基于STAGE平台的海军作战仿真设计

・作战模拟与仿真
基于ST AGE平台的海军作战仿真设计Ξ
冯伟强　徐冬梅　陆勤夫ΞΞ
(海军指挥学院　210016)
摘　要:随着仿真技术的发展,仿真在军事领域的作用和所带来的效益日益突出。

如何充分地利用仿真技术,提高作战实验的手段并推动军事理论的发展,是作战仿真人员面临的一个挑战。

文章介绍了一个较先进的作战仿真平台———ST AGE,它提供了各种工具和框架产生定制的应用仿真程序,缩短了建立复杂作战仿真系统所需的时间。

文章还基于ST AGE平台设计实现了一个海军编队防空作战仿真模型。

关键词:海军　仿真平台　作战仿真
1　概　述
随着计算机、通信和软件技术的发展,仿真在军事、工业和经济等领域的作用日渐突出。

尤其在军用仿真方面,更是体现了明显的军事和经济价值。

目前军用仿真主要应用于武器系统的评估、研发和采购,作战训练,战术实验和军事理论研究等三大方面。

在海湾战争和波黑战争中,美军事先都运用仿真手段对打击目标和作战预案进行论证,取得了很好的效果。

本文将介绍ST AGE平台在海军战术分析方面的应用,并构建一个基于ST AGE的海军水面舰艇编队防空作战的仿真实例。

ST AGE是加拿大E NGE NUITY(原名为VPI)公司推出的一种用于建立实时作战仿真环境的软件工具。

在这个实时的环境中,用户可以加入飞机、舰船、坦克、导弹和地面目标等实体,并通过战术手段(如侦察、通信、交战、破坏)进行实体间的交互作用,实现对作战过程的仿真。

它以图形方式给用户提供了使用方便的作战仿真环境,使用户可定义交互式战术场景,并建立复杂的战术仿真系统。

本文首先介绍ST AGE的基本构成和功能,然后探讨如何利用ST AGE提供的开发接口来扩展其功能以更好地符合仿真人员的需要,最后构建一个仿真实例。

2　战术仿真平台ST AGE的体系结构
ST AGE由三部分组成,分别为数据库编辑器DE,仿真引擎SI M和开发工具包DK。

各部分相互关系如图1所示。

数据库编辑器(DE):在仿真准备阶段,用DE来构建战术想定中的各作战单元,然后在仿真运行阶段由仿真引擎(SI M)来运行这一作战想定,输出一个不断推进的作战态势。

作战想定中的各作战单元存储在场景数据库中。

在准备阶段和运行阶段,DE都通过态势显示窗口S AD(Situation Awareness Display)来向用户提供态势显示。

收稿日期:2002-04-06
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Ξ东南大学计算机系　210018
仿真引擎(SI M):它是ST AGE的“心脏”,包括实体管理,模型管理,场景管理和实时控制器。

模型管理主要有物理环境管理,实体仿真管理和系统管理三大类,如图2所示。

仿真引擎根据模型运算推动战场态势的变化实现仿真目的。

仿真引擎与DE交互场景和实体信息,通过状态显示窗口显示并对得到的用户干预做出反应。

仿真引擎可通过DIS,H LA或共享内存作为与外部仿真系统的接口。

开发工具包(DK—Development K it):DK提供一个开发接口DI(Development Interface)和一组库函数。

使用DI,用户能修改仿真模型数据结构以使这些模型适合特殊的需要。

利用库函数和开发接口,用户可以开发适合自己需要的仿真模型或修改ST AGE内部已有的仿真模型。

3　扩展ST AGE实现仿真设计
设计作战仿真系统时,如果研究的侧重点不同,则对武器装备和作战行动建模时的仿真粒度,考虑的参数和驱动模型也就不同。

如果重点研究武器装备性能对战术行动的影响,则对武器装备的建模应尽可能详尽;如果重点研究作战预案的可行性及可能达到的效果,则对武器装备的建模可以略粗,重点对作战单位的作战行动或任务空间概念模型(C M MS)作细致的描述。

总之,应根据各部分对总体仿真性能的影响程度来决定如何建模。

ST AGE所提供的数据结构和驱动模型不可能完全符合用户设计特定仿真系统的
需要,因此用户应根据自己的需求来添加新的仿真模型。

扩展ST AGE主要通过三个途径来实现:利用DI扩充ST AGE内部模型的数据结构;增加ST AGE未提供的用户模块;对ST AGE提供的模块,如果用户认为仿真结果可信度不够,可以重新计算。

DI是一个图形化的数据结构编辑器,通过它,用户可以增加能满足自己仿真系统需要而ST AGE又未提供的参数,也可以增加新的实体模型或添加实体模型之间的关系。

如果仿真设计中需要考虑飞机的作战半径,续航能力等因素,那么飞机的模型需要计算飞机携载的油料和不同飞行状态下油料的消耗等参数。

这些参数ST AGE并未提供,就需要用户通过DI在飞机模型中添加。

当然,对于用户增加的模型参数或构造的模型,需要用户自己构建驱动模块来配合工作,ST AGE提供了所需的接口机制。

如:对于ST AGE提供的某模型,如果用户认为功能不够或可信度不够,可以自行开发,并以回调函数(callback function)的方式在ST AGE的仿真模型中注册。

