基于ADS的仿真体系结构及其在EW靶场的应用

陈春鹏

（解放军91404部队，河北 秦皇岛 066000）

在信息化联合作战需求的驱动下，电子战系统与武器系统、指挥控制系统广泛集成。这些集成扩展了电子战系统的态势感知、目标瞄准、火力控制以及防卫等功能，但也给试验训练人员带来了新的挑战。传统意义上的试验训练方式具有费用高、所需场地广等缺陷。因此基于建模与仿真的电子战系统的训练和试验变得日益重要。建模和仿真是一个使能者，而不是一个终止态[1]。它的应用可以贯穿电子战系统的全生命周期:概念开发、系统设计、试验、训练、演习等。

随着冷战的结束和各种新威胁的出现，美军相继提出了“2010联合设想/2020联合设想”和“网络中心战”等作战概念，它们为美军的试验训练转型发展指明了方向。在试验方面，美军基于“仿真预测-试验-比较”思想的“模型-试验-模型”模式方法是一种“积木式”、相互补充的试验模式。它可充分利用现有的各种基本试验设施的特点，尽量避免各种试验资源的不足[2]。基于真实的、虚拟的和构造的（LVC）的先进分布式仿真（ADS）对于电子战（EW）试验可以提供一种推进构造模型有效性的方法。它通过结合不同设施的能力，为集成EW系统进行试验生成高逼真度、低耗费的环境[3]。在训练方面，以构建LVC训练环境为主要内容的联合国家训练能力（JNTC）是美军试验训练转型发展需要解决的问题之一。JNTC指出:“通过为兵力单元和参谋人员提供集成LVC的训练环境，为兵力准备联合的上下文，能够为了特定作战目的提供精确、及时、对应的训练”。表明一个集成LVC的训练环境是完成JNTC使命的关键使能器[4]。LVC仿真的聚合为军事提供了“混合及匹配”的仿真方法，能够满足训练目的和训练限制（时间、空间和成本）。JNTC努力的最终目的是采用 LVC随时随地的最佳组合为指挥人员提供训练[5]。此外，信息共享是战斗力生成的新源泉。由于信息共享，EW 不再仅仅是使用电磁能量保护平台或发射射频能量攻击敌人，它成为Cyberspace作战的一部分[6]。2008年5月13-14日，美国召开的构建国家 Cyberspace靶场的情报沟通会上，提出的关键技术之一是突破对Cyberspace的建模仿真和构建Cyberspace的测试和验证环境。

基于上述需求，美军提出了“逻辑靶场”的基本概念，它面向所有靶场和设施，根据某一具体试验或训练事件的需求，通过资源的互操作、重用和灵活组合，由所需的任何靶场或设施的 LVC资源的“无缝”集成而建立起特定的试验训练系统。透过逻辑靶场概念的发展过程，我们可以清晰地看到美军联合试验和训练的发展，通过网络将分布于各靶场设施中的LVC系统互连起来，为被试系统生成逼真的联合任务试验环境，为系统工程、试验与评估、训练、试验等各种活动提供广泛的、持久的服务[2]。文献[7]采用基于能力的方法，设计了一种基于LVC的分布式环境，并通过一个可操作的用例，展示和验证怎样利用基本模型来快速设计、构建、运行多系统的试验，同时优化资源和调度。

本文在论述基于LVC的ADS概念基础上，阐述了可行的EW系统建模与仿真开发过程，提出可以适应LVC资源综合利用的层次式体系结构，确定将真实的暗室和外场资源得到的试验数据投入到 ADS中采用的过程和方法。

1 在EW仿真应用中的ADS

1.1 ADS的基本概念

依据美国国防科学委员会的观点，“除了战争，任何事情都是仿真”，各种不同的试验训练活动都归为构造的、虚拟的或真实的仿真三大类[8]:

1）真实仿真是真实的 Player在真实的环境中，外场及真实作战人员操作的真实系统通常被认为是真实仿真；

2）虚拟仿真是真实的 Player（或部分真实的Player）在虚拟的环境中，人在回路的模拟器及硬件在回路的试验设施就是虚拟仿真的例子；

3）构造仿真是虚拟的 Player在虚拟的环境中，数字计算机模型就是构造仿真常用的例子。

ADS将连接不同地理位置上的不同类型仿真系统，不管是真实的、虚拟的还是构造的，通过网络连接在一起能够集成在环境中并允许它们互操作，建立一个真实、复杂的虚拟世界，提供与真实系统一样的情形感知的刺激[6]。

