水雷反水雷武器仿真系统设计与实现

2012-07-04何永前陈海岳

科技视界 2012年6期

何永前陈海岳

（中国人民解放军海军湛江航保厂广东湛江 524002）

0 引言

随着现代武器技术的发展，武器的威力和精度不断提高，武器功能日益完善，其全寿命费用也随之日益增加。目前，大型武器系统的高额费用已成为当今各国武器发展的一个重要制约因素。因此，以某种经济有效的方式进行军事研究、训练就成了各国军方的必由之路。国际上一致认为:“仿真是迄今为止最有效的、经济的综合集成方法，是推动科技进步的战略技术”。水雷反水雷武器系统是一个集多载体、多雷种的复杂系统，其中的水雷和舰艇数量、种类不定，为有效地进行武器性能检验和战术有效性检验，新型武器研究、训练、教学服务，需开发水雷反水雷武器仿真系统，最终建立水雷反水雷武器仿真试验室。

1 水雷反水雷武器仿真系统组成

该系统是一个实时、人在回路的、半实物、连续局域网仿真，仿真计算机采用通用微机，操作系统是Windows XP,网络是10M以太网，以VC++6.0作为编程语言，以国防科技大学开发的DIS_LINK为分布交互式仿真技术（Distributed Interactive Simulation，简称DIS）为支撑软件，以Access作数据库开发。实物有水雷组合引信、磁场模拟器、声场电信号模拟器、水压场模拟器、全磁场扫雷模拟器和声振动测量仪。仿真模型有扫雷舰、猎雷舰、扫雷具、各型水雷、物理场（声、磁、水压场）和有关战术软件。水雷反水雷武器仿真系统的组成如图1。

2 软件结构

整个水雷反水雷武器系统从角色划分上采用红、兰、白三方的结构。其中红、兰方为仿真对抗双方，分别是舰艇、水雷、反水雷武器。白方为管理方，负责整个DIS系统从仿真演练前的规划准备，仿真演练开始时的初始化，仿真演练运行阶段的管理与监控，直至仿真演练结束后的分析与重演。在本系统中，根据仿真剧情的不同，红兰双方的组成成员可以动态组合，能实现武器性能仿真和战术级别的水雷战、反水雷战的仿真。下面列出了典型的仿真剧情，并简要列出各个剧情中红兰双方的成员。

图1

2.1 水雷武器性能验证

红方:水雷组合引信

兰方:各种物理场模拟器(模拟器的激励信号可以是实测数据，也可以是物理场仿真模型的计算结果)

红、兰双方的交互数据采用实物连接方式交换（将水雷组合引信直接置于物理场中），并不上网传输。

2.2 扫雷具武器性能验证

红方:水雷组合引信或其(计算机仿真)模型

兰方:扫雷具模型，物理场模型或物理场模拟器。

红方中的水雷可用实物，也可以用软件模型实现。当采用红方软件模型实现时，兰方不需要物理场模拟器。这种“纯虚拟”仿真方式，在进行新水雷反水雷武器研制时特别有用，它的结果能为后续的实物实验提供有力的支持。

2.3 扫雷战术仿真

红方:水雷阵模型

兰方:战术软件，扫雷舰模型，猎雷舰模型，扫雷具模型。

对于大规模的战术实验,如果真刀真枪地进行,重复实验所需的资金、人员、器材庞大,组织难度大。而采用DIS仿真技术,在建好模型的前提下,仿真规模、仿真重复次数都不是大问题,并且仿真结果的统计性意义,可以为制订战术提供依据。

3 实现方法

3.1 演练规划

在演练开始之前，要根据作战想定和目标以及可用的仿真资源进行任务规划，明确红、蓝双方的作战配置、作战环境和作战规则，生成相应的剧情。具体包括:

1）演练区域规划

演练区域规划指确定演练区域、地图投影和格式、地图范围和建立相应的坐标系。

2）环境规划

环境规划包括对地形、海洋、大气、人文等环境因素的规划。根据水雷反水雷作战的特点，对河流（沿海）、天气等环境因素进行规划。

3）兵力装备规划

兵力装备规划是指为参演实体选择实体模型和初始条件、确定实体的类型、名称、标识符、能力、角色、武器配置等。在水雷反水雷武器仿真系统中，包括水雷、反水雷装备和目标舰船。

水雷:根据区域和环境的规划确定水雷的布放方式（飞机布雷、水面舰艇布雷或潜艇布雷），并根据作战目的（防御或进攻，打击何种舰船）和己方情况，选择雷阵以及应布放何种水雷。

反水雷装备:根据所获得的敌方水雷资料，以及己方情况（扫雷能力）确定用于扫雷的舰船，并选择相应扫雷装备。

目标舰船:根据作战目的，选择要打击的舰船类型，如战斗舰艇、潜艇、运输舰船或者货轮等等。

4）演练监控规划

演练监控规划主要是选择要监控的对象(如数据、参数、设备等)、监控的形式。在此系统中监控的对象有舰船（航线，以及水雷爆炸对舰船的影响）、各种场在各个水雷处的值。

5）演练显示规划

演练显示规划是指确定二维态势显示、三维场景显示、数据/曲线/表格显示等。

根据水雷战和反水雷战特点，对作战态势进行二维显示，对扫雷装备和海洋的声场、磁场、水压场使用曲线和表格，并结合数据进行显示。

6）剧情规划

剧情规划确定演练标识符、演练开始的仿真时间、演练开始的真实时间、剧情名、DIS UDP端口号、DIS版本号、DIS缺省设置值，并最终形成剧情文件。本系统中，剧情文件包括水雷、舰船、扫雷装备以及环境（包括环境场）的初始参数。

