聯合機動編隊合同戰術模型建模研究*

紀彥星

(91404部隊　秦皇島　066000)

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聯合機動編隊合同戰術模型建模研究*

紀彥星

(91404部隊秦皇島066000)

摘要聯合機動編隊作為多兵種合成編隊發展的高級階段,是海軍機動作戰力量的主要編成形式,采用合同戰術方法,可以使各機動編隊協調一致地行動,發揮整體威力,大大提高作戰效能。論文采用面向對象的建模過程,從對作戰環境和作戰單元的分析工作著手,研究了聯合機動編隊的作戰空間建模技術,建立了聯合機動編隊作戰指揮環境模型和作戰指揮智能體模型,通過仿真測試實例,對雷達模擬器進行模型校驗,驗證了模型的正確性。

關鍵詞聯合機動編隊; 合同戰術; 戰術模型; 模型驗證

United Battle Group Combined Tactics Model

JI Yanxing

(No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractAs an advanced stage of joint formation, the united battle group is a main maneuver formation of navy. Using combined tactics methods makes each maneuver formations concerted and produce overall power, greatly improving operational effectiveness. In this paper, using object-oriented modeling process, the spatial modeling techniques are researched from the operational environment and operational unit analysis. Battle command model and agent model are established. The simulation tests of radar model prove the correctness of the model.

Key Wordsunited battle group, combined tactics, battle model, model test

Class NumberTP311

1引言

聯合機動編隊通常由大中型水面艦艇、潛艇和航空兵編成,具有較強的預警偵察、指揮控制、一體攻防、綜合保障和整體防護能力。聯合機動編隊作戰時采用的合同戰術是一種指導和進行諸軍種、兵種合同戰斗的方法,可以使軍隊按照統一計劃協調一致地行動,發揮整體威力,合力打擊敵人。由于兵力數量大、協同對象多、組織結構復雜,實時性要求高、參與的戰場環境瞬息萬變,導致聯合機動編隊在進行合同戰術時具有諸多難點,針對此困難,戰術仿真實驗技術是一種合理有效的解決方法。通過構建仿真環境,進行模擬推演論證與檢驗,輔助制定更加準確合理的合同戰術[1]。

建模與仿真(M&S)技術是當今世界前沿科學之一,美國非常重視作戰M&S的“超前智能較量”,并將其作為國防建設和軍事改革重大決策過程中必不可少的環節。在1997年度的“美國國防技術領域”中將“M&S”列為“有助于大大改善軍事能力的四大支柱:戰備、現代化、部隊結構、持續能力的一項重要技術”。

在北約科學委員會的組織下,一直在從事M&S的開發研究,北約國家還專門組織過諸如“國防過程的建模與分析”學術研討會等活動。除美國之外,英、法、德、俄、意在M&S方面都有比較卓越的成果。日本幾年前就已經擁有超強的計算機仿真核爆能力。據有關資料統計,在北約戰區導彈防御作戰演習中,美國國防部把計算機仿真作為戰區導彈防御演習的主要工具之一。據稱,有關防御系統性能的60%~70%的數據要靠計算機仿真來獲得。除了美國之外,法國、英國和以色列等國,出于發展彈道導彈防御系統和反彈道導彈防御系統的不同需要,也都把開展彈道導彈攻防仿真研究擺在十分重要的地位。仿真技術在國內的民用領域已經得到了大量應用[2],各類設計驗證與建模仿真工具被應用于復雜系統的研制過程中,發揮了事半功倍的效果?！熬盼濉币詠?國內外很多軍事裝備的研制單位紛紛開展了軍事裝備的仿真技術研究[3~7]。軍事裝備的仿真技術研究雖然取得了長足的發展,但與目前海軍聯合機動編隊合同戰術仿真試驗的需求還存在著一定的差距,主要表現為仿真支持的規模不大、工具軟件支持不全、基礎數據不全等[3]。

本文通過理論分析與推導,建立了聯合機動編隊作戰指揮仿真模型,并提出了模型驗證方法。結果表明,模型較為真實地仿真了雷達對目標的跟蹤和量測。

2作戰指揮模型建模研究

對聯合機動編隊作戰指揮模型的建模,采用面向對象的建模過程,從對作戰環境和作戰單元的分析工作著手,分別建立相應的作戰指揮環境模型和作戰指揮智能體模型,再確定作戰指揮模型中的各個參數,形成對象系統模型[8]。整個建模過程的工作,可以依照圖1所示的流程來進行。

