，供戰(zhàn)術(shù)指揮長進(jìn)行下一步的戰(zhàn)術(shù)決策。

時(shí)鐘，協(xié)調(diào)整個(gè)仿真系統(tǒng)的時(shí)間推進(jìn)機(jī)制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

1.2 臺(tái)位設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括仿真導(dǎo)演臺(tái)、仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺(tái)和仿真設(shè)備操作員等多種臺(tái)位。在配置上以機(jī)組為基本單位，由仿真導(dǎo)演臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制，實(shí)現(xiàn)反潛過程的模擬。

1.2.1 仿真導(dǎo)演臺(tái)

仿真導(dǎo)演臺(tái)負(fù)責(zé)完成作戰(zhàn)想定與仿真控制、潛艇目標(biāo)操控、訓(xùn)練記錄回放以及兵力支持等諸多功能。在后臺(tái)運(yùn)行的兵力行為模型支持模塊也是導(dǎo)演臺(tái)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)進(jìn)行反潛過程態(tài)勢的計(jì)算與控制。

（1）作戰(zhàn)想定與仿真控制。設(shè)定訓(xùn)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(jī)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(shí)顯示潛艇目標(biāo)和直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。顯示機(jī)組搜潛攻潛過程以及結(jié)果，可根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)的需要，隨時(shí)啟動(dòng)、暫停、加速或停止反潛訓(xùn)練過程。

（2）潛艇目標(biāo)操控。設(shè)定潛艇目標(biāo)信息（目標(biāo)特性、航向、航速以、平面運(yùn)動(dòng)位置和機(jī)動(dòng)規(guī)避方式等），在仿真過程中可以隨時(shí)改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這里以潛艇目標(biāo)信息中速度和航向?yàn)槔?，研究其仿真模型?/p>

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

（4）兵力行為支持。反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)的，主要仿真模型包括海洋水聲環(huán)境計(jì)算和目標(biāo)仿真、吊放聲納搜潛仿真、聲納浮標(biāo)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(tái)

仿真臺(tái)位由戰(zhàn)術(shù)指揮長操控，負(fù)責(zé)空中領(lǐng)航和反潛戰(zhàn)術(shù)活動(dòng)，完成組織協(xié)調(diào)機(jī)組各成員戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，掌握敵我戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，熟練運(yùn)用反潛方法，及時(shí)調(diào)整反潛方案，使用浮標(biāo)、標(biāo)志彈和反潛武器。

（1）戰(zhàn)術(shù)指揮長操控。操控多架直升機(jī)的飛行狀態(tài)，包括高度、速度和航向，1個(gè)操作臺(tái)可控制仿真中的任意一架直升機(jī)，但同時(shí)只能控制1架；顯示所操控直升機(jī)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(jī)的武備投放，模擬雷達(dá)顯示屏二次信息的顯示。

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

1.2.3 仿真設(shè)備操作臺(tái)

仿真設(shè)備操作臺(tái)位由設(shè)備操作員操控，在反潛飛行中的任務(wù)是“了解戰(zhàn)術(shù)指揮長戰(zhàn)術(shù)方案，負(fù)責(zé)使用吊放聲納、航空磁探儀和浮標(biāo)系統(tǒng)搜索、跟蹤潛艇”。該臺(tái)位包括2個(gè)主要模擬模塊。

（1）海洋環(huán)境與目標(biāo)特性模擬。采用高斯束射線模型BELLHOP來計(jì)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(fù)雜三維環(huán)境下的聲場計(jì)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(jìn)行傳播損失計(jì)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(jī)的收放，聲方位、回聲定位、手動(dòng)跟蹤、自動(dòng)搜索、自動(dòng)跟蹤、半自動(dòng)跟蹤6種工作方式，以及向仿真戰(zhàn)術(shù)指揮長臺(tái)傳送目標(biāo)數(shù)據(jù)等。聲納浮標(biāo)的功能模擬，即模擬聲納浮標(biāo)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(rèn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的信息顯示等3種功能。