1.2 EW靶场中的ADS

当前，电子战靶场已经具有外场的真实仿真、基于暗室的虚拟仿真、基于构造仿真的构造仿真三种手段。但是这三种手段各有优劣，需要将其联合起来，取长补短，共同完成电子战系统的试验、训练任务。构造仿真具有在没有系统硬件的情况下进行试验与评估、灵活性高、重复性好、费用低廉等优势，在试验前、中、后的不同阶段都扮演关键角色。但是，构造仿真也存在难以保证对绝对的高可信性、构建环境逼真度低等局限性。例如，构造仿真系统中表示电磁环境的模型相对来说不很成熟。如果使用微波暗室的虚拟仿真，就可以产生真实的、安全的、可控的电磁环境，还可以测量环境对系统的影响，并将结果加入到合成环境中，支持对电子战系统进行试验所必需的资源。外场的真实仿真对于试验和评估电子战系统的整体性能非常有用。另外，三种方法独立运行难以关联在不同阶段、不同试验设施中试验获得的结果；难以跟踪被试系统不同阶段的性能和作战效能变化；难以同时利用众多试验设施各自优势的试验能力等。

在电子战试验、训练中，我们通过ADS将位于各地的LVC资源连在一起，建立逼真的、复杂的、合成的环境，用于试验、或训练等各种目的。ADS给EW系统试验训练带来很多好处，例如:通过允许数学模型与有人的仿真器的交互，ADS支持数学模型的茁壮性验证，ADS允许不同开发阶段的通用威胁和环境的使用，推进不同开发阶段的试验结果进行比较。

1.3 基于ADS的EW靶场属性

虽然认识到了ADS对EW试验训练的积极作用，但是当前LVC混合的条件和技术还需要进一步完善，要有充足的思想上和技术上的准备，推动ADS技术在EW 试验训练中的发展。

基于ADS的EW靶场具有下列属性:

1）进化性:ADS技术在EW试验训练中的展开并不是一蹴而就的，而是一个长期的、从模型到系统再到更精确更逼真的模型、像软件工程中的螺旋模型一样不断进化的过程。在这个过程中，ADS的优势可能随着系统的进化不断发展变化，例如:在单个试验事件中，开发仿真系统的费用可能超过整个试验的费用，但是从长远来看，ADS会给系统试验训练带来费用的节省。

2）综合性:既然EW仿真是一个系统过程，ADS系统设计和完成并不仅仅是仿真领域人员的工作，而是需要一个密切协作的小组，该小组由一个系统综合人员指导，由分散在几个领域中的多个技术专家组成，这些领域包括:电子系统、电磁场和电磁波、计算机通信、计算机建模与仿真、数据收集和分析等。

3）系统性:LVC资源要想在EW试验训练中充分发挥作用必须体系化、系统化，必须能够在很广的用户范围（包括采办、试验、训练、分析和实验团体）内可以互操作。其中，接口的标准化是模型和分布式仿真系统互操作的前提和关键。

4）模型的专业性:基于ADS进行EW试验和训练，实际上也对各种仿真的能力提出了要求，即它们具有专业性、权威性，具有逼真性、有效性，使其仿真能力值得重用。这些属性经常要通过严格的校核、验证与确认过程加以确定。试验人员必须研究打算使用的模型的各种属性，并充分理解模型的各种属性对试验结果、试验结论以及建议可能产生的影响。模型互连不合适的危险主要源于开发人员并不恰当地理解模型在系统中的作用，以及该模型与其它模型的相互关联关系。模型能力的透彻理解，以及对这些模型的单个能力怎么结合成系统能力的理解，是完成系统目的的关键。

2 集成LVC的层次式仿真体系结构

为了能够将ADS的思想运用到EW系统的试验训练中，我们利用层次式结构[9]，为适用于EW系统试验训练的ADS系统构建新的分布式仿真体系结构，如图1所示。在底层是通用的网络层，它为上层提供可靠有序的传输服务，例如TCP/IP等服务。网络层上是中间件，它包含基本的通讯机制，用于在模型之间实现数据消息的分发。在中间件的上面是由各种LVC模型组成的应用系统。在这一层，不仅包含模型，还包含适配器，它们可以相互独立地开发。模型是描述参与到试验训练中真实实体的对象。适配器实现对各种模型的一致性“数字封装”。

图1 适用于EW试验训练的ADS体系结构

在联合LVC模型、利用ADS体系结构构建的EW试验训练仿真系统中，通常包括几种典型的模型:威胁模型、环境模型、参试模型等。当然，ADS系统中还包含其它类型的模型和其它资源，完成必要的指挥控制、数据融合或显示等功能。为了增加LVC模型的互操作，模型基于一致的本体论开发。