圖1　作戰指揮模型建模流程

作戰指揮模型負責各作戰平臺自身的作戰指揮模型計算,能夠實現自主決策和作戰任務、目標指示下達、自主攻擊等自主、自動作戰過程。采用基于戰術規則和戰術動作的作戰指揮模型結構,提供人工指揮的接口函數,能夠支持人的在環作戰指揮[9]。

水面艦艇編隊作戰指揮的模擬,是以單艦作戰為基礎。主要研究單艦之間進行反艦導彈攻擊的作戰模型。假定紅、藍雙方各有一艘水面艦艇參加戰斗,每次只能向對方發射一枚反艦導彈,相隔一定時間后,發射另一枚,發射間隔時間紅、藍雙方相同。并規定:

x(n)為n時刻紅方的作戰能力,起始時刻為0;

y(n)為n時刻藍方的作戰能力,起始時刻為0;

a為藍方在單位時間內單枚導彈對紅方的平均毀傷因子;

b為紅方在單位時間內單枚導彈對藍方的平均毀傷因子;

x0為紅方的初始作戰能力;

y0為藍方的初始作戰能力;

Nx為紅方艦艇不還擊時,藍方艦艇消滅紅軍艦艇所必須的導彈數,設為正整數;

Ny為藍方艦艇不還擊時,紅方艦艇消滅藍軍艦艇所必須的導彈數,設為正整數;

紅方艦艇的作戰能力的大小與敵方艦艇的作戰能力以及對方反艦導彈作戰效能a的大小有關,具體地說,就是艦艇的作戰能力的降低速度與和a的乘積成正比。即:

x(n)-x(n+1)=ay(n)

(1)

y(n)-y(n+1)=bx(n)

(2)

首先來確定幾個參數之間的關系。假設b=0,即藍方發射導彈而紅軍不反擊。因為藍方在作戰能力不變的情況下發射Nx枚導彈后,紅方被消滅,此時被認為失去作戰能力,因而x(Nx)=0。將式(1)進行迭加有:

X(0)-X(Nx)=a*Nx*y(0)

(3)

因而可以得到:

(4)

同理可得:

(5)

顯然還可以得到:

(6)

(7)

顯然,平均毀傷因子與本艦的作戰能力成正比而與敵力領艇的作戰能力以及消滅敵人所需導彈數量成反比,這個結論是符合實際的。

求解上面的公式可得:

(8)

(9)

根據上述研究,單個驅逐艦對艦攻擊模型的類圖如圖2所示。

圖2　控制單艦反艦導彈攻擊的設計類圖

單艦反艦導彈攻擊的過程作戰實體行為邏輯關系及作戰實體的時序分析如圖3所示。

圖3　單艦反艦導彈攻擊過程實體時序關系

3模型的驗證技術

只有經過驗證的模型才是可信的,所以建模的最后一項工作就是模型驗證。FDMS的驗證應該由三個方面的SME實施:應用領域專家、仿真技術專家和VV&A專家。在語法驗證過程中,主要以仿真技術專家為核心、領域專家和VV&A專家為輔,重點檢查模型描述是否規范、標準,是否存在邏輯上的矛盾。在語義驗證過程中,仿真技術專家把UML模型所表達的真實含義傳達給領域專家和VV&A專家,并且互相討論,重點檢查模型描述的情形是否違背了應用領域的真實情形、是否采用某些VV&A方法可以檢查出模型的錯誤。在一致性驗證過程中,三類專家通力協作,重點檢查體系結構、形式、接口等方面的一致性問題。

目前的研究已經對以雷達模擬器為例,在海戰場作戰仿真系統中進行了如下的仿真測試實例,對雷達模擬器進行模型校驗。仿真態勢如圖4所示。

圖4　仿真測試實例

如上圖所示,地圖比例尺為1∶400萬,雷達部署在圖中平臺位置處,平臺位于東經115.7°,北緯20.3°,平臺的運動方向為正北,航速12節。利用此雷達觀測圖中ID為1~4的飛機目標。4個目標的運動軌跡如圖4所示,目標1和目標2相對于正北航向分別為-30°和30°,航速為;目標3相對與正北航向為90°,航速為;目標4繞經度為115.8°、緯度20.4°做勻速圓周運動,半徑為40km。圖中藍色航跡為目標真實運動航跡,紅色和黑色為雷達在兩次探測試驗中的探測航跡。雷達的部分工作參數如表1所示。

