基于HLA反潛戰術訓練仿真系統設計*

陳遵銀，孫明太，李居偉

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 266041）

基于HLA反潛戰術訓練仿真系統設計*

陳遵銀，孫明太，李居偉

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 266041）

針對直升機反潛訓練效率低的問題，提出了基于HLA的反潛戰術訓練仿真系統設計。系統運用反潛作戰仿真建模方法，以VC++7.0為軟件設計工具，基于HLA對反潛戰術課目訓練進行仿真，著重從臺位設計、體系結構和技術實現等方面進行一定的研究。實踐證明，系統設計合理，運行穩定，模擬效果逼真，能夠滿足反潛部隊戰術訓練需要。

航空反潛，戰術訓練，HLA，VisualC++，系統仿真

引言

航空反潛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能力。因反潛作戰受海區環境、目標信息、反潛裝備和人員素質等多種因素影響，其作戰效果受到一定限制，加之潛艇目標的隱蔽性不斷增強，海區環境復雜多變，增加了作戰指揮決策的要求。缺乏反潛理論知識和高效反潛訓練手段，要想在未來復雜的戰場環境下取得反潛作戰的勝利極為困難。反觀國外的航空反潛人員除經過正規嚴格的院校教育訓練外，也要在海上進行長時間的反潛訓練（演習等），為了提高海上反潛訓練的效率，在岸上也配有成套的反潛戰術訓練系統，用于反潛人員的日常訓練和戰法演練等［1］。為了提高某型直升機反潛戰術訓練水平，研制開發一套岸上反潛戰術訓練系統顯得尤為必要。

1 系統結構

1.1 系統布局

反潛戰術訓練系統配置簡單、易于維護，適合部署在作戰部隊或機關（指揮所）。系統由導演臺、戰術指揮長操作臺（以下簡稱一領臺）和設備操作臺（以下簡稱二領臺）3種臺位組成，通過以太網構成C/S結構系統。導演臺是唯一的，一領臺和二領臺根據訓練需要可配置1個～6個機組的，如圖1所示。導演臺設置任務，各機組協同配合，能夠完成反潛模擬訓練任務。

圖1 系統配置圖

1.2 系統臺位設計

該系統由導演臺進行協調和控制，實現反潛過程的模擬。臺位功能模塊組成如圖2所示。

圖2 系統臺位功能模塊組成框圖

1.2.1 導演臺

導演臺負責完成作戰想定與仿真控制、潛艇目標操控、訓練記錄回放等功能。在后臺運行的兵力行為模型支持模塊負責進行反潛過程態勢的計算與控制。

（1）作戰想定與仿真控制模塊

設定訓練海區位置及形狀，設定水文條件或調用海洋環境數據庫有關數據并發布數據，設定直升機初始位置、攜帶的搜潛設備和攻潛武器。以電子海圖的形式顯示反潛作戰過程的戰術態勢，同時顯示潛艇目標和直升機的運動情況。顯示機組搜攻潛過程以及搜潛和攻潛結果，可根據訓練任務的需要，隨時啟動、暫停、加速或停止反潛訓練過程。具體功能包括：情況的圖形想定編輯，作戰方案的決心編輯，自然環境設定；作戰仿真進程控制，監視聯邦成員情況，控制仿真進程；自定義、打開、保存想定；情況想定編輯；兵力標注；作戰過程態勢顯示；仿真進程控制；兵力添加、修改，武器裝備配置；陣地（包括空域）設計。

（2）潛艇目標操控模塊

設定潛艇目標信息（類型、目標特性、航向、航速、深度和機動規避方式），在仿真過程中可以隨時改變其運動狀態。功能包括：潛艇的機動控制（包括變向、變速、變深）；顯示當前時刻潛艇感知的位置、航向、航速、航深；在綜合顯示區實時顯示可疑聲信號以及魚雷的告警、目標舷角和距離信息。

（3）訓練過程記錄與回放模塊

反潛過程主要操作信息和狀態數據的記錄、回放和態勢顯示，對記錄的數據進行篩選和分析，為反潛效果的評估提供科學的依據。功能包括：反潛訓練過程記錄數據的讀取、暫存和存儲；過程回放數據的實時讀取和重現；數據庫進行分類、備份、庫文件操作；導演臺戰術態勢、反潛直升機戰術動作的復現以及統計分析各參演反潛直升機使用不同搜潛裝備定位潛艇的信息。

（4）兵力行為支持模塊

反潛戰術訓練系統的運行涉及諸多兵力行為的支持，主要靠仿真模型來實現，模型包括海洋水聲環境計算和目標仿真、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 一領臺

一領臺由戰術指揮長操控，負責空中領航和反潛戰術活動，組織協調機組各成員戰術動作，掌握敵我戰術態勢，熟練運用反潛方法，及時調整反潛方案，使用浮標、標志彈和反潛武器。