当SI M使用到该模型时,将调用用户自己开发的模型函数,如图3所示。

4　编队防空作战仿真设计
海军水面舰艇编队防空作战仿真的主要仿真对象是编队对空中来袭目标的防御,来袭目标包括飞机和反舰导弹。

在本例中,主要考虑携带反舰导弹的轰炸机。

设攻击方为蓝方,拥有各种机载手段,防御方为红方,拥有防空作战的各种手段。

红方编队信息的获取主要靠自己的舰载设备,以外部信息为辅。

建立编队防空作战仿真的目的在于评估防空作战预案的可行性和武器装备的性能。

因此,我们重点对武器装备的性能和作战平台的行动方案进行建模仿真。

期望得到在现有的武器装备条件下,如何合理采取行动方案,包括目标分配、火力运用、队形变换等,以期最大限度地发挥武器装备的性能。

(1)对武器装备性能的仿真
首先利用ST AGE构建编队防空作战仿真中涉及的各类武器装备的模型及其参数,在编队防空战术仿真中,根据实际组成,主要考虑了以下模型:水面舰艇、飞机、导弹、雷达、火炮和电子干扰。

其中水面舰艇又可细分为驱逐舰、护卫舰、导弹艇和辅助船等等。

其中水面舰艇主要考虑以下参数:
①动力性能指标,包括最小速度、最大速度、加速度、减速度、旋转半径等;
②截面因子,该参数用于仿真该实体被各种控制手段发现的可能性,分为雷达因子、声纳因子、目测因子和红外因子;
③防御能力,包括对导弹的防御能力和对鱼雷的防御能力;平台受损之后对其能力的影响,这种影响程度可根据实际装备确定,比如设定50%受损可导致武器系统失灵,60%受损可导致动力系统失灵,80%受损导致沉没等等;
④携载的武器系统,不同类型的舰艇配载不同的武器类型和数量,如导弹的类型和数量、火炮的类型和数量等等。

武器装备的性能参数由该武器装备的作战模型来建立;
⑤配备传感装备,如雷达、声纳和红外探测等,具体的性能参数可由对应的作战模型建立;
⑥装备的干扰措施,干扰措施分为普通干扰和电子对抗。

普通干扰有金属碎箔(用于干扰雷达)、噪声、烟火等;电子干扰有雷达干扰和红外干扰两种。

可分别对具体的干扰措施设定性能。

⑦设定编队成员,所添加的成员可与该舰形成作战编队。

编队成员的性能和具体队形可以根据编队任务来设定。

以上参数的框架结构是ST AGE提供的,用户可以很方便地输入对应参数来建立武器平台的模型。

如有特殊需要而ST AGE未提供的参数,用户可以通过在DI中构建修改已有的武器平台结构来达到要求。

当然,对于用户自己设计的参数,在仿真过程如何使用,如何与其他参数和仿真态势发生关联,也是需要用户考虑的问题。

对于飞机、导弹、雷达、火炮和电子干扰等武器装备,也通过上述方法建立模型并设定参数。

(2)对作战预案的仿真
作战预案在实施时将转化为编队中各成员兵力的具体任务和行动,为对兵力的行动进行仿真,必须对兵力的任务行动做具体的一致性描述,也即各种兵力的任务空间概念模型,它依赖于兵力的任务、作战规则、武器系统和装备。

对于兵力任务行动的仿真将在ST AGE提供的script(脚本描述语言)的基础上来实现。

编队防空通常分为三个区域:在编队防空火力外的远程防御,编队区域防御和末端防御。

远程防御主要由掩护航空兵实施;编队区域防御是由编队内具有区域防御能力的护航舰艇来实施,这些护航舰艇有一个指挥中心协调,本文将考虑舰艇上的雷达性能、导弹发射架的类型、导弹的数目和编队所属舰只的相互协调能力等因素;末端防御是指来袭导弹突破前两个阶段后,被攻击舰使用近程导弹、火炮和电子干扰抗击的阶段。

下面就后两个阶段编队区域防御和末端防御的行动进行仿真。

编队防空需要各成员之间密切协同,使武器装备的性能发挥最大作用,利用ST AGE提供的行动脚本功能可以对编队和所属成员的战斗行动和相互协同进行建模。

水面舰艇编队(也指编队指挥中心)行动脚本的算法如下:
①判断有无探测到的空中目标,同时也可向所属编队成员下达对空搜索任务;
②遍历每一个被探测到的目标(包括编队成员上报的信息),判断其属性、运动方向和机动要素,若为敌方航空兵目标,进入③;若为来袭导弹,转入④;
③将编队调整为防空队形,对所属成员下达防空任务并分配目标,进入导弹攻击范围即可攻击;
④如被探测到目标为来袭导弹,判断导弹的距离,在进入末端防御前,向所属成员下达协助抗击任务,并对各个成员分配目标,对来袭导弹实施导弹抗击;
⑤如果来袭导弹突破舰空导弹防御已进入末端防御范围,则实施近程导弹、火炮抗击和电子干扰;
编队中的成员则根据编队指挥中心下达的任务当前的态势,执行对应的任务脚本(mission script),任务脚本有对空搜索、协助抗击等等。

在对武器装备性能和作战预案建立模型并赋予内容后,运行ST AGE的SI M仿真引擎,通过DE的态势显示窗口S AD可以实时观察仿真运行过程。

可以修改武器装备性能的参数和采取不同的作战预案,以达到战法分析检验的目的。

整个仿真过程中还可通过记录和播放输出摘要评审结果,更好地达到战术分析的目的。

参考文献
1　Virtual Prototypes Inc.ST AGE Developer’s G uide(V3.0).
2　Virtual Prototypes Inc.ST AGE T echnical Overview.。