表1　雷達工作參數表

下面的兩幅圖為雷達模擬器對目標的距離和方位的測量結果。

圖5　雷達模擬器距離測量數據

圖6　雷達模擬器目標方位測量數據

圖7、8為疊加了誤差測量模型后的距離和方位測量數據。

圖7　雷達模擬器疊加誤差模型距離測量數據

圖8　雷達模擬器疊加誤差模型方位測量數據

圖9、10為濾波效果前和濾波效果后的目標距離測量數據。

圖9　雷達模擬器疊加濾波效果前模型效果

圖10　雷達模擬器疊加濾波效果后模型效果

根據測量結果可知,模型較為真實地仿真了雷達對目標的跟蹤和量測,有一定的實用價值。

4結語

作戰指揮模型是聯合機動編隊合同戰術仿真中的重要一環,模型建立的準確與否直接影響仿真的準確性。本文采用面向對象的建模過程,從對作戰環境和作戰單元的分析工作著手,分別建立相應的作戰指揮環境模型和作戰指揮智能體模型,再確定作戰指揮模型中的各個參數,形成對象系統模型。在聯合機動編隊作戰仿真系統中對雷達模擬器進行模型校驗,仿真驗證評估結果表明了模型的理論與實際的合理性。

參 考 文 獻

[1] 黃柯棣.系統仿真技術[M].長沙:國防科技大學出版社,1998.

HUANG Kedi. System Simulation Technology[M]. Changsha: National University of Defense Technology Press,1998.

[2] 羅玉臣,陳煒,陳云秋.海軍作戰模擬的模型體系設計[C]//中國造船工程學會電子技術學術委員會年會論文集,2006:377-379.

LUO Yuchen, CHEN Wei, CHEN Yunqiu. Naval Combat Simulation Model System Design[C]//Proceedings of the Annual Conference of China Shipbuilding Engineering Society,2006:377-379.

[3] 羅勤,陳煒,等.海戰場作戰仿真中的兵力實體建模研究[C]//中國造船工程學會電子技術學術委員會年會論文集,2009:242-244.

LUO Qin, CHEN Wei, et al. Research on the Entity Modeling of Military Forces in the Battle Simulation of the Sea Battlefield[C]//Proceedings of the Annual Conference of China Shipbuilding Engineering Society,2009:242-244.

[4] 何漢明.基于角色的多智能體社會模型研究與應用[D].西安:西北工業大學,2006.

HE Hanming. Research and Application of Multi-agent Social Model Based on Characted[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University,2006.

[5] Biddle, B. J. Role Theory: Expectations, Identities and Behaviors[M]. New York: Academic Press,1979.

[6] 王振,繆旭東.基于XML的作戰方案形式化描述[J].系統仿真學報,2006,18(2):41-44.

WANG Zhen, MIU Xudong. Formal Description of Operational Plan Based on XML[J]. Journal of System Simulation,2006,18(2):41-44.

[7] 義君,劉忠,張維明.作戰計劃的可視化建模方法[J].火力與指揮控制,2006,31(4):46-49.

YI Jun, LIU Zhong, ZHANG Weiming. Research on Visualized Modelling Approach to Operational Plan[J]. Fire Control and Command Control,2006,31(4):46-49.

[8] 楊俊強,杜佳.作戰計劃擬制中行動方案的形式化建模[J].系統仿真學報,2009,21(23):86-89.

YANG Junqiang, GUI Jia. Formal Modeling of Course of Action in Operation Planning[J]. Journal of System Simulation,2009,21(23):86-89.

[9] 杜強芳,楊明,王子才.建模與仿真資源庫系統的初探[J].系統仿真學報,2003,15(2):161-170.

DU Qiangfang, YANG Ming, WANG Zicai. Introduction of Modeling and Simulation Resource Repository System[J]. Journalof System Simulation,2003,15(2):161-170.

[10] 張云.基于HLA-Agent的驅護艦編隊協同反潛仿真技術研究[D].大連:海軍大連艦艇學院,2008.

ZHANG Yun. Submarine Simulation Technology of a Destroyer Squadron Based on HLA-Agent[D]. Dalian: PLA Dalian Naval Academy,2008.

[11] 楊孟州,潘志庚,石教英.分布式虛擬現實系統體系結構[J].計算機應用研究,2004,17(7):1-3.

YANG Mengzhou, PAN Zhigeng, SHI Jiaoying. Architecture of Distributed Virtual Reality System[J]. Application Research of Computers,2004,17(7):1-3.

[12] 楊世幸,陽東升,張維明,等.作戰使命分解與任務建模方法[J].火力與指揮控制,2009,34(8):24-29.YANG Shixing, YANG Dongsheng, ZHANG Weiming, et al. Research on Method of Mission Decomposion and Task Modeling[J]. Fire Control and Command Control,2009,34(8):24-29.

中圖分類號TP311.52

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.007

作者簡介:紀彥星,男,高級工程師,研究方向:作戰系統試驗技術。

*收稿日期:2015年8月9日,修回日期:2015年9月20日