（1）戰術指揮長操控模塊

操控多架直升機的飛行狀態，包括高度、速度和航向，一個操作臺可控制仿真中的任意一架直升機，但同時只能控制一架；顯示所操控直升機的飛行狀態，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）動態戰術標圖模塊

一領臺提供了動態戰術標圖功能，用以替代戰術指揮長的紙上手工標圖，既可以實現快速、準確、規范的標圖，又能夠方便地進行結果的保存及打印。采用雙顯示器配置，一個顯示設備控制功能面板和機上戰術顯示器信息，另一個顯示動態戰術標圖的界面。包括：依據經緯度標繪圖標，如直升機的吊點、潛艇和浮標位置等，并能設定標圖時間?？刂平浘暥确秶?，包括放大、縮小和拖動繪圖區。顯示本機位置，并將本機位置設為標圖表中心。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 二領臺

二領臺由設備操作員操控，其任務是理解并執行戰術指揮長戰術方案，負責使用吊放聲納、浮標系統搜索和跟蹤潛艇。用于直升機搜潛設備的搜潛功能、搜潛過程和搜潛戰術訓練，并為一領臺提供目標信息，供戰術指揮長進行下一步的戰術決策。

（1）海洋環境與目標特性模擬模塊

根據具體的海洋環境、聲納設備和潛艇目標參數計算出一定范圍內的二維聲場，用于計算聲納回波信號的強度。

（2）搜潛設備操控模塊

吊放聲納的功能模擬，即吊聲水下分機的收放，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，以及向戰術指揮長子系統傳送目標數據等。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［2］。

1.3 系統的軟件結構

系統采用HLA體系結構進行構建，通過RTI服務器將各功能模塊以聯邦成員的形式實現緊密耦合，系統聯邦成員包括作戰想定與仿真控制、兵力行為模型支持、仿真過程記錄與回放，以及一領臺、二領臺和潛艇目標的操控等。其軟件體系結構如圖3所示。

圖3 系統軟件體系結構圖

限于篇幅，本文以想定與仿真控制子系統聯邦成員為例說明技術實現方法。在作戰仿真初始階段，以WeaponEquipDATA交互發布作戰單元武器裝備的性能數據，以Init交互發布作戰方案計劃，以InitOK交互的定購來獲知其他聯邦成員是否準備完畢。在作戰仿真運行階段，以SinToDateTime交互的發布進行仿真時間推進，以AllUnit對象的定購來獲取仿真中作戰單元狀態，以TickOK交互的定購來獲知其他聯邦成員是否完成仿真推進；以Ruler-Control交互的定購來獲得作戰單元產生的控制命令，以NewAirSpace交互的定購來獲得仿真中作戰單元產生的空域，以ManInLoop交互的定購來獲得人在回路的兵力控制情況。以Init交互實現兵力添加、修改、刪除操作控制的發布。這些交互和對象如表1所示，程序體系結構如圖4所示。

表1 想定與仿真控制聯邦成員FOM定義

圖4 作戰想定與仿真程序體系結構圖

2 關鍵技術

2.1 淺海聲場計算

反潛訓練的重點海域屬于淺海環境。淺海海區的水文條件較為復雜多變，海況、水溫、環境噪聲等影響都比較大。利用實測水聲數據精確地預報出淺海聲速負梯度和負躍層兩種典型的聲速分布特征。采用高斯束射線模型BELLHOP對水下聲場預先進行計算，采用均方聲壓（MSP）聲納方程，對影響聲納性能的各項參數進行計算，并對Bellhop模型計算結果進行修正［3］。仿真結果表明該模型能夠較好地處理聲線能量焦散和完全影區等問題，并且適用于距離相關條件和復雜三維環境下的聲場計算。

2.2 潛艇目標特征仿真

潛艇目標特性是航空探潛設備的“信息源”。在反潛作戰時，反潛人員可以利用這一特性進行搜索、跟蹤和攻擊。潛艇聲學特性包括潛艇的輻射噪聲聲源級和反射強度。首先采用經驗公式對等效平面波（EPWI）聲納方程體系下的潛艇聲源級SL進行估算，然后計算均方聲壓（MSP）聲納方程體系下的潛艇目標聲源slMSP。潛艇目標反射強度TS則采用海上實驗的結果進行估計，進而計算MSP聲納方程體系下的潛艇目標強度tsMSP。