威胁模型为试验、训练构建近似逼真的敌方环境，因为由经过训练的敌方人员操作的实际威胁系统是不可能得到并用于逼真试验的，通常是采用数字模型的功能仿真，可作为减轻试验范围限制的手段。在仿真世界中，当它们被其它传感器模型探测的时候，可以在已知的逼真度内提供实际系统的外貌。

环境模型通常由仿真的环境表示，可以基于现有试验环境扩展但通常不能直接提供的作战环境，定义仿真系统中各个对象之间与环境的交互，从而确定各对象之间的相互感知。主要包括自然环境和电磁环境模型，自然环境模型主要描述电子战系统对抗过程中的作战背景，电磁环境是电子战系统之间交互的传播代理，它负责任何射频信息的发射都从每一个符合条件的平台反射回来，并以对应于发射信号到接收天线的路径所要经历的合适的信号调制和衰减进入每一个符合条件的接收天线中。

参试模型包含采用 LVC各种方式构成的我方系统模型。其中，被试系统的模型可以使用在实际试验靶场的试验条件下测得的数据进行确认，然后在表示不同的作战真实条件的合成环境中运行。

在基于ADS体系结构的EW仿真系统中，利用并整合靶场的现有资源:外场的真实系统、基于暗室的虚拟系统、基于构造仿真的构造系统。各种资源存在于“数据”领域，实现分布式仿真环境下的交互。真实的和虚拟的资源大多是模拟系统，为了参与到ADS系统中，必须对它们进行数字化“封装”，即进行模-数之间的转换。构造的系统本身可能已经是数字化的，但是，在某些情况下已有的构造仿真可能需要额外的软件和/或硬件才能将它封装成一个实体。这样，分布式仿真环境能够实现真实世界和仿真世界中的各种对象之间的双向交互，对于仿真世界来说，它将真实世界的实体“数字化”并与仿真世界交互；对于真实世界来说，它将数字交互转化成跟真实实体的物理交互。

总之，基于ADS的分布式仿真系统实现了试验和训练事件是在仿真的世界中描述的，只有一部分在靶场环境的真实世界中进行。仿真系统强调对“仿真世界”的建立和维护，它取代真实世界成为任务空间的核心，即整个靶场环境下的真实世界被投射到仿真的世界中，与仿真世界中的各种仿真对象交互。

3 电子战试验仿真系统开发过程

基于ADS的EW试验系统能够提供一个低花费、高逼真度的环境，用于EW系统试验训练。其开发过程可归纳为以下四个阶段:

1）构建数字化模型:数字系统模型是模拟真实模型构建的。数字系统模型代表着我们对真实模型的深刻理解，只有这样，我们才能实现对环境的需求和对外场试验中测量数据的采样。数字化模型是各个阶段相互关联的基础，也是我们研究的立足之本。数字系统模型的性能可以根据真实模型实际测得的战技指标进行调整。模型与先进分布式仿真框架的接口有另行编制的接口代码。

2）外场基准试验:在外场进行真实的试验，以建立环境和性能基础数据，为以后各阶段的试验开发ADS试验环境，并将其作为判定ADS试验结果是否有效的依据。

3）数字系统模型试验:用高保真、实时的数字系统模型进行试验，该模型与硬件在回路的虚拟仿真、仿真系统的想定模型相连接，在合成的ADS环境中复制出外场试验的威胁场景，从而用ADS环境复现外场基准试验，并外推多种不同环境下的试验结果。

4）外场验证试验:用外场的真实player替换第二阶段的数字系统模型，对安装在实际系统的数字模型进行验证性试验。该阶段中被试装备与硬件在回路的仿真威胁、仿真系统的想定模型相连接，利用和先前的试验相同的威胁场景，进行真实的外场试验，试验中真实的和虚拟的目标共存，从而实现了在真实作战环境下的电子战系统仿真试验。

当然，上述阶段可以采用螺旋式递进的方式对模型进行利用和验证。另一方面，经过验证的数字模型也可以应用到训练系统，适应靶场对数字化部队的迫切需求。

4 应用举例

本文探索性地构建了一个基于 ADS的仿真应用实例，它定义了一个简单的、可重复的试验想定，研究舰艇的电子战系统对抗来袭导弹的能力。该想定选择雷达电子战的经典过程:包括雷达末制导头的各种射频威胁源构成威胁模型，侦察设备探测射频信号，并在复杂电磁环境中判断导弹来袭方位，电子战综合显控系统根据规则模块做出响应，实施无源干扰，如图2所示。