2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用HLA體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，通過RTI服務(wù)器將各功能模塊以聯(lián)邦成員的形式實(shí)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(tái)和潛艇目標(biāo)的操控等。海洋環(huán)境仿真提供訓(xùn)練海區(qū)水聲環(huán)境，訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫提供實(shí)際訓(xùn)練歷史數(shù)據(jù)樣本和武器裝備數(shù)據(jù)庫提供訓(xùn)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(gè)聯(lián)邦成員必須公布它計(jì)劃產(chǎn)生的對(duì)象類和交互類，并訂購它感興趣的對(duì)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(duì)象模型來描述聯(lián)邦及聯(lián)邦成員在運(yùn)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▽?duì)聯(lián)邦對(duì)象模型進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)行為建模，可以方便地實(shí)現(xiàn)模塊重用和擴(kuò)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(jì)劃，以Init OK交互的定購來獲知其他聯(lián)邦成員是否準(zhǔn)備完畢。在作戰(zhàn)仿真運(yùn)行階段，以Sin To Date Time交互的發(fā)布進(jìn)行仿真時(shí)間推進(jìn)，以All Unit對(duì)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(jìn)；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(shí)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(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)的，主要仿真模型包括海洋水聲環(huán)境計(jì)算和目標(biāo)仿真、吊放聲納搜潛仿真、聲納浮標(biāo)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(shí)，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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、暫存和存儲(chǔ)；回放時(shí)，采用SQL數(shù)據(jù)庫操作語句和交互選擇對(duì)話框，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取和有選擇重現(xiàn)，并可以對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行簡單維護(hù)。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(xùn)練過程中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，為反潛效果的評(píng)估提供科學(xué)的依據(jù)。記錄與回放子系統(tǒng)作為反潛訓(xùn)練仿真系統(tǒng)記錄與推演部分，是整個(gè)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(yùn)行。

2.4 戰(zhàn)術(shù)指揮長操控

戰(zhàn)術(shù)指揮長操控臺(tái)作為反潛訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的一架反潛機(jī)仿真機(jī)組的指揮中心，能根據(jù)本機(jī)組對(duì)多個(gè)潛艇目標(biāo)信息數(shù)據(jù)融合的結(jié)果產(chǎn)生機(jī)組的反潛方案，并能夠?qū)φ麄€(gè)機(jī)組進(jìn)行指揮控制一個(gè)重要組成部分，負(fù)責(zé)一架反潛直升機(jī)飛行控制、武備投放、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢顯示和作戰(zhàn)標(biāo)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(yùn)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(duì)話框，以及反潛作戰(zhàn)標(biāo)圖對(duì)話框。作為聯(lián)邦中的一個(gè)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(jìn)（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(tái)作為反潛機(jī)組重要聯(lián)邦成員，是整個(gè)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(yùn)行?？山邮諔?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(biāo)、進(jìn)行目標(biāo)指示和定位，還可以通過機(jī)載對(duì)抗器材或反潛武器進(jìn)行防御或攻擊。

2.6 潛艇目標(biāo)操控

潛艇目標(biāo)操控子系統(tǒng)作為反潛戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)抗訓(xùn)練的重要部分，定購所操控潛艇的狀態(tài)信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇作戰(zhàn)單元的操控。潛艇目標(biāo)操控模塊在HLA環(huán)境下運(yùn)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(duì)仿真系統(tǒng)開發(fā)過程進(jìn)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(qiáng)了仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中的可讀性和維護(hù)性。結(jié)合VC++7.0編程完成了仿真系統(tǒng)框架的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)使用不受配合目標(biāo)、飛機(jī)狀態(tài)和海區(qū)條件等因素的影響，隨時(shí)組織人員進(jìn)行反潛訓(xùn)練，豐富了部隊(duì)反潛訓(xùn)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(jìn)行訓(xùn)練后講評(píng)和戰(zhàn)術(shù)研究，也可為機(jī)關(guān)評(píng)估部隊(duì)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(shí)的反潛訓(xùn)練，可有效加深受訓(xùn)人員對(duì)航空反潛復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)指揮員沉著、冷靜、敏銳的戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)，提升部隊(duì)的航空反潛能力。該系統(tǒng)經(jīng)過部隊(duì)近一年的使用表明：系統(tǒng)的各項(xiàng)功能達(dá)到了研制協(xié)議和技術(shù)方案的要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用操作簡單，符合部隊(duì)操作習(xí)慣和實(shí)際，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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〔編輯 利文〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.49