2.3 基于聽覺掩蔽效應的信號增強

系統用于聽測的吊聲信號來源于部隊實測的噪聲樣本，樣本主要采用錄音筆或者221系統錄制，錄制過程不可避免地帶有各種干擾［4］。本系統提出基于聽覺掩蔽效應的信號增強技術進行處理。首先將信號進行頻譜分析，將線性頻率轉化為Bark域參數，構造Bark子波函數；進行信號的檢測，估計背景干擾噪聲；計算噪聲掩蔽閾值T（ω），在T（ω）上應用時頻減參數α，β；通過參量減法，將α，β代入，計算增強信號干擾頻譜大??；進行Bark子波變換，實現信號恢復。

2.4 兵力生成

系統核心是仿真模型服務器，模型包括：武器裝備仿真模型，對兵力單元實體和武器單元實體的運動、探測、要素解算、通信等建立物理模型；CGF行為決策仿真模型，區分人工操控和自動作戰單元實體，對自動作戰單元進行感知、態勢分析與判斷、決策生成和決策實施建立模型［5］；自然環境仿真模型，為武器裝備的物理模型和行為決策模型仿真運行提供所需的自然環境模型。

2.5 HLA節點連接

反潛作戰訓練系統結構體系復雜，仿真實體多、行為交互頻繁，仿真應用模型異構明顯，系統仿真持續時間長，容錯要求高。為了使各子系統能夠實時協調仿真，并無縫加入更大體系的綜合仿真網中去，系統采用基于高層體系結構HLA技術規范的分布式交互仿真結構。RTI是HLA仿真系統的核心，各聯邦成員的數據交換和交互協調都是在RTI的控制下完成的。根據戰術訓練系統的特點和規模，底層通信網絡將選擇100 M交換式以太網，采用以交換機為中心的星型拓撲結構，這樣既能滿足數據交換的實時性，又有利于系統擴充。各仿真節點不僅可通過網絡進行數據交換，還可以共享多種支撐軟件和模型庫、數據庫、圖形庫等各種資源。

2.6 訓練回放控制

訓練過程記錄會產生大量的數據流，只記錄兵力狀態改變關鍵點數據，可以減小數據處理壓力，并滿足實時寫入數據庫要求，但通過兵力行為支持模型驅動回放時，易造成回放延遲與數據誤差。系統采用無損壓縮技術提供了最完備的回放數據，并采用動態向量容器，有效地避免了信息堆積而產生沖突與覆蓋，確保了記錄數據完整性和準確性?；胤艜r，能夠再現訓練過程全部信息，數據還原率達到100%。對記錄下來的各種數據采用統一結構表加以管理，為數據回放、分類和對比提供有效手段。

3 結束語

該系統使用不受配合目標、飛機狀態和海區條件等因素的影響，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術研究，也可為機關評估部隊及人員的反潛能力提供一定的依據［5］。通過系統比較全面、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，培養指揮員沉著、冷靜、敏銳的戰術素養，提升部隊的航空反潛能力。

［1］郭新奇，付霖宇，蔣志忠，等.機載聲納浮標作用距離建模與仿真［J］.電光與控制，2011，18（8）：23-27.

［2］孫明太.航空反潛戰術［M］.北京：軍事科學出版社，2003.

［3］孫明太.航空反潛導論［M］.南京：海軍?？展こ虒W院青島分院，2010.

［4］楊日杰，何 友，孫明太.航空搜潛裝備搜潛范圍建模與仿真研究［J］.系統仿真學報，2003，15（11）：1547-1549.

［5］吳 芳，楊日杰，高青偉.主/被動聯合多基地航空搜潛建模與仿真［J］.北京航空航天大學學報，2010，36（3）：319-323.

［6］匡貢獻，謝志敏.海洋環境對吊放聲納作戰使用影響研究［J］.海軍航空工程學院學報，2010，25（1）：24-26.

［7］吳金榮，張建蘭，馬 力.主動聲納方程和傳播損失及混響級的定義［J］.應用聲學，2005，25（3）：167-170.

Design of Antisubmarine Tactics Training Emulation System Based on HLA

CHEN Zun-yin，SUN Ming-tai，LI Ju-wei
（Branch of Qingdao，Naval Aeronautical Engineering Academy，Qingdao 266041，China）

Aiming at the problem of a certain type helicopter antisubmarine train inefficient，the design of antisubmarine tactics train emulation system based on HLA has been given.The system is based on the method of antisubmarine Combat Emulation Modeling，with VC as software design tool，and puts great emphasis on studing from platform design，configuration，realization of technology from antisubmarine tactics subjects training emulation based on HLA.The practice has proved that the design of system is logical，circultor is steady the effect of simulation is vivid.The system can be satisfied with the needs of antisubmarine army tactics training.

avation antisubmarine，tactics train，HLA，VisualC++，emulation system

E917

A

1002-0640（2014）11-0153-04

2013-08-05

2013-10-07

航空科學基金資助項目（20115185003）

陳遵銀（1965- ），男，江蘇溧水人，碩士，副教授。研究方向：航空反潛火控、航空反潛作戰效能評估。