图2 雷达EW试验实例

4.1 系统运行的基本过程

想定首先运行在构造仿真和外场的试验环境下。在构造仿真的试验环境下，所有过程基于数学模型构建试验系统。在外场的试验环境下，所有过程基于外场的存在的真实装备构建试验系统。在外场进行试验，以建立环境和性能基础数据，为以后各阶段的试验开发试验环境，并将其作为判定ADS试验结果是否有效的依据。

然后试验想定运行在LVC混合的试验环境下。第一个基于 ADS的试验事件使用一个实时数字系统模型与暗室中的侦察机交互，如图3 所示。暗室中，真实的侦察机模型侦察并记录由构造仿真系统模型控制的威胁源的射频辐射，形成对电磁环境的感知。

图3 VC混合的雷达电子战实例

第二个基于 ADS的试验使用安装在暗室中的末制导回路和外场的真实舰艇，如图4 所示。仿真世界中，每个实体的位置和方位必须让仿真中的其他实体知道，才能使仿真的交战正确进行。为了成功地将外场中的真实舰艇融入到仿真世界中，必须利用GPS、电磁、光学传感器等技术和装备，感知和跟踪舰艇的运动信息，包括:时间、位置、速度、加速度、航向、角速度、角加速度等，从而计算舰艇相对于仿真环境的运动信息。

图4 LVC混合的雷达电子战实例

4.2 系统的应用

综上，可以设计ADS体系结构，它允许地理上分布的各种设施的能力结合，构成用于EW设备试验和训练的仿真环境。它具有下列优势。在EW试验应用中，基于靶场与设施中的建模与仿真能力的组合、重用和互操作，可以实现各种靶场与设施资源的综合集成、一体化利用，允许同样的试验环境中采用不同的被试系统描述，包括从数字系统模型到作战装备。在EW系统的训练应用中，利用ADS技术可以将昂贵的真实和虚拟训练尽可能地转化为低廉的构造仿真，同时提供一个兼容的训练环境，这样想定、模型、数据日志能够在训练过程中共享。该用例的成功不仅说明同一试验想定下多种传统试验模式可以相互验证、综合运用外，而且证明了ADS可以实现多种类型试验设施和资源的联合使用，所构成的分布式仿真试验环境可以作为新的试验、训练工具。

但是，由于模型有限等因素，仿真系统还需进一步深入发展和完善。

5 结束语

在借鉴国外先进分布式仿真应用的基础上，本文在电子战系统试验、训练中，给出了用于构建复杂的、可组合的LVC分布式环境的基本概念、过程和模型，分析了基于ADS的EW仿真系统的开发过程，提出层次式体系结构下基于LVC混合构建EW试验训练系统的方法，实现真实的暗室和外场资源得到的试验数据在先进分布式仿真中的融合。通过用例表明:基于ADS的EW仿真系统能够充分利用各种资源的优势，满足试验训练需求。

[1]美国国防建模仿真督导委员会.国防仿真建模的战略设想[R].美国国防建模仿真督导委员会,2009.

[2]王国玉,等.无边界靶场[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3]Wright Darrell L. JADS JT&E The Utility of Advanced Distributed Simulation for Electronic Warfare Systems Testing[R]. November, 1999.

[4]Bizub, W., Bryan, D., Harvey, E. The Joint Live Virtual Constructive Data Translator Framework -Interoperability for a Seamless Joint Training Environment. In Transforming Training and Experimentation through Modelling and Simulation[C].Meeting Proceedings RTO-MP-MSG-045, Paper 9.Neuilly-sur-Seine, France:RTO. Available from:http://www.rto.nato.int/abstracts.asp,2006.

[5]Loftin, R.B. The Future of Simulation. In Virtual Media for Military Applications (pp. KN3-1 - KN3-4). Meeting Proceedings RTO-MP-HFM-136, Keynote 3.Neuilly-sur-Seine, France:RTO. Available from:http://www.rto.nato.int/abstracts.asp, 2006.

[6]John T. Arnold. THE SHORELINE:WHERE CYBER AND ELECTRONIC WARFARE OPERATIONS COEXIST. A Research Report Submitted to the Faculty In Partial Fulfillment of the Graduation Requirements, 17 February, 2009.

[7]David R. Pratt, Robert W. Franceschini . Test &Evaluation in the Virtual World [C]. In Proceedings of the Simulation Interoperability Workshop Spring 2006. Paper 06S-SIW-114, 2006

[8]Joseph Testa and Mike Aldinger. Achieving Standardized Live-Virtual Test and Training Interactions via TENA.