3.2 初始化设置

初始化设置阶段的功能是将任务规划阶段形成的剧情分别加载到相应的网络节点并初始化各仿真实体，具体包括:

1）分解剧情

由于各个实体仅与剧情的一部分有关所以要分解剧情，而且不同实体对数据格式有不同的要求，所以分解的剧情要进行相应格式转换。本系统首先生成剧情，然后分解剧情，为每个仿真应用程序生成一个兵力文件。

2）加载剧情

白方以文件传输的方式把各个兵力文件通过网络传送到各个节点上，实现对节点的剧情加载。

3）初始化实体

通过读兵力文件，对各节点上的实体进行初始化。实体初始化有两部分的数据:一般实体信息和初始参数。一般实体信息描述了仿真实体在DIS演练中所扮演的角色，包括:

（1）实体类型(它包括实体种类、领域、国家、类、子类、特有信息、额外信息七个域)。

（2）实体兵力标识符(敌方、友方、中立方)

（3）实体外观

（4）实体标识符(场所ID、应用ID和实体ID)

（5）实体名

（6）实体初始位置、方位和速度

（7）实体模型

初始参数的内容由具体模型决定。水雷反水雷武器仿真系统中各模型的初始参数内容大致如下:

环境:根据规划区域的实际情况，对流速、风速、海况、海深等因素进行设定。

水雷:确定水雷引信工作制，设置各个水雷的定时，定次；

反水雷装备:根据环境和水雷情况，确定扫雷舰船的航速、航线，扫雷装备的工作制。

4）时钟同步

对各仿真节点进行时钟同步。在DIS演练中，每个仿真节点都具有自已的局部时间，由于DIS演练是通过PDU的交换来推进的，而每个PDU中都带有时戳值，因而时钟同步对于保证虚拟世界的时间一致性是至关重要的。时钟同步的好坏不仅关系到DIS演练的启动、重放和数据的集成和分析，而且直接影响DIS演练的逻辑结果的正确性。例如节点A向节点B开火后认为节点B被击中，它发出一个爆炸PDU，并在其中盖上节点A的时戳 (比如GMT时间六点)，如果节点A、B未经过时钟同步，那么节点B接到爆炸PDU后，它根据自己的局部时钟的时间，比如说GMT时间七点，节点它会吃惊地发现，它早在一小时之前就已被摧毁坏了，而它摧毁后还存活了一个小时！时间一致性问题是DIS的基本问题，时钟同步是解决时间不一致的基础。

3.3 管理与控制

在管理与控制阶段，DIS演练已经开始，DIS仿真管理系统主要是监控演练的情况，必要时还要干预演练进程，它具有如下功能:

1）实时数据记录

实时记录PDU数据和非PDU数据(如命令、话音、环境数据等)，数据记录器具有对数据进行过滤的功能。

2）实时数据和设备监控

对数据、参数和有关设备进行监控。包括各种场信号，水雷引信动作值，以及舰船的状态（航速、航线等）等。网络监控为网络管理员提供了监控网络性能的信息，比如负载、延时、错误等。

当网络上的PDU发送速率很大时，网络负载就大，相应的就有可能引起PDU丢失、网络延时大。以测定网上PDU的发送速率来定量描述网络负载。对于网络延时，在编程实现上，借鉴熟悉的Windows中的PING程序。对于PDU丢失情况，目前只能针对重要PDU，不能监控所有种类的PDU（如状态PDU）。PDU丢失监控的实现方法:每个DIS仿真应有程序在发出重要的PDU时（如爆炸PDU），作一个发送记录。实时PDU纪录器在受到PDU时，也作一个接收纪录。通过事后比对这两个记录，可以了解本次系统仿真的PDU丢失情况。这种方法并不是一种实时监控方法。如果DIS系统的性能降级了，可以通过实时网络监控尽早发现问题并干预。

3）实时态势和场景显示

利用显示手段观察演练进程。态势显示是对整个战场情况的汇总:战场的兵力分布情况、水雷的位置和作战状态、舰艇的运动情况以及报告战场事件（战场事件可以自己定义，如水雷爆炸）。采用MapInfro软件结合DIS_LINK进行开发，利用MapInfro加载战区海图，利用DIS_LINK搜集战场情况。前面说过，DIS的“分布”是指维护虚拟世界状态的方式是是分布式的:由各个DIS仿真应用程序发布自己的状态PDU，由实体状态表搜集所有的状态PDU，即可“拼凑”出虚拟世界的一般状态。对于战场事件，通过设置PDU过滤器，接收感兴趣的PDU，如爆炸PDU，就可以得到战场事件。

4）演练终止

使DIS演练有序地终止。